具有自润滑轴承的滚子 本发明涉及一种免维护连接器，其具有一带有整体润滑耐磨层/金属基体组合的滚子。
包括金属基体和塑料轴承层的免维护滑动轴承是公知的。这类轴承提供用于旋转地、枢转转动地或滑动地以免维护的方式将多个部件互相连接的方便装置。这类轴承的应用包括使用连续旋转运动如用于支撑从动轴的轴颈。这些轴承还可用于自动门铰链、门制动装置、刹车踏板和油门踏板之类的反复枢转运动。此外用于汽车、摩托车和自行车吸震器和汽车支杆之类的来回往复运动。这些轴承还可用于轻载场合，例如汽车工业中常用于行李箱盖和发动机罩铰链的多杆连接。这种免维护轴承可包括各种构型，例如衬套或轴颈轴承、止推轴承或垫圈、定位垫、阀口片和各种机构的耐磨件。
这种轴承的一个例子为Norglide轴承，可从New Jersey的Wayne的Norton Performance塑料公司获得。如美国专利No.5,573,846，标题为“多氟烃涂覆金属轴承”所述，Norglide包括用高温热塑薄膜(例如PFA和ETFE)热压粘合到一金属轴瓦上的一薄张轴承材料、例如PTFE(聚四氟乙烯)化合物。
从Norton获得的Norglide材料的一种变种称为“NorglideM”轴承。Norglide M轴承与上述Norglide材料大致相同，但是它们使用的轴承层中有开栅加固金属网格织物。
这类轴承的其他例子见共同转让地美国专利No.5,860,780，标题为“自润滑止推铆钉”和美国专利No.5,971,617，标题为“自润滑轴承”。
其他自润滑轴承包括一种从英格兰的Argule House，JoelStreet，Northwood Hills，Middlesex HA6 1LN，Glacier金属有限公司获得的“DU”轴承。DU轴承由复合材料构成，其中，一多孔青铜层粘合在一金属轴瓦上。该多孔青铜层用PTFE之类聚合物浸渍，其上有一聚合物顶层或衬垫。
如上所述，在制作这些轴承时，把润滑轴承层粘到一平的(平面)基体上，然后把该层压制件做成所需几何形状、例如圆柱形衬套、铆钉等等。基体层的厚度可视具体应用场合的结构要求的不同而不同。但是，随着基体厚度的增加，做成所需层压制件的难度也增加，所能做成的层压制件的最小半径也增加。因此，大多数上述自润滑轴承使用较薄基体，即厚度约为0.2-2mm。
在要求较厚基体的提高结构特性的较重载应用场合，现有轴承制作方法在分别制成基体和/或自润滑层后把它们装在一起。例如，标题为“轴承材料和塑料轴承”的美国专利No.5,236,784公开，用常见方式预先制作一金属圆管后，把塑料轴承材料模制在该圆管内表面上以形成一完整的轴承件。相反，标题为“连杆导向及其制造方法”的美国专利No.5,806,985公开，用PTFE制作一管状衬套，然后单独地制作一组合金属载体，其具有一直径比该衬套外径大的圆柱形内表面。然后该衬套与该载体同心地组装并用锌之类压铸材料固定就位。
尽管在组装之前，先形成(使...成形)一个或多个部件方法在某些应用场合令人满意，但它们并非没有缺点。例如，一般在塑料层和基体之间形成一合适的结合要比在上述许多分层轴承更为困难，是由于将施加于平面层一样多的热压施加于圆柱形层的困难。因此这些组合式制作的轴承比层压轴承的使用寿命短、制造成本高。
因此，需要有能克服现有技术的这些问题的改进的免维护滚子轴承。
按照本发明的第一方面，一自润滑滚子轴承包括一具有一外部基体和一用粘合薄膜或烧结粘结层粘合在该外部基体上的内部承载层构成的管状嵌入物。该嵌入物的制作工艺为：用粘合薄膜或粘结层把承载层粘合在基体的一大致平面的表面上后，对其加热、加压制成一层压制件，然后把该层压制件制成一管子。然后一部件与该外部基体连成一体。
按照本发明另一方面，自润滑滚子轴承的一种制作方法包括下列步骤：
(a)提供一大致呈平面的基体；
(b)用粘合薄膜把一润滑材料承载层固定在该基体上；
