УЗЕЛ ДЛЯ ПОДКРЕПЛЯЮЩЕГО КОЛЬЦА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОЛВЕНИЯ
SUPPORT RING ASSEMBLY AND ITS FABRICATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в целом, к подкрепляющим кольцам, расположенным между подвижными деталями, в частности к усовершенствованной системе, способу и устройству для подкрепляющего кольца с функциональными слоями.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Подкрепляющие кольца ограничивают движение между деталями, которые двигаются относительно друг друга, например торсионные валы в отверстиях корпуса. Одним из типов подкрепляющих колец является кольцевая полоска, расположенная в зазоре между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью отверстия. Это подкрепляющее кольцо ограничивает радиальное и осевое перемещения вала внутри отверстия, сохраняя относительное движение.
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 является целесообразной, так как уменьшает относительную вибрацию между деталями. Таким образом, подкрепляющие кольца способны компенсировать допуски и смещения, создать крутящий момент и усовершенствовать другие характеристики, а именно шум, вибрацию и жесткость (NVH). Крутящий момент и даже NVH, в основном, находятся под влиянием свойств материала традиционных подкрепляющих колец, которые обычно изготовлены только из нержавеющей стали. Такие характеристики требуют между внутренними и наружными компонентами прочного и надежного контакта, увеличивающего силы трения. Несмотря на то что подобные решения применимы к некоторым устройствам, усовершенствование подкрепляющих колец продолжает представлять интерес.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления системы, способа и устройства для подкрепляющих колец с функциональными слоями известны. Согласно некоторым версиям узел подкрепляющего кольца содержит наружный компонент, внутренний компонент, расположенный в наружном компоненте, подвижном относительно него, и подкрепляющее кольцо, установленное между внутренними и наружным компонентами. Подкрепляющее кольцо может содержать металлическую кольцевую полоску и эластомерный слой, надежно соединенный с металлическим слоем.
Согласно изобретению, узел дополнительно содержит слой с низким коэффициентом трения по меньшей мере на одной из кольцевых полосок и эластомерном слое. Кольцевая полоска может быть изготовлена из пружинной стали, а слой с низким коэффициентом трения может быть наслоен по меньшей мере на одну сторону кольцевой полоски для улучшения свойств скольжения подкрепляющего кольца. Слой с низким коэффициентом трения может быть расположен на кольцевой полоске противоположно эластомерному слою. Слой с низким коэффициентом трения может содержать PTFE и быть присоединен к кольцевой полоске или эластомерному слою. Узел может дополнительно содержать клеевой слой или слой грунтовки между кольцевой полоской и эластомерным слоем.
В остальных вариантах осуществления подкрепляющее кольцо содержит кольцевую полоску, изготовленную из металлического материала с цилиндрической внутренней и наружной поверхностью. Материал с низким коэффициентом трения обволакивает кольцевую полоску таким образом, что внутренняя и наружная радиальные поверхности расположены, по существу, полностью внутри материала с низким коэффициентом трения. Кольцевая полоска может быть расположена полностью внутри материала с низким коэффициентом трения так, что никакая часть или только часть кольцевой полоски не будет выходить за пределы и проходить снаружи материала с низким коэффициентом трения. Кольцевая полоска может содержать пружинную сталь и быть перфорированной или штампованной. Кольцевая полоска может содержать геометрические структуры, например волну, полученную здесь путем калибровки или глубокой вытяжки. Более того, кольцевая полоска может быть заключена внутри материала с низким коэффициентом трения путем каландрования или наслоения.
В некоторых вариантах осуществления материал с низким коэффициентом трения может образовывать гладкий цилиндрический профиль, а кольцевая полоска совершает волнообразное движение в нецилиндрическом профиле внутри гладкого цилиндрического профиля. Материал с низким коэффициентом трения и кольцевая полоска могут характеризоваться нецилиндрическим профилем и дополнять друг друга по форме. Подкрепляющее кольцо может дополнительно содержать защитный слой, прилегающий к подкрепляющему кольцу.
