TWI487850B - 用於滑移介面滑動力的公差環控制之系統、方法和裝置 - Google Patents

Description

用於滑移介面滑動力的公差環控制之系統、方法和裝置

本發明總體上涉及定位在移動部件之間的公差環，具體地涉及一改善的系統，利用公差環的方法和裝置。

公差環將相對移動的部件(如旋轉軸)之間的移動約束在殼體孔中。一種類型的公差環係定位在軸的外表面與該孔的內表面之間的空隙內的環形帶。這種公差環將該軸的徑向運動限制在該孔中同時仍允許旋轉。

在常規的公差環構型中，尋求的是內部與外部部件之間的緊密配合。此外，尋求的是提供最大摩擦結合的力或滑動力的最小變化。部件之間的一緊密配合係所希望的，因為它減小了部件之間的相對振動。內部與外部部件之間的該等需求要求強力的並且實質性的接觸，這種接觸增大了摩擦力。

以大於50 Nm的扭矩以及較低旋轉速度和小角度的滑移循環為多種應用提供扭矩超載保護的公差環也是已知的。該等應用包括減速齒輪的安裝，四輪驅動卡車上的電動踏板(power step)以及用於折疊座椅的座椅電機。用於該等應用的公差環趨於是大於0.40 mm厚的熱處理過的碳鋼，並且具有非常強的高摩擦波紋來提供所要求的扭矩。儘管該等解決方案對某些應用係可以使用的，但是繼續著對公差環的改善的興趣。

用於公差環的系統、方法和裝置的實施方式包括一元件，該元件具有一外部部件，定位在該外部部件內並且相對它可移動的一內部部件以及安裝在該內部與外部部件之間的一公差環。

在其他實施方式中，一種元件包括一外部部件，定位在該外部部件內並且相對它可移動的一內部部件以及安裝在該內部與外部部件之間的一公差環。該公差環提供了大於約20,000 N/mm的徑向剛度以及選自以下各項的參數：1至25 Nm範圍內的滑移扭矩，和小於約40 mm的直徑；1至100 Nm範圍內的滑移扭矩，和大於40 mm的直徑；或者10至600 N範圍內的對軸向滑移的低阻力，和大於10 mm的直徑。具有更小直徑的應用可提供更小的徑向剛度。

在仍然其他的實施方式中，一公差環組件包括：一外部部件，該外部部件具有一其中帶有軸的孔；以及一安裝在該外部部件的孔中的內部部件，使得該內部部件與該外部部件相配合並且是相對它可移動的。一公差環被定位在該內部與外部部件之間的孔中，該公差環包括一金屬環形帶以及結合至該金屬環形帶的一低摩擦的材料，該公差環還具有相對該軸延伸的多個凸起，該等凸起在該內部與外部部件之間被壓縮為使得該公差環在壓縮/保持力特徵的一變扁平的部分中運作，由此使該等凸起初始時展現彈性行為並被塑性變形，並且該公差環提供了小於100 Nm的超載保護力。

圖1描繪了包括一實施方式的一公差環100。該公差環100包括一彎曲成似環的(基本上環形的)形狀的彈性材料(例如，彈簧鋼)帶102。帶102的末端並不相接(例如，它可以形成為一開口環)，由此留下一與該帶的圓周相鄰的軸向延伸的空隙106。在其他實施方式中，可以將該帶彎曲使得該等末端互相重疊。在又一實施方式中，該帶可以是一連續的完整的環。公差環100的內表面具有一低摩擦層104，它與該帶的形狀一致。

公差環100具有多個間隔的凸起108，它們從公差環100的外表面向外徑向延伸。在該等凸起108的每個軸向末端有一平的環圓周延伸的材料輪緣109。每個凸起108還都藉由公差環100的一扁平部分110與其相鄰凸起分開，該扁平部分可以與輪緣109相續接地形成。該等凸起108係軸向狹長的脊，它們在形狀上與常規的公差環上使用的波紋相似。每個脊的峰係修圓的，並且每個脊的軸向末端在一楔形的肩台111處終止。

在某些實施方式中，公差環100可以由一彈性材料的扁平條(形成了帶102)形成。在將該條彎折成它的彎曲形狀之前，並且在形成該等凸起之前，將該低摩擦層104層壓在其一表面上。在其他實施方式中，可以將該低摩擦層104層壓在該扁平條的兩個表面上。在將低摩擦層104附連到該扁平條之後，將得到的層結構進行衝壓(例如，使用一適當形狀的模具，旋轉波成型等進行壓製)以形成凸起108。因此，該等凸起108係從該彈性材料條和該低摩擦層104兩者形成。可以選擇低摩擦層104的材料係柔性的以有助於這個衝壓步驟。在圖1中所示的實施方式中，凸起108從帶102向外徑向突出。在其他實施方式中，它們可能從低摩擦層104向內徑向突出。在形成該等凸起108之後，將這個分層的結構彎曲成圖1中所示的似環的構型。在所示實施方式中，帶102係外部材料。在其他實施方式中，帶102可以是內部材料。在仍然其他的實施方式中，該等凸起108可以向內或向外徑向延伸，這取決於具體情況並且不依賴於帶102是提供公差環100的內部材料還是外部材料。

在運行中，公差環100被定位在兩個部件之間。例如，可以將它定位在一軸與殼體內的一孔之間的環形空間內。該等凸起108在該內部與外部部件之間被壓縮。每個凸起充當一彈簧並且進行變形來使該等部件配合在一起，其中它們之間的間隙為零。換言之，內部部件接觸該公差環的內表面且外部部件接觸該公差環的外表面。

如果將多個力(例如，旋轉的或線性的)施加到該內部和外部部件之一或二者上這樣在該內部與外部部件之間存在一合力，則該內部和外部部件可以相對彼此移動。因為某些實施方式在該等部件之間具有零間隙，所以存在一對相對彼此滑動的接觸表面。這就是滑移介面。在某些實施方式中，滑移介面出現在低摩擦層104與內部部件之間的接觸的表面處(例如參見圖3)。該等接觸面可以包括扁平輪緣109的內表面以及每個凸起108的「足跡」(即，在每個凸起108的邊緣附近它們與帶102相接的區域)。低摩擦層104的材料和凸起108的構型在滑移介面處提供了一滑移力，這個滑移力實質性地低於從該等凸起輸送的徑向荷載力得到的預期值。這個低滑移力有助於該等移動的接觸表面之間的運動。