(c)对该承载层加热、加压，使得该粘合薄膜把承载层与基体粘合在一起；
(d)把大致呈平面的基体做成其内表面上有承载层的一管子；以及
(e)使基体与一部件的管状内表面成表面与表面啮合以形成该滚子轴承。
图1为本发明自润滑连接器的平面图；
图2为沿图1中2-2线所取的剖面图，本发明自润滑连接器的任选部分用阴影表示；
图3为图2连接器一部分的放大剖面图；以及
图4为处于典型装配状态的本发明自润滑连接器的另一实施例的剖面图，其任选部分用阴影表示。
如附图所示，本发明包括一可制作成所示衬套或轴承的连接器10，它由在一尼龙件或滚子14中现场模制一层压轴承嵌入物12而成。该连接器10用单件自润滑装置取代现有多件轴承组件，现有多件轴承组件一般包括一具有一与一普通滚针轴承或轴颈轴承转动地啮合的整体金属套筒的尼龙滚子。本发明的另一可选实施例包括一把层压轴承嵌入物12压配合入一用金属材料制成的滚子14’中而制成的连接器10’。本发明的连接器10和10’较之现有轴承有若干优点，包括轴承材料与滚子间的同心度提高，公差更紧，部件和装配步骤减少。
在整个本说明中，术语“被自润滑”和“自润滑”应指使用的材料具有足够的润滑性，通常无需在轴承表面另加离散的润滑剂。术语“轴向”用于一在此所述的元件时应指相对该元件与附图中用a表示的转动中心大体平行的方向。类似，术语“横向”应指与该轴向正交的方向。术语“圆柱形”应指任何大致呈圆柱的形状，包括适合于与另一部件滚动啮合的起纹理的或光滑表面，包括例如在齿轮的圆周上设置有齿的表面或在轮胎或车轮圆周上设置有花纹面的表面。
现详细参见附图，图1-3示出本发明的连接器10。如图1和2所示，该连接器包括部件14，其最好具有成大体管状构型形式的滚子，同心内外圆柱表面16和18的分别具有di和do的直径。这两个直径限定横向壁厚t。尽管滚子在某些应用场合最好，但部件14可选地可包括其中有直径为di的孔的非圆形件，而不超出本发明的范围。
部件14的两轴向端可开口，但也可如图2所示一端被端壁20封闭以为部件14提供大体呈U形的轴向横截面。该端壁20在某些应用中可用来限制连接器10相对于与连接器10转动地啮合的轴向或轴(类似图4的轴向30)的轴向运动，如下所述。
部件14可用其机械特性适合于具体应用场合的任何可模制材料制成。例如可使用合适的聚合材料，包括热固和热塑材料。具体例子包括含氟聚合物、乙缩醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚酮(PEEK)、聚乙烯、聚丙烯、聚砜(例如聚醚砜)、聚酰胺(尼龙)、聚苯硫、聚氨基甲酸酯、聚酯、聚苯氧化物及其混合物和合金。此外，也可使用PPS、PPSO2和芳香族或脂族聚酮/醚、PEI、尼龙46和/或尼龙66。
轴承嵌入物12置成与部件14的内表面16同心接合。该部件的开口端最好有一凸缘22(如图3所示)以限制轴承嵌入物12相对该部件的轴向运动。封闭端也可设置一凸缘，或者可选地，轴承嵌入物12可如图所示直接地与端壁20接合。这样，轴承嵌入物12被有效地夹持于凸缘22和/或端壁20之间以名义上防止插入物相对部件14的轴向运动。
图1还示出，部件14包括位于凸缘22之内的一个或多个空腔或空穴24，它们由该部件注入模制过程中设置与轴承嵌入物12接合的指状物或垫片(未示出)而成，如下文详述。
如图3所示，轴承嵌入物12可包括比方说Norglide牌之类的上述类型的层压轴承材料。如图所示，嵌入物12包括层压到基体28上的承载轴承润滑层26。基体28可用各种金属、例如钢、铝、不锈钢、公知的拉制片钢、黄铜或其他合金制成，也可用塑料、陶瓷或使用玻璃或碳纤维的合成物制成。还注意到，在轴承嵌入物12的制作中也可使用比方说在上述DU轴承中使用的在钢基体上涂以多孔青铜。如上所述，DU轴承由复合材料构成，其中，多孔青铜层粘合在一金属轴瓦上，该多孔青铜层用PTFE之类聚合物浸渍，其上有一聚合物顶层。而且，基体28上可设置有上述作为参照的美国专利No.5,971,617所公开的结构。
