专利名称：低摩擦密封的制作方法
技术领域：
本发明涉及密封和轴承领域。特别是，本发明涉及低摩擦密封及其制造方法。
背景技术：
密封用于放置两个环境之间的泄漏。例如，密封可用于保持流体、分开流体或防止一个环境到另一个环境的微粒污染的传播。静态密封可完全防止泄漏，如果接触表面是非常光滑的，或者如果接触中的粗糙严重变形且足够平坦。密封也可用在诸如滚动元件轴承的非静态装置中，或者密封轴和轴承架的孔之间的间隙。典型弹性唇密封的示例如图I所示。非静态装置依赖于密封来保持润滑且防止水 的进入，特别是诸如沙子的微粒污染物的进入。它们还依赖于密封和运动表面极薄的流体弹性膜，以防止密封的过分磨损，特别是在启动时，慢速运动导致大的摩擦力，并且密封最倾向于磨损。已经知晓密封要考虑密封轴承中主要部件的摩擦。例如，唇密封可考虑在典型的应用条件下轴承运转中总的轴承功耗的约75%，典型的应用条件为1015N (C/P=20)的负荷、3000rpm的速度和油脂润滑。由于世界范围内使用上千亿的橡胶密封，其每天运行24小时，每年运行365天，橡胶密封的总能耗相当巨大。因此，橡胶密封诱导的摩擦扭矩的减少会导致具有重大意义的能量节约。因此，所希望的是密封克服或至少减轻有关现有技术的密封某些或全部问题，或者至少提供有益或优化的选择方案。
发明内容
在第一方面中，本发明提供弹性密封，特别是用于轴承中的弹性密封，该密封具有在使用中接触活动表面的接触表面，该接触表面具有其上的凹痕分布，该凹痕具有至少
9μ m的深度、至少O. 2的纵横比和O. 05至O. 5的面积密度。根据第二方面，本发明提供形成如这里所述的密封的方法，该方法包括采用模具形成密封，该模具的表面上具有用于形成凹痕阵列的凸起阵列。根据第三方面，本发明提供形成如这里所述的密封的方法，该方法包括形成密封以及采用激光雕刻以形成凹痕阵列。根据第四方面，本发明提供包括这里所述的密封的轴承。根据第五方面，本发明提供如这里所述密封的应用，以减小轴承中的摩擦系数。
现在，参考以示例方式提供的附图进一步描述本发明，附图中图I示出了径向唇形密封的局部截面图。图2示出了凹痕为圆形且形成规则阵列时如何决定凹痕面积密度的示意图。〃D〃是凹痕的直径，而〃a〃是形成阵列的重复单元的凹痕中心之间的距离。
图3示出了示出了弹性密封的接触表面上的凹痕结构。照片上部较大的比例尺示出为200μπι。照片下部较小的比例尺示出为1mm。图4a和4b示出了两个不同圆形凹痕直径(D20和D40)相对于非凹痕密封的柱状图。两个条线图都具有y轴，用于示出摩擦系数上的减小(％)。图4a示出了带有脂润滑的凹痕以IOOOrpm的转速引起的减小。图4b示出了带有脂润滑的凹痕以50rpm的转速引起的减小。图5a和5b示出了在不同转速(rpm)的密封中的摩擦系数[μ ]的柱状图。图5a示出了脂润滑剂(LGMT2)的效果。图5b示出了油润滑剂(基于油的LGMT2)的效果。左手深色条形在每个速度上示出了具有40 μ m (D40)直径的凹痕的密封。右手浅色条形在每个速度上示出了非凹痕密封(基-线)。每对条形上的数值都示出了通过附加凹痕获得的摩擦系数上的减小。
图6示出了不同凹痕直径(ym)D20、D40和D60相对于非凹痕密封的摩擦系数(%)的减小。不同的线表示不同的转速。在D20，50rpm上减小最大，然后是lOOOrpm，然后是200rpm和500rpm上减少最小。