相比之下，在外部部件與帶102的外表面之間的接觸表面處，可能存在足夠的摩擦力來將公差環100相對於該外部部件保持在位。在其他實施方式中，帶102的兩個表面都可以層壓有一低摩擦層。因此，在此類實施方式中可存在兩個滑移介面。

圖2描繪了一公差環200的另一實施方式，該公差環包括一彎曲成管狀構型的一個帶202，在其圓周內帶有一軸向空隙206。以一類似於圖1的方式，帶202的內表面具有一層壓其上的低摩擦層204。帶202也具有從其外表面向外徑向延伸的多個凸起208。凸起208可以如所示的環圓周地互相抵靠、或者如圖1中的實施方式環圓周地間隔開。公差環200可以按以上指出的方式進行製造，因而低摩擦層204與帶202的形狀一致，包括與凸起208的不同波紋相配合的多個凹痕。公差環200在凸起208的每個軸向末端包括多個扁平輪緣或套環210。

圖2中所示公差環200與圖1中所繪的一的不同之處在於：例如在該帶的圓周周圍有更少的凸起並且在相鄰凸起之間幾乎沒有扁平空間。

圖3描繪了穿過一包括另一實施方式的裝置300的一軸向截面視圖。裝置300結合了例如圖2中所示的公差環200。裝置300包括一殼體302或外部部件。該殼體302具有一在其中形成的軸向孔304，這個孔容納了一軸306或內部部件。在此類應用中可以使用公差環來傳遞扭矩或作為扭矩限制件。

在軸306的外表面308與孔304的內表面310之間存在一環形空隙。該等環形空隙的大小係可得的，因為軸306和孔304的直徑可以在製造公差過程中改變。為了防止軸306在孔304內振動，將該環形空隙用公差環200填充以在該等部件之間形成一零間隙的配合。圖3示出了公差環200包括一個帶202作為外層以及一低摩擦層204作為內層，該內層與帶202的形狀一致。在使用中，公差環200的圓周的凸起208在軸306與殼體302之間的環形空隙內被徑向壓縮為使得帶202接觸孔304的內表面310。在低摩擦層204接觸軸306的外表面308的地方形成了滑移介面。因此公差環200將這個空隙減小到零所以在裝置300中在該等部件之間沒有間隙。

外表面308與低摩擦層204之間的接觸區域係一滑移介面，在這裡發生了軸306與公差環200之間的相對運動。公差環200藉由帶202與內表面310之間的接觸區域處的摩擦接合而相對於殼體302被固定。

如果貫穿使用過程，在該滑移介面發生了軸306或低摩擦層204的磨損，則該等凸起208可以藉由朝它們的靜態的彈性地移動來進行補償，由此維持與軸306和殼體302的接觸。因此公差環200的壽命可以優於不帶有彈性可壓縮凸起的常規的零間隙公差環。

圖4展示了包括殼體302和軸306的裝置的一徑向截面圖。在所示實施方式中，公差環200被保持在軸306上。軸306的外徑大於公差環200在靜態時的內徑。因此，該公差環必須膨脹(軸向空隙206(圖2)必須變寬)來在使該公差環在該軸的表面308周圍配合。在殼體302的孔304內部，凸起208在該環形空隙或該等部件在內表面310處的空間內被壓縮。在這種構型中，該滑移介面(軸306與低摩擦層204之間)的摩擦係數同帶202與殼體302之間的接觸區域處的摩擦係數相比是非常小的。因此，滑移基本上被限制在該滑移介面並且在此基本上自由地發生。在其他實施方式中，該等凸起208以及低摩擦層204的可以被安排為使得滑移介面在殼體302與公差環200之間。

圖5A-E描繪了一公差環500的另一實施方式的不同的透視、截面、軸向末端和側面視圖。公差環500包括一個帶502，該帶被彎曲成管狀構型、在其圓周內帶有一軸向空隙506。帶502的內表面具有一層壓其上的低摩擦層504。帶502還具有向內徑向延伸的多個凸起508。公差環500可以如以上描述的進行製造，因而低摩擦層504具有一均勻的厚度並且與帶502的形狀一致，包括與凸起508的不同波紋相配合的多個凹痕。公差環500可以在凸起508的每個軸向末端包括楔形的肩台511以及扁平的圓周輪緣或套環509，以及凸起508之間的平直空間510。

圖6A-E描繪了一公差環600的又一實施方式的多個視圖。該公差環600包括一彎曲成環狀形狀的彈性材料帶602。在所示實施方式中，帶602的末端並不相接並且留下一空隙606，但是可以將它形成為一連續的環。公差環600的內表面具有一層壓其上的低摩擦層604，如PTFE，它與帶602一致。

公差環600具有多個間隔的凸起608，它們從公差環600的外表面向外徑向延伸。在該等凸起608的每個軸向末端有一扁平的環圓周延伸的輪緣609。每個凸起608還都通過一扁平部分610而與其相鄰凸起分開，該扁平部分可以與輪緣609以一平面方式相續接地形成。凸起608係軸向狹長的脊，每個脊的峰係修圓的，並且每個脊的軸向末端在一楔形的肩台611處終止。

在某些實施方式中，公差環600可以由一彈性材料扁平條形成，如帶602。在將該條彎折成它的彎曲形狀之前，並且在形成該等凸起之前，將該低摩擦層604層壓在其一表面上。在其他實施方式中，可以將該低摩擦層604層壓在該扁平條的兩個表面上。在附接上低摩擦層604之後，將得到的分層結構進行衝壓以形成該等凸起608。因此，該等凸起608係從該彈性材料條602和該低摩擦層604兩者形成。可以選擇低摩擦層604的材料係柔性的以有助於這個衝壓步驟。儘管凸起608從帶602向外徑向突出，但它們可以從低摩擦層604向內徑向突出。在形成凸起608之後，將這個分層的結構彎曲成這種似環的構型。在所示實施方式中，帶602係外部材料，但它可以是內部材料。在仍然其他的實施方式中，該等凸起608可以向內或向外徑向延伸，這取決於具體情況並且不依賴於帶602是提供公差環600的內部材料還是外部材料。

