ПОДКРЕПЛЯЮЩЕЕ КОЛЬЦО
REINFORCEMENT RING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в целом, к подкрепляющим кольцам, которые располагаются между подвижными частями, и, в частности, к усовершенствованной системе, способу и устройству, использующим подкрепляющее кольцо.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подкрепляющие кольца ограничивают движение между относительно подвижными частями, такими как торсионные валы в отверстиях корпуса. Один из типов подкрепляющих колец представляет собой кольцевую полосу, расположенную в зазоре между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью отверстия. Такое подкрепляющее кольцо ограничивает радиальное перемещение вала внутри отверстия, но по-прежнему допускает вращение.
В традиционных конфигурациях подкрепляющего кольца отыскивается точная посадка между внутренним и наружным компонентами. Кроме того, отыскиваются или силы, обеспечивающие максимальное сцепление силами трения, или минимальное изменение в силах скольжения. Точная посадка между компонентами желательна потому, что она уменьшает относительную вибрацию между частями. Указанные требования между внутренним и наружным компонентами требуют крепкого и прочного контакта, увеличивающего силы трения.
Также известны подкрепляющие кольца, которое обеспечивают защиту от перегрузки по крутящему моменту для применений с крутящими моментами, превышающими 50 Нм, с относительно небольшими скоростями вращения и небольшими циклами углового скольжения. Эти применения включают опору понижающей передачи, ступени передач на грузовиках с четырьмя ведущими колесами и приводы откидных сидений. Подкрепляющие кольца для этих применений по обыкновению выполняются из термообработанной углеродистой стали толщиной более 0,4 мм и содержат множество прочных волн с высоким коэффициентом трения для обеспечения требуемого крутящего момента. И хотя эти решения пригодны для работы в некоторых применениях, продолжают представлять интерес усовершенствования подкрепляющих колец.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления системы, способа и устройства для подкрепляющего кольца содержат узел в сборе, содержащий наружный компонент, внутренний компонент, расположенный в наружном компоненте и подвижный относительно него, и подкрепляющее кольцо, установленное между внутренним и наружным компонентами.
В других вариантах осуществления узел в сборе содержит наружный компонент, внутренний компонент, расположенный в наружном компоненте и подвижный относительно него, и подкрепляющее кольцо, установленное между внутренним и наружным компонентами. Подкрепляющее кольцо обеспечивает радиальную жесткость, превышающую примерно 20000 Н/мм, и параметры, выбранные из следующего: момент проскальзывания в интервале 1-25 Нм, и диаметр менее примерно 40 мм; момент проскальзывания в интервале 1-100 Нм, и диаметр более примерно 40 мм; или низкое сопротивление осевому скольжению в интервале 10-600 Н и диаметр более 10 мм. Применения, содержащие меньшие диаметры, могут предусматривать менее высокую радиальную жесткость.
В других вариантах осуществления узел подкрепляющего кольца в сборе содержит наружный компонент, содержащий отверстие с осью внутри него, и внутренний компонент, установленный в отверстии наружного компонента так, чтобы внутренний компонент сопрягался с наружным компонентом и был подвижен относительно него. Подкрепляющее кольцо располагается в отверстии между внутренним и наружным компонентами, подкрепляющее кольцо содержит металлическую кольцевую полосу и материал с низким коэффициентом трения, присоединенный к металлической кольцевой полосе, подкрепляющее кольцо также содержит ряд выступов, проходящих относительно оси, при этом выступы сжимаются между внутренним и наружным компонентами так, что подкрепляющее кольцо функционирует в уплощенной части характеристики силы сжатия/удержания, посредством чего выступы изначально проявляют упругие свойства и пластически деформируются, и подкрепляющее кольцо обеспечивает силу защиты от перегрузки, имеющую величину менее 100 Нм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Для того чтобы способ, которым достигаются характерные признаки и преимущества, был более понятен, может быть представлено более доскональное описание с отсылкой к вариантам осуществления, которые проиллюстрированы в прилагаемых графических материалах. Однако графические материалы иллюстрируют лишь некоторые варианты осуществления и поэтому не могут рассматриваться как ограничивающие его объем.
На фиг.1 представлен вид в перспективе одного из вариантов осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.2 представлен вид в перспективе другого варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3 представлен вид в осевом разрезе кольца, представленного на фиг.2, в устройстве;
на фиг.4 представлен вид в радиальном разрезе кольца, представленного на фиг.3, в устройстве;
на фиг.5А-Е представлены различные виды третьего варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.6А-Е представлены различные виды третьего варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.7 представлен схематический вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления подкрепляющего кольца, которое содержит коррозиестойкие слои и сконструировано в соответствии с настоящим изобретением.
Использование одинаковых условных обозначений на разных иллюстрациях указывает сходные или идентичные элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 представлено подкрепляющее кольцо 100, раскрывающее один из вариантов осуществления изобретения. Подкрепляющее кольцо 100 содержит полосу 102 из упругого материала (например, из пружинной стали), которая изогнута в кольцеобразную (по существу кольцевую) форму. Концы полосы 102 не сходятся (например, кольцо может быть сформировано как кольцо с прорезью) и, таким образом, оставляют зазор 106, проходящий в осевом направлении смежно с периферией полосы. В других вариантах осуществления полоса может быть изогнута так, чтобы концы перекрывались друг с другом. В других вариантах осуществления полоса может представлять собой непрерывное, цельное кольцо. Внутренняя поверхность подкрепляющего кольца 100 содержит слой 104 с низким коэффициентом трения, который принимает форму полосы.
Подкрепляющее кольцо 100 содержит ряд разнесенных выступов 108, которые проходят радиально наружу от наружной поверхности подкрепляющего кольца 100. На осевом конце каждого из выступов 108 находится плоский, проходящий по окружности обод 109 из материала кольца. Кроме того, каждый выступ 108 отделяется от соседствующих с ним выступов плоским участком 110 подкрепляющего кольца 100, который может быть сформирован как единое целое с ободьями 109. Выступы 108 представляют собой вытянутые в осевом направлении гребни, которые по форме сходны с волнами, используемыми на традиционных подкрепляющих кольцах. Вершина каждого гребня закруглена, а осевые концы каждого гребня заканчиваются сужающимся бортом 111.
В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо 100 может формироваться из плоской полосы упругого материала (который образует полосу 102). Перед изгибом полосы в изогнутую форму и перед формированием выступов на одну поверхность полосы может наносится слой 104 с низким коэффициентом трения. В других вариантах осуществления, слой 104 с низким коэффициентом трения может наносится на обе поверхности плоской полосы. После крепления слоя 104 с низким коэффициентом трения к плоской полосе, полученная слоистая конструкция штампуется (например, прессуется с использованием подходящей по форме пресс-формы, ротационной ударной штамповки и т.д.) с образованием выступов 108. Таким образом, выступы 108 формируются как из полосы упругого материала, так и из слоя 104 с низким коэффициентом трения. Материал слоя 104 с низким коэффициентом трения может выбираться так, чтобы он был гибким, облегчая указанный этап штамповки. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, выступы 108 выступают радиально наружу из полосы 102. В других вариантах осуществления они могут выступать радиально внутрь из слоя 104 с низким коэффициентом трения. После формирования выступов 108 слоистая конструкция изгибается в кольцеобразную конфигурацию, показанную на фиг.1. В показанном варианте осуществления полоса 102 представляет собой наружный материал. В других вариантах осуществления полоса 102 может представлять внутренний материал. В других вариантах осуществления выступы 108 могут проходить радиально внутрь или наружу в зависимости от конкретной ситуации и независимо от того, обеспечивает полоса 102 внутренний или наружный материал подкрепляющего кольца 100.
