УЗЕЛ ДЛЯ ПОДШИПНИКА И ПОДКРЕПЛЯЮЩЕГО КОЛЬЦА
UNIT FOR BEARING AND REINFORCING RING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к подшипникам и подкрепляющим кольцам, которые расположены между подвижными деталями, и, в частности, к усовершенствованной системе, способу и устройству для подшипников или подкрепляющих колец с функциональными слоями.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Подшипники и подкрепляющие кольца ограничивают движение деталей, которые двигаются относительно друг друга, например торсионных валов в отверстиях корпуса. Примером такой конструкции является кольцевая полоска, размещенная в зазоре между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью отверстия. Это подкрепляющее кольцо ограничивает радиальное или осевое перемещение вала внутри отверстия, обеспечивая в то же время относительное движение.
В традиционных конструкциях 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.
Подкрепляющие кольца способны компенсировать допуски или смещения, создавать крутящий момент и улучшать другие характеристики, в частности 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 или углеродистой стали. Для выполнения этих требований, предъявляемых к внутренним и наружным компонентам, необходимо обеспечить надежный и прочный контакт, увеличивающий силы трения. Хотя эти решения являются применимыми к некоторым устройствам, усовершенствование подшипников и подкрепляющих колец по-прежнему представляет интерес.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее приведено описание вариантов осуществления системы, способа и устройства для подшипников и подкрепляющих колец с функциональными слоями. В некоторых вариантах узел содержит наружный компонент, внутренний компонент, расположенный в наружном компоненте, подвижном относительно него, и подкрепляющее кольцо или подшипник, установленные между внутренним и наружным компонентами. Подкрепляющее кольцо или подшипник могут содержать металлическую кольцевую полоску и эластомерный слой, надежно присоединенный к металлическому слою.
В других вариантах осуществления узел дополнительно содержит слой с низким коэффициентом трения по меньшей мере на одном из кольцевой полоски и эластомерного слоя. Кольцевая полоска может быть изготовлена из пружинной стали и слой с низким коэффициентом трения может быть наслоен по меньшей мере на одну сторону кольцевой полоски с целью 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 может быть присоединен к кольцевой полоске или эластомерному слою. Узел может дополнительно содержать клеевой или грунтовочный слой, расположенный между кольцевой полоской и эластомерным слоем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Настоящее описание будет более понятным, а его многочисленные признаки и преимущества будут очевидны специалистам в данной области техники из прилагаемых графических материалов, призванных повысить наглядность приведенного описания.
На фиг.1А, В и С представлены виды сбоку в разрезе вариантов осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного согласно изобретению;
на фиг.2 представлен вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного согласно изобретению; и
на фиг.3А, В и С представлены виды сбоку в разрезе других вариантов осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного согласно изобретению.
Использование одних и тех же условных обозначений на различных фигурах указывает на одинаковые или аналогичные элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления системы, способа и устройства для подшипников и подкрепляющих колец с функциональными слоями раскрыты на фиг.1-3. Например, на иллюстрациях 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 сопрягается с наружным компонентом 23 и подвижен относительного него.
Подшипник или подкрепляющее кольцо 31 расположены в отверстии 25 между внутренним и внешним компонентами 23, 27. Конфигурация подшипника или подкрепляющего кольца 31 содержит некоторое количество волн 38 (например, три, показанные на фиг.1А). Гребни и впадины волн 38 волнообразно двигаются между наружным и внутренним компонентами 23, 27 и контактируют с их соответствующими поверхностями 25,29, как показано.
Подкрепляющее кольцо 31 содержит изготовленную из металлического материала кольцевую полоску 33, эластомерный слой 35 на кольцевой полоске 33 и слой 37 с низким коэффициентом трения по меньшей мере на одном из кольцевой полоски 33 и эластомерного слоя 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 может быть прикреплен к одному из кольцевой полоски 33 или эластомерного слоя 35 с помощью клея или клеящего вещества 39. Эластомерный слой может содержать, например, нитрильный каучук, олефиновый эластомерный, полиэфир-/сложный полиэфир-эластомерный, этиленпропилен эластомерный, этиленакриловый каучук и фторэластомерные материалы. Клеящее вещество 39 может также содержать грунтовку между кольцевой полоской 33 и эластомерным слоем 35 и между слоем 37 с низким коэффициентом трения и кольцевой полоской и/или эластомерным слоем.
Описанные в настоящей заявке варианты осуществления обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными решениями.
Например, комбинация подшипника или подкрепляющего кольца и эластомерного защитного покрытия позволяет усовершенствовать конструкцию подкрепляющих колец за счет повышения плавности работы. Термин «плавность» применим к условиям создания крутящего момента на более низком уровне при небольших колебаниях его значений. При условии NVH эти материалы позволяют в значительной степени разъединить две сопрягаемые детали, соединенные подкрепляющим кольцом, без ухудшения других рабочих показателей. Таким образом, подобные конструкции позволяют значительно снизить 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 представлять собой, например, нержавеющую сталь, углеродистую сталь или другие упругие металлы. Эластомерный материал может представлять собой, например, нитрильный каучук, неопреновый каучук, кремнекаучук, олефиновый эластомерный, полиэфир-/сложный полиэфир- эластомерный, этиленпропиленэластомерный, этиленакриловый каучук и/или фторэластомер. Согласно другим вариантам осуществления подкрепляющее кольцо может содержать внутренний металлический слой и наружный эластомерный слой.
Согласно другим вариантам осуществления конструкция также содержит добавленный слой скольжения или слой с низким коэффициентом трения. Эти конструкции позволяют повысить свойства скольжения элемента, компенсирующего допуски. Например, материал с низким коэффициентом трения может содержать PTFE на эластомерном слое и/или даже на металлической стороне противоположно эластомерному слою. Как и эластомерный слой, слой с низким коэффициентом трения также может быть прикреплен к подкрепляющему кольцу (например, металлическому слою или эластомерному слою) с помощью клеящего вещества или клея.
