專利名稱：低摩擦密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及密封和軸承領(lǐng)域。特別是，本發(fā)明涉及低摩擦密封及其制造方法。
背景技術(shù)：
密封用于放置兩個(gè)環(huán)境之間的泄漏。例如，密封可用于保持流體、分開流體或防止一個(gè)環(huán)境到另一個(gè)環(huán)境的微粒污染的傳播。靜態(tài)密封可完全防止泄漏，如果接觸表面是非常光滑的，或者如果接觸中的粗糙嚴(yán)重變形且足夠平坦。密封也可用在諸如滾動(dòng)元件軸承的非靜態(tài)裝置中，或者密封軸和軸承架的孔之間的間隙。典型彈性唇密封的示例如圖I所示。非靜態(tài)裝置依賴于密封來(lái)保持潤(rùn)滑且防止水 的進(jìn)入，特別是諸如沙子的微粒污染物的進(jìn)入。它們還依賴于密封和運(yùn)動(dòng)表面極薄的流體彈性膜，以防止密封的過(guò)分磨損，特別是在啟動(dòng)時(shí)，慢速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大的摩擦力，并且密封最傾向于磨損。已經(jīng)知曉密封要考慮密封軸承中主要部件的摩擦。例如，唇密封可考慮在典型的應(yīng)用條件下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中總的軸承功耗的約75%，典型的應(yīng)用條件為1015N (C/P=20)的負(fù)荷、3000rpm的速度和油脂潤(rùn)滑。由于世界范圍內(nèi)使用上千億的橡膠密封，其每天運(yùn)行24小時(shí)，每年運(yùn)行365天，橡膠密封的總能耗相當(dāng)巨大。因此，橡膠密封誘導(dǎo)的摩擦扭矩的減少會(huì)導(dǎo)致具有重大意義的能量節(jié)約。因此，所希望的是密封克服或至少減輕有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的密封某些或全部問(wèn)題，或者至少提供有益或優(yōu)化的選擇方案。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，本發(fā)明提供彈性密封，特別是用于軸承中的彈性密封，該密封具有在使用中接觸活動(dòng)表面的接觸表面，該接觸表面具有其上的凹痕分布，該凹痕具有至少
9μ m的深度、至少O. 2的縱橫比和O. 05至O. 5的面積密度。根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供形成如這里所述的密封的方法，該方法包括采用模具形成密封，該模具的表面上具有用于形成凹痕陣列的凸起陣列。根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供形成如這里所述的密封的方法，該方法包括形成密封以及采用激光雕刻以形成凹痕陣列。根據(jù)第四方面，本發(fā)明提供包括這里所述的密封的軸承。根據(jù)第五方面，本發(fā)明提供如這里所述密封的應(yīng)用，以減小軸承中的摩擦系數(shù)。


現(xiàn)在，參考以示例方式提供的附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，附圖中圖I示出了徑向唇形密封的局部截面圖。圖2示出了凹痕為圓形且形成規(guī)則陣列時(shí)如何決定凹痕面積密度的示意圖?！―〃是凹痕的直徑，而〃a〃是形成陣列的重復(fù)單元的凹痕中心之間的距離。
圖3示出了示出了彈性密封的接觸表面上的凹痕結(jié)構(gòu)。照片上部較大的比例尺示出為200μπι。照片下部較小的比例尺示出為1mm。圖4a和4b示出了兩個(gè)不同圓形凹痕直徑(D20和D40)相對(duì)于非凹痕密封的柱狀圖。兩個(gè)條線圖都具有y軸，用于示出摩擦系數(shù)上的減小(％)。圖4a示出了帶有脂潤(rùn)滑的凹痕以IOOOrpm的轉(zhuǎn)速引起的減小。圖4b示出了帶有脂潤(rùn)滑的凹痕以50rpm的轉(zhuǎn)速引起的減小。圖5a和5b示出了在不同轉(zhuǎn)速(rpm)的密封中的摩擦系數(shù)[μ ]的柱狀圖。圖5a示出了脂潤(rùn)滑劑(LGMT2)的效果。圖5b示出了油潤(rùn)滑劑(基于油的LGMT2)的效果。左手深色條形在每個(gè)速度上示出了具有40 μ m (D40)直徑的凹痕的密封。右手淺色條形在每個(gè)速度上示出了非凹痕密封(基-線)。每對(duì)條形上的數(shù)值都示出了通過(guò)附加凹痕獲得的摩擦系數(shù)上的減小。