Во время работы, подкрепляющее кольцо 100 располагается между двумя компонентами. Например, оно может быть расположено в кольцевом промежутке между валом и отверстием в корпусе. Выступы 108 сжимаются между внутренним и наружным компонентами. Каждый выступ играет роль пружины и деформируется для подгонки компонентов друг к другу с нулевым просветом между ними. Иными словами, внутренний компонент вступает в контакт с внутренними поверхностями подкрепляющего кольца, а наружный компонент вступает в контакт с наружными поверхностями подкрепляющего кольца.
Если к одному или обоим компонентам, внутреннему и наружному, прилагаются силы (например, вращающие или линейные), так что между внутренним и наружным компонентами действует результирующая сила, внутренний и наружный компоненты могут двигаться относительно друг друга. Поскольку в некоторых вариантах осуществления существует нулевой просвет между компонентами, то имеется пара контактирующих поверхностей, которые скользят одна относительно другой. Это называется поверхностью скользящего контакта. В некоторых вариантах осуществления поверхность скользящего контакта возникает на поверхностях контакта между слоем 104 с низким коэффициентом трения и внутренним компонентом (см., например, фиг.3). Поверхности контакта могут включать внутренние поверхности плоских ободьев 109 и «отпечатки» каждого из выступов 108 (т.е. области вокруг краев каждого из выступов 108, где они смыкаются с полосой 102). Материал слоя 104 с низким коэффициентом трения и конфигурация выступов 108 обеспечивают силу скольжения на поверхности скользящего контакта, которая значительно ниже ожидаемого значения, выведенного из силы радиальной нагрузки, сообщаемой выступами. Указанная низкая сила скольжения облегчает движение между движущимися поверхностями контакта.
Для сравнения, на поверхностях контакта между наружным компонентом и наружными поверхностями полосы 102, сила трения может быть достаточной для того, чтобы удерживать подкрепляющее кольцо 100 на месте относительно наружного компонента. В других вариантах осуществления обе поверхности полосы 102 могут быть покрыты слоем с низким коэффициентом трения. Таким образом, в этих вариантах осуществления, может существовать две поверхности скользящего контакта.
На фиг.2 представлен другой вариант осуществления подкрепляющего кольца 200, содержащего полосу 202, изогнутую в трубчатую конфигурацию с осевым зазором 206 на окружности. Аналогично фиг.1, внутренняя поверхность полосы 202 содержит нанесенный на нее слой 204 с низким коэффициентом трения. Полоса 202 также содержит ряд выступов 208, которые проходят радиально наружу от ее наружной поверхности. Выступы 208 могут, как показано, соприкасаться друг с другом на окружности или могут быть разнесены по окружности, как в варианте осуществления, представленном на фиг.1. Подкрепляющее кольцо 200 может изготавливаться описанным выше способом так, что слой 204 с низким коэффициентом трения приобретает форму полосы 202, включая выемки, которые соответствуют различным неровностям поверхности выступов 208. Подкрепляющее кольцо 200 содержит плоские ободья, или воротнички 210, на каждом из осевых концов выступов 208.
Подкрепляющее кольцо 200, представленное на фиг.2, отличается от кольца, представленного на фиг.1 тем, например, что на нем меньше выступов по периметру окружности полосы, и практически отсутствуют плоские промежутки между соседствующими выступами.
На фиг.3 представлен вид в осевом разрезе устройства 300, включающего другой вариант осуществления. Устройство 300 содержит, например, подкрепляющее кольцо 200, показанное на фиг.2. Устройство 300 содержит корпус 302, или наружный компонент. Корпус 302 содержит сформированное в нем осевое отверстие 304, которое вмещает вал 306, или внутренний компонент. Подкрепляющие кольца могут использоваться в этих применениях для сообщения крутящего момента или в качестве ограничителей крутящего момента.
Между наружной поверхностью 308 вала 306 и внутренней поверхностью 310 отверстия 304 существует кольцевой зазор. Размер этого кольцевого зазора является варьируемым, поскольку диаметры вала 306 и отверстия 304 могут варьироваться в пределах производственных допусков. Для предотвращения вибрации вала 306 в отверстии 304 кольцевой зазор заполняется подкрепляющим кольцом 200, образуя беззазорную посадку между компонентами. На фиг.3 представлено, что подкрепляющее кольцо 200 включает полосу 202 в качестве наружного слоя и слой 204 с низким коэффициентом трения - в качестве внутреннего слоя, который соответствует форме полосы 202. При использовании кольцевые выступы 208 подкрепляющего кольца 200 радиально сжимаются в кольцевом зазоре между валом 306 и корпусом 302, и, таким образом, полоса 202 вступает в контакт с внутренней поверхностью 310 отверстия 304. Поверхность скользящего контакта образуется там, где слой 204 с низким коэффициентом трения вступает в контакт с наружной поверхностью 308 вала 306. Поэтому подкрепляющее кольцо 200 уменьшает зазор до нуля, и, таким образом, просвет между компонентами устройства 300 отсутствует.
Область контакта между наружной поверхностью 308 и слоем 204 с низким коэффициентом трения представляет собой поверхность скользящего контакта, на которой возникает относительное движение между валом 306 и подкрепляющим кольцом 200. Подкрепляющее кольцо 200 фиксировано относительно корпуса 302 посредством сцепления силами трения в области контакта между полосой 202 и внутренней поверхностью 310.
Если в ходе использования возникает износ вала 306 или слоя 204 с низким коэффициентом трения на поверхности скользящего контакта, выступы 208 могут его компенсировать путем упругого перемещения к их состоянию покоя, таким образом, сохраняя контакт с валом 306 и корпусом 302. Поэтому срок службы подкрепляющего кольца 200 может превосходить срок службы традиционных подкрепляющих колец для обеспечния нулевого зазора без упруго сжимаемых выступов.
На фиг.4 представлен вид в радиальном разрезе устройства, содержащего корпус 302 и вал 306. В показанном варианте осуществления подкрепляющее кольцо 200 удерживается на вале 306. Наружный диаметр вала 306 больше внутреннего диаметра подкрепляющего кольца 200 в состоянии покоя. Таким образом, для посадки подкрепляющего кольца вокруг поверхности 308 вала, подкрепляющее кольцо должно расшириться (осевой зазор 206 (фиг.2) должен стать шире). Внутри отверстия 304 корпуса 302 выступы 208 сжимаются в кольцевом зазоре, или в промежутке между компонентами на внутренней поверхности 310. В этой конфигурации коэффициент трения на поверхности скользящего контакта (между валом 306 и слоем 204 с низким коэффициентом трения) очень мал по сравнению с коэффициентом трения в области контакта между полосой 202 и корпусом 302. Таким образом, скольжение по существу ограничивается поверхностью скользящего контакта, где происходит по существу свободно. В других вариантах осуществления расположение выступов 208 и слоя 204 с низким коэффициентом трения может быть таким, чтобы поверхность скользящего контакта находилась между корпусом 302 и подкрепляющим кольцом 200.