在用於超載保護應用的某些實施方式中，提供了具有例如小於25 Nm的扭矩超載保護力以及小於40 mm的總體直徑的公差環。對該等實施方式的應用包括例如座椅調節器、混合二元離合器機構、座椅頭枕調節器、門致動器、輪胎絞盤等。

還有另外的實施方式以大於65 mm的直徑提供了例如小於100 Nm的扭矩超載保護力，如用於多種應用中，包括起動機電動機，動力傳動系應用等。在某些實施方式中該等設計可以利用厚度小於0.40 mm的不銹鋼帶。其他實施方式可以包括例如40至65 mm的直徑，與中間範圍的扭矩超載保護。此外，不要求潤滑劑，這對於因為技術或美學的原因而必須不含潤滑脂的應用係特別有利的。

在某些實施方式中，該公差環係由彈簧鋼(例如，冷軋的不銹鋼)形成並且具有一層壓其上的低摩擦層。例如，該不銹鋼可以是0.1至0.7 mm厚，並且該低摩擦層可以是在約0.05至0.50mm厚的範圍內(例如，0.25 mm)並在將公差環形成為其環狀形狀之前被結合到該鋼上。

該公差環可以成型為具有幾何波紋，該等波紋係設計來實現彈簧特徵，如對有意的特定力控制應用所要求的。該低摩擦層降低了滑動力，減小了力的變化，並且提供了一經受許多滑移而在下方材料上沒有磨損的低摩擦滑移面。這允許公差環被設計來實現在單獨藉由公差環幾何形狀變化所實現的常見性能輪廓(envelope)中不可能的力控制條件，如低的滑移扭矩，低的滑動力以及經過許多個滑移循環後極小的力的退化。例如，根據本發明的一公差環將滑動力或扭矩減小到了對於一相當的設計(只有金屬的公差環)所預期的值的近似一半至三分之一。其結果係，在此揭露的該等實施方式比現有技術的設計係大大更穩定的。

在本揭露中，滑移扭矩係定義為藉由一公差環連接的兩個部件由於任何施加於該系統的扭矩荷載而開始相對彼此旋轉時的扭矩。這種公差環固定將把該等相配合的部件無相對轉動地保持在一起直到達到臨界值，在臨界值點上藉由公差環波紋的壓縮產生的摩擦力將被克服並且將發生相應的受到摩擦力的抵抗的旋轉。同樣地，軸向滑動力係相同的東西，但是是在軸向上。該公差環將只允許兩個部件之間的軸向滑動，如果超過了臨界力值的話。臨界力係由公差環波紋的壓縮所產生的摩擦力產生。在公差環的滑移扭矩或滑動力被設定為低於該系統的安全容量的地方發生超載保護力或扭矩。如果該系統接收一額外的荷載，該公差環允許在臨界值以上的滑移，該臨界值另外可能已經對該系統造成了損害。

因此，該等公差環波紋的實施方式具有比它們將被組裝進入的徑向空間更大的高度。因此，組裝的結果係，該等波紋被壓縮並且施加了一依賴於它們的剛度和壓縮量的力，這就是它們如何產生這個力來將該元件保持在一起。

典型地，該元件的相配合的部件以及該等公差環波紋本身具有給定公差內的維度變化。因此，該等波紋的壓縮的實際量值，以及因此在該元件中產生的力，可以從元件到元件而改變。然而，如果該等波紋被壓縮超過它們的「彈性區」，則它們逐漸表現為更塑性地，從而限制了來自任何進一步壓縮的力的增加。在公差環提供滑動力控制(或者軸向地或者旋轉地)來將壓縮變化導致的力的變化最小化的地方，在波紋被設計來壓縮進它們的「塑性區」的地方，這種作用係重要的。

例如，在要求低的力如約30至300 N範圍內(在某些實施方式中，10至600 N)的軸向滑動力而部件直徑為至少約10 mm的軸向滑動力控制應用中，以及在要求約1至約25 Nm的滑移扭矩而部件具有小於約40 mm直徑且徑向剛度大於約20,000 N/mm，或1至100 Nm的滑移扭矩而部件直徑大於約40 mm且徑向剛度大於約20,000 N/mm的扭矩限制應用中，非常難以實現與常規公差環設計相一致的滑動力。為了實現這樣低的力，需要薄的材料和「弱」的波紋幾何形狀以便達到塑性彈簧性能，從而產生難以操作的非常易壞的結構，並且一旦將其組裝則具有非常低的徑向剛度。

例如，在一實驗中，將包含一簡單鋼環的一常規公差環與一在相同鋼環上帶有低摩擦層的根據本發明構造的公差環進行了比較。因此，該鋼環的幾何形狀對於兩個環係相同的，例如35 mm的直徑，12 mm的寬度以及0.2 mm的厚度，其中具有1 mm高度的波紋(例如，每個環9個波紋)被壓縮，其中波紋間隔對於兩個鋼環係相同的。這個實驗中唯一的不同係該改善的公差環還包括了一具有另外0.25 mm厚度的根據本發明的PTFE環。因此，該PTFE環包括0.2 mm的鋼厚度加上0.25 mm的PTFE厚度。該常規的僅有鋼的環和該層壓了PTFE的環的彈簧剛度係近似相同的，因為如果維持鋼波紋的幾何形狀的話PTFE對荷載偏轉曲線的形狀具有非常小的影響。對於這兩種實驗設計，滑動力對僅有鋼的公差環達到了1000 N，而對於層壓了PTFE的環僅是400 N。儘管該僅有鋼的環只具有0.2 mm的厚度，但是由於不帶PTFE而更高的摩擦係數以及在相對運動中發生的磨損，滑動力要高得多。

