表面纹理化滚柱的制作方法

专利名称：表面纹理化滚柱的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及具有表面纹理的滚柱，并且更特别地涉及用于例如风力涡轮机 传动系中的表面纹理化滚柱和表面纹理化滚动元件轴承。
背景技术：
典型地，涡轮机传动系滚柱及其中的其它传动系物件在涡轮机传动系的运行期间 承受高负荷和应力。传动系滚柱及其中的物件可能有缺陷，可能随着时间推移而失效，或它 们可能只是磨损。例如，施加在传动系滚柱及其中的物件上的负荷和应力可能超过可接受 的极限，引起传动系轴承和/或其中的物件失效或损坏。一旦获悉它们的存在，就可更换损 坏或失效的构件。备选地，传动系滚柱和/或其中的物件可只是通过长期使用而开始表现 出磨损。可在传动系和/或其中的物件中使用涂层或润滑剂，以在传动系滚柱和/或其中 的物件之间提供润滑并减小摩擦。此类应用的一个实例为风力涡轮机传动系。啮合的齿轮 和前述的滚柱可能在诸如更低速度和更高负荷的状态下操作。润滑现象在此类应用中在性 质上是瞬时的。润滑现象与用于在边界润滑机制(regime)和混合润滑机制下操作的构件 的可靠操作的最低实质润滑膜厚度的形成和维持有关。在诸如风力涡轮机传动系的急停的 瞬时状态期间，传动系齿轮、传动系滚柱和/或其中的其它物件承受进一步的负荷。

发明内容
本公开内容的第一方面提供一种表面纹理化滚柱，包括在其表面中的多个微孔， 该多个微孔具有选自包括半球形、菱形、椭圆形和锥形及其组合的组中的至少一个的至少 一种几何形状。本公开内容的第二方面提供一种表面纹理化滚动元件轴承，包括外圈；内圈；以 及在外圈与内圈之间的多个滚柱，该多个滚柱具有在其表面中的多个微孔，该多个微孔具 有选自包括半球形、菱形、椭圆形和锥形及其组合的组中的至少一个的至少一种几何形状。本公开内容的第三方面提供一种齿轮箱，包括包括设置在齿轮箱内的齿轮组的 齿轮箱，该齿轮组包括互相啮合的至少两个齿轮；以及支撑该齿轮组的表面纹理化滚动元 件轴承，该表面纹理化滚动元件轴承包括外圈；内圈；以及在外圈与内圈之间的多个滚 柱，该多个滚柱具有在其表面中的多个微孔，该多个微孔具有选自包括半球形、菱形、椭圆 形和锥形及其组合的组中的至少一个的至少一种几何形状。本公开内容的第四方面提供一种风力涡轮机，包括转子；可操作以产生动力的 发电机；设置在转子与发电机之间的齿轮箱，该齿轮箱包括设置在齿轮箱内的齿轮组，该齿 轮组包括互相啮合的至少两个齿轮；以及支撑该齿轮组的表面纹理化滚动元件轴承，该表 面纹理化滚动元件轴承包括外圈；内圈；以及在外圈与内圈之间的多个滚柱，该多个滚柱 具有在其表面中的多个微孔，该多个微孔具有选自包括半球形、菱形、椭圆形和锥形及其组 合的组中的至少一个的至少一种几何形状。


本发明的这些和其它特征将从以下结合描绘本发明的各种实施例的附图对本发 明的各个方面的详细描述变得更加容易理解，在附图中图1示出根据本发明的旋转电机的一个实施例的示意图；图2示出根据本发明的表面纹理化滚柱的一个实施例的透视图；图3示出根据本发明的表面纹理化滚柱的一个实施例的纹理化表面的示意图；图4示出根据本发明的构造成用于表面纹理化滚柱的一个实施例中的润滑的纹 理化滚柱表面的截面图；图5示出根据本发明的构造成用于表面纹理化滚柱的另一实施例中的润滑的纹 理化滚柱表面的截面图；图6示出根据本发明的构造成用于表面纹理化滚柱的另一实施例中的润滑的纹 理化滚柱表面的截面图；图7示出根据本发明的表面纹理化滚柱的一个实施例的纹理化表面的示意图；以 及图8示出根据本发明的表面纹理化滚动元件轴承的一个实施例的透视图。部件清单10旋转电机12齿轮箱14 转子16发电机18行星齿轮组20中间齿轮组22高速齿轮组24齿轮箱壳体26转子轴28行星齿轮30恒星齿轮32 齿圈34，36，38，40，50，52，54，56，64，66，68，70 表面纹理化滚动元件轴承42第一齿轮轴44第一中间齿轮46第二中间齿轮48第二齿轮轴58第一高速齿轮60第二高速齿轮62输出轴100 滚柱110滚柱表面