На фиг.5А-Е представлены различные перспективные, данные в разрезе, торцевые осевые и боковые виды другого варианта осуществления подкрепляющего кольца 500. Подкрепляющее кольцо 500 включает полосу 502, изогнутую в трубчатую конфигурацию с осевым зазором 506 на ее окружности. Внутренняя поверхность полосы 502 содержит нанесенный на нее слой 504 с низким коэффициентом трения. Полоса 502 также содержит ряд выступов 508, которые проходят радиально внутрь. Подкрепляющее кольцо 500 может изготавливаться так, как это описано в данном раскрытии, чтобы слой 504 с низким коэффициентом трения имел однородную толщину и приобретал форму полосы 502, включая выемки, которые совпадают с различными неровностями поверхности выступов 508. Подкрепляющее кольцо 500 может включать сужающиеся борта 511 и плоские кольцевые ободья, или воротнички 509, на осевом конце каждого из выступов 508, а также плоские промежутки 510 между выступами 508.
На фиг.6А-Е изображены виды еще одного варианта осуществления подкрепляющего кольца 600. Подкрепляющее кольцо 600 содержит полосу 602 из упругого материала, которая изогнута в кольцевую форму. В показанном варианте осуществления концы полосы 602 не сходятся и оставляют зазор 606, однако кольцо может формироваться и как непрерывное кольцо. Внутренняя поверхность подкрепляющего кольца 600 содержит нанесенный на нее слой 604 с низким коэффициентом трения, такой как слой PTFE, который приобретает форму полосы 602.
Подкрепляющее кольцо 600 содержит ряд разнесенных выступов 608, которые проходят радиально наружу от наружной поверхности подкрепляющего кольца 600. На осевом конце каждого из выступов 608 находится плоский, проходящий по окружности обод 609. Каждый выступ 608 также отделяется от соседствующих с ним выступов плоским участком 610, который может быть сформирован в виде поскости как единое целое с ободьями 609. Выступы 608 представляют собой вытянутые в осевом направлении гребни, где вершина каждого гребня закруглена, а осевые концы каждого гребня заканчиваются сужающимся ботром 611.
В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо 600 может формироваться из плоской полосы упругого материала (как, например, полосы 602). Перед тем, как полоса изгибается в изогнутую форму, и перед тем, как формируются выступы, на ее поверхность наносят слой 604 с низким коэффициентом трения. В других вариантах осуществления слой 604 с низким коэффициентом трения может быть нанесен на обе поверхности плоской полосы. После прикрепления слоя 604 с низким коэффициентом трения полученная слоистая конструкция штампуется для формирования выступов 608. Таким образом, выступы 608 формируются как из полосы гибкого материала 602, так и из слоя 604 с низким коэффициентом трения. Материал слоя 604 с низким коэффициентом трения может выбираться так, чтобы он был гибким для облегчения указанного этапа штамповки. И хотя выступы 608 выступают радиально наружу из полосы 602, они могут выступать и радиально внутрь из слоя 604 с низким коэффициентом трения. После формирования выступов 608 слоистая конструкция изгибается в кольцеобразную конфигурацию. В показанном варианте осуществления полоса 602 представляет собой наружный материал, однако она может быть наружным материалом. В других вариантах осуществления выступы 608 могут проходить радиально внутрь или наружу в зависимости от конкретной ситуации и независимо от того, обеспечивает полоса 602 внутренний или наружный материал подкрепляющего кольца 600.
В некоторых вариантах осуществления в применениях для защиты от перегрузки предусматриваются подкрепляющие кольца с силами защиты от перегрузки по крутящему моменту, имеющими величину, например, менее 25 Нм, с общим диаметром менее 40 мм. Применения этих вариантов осуществления включают, например, регуляторы положения сиденья, гибридные механизмы двойного сцепления, регулировку подголовников сидений, силовые приводы дверей, кронштейны рамы и т.д.
Другие варианты осуществления обеспечивают силы защиты от перегрузки по крутящему моменту, имеющие величину, например, менее 100 Нм, при диаметрах более 65 мм, как, например, для применений, включающих стартеры, применения в трансмиссии и т.д. В некоторых вариантах осуществления для этих конструкций может использоваться полоса из нержавеющей стали толщиной менее 0,40 мм. Другие варианты осуществления могут включать диаметры, например, 40-65 мм с промежуточными уровнями защиты от перегрузки по крутящему моменту. Более того, смазка не требуется, что особенно благоприятно для применений, в которых использование смазки исключается по техническим или эстетическим причинам.
В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо формируется из пружинной стали (например, холоднокатаной нержавеющей стали) и содержит нанесенный на нее слой с низким коэффициентом трения. Например, нержавеющая сталь может иметь толщину 0,1-0,7 мм, а слой с низким коэффициентом трения может иметь толщину в интервале примерно 0,05-0,50 мм (например, 0,25 мм) и крепиться к стали перед тем, как подкрепляющее кольцо формуется в его круглую форму.
Подкрепляющее кольцо может формироваться с геометрическими волнами, которые конструируются для достижения пружинных характеристик, требуемых в предполагаемом конкретном применении для управления силами. Слой с низким коэффициентом трения понижает силы скольжения, уменьшает изменение сил и обеспечивает поверхность скольжения с низким коэффициентом трения, которая выдерживает множество проскальзываний без износа лежащих в ее основе материалов. Это позволяет конструировать подкрепляющие кольца, выполняющие функции управления силами, невозможные в пределах рабочих характеристик, достижимых путем варьирования одной лишь геометрии подкрепляющего кольца, таких как низкий момент проскальзывания, низкая сила скольжения, без снижения силы в ходе множества циклов проскальзывания. Например, подкрепляющее кольцо в соответствии с настоящим изобретением уменьшает силу скольжения, или момент проскальзывания, до, приблизительно, 1/2-1/3 относительно величины, которую можно было бы ожидать для подкрепляющего кольца эквивалентной конструкции, выполненного только из металла. В результате варианты осуществления, раскрытые в данном раскрытии, значительно более стабильны, чем конструкции на известном уровне техники.
В этом раскрытии момент проскальзывания определяется как момент, при котором два компонента, которые соединены подкрепляющим кольцом, начинают вращаться один относительно другого под действием приложенной к системе нагрузки крутящим моментом. Фиксация подкрепляющим кольцом будет удерживать сопряженные компоненты вместе без относительного вращения до достижения указанного порогового значения, когда силы трения, генерируемые путем сжатия волн подкрепляющего кольца, будут преодолены, и возникнет соответствующее вращение, которому противостоят силы трения. Сходным образом, осевая сила скольжения представляет собой то же самое, но в осевом направлении. Подкрепляющее кольцо будет допускать осевое скольжение между двумя компонентами только в том случае, если превышено пороговое значение силы. Пороговая сила генерируется силами трения, генерируемыми посредством сжатия волн подкрепляющего кольца. Сила защиты от перегрузки, или момент, возникает там, где значения момента проскальзывания, или силы скольжения, подкрепляющего кольца устанавливаются так, чтобы они были ниже безопасной нагрузки системы. Подкрепляющее кольцо допускает проскальзывание, если система получает внешнюю нагрузку, превышающую пороговое значение, что, в противном случае, может приводить к повреждению системы.