Способ изготовления подкрепляющего кольца предусматривает наличие листа, изготовленного из металлического материала, выполнение отверстий в листе, преобразование геометрических структур в лист для создания профиля листа; обволакивание профиля листа в материале с низким коэффициентом трения и преобразование заключенного профиля листа в кольцевую форму для образования подкрепляющего кольца. Кольцевая полоска может содержать радиальную внутреннюю и наружную поверхности с материалом с низким коэффициентом трения, обволакивающим кольцевую полоску таким образом, что радиальная внутренняя и наружная поверхности расположены, по существу, внутри материала с низким коэффициентом трения. Способ может дополнительно включать образование форм в материале с низким коэффициентом трения, которые по форме будут дополнять геометрические структуры в профиле листа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Настоящее описание будет более понятным, а его многочисленные признаки и преимущества более очевидными для специалистов в данной области техники благодаря ссылкам на прилагаемые графические материалы.
На фиг.1А и 1Б представлен вид сверху и сбоку в разрезе одного из вариантов осуществления перфорированного металлического листа, сконструированного в соответствии с изобретением;
на фиг.2 и 3 представлен вид сбоку в разрезе других вариантов осуществления образованного варианта перфорированного металлического листа, сконструированного в соответствии с изобретением;
на фиг.4 и 5 представлен вид сбоку в разрезе остальных вариантов осуществления заключенного, формированного, перфорированного металлического листа, сконструированного в соответствии с изобретением;
на фиг.6 и 7 представлен вид сбоку в разрезе дополнительных вариантов осуществления заключенного, формированного, перфорированного металлического листа, сконструированного в соответствии с изобретением;
на фиг.8 и 9 представлен вид сбоку в разрезе других вариантов осуществления заключенного, формированного, перфорированного металлического листа, сконструированного в соответствии с изобретением;
на фиг.10 представлен изометрический вид варианта осуществления, изображенного на фиг.5 и сконструированного в соответствии с изобретением;
на фиг.11 представлен вид сбоку в разрезе варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с изобретением;
на фиг.12А, 12Б и 12В представлен вид сбоку в разрезе других вариантов осуществления подкрепляющих колец, сконструированных в соответствии с изобретением;
на фиг.12А, 12Б и 12В представлен вид сбоку в разрезе других вариантов подкрепляющих колец, сконструированных в соответствии с изобретением;
на фиг.13 представлен вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с изобретением; и
на фиг.14А, 14Б и 14В представлен вид сбоку в разрезе остальных вариантов осуществления подкрепляющих колец, сконструированных в соответствии с изобретением.
Использование одних и тех же условных обозначений на различных чертежах указывает на одинаковые или аналогичные элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления системы, способа и устройства для подкрепляющих колец с функциональными слоями отражены на фиг.1-14. Например, на фиг.12-14 изображен узел 21 подкрепляющего кольца, содержащий наружный компонент 23, содержащий отверстие 25 с осью в нем. Внутренний компонент 27 установлен в отверстии 25 наружного компонента 23 и содержит наружную поверхность 29. Внутренний компонент 27 стыкуется с наружным компонентом 23 и подвижен относительно него. Подкрепляющее кольцо 31 расположено в отверстии 25 между внутренним и наружным компонентами 23, 27. Подкрепляющее кольцо 31 содержит кольцевую полоску 33, изготовленную из металлического материала, эластомерный слой 35 на кольцевой полоске 33, а также слой 37 с низким коэффициентом трения (фиг.13) по меньшей мере на одной из кольцевых полосок 33 или эластомерных слоев 35.
