具有密封布置的紧凑型滑动轴承及包括该紧凑型滑动轴承的水泵
阅读说明：本技术 具有密封布置的紧凑型滑动轴承及包括该紧凑型滑动轴承的水泵 (Compact sliding bearing with sealing arrangement and water pump comprising the same ) 是由 弗朗茨·帕维勒克 马塞尔·伯纳 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：提出一种用于水泵的借助于滑动轴承制造且具有密封布置的紧凑型轴承,所述紧凑型轴承包括：滑动轴承衬套(11),其包含内滑动表面以及具有轴向滑动表面的至少一个径向凹口(13)；至少一个轴杆环管(31)；湿侧轴封(24),其布置于湿侧(4、40)和所述滑动轴承衬套(11)之间；干侧轴封(25),其布置于所述滑动轴承衬套(11)和干侧(5、50)之间；以及具有基板(21)的润滑剂储集器(20),所述基板在至少一些区段中为多孔的,所述润滑剂储集器至少布置在所述湿侧轴封(24)和所述滑动轴承衬套(11)之间；其中所述润滑剂储集器(20)在所述基板(21)的孔隙中包含不可溶于水的润滑剂,且所述润滑剂储集器(20)的体积和润滑剂填充物的体积占据所述湿侧轴封(24)和所述干侧轴封(25)之间的空间的总体积。(A compact bearing for a water pump is proposed, which is produced by means of a plain bearing and has a sealing arrangement, the compact bearing comprising: a plain bearing bushing (11) comprising an inner sliding surface and at least one radial recess (13) with an axial sliding surface; at least one shaft collar (31); a wet side shaft seal (24) arranged between the wet side (4, 40) and the plain bearing bushing (11); a dry side shaft seal (25) arranged between the plain bearing bushing (11) and the dry side (5, 50); and a lubricant reservoir (20) having a base plate (21), the base plate being porous in at least some sections, the lubricant reservoir being arranged at least between the wet side shaft seal (24) and the sliding bearing bushing (11); wherein the lubricant reservoir (20) contains a water-insoluble lubricant in the pores of the base plate (21), and the volume of the lubricant reservoir (20) and the volume of the lubricant filler occupy the total volume of the space between the wet-side shaft seal (24) and the dry-side shaft seal (25).)