作為另一實例並且與扭矩滑移應用中的公差環進行比較，對具有20 mm的直徑、18 mm的寬度、1 mm的波紋高度、以及7 mm的波紋-波紋間距的公差環進行了測試。這種應用具有4 Nm的目標滑移扭矩。為了實現這一目標值，由一不銹鋼材料帶形成一根據本發明的公差環，並且它具有0.4 mm的厚度，加上一厚度為0.25 mm的PTFE層壓的層。這個實施方式產生了僅僅4 Nm的滑移扭矩、但是對於外部施加的約50,000 N/mm的荷載具有非常顯著的徑向剛度。

相比之下，用常規的僅有鋼的公差環產生僅僅4 Nm的目標滑移扭矩要求該鋼的厚度被減小到僅僅0.2 mm。其結果係，這種常規設計的徑向剛度藉由比較是僅僅12,000 N/mm。因此，為了實現目標滑移扭矩，必須減小該厚度，這造成了一徑向剛度，該剛度小於藉由本發明的實施方式可獲得的剛度的四分之一。這個實驗證明，本發明的實施方式在低扭矩滑移應用中提供了大大更剛性的元件，這在要求抵抗外部荷載時是特別重要的。此外，在實踐中，常規的僅有金屬的公差環在要求多個滑移的應用中由於在它的僅有鋼的接觸面上的顯著磨損而迅速失效。

藉由減少波紋的數目，將波紋進一步間隔開，和/或將原材料厚度減小至0.1 mm來減小每個波紋的剛度，滑動力上的常規減小也是有可能的。該等對於減小滑動力的常規解決方案中沒有一個是可行的。該等簡單的方法也不利地減小了元件的整體徑向剛度，所以結果係大大更不穩定的並且較不能不帶過度偏轉而經受外部的徑向荷載。

維持波紋剛度但減小波紋數目產生了每個波紋相同的力，所以出現了與不帶低摩擦層的現有技術設計相同的磨損問題。此外，將鋼的厚度減小到0.1 mm產生了一非常易壞的環，這造成了顯著的操作和組裝難度。

將低摩擦層加到上面出現了滑動的公差環的表面上具有降低接觸摩擦係數以及降低產生的滑動力的作用。例如，該低摩擦層所提供的摩擦係數可以是在約0.04至0.25的範圍內，並且在其他實施方式中是約0.09至0.17。這種設計還避免了部件表面在滑移過程中的磨損，從而跨越許多個滑移循環維持了滑動力。以降低的力，可以使該公差環的幾何形狀對於相同的力水準與用常規公差環有可能的相比是更堅牢的。該低摩擦材料在接觸區域內的流動還具有藉由它本身內的塑性變形而幫助將滑動力變化最小化的作用，由此提供一更一致的力控制。

此類實施方式的應用包括：例如軸向滑動力控制(例如，在轉向管柱「管包管」長度調整滑動機構)，驅動機構中的扭矩超載保護(例如，汽車應用，如座椅定位器，門機構等)。該低摩擦層係在公差環的表面上，該表面與將要滑移的表面相鄰。它可以是在波紋的頂部或底部，取決於組件的應用以及構型。可以根據所要求的特性如接觸壓力、滑移速度、以及所希望的潤滑或磨損特徵而使用替代的低摩擦材料和/或厚度。

該低摩擦層可以包括許多類型的材料，包括例如：一聚合物，如一聚酮、聚芳醯胺、熱塑性聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚苯硫醚、聚醚碸、聚碸、聚苯碸、聚醯胺醯亞胺、超高分子量聚乙烯、熱塑性氟聚合物、聚醯胺、聚苯並咪唑或它們的任何組合。在一實例中，該熱塑性材料包括聚酮、聚芳醯胺、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺、聚苯硫醚、聚苯碸、氟聚合物、聚苯並咪唑、它們的衍生物或它們的組合。在一特別的實例中，該熱塑性材料包括一聚合物，如聚酮、熱塑性聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚苯硫醚、聚醚碸、聚碸、聚醯胺醯亞胺、它們的衍生物、或它們的組合。在另一實例中，該材料包括聚酮，如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮醚酮酮、它們的衍生物或它們的組合。一示例性氟聚合物包括：氟化的乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、全氟烷氧基(PFA)、四氟乙烯、六氟丙烯、以及偏二氟乙烯的一種三聚物(THV)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)或者它們的任何組合。在一另外的實例中，該熱塑性聚合物可以係超高分子量聚乙烯。一示例性的固體潤滑劑包括聚四氟乙烯或一選自以下項的固體潤滑劑：二硫化鉬、二硫化鎢、石墨、單層石墨、膨脹石墨、氮化硼、滑石、氟化鈣、氟化鈰或它們的任何組合。一示例性的陶瓷或礦物包括：氧化鋁、矽石、二氧化鈦、氟化鈣、氮化硼、雲母、矽灰石、碳化矽、氮化矽、氧化鋯、碳黑、顏料類、或它們的任何組合。

在某些實施方式中，該公差環的鋼側面對其他表面保持靜止，在某些實施方式中。可以結合保持特徵如凸緣、接片、扇形凹口、喇叭件或其他器件來將鋼表面錨固在相配合的部件上以避免滑移。

在某些實施方式中，該公差環以低的滑移力為旋轉或軸向移動提供了零間隙。在一方面，該公差環將一促進滑移的低摩擦層與跨越相對彼此移動的兩個部件之間的間隙提供接合的一公差環進行組合。該結構係可壓縮的並且呈現出了以多種空隙大小可操作的另外的優點(例如，來補償部件尺寸上的製造變化)並且呈現了一比常規公差環更小的接觸面積。結合該低摩擦層，這種設計提供了對抗部件之間相對運動的摩擦力的顯著降低，即使在軸向或徑向荷載很高時。

該公差環結構的另一優點係它的彈性。沒有這個低摩擦層，將發生歸因於多種滑移的磨損，並且滑動力將改變。然而，帶有該低摩擦層，磨損得到防止。該低摩擦層代替相配合的部件而磨損。該公差環的彈簧作用吸收了PTFE中的磨損，從而維持了零間隙並且幫助維持了力的水準。