承载层26可包括任何数量的合适润滑物质，例如聚合物或塑料，比方说包括上述作为参照的美国专利5,573,846所公开的化合物。优选的塑料一般包括含有高熔点有机聚合物的耐高温聚合物物系和/或摩擦系数较低的物系。这些材料必须适合于粘合或层压到基体的制作材料上。在这方面，含氟聚合物是为把层26粘合到基体28上的优选粘合薄膜或粘结层。例如，通过选择合适粘合薄膜，名义上可把任何有机聚合物作为承载层26层压到金属基体28上。合适的含氟聚合物粘合薄膜公开于上述作为参照的美国专利5,573,846和5,860,780。而且，承载层26和基体28必须都能承受与注入模制该部件时一般相关的温度，如下文所述。
用于承载层26的聚合材料的例子还包括含氟聚合物(例如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、MFA、PCTFE和全氟烃基聚合物(PFA))、乙缩醛、聚碳酸酯、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚酮(PEEK)、聚乙烯、聚丙烯、聚砜(例如聚醚砜)、聚酰胺(尼龙)、聚苯硫、聚氨酯、聚酯、聚苯氧化物及其混合物和合金。此外，也可把PPS、PPSO2和芳香族或脂肪族的聚酮/醚、PEI和/或尼龙46用作连续母体。也可使用聚酰亚胺之类固态(未反应薄膜)或液态反应聚合物。例如，从Lending公司获得的可能含有用作填料的PTFE的聚酰亚胺P84可直接涂在基体28上，溶剂蒸发，聚合物全部亚胺化。这些聚合物因此可构成连续母体。也可使用超高分子量聚乙烯(UHMW PE)(其可用EVA之类低温粘合剂粘合)之类其他聚合物或聚酰胺。
层26和基体28的层压制件最好制作成平面状，然后比方说插入在一压机的加热压板之间加热、加压，从而在层26与基体28之间形成较牢粘合。如此形成的层压制件用作适用于本发明的轴承嵌入物，然后可进一步形成或使成型为任何数量的具体应用的轴承类型，例如衬套或轴颈轴承、止推垫圈和滑板等等。例如可把平板部切割成圆、方块或其他多边形制作滑板。可把层压制件切割成条状形成图1-4实施例使用的衬套或轴颈轴承。上述各条状还可形成空心圆柱，承载层26位于其圆柱形内表面上以形成图1-4所示轴承嵌入物12。可选地，在其他应用场合层26也可位于该空心圆柱的外表面上。在特殊场合，需要时也可包括其他成形步骤。例如，圆柱形轴承嵌入物12可使用公知技术做出凸缘(未示出)，例如参见作为参考材料包括在此的1993年11月的“Norglide，Norton Performance Plastics”产品目录No。PPL-E-067-1(下面称为“Norglide产品目录”)。
一旦正确形成，把轴承嵌入物12置于注入成形机(未示出)之类普通模制设备的模腔中。以已知方式使该模腔的大小和形状为以生成所需几何形状的部件14。在所示优选实施例中，使模腔的大小和形状为以产生呈滚子或其他轮型装置形式的部件14，嵌入物用与承载层26啮合的同心定位销或定位轴(未示出)保持与其同心取向。最好使用垫片或指状物以将轴承嵌入物12与模具的下游壁保持轴向地间隔，有助于凸缘22的形成。在所示实施例中，将该部件的材料注入靠近端壁20的模腔中后一般轴向地流向开口端，从而界定下游方向。本领域的熟练人员会看出，注入材料产生的压力趋向把轴承嵌入物12轴向地推向空腔的开口端。垫片名义上防止这一运动以保持形成凸缘22所需间隔。从而轴承嵌入物12有效地与部件14插入模制在一起(即现场模制)。
但是，应该理解，该部件的材料可从任何方向注入，可用任何用于防止轴承嵌入物12的不希望的运动的合适装置，而不超出本发明的精神和范围。例如，部件材料可从该部件的开口端注入，垫片设置在其封闭端上。
