流体动力轴向轴承的制作方法

流体动力轴向轴承的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包括滑环(1)、反环(2)和所述滑环的弹性底托(3)的轴向轴承，其中所述滑环(1)是单件式，且在其中所述跑合表面上具有能形成稳定的、流体动力润滑膜的结构，并且其中所述跑合表面的结构出现使得所述跑合表面具有三个或更多个突起（6），其中其接触表面（8）甚至与所述反环（2）接触。
【专利说明】流体动力轴向轴承

【技术领域】
[0001] 本发明涉及介质润滑的流体动力轴向轴承，其产生非常低的摩擦损耗并适用于高 运行性能，且其可由聚合物材料制造。

【背景技术】
[0002] 例如，介质润滑的轴向轴承在无密封、磁耦合泵驱动机构中被用于轴颈轴承并吸 收泵叶轮的推进力。对于这种类型的泵，介质由被称为安全壳的外壳静密封。因此没有动 力轴密封。泵轴由磁耦合驱动，意指通过在内部泵轴上从外部驱动机构穿过安全壳的磁场 作用。这种类型的泵达到使用寿命的最高要求，免于渗漏和节能，并越来越多地用于高效循 环泵。
[0003] 对于这种类型的泵，摩擦损耗只发生在两个径向轴承处，且在相当程度上，发生在 轴向推力轴承处，其必须同时增强由泵产生的压力差。因此最大比例的功率损耗是由于轴 向推力轴承处系统相关的摩擦损耗，特别是在小性能等级和高转速的泵的情况下。
[0004] 现有抟术
[0005] 具有介质润滑的轴向推力轴承的现代泵类型中，包含石墨对氧化铝组合的滑环/ 反环对被用于大部分构造。借助这些对，可实现超过10年的持续操作的长使用寿命，其中 摩擦系数约为0. 005。
[0006] 然而，对于节能、高效的泵，这些摩擦系数太高且将意味着高达30%的泵性能可损 失在摩擦上。此外，由于使用的两种材料--石墨和陶瓷--是烧结的材料，其必须由包含 成形和加热步骤的工艺制造，批量应用这些轴承对的成本太高昂。为了确保轴承的功能，至 少一个轴承表面必须另外磨平或抛光。此外，没有流体动力构造，且由于使用的非常高弹性 模量的陶瓷和石墨材料，该材料对不能如一些应用中要求的安静地运行。通常石墨材料具 有27GPa的弹性模量，且烧结陶瓷具有400GPa的弹性模量。
[0007] 为了优化摩擦学条件并避免干燥操作，常规设计的轴向滑动轴承具有两个或更多 润滑槽。甚至有了这些设计，摩擦系数也不小于0. 05,与材料无关。
[0008] 此外，已知轴向轴承可通过流体动力设计摩擦学地优化。还也通过新泵构造中的 石墨/陶瓷对实现。低至0.01的摩擦系数可随跑合表面中的精细结构实现。特别是楔形 间隙(平的、倾斜的润滑楔形件)和具有抓面的楔形间隙与精细结构一样重要。然而，这个解 决方案的缺点是使用的流体动力精细结构在使用寿命期间被磨损，为了实现低摩擦系数需 要较长的磨合期。此外，使用寿命期间和生产系列中的摩擦系数的高波动对给定的该解决 方案是不利的。
[0009] 此外，如果假定宽度是无穷大，已知台阶状润滑间隙比楔形间隙具有更高的承载 能力。然而，如果润滑间隙的宽度是有限的，由于最高压力发生在台阶处，该理论优点完 全消失，其中润滑剂排水横截面(侧流）大，使得具有小宽度比的此类轴承变得甚至次于 可倾瓦轴承（G. Rothley, An overview of the theoretical and experimental results of dynamic radial and axial bearings in the laminar and turbulent range,a literature study,Literaturstudie, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1969, 78 页)。相对于台阶状润滑间隙，Hamarock等人（Fundamentals of Fluid Film Lubrication, 2004, 229页）指出："然而，该轴承并未与枢轴垫滑动轴承(可倾瓦轴承）享有 同样的开发和应用。过去对该数学上优选制造的疏忽是[原文如此]由于当考虑侧漏时怀 疑该轴承的相对优点。"
[0010] 迄今，基于聚合物的材料尚未发现在介质润滑泵轴承中的广泛使用，但--特别 是成本的原因--聚合物材料在泵组件中的比例随着每种新一代的泵而增加。与这些材料 有关的缺点是不良的导热性（〈1. 〇W/m*K)、压力负荷下的低尺寸稳定性和不足的耐磨性。由 50或60Hz电源频率产生的约3000转/分钟的高转速是不使用聚合物材料作为轴承材料的 重要原因。因此，产生了高摩擦热，其只被聚合物材料非常差地耗散。此外，由于聚合物材 料相对低的玻璃化转变温度，其已在相对低的温度机械失效。此外，循环泵往往在约140°C 加压水系统中操作。在这些条件下，由于水解和/或机械强度的损耗许多常规的聚合物材 料不合格。