Кольцевая полоска 33 может быть изготовлена из пружинной стали, а слой 37 с низким коэффициентом трения может быть наслоен по меньшей мере на одну сторону кольцевой полоски. Слой 37 с низким коэффициентом трения может быть расположен на кольцевой полоске 33 противоположно эластомерному слою 35, как показано на фиг.13. Слой 37 с низким коэффициентом трения может содержать PTFE и быть присоединен при помощи клея или клеящего вещества 39 к одной из кольцевых полосок 33 и эластомерных слоев 35. Эластомерный слой может содержать, например, нитрильный каучук, олефиновый эластомерный, полиэфир-/сложный полиэфир-эластомерный, этиленпропилен эластомерный, этиленакриловый каучук и фторэластомерные материалы. Клеящее вещество 39 также может содержать грунтовку между кольцевой полоской 33 и эластомерным слоем 35, а также между слоем 37 с низким коэффициентом трения и кольцевой полоской и/или эластомерным слоем.
Согласно фиг.11 варианты осуществления также могут содержать узел 51, содержащий наружный компонент 53, внутренний компонент 55, расположенный в наружном компоненте 53, который подвижен относительно него. Подкрепляющее кольцо 61 установлено между внутренним и наружным компонентами 53, 55. Подкрепляющее кольцо содержит кольцевую полоску 63, изготовленную из металлического материала с радиальной внутренней и наружной поверхностями 65, 67. Материал 71 с низким коэффициентом трения обволакивает кольцевую полоску 63 таким образом, что как радиальная внутренняя, так и наружная поверхности 63, 65, по существу, расположены внутри материала 71 с низким коэффициентом трения.
Как показано на фиг.8 и 9, полоска 63 может быть расположена полностью внутри материала 71 с низким коэффициентом трения так, что никакая часть полоски 63 не выходит за пределы и не проходит снаружи материала 71 с низким коэффициентом трения. В других вариантах осуществления (фиг.4-7), по меньшей мере, часть полоски 63 выходит за пределы и проходит снаружи материала 71 с низким коэффициентом трения. Полоска 63 может быть изготовлена из пружинной стали и может быть перфорирована или штампована 73, как изображено на фиг.1А и 1Б. На фиг.2 и 3 показано, что полоска 63 может содержать геометрические структуры 75, образованные здесь калибровкой или глубокой вытяжкой. Геометрические структуры 75 могут содержать волны, конусы или структуры в форме шара, как изображено на фиг.4 и 5. Полоска 63 может быть заключена внутри материала с низким коэффициентом трения каландрованием и спеканием (фиг.4-7) или наслоением (фиг.8 и 9). Как показано на фиг.8 и 9, материал 71 с низким коэффициентом трения, наслоенный на полоску 63, может содержать ленту с PTFE пропиткой.
В некоторых вариантах осуществления (фиг.4, 5, 10 и 11) материал 71 с низким коэффициентом трения может образовывать гладкий профиль (например, цилиндрический в своей окончательной форме на фиг.11) таким образом, что полоска 63 совершает волнообразное движение в нецилиндрическом профиле внутри гладкого цилиндрического профиля материала 71. В других вариантах осуществления (фиг.6-9) как материал 71 с низким коэффициентом трения, так и полоска 63 характеризуются нецилиндрическим профилем и дополняют друг друга по форме.
Вариант на фиг.11 дополнительно содержит защитный слой 77, прилегающий к узлу подкрепляющего кольца 61. Защитный слой 77 может быть изготовлен, например, из стали, Al, Cu и Ti и расположен радиально с наружной стороны от слоя 71 с низким коэффициентом трения. В некоторых вариантах осуществления слой 71 с низким коэффициентом трения наслоен на защитный слой 77. В некоторых версиях толщина слоя с низким коэффициентом трения может составлять приблизительно 0,1 - 0,05 мм на каждой из внутренней и наружной радиальных поверхностях 65, 67 полоски 63. Более того, слой 71 с низким коэффициентом трения может быть прикреплен или приварен к полоске 63.