120 微孔130 物件150椭圆形160圆锥形170 菱形200元件轴承210 外圈220 内圈230，240 表面
具体实施例方式已发现，可在文中所述的表面纹理化滚柱和表面纹理化滚动元件轴承的一些实施 例的实践中实现的一个优点在于具有诸如微孔的表面纹理的传动系滚柱维持与表面纹理 化轴承接触的滚柱、齿轮及其中其它传动系物件之间的改善的润滑。可在文中所述的表面 纹理化滚柱和表面纹理化滚动元件轴承的一些实施例中实现的另一优点在于表面纹理化 滚柱由于纹理本身而克服了与在极端操作状态下的润滑相关的问题。纹理化表面即使在其 中存在导致表面纹理化滚柱与其中的发动机物件之间的配合表面的弹性变形的高应力的 操作机制下也增强润滑。可在文中所述的表面纹理化滚柱和表面纹理化滚动元件轴承的一些实施例中实 现的另一个优点在于表面纹理化滚柱通过改善润滑膜完整性、寿命和效率而减小了摩擦应 力。表面纹理化滚柱的实施例根据润滑剂的可用性改善润滑并通过传动系物件之间的滚动 和/或滑动接触而提高它们的性能。对于其中不足的润滑剂无法形成膜的贫乏状态，表面 纹理由于表面张力效应而帮助将润滑剂液滴牵制(pin)在滚柱表面上。这些液滴又吸收摩 擦负荷并因而有助于润滑。牵制液滴无需很高的速度并且独立于速度的膜形成能力与例如 轴颈轴承或滚珠轴承中的常规润滑不一样。对于其中润滑剂供应充足但摩擦负荷、传动系速度和滚柱几何形状的结合不足以 维持膜的状态，表面纹理充当用于润滑剂的储器并帮助增加膜中的压力使得其即使在不利 状态下也可被维持。充当储器的表面纹理提供了有效的润滑手段，并且实质上相当于从边 界润滑机制到弹性液力或甚至液力润滑机制的过渡。还已发现，可在文中所述的表面纹理滚柱和表面纹理滚动元件轴承的一些实施例 中实现的另一个优点在于由于改善的润滑而减小的摩擦应力允许设计更有效的涡轮机传 动系、其中的传动系物件和/或其中使用了轴承的其它机械系统，例如齿轮箱和风力涡轮 机，以及二级系统，例如润滑泵和冷却系统。参照图1，示出了旋转电机10的一个实施例的示意图。在一个实施例中，旋转电机 10可包括风力涡轮机传动系，并且将对其加以附图标记10，除非以其它方式指出。风力涡 轮机传动系10可包括设置在转子14与发电机16之间的齿轮箱12。转子14可具有多个叶 片(未示出)。当风吹过时，转子14可由于风的力而旋转。转子14的转速可作为风速的函 数变化。转子14的旋转可经由齿轮箱12传输到发电机16的转子。转子14可设计成将风 能有效地转换成旋转。但是，可将发电机16的转子可设计成将转子14所产生的转速增加至用于驱动发电机16的转子的更理想速度。在一个实施例中，齿轮箱12可包括设置在齿轮箱壳体24内的行星齿轮组18、中间 齿轮组20和高速齿轮组22。转子14可经由转子轴26联接到行星齿轮组18上。行星齿轮 组18可包括行星齿轮28、恒星齿轮30和齿圈32。齿圈32可围绕恒星齿轮30延伸并且可 具有围绕其内周的齿。恒星齿轮30也可具有围绕其外周的齿。行星齿轮28的齿与恒星齿 轮30以及齿圈32的齿啮合。此外，行星齿轮28可联接转子轴26联接。当转子14旋转转 子轴26时，行星齿轮28可围绕恒星齿轮30被驱动而致使恒星齿轮30旋转。行星齿轮组 18可由文中所述的多个表面纹理化滚动元件轴承34、36、38和40支撑。