專利名稱：一種空間飛輪用固液復合潤滑軸系的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于空間摩擦學技術領域，涉及一種空間飛輪用固-液復合潤滑寬轉 速范圍軸系。
背景技術：
衛(wèi)星的發(fā)展要求姿態(tài)控制系統(tǒng)具有高精度和長壽命并提供精確的控制力矩， 因而越來越多地采用飛輪三軸姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)?？臻g姿控飛輪一般由轉子、軸系、 直流無刷電機以及密封殼體構成。軸系是飛輪中的關鍵部件，其設計直接決定了 飛輪的控制精度、可靠性以及壽命。
姿態(tài)控制用飛輪包括偏置動量輪和反作用飛輪，其中偏置動量輪的平均轉速 一般在2000~3000轉/分鐘，飛輪單方向旋轉；反作用飛輪的平均轉速為0，可 以正反兩個方向旋轉。相對于偏置動量輪，反作用飛輪在相同慣量條件下具有高 角動量輸出范圍以及良好的可控性等特點，成為姿態(tài)控制飛輪的重要發(fā)展方向。 目前國外衛(wèi)星姿態(tài)控制方案的發(fā)展趨勢是將反作用飛輪工作在偏置狀態(tài)下構成 整星零動量，即反作用飛輪不過零，國內反作用飛輪還處于研制階段，壽命和可 靠性不高。反作用飛輪轉速不過零，其角動量輸出范圍減小一半，反作用飛輪功 能密度降低。當前，反作用飛輪存在的主要問題就是低速下的摩擦磨損以及由此 帶來的低速下(包括過0時)控制精度低，其本質是由于當前飛輪軸系在低速下 磨損劇烈、摩擦非線性以及潤滑不良等問題造成的。同時，提高飛輪轉速可以在 相同質量下獲得大角動量輸出，從而實現(xiàn)飛輪系統(tǒng)的輕量化。
當前，姿態(tài)控制飛輪軸系支撐軸承采用鋼制角接觸球軸承，潤滑方式為液體 油潤滑。油潤滑在低速下難于形成良好的彈性流體動壓潤滑膜，因此低速下的摩 擦力矩大、軸承磨損劇烈，這樣導致了軸系在低速下控制精度低，對衛(wèi)星造成了 姿態(tài)擾動，因此，姿態(tài)控制飛輪僅能工作在較高的工作轉速下。
姿態(tài)控制飛輪軸系的潤滑方式有脂潤滑、油潤滑和固體潤滑三種方式。其中
油潤滑在較高轉速下具有摩擦力矩低、運轉平穩(wěn)以及功耗小的優(yōu)點，但其在低速 下的潤滑狀況不好，同時需要額外的供油系統(tǒng)，增加了軸系的體積、重量及復雜
性；脂潤滑不易揮發(fā)，潤滑結構相對油潤滑簡單，低速下的潤滑狀況好于油潤滑，
但在較高轉速下功耗相對油潤滑來說大；固體潤滑具有結構簡單、摩擦性能不隨
溫度變化以及良好的低速特性等優(yōu)點，但在較高轉速磨損劇烈，壽命有限。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術存在的低速下的摩擦力矩大、軸承磨損劇烈，導致軸系在低速 下控制精度低的問題，本發(fā)明提供一種空間飛輪用固液復合潤滑軸系，利用固體 與液體復合潤滑方式，同時采用軸承自潤滑保持架一儲油器一迷宮密封這一潤滑 油的供給和保持裝置，使軸系在低速到較高速的寬速度范圍內具有良好的潤滑特 性和摩擦特性，有效改善初期磨合及防止啟動咬合，進而提高軸系的使用壽命和 可靠性。
本發(fā)明包括第一陶瓷軸承l(wèi)，第二陶瓷軸承2，碟形彈簧3，儲油器4，內支 撐套5，外支撐套6，第一迷宮密封7，第二迷宮密封8;內支撐套5連接飛輪定 子，外支撐套6連接飛輪轉子；第一陶瓷軸承1和第二陶瓷軸承2同軸排列安裝 在內支撐套5與外支撐套6之間，對軸系提供支撐；第一陶瓷軸承1和第二陶瓷 軸承2的內圈12和外圈9與滾動體接觸的溝道表面有耐磨層，耐磨層用以改善 其抗磨損性能；在耐磨層上附有固體潤滑涂層，固體潤滑涂層承載能力大，在軸 承啟動初期及低速運轉時避免了滾動體與軸承的內圈12和外圈9的直接接觸， 