該環典型地包括一或多個扁平的環圓周延伸的輪緣(比如在該環的軸向邊緣處)，以及一系列的基本在徑向上延伸的環圓周間隔開的凸起。該等凸起從該環徑向延伸，或者離開該環向外、或者朝向該環的徑向中心向內。該等凸起可以是不連續的結構。它們可以是規則的結構，如脊、波紋或指狀物。每個凸起可以包括一圓化的脊(例如，波紋)，該脊上升到一徑向的峰並且從該峰下降。在此類實施方式中，由該凸起傳送的力在它與該帶相接的邊緣周圍(即，它的「足跡」)的一小區域內集中。

在使用中，每一凸起充當一彈簧並且對抗該等部件施加一徑向的力，由此在它們之間提供一過盈配合。當由環傳遞扭矩時，內部或外部的部件的轉動在另一部件中產生了類似的轉動。同樣地，當藉由該環傳遞線性力時，任一部件的線性或軸向運動在另一部件中產生了類似的線性運動。

已知所提供的公差環在特例情況下允許部件之間的滑動。例如，如果將相對高的力(例如旋轉的或線性的)施加到內部和外部部件之一或二者上使得該等部件之間的合力在臨界值以上。在常規的公差環中，該臨界值很高並且是基於一在該環經歷的徑向荷載力的基礎上的預期值。

根據一方面，可以提供一系統，該系統包括一內部部件、安排來容納該內部部件的一外部部件以及安裝在該內部與外部部件之間來完成它們之間的配合接合的一公差環。該公差環可以包括：一第一材料的可變形帶，該帶具有一扁平的環圓周延伸的輪緣以及多個環圓周間隔的徑向延伸的凸起；一第二材料的低摩擦層，該第二材料具有比第一材料更小的摩擦係數以提供一滑移介面來允許該內部與外部部件之間的相對運動。在使用中，該帶藉由傳送它們之間的荷載力而提供了該內部與外部部件之間的零間隙。然而，該低摩擦層作用係減小滑移介面處的摩擦力使得為了使該內部和外部部件相對彼此移動所要求的滑移力顯著地小於從該荷載力得到的預期值。

該帶的扁平輪緣可以提供與該內部與外部部件之一的一環圓周延伸的接觸表面。該公差環的圓周周圍的一一致的接觸區可以改善對滑移力的控制。在該帶上可以有兩個或多個輪緣，在某些實施方式中帶有多個波紋帶。輪緣可以提供在該公差環的每個軸向末端處，其中該等凸起係定位在該等輪緣之間。

該等凸起可以安排為離開輪緣突出以提供多個不連續的與該內部和外部部件的另外一的接觸表面。該等凸起可以被配置來變形。這可以包括該等不連續接觸表面處的彈性變形以將荷載力徑向地傳送穿過該內部與外部部件之間的公差環。每個凸起的形狀和大小可以基於具體的應用進行選擇。該滑移力可取決於該等凸起的形狀。典型地，公差環的凸起或波紋能夠傳送較高的徑向力(例如，200 N或更大)以穩定地定位並提供該內部與外部部件之間的徑向剛度。每個凸起包括一個它的邊緣與該帶相接的足跡區。該滑移介面可以是在足跡區與該內部和外部部件之一之間的荷載轉移點。例如，這可以出現在該公差環與該內部和外部部件中接觸輪緣的這一個之間。該足跡區的面積可以是較小的，它與該低摩擦層相結合減小了該等摩擦力。

在某些實施方式中，該等凸起係獨立的結構。例如，每個凸起可以包括一在其軸向末端處帶有楔形肩台的環圓周延伸的修圓的脊。當該公差環被安裝在一預元件中的內部或外部部件上時，該等楔形肩台充當引導件來輔助另一部件的軸向安裝。

該等凸起對於它們的力傳遞或彈簧特性而仔細進行選擇和設計。對該等凸起的幾何形狀進行選擇以提供所希望的彈性/塑性變形特徵。對該等變形特徵進行選擇部件不但要考慮該內部和外部部件的製造公差，而且還要對操作中可能發生的不同部件之間的不同的熱膨脹和磨損進行補償，由此確保由始至終實現所希望的性能。該等設計可應用於零間隙公差環以確保該等組裝的部件不在升高的溫度下變得鬆散。

在使用中，該公差環的帶在安裝於該等部件之一上作為預元件時可以彈性地變形。當另一部件被安裝在該預元件上，由此在該等部件之間的空隙內壓縮該環時，優選地僅僅該等凸起會變形。這種變形可以是彈性的或塑性的，取決於該等凸起的形狀和/或輪廓以及該空隙的大小。如果僅僅該等凸起以這種方式變形，那麼當該環被壓縮時在滑移介面處的傳送力的接觸面積基本上不改變。這使之能實現一種一致的滑移力。

該低摩擦層可以與該帶係整體的或者附連至該帶上，並且在形狀上與該帶一致。例如，該低摩擦層與該帶上的凸起一起模製並與之相配合。這種特徵使得實現了一緊致的構造。該低摩擦層包括一系列的附連或層壓在該帶上的不連續襯片。例如，該低摩擦層可以提供在該滑移介面的接觸點處。在一實施方式中，低摩擦材料的襯片在足跡區域和輪緣處被附連至該帶。在滑移介面處沒有接觸時可能暴露出該帶。

該低摩擦層可以面向該內部或外部部件而附連至該帶上。該低摩擦層可以塗覆或粘合至該帶上。在一實施方式中，該低摩擦層被層壓在該帶的表面上。層壓該低摩擦層繞著該帶提供了一均勻的厚度從而避免了在藉由將該帶浸沒在液體形式的該第二材料中並且旋轉或另外振盪掉過剩物而塗覆這個層時可能出現的薄的襯片。

在某些實施方式中，該公差環被固定在該內部或外部部件之一上，由此滑移介面係在該環與另一部件之間。例如，該公差環可以藉由該帶的彈性抓握(gripping)而被固定或保持在該內部部件上。在這個實例中，該低摩擦層僅僅提供在該帶的內表面上，並且該等凸起可以從該帶向外(例如，朝該外部部件)徑向地延伸。利用這種安排，滑移介面係在該公差環的內表面與該內部部件之間的接觸區域處，其中該等凸起的足跡和公差環的該等輪緣接觸了該內部部件。