恒星齿轮30可经由第一齿轮轴42联接到中间齿轮组20上。在一个实施例中，恒 星齿轮30可小于行星齿轮28并且可以以大于转子轴26的速度旋转。因此，齿轮轴42也 可以以大于转子轴26的速度旋转。中间齿轮组20可包括可配合以进一步增加转速的第一 中间齿轮44和第二中间齿轮46。第二中间齿轮46联接到第二齿轮轴48上，该第二齿轮 轴48可联接到高速齿轮组22上。在一个实施例中，第一中间齿轮44可大于第二中间齿轮 46，使得第二中间齿轮46以大于第一齿轮轴42的速度旋转。中间齿轮组20也可由文中所 述的多个表面纹理化滚动元件轴承50、52、54和56支撑。高速齿轮组22可包括可配合以再进一步增加转速的第一高速齿轮58和第二高速 齿轮60。第二高速齿轮50可经由输出轴62联接到发电机16上。高速齿轮组22可经由 文中所述的对应的表面纹理化滚动元件轴承64、66、68和70支撑。第一高速齿轮58可大 于第二高速齿轮60。因此，第二高速齿轮60可以以大于第一高速齿轮58的速度旋转。因 此，输出轴62可以以大于第二齿轮轴48的速度旋转。发电机16可将输出轴62的旋转能 转换成电力。摩擦、磨损和润滑是用于控制众多机械构件的提高的寿命和可靠的操作的说明性 参数。对于例如滚柱与其中的发动机物件之间(例如风力涡轮机齿轮箱中)具有滚动和/ 或滑动接触的低速和高负荷摩擦应用，难以产生适当的润滑剂膜厚度并因此在为更长的寿 命而设计前述构件时是一个因素。在所示的实施例中，参见图1，各表面纹理化滚动元件轴 承(34、36、38、40、50、52、54、56、64、66、68和70)包括构造成保持用于提供润滑的润滑剂的 一个或多个凹入表面。如文中所描述的，“凹入”可指具有以预定图案形成的多个微孔或凹槽的表面。该 图案可因滚柱的应用而异。在一个实施例中，孔可为构造成保持用于增强的润滑的润滑剂 的微尺寸孔。呈滚柱表面上的孔的形式的表面纹理是用于在接触表面的弹性变形的状态下 进行润滑的有效手段。结果，充分减少了摩擦和磨损。文中详细说明了与凹入的滚柱表面 有关的附加细节。在一个实施例中，图1中所示的表面纹理化滚动元件轴承可为文中所述的表面纹 理化滚动元件轴承或可为能够具有用微孔进行纹理化的表面的滚动元件轴承，如文中所 述。在一个实施例中，旋转电机10并且特别是图1中所示具有表面纹理化滚动元件轴承 的风力涡轮机传动系并非旨在限制文中所述的表面纹理化滚动元件轴承的应用。本发明 的表面纹理化滚动元件轴承并不局限于任何一个特定机器并且可用于其中存在高摩擦负 荷-低发动机速度环境的其它应用中，例如涡轮机中的传动系；水泥机、制糖机和/或造 纸机；越野车；以及船用发动机和/或传动系。
参照图2，示出了表面纹理化滚柱的一个实施例。如文中所述，滚柱100可具有表 面110，该表面110具有在其中的构造成保持用于提供滚柱100和与其接触的物件之间的润 滑的润滑剂的多个微孔120。在一个实施例中，滚柱100可构造成保持用于在高摩擦负荷和 低速状态下提供滚柱100和与其接触的物件之间的润滑的润滑剂。在一个实施例中，微孔 120可具有选自包括半球形、椭圆形、锥形和菱形(分别参见图4、图5、图6和图7)及其组 合的组中的至少一个的至少一种几何形状。在另一个实施例中，微孔120可具有半球形或 菱形几何形状。在一个实施例中，滚柱100可具有大约7cm宽、大约34. 3cm深且大约45. 7cm的外 径的尺寸。前述实施例并非旨在限制表面纹理化滚柱的尺寸。本发明的表面纹理化滚柱的 尺寸并不局限于任何一个特定尺寸并且可用于其中存在高摩擦负荷和低速状态的应用中 的任何尺寸的表面纹理化滚柱均为本发明所包含。