[0011] TO2009/135120A2, US5, 567, 057 和 US2004/0057642A1 中描述了由金属制造材料 制成的轴向轴承结构的制造方法。对于这些解决方案，滑环不是制造成一件式而是由多个 部件与片段组成。冊2009/13512(^2描述了具有粒料片段的解决方案，美国专利5,567,057 描述了具有被称为可倾瓦的解决方案，以及美国专利2004/0057642A1描述了另外的片段 解决方案。这些构造甚至在使用聚合物材料时，适用于高负荷和大轴尺寸并允许流体动力 性能；然而，对于具有小于约20mm的较小轴尺寸的泵，由于小的可用安装空间和显著制造 成本，它们不可实现。
[0012] 美国专利2006/0034556A1描述了在波纹形表面上具有流体动力结构的金属材料 的轴向轴承构造。该解决方案的缺点是给定石墨或聚合物材料的实施例，它不允许使用寿 命期间稳定的低摩擦系数。在凹面顶部只稍许磨损后，流体动力效果改变且在只除去百分 之几毫米时可转变到正常混合摩擦。
[0013] 在W02007/081639A2和W02006/083756A2中，提出了轴向轴承构造，其还适用于聚 合物材料且即使在聚合物滑环处有磨损也使得稳定的流体动力效果成为可能。从而轴承环 的滑动面下包含凹坑。滑环的跑合表面，其在无应力状态是平坦的，由于凹坑方向上的弹性 变形在压力下形成波纹形，因此流体动力润滑膜的形成是优选的。然而，由于几何原因，该 实施例只适用于大直径的轴。对于小直径的轴，聚合物材料的弹性变形性不足以构建功能 所必需的波纹形。因此该轴承技术只可用于具有大于约30mm轴直径的较大的泵。此外，非 常复杂的凹坑形状的制造就生产而言是非常复杂的且只适用于小批量生产和专用泵。
[0014] 在DE19719858A1中，提出了具有摩擦学效果的填料用作轴向轴承涂层的树脂组 合物的配方，但未描述用于稳定流体动力润滑膜的合适的构造性实施例。这里以所用的平 的样品件获得〇. 05的摩擦系数。从这些摩擦系数发展而来的摩擦损耗和摩擦热不允许聚 合物摩擦轴承被用在高压力泵轴承中。
[0015] W097/26462描述了用于组合的高性能聚合物材料的轴向/径向轴承的实施例，优 选地为烧结的聚酰亚胺塑料。然而，有了所提出的轴向平坦构造，不能建立轴向轴承处的稳 定流体动力润滑膜。有了轴承的这种构造，由于所得的摩擦损耗和摩擦热，聚合物滑动轴承 和高压力泵轴承的使用也是不可行的。
[0016] 发明目的
[0017] 因此本发明的目的是避免现有技术的缺点并提供具有低摩擦损耗并在长使用寿 命期间耐摩的流体动力轴向轴承，且该轴承还适用于从聚合物材料制造并是以单件轴承形 式的结构上的简单设计，其还特别适用于较小到至多20mm的中等尺寸直径的轴。 发明摘要
[0018] 前述目的通过根据权利要求1的包括滑环、反环和滑环的弹性底托（mounting)的 轴向轴承实现。根据本发明的轴向轴承的优选或特别适用的实施例在从属权利要求2-20 中给出。
[0019] 因此本发明的主题是包括滑环、反环和滑环的弹性底托的轴向轴承，其中滑环是 单件式，且它的跑合表面具有能使稳定流体动力润滑膜建立的结构，并且其中跑合表面的 结构以这种跑合表面具有三个或更多个突起的方式实现，所述突起的与反环的接触表面是 平坦的。
[0020] 根据本发明的轴向轴承能使流体动力润滑膜稳定建立，且特点为非常低的摩擦损 耗和轻微磨损。
[0021] 根据本发明的轴向轴承的另外的优点是使用可成本有效地制造的聚合物轴承材 料的可能性。这样，轴承构造使得能够替换此前在泵应用中用作标准的烧结的石墨材料。通 过这些方法，使得首次在具有至多约20mm小轴直径的高应力泵中使用聚合物材料轴向轴 承成为可能。由于这些泵构造需要大的安装空间，不可使用聚合物片段轴承和其它现有技 术已知的特殊构造。
[0022] 在简单紧凑的设计中存在另外的优点为单盘轴向轴承（S卩，具有滑环的单件结构 的轴向轴承)，借助于该优点发现了有经济效益的、结构简单和复杂的解决方案，其还可甚 至在大的泵中优选地替换此前复杂的构造如，例如，片段轴承和昂贵的摩擦材料如烧结陶 瓷和石墨。
[0023] 与根据现有技术的具有平的滑环或提供有润滑凹槽的滑环由石墨或烧结陶瓷制 成的常规的轴向轴承相比，由于摩擦根据本发明的轴向轴承的功率损耗至少减小5倍。小 于0.01的摩擦系数可以根据本发明的轴向轴承实现，而由石墨或烧结陶瓷制成的常规的 轴向轴承可实现的摩擦系数为〇. 05或更高。