Соответственно, варианты осуществления волн подкрепляющих колец имеют большую высоту, чем размер радиального промежутка, в котором они должны устанавливаться. Поэтому в результате установки волны сжимаются и вызывают силу, зависящую от их жесткости и величины сжатия, и, таким образом, они генерируют силу, удерживающую узел в сборе.
Как правило, сопряженные компоненты узла и волны подкрепляющего кольца сами по себе обладают изменчивостью размеров в пределах заданных допусков. Поэтому фактическая величина сжатия волн и, соответственно, силы, генерируемые в узле, могут варьироваться от узла к узлу. Однако если сжимать волны за пределы их «зоны упругости», они постепенно начинают вести себя более пластично, ограничивая дальнейшее увеличение силы при дальнейшем сжатии. Этот эффект важен тогда, когда подкрепляющие кольца обеспечивают управление силой скольжения (как осевой, так и вращательной), для минимизации изменения силы из-за изменения сжатия, где волны сконструированы для их сжатия в «зону пластичности».
Например, в применениях для управления осевой силой скольжения, которые требуют низких сил, таких как осевые силы скольжения в интервале примерно 30-300 Н (и, в некоторых вариантах осуществления, 10-600 Н), с диаметрами компонентов по меньшей мере примерно 10 мм, а также в применениях для ограничения крутящего момента, которые требуют момента проскальзывания в интервале примерно 1-25 Нм с компонентами диаметром менее примерно 40 мм и радиальной жесткостью более примерно 20000 Н/мм, или момента проскальзывания в интервале примерно 1-100 Нм с диаметрами компонентов более примерно 40 мм и радиальной жесткостью более примерно 20000 Н/мм, с традиционными конструкциями подкрепляющих колец очень трудно достигнуть подходящих сил скольжения. Для достижения столь малых сил необходимы тонкие материалы и «непрочная» геометрия волн с тем, чтобы приблизиться к рабочим характеристиками пластмассовой пружины, что приводит к чрезвычайно непрочным конструкциям, которые трудны в обращении, и если они все же устанавливаются, то имеют очень низкую радиальную жесткость.
Например, в одном из экспериментов сравнивалось традиционное подкрепляющее кольцо, включающее простое стальное кольцо, с подкрепляющим кольцом, сконструированным в соответствии с изобретением и со слоем с низким коэффициентом трения на идентичном стальном кольце. Так, геометрия стального кольца для обоих колец была аналогична, например, диаметр 35 мм, ширина 12 мм и толщина 0,2 мм, в кольца впрессовывались волны (например, 9 волн на кольцо), имеющие высоту 1 мм, с промежутком между волнами, одинаковым для обоих стальных колец. Единственным различием в данном эксперименте было то, что усовершенствованное подкрепляющее кольцо в соответствии с изобретением также включало кольцо из PTFE, имеющее дополнительную толщину 0,25 мм. Таким образом, кольцо со слоем PTFE включало толщину стали 0,2 мм и толщину PTFE 0,25 мм. Пружинная жесткость для традиционного кольца из одной только стали и для кольца, покрытого PTFE, была приблизительно идентичной, поскольку PTFE оказывает очень малое влияние на форму кривой зависимости прогиба от нагрузки, если волновая геометрия стали сохраняется. Силы скольжения для обеих экспериментальных конструкций достигали 1000 Н - для подкрепляющего кольца из одной только стали, и лишь 400 Н - для кольца, покрытого PTFE. И хотя кольцо из одной только стали имеет толщину лишь 0,2 мм, силы скольжения для него намного выше из-за более высокого коэффициента трения в отсутствие PTFE и износа, который возникает в ходе относительного движения.
В другом примере и сравнении подкрепляющих колец для применения к моментам проскальзывания испытывались подкрепляющие кольца, имеющие диаметр 20 мм, ширину 18 мм, высоту волн 1 мм и промежуток между волнами 7 мм. В данном применении имелся целевой момент проскальзывания 4 Нм. Для достижения поставленной цели подкрепляющее кольцо согласно изобретениею формировалось из полосы материала нержавеющей стали и имело толщину 0,4 мм плюс нанесенный слой PTFE толщиной 0,25 мм. Этот вариант осуществления генерирует момент проскальзывания величиной лишь 4 Нм, однако имеет весьма значительную радиальную жесткость по отношению к приложенной извне нагрузке величиной 50000 Н/мм.
Напротив, генерирование целевого момента проскальзывания величиной лишь 4 Нм с традиционным подкрепляющим кольцом из одной только стали требует уменьшения толщины стали до величины всего 0,2 мм. В результате радиальная жесткость этой традиционной конструкции, для сравнения, составляет всего 12000 Н/мм. Таким образом, для достижения целевого момента проскальзывания толщину необходимо уменьшать, что приводит к радиальной жесткости, которая более чем вчетверо меньше радиальной жесткости, достижимой настоящим вариантом осуществления изобретения. Этот эксперимент показывает, что варианты осуществления изобретения обеспечивают намного более жесткий узел в сборе для применения с низким моментом проскальзывания, что особенно важно тогда, когда требуется сопротивление внешней нагрузке. Более того, на практике традиционное подкрепляющее кольцо из одного лишь металла быстро выходит из строя в тех применениях, где требуется множество проскальзываний, из-за значительного износа их поверхностей контакта, состоящих из одной только стали.
Традиционные уменьшения силы скольжения также были возможны путем уменьшения количества волн, разнесения волн на большие расстояния и/или уменьшения толщины необработанного материала до примерно 0,1 мм с целью уменьшения жесткости каждой из волн. Ни одно из этих традиционных решений для снижения силы скольжения не оказалось жизнеспособным. Кроме того, указанные простые способы пагубно уменьшают общую радиальную жесткость узла, и поэтому результат намного менее устойчив и в меньшей степени способен выдерживать внешнюю радиальную нагрузку без чрезмерной деформации.
Сохранение жесткости волн при уменьшении количества волн приводит к той же силе, приходящейся на волну, поэтому возникают те же трудности, связанные с износом, что и в конструкциях известного уровня техники, которые не содержат слоя с низким коэффициентом трения. Более того, уменьшение толщины стали до 0,1 мм приводит к очень непрочному кольцу, что вызывает значительные затруднения в обращении и при сборке.