同時其自身的潤滑特性為軸承提供薄膜潤滑，減小了啟動摩擦力矩，從而使其具 有良好的低速特性；軸承保持架11采用具有自潤滑性能的高分子復合多孔材料， 使軸承保持架11具有良好的機械性能和自潤滑性能；碟形彈簧3安裝在第一陶 瓷軸承1和第二陶瓷軸承2之間，對軸系提供預緊載荷，保證軸系具有要求的剛 度和阻尼；儲油器4安裝在碟形彈簧3與外支撐套6之間的空隙中，為軸系長期 工作提供潤滑油供應；第一迷宮密圭寸7和第二迷宮密封8分別固定安裝在內支撐 套5兩端的外表面與外支撐套6之間，以減小潤滑油損失，限制潤滑油損失為分 子流損失。 有益效果本發(fā)明利用固體與液體復合潤滑方式，同時采用軸承自潤滑保持 架—儲油器一迷宮密封這一潤滑油的供給和保持裝置，使軸系在低速到較高速的 寬速度范圍內具有良好的潤滑特性和摩擦特性，有效改善了初期磨合及防止啟動 咬合，進而提高了軸系的使用壽命和可靠性，提高了軸系在低速下的控制精度。


圖l為本發(fā)明結構示意圖，也是摘要附圖。圖中l(wèi)為第一陶瓷軸承，2第二 陶瓷軸承，3碟形彈簧，4儲油器，5內支撐套，6外支撐套，7第一迷宮密封， 8第二迷宮密封。
圖2為本發(fā)明第一陶瓷軸承和第二陶瓷軸承的結構示意圖，圖中9外圈，10 陶瓷球，ll軸承保持架，12內圈，13內圈溝道，14外圈溝道。
具體實施例方式
如圖2所示，對于軸系的關鍵支撐部件一第一陶瓷軸承1和第二陶瓷軸承2， 采用的是高精度陶瓷球軸承，并對陶瓷球10進行表面改性，即采用特殊工藝， 如涂敷全氟垸基硅氧烷，增加表面的親油性能，以降低陶瓷球10表面能，以使 潤滑油能自由、快速地鋪滿陶瓷球10表面，改善彈流潤滑油膜的質量，進而提 高軸系的摩擦性能和速度控制精度。陶瓷球10軸承的內圈12和外圈9為軸承鋼， 對陶瓷球軸承的軸承鋼內圈12和外圈9與陶瓷球10接觸的內圈溝道13和外圈 溝道14表面進行材料表面改性處理，即離子濺射耐磨層，耐磨層材料為TiC， 以增強內圈溝道13和外圈溝道14與陶瓷球10接觸的表面的耐磨性。在離子濺 射TiC表面上附有的固體潤滑涂層為軸承提供固體潤滑，該固體潤滑涂層為MoS2 膜或軟金屬混合物或MoSJ莫與軟金屬的混合物，所述軟金屬為金或銀。軸承保持 架11采用具有自潤滑性能的高分子復合多孔材料制作，該高分子復合多孔材料 由PTFE (聚四氟乙烯)和固體潤滑劑組成，PTFE (聚四氟乙烯)與固體潤滑劑 的體積比為100: 1;所述固體潤滑劑為MoS2膜或軟金屬或MoSJ莫與軟金屬的混
合物，其中軟金屬為金或銀，MoS,與軟金屬按體積比10: l混合。
如圖1所示，儲油器4材料采用多孔材料一聚酰亞胺，利用多孔聚酰亞胺 材料對潤滑油的吸附性能用作儲油器4，在軸系工作時通過離心力作用和虹吸原 理向軸承供油，保證軸系在整個工作期間良好的潤滑狀況。
本發(fā)明中利用沉積技術在第一陶瓷軸承和第二陶瓷軸承內外圈離子濺射TiC 表面，并在TiC表面附上MoS2或軟金屬混合物或MoS2膜與軟金屬的混合物的固 體潤滑涂層，固體潤滑涂層承載能力大，在軸承啟動初期及低速運轉時避免了陶 瓷滾珠與軸承內、外圈的直接接觸，同時其自身的潤滑特性為軸承提供薄膜潤滑， 減小了啟動摩擦力矩，從而使其具有良好的低速特性。當轉子到達一定速度后， 液體潤滑油隨著軸承的轉動形成彈^C薄膜，此時潤滑為液體潤滑油的彈流潤滑，
從而保證了軸承在中高速下的良好性能。
本發(fā)明采用固液復合潤滑方式可以有效減小軸系的摩擦及磨損，有效改進了 初期磨合、防止啟動咬合、改善軸系低速性能、提高軸系低速時的控制精度以及 提高軸系的使用壽命。
權利要求