[0024] 借助根据本发明的轴向轴承，因此对于具有低至约20mm小轴直径的高压力泵轴 承摩擦系数首次实现了显著低于〇. 05且甚至低于0. 01，然而对于具有大轴直径(先前只有 借助极大的结构上的努力，例如片段轴承，摩擦系数才可以在0. 01左右）的轴向轴承，0. 01 或更少的非常低的摩擦系数可以显著减小的结构上的努力以单盘轴向轴承的形式实现。
[0025] 相比根据现有技术的石墨或烧结陶瓷的具有平坦滑环或具有提供有润滑凹槽的 滑环的常规的轴向轴承的摩擦热输出，根据本发明的轴向轴承的摩擦热输出减小5倍。因 此滑环的高热耗散能力不再是绝对必要的，且避免了超过聚合物材料的玻璃化转变温度。 这表示成功使用聚合物材料于所述轴承的必要的先决条件。
[0026] 与具有流体动力楔形间隙的轴向轴承相比，由于根据本发明的轴向轴承的摩擦， 功率损耗显著降低且高运行性能稳定。在我们自己对聚合物材料和石墨的测试中，已在一 些具有流体动力楔形间隙的情况中实现了 〇. 01-0. 02的摩擦系数，但它们在长的运行时间 期间不稳定。由于根据本发明的轴向轴承的滑环的结构，可惊人地实现明显低于0.01的摩 擦系数一其甚至在长的使用寿命期间允许摩擦行为非常稳定的优化。
[0027] 虽然台阶状润滑间隙在现有技术中已知为理论上可能的流体动力结构，但不预期 它将被证明在对比楔形结构实现最低摩擦系数方面优选，由于技术上偏见存在，即如果考 虑侧流(侧漏)，台阶状润滑间隙是不利的。
[0028] 此外，预期施加到具有相对低的弹性模量和低的耐磨性的聚合材料滑环的低接触 表面的表面压力会导致非常高的磨损率，令人惊讶地不是这样。
[0029] 对于根据本发明的滑环的流体动力结构，润滑凹坑的概念--其为接触表面的下 陷处--被完全放弃。相反，根据本发明的轴向轴承的滑环只具有少量突起(三个或更多， 优选地只有三个)。惊人地，通过减少接触面积到优选地不超过突出的跑合区域的50%，可惊 人地用聚合物材料制造非常稳定的流体动力润滑膜。
[0030] 在类似的研究中，结果是具有高统计和使用寿命稳定性的非常低的摩擦系数可经 由根据本发明的流体动力结构实现。这些稳定的非常低的摩擦系数不可由常规的流体动力 结构如现有技术已知的结构实现。这也是常规轴承材料的情况，例如石墨或陶瓷。
[0031] 此外，对于几何原因，该小尺寸单件轴承环的设计的决定性优点事实上是台阶的 高度可相对高。例如，可以实现〇. 5_的台阶高度，而只有约0. 05_的台阶高度可用于小 轴承环的楔形/抓面结构。这产生于对楔形表面发挥功能必要的小楔形角度。
[0032] 可以表明，最小的摩擦系数导致滑环的跑合表面的根据本发明的结构的突起的台 阶高度的宽范围。因此，该滑环的跑合表面的结构可承受使用寿命期间显著的接近十分之 几毫米的磨损，然而具有较低台阶高度的可选的实施例--如楔形/抓面结构--只可承 受百分之几毫米的磨损。
[0033] 与具有流体动力楔形间隙结构的轴向轴承相比，所述的构造还具有双向效果的优 点（见图2)。虽然原则上还可以具有反向楔形间隙解决方案，但是需要显著的更大的周边长 度，其对于小直径的轴是不可行的。
[0034] 根据本发明的轴向轴承特点在于通过非常短的数分钟的跑合期后已明显低于 0.01的非常稳定的摩擦系数。常规的摩擦对需要数小时的跑合期。
[0035] 根据本发明的轴向轴承的另外的优点是当聚合物材料被用于滑环或反环时，由于 低弹性模量和流体动力地产生的润滑膜仅产生极小的运行噪音。在测试条件下，这些对无 磨损且极其平滑和安静地运行。
[0036] 根据本发明的轴向轴承使得可使用基于聚合物的材料的轴向轴承环，特别是在具 有小至中等轴直径的轴的泵中。此前，这种类型的泵中的轴向轴承主要由烧结陶瓷、烧结碳 化物或石墨制造。
[0037] 由于根据本发明的轴向轴承通过热塑注模方法由聚合物材料制造不需要后续的 机械整理，可避免高成本的制造工艺。具体地，对于常规轴承材料，热工艺和机械加工导致 高制造成本。
[0038] 甚至在临界边界条件下，如介质中的研磨颗粒或反跑合表面的高粗糙度，聚合物 材料通过合适的陶瓷填料的优选的增强允许由磨损去除的材料的显著减少，因此增加了轴 承的使用寿命。
[0039] 惊人地，可以表明经由组合，以适合于材料的方式的轴承结构设计，合适的基本聚 合物材料(且，任选的，与其配合的增强材料）的选择，和处理反环表面，石墨轴承特有的摩 擦值不只可实现，甚至还显著超过，特别是相对于摩擦系数、摩擦行为的磨损和稳定性。

【专利附图】

【附图说明】
[0040] 本发明使用附图更详细地解释说明，其中
[0041] 图la和图lb示出了根据现有技术用于驱动轴轴向底托的轴承结构的透视图；
[0042] 图2a-2c示出了流体动力结构作为滑环1的展开剖视图的比较，其中图2a和图 2b表示现有技术且图2c表示本发明；