該公差環藉由該帶的摩擦接合而被固定在該等部件之一上。在開口環的實施方式中，該開口環係有彈性的從而抓握一比它直徑大的部件(例如，一軸)，或者向外膨脹抵靠一比它直徑小的外部部件(例如，殼體中的一孔)。可能希望的是允許該內部與外部部件之間的僅在一種意義上(例如，旋轉的或軸向的)的相對移動。在此情況下，該公差環可以關於該等部分之一被機械地束縛以防止滑移介面處在不希望的意義上的相對移動。例如，該公差環可以卡進一軸的外表面上的外部凹槽之中。該凹槽的邊緣防止了該公差環相對於該軸的軸向移動。如果滑移介面係提供在該公差環的內表面上，則該軸與孔在這個介面處的相對軸向移動被阻止並且必然轉而在該公差環的外表面處發生。該外表面可以沒有該低摩擦層並且可以因此提供對相對運動的更多阻力。

該帶可以包括一彈性開口環，例如，圍繞該內部部件的周長部分地延伸的一開放的材料環該等凸起的構型可以繞著該環的圓周關於該開口係對稱的。這種安排可能是特別穩定的。

該內部部件可以是一軸並且該外部部件可以是具有用於容納該軸的孔的一殼體。該公差環繞著該軸的周長延伸來接合該軸的外表面以及該孔的內表面。如以上提到的，該帶可以繞著該軸的周長完全地延伸或者僅僅繞著該軸部分地延伸。

該裝置還可以包括一驅動單元，該驅動單元被安排來引起該軸與該殼體之間的相對轉動，其中該環被安排來允許該軸的外表面與該孔的內表面之間的圓周滑移。

該低摩擦層可以具有與該帶基本上相同的圓周範圍。該低摩擦層可以提供在該環與內部/或外部部件之間在滑移介面處的所有接觸點處。因此該帶不接觸在滑移介面處相對它移動的這個部件，這可以減小摩擦。

每個壓痕可以定位在一凸起對面。例如，該等凸起可以藉由一材料條的衝壓、壓製或輥壓成型而形成，使得當製造凸起時在該條的背側自動形成該等壓痕。

當該等凸起為獨立的帶有多個壁的不連續結構(該等壁在安裝於該內部與外部部件之間時封閉一體積)時，它們可以保持在組裝之前施加的任何潤滑脂並且減小或最小化後來的洩露。

根據另一方面，可以提供一公差環用於安裝在內部與外部部件之間來完成它們之間的相配合的接合。該環可以包括：一第一材料的可變形帶，該帶具有一扁平的環圓周延伸的輪緣以及多個環圓周間隔的徑向延伸的凸起；一第二材料的低摩擦層，該第二材料具有比第一材料更小的摩擦係數以提供一滑移介面來允許該內部與外部部件之間的相對運動。該環可以具有以上關於其他方面所討論的特徵中的任何一種。

根據又一方面，可以提供一形成公差環的方法，該公差環係用於安裝在內部與外部部件之間來完成它們之間的相配合的接合，該方法包括：將一滑移材料層附連至一基礎材料條上以形成一分層的結構，該滑移材料具有比該基礎材料更小的摩擦係數；跨越該分層結構與一扁平區域相鄰地形成多個間隔開的凸起；彎折該分層結構以形成一個環，其中該扁平區域變成一環圓周延伸的脊並且這多個凸起從該分層結構徑向地延伸。

此外該基礎材料可以是適合於形成一公差環的材料，例如彈簧鋼或類似物。該滑移材料可以被層壓在該基礎材料上以將它附連至其上。層壓在某些應用中具有優點，因為所附連的層具有一致的厚度。該層壓層的厚度可以進行選擇以確保材料性能在如果滑移介面處有任何磨損時不退化。該滑移材料可以是適合於形成以上討論的低摩擦層的任何材料。這多個凸起可以藉由衝壓、壓製或輥壓成型該分層結構而形成。

實施方式也超越常規設計而突出，該等常規設計僅僅改變了它們成皺的間距和/或深度來實現避免過量扭矩的一定程度的彈性。利用本發明的公差環的實施方式，該設計在嚴格定義的扭矩帶(例如，具有最大和最小值)內進行操作來從功能上提供指定量的受控彈性。這種設計提供了一將扭矩或軸向力限制在限定帶內的手段。因此，它提供了對力的高程度的精確控制，而不是僅僅對用於徑向補償的彈性的說明。該公差環的該等實施方式將金屬帶的特殊彈簧特徵與一選定的低摩擦層的摩擦和磨損特徵結合在一公差環中，這將公差設計的性能輪廓擴大到了更小力的精確頻寬控制(之前不可能的多滑移領域)之中。

圖7係展示了一耐腐蝕公差環700的多個層的另一實施方式的截面圖。公差環700可以包括一荷載支承基底702，如一金屬的支撐層(例如，一環形帶)。該金屬支撐層可以包括一金屬或金屬合金如鋼，包括碳鋼、彈簧鋼以及類似物，鐵、鋁、鋅、銅、鎂或它們的任何組合。該荷載支承基底702可以塗覆有臨時的防腐蝕層704和706以防止該荷載支承基底在加工之前的腐蝕。此外，可以在層704上施加一臨時防腐蝕層708。

層704、706和708中的每個可以具有約1至50微米的厚度，如約7至15微米。層704和706可以包括鋅、鐵、錳或它們的任何組合的一種磷酸鹽，或者一奈米陶瓷層。此外，層704和706可以包括功能性矽烷、基於奈米級矽烷的底漆、水解的矽烷、有機矽烷助粘附劑、基於溶劑/水的矽烷底漆、氯化的聚烯烴、鈍化的表面、可商購的鋅(機械的/電鍍的)或鋅-鎳塗層、或它們的任何組合。層708可以包括功能性矽烷、基於奈米級矽烷的底漆、水解的矽烷、有機矽烷助粘附劑、基於溶劑/水的矽烷底漆。臨時防腐蝕層704、706和708可以在加工過程中去除或保留。