可在表面纹理化滚柱的一些实施例中实现的一个优点在于呈微孔120的形式的 表面纹理化可通过提供改善的润滑剂可用性而增强润滑。在当润滑剂的供应常有限的操作 状态期间，微孔120可由于表面张力效应而将润滑剂保持在表面110上的微孔区域处。可 在一个实施例中实现的另一个优点是，在当润滑剂供应通常充足但滚柱100的负荷、速度 和几何形状的结合不足以维持滚柱100与可能与其接触的物件之间的润滑剂膜时的操作 状态期间，微孔120可充当润滑剂的储器。结果，即使在机器的不利操作状态下也可在滚柱 100与可能与其接触的物件之间维持润滑剂膜。虽然参考普通滚柱100详细说明了表面纹理化滚柱的一个实施例的表面纹理，但 该表面纹理也一样适用于其它表面纹理化滚柱。在一个实施例中，此类滚柱可选自包括圆 柱形滚柱、球形滚柱和锥形滚柱的组。在另一实施例中，表面纹理化滚柱可为圆柱形滚柱。参照图3，示出了根据图2的多个方面的表面纹理化滚柱的一个实施例中的表面 110的示意图。如文中所述，滚柱100的表面110可包括在其上的构造成保持用于提供滚柱 100与可与滚柱100接触的物件之间的润滑的润滑剂的多个微孔120。多个微孔120可以 以预定图案形成。该图案可选自包括随机、半随机和阵列组成的组。在一个实施例中，该预定图案可为阵列，即格栅状图案，在微孔120之间具有规则 的间距“W”。在一个实施例中，多个微孔之间的间距可处于从大约25微米(μπι)至大约 150 μ m的范围内。在另一个实施例中，多个微孔120之间的间距可处于从大约80 μ m至大 约150 μ m的范围内。在微孔120的一个实施例中，微孔120的直径可处于从大约25 μ m至 大约75 μ m的范围内。在另一实施例中，微孔120的直径可处于从大约50 μ m至大约75 μ m 的范围内。在微孔120的一个实施例中，表面110中的微孔120的深度可处于从5μπι至大 约10 μ m的范围内。在另一个实施例中，预定图案可为微孔120之间具有不规则间距“W”的格栅状图 案。类似地，可设想任何数量的图案。本领域的普通技术人员将认识到，微孔120之间的图 案、直径、深度、间距可因滚柱100的应用而异而无需任何不适当的实验，这是因为，例如， 对于尺寸较小的轴承，纹理所贡献的面积或接触区域中的纹理的密度可与对于较大尺寸的 轴承的情况相同。相应地，可扩大或缩小表面纹理，只要包括但不限于滑动速度和压力的其 它参数大致相同。微孔120可通过包括但不限于激光加工、水射流加工、磨料喷射加工、电 化加工、放电加工或其组合的制造技术形成。前述的技术是本领域中公知的，并且为了清楚
8而不提供进一步的说明。参照图4、图5和图6 (文中描述)，示出了表面纹理化滚柱轴承的一个实施例中构 造成用于润滑的滚柱100 (仅示出其一部分)的纹理化表面的截面图。在一个实施例中，滚 柱100可包括具有多个微孔120的表面110。在一个实施例中，微孔120具有半球形几何形 状。在其它实施例中，微孔120可具有选自包括椭圆形150、锥形160和菱形170 (分别参见 图5、图6和图7)及其组合的组中的至少一个的至少一种几何形状。滚柱100可构造成匹 配/接触诸如在高负荷和低速状态下操作的风力涡轮机、齿轮箱等应用中的物件130及文 中所述的表面纹理化滚动元件的圈。如文中所述，微孔120、150、160和170即使在其中可 存在足够高的应力而导致所接触的表面的弹性变形的操作机制下也增强润滑。在不利的操作状态下，微孔120、150、160和170的容积可由于压力或弹性变形而 减小。微孔120、150、160和170可充当润滑剂的储器。