[0043] 图3a_3c示出了滑环1的展开剖视图，其中图3a和图3b表示现有技术而图3c 表示本发明；
[0044] 图4a和图4b示出了在根据本发明的滑环上突起结构的透视图；
[0045] 图5a - 5c分别示出了根据本发明的滑环的接触表面或突起的各种可能形状的透 视图；
[0046] 图6示出了根据本发明的滑环的弹性底托的剖视图；
[0047] 图7a - 7c示出了根据本发明的滑环的优选实施例；
[0048] 图8a和图8b示出了图7a_7b中示出的滑环的平面图；和
[0049] 图9示出了实例1和比较例的摩擦系数测量的时间曲线。
[0050] 附图的详细说明
[0051] 图la和图lb示出了根据现有技术在磁力驱动泵中轴向方向底托驱动轴的轴承结 构的透视图（分解图）。滑环(旋转环）1与转子4 (磁体）经由弹性体的底座3非正向连接。 反环20 (静止环）2与围绕壳体(例如，经由过盈配合）静止地连接，且同时用作轴5的径向 轴承。因此，滑环1以紧贴反环2的轴的旋转速度旋转。
[0052] 滑环和反环间的表面压力产生于安装在轴5上的泵叶轮(离心轮或压缩机轮）的 轴向推力。该叶轮位于轴承排列的外侧且也在图1中描述。摩擦转矩在滑环发展为制动转 矩，因此增加了必要的驱动功率。
[0053] 由于相对轻的径向力，轴5的径向轴承还导致制动转矩，然而在旋转泵中是轻微 的。
[0054] 图2a - 2c示出了用于所述应用的流体动力结构作为滑环1的展开剖视图的比较。 还已知平的反环2。根据现有技术，例如，该结构作为简单楔形间隙（图2a)或作为具有抓面 的楔形间隙（图2b)实施。在所示的实施例中，这些构造只沿旋转方向摩擦学有效。在楔形 间隙方向移动在相对方向的情况下，这些构造在两个旋转方向均有效；然而，它们还需要大 约两倍的安装空间或分别地轴承表面周边长度。
[0055] 与此对比，根据本发明的具有台阶状突起6的结构（图6c)非常紧凑并可与相对大 的可能接触表面和双向旋转一起使用。小的接触表面可支持流体动力效果。另一方面，小 的接触表面还引起高的特定表面负荷(压力）。特别是在具有相对低的弹性模量和压缩强度 的聚合物材料的情况下，压力负荷能力在小的接触表面的情况中受到极大地限制，使得更 高的接触表面适用于具有更高压力负荷能力的应用且还可具有根据本发明的具有台阶状 突起的结构。
[0056] 图3a - 3c作为滑环1 (还示出了平的反环2)的展开剖视图示出了，材料磨损效果 约为0. 05mm，取决于使用条件，在不足一年的操作后其可已在泵的使用寿命期间发生。磨损 体积7在各情况中用细小的交叉阴影线标记。在0. 05mm磨损处，根据现有技术的图3a和 图3b中的流体动力结构被完全磨掉，因此使得流体动力润滑效果--降低摩擦系数--不 再存在。因此，该结构不太适合特别是用于聚合物轴承。
[0057] 另一方面，根据本发明的具有三个或更多个突起的结构（图3C)甚至在磨损量更大 时也能保留下来，且它保持流体动力效果。
[0058] 图4a和图4b是在滑环上具有支撑表面(接触表面）8的突起6的排列的透视图。 最少三个（图4a)或任何更大数字的单独接触表面可固定在周边上（图4b中5个单独接触 表面)。有了相同尺寸的单独支撑表面，轴向压力可通过多于三个接触表面的构造在更大区 域上传播，且有了相同尺寸的单独支撑表面，可减少特定表面压力。
[0059] 图5a - 5c以举例的方式示出了分别的单独支撑表面(接触表面）8或突起6的不 同可能形状的透视图。区域可表示为多边形或，如文中所示的形状，准矩形四边形（图5a)、 如环形（图5b)，例如，以最优化用于流体的不对称的或非环形的形状（图5c)。
[0060] 图6示出了滑环1的底托的剖视图，如现有技术中的惯例，其经由弹性体的底座3 与转子非正向连接。滑环1自身不静置在轴5上，因此也可被设置成轻微偏离与轴形成直 角。滑环1通过弹性体的底座和角度公差均匀地沿着周边紧贴反环按压。通过这些方法， 优选地均衡了形状位置公差并促进了稳定的流体动力效果。经由有回弹性力的元件，弹性 底托也是可能的，这在轴承和密封技术中是惯例。
[0061] 图6示出了允许简单预组装和可靠定位的特别优选的实施例。
[0062] 图7a - 7c示出了具有三个准矩形支撑表面(接触表面)的滑环1的优选实施例，在 剖视图（图7a)，平面图（图7b)和透视图（图7c)中，该支撑表面在各情况中彼此成120°角 设置。例如，具有支撑表面8的突起6的高度可在0. 1_至1_之间变化，而对稳定流体动 力运行没有决定性的负面效果。该构造可通过注模聚合物材料非常简单地和有成本效益地 实现。如图6所示，在外径处模制与弹性体底座的形状功能无关且由于弹性体底座的形状。 从环到具有接触表面的突起的过渡半径RI是由于模制且对发挥功能不相关。