技术领域
本发明涉及一种通过滑动轴承制造的且具有密封布置的用于水泵的紧凑型轴承，且涉及一种用于车辆中的冷却剂回路的包括具有所述密封布置的密封轴承的水泵。
背景技术
对于车辆中使用的水泵，存在共同的泵设计，其中泵轴杆借助于紧凑型轴承安装于泵壳体中，即，借助于吸收轴杆的径向力和轴向力两者的单个轴承单元而安装于泵壳体中。此布置准许相对于轴杆长度的紧凑型设计，且提供壳体配合和轴承间隙的数目、轴杆对准及生产和组装方面的优点。
被设计为滚动轴承的紧凑型轴承是现有技术中已知的。一般来说，它们对湿气的进入敏感，因为所使用的材料(确切地说，滚动主体的合适的钢)的耐腐蚀性不足以使其在湿气环境中使用。轴封处总是发生小泄漏。湿气的存在由于腐蚀的缘故会导致滚动主体和轴承套的表面质量减小，从而导致轴承的更大摩擦和相应的热量生成，且进一步后续损坏轴承和密封件。因此，轴杆轴承或其密封件常常构成泵的使用寿命的限制因素，因为它们本身由于压力和温度波动而经受摩擦磨损和脆化。
其中径向轴承被设计为通过所输送的冷却剂润滑的滑动轴承的水泵也是已知的。这些水泵以机械方式驱动或借助于湿运转电马达驱动。
专利申请DE 196 39 928 A1公开一种水泵，其以机械方式借助于传送带驱动，且其中连接到泵叶轮的轴杆借助于烧结的滑动轴承安装。轴承间隙通过待输送的介质而润滑。
轴封上的泄漏在滑动轴承上也成问题，确切地说，在例如电马达等湿气敏感的组合件布置在轴杆轴承的下游的情况下。
具有湿流道的电水泵的效率水平较低，因为用于容纳密封容器的定子和转子之间的间隙被证明为较大，且因此作用于转子上的场强度衰减。此外，转子上发生液体摩擦。此外，湿流道在定子和转子之间的间隙中的结冰所导致的低温下出现问题。
同一申请人的但尚未在本专利申请的申请日期公开的专利申请DE 10 2018 104015.6涉及借助于冷却剂润滑的烧结轴承的具有干运转电马达的水泵的轴承和密封件。此轴承和密封件的概念提供措施来排放冷却剂的不可避免的微小泄漏以便保护电马达和控制电子器件不因湿气进入而损坏。更精确地说，实现操作条件下的非临界湿气平衡，其中借助于马达的旋转和废热引导泄漏液滴离开而产生蒸汽，蒸汽经由隔膜逸出到大气中。
众所周知，径向轴封的使用寿命很大程度上取决于密封唇缘处的润滑条件。利用冷却剂润滑运转的密封唇缘具有比承载润滑油的系统的环境中的密封唇缘短的使用寿命，这是归因于润滑膜的摩擦系数和下文中阐述的现象。举例来说，观察到在密封唇缘的动态密封表面下形成不利地影响密封功能的沉积物。这是冷却剂泄漏所导致的，冷却剂泄漏在通过密封点后蒸发且留下冷却剂的晶体组分，从而在轴杆上形成沉积物。
发明内容
鉴于所陈述的现有技术，本发明的一目标是提供一种具有集成密封布置的轴杆轴承，其适合用作紧凑型轴承且准许水泵中的持久轴承润滑和密封。
所述目标通过根据技术方案1所述的具有密封布置的滑动轴承来实现。
本发明的具有密封布置的滑动轴承包括：滑动轴承衬套，其由烧结材料制成，且包含用于轴杆的圆周的内滑动表面以及具有相对于所述内滑动表面的轴向滑动表面的至少一个径向凹口；至少一个轴杆环管，其向所述轴杆的所述圆周提供径向突起，所述径向突起形成为与滑动轴承衬套的所述至少一个径向凹口互补；湿侧轴封，其布置于湿侧和滑动轴承衬套之间；干侧轴封，其布置于滑动轴承衬套和干侧之间；以及具有基板的润滑剂储集器，所述基板由非烧结材料制成且在至少一些区段中为多孔的，所述润滑剂储集器至少布置在湿侧轴封和滑动轴承衬套之间；其中所述润滑剂储集器在基板的孔隙中包含不可溶于水的润滑剂，且润滑剂储集器的体积和润滑剂填充物的体积占据湿侧轴封和干侧轴封之间的空间的总体积。
因此，本发明首次提供一种借助于滑动轴承制造的且适于水泵的紧凑型轴承。