有利地，本发明提供一种自润滑连接器10，它具有由上述轴承层压制件提供的所需粘合特性，同时具有由部件14的壁厚t提供的较强的结构特性。在这方面，厚度t远比基体28的厚度厚(厚数量级或更多)。此外，如上所述，粘合强度提高，部分是由于比方说使用一高压压机在平面状态下把层26层压到基体28上的压力。本发明还提供轴承嵌入物12与部件14之间的改进的同心度。由于轴承嵌入物12可在模制操作前与模腔同轴地对准的精确，使该同心度实现。因此可用本发明有利地取代使用一与独立滚针轴承啮合的传统组件。本发明较之现有组件，部件和劳动力的成本降低。例如，在一典型应用中，本发明较之现有技术，部件成本可降低约25％，同时无需像现有技术那样把一独立滚针轴承装入该部件中。
尽管部件14最好用聚合材料注入成形而成，轴承嵌入物12现场模制在其中，但在另一实施例(未示出)中，最好部件14也可单独制作，然后把嵌入物12装在其上。例如，轴承嵌入物12可在部件14制作后装入部件14中，然后用合适粘胶等固定在其中，轴承嵌入物12也可压配合入该部件。这种装配有利于用上述可注入成形材料之外的各种材料、例如纤维加固合成物和/或金属材料制作部件14。本领域普通技术人员会看出，省去凸缘22以利于这类插入和/或也可在插入后用各种方法形成凸缘，例如锻造该部件或把一独立凸缘用粘合等方法固定在该部件上。
在本发明的另一变种中，非金属部件14可设置有图1用虚线所示的整体式套筒15，并可用任何方便的方法如模制及以如上所述的方式现场制作。然后把轴承嵌入物12安装成与套筒15同心地表面对表面的接合。例如，可用金属材料制成套筒15后把轴承嵌入物12压配合入其中。此外，套筒15可包括起纹理外表面，例如包括径向向外地延伸的指状物17，其把套筒15固定在部件14中。使用这一套筒15，不管有无指状物17，本发明的连接器10可使用于较重载应用场合。
尽管以上说明了一种优选制作方法，但其步骤可修正、省略或改变次序。可在其一端或两端形成凸缘前或后粘合承载层。在这方面，可用粘合薄膜和用比方说美国专利5,573,846所述任何方便手段对该组件加热和/或加压从而进行层压而获得承载层26与基体28之间的足够粘合强度。提高粘合强度的其他方法包括起纹理或在基体表面上形成上述专利5,971,617所述结构或如使用在上述“NorglideM”轴承材料中那样在基体与层26之间插入一织物或其他网状物。上述有效性较低的现有轴承的基体与承载层之间缺少这种粘合。
下面参见图4，本发明的另一实施例包括一典型滚子装配的连接器10’。在该实施例中，做成如上所示、所述管子的轴承嵌入物12与其两轴向端都开口的一部件14’装配成一体。部件14’可用上述任何材料制作，包括如纤维(即碳纤维或芳族聚酰胺等)加固树脂或其他母体的聚合或复合材料、尼龙66之类的尼龙/橡胶复合物和金属材料。在一实施例中，部件14’用金属材料制成，用于汽车的滑动门之类。在该实施例的一种变种中，部件14’用上述聚合材料制成，可有可无套筒15和/或指状物17(虚线所示)。当部件14’用金属材料制成和/或使用金属套筒15时，最好把轴承嵌入物12压配合入部件14’中而制成连接器10’。另外，嵌入物12也可如如上所述相对连接器10现场模制或粘合。
一旦装配好，连接器10’可装在如图所示的轴30上，该轴包括其与嵌入物12的承载层26(图3)置为表面对表面啮合的圆柱形铆钉32。在所示实施例中，滚子轴承10’夹牢在肩34与凸缘36之间以公称地防止运行时轴承10’与轴30脱离啮合。
除了以上结合10所述优点、包括部件成本降低和装配简化等，制作成滚子轴承的连接器10’的实施例比现有密封滚子轴承耐腐蚀、耐磨损，从而使用寿命提高。例如，比Torrington商用密封滚子轴承之类类似大小的现有密封滚子轴承成本可望降低约30-50％。如通常通过测量轴承使用后的间隙或运行所确定的，性能可望提高约10-20％。经常使用的这样一种测试测量轴30(图4)相对部件14的轴线a所能移动或摆动的角度。