[0063] 图7a_7c中示出的实例适用于50N的径向负荷。
[0064] 图8a和图8b示出了图7a_7c中的滑环的平面图，其中这里的跑合表面9(其在图 8a中在与接触表面8平行的平面中突出）和接触表面(支撑表面）8在图8b中用交叉阴影 线示出。
[0065] 在外周边处，图中示出的滑环在顶部和底部(具体参见图4和图7)分别具有保护 性斜面，其不是绝对必要的。这些保护性斜面通过某些附加的线条在图中示出。
[0066] 图9示出了根据本发明的实例1和比较例的摩擦系数的测量的时间曲线。

【具体实施方式】
[0067] 根据本发明的轴向轴承包括滑环、反环和滑环的弹性底托。滑环构造为一件式(被 称为单盘轴承）且在其跑合表面--即，在与反环的接触表面--具有能使稳定流体动力 润滑膜建立的结构。跑合表面以其具有三个或更多（优选地三个）突起的方式结构化，该突 起与反环的接触表面表面是平坦的。
[0068] 跑合表面中的突起沿旋转方向优选地是台阶状的。
[0069] 由于在与接触表面平行的平面中突出，整个突起的接触表面优选地等于相对于滑 环的跑合表面的至多50%，S卩，相对于滑环的轴承表面(跑合表面）的内径和外径间的总表面 至多50% (见图8)。此外，跑合表面的突起的总接触表面优选地不超过突出的跑合表面的 30%，并且特别优选地不超过20%。
[0070] 滑环的总接触表面优选地构成突出的跑合表面的5-30%，特别优选地10-20%。
[0071] 突起优选地均匀地分布在跑合表面上。特别优选地三个突起彼此成120°角排列。
[0072] 滑环可弹性地安装，例如经由弹性体底座，滑环使用该弹性体底座与转子非正向 连接。经由其它有回弹力元件的弹性底托也是可能的，这在轴承和密封技术中是惯例。
[0073] 在根据本发明的轴向轴承中滑环/反环对中的至少一个轴承环优选地由聚合物 材料制造。随着轴旋转的轴承环被称为滑环。与轴稳固连接的静止轴承环被称为反环。
[0074] 旋转滑环优选地由聚合物材料制成。
[0075] 静止反环可由常规的轴承材料如烧结陶瓷、石墨、烧结碳化物、金属或青铜制成。 作为另外一种选择，反环还可由聚合物材料制造。
[0076] 反环的轴承表面应优选地具有非常高的表面质量（S卩，低粗糙度值)。可以表明摩 擦系数和磨损可在反环处通过减少粗糙度值显著降低。特别优选地反环具有抛光表面。
[0077] 然而，还可以获得反环的跑合表面小于0. 1的摩擦系数与较高表面粗糙度值(例 如只已被磨平或磨光的表面)，且同时只具有低磨损，使得根据本发明甚至在反环跑合表面 的具有更高粗糙度值的轴向轴承在更长的运行时间期间是稳定的。
[0078] 反环的表面优选地具有低孔隙率和高硬度以及导热率。由于压力和/或旋转速 度，高硬度和导热率对于耐磨性和轴承结构的最大负荷承载能力是决定性因素。通过这些 方法，建立和稳定流体动力润滑膜和良好的耗散摩擦热输出成为可能。
[0079] 因此，在根据本发明的轴向轴承的优选实施例中，反环由紧固且精细的粒状烧结 陶瓷，例如由氧化铝制成。来自烧结碳化硅（SSiC)的构造特别优选。合适的碳化硅材料是 从ESK高科技制陶有限公司（ESK Ceramics GmbH&Co. KG)购得的EKasicK F ;它导热率为 >120W/m*K。
[0080] 反环的轴承表面应优选地构造有小量平整度偏差。如果平整度偏差高，或如果在 反轴承表面上有凹槽，可使流体动力润滑膜不稳定。
[0081] 在进一步可能的实施例中，滑环和反环二者均由聚合物材料制造。通过这些方法 甚至可进一步降低用于轴承系统的总体成本。所需的反轴承的高表面质量可优选地直接经 由热塑注模方法获得。通过这些方法，就烧结材料或金属而言是必要的昂贵的加工步骤(如 磨平和/或抛光)可省略，因为足够的高表面质量已经可在聚合物注塑处理中模制的过程中 获得。
[0082] 在根据本发明的轴向轴承也可以的实施例中，滑环可由常规的轴承材料如烧结陶 瓷、石墨、烧结碳化物、金属或青铜制造。因为强力地磨蚀或腐蚀条件，这对不再使用聚合物 材料的应用条件是优选的。
[0083] 在优选实施例中，根据本发明的轴向轴承的滑环具有三个突起(见图7 )，该突起在 各情况中彼此成120°角排列。三个突起优选地沿旋转方向为台阶状。平的支撑表面具有 "矩形"形状(见图7)。甚至在作为整体的结构高形状/位置公差下，根据本发明的轴向轴 承的运行行为，由于该滑环结构在平的反轴承处具有三个支撑表面而被稳定化。
[0084] 具有支撑表面的突起的高度优选地在0. 1mm和1mm之间。更高的高度也是可以的， 但一般不需要。
[0085] 如果轴承环由热塑聚合物材料制造，轴承环的流体动力结构可优选地经由热塑模 制过程中相应的注射模具引入，而不需要附加的工序。