可以向該荷載支承基底702施加一低摩擦的或滑動層710，如用一粘合劑層712或如在此描述的其他手段。該滑動層710可以包括在此描述的該等材料。另外，滑動層710可以包括填充劑類，如一減小摩擦的填充劑。可以在滑動層710中使用的填充劑的實例包括：玻璃纖維、碳纖維、矽、石墨、PEEK、二硫化鉬、芳香族聚酯、碳顆粒、青銅、氟聚合物、熱塑性填充劑、碳化矽、氧化鋁、聚醯胺醯亞胺(PAI)、PPS、聚苯碸(PPSO2)、液晶聚合物(LCP)、芳香族聚酯(Econol)以及礦物顆粒如矽灰石或硫酸鋇，或它們的任何組合。填充劑可以處於珠粒、纖維、粉末、絲網或它們的任何組合的形式。

在某些實施方式中，該滑動層可以包括一紡織的絲網或一膨脹的金屬網格。該紡織的絲網或膨脹的金屬網格可以包括一金屬或金屬合金，如鋁、鋼、不銹鋼、青銅或類似物。可替代地，該紡織的絲網可以是一紡織的聚合物絲網。在一替代實施方式中，該滑動層可以不包括一絲網或一網格物。在另一替代實施方式中，該紡織的絲網或膨脹的網格可以被埋在兩個粘合劑層之間。

粘合劑層712可以包括一熱熔性粘合劑。可以在粘合劑層712中使用的粘合劑的實例包括：氟聚合物、環氧樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醚/聚醯胺共聚物、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯四氟乙烯(ETFE)、ETFE共聚物、全氟烷氧基(PFA)或它們的任何組合。此外，粘合劑層712可以包括至少一個選自以下項的官能團：-C=O、-C-O-R、-COH、-COOH、-COOR、-CF2=CF-OR或它們的任何組合，其中R係一含1與20之間的碳原子的環狀或直鏈有機基團。此外，粘合劑層712可以包括一共聚物。在一實施方式中，該熱熔性粘合劑可以具有不大於約250℃，如不大於約220℃的熔化溫度。在另一實施方式中，粘合劑層712在約200℃以上，如約220℃以上可能失效。在另外的實施方式中，該熱熔性粘合劑的熔化溫度可以是高於250℃，甚至高於300℃。

在荷載支承基底702的一與滑動層710相對的表面上，可以施加一耐腐蝕塗層714。該耐腐蝕塗層714可以具有的厚度為約1至50微米，如約5至20微米，以及如約7至15微米。該耐腐蝕塗層可以包括一助粘附劑層716和一環氧層718。該助粘附劑層716可以包括鋅、鐵、錳、錫或它們的任何組合的一種磷酸鹽，或者一奈米陶瓷層。該助粘附劑層716可以包括功能性矽烷、基於奈米級矽烷的層、水解的矽烷、有機矽烷助粘附劑、基於溶劑/水的矽烷底漆、氯化的聚烯烴、鈍化的表面、可商購的鋅(機械的/電鍍的)或鋅-鎳塗層、或它們的任何組合。

環氧層718可以是一熱固化的環氧物、UV固化的環氧物、IR固化的環氧物、電子束固化的環氧物、輻射固化的環氧物或空氣固化的環氧物。此外，該環氧樹脂可以包括多縮水甘油醚、二縮水甘油醚、雙酚A、雙酚F、環氧乙烷、氧雜環丙烷、氧化乙烯(ethylenoxide)、1,2-環氧丙烷、2-甲基環氧乙烷、9,10-環氧-9,10-二氫蒽或它們的任何組合。該環氧樹脂可以包括合成樹脂改性的環氧化物，基於酚醛樹脂、脲甲醛樹脂、三聚氰胺樹脂、苯基胍胺與甲醛的或它們的任何組合。作為舉例，環氧化物可以包括單環氧化物雙環氧化物直鏈的三環氧化物

網狀的三環氧化物

或它們的任何組合，其中CXHYXZAU係一直鏈或網狀的飽和或不飽和的碳鏈，其中任選地鹵素原子XZ取代了氫原子，並且任選地其中存在多個原子像氮、磷、硼等，並且B係碳、氮、氧、磷、硼、硫等之一。

該環氧樹脂可進一步包括一硬化劑。該硬化劑可以包括：胺、酸酐、苯酚線性酚醛硬化劑如苯酚線性酚醛聚[N-(4-羥苯基)馬來醯亞胺](PHPMI)、甲階酚醛樹脂(resole phenol formaldehyde)、脂肪胺化合物、多元羧酸酐、聚丙烯酸酯、異氰酸酯、包膠囊的多異氰酸酯、三氟化硼胺絡合物、基於三價鉻的硬化劑、聚醯胺或它們的任何組合。總體上，酸酐可以符合式R-C=O-O-C=O-R'，其中R可以是如上所描述的CXHYXZAU。胺類可以包括脂肪族胺類，諸如一乙胺、二亞乙基三胺、三亞乙基四胺、及類似物，脂環族胺類、芳香族胺類諸如環狀脂肪胺類、環的脂肪胺類、醯胺基胺類、聚醯胺類、雙氰胺類、咪唑衍生物以及類似物，或它們的任何組合。總體上，胺類可以是符合式R1R2R3N的伯胺、仲胺或叔胺，其中R可以是如上所描述的CXHYXZAU。

在一實施方式中，該環氧層718可以包括填充劑來改善傳導性，如碳填充劑、碳纖維、碳顆粒、石墨，金屬填充劑如青銅、鋁、和其他金屬以及它們的合金、金屬氧化物填充劑、金屬塗覆的碳填充劑、金屬塗覆的聚合物填充劑或它們的任何組合。該等傳導性填充劑可以允許電流穿過該環氧塗層並且與不帶傳導性填充劑的塗覆的套管相比可以增大該塗覆的套管的導電性。