尽管结合具有可适合与另一元件滚动啮合的柱形圆周面的部件14和14’示出并说明本发明，部件14和/或14’设置有可基本呈任何形状的外周表面，不管是否适合于用于相对另一元件的运动，都不超出本发明的精神和范围。这样一种形状的一个例子包括一应用场合，在该应用场合中，部件14或14’的外周表面紧固在另一部件上，如使其平动。
例1
使用一由一厚1.0mm的“NorglideM1.0”层压轴承材料长条(即钢基体28厚0.5mm，PTFE承载层26厚0.5mm，包括厚0.25mm的金属网状物)制成的管状嵌入物12将连接器10形成为图1-3所示的轴承。在弯成管状前，该长条长约47mm、宽约16mm。该管状嵌入物12模压入用Delrin100聚合物制成的部件18中，内径di约为13.7-13.8mm、外径do约为25.4mm-25.6mm、长约24mm(图2)。该例示性轴承10成功地用于拖拉机座中，同时较之两部件现有装置材料成本下降约25％，该现有装置包括一由装配到普通滚针轴承上的一体化金属套管构成的类似Delrin部件。该单件式轴承10还省略了该两部件现有装置所需的装配步骤。
例2
在另一例子中，使用分别由“NorglideM”和“NorglideT”长条制成的管状嵌入物12形成大体如例1所述的连接器10，该管状嵌入物由用钢或铝制成的、厚度为0.2-2.0mm的金属基体28和厚度为0.25-1mm的PTFE承载层26构成。该管状嵌入物12插入模压在用尼龙(聚酰胺)制成的部件14中，内径di约为6-30mm、外径do约为10-70mm。这些例示性轴承的工作性能良好，同时较之类似大小的例1所述那种两部件现有装置材料成本降低约20-30％，同时省略了该两部件现有装置所需的装配步骤。
例3
在另一例子中，利用管状嵌入物12制成大体如例2所述的轴承10，管状嵌入物12插入用复合材料或金属材料制成的部件18中后用粘胶固定于其上或把嵌入物和该部件的尺寸做成相互过盈配合(即压入配合)。这些例示性轴承的工作性能期望良好，同时较之类似大小的例1所述的那种两部件现有装置材料成本降低约20-30％。
例4
在本发明的又一例子中，分别使用用1.0mm厚(钢基体28厚0.5mm、PTFE承载层26厚0.5mm)的具有轻聚油的“NorglideM1.0”、“NorglideT1.0”、NorglidePro1.0和NorglideSM1.0长条制成的管状嵌入物12制成结合图4所示、所述连接器10’。使这些长条的尺寸和形状成为提供与用钢制成并具有内径di约为8.8-9.1mm范围内的部件14’的过盈配合。部件14’的外径do约为15-30mm。这些例示性轴承10’的工作性能良好，同时较之类似大小的现有Torrington密封部件轴承材料成本降低约30-50％。这些轴承10’的耐腐蚀性能也有提高，磨损寿命比密封部件轴承提高约10-20％，磨损寿命由测量轴承使用后轴向偏转确定。
例5
在另一例子中，使用由厚0.2-2.0mm的钢或铝制成的金属基体28与厚0.25-1mm的PTFE承载层26构成的“NorglideM1.0”或“NorglideT1.0”长条制成的管状嵌入物12制成大体如例4所述轴承10’。该管状嵌入物12插入模制到用聚合材料制成的、内径di约为10-30mm、外径do约为15-50mm的部件14’中。这些例示性轴承的期望工作性能良好，同时较之例4所述密封部件轴承材料成本降低约30-50％，此外耐腐蚀性能提高，磨损寿命提高约10-20％。
例6
在另一例子中，制成大体如如例5所述轴承10’，但部件14’用聚合材料制成而套筒15一体地置于其中。管状嵌入物12压配合入套筒。