[0086] 多于三个支撑表面也可以实现。通过这些方法，支撑表面上的压力按支撑表面的 总面积成比例减少，如果轴向负荷高则这可为特别优选的。
[0087] 滑环的三个或更多单独支撑表面可以任何方式制造，例如像多边形、环形或像非 环形区域(见图5)。甚至对于环形接触表面也可以获得非常低的摩擦系数。
[0088] 单独的支撑表面的尺寸产生于轴承大小的几何需要。总面积，如单独支撑表面的 总和，优选地被设计成使得表面压力不超过轴承材料的压力吸收能力。
[0089] 在使用条件下具有高化学和热稳定性，以及用于以小量弹性变形吸收高表面压力 的高弹性模量的聚合物适用于滑环和/或反环。
[0090] 聚醚酰亚胺、聚苯硫醚和聚醚醚酮、液晶聚合物（LCP)为泵技术中广泛应用的合适 的热塑材料的实例；然而，也可使用其它聚合物材料。
[0091] 除了热塑材料外，也可使用硬质塑料材料如环氧化物树脂或烧结塑料(如PTEF或 聚酰亚胺)。如果机械应力低，同样可以在弹性体如聚氨酯或热塑弹性体（TPE)中实行。 [0092] 优选地使用具有附加的增强纤维，如碳纤维或芳族聚酰胺纤维的聚合物材料。还 被称为聚合物基质复合材料的这些材料具有更高的弹性模量。在给定的压力下，由于弹性 模量增加，弹性变形减少，从而由其产生的轴承环的压力吸收能力和轴向轴承的抗压性增 力口。由于它们对滑动性能和反轴承的低磨蚀性的支持，特别优选碳纤维。
[0093] 正如现有技术已知的，纤维填料的含量和规格是变化的，使得刚度和强度值结果 对于相应的设计为最佳。
[0094] 弹性模量（即，用于根据本发明的轴向轴承的聚合物材料的刚度）优选地至少为 7GPa。经由测试，可以确定长时间段内稳定的流体动力润滑膜可使用此类聚合物材料建立。 [0095] 此外，聚合物材料优选使用增强颗粒如碳化硅、碳化硼、氧化铝和二氧化硅增强。 通过这些方法，聚合物材料的表面硬度可增强到甚至在高接触压力下流体动力润滑膜也变 稳定的程度。通过使用这些颗粒增强，在干燥的运行条件下和启动轴承时，耐磨性也增加。 当轴承启动时，在接触滑动表面时混合摩擦发生的时间短且如果轴承未被增强可导致高磨 损。
[0096] 聚合物材料可使用增强颗粒代替--或优选结合--增强纤维增强。
[0097] 优选地将碳化硅颗粒用作用于增强聚合物材料的耐磨性的增强颗粒。SiC填料硬 度为>9. 5Moh且该硬度比任何天然存在的研磨材料都硬(钻石除外)。此外，几乎在所有液 泵介质中，SiC具有非常好的耐腐蚀性，其远远超过已知的聚合物基质材料的稳定性。
[0098] 具有SiC填料实施例的进一步的优点是SiC的非常高的导热性为>120W/m*K，因此 甚至在复合材料中可有效耗散所产生的摩擦热。
[0099] 由于粗糙的粒状陶瓷填料在加工过程中和与反环摩擦接触时研磨强度非常高，优 选地使用最小的颗粒低于1 μ m (亚微米颗粒)，因为它们的小颗粒尺寸而不再具有研磨效 果。
[0100] 硬质颗粒的含量可在直到颗粒理论堆积密度限的宽范围内选择。仍允许聚合物材 料的良好的机械性能的适当的可用范围在1和30重量％之间。
[0101] 硬质颗粒的含量和规格，以及纤维和硬质颗粒间的混合比如现有技术中已知的那 样变化，使得最佳硬度、刚度和强度值针对相应的设计。纤维和硬质颗粒的总含量优选地在 1和40重量％之间，并且特别优选地在20至40重量％中。
[0102] 具有碳纤维和亚微米SiC颗粒的填料组合的聚合物材料被证明对于根据本发明 的轴向轴承特别优选。
[0103] 与根据本发明的轴向轴承结合的，反环由陶瓷材料如氧化铝或碳化硅制造的这些 聚合物/SiC/碳纤维材料(具有嵌入的碳纤维和SiC颗粒的聚合物基质材料)的耐磨性远比 石墨材料的耐磨性好。
[0104] 甚至在不利的边界条件如磨料负载下也是这样。在材料测试中，还可以证明这类 材料的高耐磨性而不需要利用流体动力效果。
[0105] 为了优化润滑性能和机械性能，可在聚合物材料中使用附加的添加剂，如润滑剂、 油、PTFE、石墨和六方氮化硼。
[0106] 根据本发明的轴向轴承可用在热水循环泵、饮用水泵、用于内燃机和电动机的冷 水循环泵、用于冷凝冷却线路的压缩机泵、用于冷却控制柜、流体动力单元和激光设备的冷 却水循环泵中。
[0107] 根据本发明的轴向轴承还可用于在腐蚀性介质的应用中，如酸和碱、溶剂、低粘度 的油和脂。
[0108] 此外，根据本发明的轴向轴承在如确保具有油、脂或其它润滑介质的持久润滑的 范围内还适用于电动机(特别是小型马达中）中的轴向底托。
[0109] 此外，根据本发明的轴向轴承可用于在传动中被称为推力轴承的应用。这里的负 荷情况类似于泵轴承中的负荷情况；这里也确保润滑介质的持久润滑。
[0110] 实例、比较例和参照例