在一實施方式中，一環氧層可以增大該套管的耐腐蝕性。例如，環氧層718可以實質性地防止腐蝕性要素如水、鹽以及類似物接觸該荷載支承基底，由此抑制了該荷載支承基底的化學腐蝕。此外，該環氧層可以藉由防止不同金屬之間的接觸來抑制或者該殼體或者該荷載支承基底的電化腐蝕。例如，將一不帶有該環氧層的鋁套管放置在一鎂殼體內可造成鎂的氧化。然而，環氧層718可以防止該鋁基底接觸該鎂殼體並且抑制電化反應造成的腐蝕。

這個書面說明使用了實例，包括最佳模式，並且還使得熟習該項技術者能夠製造並且使用本發明。本發明可獲專利的範圍藉由申請專利範圍進行限定，並且可以包括熟習該項技術者想到的其他實例。這樣的其他實例旨在處於該等申請專利範圍的範圍之內，如果它們具有不同於申請專利範圍的文字語言的結構要素，或者如果它們包括與申請專利範圍的文字語言具有非實質性區別的等效結構要素的話。例如，實施方式可以涉及旋轉的裝置，如一電動機，如一擋風玻璃刮水器電動機，或軸向滑動應用，如轉向管柱調整機構。

儘管僅以某些形式示出或描述了實施方式，但熟習該項技術者應該清楚的是它們不受限於此，而是容許不背離本發明的範圍的不同改變。

100．．．公差環

102．．．帶

104．．．低摩擦層

106．．．空隙

108．．．凸起

109．．．輪緣

110．．．扁平部分

111．．．肩台

200．．．公差環

202．．．帶

204．．．低摩擦層

206．．．空隙

208．．．凸起

210．．．套環

300．．．裝置

302．．．殼體

304．．．孔

306．．．軸

308．．．外表面

310．．．內表面

500．．．公差環

502．．．帶

504．．．低摩擦層

506．．．空隙

508．．．凸起

509．．．套環

510．．．平直空間

511．．．肩台

600．．．公差環

602．．．帶

604．．．低摩擦層

606．．．空隙

608．．．凸起

609．．．輪緣

610．．．扁平部分

611．．．肩台

700．．．公差環

702．．．支承基底

704．．．防腐蝕層

706．．．防腐蝕層

708．．．防腐蝕層

710．．．滑動層

712．．．粘合劑層

714．．．耐腐蝕層

716．．．助粘附劑層

718．．．環氧層

為了可以更詳細地理解這樣一已經得到了該等特徵和優點的方式，可以藉由參考附圖中展示的實施方式進行更徹底的說明。但是，該等圖僅僅解說了某些實施方式，因此不應理解為對範圍的限制。

圖1係根據本發明構造的一公差環的一實施方式的透視圖；

圖2係根據本發明構造的一公差環的另一實施方式的透視圖；

圖3係圖2中的環在一裝置中的軸向截面圖；

圖4係圖3中的環在該裝置中的徑向截面圖；

圖5A-E係根據本發明構造的一公差環的一第三實施方式的不同透視圖；

圖6A-E係根據本發明構造的一公差環的一第三實施方式的不同透視圖；並且

圖7係根據本發明構造的一具有多個耐腐蝕層的公差環的另一實施方式的示意性截面側視圖。

在不同的圖中使用相同的參考符號表示相似的或相同的事項。

100．．．工差環

102．．．帶

104．．．低摩擦層

106．．．空隙

108．．．凸起

109．．．輪緣

110．．．扁平部分

111．．．肩台

Claims (10)

1. 一種組件，包括：一外部部件；定位在該外部部件內並且相對該外部部件可移動的一內部部件，該內部部件具有一圓形之橫切面外型(profile)；安裝在該內部與外部部件之間的一公差環，其中該公差環包含一種金屬性材料之一片材(sheet)及層壓至該片材上以附著(attached)於其上之一低摩擦材料，其中該公差環之一整體軸向長度係設置於該外部部件中，且其中該公差環提供了：大於約20,000N/mm的徑向剛度；及大約1至25Nm範圍內的滑移(slip)扭矩。
2. 如申請專利範圍1所述之組件，其中，該公差環具有在徑向上延伸的多個凸起，該等凸起在該內部與外部的部件之間被壓縮為使得該公差環在一種壓縮/保持力特徵的一變扁平的部分中運作，由此使該等凸起初始時展現出彈性行為並且被塑性變形。
3. 如申請專利範圍1或2所述之組件，其中，該環形帶係由彈簧鋼形成的，並且該低摩擦材料具有0.04至0.25範圍內的摩擦係數、並且被層壓在該環形帶的至少一側上。
4. 如申請專利範圍1或2所述之組件，其中，該環形帶具有約0.1至0.7mm的徑向厚度，並且該低摩擦材料具有在約0.05至0.50mm範圍內的徑向厚度。
5. 如申請專利範圍1或2所述之組件，其中該等凸起係由多個扁平部分環圓周地互相間隔開。
6. 如申請專利範圍5所述之組件，其中，該等凸起還在一軸向上延伸成為軸向狹長的多個脊，並且該公差環還在該等凸起之軸向末端處具有環圓周延伸之多個輪緣。
7. 如申請專利範圍5所述之組件，其中，該等扁平部分以及環圓周延伸的輪緣係相續接地形成在一種平面的構型之中，並且該等軸向狹長的脊具有修圓的峰而每個脊的軸向末端終止於在該等環圓周延伸之輪緣處的一楔形肩台之中。
8. 如申請專利範圍1或2所述之組件，其中該公差環提供了：大於約20,000N/mm的徑向剛度；以及選自下組中的多個參數，該組的構成為：(i)1至25Nm範圍內的滑移扭矩，和小於約40mm的直徑；(ii)1至100Nm範圍內的滑移扭矩，和大於約40mm的直徑；以及(iii)10至600N範圍內的滑移扭矩，和大於約10mm的直徑。
9. 如申請專利範圍1或2所述之組件，其中該公差環提供了小於100Nm的超載保護力。
10. 如申請專利範圍6所述之組件，其中該等扁平部分以及環圓周延伸之輪緣係在一平面構型中相續接地形成的。