具体实施例方式现在进一步描述本发明。在下面的章节中，更加详细地限定本发明的不同方面/实施例。这样限定的每个方面/实施例可与任何其它的方面/实施例或多个方面/多个实施例结合，除非有相反的表示。特别是，表示为优选或有利的任何特征可与表示为优选或有利的任何其它多个特征结合。在第一方面中，本发明提供用于动态应用的弹性密封，例如径向唇形密封。该密封可安装在滚动元件轴承的内环和外环之间。作为选择，如图I的示例所示，密封10可围绕壳体20和轴30之间的间隙。典型地，密封包括与弹性密封唇15接合的金属外壳12。密封唇具有接触表面17，其支承抵靠轴30上的相对面。为了保证唇15保持与轴30接触，该示例中的密封提供有环状螺旋弹簧18。在使用该密封期间,密封唇15与轴滑动接触。为了减小摩擦，滑动接触用油或来自脂的基油润滑。在根据本发明的密封中，摩擦的进一步减小在于密封唇15上的接触表面17设置有凹痕分布。该凹痕具有至少9 μ m的深度、至少O. 2的纵横比和O. 05至O. 5的面积密度。动态密封装置中的摩擦扭矩主要产生在橡胶密封唇和相对面(通常为钢轴或轴承环的表面)之间的摩擦滑动接触。本发明人已经发现这里描述的凹痕表面结构提供了在油和脂润滑下的密封摩擦上的显著减小；尤其是脂润滑。此外，他们已经优化了密封结构的凹痕尺寸以提供有益的低摩擦密封。这里所讨论的〃凹痕〃是指密封的表面中的小凹点或压痕。相对于密封的尺寸，凹痕是表面中的很小、很浅的凹口。凹痕可具有在密封表面上的任何形状或外形且延伸进入密封中。在一个实施例中，凹痕的成型和设置方案可类似于高尔夫球的表面结构，该密封设置有在其上的凹陷分布。凹痕与柱子或凸块的表面结构不同。本发明人已经发现该凹痕结构与诸如柱子型结构相比令人惊讶地具有密封摩擦上的改善效果。柱子改变了密封的抽吸性，即减小了“反向”抽吸效果。然而，本发明人已经发现采用这里描述的凹痕对抽吸效果没有影响。
此外，凹痕与仅仅表面粗糙截然不同。凹痕较深，并且特别设置在表面上以提供有益效果。另外，凹痕与车辙、凹槽或表面划痕截然不同。凹痕的形状、大小和设置对于提供减小摩擦的密封是关键的。凹痕具有至少9μπι的深度。凹痕的深度从凹痕中的最低点到密封的齐平表面进行测量。测量沿着垂直于密封表面的线进行。观察和测量表面参数的技术是已知的。因此，表面上凹痕的深度、大小和分布参数用这些技术决定。优选地，凹痕具有9至15 μ m的深度。优选地，凹痕具有10至12 μ m的深度。深度大于15μπι的凹痕令人惊讶地发现减小了密封摩擦的正面作用。可进一步推测的是，凹陷表面越深，磨损倾向于越大。已经发现由于工艺限制在没有不适当成本的情况下使其难于生产出更小的凹痕，并且随着凹痕变得较小且接近表面粗糙的数值降低了有益效果。
凹痕优选全部具有基本上相同的尺寸，但是至少凹痕的参数平均值应优选满足这里描述的参数。就是说，优选地，凹痕的平均深度为至少9 μ m,平均纵横比为至少O. 2，并且平均面积密度为O. 05至O. 5。每个参数与平均值的标准偏差优选很低，例如，与平均深度的标准偏差优选小于O. 25 μ m,平均纵横比优选小于O. 025,并且平均面积密度小于O. 0025。凹痕具有O. I至O. 3的面积密度，优选为O. 15至O. 25。优选地，面积密度为O. 18至O. 22，最优选为约O. 20。面积密度是凹痕覆盖密封的接触表面17的范围度量。面积密度通过决定在表面的最小重复单元中凹痕对总面积的比而计算。例如，在规则正方形格栅阵列中，如图2所示，面积密度-或凹痕分数f-可计算如下JirVa2。采用直径，凹陷分数可计算为f=nD2/4a2。凹痕具有至少O. 2的纵横比。纵横比是凹痕深度对凹痕直径的比。对于非圆形凹痕，纵横比可采用前述公式中的平均直径决定。优选地，纵横比为O. 2至O. 75，更优选为