此外，本发明首次提供一种承载相对于待输送介质的环境分离的润滑剂的滑动轴承。
本发明同样首次提供润滑剂储集器的使用，所述润滑剂储集器的结构为部分实心且部分黏性的，且其不仅用以使轴承润滑，而且由于其布置的缘故提供在水泵的操作环境中有利的持久密封功能，如稍后所解释。
在最一般形式中，本发明是基于在滑动轴承中使用润滑剂储集器的知识，这相对于周围介质产生局部结合的黏性缓冲垫，且在如此操作时不同方向的效应有助于滑动轴承中的密封功能。
在水泵的操作期间，实现泵腔室中的增加的递送压力和滑动轴承中的润滑剂储集器之间的压力平衡，同时防止不溶于水的润滑剂从基板的孔隙被冲刷掉。在滑动轴承衬套的方向上待输送介质的外部压力增加的情况下，润滑剂储集器的海绵状形态确保润滑剂储集器在径向方向分量上的任何膨胀会增加相对于位于其下游的润滑剂填充物的分离效应。润滑剂储集器的移位或压缩在轴向方向分量在到干侧的轴封上产生增加的接触压力，其中润滑剂储集器的下游的润滑剂填充物将接触力传递到相应密封唇缘且同时使密封唇缘润滑。
制造为滑动轴承且具有密封布置的紧凑型轴承的发明概念提供水泵中的若干优点。
到湿侧的轴封布置成邻近于或接触润滑剂储集器且被供应润滑剂。相应密封唇缘的动态密封表面始终以润滑膜润湿，且抑制由于冷却剂残余物而形成沉积物。同样，到干侧的相对轴封被供应润滑剂填充物，且因此具有润滑膜的相应密封唇缘在轴杆上滑动。用润滑剂润滑的轴封实现比冷却剂润滑的轴封显著更长的使用寿命。
基板的多孔结构和润滑剂不可溶于水的特性实现润滑剂的局部结合。由于在操作期间的压力均衡期间待输送介质的进入而防止滑动轴承被冲刷，且确保烧结的滑动轴承的低摩擦和低磨损。
密封布置在滑动轴承的结构内占据少量安装空间，且同时提供使用寿命的持续时间内的润滑。因此，具有密封布置的滑动轴承适合用作泵中的紧凑型轴承，即，用作用于泵轴杆的支承和密封的单个单元。
润滑剂填充物及充满润滑剂的润滑剂储集器的基板与轴封的协作改进了抵抗滑动轴承的轴向穿透的密封效应。因此，具有密封布置的滑动轴承适于具有湿气敏感组件的应用，例如，确切地说，干流道型电马达或电子器件。
在具有针对干运转电马达的改进的密封的水泵的常规设计中，用于从泵腔室捕获泄漏液滴的泄漏容器和蒸发孔设置在电马达的上游。相比于此些设计，尽管是可靠的密封件，但可简化壳体的设计，可节省安装空间和材料成本，且可实现更紧凑的总体尺寸。此外，曲径密封件或类似结构的密封件可被具有相对简单配置的密封唇缘的更有利轴封代替。
滑动轴承的可靠密封件准许使用电动泵驱动器，确切地说干流道，其由于转子和定子之间的较小气隙的缘故而具有较高效率水平。而且相比于湿流道，干流道更具有成本效益，因为它们可作为具有标准化组件的单独的单元购买，即，独立于泵的类型特定的几何结构。
本发明的具有密封布置的滑动轴承的有利发展是附属技术方案的主题。
根据本发明的一个方面，滑动轴承衬套可包含至少一个第一烧结部分和第二烧结部分，且所述至少一个凹口可形成在第一烧结部分和第二烧结部分之间的滑动轴承衬套的轴向分部处。因此，便于具有内径向凹口的烧结主体的制造和轴杆与轴杆环管的组装。
根据本发明的一个方面，滑动轴承衬套可包括具有轴向滑动表面的垂直交错区段之间的一个单个凹口，且单个轴杆环管可由固定在轴杆上的缸环提供。因此，借助于标准化组件简化了滑动轴承衬套的设计和轴杆环管的制造。
根据本发明的一个方面，基板的体积可完全由具有开放孔的结构形成，且所述开放孔可充满润滑剂。这优化了润滑剂储集器的海绵状形态。
根据本发明的一个方面，基板可由具有限定的孔隙度的聚合物基质制成。借助于聚合物基质，可制造多孔基板，其提供相对于合适的孔隙大小和润滑剂储集器的合适的弹性的优化的特性。
根据本发明的一个方面，润滑剂可以是合成油。因此，有可能提供相对于润滑、密封和泄漏特性的润滑剂填充物的应用优化的黏度。