В других вариантах осуществления на упругий металлический слой наслоен материал с низким коэффициентом трения. После этого металлическая поверхность может быть покрыта клеящим веществом и/или грунтовкой и комбинирована с одним или более эластомерными слоями для получения композиционного материала. Возможны также другие комбинации.
Как состав, так и способ изготовления отличаются от традиционного подшипника скольжения и от традиционного подкрепляющего кольца. Описанные варианты осуществления позволяют обеспечить выполнение нескольких различных функций. Эти варианты осуществления выполняют роль подшипника скольжения или подкрепляющего кольца с дополнительной компенсацией допусков, с возможностью приложения определенного крутящего момента, а также могут быть использованы как подкрепляющие кольца с улучшенными фрикционными свойствами. По сравнению с традиционными конструкциями варианты осуществления подкрепляющего кольца обладают улучшенными свойствами скольжения, а варианты осуществления подшипника отличаются повышенной упругостью и способностью к регулировке.
Общие применения вариантов осуществления этой составной конструкции могут быть использованы при изготовлении 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 роль пружины, обеспечивая таким образом регулирование допуска между поверхностью подшипника и, например, валом за счет использования пружинных волн, покрытых соединением для материала с низким коэффициентом трения.
Слой с низким коэффициентом трения может соприкасаться только с рабочей стороной вала или сопряженной деталью. Альтернативно он может соприкасаться с обоими компонентами и/или обеспечивать удерживающую силу, требуемую между сопрягаемыми деталями. Слой с низким коэффициентом трения позволяет составной конструкции выполнять роль подшипника скольжения или обеспечивать относительно низкую удерживающую силу благодаря низкому коэффициенту трения материала с низким коэффициентом трения.
Подкрепляющее кольцо может обеспечивать регулирование силы скольжения (например, осевое или вращательное) в случае использования такого кольца между сопряженными компонентами, например механизмами блокировки рулевой колонки. Подкрепляющее кольцо препятствует перегрузке, обеспечивая возможность вращения между компонентами после достижения порогового уровня крутящего момента. Например, в системах энергопоглощающей рулевой колонки подкрепляющее кольцо обеспечивает осевое скольжение после того, как будет достигнуто определенное значение осевого усилия.
В целом волны, обладающие меньшей жесткостью, обеспечивают меньшее значение крутящего момента, а волны с большей жесткостью обеспечивают более высокие значения крутящего момента, например, для дверных петель. Такие рабочие характеристики могут быть достигнуты за счет применения в установочном кольце волн, характеристики упругости которых обеспечивают требуемое значение радиальной силы и в сочетании с фрикционными характеристиками узла позволяют добиться требуемых показателей силы скольжения.
Упругая/пластическая природа характеристик упругости волн использована для ограничения колебаний величины сил, обусловленных стандартными допусками узла по размеру. Это позволяет поддерживать достаточно стабильные значения силы скольжения. Управление силами достигнуто за счет выбора геометрии волн, толщины материала и жесткости. Чтобы компенсировать допуски компонентов по размеру, волны подкрепляющего кольца обычно подбираются таким образом, чтобы их сжатие превышало допуск, предусмотренный для зазора, в котором установлены эти 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, термопластичный полиимид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полисульфон, полиамидимид, их производное или их комбинацию.
В следующем примере материал включает поликетон, такой как полиэфирэфиркетон (РЕЕК), 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.
В условиях приложения значительных усилий поверхность скольжения может быть смазана (например, смазочным материалом или консистентной смазкой). Примеры твердых смазочных материалов могут содержать дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, графит, графен, вспученный графит, азотистый бор, тальк, фторид кальция, фторид церия или любую их комбинацию. Примеры керамического материала или минерала содержат диоксид алюминия, диоксид кремния, диоксид титана, фторид кальция, нитрид бора, слюду, волластонит, карбид кремния, нитрид кремния, диоксид циркония, технический углерод, красители, или любые их комбинации.
Сочетание упругих характеристик внутреннего слоя типа подкрепляющего кольца с низкими фрикционными/смазочными характеристиками наружной поверхности с низким коэффициентом трения, основанной на соединении, позволяет получить более низкий коэффициент трения границы полосы скольжения. Эта конструкция позволяет создать подкрепляющие кольца, рассчитанные на высокие значения крутящего момента, для устройств, связанных с использованием подшипников скольжения, а также кольца, рассчитанные на большие зазоры и более высокие значения радиальной нагрузки, и меньшие значения силы скольжения по сравнению с традиционными подкрепляющими кольцами.
Такие варианты осуществления могут использоваться, например, в шарнирных узлах переносных электронных устройств, например ноутбуков и сотовых телефонов.
Эти приложения требуют использования шарнирных механизмов, обеспечивающих низкую удерживающую силу при строго определенном крутящем моменте на протяжении всего срока службы изделия.
Традиционные подшипники действительно обеспечивают низкую удерживающую силу, а также строго определенные значения крутящего момента. Однако настоящее изобретение позволяет поддерживать величину крутящего момента на относительно стабильном уровне на протяжении всего срока эксплуатации изделия благодаря функции регулировки амортизации волн из пружинной стали в сочетании с низким износом слоя с низким коэффициентом трения. Традиционные подкрепляющие кольца, напротив, способны обеспечивать высокую удерживающую силу, но при значительном трении.
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 примеры, принадлежащие специалистам в данной области техники. Предполагается, что иные подобные варианты должны находиться в пределах объема формулы изобретения при наличии у них структурных элементов, совпадающих с указанными в формуле изобретения.