O.25至O. 5。这些纵横比已经发现在没有不适当磨损的情况下提供密封摩擦上的有益减小。优选地，每个凹痕呈现为在接触表面上的基本上圆形的截面。作为选择，表面截面可为在一个方向上伸长以提供椭圆截面。尤其是当凹痕在接触表面处为圆形时，凹痕优选在接触表面上具有20至40 μ m (D20至D40)的直径。通常橡胶密封的唇接触宽度较小(小于1mm)。本发明人已经发现较小的凹痕是优选的。在不希望理论限制的情况下，可推测的是这允许凹痕在唇接触表面上的最大量。在此情况下，D20和D40被选择用于凹痕密封。优选地，凹痕是圆柱、圆锥或截头圆锥。就是说，凹痕体积在形状上优选为圆柱、圆锥或截头圆锥。最优选的凹痕具有在密封中延伸的基本上圆形的截面。截面可为锥形，无论是点还是基本上圆形的基底。优选地，凹痕是圆柱形的，或者具有略微的锥形。这些形状对于用模具形成是最简单的，并且因此降低了制备密封表面结构的成本。优选地，凹痕分布形成规则阵列。例如，凹痕可设置成规则的栅格，或者六角形的包封构造。其它构造或分布可根据需要选择。优选地，凹痕阵列基本上覆盖整个接触表面。这显然增加了有益效果。此外，为了易于制造，凹痕可在密封上延伸超过接触表面。弹性密封，特别是密封唇，优选由可变性的弹性体形成。密封可由弹簧或拉伸/弹性部件加强。用于密封的优选弹性体包括丙烯酸橡胶、氟橡胶、腈橡胶、氢化腈橡胶或者其两个或更多个的混合。
密封优选为唇密封。唇密封和这样密封的构造是本领域已知的。密封具有用于在使用中与活动表面接触的接触表面，并且这形成了密封唇的一部分。活动表面(相对面)是密封与其运转的表面，并且没有特别限定。例如，相对表面可为旋转轴或滚动元件轴承中可旋转的轴承环的表面。根据应用和强度要求，相对面包括任何合适的材料。例如，可采用塑料、合成物或金属物质。优选地，密封唇的接触表面提供有耐磨涂层。这样的涂层对于唇密封是已知的。优选地，在表面组织化处理之后提供涂层以保证涂层装衬凹痕。优选的是在凹痕制备时要考虑涂层厚度以保证包括耐磨涂层的最终凹痕如这里所述是均衡的。在第二方面中，本发明提供形成这里所述密封的方法，该方法包括采用模具形成密封，该模具在其一个表面上具有凸起阵列，用于在密封唇的接触表面上形成凹痕阵列。在第三方面中，本发明提供形成这里所述密封的方法，该方法包括形成密封且采用激光雕刻以形成凹痕的阵列。
在第四方面中，本发明提供包括这里所述密封的轴承。优选地，该轴承还包括脂润滑剂。本发明人已经发现这里所述的表面凹痕当脂润滑剂用于密封时在降低摩擦系数上特别有效。在第五方面中，本发明提供这里所述密封的应用，以减小轴承中的摩擦系数。示例本发明的效果通过下面的非限定性示例得到证明。凹痕结构制备在密封唇上，并且试验带纹理的密封。凹痕通过激光技术制备，以具有直径20 μ m (D20)、40ym (D40)和60μπι (D60)的凹痕。D20和D40凹痕具有9微米的深度。D60凹痕具有10微米的深度。所有的凹痕具有O. 20 (20%)的面积密度。凹痕结构D40 (直径40 μ m)提供最高的摩擦系数减小。制备了两个样品且对每个凹痕尺寸进行了试验。该表面结构通过Nd: YV04激光器制造，其波长为355nm且运行在百亿分之一秒脉冲范围(10xl0_12s)。因为该激光器运行在紫外光范围(10至400nm)且具有非常短的脉冲，所以在不存在熔化碎片的情况下提供非常好的限定结构(清晰地纹理表面)。然后，在密封试验设备(ERC Pearl II rig)上试验有纹理的密封，用LGMT2脂和LGMT2脂的基油润滑，速度为50rpm、200rpm、500rpm和lOOOrpm，在标准的钢轴Ra O. 45 μ m,其中轴直径为82mm。密封唇在轴表面上的线性滑动速度分别为O. 215m/s、0. 859,2. 147和