Добавление материала с низким коэффициентом трения на поверхность подкрепляющего кольца, где происходит скольжение, влияет на снижение коэффициента контактного трения и на снижение результирующих сил скольжения. Например, коэффициент трения, который обеспечивается слоем с низким коэффициентом трения, может иметь значение в интервале примерно 0,04-0,25 и примерно 0,09-0,17 - в других вариантах осуществления. Эта конструкция также препятствует износу поверхностей компонентов в ходе скольжения, сохраняя силы скольжения в ходе множества циклов проскальзывания. Для пониженных сил скольжения геометрия подкрепляющего кольца может быть сделана более надежной при том же уровне сил, чем это было бы возможно для традиционных подкрепляющих колец. Течение материала с низким коэффициентом трения в областях контакта также оказывает влияние, способствуя минимизации изменения силы скольжения путем пластической деформации внутри самого материала и, таким образом, обеспечивая более подходящее управление силами.
Применения для указанных вариантов осуществления включают, например, управление осевыми силами скольжения (например, в скользящих механизмах регулировки длины рулевой колонки типа «труба в трубе»), защиту от перегрузки по крутящему моменту в приводных механизмах (например, в таких автомобильных применениях, как механизмы позиционирования сиденья, дверные механизмы и т.д.). Слой с низким коэффициентом трения находится на поверхности подкрепляющего кольца, примыкающей к поверхности, на которой происходит скольжение. В зависимости от применения и конфигурации узла, этот слой может находиться над или под волнами. В зависимости от требуемых свойств, таких как контактные давления, скорости скольжения, и требуемых характеристик смазки или износа могут использоваться альтернативные материалы с низким коэффициентом трения и/или альтернативные величины толщины.
Слой с низким коэффициентом трения может содержать множество типов материалов, включая, например, полимер, такой как поликетон, полиарамид, термопластичный полиимид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полисульфон, полифениленсульфон, полиамидимид, полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой, термопластичный фтормполимер, полиамид, полибензимидазол или любое их сочетание. В одном из примеров термопластичный материал включает поликетон, полиарамид, полиимид, полиэфиримид, полиамидимид, полифениленсульфид, полифениленсульфон, фторполимер, полибензимидазол, их производное или их комбинацию. В одном из частных примеров термопластичный материал включает полимер, такой как поликетон, термопластичный полиимид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полисульфон, полиамидимид, их производное или их комбинацию. В следующем примере материал включает поликетон, такой как полиэфирэфиркетон (РЕЕК), полиэфиркетон, полиэфиркетонкетон, поиэфиркетонэфиркетонкетон, их производное или их комбинацию. Один из примеров фтормполимера включает фторированный этилен-пропилен (FEP), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид (PVDF), перфторалкоксиполимер (PFA), тройной сополимер тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфторида (THV), полихлортирифторэтилен (PCTFE), сополимер этилена и тетрафторэтилена (ETFE), сополимер этилена и хлортрифторэтилена (ECTFE) или любое их сочетание. В одном из дополнительных примеров термопластичный полимер может представлять собой полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой. Иллюстративная твердая смазка может включать политетрафторэтилен или твердую смазку, выбранную из ряда: дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, графит, графен, вспученный графит, нитрид бора, тальк, фторид кальция, фторид церия или любая их комбинация. Иллюстративная керамика или минерал включает глинозем, кремнезем, диоксид титана, фторид кальция, нитрид бора, слюду, волластонит, карбид кремния, нитрид кремния, диоксид циркония, углеродную сажу, пигменты или любое их сочетание.
В некоторых вариантах осуществления стальная сторона подкрепляющего кольца остается неподвижной относительно другой поверхности. Для крепления стальной поверхности к сопряженному компоненту во избежание проскальзывания могут включаться средства удерживания, такие как фланцы, лапки, волнообразные неровности, конические отверстия или другие приспособления.
В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо обеспечивает нулевой просвет с низкой силой скольжения для вращательного и осевого движения. В одной из особенностей подкрепляющее кольцо объединяет с подкрепляющим кольцом слой с низким коэффициентом трения, способствующий скольжению, что обеспечивает сцепление через зазор между двумя компонентами, которые движутся один относительно другого. Конструкция является сжимаемой и представляет дополнительные преимущества, являясь функциональной для различных размеров зазора (например, для того, чтобы компенсировать производственный разброс в размерах компонентов), и представляет меньшую область контакта, чем традиционные подкрепляющие кольца. В сочетании со слоем с низким коэффициентом трения эта конструкция обеспечивает значительное уменьшение сил трения, которые противодействуют относительному движению между компонентами даже тогда, когда осевая или радиальная нагрузка является высокой.
Еще одним преимуществом конструкции подкрепляющего кольца является ее упругость. В отсутствие слоя с низким коэффициентом трения из-за множества проскальзываний возникал бы износ, и сила скольжения изменялась бы. Однако, в присутствии слоя с низким коэффициентом трения износ предотвращается. Вместо сопряженных компонентов износу подвергается слой с низким коэффициентом трения. Пружинный эффект подкрепляющего кольца принимает износ в PTFE, поддерживая нулевой просвет и способствуя сохранению уровней сил.
Кольцо, как правило, содержит один или несколько проходящих по окружности ободьев, например, на осевых краях кольца, и ряд разнесенных по окружности выступов, проходящих по существу в радиальных направлениях. Выступы проходят радиально от кольца, или наружу от кольца, или внутрь к радиальному центру кольца. Выступы могут представлять собой дискретные образования. Они могут представлять собой регулярные образования, такие как гребни, волны или пальцы. Каждый выступ может включать закругленный гребень (например, волну), который поднимается к радиальной вершине и спускается с радиальной вершины. В этих вариантах осуществления сила, сообщаемая выступом, концентрируется в небольшой области вокруг краев, где выступ смыкается с полосой (т.е., в его «отпечатке»).
В действии каждый выступ играет роль пружины и прилагает радиальную силу к компонентам, таким образом, обеспечивая между ними посадку с натягом. Вращение внутреннего или наружного компонента генерирует аналогичное вращение наружного компонента, поскольку крутящий момент сообщается кольцом. Подобным образом, поскольку линейная сила сообщается кольцом, линейное или осевое перемещение любого из компонентов приводит к аналогичному линейному перемещению другого компонента.
Известно создание подкрепляющих колец, которые в особых обстоятельствах допускают скольжение между компонентами. Например, если к одному или обоим компонентам, внутреннему и наружному, приложены относительно высокие силы (например, вращательные или линейные), и, таким образом, результирующая сила между компонентами превышает пороговое значение. В традиционных подкрепляющих кольцах это пороговое значение является высоким и основывается на ожидаемом значении, основанном на силе радиальной нагрузки, испытываемой кольцом.
Согласно одному аспекту может предусматриваться система, включающая внутренний компонент, наружный компонент, скомпонованный для размещения внутреннего компонента, и подкрепляющее кольцо, установленное между внутренним и наружным компонентами с целью выполнения взаимного сцепления между ними. Подкрепляющее кольцо может содержать деформируемую полосу из первого материала, где полоса содержит плоский, проходящий по окружности обод, и ряд разнесенных по окружности, проходящих в радиальном направлении выступов, и слой с низким коэффициентом трения из второго материала, имеющего менее высокий коэффициент трения, чем у первого материала, для обеспечения поверхности скользящего контакта, допускающей относительное движение между внутренним и наружным компонентами. При использовании полоса обеспечивает беззазорную посадку между внутренним и наружным компонентами путем сообщения силы нагрузки между ними. Однако слой с низким коэффициентом трения выполняет функцию уменьшения силы трения на поверхности скользящего контакта так, чтобы сила скольжения, необходимая для движения внутреннего и наружного компонентов один относительно другого была значительно меньше ожидаемого значения, выведенного из силы нагрузки.