圖6示出了不同凹痕直徑(ym)D20、D40和D60相對(duì)于非凹痕密封的摩擦系數(shù)(%)的減小。不同的線表示不同的轉(zhuǎn)速。在D20，50rpm上減小最大，然后是lOOOrpm，然后是200rpm和500rpm上減少最小。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在進(jìn)一步描述本發(fā)明。在下面的章節(jié)中，更加詳細(xì)地限定本發(fā)明的不同方面/實(shí)施例。這樣限定的每個(gè)方面/實(shí)施例可與任何其它的方面/實(shí)施例或多個(gè)方面/多個(gè)實(shí)施例結(jié)合，除非有相反的表示。特別是，表示為優(yōu)選或有利的任何特征可與表示為優(yōu)選或有利的任何其它多個(gè)特征結(jié)合。在第一方面中，本發(fā)明提供用于動(dòng)態(tài)應(yīng)用的彈性密封，例如徑向唇形密封。該密封可安裝在滾動(dòng)元件軸承的內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間。作為選擇，如圖I的示例所示，密封10可圍繞殼體20和軸30之間的間隙。典型地，密封包括與彈性密封唇15接合的金屬外殼12。密封唇具有接觸表面17，其支承抵靠軸30上的相對(duì)面。為了保證唇15保持與軸30接觸，該示例中的密封提供有環(huán)狀螺旋彈簧18。在使用該密封期間,密封唇15與軸滑動(dòng)接觸。為了減小摩擦，滑動(dòng)接觸用油或來(lái)自脂的基油潤(rùn)滑。在根據(jù)本發(fā)明的密封中，摩擦的進(jìn)一步減小在于密封唇15上的接觸表面17設(shè)置有凹痕分布。該凹痕具有至少9 μ m的深度、至少O. 2的縱橫比和O. 05至O. 5的面積密度。動(dòng)態(tài)密封裝置中的摩擦扭矩主要產(chǎn)生在橡膠密封唇和相對(duì)面(通常為鋼軸或軸承環(huán)的表面)之間的摩擦滑動(dòng)接觸。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這里描述的凹痕表面結(jié)構(gòu)提供了在油和脂潤(rùn)滑下的密封摩擦上的顯著減小；尤其是脂潤(rùn)滑。此外，他們已經(jīng)優(yōu)化了密封結(jié)構(gòu)的凹痕尺寸以提供有益的低摩擦密封。這里所討論的〃凹痕〃是指密封的表面中的小凹點(diǎn)或壓痕。相對(duì)于密封的尺寸，凹痕是表面中的很小、很淺的凹口。凹痕可具有在密封表面上的任何形狀或外形且延伸進(jìn)入密封中。在一個(gè)實(shí)施例中，凹痕的成型和設(shè)置方案可類似于高爾夫球的表面結(jié)構(gòu)，該密封設(shè)置有在其上的凹陷分布。凹痕與柱子或凸塊的表面結(jié)構(gòu)不同。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該凹痕結(jié)構(gòu)與諸如柱子型結(jié)構(gòu)相比令人驚訝地具有密封摩擦上的改善效果。柱子改變了密封的抽吸性，即減小了“反向”抽吸效果。然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用這里描述的凹痕對(duì)抽吸效果沒(méi)有影響。
此外，凹痕與僅僅表面粗糙截然不同。凹痕較深，并且特別設(shè)置在表面上以提供有益效果。另外，凹痕與車轍、凹槽或表面劃痕截然不同。凹痕的形狀、大小和設(shè)置對(duì)于提供減小摩擦的密封是關(guān)鍵的。凹痕具有至少9μπι的深度。凹痕的深度從凹痕中的最低點(diǎn)到密封的齊平表面進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量沿著垂直于密封表面的線進(jìn)行。觀察和測(cè)量表面參數(shù)的技術(shù)是已知的。因此，表面上凹痕的深度、大小和分布參數(shù)用這些技術(shù)決定。優(yōu)選地，凹痕具有9至15 μ m的深度。優(yōu)選地，凹痕具有10至12 μ m的深度。深度大于15μπι的凹痕令人驚訝地發(fā)現(xiàn)減小了密封摩擦的正面作用?？蛇M(jìn)一步推測(cè)的是，凹陷表面越深，磨損傾向于越大。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于工藝限制在沒(méi)有不適當(dāng)成本的情況下使其難于生產(chǎn)出更小的凹痕，并且隨著凹痕變得較小且接近表面粗糙的數(shù)值降低了有益效果。