В остальных вариантах осуществления способ образования подкрепляющего кольца включает предоставление листа, изготовленного из металлического материала; выполнение отверстий в листе; преобразование геометрических структур в лист для создания профиля листа; обволакивание профиля листа в материале с низким коэффициентом трения; и преобразование заключенного профиля листа в кольцевую форму для образования подкрепляющего кольца.
Выполнение отверстий может включать выполнение фасонного отверстия в листе перфорированием или штамповкой. Образование геометрических структур в листе может быть выполнено калибровкой, профилированием или глубокой вытяжкой волн, структур в форме шара или конусов для образования профиля листа. Этап обволакивания выполняют в профиле листа в материале с низким коэффициентом трения каландрованием или наслоением через отверстия в листе. Лист может быть преобразован в кольцевую полоску с радиальной внутренней и наружной поверхностями. Материал с низким коэффициентом трения обволакивает кольцевую полоску таким образом, что как внутренняя, так и наружная радиальные поверхности расположены внутри материала с низким коэффициентом трения.
Способ может дополнительно включать после заключения образование форм в материале с низким коэффициентом трения, которые дополняют по форме геометрические структуры в профиле листа. Этап образования форм может включать калибровку, каландрование и/или спекание материала с низким коэффициентом трения. Этапы преобразования и обволакивания могут происходить перед или после друг друга, а обволакивание может происходить посредством наслоения. Способ может дополнительно включать установку защитного слоя на подкрепляющем кольце, например радиально снаружи слоя с низким коэффициентом трения.
Раскрытые здесь варианты осуществления обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными решениями. Например, комбинация подкрепляющего кольца и эластомерного покрытия улучшает конструкцию подкрепляющих колец с более мягким функционированием. Термин «мягкий» применим к условиям создания крутящего момента на более низком уровне при небольших колебаниях его значения. При условии NVH эти материалы существенно разъединяют две сопрягаемые детали, соединенные подкрепляющим кольцом, без ослабления других участков функционирования. В результате эти конструкции значительно снижают шум и вибрацию.
В другом примере металлический материал с пружинящими свойствами покрыт клеящим веществом и/или грунтовкой и комбинирован с эластомерным слоем для образования композиционного материала. Металл может содержать, например, нержавеющую сталь, углеродистую сталь и другие упругие металлы. Эластомерное покрытие может содержать, например, нитрильный каучук, неопреновый каучук, кремнекаучук, олефиновый эластомерный, полиэфир-/сложный полиэфир-эластомерный, этиленпропиленэластомерный, этиленакриловый каучук и/или фторэластомерные материалы. В других вариантах осуществления подкрепляющее кольцо может содержать внутренний металлический слой и наружный эластомерный слой.
В других вариантах осуществления в структуру добавлен еще слой скольжения или слой с низким коэффициентом трения. Такие конструкции улучшают свойства скольжения подкрепляющего компенсирующего элемента. Например, материал с низким коэффициентом трения может содержать PTFE на эластомерном слое и/или даже на металлической стороне, противоположной эластомерному слою. Подобно эластомерному слою к подкрепляющему кольцу (например, либо к металлическому, либо эластомерному слою) при помощи клеящего вещества или клея может быть прикреплен слой с низким коэффициентом трения.
В остальных вариантах осуществления на упругий металлический слой наслоен материал с низким коэффициентом трения. Затем металлическая поверхность может быть покрыта клеящим веществом и/или грунтовкой и соединена с эластомерным слоем для образования композиционного материала. Возможны также другие комбинации. Некоторые варианты осуществления содержат подкрепляющее кольцо, полностью покрытое соединением для слоя с низким коэффициентом трения. Например, составная конструкция, содержащая перфорированный металлический внутренний слой, изготовленный из пружинной стали, полностью покрыта PTFE.