Плоский обод полосы может создавать проходящую по окружности поверхность контакта с одним из компонентов, внутренним или наружным. Целостная область контакта по окружности подкрепляющего кольца может улучшать управление силой скольжения. На полосе может быть два или большее количество ободьев, в некоторых вариантах осуществления, с рядом полос волн. Обод может предусматриваться на каждом осевом конце подкрепляющего кольца, где выступы располагаются между ободьями.
Выступы могут располагаться так, чтобы они отступали от обода, образуя ряд дискретных поверхностей контакта с другим компонентом, внутренним или наружным. Выступы могут быть сконфигурированы для деформации. Она может включать упругую деформацию на дискретных поверхностях контакта для сообщения силы нагрузки радиально через подкрепляющее кольцо между внутренним и наружным компонентами. Форма и размер каждого выступа могут быть выбраны на основе конкретного применения. Сила скольжения может зависеть от формы выступов. Как правило, выступы подкрепляющего кольца, или волны, способны сообщать относительно высокие радиальные силы (например, 200 Н или более), сохраняя устойчивость расположения и обеспечивая радиальную жесткость между внутренним и наружным компонентами. Каждый выступ содержит область отпечатка, где его края смыкаются с полосой. Поверхность скользящего контакта может находиться в точке передачи нагрузки между областью отпечатка и одним из компонентов, внутренним или наружным. Например, это может происходить между подкрепляющим кольцом и одним из компонентов, внутренним или наружным, который вступает в контакт с ободьями. Площадь области отпечатка может быть относительно небольшой, что, в сочетании со слоем с низким коэффициентом трения, уменьшает силы трения.
В некоторых вариантах осуществления выступы представляют собой автономные конструкции. Например, каждый выступ может включать проходящий по окружности закругленный обод с сужающимися бортами на его осевых концах. Когда в ходе предварительной сборки подкрепляющее кольцо устанавливается на внутренний или наружный компонент, сужающиеся борта играют роль направляющих, способствуя осевой установке другого компонента.
Выступы тщательно отбираются и конструируются для сообщения сил или пружинных свойств. Геометрия выступов выбирается так, чтобы она обеспечивала требуемые характеристики упругой/пластической деформации. Характеристики деформации выбираются не только с учетом производственных допусков для внутреннего или наружного компонентов, но и так, чтобы они компенсировали различное тепловое расширение и износ, который может возникать между разнородными компонентами в ходе эксплуатации, и, таким образом, обеспечивали требуемые рабочие характеристики в течение всего времени эксплуатации. Эти конструкции применяются в беззазорных подкрепляющих кольцах для того, чтобы гарантировать, что компоненты в сборе не высвободятся при повышенных температурах.
В ходе использования полоса подкрепляющего кольца может упруго деформироваться при установке на одном из компонентов при предварительной сборке. Когда на предварительно собранный узел устанавливается второй компонент, который, таким образом, сжимает кольцо в зазоре между компонентами, предпочтительно, деформируются только выступы. Эта деформация может быть упругой или пластической в зависимости от формы и/или профиля выступов и размера зазора. Если при этом деформируются только выступы, сообщающая силы область контакта на поверхности скользящего контакта значительно не изменяется при сжатии кольца. Это позволяет достигнуть подходящей силы скольжения.
Слой с низким коэффициентом трения может быть выполнен заодно или прикреплен к полосе, и принимает форму полосы. Например, слой низкого давления отливается вместе с выступами полосы и совпадает с ними. Эта особенность позволяет выполнить компактную конструкцию. Слой с низким коэффициентом трения включает ряд дискретных накладок, прикрепленных к полосе или нанесенных на нее. Например, слой с низким коэффициентом трения может предусматриваться в точках контакта на поверхности скользящего контакта. В одном из вариантов осуществления накладки из материала с низким трением прикрепляются к полосе в областях отпечатков и ободьев. Полоса может быть открытой там, где на поверхности скользящего контакта контакт отсутствует.
Слой с низким коэффициентом трения может прикрепляться к поверхности полосы, противостоящей внутреннему или наружному компоненту. Слой с низким коэффициентом трения может покрывать полосу или быть связанным с полосой. В одном из вариантов осуществления слой с низким коэффициентом трения наносится на поверхность полосы. Нанесение слоя с низким коэффициентом трения обеспечивает его однородную толщину по всей полосе, позволяя избежать тонких накладок, которые могут образоваться, если покрытие слоя наносится путем погружения полосы в жидкую форму второго материала и удаления избытка центрифугированием или другим способом удаления.
В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо закрепляется на одном из компонентов, внутреннем или наружном, где поверхность скользящего контакта находится между кольцом и другим компонентом. Например, подкрепляющее кольцо может быть закреплено, или может удерживаться, посредством упругого захвата полосы или внутреннего компонента. В этом примере слой с низким коэффициентом трения предусматривается только на внутренней поверхности полосы, и выступы могут проходить радиально наружу от полосы, например, к наружному компоненту. При таком расположении поверхность скользящего контакта находится в области контакта между внутренней поверхностью подкрепляющего кольца и внутренним компонентом, где в контакт с внутренним компонентом вступают отпечатки выступов на ободьях подкрепляющего кольца.
Подкрепляющее кольцо закрепляется на одном из компонентов посредством сцепления полосы силами трения. В вариантах осуществления для кольца с прорезью, кольцо с прорезью является упругим так, чтобы оно сжимало один из компонентов (например, вал), размер которого больше его диаметра, или расширялось наружу, упираясь в наружный компонент (например, в отверстие в корпусе), размер которого меньше его диаметра. Может оказаться желательным допущение относительного движения между внутренним и наружным компонентами только в одной ориентации (например, вращательной или осевой). В этом случае подкрепляющее кольцо может быть механически ограничено относительно одного из компонентов для того, чтобы предотвратить относительное движение по поверхности скользящего контакта в нежелательной ориентации. Например, подкрепляющее кольцо может зажиматься во внешней канавке на наружной поверхности вала. Края канавки препятствуют осевому перемещению подкрепляющего кольца относительно вала. Если поверхность скользящего контакта предусматривается на внутренней поверхности подкрепляющего кольца, относительное осевое перемещение вала и отверстия на этой поверхности предотвращается и вместо этого должно происходить по наружной поверхности подкрепляющего кольца. Наружная поверхность может не содержать слоя с низким коэффициентом трения и поэтому может обеспечивать большее сопротивление относительному движению.
Полоса может включать упругое кольцо с прорезью, такое как разомкнутый контур из материала, частично проходящего вокруг периметра внутреннего компонента. Конфигурация выступов может быть симметричной по окружности кольца относительно прорези. Такое расположение может быть частично устойчивым.