凹痕優(yōu)選全部具有基本上相同的尺寸，但是至少凹痕的參數(shù)平均值應(yīng)優(yōu)選滿足這里描述的參數(shù)。就是說(shuō)，優(yōu)選地，凹痕的平均深度為至少9 μ m,平均縱橫比為至少O. 2，并且平均面積密度為O. 05至O. 5。每個(gè)參數(shù)與平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)選很低，例如，與平均深度的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)選小于O. 25 μ m,平均縱橫比優(yōu)選小于O. 025,并且平均面積密度小于O. 0025。凹痕具有O. I至O. 3的面積密度，優(yōu)選為O. 15至O. 25。優(yōu)選地，面積密度為O. 18至O. 22，最優(yōu)選為約O. 20。面積密度是凹痕覆蓋密封的接觸表面17的范圍度量。面積密度通過(guò)決定在表面的最小重復(fù)單元中凹痕對(duì)總面積的比而計(jì)算。例如，在規(guī)則正方形格柵陣列中，如圖2所示，面積密度-或凹痕分?jǐn)?shù)f-可計(jì)算如下JirVa2。采用直徑，凹陷分?jǐn)?shù)可計(jì)算為f=nD2/4a2。凹痕具有至少O. 2的縱橫比?？v橫比是凹痕深度對(duì)凹痕直徑的比。對(duì)于非圓形凹痕，縱橫比可采用前述公式中的平均直徑?jīng)Q定。優(yōu)選地，縱橫比為O. 2至O. 75，更優(yōu)選為
O.25至O. 5。這些縱橫比已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有不適當(dāng)磨損的情況下提供密封摩擦上的有益減小。優(yōu)選地，每個(gè)凹痕呈現(xiàn)為在接觸表面上的基本上圓形的截面。作為選擇，表面截面可為在一個(gè)方向上伸長(zhǎng)以提供橢圓截面。尤其是當(dāng)凹痕在接觸表面處為圓形時(shí)，凹痕優(yōu)選在接觸表面上具有20至40 μ m (D20至D40)的直徑。通常橡膠密封的唇接觸寬度較小(小于1mm)。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)較小的凹痕是優(yōu)選的。在不希望理論限制的情況下，可推測(cè)的是這允許凹痕在唇接觸表面上的最大量。在此情況下，D20和D40被選擇用于凹痕密封。優(yōu)選地，凹痕是圓柱、圓錐或截頭圓錐。就是說(shuō)，凹痕體積在形狀上優(yōu)選為圓柱、圓錐或截頭圓錐。最優(yōu)選的凹痕具有在密封中延伸的基本上圓形的截面。截面可為錐形，無(wú)論是點(diǎn)還是基本上圓形的基底。優(yōu)選地，凹痕是圓柱形的，或者具有略微的錐形。這些形狀對(duì)于用模具形成是最簡(jiǎn)單的，并且因此降低了制備密封表面結(jié)構(gòu)的成本。優(yōu)選地，凹痕分布形成規(guī)則陣列。例如，凹痕可設(shè)置成規(guī)則的柵格，或者六角形的包封構(gòu)造。其它構(gòu)造或分布可根據(jù)需要選擇。優(yōu)選地，凹痕陣列基本上覆蓋整個(gè)接觸表面。這顯然增加了有益效果。此外，為了易于制造，凹痕可在密封上延伸超過(guò)接觸表面。彈性密封，特別是密封唇，優(yōu)選由可變性的彈性體形成。密封可由彈簧或拉伸/彈性部件加強(qiáng)。用于密封的優(yōu)選彈性體包括丙烯酸橡膠、氟橡膠、腈橡膠、氫化腈橡膠或者其兩個(gè)或更多個(gè)的混合。