4.294m/s。在试验期间测量摩擦扭矩，并且根据试验前测量的所述密封在轴上的径向力计算摩擦系数。观察了轴速度在密封摩擦上的效果密封摩擦随着轴速度从50rpm到200rpm和/或500rpm的增加而增加，然后在IOOOrpm上减小。除了少数例外，具有这样的倾向，即随着轴速度的增加，对于油和脂润滑条件，凹痕在密封摩擦的减小上的效果略微减小。在不希望理论限定的情况下，随着轴速度的增加，液压润滑效果和润滑膜厚度增加。结果，表面结构对构建膜的贡献以及对密封摩擦上的减小降低了。图6示出了与非凹痕密封相比在不同凹痕直径(ym)D20、D40和D60上的摩擦系数(％)的减小，其中密封用LGMT2脂润滑。不同的线表示不同的旋转速度。D40凹痕示出了所有速度上摩擦系数上的最大减小。在慢(50rpm)旋转速度上效果也是最好的。
在LGMT2脂润滑下，摩擦上的最高减小由D40和D20获得(减小7至16%)。图4a和4b示出了较大的减小(对D40 )，因为采用不同的基线(非凹痕密封)。在引用本发明或其优选实施例的元件时，冠词〃 一个"、〃该〃和〃所述〃旨在意味着有一个或多个元件。词语〃包括"、"包含〃和〃具有〃旨在包含和意味着不同于所列元件的额外元件。通过说明和示例的方式已经提供了前面的详细描述，并且不意味着限制所附权利要求的范围。本领域的普通技术人员会认识到这里所示的优选实施例中的很多变化，并且落入在所附权利要求及其等同物的范围内。 ·
权利要求
1.一种密封(10)，包括具有接触表面(17)的弹性件(15)，该接触表面(17)用于在使用中接触活动表面(30)，该接触表面具有其上的凹痕分布，该凹痕具有至少9 μ m的高度、至少O. 2的纵横比和O. 10至O. 30的面积密度。
2.根据权利要求I所述的密封，其中该凹痕具有9至15μ m的高度。
3.根据权利要求I或2所述的密封，其中该凹痕分布形成规则阵列。
4.根据权利要求3所述的密封，其中该凹痕阵列基本上覆盖整个接触表面。
5.根据前述权利要求任何一项所述的密封，其中该凹痕在该接触表面呈现为基本上圆形截面。
6.根据权利要求5所述的密封，其中该凹痕在该接触表面具有从20至40μ m的直径。
7.根据权利要求5或6所述的密封，其中该凹痕为圆柱、圆锥或截头圆锥。
8.根据前述权利要求任何一项所述的密封，其中该凹痕的该纵横比为O.25至O. 5。
9.根据前述权利要求任何一项所述的密封，其中该面积密度为O.18至O. 22。
10.根据前述权利要求任何一项所述的密封，其中该接触表面提供有耐磨涂层。
11.根据权利要求I所述的密封，其中该密封为径向唇形密封。
12.—种形成根据前述权利要求任何一项所述的密封的方法，该方法包括采用模具形成该弹性件(15)，该模具的表面上具有凸起阵列，用于在该弹性件(15)的该接触表面(17)上形成凹痕阵列。
13.一种形成根据权利要求I至11任何一项所述的密封的方法，该方法包括采用激光雕刻，以在弹性件(15)的接触表面(17)上形成凹痕阵列。
14.一种轴承，包括根据权利要求I至11任何一项所述的密封。
15.根据权利要求14所述的轴承，还包括脂润滑剂。
16.一种根据权利要求I至11所述密封的应用，以减小轴承中的摩擦系数。
全文摘要
本发明提供弹性密封，该密封(10)具有弹性件(15)，弹性件(15)具有接触表面(17)，用于在使用中接触活动表面(30)，接触表面具有其上的凹痕分布，凹痕具有至少9μm的深度、至少0.2的纵横比和0.05至0.5的面积密度。
文档编号F16J15/32GK102906472SQ201180013567
公开日2013年1月30日 申请日期2011年3月11日 优先权日2010年3月12日
发明者X.B.周, S.巴贝拉 申请人:Skf公司