Как состав, так и способ производства отличаются от традиционного подшипника скольжения, а также от традиционного подкрепляющего кольца. Описанное заключенное подкрепляющее кольцо выполняет несколько различных функций. Эти варианты осуществления выполняют роль подшипника скольжения с дополнительной компенсацией допуска, может быть приложен заданный крутящий момент, и они выполняют функцию подкрепляющих колец с улучшенными фрикционными свойствами.
Для выполнения функции подложки или промежуточного слоя лист из пружинной стали или кольцо предварительно может быть перфорирован, затем сформирован определенным образом (например, в виде волн, в форме шара и/или других глубоко вытянутых или калиброванных форм). Эти сформированные участки могут быть равномерно распределены и расположены близко друг к другу. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления на данных подкрепляющих кольцах содержится столько же волн, сколько и на традиционных подкрепляющих кольцах. В некоторых вариантах осуществления внутренний слой из пружинной стали полностью вставлен или заключен таким образом, что итоговая составная полоска совсем не характеризуется волнистостью и выполнена в форме блока.
Обволакивание может быть достигнуто, например, каландрованием или посредством наслоения ленты на стальной внутренний слой. В последнем случае в конструкцию или внутренний слой факультативно может быть добавлен защитный материал для создания возможности запрессовки подшипника в корпус.
Общие применения вариантов осуществления этой составной конструкции могут быть использованы при производстве подшипников скольжения для устройств без зазора или с уменьшенным зазором или при изготовлении подкрепляющих колец с низкой удерживающей силой. Металлический внутренний слой, изготовленный из пружинной стали, выполняет функцию пружины и, таким образом, обеспечивает регулирование допуска между поверхностью подшипника и, например, валом посредством использования пружинных волн, покрытых соединением для материала с низким коэффициентом трения. Слой с низким коэффициентом трения может соприкасаться только с рабочей поверхностью вала или сопряженной деталью. Альтернативно, слой может соприкасаться с обоими компонентами и/или обеспечивать удерживающую силу, требуемую между сопряженными деталями. Слой с низким коэффициентом трения позволяет составной конструкции функционировать в качестве традиционного подшипника скольжения или обеспечивать относительно низкую удерживающую силу благодаря низкому коэффициенту трения, который характерен материалу с низким коэффициентом трения.
Подкрепляющее кольцо может обеспечивать регулирование силы скольжения (например, осевой или вращательной) при использовании между сопряженными компонентами, например между механизмами замка блокировки рулевой колонки. Подкрепляющее кольцо предотвращает перегрузку посредством обеспечения вращения между компонентами после достижения порогового уровня крутящего момента. Например, в системах энергопоглощающей рулевой колонки подкрепляющее кольцо разрешает возникновение осевого скольжения после достижения уровня осевой силы.
В общем, волны с более низкой жесткостью создают низкий крутящий момент подшипника, а волны с более высокой жесткостью создают высокий крутящий момент, как для использования в дверных петлях. Эти типы исполнения могут быть достигнуты путем разработки волн подкрепляющего кольца с пружинными свойствами, которые создают надлежащий уровень радиальной силы, которые при сочетании с фрикционными характеристиками узла создают необходимые уровни силы скольжения.
Упругая/пластическая природа характеристик волнистой пружины использована для ограничения изменения усилия, которое проявляется между характерными допусками размеров узла. Это надлежащим образом поддерживает силу скольжения. Управление усилиями достигают конструкцией волнообразной геометрии, толщиной материала и жесткостью. Для управления размерными допусками компонента волны подкрепляющего кольца, в основном, предназначены для того, чтобы подвергаться большему уровню сжатия, чем допуск в зазоре, в котором размещаются волны.
Ограничение присутствует там, где требуются относительно низкие уровни силы скольжения или вращения (например, в механизмах регулирования рулевой колонки) или где подкрепляющее кольцо выполняет функцию поворотной втулки. В таких устройствах, в основном, усилия слишком высокие, а радиальная жесткость слишком низкая. Существует возможность уменьшить жесткость волн подкрепляющего кольца для ограничения максимальных усилий, но это может повлиять на узлы с низкой радиальной грузоподъемностью. Даже при относительно низкой жесткости волн уровень полученного усилия скольжения может быть слишком высоким.