密封優(yōu)選為唇密封。唇密封和這樣密封的構(gòu)造是本領(lǐng)域已知的。密封具有用于在使用中與活動(dòng)表面接觸的接觸表面，并且這形成了密封唇的一部分?；顒?dòng)表面(相對(duì)面)是密封與其運(yùn)轉(zhuǎn)的表面，并且沒(méi)有特別限定。例如，相對(duì)表面可為旋轉(zhuǎn)軸或滾動(dòng)元件軸承中可旋轉(zhuǎn)的軸承環(huán)的表面。根據(jù)應(yīng)用和強(qiáng)度要求，相對(duì)面包括任何合適的材料。例如，可采用塑料、合成物或金屬物質(zhì)。優(yōu)選地，密封唇的接觸表面提供有耐磨涂層。這樣的涂層對(duì)于唇密封是已知的。優(yōu)選地，在表面組織化處理之后提供涂層以保證涂層裝襯凹痕。優(yōu)選的是在凹痕制備時(shí)要考慮涂層厚度以保證包括耐磨涂層的最終凹痕如這里所述是均衡的。在第二方面中，本發(fā)明提供形成這里所述密封的方法，該方法包括采用模具形成密封，該模具在其一個(gè)表面上具有凸起陣列，用于在密封唇的接觸表面上形成凹痕陣列。在第三方面中，本發(fā)明提供形成這里所述密封的方法，該方法包括形成密封且采用激光雕刻以形成凹痕的陣列。
在第四方面中，本發(fā)明提供包括這里所述密封的軸承。優(yōu)選地，該軸承還包括脂潤(rùn)滑劑。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這里所述的表面凹痕當(dāng)脂潤(rùn)滑劑用于密封時(shí)在降低摩擦系數(shù)上特別有效。在第五方面中，本發(fā)明提供這里所述密封的應(yīng)用，以減小軸承中的摩擦系數(shù)。示例本發(fā)明的效果通過(guò)下面的非限定性示例得到證明。凹痕結(jié)構(gòu)制備在密封唇上，并且試驗(yàn)帶紋理的密封。凹痕通過(guò)激光技術(shù)制備，以具有直徑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%)的面積密度。凹痕結(jié)構(gòu)D40 (直徑40 μ m)提供最高的摩擦系數(shù)減小。制備了兩個(gè)樣品且對(duì)每個(gè)凹痕尺寸進(jìn)行了試驗(yàn)。該表面結(jié)構(gòu)通過(guò)Nd: YV04激光器制造，其波長(zhǎng)為355nm且運(yùn)行在百億分之一秒脈沖范圍(10xl0_12s)。因?yàn)樵摷す馄鬟\(yùn)行在紫外光范圍(10至400nm)且具有非常短的脈沖，所以在不存在熔化碎片的情況下提供非常好的限定結(jié)構(gòu)(清晰地紋理表面)。然后，在密封試驗(yàn)設(shè)備(ERC Pearl II rig)上試驗(yàn)有紋理的密封，用LGMT2脂和LGMT2脂的基油潤(rùn)滑，速度為50rpm、200rpm、500rpm和lOOOrpm，在標(biāo)準(zhǔn)的鋼軸Ra O. 45 μ m,其中軸直徑為82mm。密封唇在軸表面上的線性滑動(dòng)速度分別為O. 215m/s、0. 859,2. 147和
4.294m/s。在試驗(yàn)期間測(cè)量摩擦扭矩，并且根據(jù)試驗(yàn)前測(cè)量的所述密封在軸上的徑向力計(jì)算摩擦系數(shù)。觀察了軸速度在密封摩擦上的效果密封摩擦隨著軸速度從50rpm到200rpm和/或500rpm的增加而增加，然后在IOOOrpm上減小。除了少數(shù)例外，具有這樣的傾向，即隨著軸速度的增加，對(duì)于油和脂潤(rùn)滑條件，凹痕在密封摩擦的減小上的效果略微減小。在不希望理論限定的情況下，隨著軸速度的增加，液壓潤(rùn)滑效果和潤(rùn)滑膜厚度增加。結(jié)果，表面結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)建膜的貢獻(xiàn)以及對(duì)密封摩擦上的減小降低了。圖6示出了與非凹痕密封相比在不同凹痕直徑(ym)D20、D40和D60上的摩擦系數(shù)(％)的減小，其中密封用LGMT2脂潤(rùn)滑。不同的線表示不同的旋轉(zhuǎn)速度。D40凹痕示出了所有速度上摩擦系數(shù)上的最大減小。在慢(50rpm)旋轉(zhuǎn)速度上效果也是最好的。