根据本发明的一个方面，滑动轴承衬套的烧结材料可具有限定的孔隙度。这使得另外有可能用润滑剂均匀地浸渍烧结材料或使烧结材料充满润滑剂。相比于含有固态润滑剂的粒子或冷却剂润滑的烧结滑动轴承的变型的干运转烧结材料，当使用具有黏性润滑的烧结滑动轴承时实现较低摩擦系数和较长使用寿命。
根据本发明的一个方面，在滑动轴承衬套中，可形成延伸穿过滑动轴承衬套的至少一个轴向凹口，且润滑剂储集器和润滑剂填充物占据所述至少一个凹口的体积。确切地说，润滑剂储集器到滑动轴承衬套的相对侧的轴向延伸提供两个优点。一方面，可出于用润滑剂润滑烧结材料或使烧结材料充满润滑剂的目的而增加润滑剂储集器和滑动轴承衬套之间的体积和接触面积。另一方面，用来填充滑动轴承的润滑剂的总体积一旦增加，则结果是，将预期表面寿命的进一步增加。
根据本发明的一个方面，多个轴向凹口可形成于滑动轴承衬套的外圆周中。此实施例提供用于制造凹口的生产优化的简单整形。借助于轴向凹口的整形和外部定位，烧结主体的制造得以简化。
根据本发明的一个方面，润滑剂储集器的多孔基板可延伸穿过所述至少一个轴向凹口，且可与干侧轴封接触。因此，借助于与润滑剂储集器的接触，而非专门地借助于润滑剂填充物，来提供干侧上的轴封的润滑。因此，相对于污物粒子穿透到密封唇缘的内侧及润滑剂泄漏到密封唇缘的外侧的密封特性可进一步优化。
根据本发明的一个方面，干侧轴封的密封唇缘可朝向滑动轴承衬套倾斜。因此，密封唇缘按压到轴杆圆周上。
根据本发明的一个方面，干侧轴封可由包含(二)氟乙烯的氟橡胶制成。通过选择包括(二)氟乙烯的氟橡胶(或简称为FKM)，实现干侧上轴杆圆周上的密封唇缘的摩擦和使用寿命的应用优化的特性。
根据本发明的一个方面，湿侧轴封可由聚四氟乙烯制成。通过选择聚四氟乙烯(或简称为PTFE)，实现湿侧上轴杆圆周上的密封唇缘的摩擦和使用寿命的应用优化的特性。
根据本发明的一个方面，径向滑动轴承间隙被设定成3到10μm。由于此间隙尺寸范围，结合润滑剂实现滑动轴承衬套的烧结主体的摩擦和使用寿命的应用优化的特性。
根据本发明的一个方面，滑动轴承衬套、轴封和润滑剂储集器容纳在圆柱形轴承壳体内部。这准许密封布置相对于滑动轴承进行尺寸上稳定且齐平的安装，而与泵壳体的类型特定的几何结构无关，以及准许提供为单元或组合件。
根据本发明的一个方面，提供一种用于车辆中的冷却剂回路的水泵，其中具有密封布置的滑动轴承布置在泵壳体内部在其中泵轴杆与泵叶轮连接的泵腔室和用来驱动泵轴杆的泵壳体的驱动侧之间。
作为相对于安装空间优化的用于泵中的轴杆的单个紧凑型轴承来使用提供值得保护且包括具有密封布置的密封轴承的优选产品。
根据本发明的一个方面，提供相应电动水泵，其包括连接到泵轴杆的干流道型的电马达。此泵类型提供用于使用具有密封布置的滑动轴承的密封功能的值得保护的优选产品。
附图说明
将在下文中参考图式在水泵中的使用的示例性实施例和实例的辅助下描述本发明。在各图中：
图1展示本发明的具有密封布置的滑动轴承的一个实施例的清晰视野纵向截面视图；
图2以泵壳体的区段展示本发明的具有密封布置的滑动轴承的实施例的横截面；
图3展示其中布置本发明的具有密封布置的滑动轴承的实施例的水泵的纵向截面视图。
具体实施方式
将在下文中描述密封的滑动轴承的实施例。
图1展示呈轴向和径向集成的烧结滑动轴承的形式的滑动轴承1。由烧结材料(确切地说，多孔烧结金属合金)制成的滑动轴承衬套11提供用于轴杆3的圆周的两个内径向滑动表面。轴杆3借助于约3到10μm的径向轴承间隙容纳可旋转地容纳在滑动轴承衬套1中。滑动轴承衬套11a、11b在中心轴向区中包括径向凹口13，所述径向凹口具有比所述两个内径向滑动表面的内径大的内径。滑动轴承衬套11在凹口13的内径和内径向滑动表面的内径之间的垂直转变梯级处提供用于轴杆环管31的轴向滑动表面。轴杆环管31为缸环，其借助于热处理和冷却滑动和收缩到轴杆3的圆周上。轴杆环管31可旋转地接收在凹口13中，其中两个轴向轴承间隙形成于轴杆环管31的径向突起的端面表面和滑动轴承衬套11的内径的转变梯级之间。滑动轴承衬套11划分成第一烧结部分11a和第二烧结部分11b。分部优选地在滑动轴承衬套11的轴向中心处延伸穿过凹口13，使得两个烧结部分11a、11b可均匀地形成且可以镜射的方式组装。