[0111] 实例 1
[0112] 轴承如图1中所示那样制造。在几何形细节中，滑环如图7所示那样沿旋转方向 制造有三个台阶状突起。在过渡处从突起到突起基部的半径为1_;然而，这与轴承的流体 动力设计不相关。滑环的外径为21mm且内径为10. 5mm。滑动表面的内径也为10. 5mm且外 径为17mm。滑环外侧的高度为3mm且内侧的高度为5mm。总高度--即，包括具有支撑表 面的突起的内部高度--为6mm且台阶高度(突起的高度)为1mm。支撑表面具有矩形形状 (见图7)。台阶的宽度(突起的宽度）为3. 25mm且台阶的长度(沿旋转方向突起的长度）为 2. 5_。台阶状突起构成突出的跑合表面或滑动表面的17%，即，滑动表面的外径和内径间的 区域的17%。
[0113] 反环由具有抛光表面的烧结A1203材料构造。
[0114] 滑环由聚合物材料聚苯硫醚（PPS)制造，其中增强碳纤维和尺寸〈1 μ m的精细SiC 颗粒占总重量的35%。
[0115] 在根据图1的结构中，摩擦系数在用于此目的的专门制作的试验台上经由阻力扭 矩确定。
[0116] 测试结构对应于环套环结构。
[0117] 介质经由恒温器保持在恒定的温度。摩擦扭矩经由精确负荷测量单元记录，且线 性磨损路径的位移经由机械位移传感器感测。全部测量值均随时间分辨率记录。测量值从 马达驱动开始记录
[0118] 在一个小时的磨合运转时间后，摩擦系数确定为一小时期间的平均值。该摩擦系 数表示滑环/反环对系统的摩擦值。
[0119] 磨损从1小时磨合运转且热平衡后的路径/时间曲线的斜率确定为每单位时间的 线性磨损路径。
[0120] pv值保持恒定并设定为p=0. 5MPa和v=l. 9m/s。
[0121] 为了能够精确解析非常轻微的摩擦扭矩(至多0. 002)，驱动侧安装在空气轴承上。 此外，由于支撑经由重量提供，所以轴向底托可省略，这意味着只需要一个具有空气轴承的 径向轴承。
[0122] 在轴承上的单位负荷为3000RPM，轴向推力为50N。水（50°C)用作介质。作为另 外一种选择，还可使用乙二醇含量至多50体积％的水和乙二醇的混合物。
[0123] 借助轴承的这种构造和材料的组合，用于系统的极低的0. 004的摩擦系数在上述 给定的系统边界条件处测量，其中标准偏差为〇. 001。
[0124] 在非常短的仅10分钟的磨合运转时间后已达到该低摩擦系数，并在测试中在测 量的168个小时整个时间内保持稳定(见图9 ;这里只示出2个小时的运行时间）。
[0125] 实例 2
[0126] 重复实例1 ;然而，反环制造为具有磨平的表面的烧结A1203材料（Ra=0.4ym)。实 验结果在表1中不出。
[0127] 实例 3
[0128] 重复实例1 ;然而，反环制造为具有精细地磨光的表面的烧结A1203材料。实验结 果在表1中示出。
[0129] 实例 4
[0130] 重复实例1 ;然而，反环制造为具有抛光的表面的烧结SiC材料（ESK高科技制陶 有限公司（ESK Ceramics GmbH&Co.KG)的El<asicK F)。实验结果在表1中示出。
[0131] 实例5至7
[0132] 重复实例1 ;然而，具有支撑表面的突起的高度不是如在实例1中的1_，而是如表 2中示出那样变化。
[0133] 所确定的系统的摩擦系数在表2中列出。
[0134] 实例8至10
[0135] 重复实例1 ;然而，三个支撑表面的形状是各不相同的。在各情况中，实现在周边 方向给定3. 25_的台阶宽度(对应于滑动表面的宽度)，1. 5_和5_的台阶长度(实例12 和13)代替如在实例1中的2. 5_的台阶长度，使得支撑表面具有与如实例1中的矩形类 似的形状。此外，测试具有三个在各情况中直径均为2. 5mm (实例14)的环形支撑表面的滑 环。如在实例1中，各情况中的台阶高度均为1mm。
[0136] 所确定的摩擦系数在表3中给出。
[0137] 实例 11 至 14
[0138] 重复实例1 ;然而，将用至多20重量％SiC增强而不添加碳纤维的聚醚酰亚胺用作 滑环的聚合物材料。使用的SiC填料和实例1中的相同。这里获得的特征摩擦学数据相对 于实例1被评定为在一定程度上较差，特别是与摩擦系数有关；然而，例如，它们仍然比石 墨材料的低。关于线性磨损和摩擦系数的结果在表4中给出。
[0139] 表4非常清楚地示出根据本发明的轴向轴承中的聚合物材料的耐磨性是怎样通 过使用SiC填料增强增加的。
[0140] 实例 15
[0141] 重复实例1 ;然而，LCP (液晶聚合物)滑环不用碳纤维增强而是用石墨作为摩擦添 加剂制造的。所确定的摩擦系数为0.01且线性磨损为1.3 μ m/h。
[0142] 比较例