Внутренний компонент может представлять собой вал, а наружный компонент может представлять собой корпус, содержащий отверстие для размещения вала. Подкрепляющее кольцо проходит по периметру вала, входя в зацепление с наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью отверстия. Как было упомянуто выше, полоса может проходить вокруг всего периметра вала или только частично вокруг вала.
Устройство также может включать узел привода, размещаемый так, чтобы он приводил к относительному вращению между валом и корпусом, где кольцо размещается для того, чтобы допускать скольжение по окружности между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью отверстия.
Слой с низким коэффициентом трения может иметь по существу такую же протяженность по окружности, что и полоса. Слой с низким коэффициентом трения может предусматриваться во всех точках контакта между кольцом и внутренним/наружным компонентом на поверхности скользящего контакта. Поэтому полоса не вступает в контакт с компонентом, который движется относительно нее по поверхности скользящего контакта, что может уменьшать трение.
Каждая выемка может размещаться напротив выступа. Например, выступы могут формироваться путем штамповки, прессования или профилирования роликами полосы материала так, чтобы выемки автоматически образовывались на обратной стороне полосы при выполнении выступов.
Там, где выступы являются автономными, дискретные конструкции, содержащие стенки, которые ограничивают объем при установке между внутренним и наружным компонентами, могут удерживать любую смазку, нанесенную перед сборкой, и уменьшают или минимизируют последующие утечки.
Согласно другому аспекту может предусматриваться подкрепляющее кольцо для установки между внутренним и наружным компонентами с целью выполнения взаимного сцепления между ними. Кольцо включает деформируемую полосу из первого металла, где полоса содержит плоский, проходящий по окружности обод и ряд разнесенных по окружности, проходящих в радиальном направлении выступов, и слой с низким коэффициентом трения из второго материала, имеющего менее высокий коэффициент трения, чем у первого материала, предназначенный для создания поверхности скользящего контакта, допускающей относительное движение между внутренним и наружным компонентами. Кольцо может содержать любой из признаков, обсужденных выше в отношении других особенностей.
Согласно еще одному аспекту может предусматриваться способ формирования подкрепляющего кольца для установки между компонентами для выполнения взаимного сцепления между ними, где способ включает: прикрепление слоя материала скольжения к полосе материала основы с целью формирования слоистой конструкции, где материал скольжения имеет менее высокий коэффициент трения, чем материал основы; формирование на всей слоистой конструкции ряда разнесенных выступов, примыкающих к плоской области; изгиб слоистой конструкции для формирования кольца, где плоская область становится проходящим по окружности ободом, а ряд выступов проходит радиально от слоистой конструкции.
Материалом основы может быть материал, пригодный для формирования подкрепляющего кольца, такой как пружинная сталь и т.п.Слой материала скольжения может быть нанесен на материал основы для прикрепления к нему. Для некоторых применений ламинирование обладает преимуществом, поскольку прикрепленный слой имеет постоянную толщину. Толщина нанесенного слоя может выбираться так, чтобы обеспечить то, чтобы рабочие характеристики материала не ухудшались при наличии какого-либо износа на поверхности скользящего контакта. Материал скольжения может представлять собой любой материал, пригодный для формирования обсужденного выше слоя с низким коэффициентом трения. Ряд выступов может формироваться путем штамповки, прессования или профилирования роликами слоистой конструкции.
Варианты осуществления также отличаются от традиционных конструкций тем, что для достижения степени упругости, позволяющей избегать избыточного крутящего момента, изменяется только шаг и/или глубина их волнистости. При использовании вариантов осуществления настоящего подкрепляющего кольца конструкция действует внутри четко определенной полосы крутящего момента (например, с максимальным и минимальным значениями), функционально обеспечивая определенную величину управляемого сопротивления. Эта конструкция обеспечивает средства ограничения крутящего момента или осевой силы в пределах определенных полос. Таким образом, обеспечивается высокий уровень точного управления силой, а не просто создание условий упругости для радиальной компенсации. Варианты осуществления подкрепляющего кольца объединяют специфические пружинные характеристики металлической полосы с характеристиками трения и износа выбранного слоя с низким коэффициентом трения в подкрепляющее кольцо, которое расширяет границы эксплуатационных возможностей конструкций подкрепляющих колец для точного управления шириной полосы низкой силы, применений с множеством проскальзываний, что не было возможно ранее.
На фиг.7 представлен вид в разрезе другого варианта осуществления, иллюстрирующий различные слои коррозиестойкого подкрепляющего кольца 700. Подкрепляющее кольцо 700 может включать несущий нагрузку подслой 702, такой как металлический опорный слой (например, кольцевую полосу). Металлический опорный слой может включать металл, или металлический сплав, такой как сталь, включая углеродистую сталь, пружинную сталь и т.п., железо, алюминий, цинк, медь, магний или любое их сочетание. Несущий нагрузку подслой 702 может быть покрыт слоями 704 и 706 временной защиты от коррозии для предотвращения коррозии несущего нагрузку подслоя перед обработкой. Кроме того, на слой 704 может быть нанесен слой 708 временной защиты от коррозии.
Каждый из слоев 704, 706, 708 может иметь толщину примерно 1-50 микрон, как, например примерно 7-15 микрон. Слои 704 и 706 могут включать фосфат цинка, железа, марганца или любое их сочетание, или слой нанокерамики. Кроме того, слои 704, 706 могут включать функциональные силаны, праймеры на основе наноразмерных силанов, гидролизованные силаны, органосилановые активаторы склеивания, силановые праймеры на основе воды/растворителя, хлорированные полиолефины, пассивированные поверхности, имеющиеся в продаже цинковые (механические/гальванические) или цинково-никелевые покрытия, или любое их сочетание. Слой 708 может включать функциональные силаны, праймеры на основе наноразмерных силанов, гидролизованные силаны, органосилановые активаторы склеивания, силановые праймеры на основе воды/растворителя. Слои временной защиты от коррозии 704, 706 и 708 в ходе обработки могут удаляться или сохраняться.
Слой скольжения 710, или слой с низким коэффициентом трения, может наноситься на несущий нагрузку подслой 702, например, посредством слоя сцепления 712 или других средств, описанных в данном раскрытии. Слой скольжения 710 может включать материалы, описанные в настоящем раскрытии. Кроме того, слой скольжения 710 может включать наполнители, такие как наполнитель, снижающий трение. Примеры наполнителей, которые могут использоваться в слое скольжения 710, включают стекловолокна, углеродные волокна, кремний, графит, РЕЕК, дисульфид молибдена, ароматический полиэфир, частицы углерода, бронзу, фторполимер, термопластичные наполнители, карбид кремния, оксид алюминия, полиамидимид (PAI), PPS, полифениленсульфон (PPSO2), жидкокристаллические полимеры (LCP), ароматические полиэфиры (Econol) и минеральные частицы, такие как волластонит и сульфат бария, или любое их сочетание. Наполнители могут находиться в форме шариков, волокон, порошка, сетки или любой их комбинации.