1、一種空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于包括第一陶瓷軸承(1)，第二陶瓷軸承(2)，碟形彈簧(3)，儲油器(4)，內支撐套(5)，外支撐套(6)，第一迷宮密封(7)，第二迷宮密封(8)；內支撐套(5)連接飛輪定子，外支撐套(6)連接飛輪轉子；第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)同軸排列安裝在內支撐套(5)與外支撐套(6)之間；第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)的內圈(12)和外圈(9)與滾動體接觸的溝道表面有耐磨層；在耐磨層上附有固體潤滑涂層；軸承保持架(11)采用具有自潤滑性能的高分子復合多孔材料；碟形彈簧(3)安裝在第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)之間；儲油器(4)安裝在碟形彈簧(3)與外支撐套(6)之間的空隙中；第一迷宮密封(7)和第二迷宮密封(8)分別固定安裝在內支撐套(5)兩端的外表面與外支撐套(6)之間。
2、 根據(jù)權利要求1所述的空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)的內圈(12)和外圈(9)與滾動體接 觸的溝道表面的耐磨層材料為TiC，固體潤滑涂層為MoSJ莫或軟金屬混合物或 MoS,膜與軟金屬的混合物。
3、 根據(jù)權利要求2所述的空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于所 述固體潤滑涂層采用的軟金屬為金或銀。
4、 根據(jù)權利要求l所述的空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于軸 承保持架(11)采用的高分子復合多孔材料由PTFE和固體潤滑劑組成。
5、 根據(jù)權利要求4所述的空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于PTFE 與固體潤滑劑的體積比為100: 1。
6、 根據(jù)權利要求5所述的空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于所 述固體潤滑劑為MoS2膜或軟金屬或MoS2膜與軟金屬的混合物，其中軟金屬為 銀。
7、 根據(jù)權利要求6所述的空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于MoS2與軟金屬的體積比為10: 1。
8、 根據(jù)權利要求1所述的空間飛輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于儲 油器(4)材料采用聚酰亞胺。
9、 根據(jù)權利要求l、 2、 3、 4、 5或者6任意一項權利要求所述的空間飛 輪用固液復合潤滑軸系，其特征在于第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2) 采用高精度陶瓷球軸承，陶瓷球(10)表面涂敷全氟垸基硅氧烷。
全文摘要
本發(fā)明屬于空間摩擦學技術領域，涉及一種空間飛輪用固液復合潤滑軸系，利用固體與液體復合潤滑方式，同時采用軸承自潤滑保持架-儲油器-迷宮密封這一潤滑油的供給和保持裝置，使軸系在低速到較高速的寬速度范圍內具有良好的潤滑特性和摩擦特性，有效改善了初期磨合及防止啟動咬合，進而提高了軸系的使用壽命和可靠性，提高了軸系在低速下的控制精度。
文檔編號F16C35/12GK101178095SQ200610131688
公開日2008年5月14日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權日2006年11月30日
發(fā)明者吳一輝, 越 白, 黃敦新 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所