借助于滑动轴承1的润滑剂填充物的润滑剂来辅助轴杆3和多孔烧结材料之间的滑动特性。滑动轴承衬套11和润滑剂填充物连同密封布置2一起接收在圆柱形轴承壳6中。圆柱形轴承壳6在右边示出的侧部上具有阶梯式基底，其具有用于轴杆3的贯穿开口。
密封的滑动轴承1被设计成密封待安装于接触液体介质的湿侧4和干侧5(例如，腔或外侧)之间的轴杆3，使得即使当两侧4和5之间存在压力差时，液体介质也不轴向通过滑动轴承1。为此，滑动轴承1装备有密封布置2。滑动轴承1的密封布置2包括湿侧轴封24、干侧轴封25和密封有效的润滑剂储集器20。
干侧轴封25是具有相对于轴杆3的动态密封表面的径向轴封环，且封闭轴杆3和轴承壳6的阶梯式基底中的贯穿开口之间的开口间隙。轴封25的密封唇缘在偏移边缘和轴杆圆周之间朝内向接收在滑动轴承衬套11的端侧中的空间内倾斜。所述空间由滑动轴承衬套11和轴封25之间的润滑剂填充物占据。湿侧轴封24是具有相对于轴杆3的动态密封表面的径向轴封环，且封闭轴杆3和轴承壳6的外围之间的径向开口。轴封24借助于夹持环14抵着滑动轴承衬套11的端侧固持。轴封24的密封唇缘具有在轴杆圆周上的面朝外朝向湿侧4的凸缘。轴封24由PTFE组成，且轴封25由FKM组成。
如图2中的横截面中所展示，在滑动轴承衬套11的外围外表面中在轴向方向上从一端向另一端引入三个凹槽，作为轴向凹口12。轴向凹口12(尤其)允许在润滑剂和滑动轴承衬套11的多孔烧结材料之间的大面积上接触。此外，凹口12建立轴承间隙外部的两个轴封24和25之间的液体连接。为了同样在轴向凹口12的区中在滑动轴承衬套11的端侧上提供用于轴封24和25的圆周支承表面，将固定环15布置于滑动轴承衬套11与轴封25和25之间。
润滑剂储集器20位于湿侧轴封24和滑动轴承衬套11之间的接收在滑动轴承衬套11的端侧中的空间中。在所说明的实施例的情况下，润滑剂储集器20具有由多孔基板21组成的三个轴向延伸部，其占据三个轴向凹口12的空间且用润滑剂填充所述三个轴向凹口。此外，多孔基板21在滑动轴承衬套11的相对侧上延伸直到干侧的轴封25，且与其密封唇缘接触。
在各图中，通过水平影线示出润滑剂储集器20。在相对于润滑剂填充物的剩余体积的定界定义中，润滑剂储集器20由作为用于润滑剂的局部结合的基本结构的多孔基板21以及结合在多孔基板21中的润滑剂的体积组成。基板21沿圆周径向接触轴杆3和空间或轴承壳体6的外边界表面。润滑剂储集器20具有海绵状形态，且在无多孔基板21的情况下被作为由相同润滑剂组成的液体缓冲垫的润滑剂填充物包围在未示出的区中。
润滑剂储集器20是混合润滑剂，其原理被定义为“固体油”。多孔基板21由弹性柔性聚合物基质组成，优选地由具有以毛细管方式作用的开放式孔结构的所谓的Mikrozella组成。吸收在润滑剂储集器20的基板21的孔隙中或以过饱和状态释放且还形成润滑剂填充物的润滑剂是由合成烃类、硅氧烷油、酯油等组成的润滑油，其黏度被调整到基板21以及滑动轴承衬套11的烧结材料及滑动轴承1的负载的孔隙度。