当存在弹性液力效应(容积变化) 时，微孔120、150、160和170在压力下在滚柱100和物件130的表面之间供应润滑剂。结 果，即使在前述可为其构件的机器的不利状态下润滑剂膜也在滚柱100与物件130之间维 持。在滚柱100的一个实施例中，具有多个微孔120的表面110可在覆盖滚柱100和 物件130的接触表面之间的边界润滑状态至混合润滑状态的宽范围上引起相当大的摩擦 减小。当流体无法发展成完整的流体膜时出现边界润滑，即液力润滑，从而允许滑动磨损表 面的称为“粗糙”的高点之间的偶然接触。混合润滑机制包括弹性液力润滑机制和边界润 滑机制二者。多个微孔120通过不具有添加剂的普通润滑剂减少边界机制和混合机制上的 摩擦。不具有添加剂的普通润滑剂典型地可避免引起接触表面的劣化的摩擦化学反应。参照图7。示出了表面纹理化滚柱的一个实施例中的表面110的示意图。如文中 所述，滚柱100(未以其整体示出)的表面110可包括其构造成保持用于提供滚柱100与滚 柱100可接触的物件之间的润滑的润滑剂的多个菱形微孔170。参照图8，示出了根据图2的多个方面的表面纹理化滚动元件轴承200的一个实施 例的透视图。元件轴承200包括外圈210 ；内圈220 ；以及在外圈210与内圈220之间的多 个滚柱100。表面纹理化滚动元件轴承200还可包括未示出的保持架(cage)。滚动元件轴 承、其中的构件以及前述各者之间的相互关系是本领域的技术人员公知的，并因此为了清 楚而不提供与其相关的进一步说明。在表面纹理化滚动元件轴承200的一个实施例中，每个滚柱100均可包括在其表 面中的多个微孔120。滚柱100的特性和各种实施例已在文中描述，并因此为了清楚而不提 供进一步的描述。在一个实施例中，外圈210可包括在其表面230中的多个微孔120。在 一个实施例中，内圈220也可包括在表面240中的多个微孔120。多个微孔120的特性和 各种实施例已在文中描述，并且当与外圈210和内圈220 —起使用时同等地应用，因此为了 清楚而不提供进一步的描述。可在表面纹理化滚柱100的一些实施例的实践中实现的相同 优点，以及特别是其微孔120所提供和文中所述的润滑优点，也可在文中所述的表面纹理 化滚动元件轴承200的一些实施例中实现，特别是文中所述外圈210的表面230中和内图 220的表面240中的微孔120，因此为了清楚而不提供进一步的描述。用语“第一”、“第二”等在文中并不表示任何次序、数量或重要性，而是用于将一个 元件与另一个元件进行区分，并且用语“一”和“一个”在文中并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的物品。结合数量使用的修饰语“大约”包括所述及的值并具有上 下文所指示的含义(例如，包括与特定数量的测量相关的误差程度)。文中所用的复数形式 旨在包括其修饰的术语的单数和复数二者，由此包括一个或多个该项目(例如，“(多种)金 属”包括一种或多种金属)。文中所公开的范围是包括性的并且可独立地组合(例如，“高达 约25wt%，或更具体地，大约5wt%至大约20wt% ”包括端点和“大约5wt%至大约20wt%” 的范围的所有中间值等)。 虽然文中描述了各种实施例，但从说明书应该理解，其中的元件、变型或改进的各 种组合可由本领域的技术人员作出，并且在本发明的范围内。此外，在不脱离本发明的实质 范围的前提下，可作出许多改型以使具体情形或材料适合本发明的教导。因此，本发明并非 旨在局限于作为为实施本发明而预期的最佳模式公开的具体实施方式
，相反，本发明将包 括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。