В одном варианте осуществления слой скольжения может содержать тканевую сетку или просечно-вытяжную металлическую сетку. Тканевая сетка или просечно-вытяжная металлическая сетка может содержать металл или сплав металла, такой как алюминий, сталь, нержавеющая сталь, бронза и т.п. Альтернативно, тканевая сетка может представлять собой тканую полимерную сетку. В одном альтернативном варианте осуществления слой скольжения может не содержать сетку или решетку. В другом альтернативном варианте осуществления тканевая сетка или просечно-вытяжная металлическая сетка может быть заключены между двумя слоями сцепления.
Слой сцепления 712 может содержать термоплавкий клей. Примеры клеев, которые могут использоваться в слое сцепления 712, включают фторполимеры, эпоксидные смолы, полиимидные смолы, сополимеры полиэфиров и полиамидов, этиленвинилацетаты, этилен-тетрафторэтилен (ETFE), сополимер ETFE, перфторалкоксиполимер (PFA) или любое их сочетание. Кроме того, слой сцепления 712 может содержать по меньшей мере одну функциональную группу, выбранную из ряда -С=O, -C-O-R, -СОН, -СООН, -COOR, -CF2=CF-OR, или любое их сочетание, где R - циклическая или линейная органическая группа, содержащая 1-20 атомов углерода. Кроме того, слой сцепления 712 может содержать сополимер. В одном из вариантов осуществления термоплавкий клей может иметь температуру плавления не выше примерно 250°C, например, не выше примерно 220°C. В другом варианте осуществления слой сцепления 712 может разрушаться выше примерно 200°C, как, например, выше, примерно 220°C. В других вариантах осуществления температура плавления термоплавкого клея может быть выше 250°C и даже выше 300°C.
На поверхности несущего нагрузку подслоя 702, противоположной слою скольжения 710, может наноситься коррозиестойкое покрытие 714. Коррозиестойкое покрытие 714 может иметь толщину между примерно 1 микроном и примерно 50 микронами, например, между примерно 5 микронами и примерно 20 микронами, например, между примерно 7 микронами и 15 микронами. Коррозиестойкое покрытие может содержать слой усиления сцепления 716 и эпоксидный слой 718. Слой усиления сцепления 716 может включать фоосфат цинка, железа, марганца, олова или любое их сочетание, или слой нанокерамики. Слой усиления сцепления 716 может содержать функциональные силаны, праймеры на основе наночастиц силана, гидролизованные силаны, органосилановые усилители сцепления, силановые праймеры на основе растворителя/воды, хлорированные полиолефины, пассивированные поверхности, промышленные цинковые (механические/ гальванические) или никель-цинковые покрытия или любое их сочетание.
Эпоксидный слой 718 может представлять собой термоотверждаемый эпоксид, отверждаемый УФ-излучением эпоксид, отверждаемый ИК-излучением эпоксид, эпоксидн с электронно-лучевым отверждением, эпоксид с радиационным отверждением или эпоксид с отверждением на воздухе. Кроме того, эпоксидная смола может содержать полиглицидилэфир, диглицидилэфир, бисфенол А, бисфенол F, оксиран, оксациклопропан, этиленоксид, 1,2-эпоксипропан, 2-метилоксиран, 9,10-эпокси-9,10-дигидроантрацен или любое их сочетание. Эпоксидная смола может включать эпоксиды, модифицированные синтетическими смолами, на основе феноло-альдегидных полимеров, полимочевин, меламиновых полимеров, бензогуанамина с формальдегидом или любое их сочетание. Например, эпоксидные смолы могут содержать
линейный трис-эпоксид
разветвленный трис-эпоксид
X
Y
z
U
z
или любое их сочетание, где CHXA - линейная или разветвленная насыщенная или ненасыщенная углеродная цепь с, факультативно, атомами галогенов X, заменяющими атомы водорода, и, факультативно, где присутствуют атомы, подобные азоту, фосфору, бору и т.д., а В - один из углерода, азота, кислорода, фосфора, бора, серы и т.д.
X
Y
Z
U
1
2
3
X
Y
Z
U
Кроме того, эпоксидная смола может содержать отвердитель. Отвердитель может содержать амины, кислотные ангидриды, отвердители из фенола-новолака, такие как фенол-новолак поли[N-(4-гидроксифенил)малеимид] (PHPMI), фенолформальдегидные смолы резольного типа, соединения аминов жирного ряда, ангидриды поликарбоновых кислот, полиакрилат, изоцианаты, инкапсулированные полиизоцианаты, комплексы аминов с трифторидом бора, отвердители на хромовой основе, полиамиды или любое их сочетание. Обычно кислотные ангидриды могут отвечать формуле R-C=O-O-C=O-R′, где R может быть CHXA, как описано выше. Амины могут представлять собой алифатические амины, такие как моноэтиламин, диэтилентриамин, триэтилентетраамин и т.п., алициклические амины, ароматические амины, такие как циклические алифатические амины, циклоалифатические амины, амидоамины, полиамиды, дициандиамиды, производные имидазола и т.п., или любое их сочетание. Обычно амины могут представлять собой первичные амины, вторичные амины или третичные амины, отвечающие формуле RRRN, где R может быть CHXA, как описано выше.
В одном варианте осуществления эпоксидный слой 718 может содержать наполнители, предназначенные для повышения удельной проводимости, такие как углеродные наполнители, углеродные волокна, частицы углерода, графит, металлические наполнители, такие как бронза, алюминий и другие металлы и их сплавы, наполнители из оксидов металлов, наполнители из углерода с покрытием металлом, наполнители из полимеров с покрытием металлом или любое их сочетание. Проводящие наполнители могут позволить электрическому току проходить через эпоксидное покрытие и могут повысить удельную проводимость покрытой втулки по сравнению с покрытой втулкой без проводящих наполнителей.
В одном варианте осуществления эпоксидный слой может повышать коррозионную стойкость втулки. Например, эпоксидный слой, такой как эпоксидный слой 718, может по существу предотвратить контакт агрессивных элементов, таких, как вода, соли и т.п., с несущим нагрузку подслоем, тем самым ингибируя химическую коррозию несущего нагрузку подслоя. Кроме того, эпоксидный слой может ингибировать гальваническую коррозию корпуса или несущего нагрузку подслоя путем предотвращения контакта между разнородными металлами. Например, помещение алюминиевой втулки без эпоксидного слоя в корпус из магния может вызвать окисление магния. Однако, эпоксидный слой 718 может предотвратить контакт алюминиевого подслоя с корпусом из магния и ингибировать коррозию, вызываемую гальванической реакцией.
Данное описание использует примеры, включая лучший вариант осуществления, а также позволяет средним специалистам в данной области изготавливать и использовать настоящее изобретение. Объем защиты настоящего изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут представить себе специалисты в данной области. Указанные другие примеры предполагаются находящимися в пределах объема формулы изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не отличаются от буквального языка формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения. Например, варианты осуществления могут относиться к вращающимся устройствам, таким как электродвигатель, как, например, двигатель стеклоочистителя, или применениям для осевого скольжения, как например, в механизме регулировки рулевой колонки.
Несмотря на то, что варианты осуществления показаны, или описаны, лишь в нескольких формах, специалисты в данной области должны понимать, что этим они не ограничиваются, но допускают различные изменения без отступления от объема изобретения.