在LGMT2脂潤(rùn)滑下，摩擦上的最高減小由D40和D20獲得(減小7至16%)。圖4a和4b示出了較大的減小(對(duì)D40 )，因?yàn)椴捎貌煌幕€(非凹痕密封)。在引用本發(fā)明或其優(yōu)選實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞〃 一個(gè)"、〃該〃和〃所述〃旨在意味著有一個(gè)或多個(gè)元件。詞語(yǔ)〃包括"、"包含〃和〃具有〃旨在包含和意味著不同于所列元件的額外元件。通過(guò)說(shuō)明和示例的方式已經(jīng)提供了前面的詳細(xì)描述，并且不意味著限制所附權(quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到這里所示的優(yōu)選實(shí)施例中的很多變化，并且落入在所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)。 ·
權(quán)利要求
1.一種密封(10)，包括具有接觸表面(17)的彈性件(15)，該接觸表面(17)用于在使用中接觸活動(dòng)表面(30)，該接觸表面具有其上的凹痕分布，該凹痕具有至少9 μ m的高度、至少O. 2的縱橫比和O. 10至O. 30的面積密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的密封，其中該凹痕具有9至15μ m的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的密封，其中該凹痕分布形成規(guī)則陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的密封，其中該凹痕陣列基本上覆蓋整個(gè)接觸表面。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的密封，其中該凹痕在該接觸表面呈現(xiàn)為基本上圓形截面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的密封，其中該凹痕在該接觸表面具有從20至40μ m的直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的密封，其中該凹痕為圓柱、圓錐或截頭圓錐。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的密封，其中該凹痕的該縱橫比為O.25至O. 5。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的密封，其中該面積密度為O.18至O. 22。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的密封，其中該接觸表面提供有耐磨涂層。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的密封，其中該密封為徑向唇形密封。
12.—種形成根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的密封的方法，該方法包括采用模具形成該彈性件(15)，該模具的表面上具有凸起陣列，用于在該彈性件(15)的該接觸表面(17)上形成凹痕陣列。
13.一種形成根據(jù)權(quán)利要求I至11任何一項(xiàng)所述的密封的方法，該方法包括采用激光雕刻，以在彈性件(15)的接觸表面(17)上形成凹痕陣列。
14.一種軸承，包括根據(jù)權(quán)利要求I至11任何一項(xiàng)所述的密封。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的軸承，還包括脂潤(rùn)滑劑。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求I至11所述密封的應(yīng)用，以減小軸承中的摩擦系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供彈性密封，該密封(10)具有彈性件(15)，彈性件(15)具有接觸表面(17)，用于在使用中接觸活動(dòng)表面(30)，接觸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的縱橫比和0.05至0.5的面積密度。
文檔編號(hào)F16J15/32GK102906472SQ201180013567
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者X.B.周, S.巴貝拉 申請(qǐng)人:Skf公司