[0143] 根据图1制造的轴向轴承。根据图1，滑环的几何细节实施例存在为具有润滑凹槽 的平的单盘滑环。石墨被用作滑环材料。
[0144] 反环制造为具有抛光表面的烧结A1203材料。
[0145] 摩擦系数如在实例1中那样确定。
[0146] 这里同样的，在轴承上的单位负荷为3000RPM，且轴向推力为50N。水（50°C)被用 作介质。
[0147] 一小时后，在该实验中所确定的平均摩擦系数为0. 05。
[0148] 可以只在一小时的较长磨合运转时间后达到该摩擦系数(见图9)。
[0149] 参考例
[0150] 重复实例1 ;然而，不添加 SiC填料或碳纤维的聚醚酰亚胺被用作滑环的聚合物材 料。特征摩擦学数据在表4中列出。摩擦系数比实例2至5中的高，且线性磨损非常高。
[0151] 表 1 :
[0152]

【权利要求】
1. 一种轴向轴承，包括滑环（1)、反环（2)和所述滑环的弹性底托（3)，其中所述滑环 (1)是单件式，且在其跑合表面具有能使稳定的流体动力润滑膜建立的结构，并且其中所述 跑合表面以其具有三个或更多个突起（6)的方式结构化，所述突起的与所述反环（2)的接 触表面（8)是平坦的。
2. 根据权利要求1所述的轴向轴承，其中所述跑合表面的突起（6)沿旋转方向是台阶 状的。
3. 根据权利要求1或2所述的轴向轴承，其中所述跑合表面的突起（6)的整个接触表 面（8)不超过向与所述接触表面平行的平面突出的跑合表面（9)的50%，优选地不超过30%， 并且特别优选地不超过20%。
4. 根据权利要求1至3中的一项所述的轴向轴承，其中所述跑合表面的突起（6)的总 接触表面（8)为所述突出的跑合表面（9)的5-30%，优选地10-20%。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的轴向轴承，其中所述突起（6)均匀地分布在跑 合表面上。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的轴向轴承，其中三个突起（6)彼此成120°角 排列。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的轴向轴承，其中所述突起（6)的高度在0. 1mm 和1mm之间。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的轴向轴承，其中所述滑环/反环对中的至少一 个轴承环由聚合物材料制造。
9. 根据权利要求8所述的轴向轴承，其中所述滑环（1)由聚合物材料制造。
10. 根据权利要求8所述的轴向轴承，其中所述滑环（1)和所述反环（2)二者均由聚合 物材料制造。
11. 根据权利要求8至10中任一项所述的轴向轴承，其中所述聚合物材料选自包含以 下各项的组：热塑材料、硬质塑料材料和弹性体。
12. 根据权利要求8至11中任一项所述的轴向轴承，其中所述聚合物材料选自包含 以下各项的组：环氧树脂、PTFE、聚酰亚胺、聚氨酯、热塑弹性体（TPE)、聚醚酰亚胺、聚苯硫 醚、聚醚醚酮和液晶聚合物。
13. 根据权利要求8至12中任一项所述的轴向轴承，其中所述聚合物材料的弹性模量 为至少7GPa。
14. 根据权利要求8至13中任一项所述的轴向轴承，其中所述聚合物材料包含附加的 增强纤维，优选地包括碳纤维或芳族聚酰胺纤维。
15. 根据权利要求8至14中任一项所述的轴向轴承，其中所述聚合物材料包含附加的 增强颗粒，优选地碳化硅、碳化硼、氧化铝和/或二氧化硅颗粒，特别优选地碳化硅颗粒。
16. 根据权利要求15所述轴向轴承，其中所述硬质颗粒的含量在1和30重量％之间。
17. 根据权利要求14至16中任一项所述的轴向轴承，其中所述纤维和硬质颗粒的总含 量在1和40重量％之间，并且特别优选地在20和40重量％之间。
18. 根据权利要求1至17中任一项所述的轴向轴承，其中所述反环（2)的轴承表面是 抛光的。
19. 根据权利要求1至18中任一项所述的轴向轴承，其中所述反环（2)由致密且精细 的粒状烧结陶瓷制造，优选地由氧化铝或烧结碳化硅（SSiC)制造。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的轴向轴承，其中所述滑环（1)由烧结陶瓷、石 墨、烧结碳化物、金属或青铜制造。
【文档编号】F16C17/04GK104302933SQ201280046974
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2011年9月26日
【发明者】阿尔明·卡瑟尔, 乌尔苏拉·卡瑟尔, 迪特马尔·舍恩霍芬, 约翰纳·齐默尔曼 申请人:Esk陶瓷有限两合公司