当润滑剂储集器20在湿侧4上液体介质的外部作用压力下与轴封24和25交互时，发生密封布置2的密封功能。其结果是，在轴封24的密封唇缘下方发生介质到滑动轴承1中的小泄漏，直至建立压力均衡。来自左边示出的润滑剂储集器20的侧部的上升压力实现多孔基板21的轴向压缩和径向膨胀。因此，海绵状润滑剂储集器20抵着轴杆3和轴承壳6的径向按压增加。多孔基板21中结合的润滑剂的不溶于水的特性确保已穿透的介质和滑动轴承1的位于其下游的部分之间的介质分离，使得防止润滑剂填充物被冲刷掉。此外，借助于润滑剂填充物来增加干侧轴封25的朝内倾斜的密封唇缘上的轴向接触压力。因为借助于润滑剂使密封唇缘润滑，所以相对于摩擦磨损的增加的表面压力无关紧要。
下文中描述其中使用密封的滑动轴承1的水泵10的使用的实例。
如图3中的水泵10的纵向截面视图中可以看出，泵壳体60在左边示出的侧部上包括延伸到泵腔室40中的摄入连接61和压力连接62。摄入连接61充当泵入口，且其呈壳体盖的形式在泵腔室40的开放的轴向端处适配到泵壳体60上。摄入连接61导向固定在泵轴杆30上的泵叶轮41。泵腔室40的圆周被螺旋形壳体64环绕。螺旋形壳体64在上方切向地延伸到形成泵出口的压力连接62中。泵叶轮41是具有中心开口的已知的径向泵叶轮。穿过摄入连接61流向泵叶轮41的待输送的流通过泵叶轮41的叶片径向朝外加速到泵腔室40的螺旋形壳体64中，且通过压力连接62转向。
泵壳体60的驱动侧50位于右边示出的侧部上。驱动侧50形成为泵壳体60中的电马达51的接收腔室，且与泵腔室40分离。泵壳体60的形成为接收腔室的驱动侧50的轴向开放端借助于马达盖65封闭。电马达51是内流道。转子53为钟形，且连接到右边示出的泵轴杆30的自由端。转子53相对于以同轴方式配置以用于接收密封的滑动轴承1的凸缘形轴承座66呈周向。转子53被布置于泵壳体60上的外部定子52环绕。电马达51为干流道型，即，定子52的磁场线圈暴露于气隙(与转子53相对)。
泵轴杆30在泵腔室40和驱动侧50(形成为接收腔室)之间延伸穿过泵壳体60。凸缘形轴承座66布置于泵壳体60的驱动侧50和泵腔室40之间。滑动轴承1的圆柱形轴承壳体6从泵腔室40的侧部插入到凸缘形轴承座66的端部处的阶梯形部分，且借助于压配合固定。因此，电马达51借助于滑动轴承1的密封设备2抵着泵腔室40中待输送的介质密封在干驱动侧50(形成为接收腔室)上。
在替代实施例中，润滑剂储集器20的多孔基板21可仅布置在湿侧轴封24和滑动轴承衬套11之间，其中可省略轴向凹口12，或润滑剂储集器20的多孔基板21可端接在轴向凹口12的任何延伸部处。在这些情况下，在无多孔基板21的情况下，借助于润滑剂填充物(即，润滑剂的液体缓冲垫)占据到干侧轴封25的剩余空间的体积。
或者，轴杆环管31可具有不同轮廓，例如一个或多个圆形、波状或楔形径向突起等，其中一个或多个互补径向凹口13和任选地到多个烧结部分的轴向划分相应地设置在滑动轴承衬套11中。
应了解，或者，凹口12的数目和形状可在滑动轴承衬套11的两个轴向端之间变化。同样，可提供一个或多个凹口12的螺旋形状、曲径或其它结构。可同样穿过滑动轴承衬套11的外围厚度设置凹口12。
多孔基板21可同样具有芯区，而无开放孔，或可借助于不同材料部分固定在润滑剂储集器20的芯区中。
参考标号的列表：
1 滑动轴承
2 密封布置
3 轴杆
4 湿侧
5 干侧
6 轴承壳体
10 水泵
11 滑动轴承衬套
11a 滑动轴承衬套的第一烧结部分
11b 滑动轴承衬套的第二烧结部分
12 轴向凹口
13 径向凹口
14 夹持环
15 固定环
20 润滑剂储集器
21 多孔基板
24 湿侧轴封
25 干侧轴封
30 泵轴杆
31 轴杆环管
40 泵腔室
41 泵叶轮
50 驱动侧
51 电马达
52 定子
53 转子
60 泵壳体
61 摄入连接
62 压力连接
64 螺旋形壳体
65 马达盖
66 轴承座。
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