权利要求
1.一种表面纹理化滚柱(100)，包括在其表面(110)中的多个微孔(120)，所述多个微孔(120)具有选自包括半球形、菱形 (170)、椭圆形(150)和锥形(160)及其组合的组中的至少一个的至少一种几何形状。
2.根据权利要求1所述的表面纹理化滚柱(100)，其特征在于，所述多个微孔(120)包 括半球形或菱形(170)几何形状。
3.根据权利要求1所述的表面纹理化滚柱(100)，其特征在于，所述多个微孔(120)具 有大约5微米(μ m)至大约10 μ m的深度。
4.根据权利要求1所述的表面纹理化滚柱(100)，其特征在于，所述滚柱(100)选自包 括圆柱形滚柱、球形滚柱和锥形滚柱的组。
5.根据权利要求1所述的表面纹理化滚柱(100)，其特征在于，所述多个微孔(120)具 有大约25微米(μ m)至大约75 μ m的直径。
6.一种表面纹理化滚动元件轴承(200)，包括外圈(210)；内圈(220)；以及在所述外圈(210)与所述内圈(220)之间的多个滚柱(100)，所述多个滚柱(100)具有 在其表面(230)中的多个微孔，所述多个微孔(120)具有选自包括半球形、菱形(170)、椭圆 形(150)和锥形(160)及其组合的组中的至少一个的至少一种几何形状。
7.根据权利要求6所述的表面纹理化滚动元件轴承(200)，其特征在于，所述多个微孔 (120)包括半球形或菱形(170)几何形状。
8.根据权利要求6所述的表面纹理化滚动元件轴承(200)，其特征在于，所述多个微孔 (120)具有大约5微米(μ m)至大约10 μ m的深度。
9.一种齿轮箱(12)，包括包括设置在所述齿轮箱(12)内的齿轮组的齿轮箱(12)，所述齿轮组包括互相啮合的 至少两个齿轮；以及支撑所述齿轮组的表面纹理化滚动元件轴承(200)，所述表面纹理化滚动元件轴承 (200)包括外圈(210)；内圈(220)；以及在所述外圈(210)与所述内圈(220)之间的多个滚柱(100)，所述多个滚柱(100)具 有在其表面(110)中的多个微孔(120)，所述多个微孔(120)具有选自包括半球形、菱形 (170)、椭圆形(150)和锥形(160)及其组合的组中的至少一个的至少一种几何形状。
10.一种风力涡轮机，包括转子(14)；可操作以发电的发电机(16)；设置在所述转子(14)与所述发电机(16)之间的齿轮箱(12)，所述齿轮箱(12)包括设 置在所述齿轮箱(12)内的齿轮组，所述齿轮组包括互相啮合的至少两个齿轮；以及支撑所述齿轮组的表面纹理化滚动元件轴承(200)，所述表面纹理化滚动元件轴承 (200)包括外圈(210)；内圈(220)；以及在所述外圈(210)与所述内圈(220)之间的多个滚柱(100)，所述多个滚柱(100)具 有在其表面(110)中的多个微孔(120)，所述多个微孔(120)具有选自包括半球形、菱形 (170)、椭圆形(150)和锥形(160)及其组合的组中的至少一个的至少一种几何形状。
全文摘要
本发明涉及一种表面纹理化滚柱(100)和一种包括在其表面(110)中的多个微孔(120)的表面纹理化滚动元件轴承(200)。多个微孔(120)可具有选自半球形、菱形(170)、椭圆形(150)和锥形(160)的几何形状。表面纹理化滚柱(100)可用于例如齿轮箱(12)和/或风力涡轮机传动系中。
文档编号F16H1/02GK102116348SQ201010624659
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者H·戈达, M·阿胡贾, N·S·坦布 申请人:通用电气公司