В других вариантах осуществления слой с низким коэффициентом трения может содержать материалы, включая, например, полимер, такой как поликетон, полиарамид, термопластичный полиимид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полисульфон, полифениленсульфон, полиамидимид, полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой, термопластичный фторполимер, полиамид, полибензимидазол или любое их сочетание. В примере термопластичный материал включает поликетон, полиарамид, полиимид, полиэфиримид, полиамидимид, полифениленсульфид, полифениленсульфон, фторполимер, полибензимидазол, их производное или их комбинацию. В частном примере термопластичный материал включает полимер, такой как поликетон, термопластический полиимид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полисульфон, полиамидимид, их производное или их комбинацию. В следующем примере материал включает поликетон, такой как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетон, полиэфиркетонкетон, полиэфиркетонэфиркетон, их производное или их комбинацию. Пример фторполимера включает фторированный этилен-пропилен (FEP), PTFE, поливинилиденфторид (PVDF), перфторалкоксиполимер (PFA), тройной сополимер тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфторида (THV), полихлортрифторэтилен (PCTFE), сополимер этилена и тетрафторэтилена (ETFE), сополимер этилена и хлортрифторэтилена (ECTFE) или любую их комбинацию. В дополнительном примере термопластичный полимер может представлять собой полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой.
Смазка поверхности скольжения (например, смазочным материалом или консистентной смазкой) может быть использована в устройствах с высоким усилием. Иллюстративная твердая смазка может включать дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, графит, графен, вспученный графит, азотистый бор, тальк, фторид кальция, фторид церия или любую их комбинацию. Иллюстративная керамика или минерал включает оксид алюминия, диоксид кремния, диоксид титана, фторид кальция, нитрид бора, слюду, волластонит, карбид кремния, нитрид кремния, диоксид циркония, углеродную сажу, красящие вещества, или какие-либо их комбинации.
Комбинация характеристик пружины подкрепляющего внутреннего слоя типа кольца с низкими фрикционными и смазочными характеристиками наружной поверхности с низким коэффициентом трения, основанной на соединении, обеспечивает более низкий коэффициент трения границы полосы скольжения. Эта конструкция предоставляет возможность проектировать подкрепляющие кольца с целью функционирования при более высоком уровне крутящего момента для использования подшипников скольжения и при больших зазорах с более высокой радиальной грузоподъемностью и более низкими усилиями скольжения по сравнению с традиционными ограничительными кольцами.
Сфера применения подобных вариантов осуществления охватывает, например, шарнирные узлы для переносной электронной аппаратуры, а именно ноутбуков и сотовых телефонов. Для этих устройств необходимы шарнирные механизмы, которые обеспечивают низкую удерживающую силу при определенном крутящем моменте в течение срока эксплуатации изделия. Традиционные подшипники действительно обеспечивают низкую удерживающую силу, а также четко определенный начальный крутящий момент. Однако при помощи изобретения значение крутящего момента может оставаться относительно постоянным в течение срока эксплуатации изделия благодаря функции регулировки амортизации волн из пружинной стали в сочетании с низким износом слоя с низким коэффициентом трения. Для сравнения традиционные подкрепляющие кольца обеспечивают надежную удерживающую силу, но с высоким коэффициентом трения.
В настоящем описании использованы примеры, включая лучший вариант, с целью предоставления возможности средним специалистам в данной области техники осуществить и использовать настоящее изобретение. Патентуемый объем изобретения определен формулой изобретения и может включать другие варианты. Предполагается, что иные подобные варианты должны находиться в пределах объема формулы изобретения при наличии у них структурных элементов, которые не отличаются от представленных в формуле изобретения.