Подкрепляющее кольцо

Подкрепляющее кольцо

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится, в целом, к подкрепляющим кольцам, которые располагаются между подвижными частями, и, в частности, к усовершенствованной системе, способу и устройству, использующим подкрепляющее кольцо.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Подкрепляющие кольца ограничивают движение между относительно подвижными частями, такими как торсионные валы в отверстиях корпуса. Один из типов подкрепляющих колец представляет собой кольцевую полосу, расположенную в зазоре между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью отверстия. Такое подкрепляющее кольцо ограничивает радиальное перемещение вала внутри отверстия, но по-прежнему допускает вращение.

В традиционных конфигурациях подкрепляющего кольца отыскивается точная посадка между внутренним и наружным компонентами. Кроме того, отыскиваются или силы, обеспечивающие максимальное сцепление силами трения, или минимальное изменение в силах скольжения. Точная посадка между компонентами желательна потому, что она уменьшает относительную вибрацию между частями. Указанные требования между внутренним и наружным компонентами требуют крепкого и прочного контакта, увеличивающего силы трения.

Также известны подкрепляющие кольца, которое обеспечивают защиту от перегрузки по крутящему моменту для применений с крутящими моментами, превышающими 50 Нм, с относительно небольшими скоростями вращения и небольшими циклами углового скольжения. Эти применения включают опору понижающей передачи, ступени передач на грузовиках с четырьмя ведущими колесами и приводы откидных сидений. Подкрепляющие кольца для этих применений по обыкновению выполняются из термообработанной углеродистой стали толщиной более 0,4 мм и содержат множество прочных волн с высоким коэффициентом трения для обеспечения требуемого крутящего момента. И хотя эти решения пригодны для работы в некоторых применениях, продолжают представлять интерес усовершенствования подкрепляющих колец.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления системы, способа и устройства для подкрепляющего кольца содержат узел в сборе, содержащий наружный компонент, внутренний компонент, расположенный в наружном компоненте и подвижный относительно него, и подкрепляющее кольцо, установленное между внутренним и наружным компонентами.

В других вариантах осуществления узел в сборе содержит наружный компонент, внутренний компонент, расположенный в наружном компоненте и подвижный относительно него, и подкрепляющее кольцо, установленное между внутренним и наружным компонентами. Подкрепляющее кольцо обеспечивает радиальную жесткость, превышающую примерно 20000 Н/мм, и параметры, выбранные из следующего: момент проскальзывания в интервале 1-25 Нм, и диаметр менее примерно 40 мм; момент проскальзывания в интервале 1-100 Нм, и диаметр более примерно 40 мм; или низкое сопротивление осевому скольжению в интервале 10-600 Н и диаметр более 10 мм. Применения, содержащие меньшие диаметры, могут предусматривать менее высокую радиальную жесткость.

В других вариантах осуществления узел подкрепляющего кольца в сборе содержит наружный компонент, содержащий отверстие с осью внутри него, и внутренний компонент, установленный в отверстии наружного компонента так, чтобы внутренний компонент сопрягался с наружным компонентом и был подвижен относительно него. Подкрепляющее кольцо располагается в отверстии между внутренним и наружным компонентами, подкрепляющее кольцо содержит металлическую кольцевую полосу и материал с низким коэффициентом трения, присоединенный к металлической кольцевой полосе, подкрепляющее кольцо также содержит ряд выступов, проходящих относительно оси, при этом выступы сжимаются между внутренним и наружным компонентами так, что подкрепляющее кольцо функционирует в уплощенной части характеристики силы сжатия/удержания, посредством чего выступы изначально проявляют упругие свойства и пластически деформируются, и подкрепляющее кольцо обеспечивает силу защиты от перегрузки, имеющую величину менее 100 Нм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Для того чтобы способ, которым достигаются характерные признаки и преимущества, был более понятен, может быть представлено более доскональное описание с отсылкой к вариантам осуществления, которые проиллюстрированы в прилагаемых графических материалах. Однако графические материалы иллюстрируют лишь некоторые варианты осуществления и поэтому не могут рассматриваться как ограничивающие его объем.

На фиг.1 представлен вид в перспективе одного из вариантов осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.2 представлен вид в перспективе другого варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.3 представлен вид в осевом разрезе кольца, представленного на фиг.2, в устройстве;

на фиг.4 представлен вид в радиальном разрезе кольца, представленного на фиг.3, в устройстве;

на фиг.5А-Е представлены различные виды третьего варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.6А-Е представлены различные виды третьего варианта осуществления подкрепляющего кольца, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.7 представлен схематический вид сбоку в разрезе другого варианта осуществления подкрепляющего кольца, которое содержит коррозиестойкие слои и сконструировано в соответствии с настоящим изобретением.

Использование одинаковых условных обозначений на разных иллюстрациях указывает сходные или идентичные элементы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 представлено подкрепляющее кольцо 100, раскрывающее один из вариантов осуществления изобретения. Подкрепляющее кольцо 100 содержит полосу 102 из упругого материала (например, из пружинной стали), которая изогнута в кольцеобразную (по существу кольцевую) форму. Концы полосы 102 не сходятся (например, кольцо может быть сформировано как кольцо с прорезью) и, таким образом, оставляют зазор 106, проходящий в осевом направлении смежно с периферией полосы. В других вариантах осуществления полоса может быть изогнута так, чтобы концы перекрывались друг с другом. В других вариантах осуществления полоса может представлять собой непрерывное, цельное кольцо. Внутренняя поверхность подкрепляющего кольца 100 содержит слой 104 с низким коэффициентом трения, который принимает форму полосы.

Подкрепляющее кольцо 100 содержит ряд разнесенных выступов 108, которые проходят радиально наружу от наружной поверхности подкрепляющего кольца 100. На осевом конце каждого из выступов 108 находится плоский, проходящий по окружности обод 109 из материала кольца. Кроме того, каждый выступ 108 отделяется от соседствующих с ним выступов плоским участком 110 подкрепляющего кольца 100, который может быть сформирован как единое целое с ободьями 109. Выступы 108 представляют собой вытянутые в осевом направлении гребни, которые по форме сходны с волнами, используемыми на традиционных подкрепляющих кольцах. Вершина каждого гребня закруглена, а осевые концы каждого гребня заканчиваются сужающимся бортом 111.

В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо 100 может формироваться из плоской полосы упругого материала (который образует полосу 102). Перед изгибом полосы в изогнутую форму и перед формированием выступов на одну поверхность полосы может наносится слой 104 с низким коэффициентом трения. В других вариантах осуществления, слой 104 с низким коэффициентом трения может наносится на обе поверхности плоской полосы. После крепления слоя 104 с низким коэффициентом трения к плоской полосе, полученная слоистая конструкция штампуется (например, прессуется с использованием подходящей по форме пресс-формы, ротационной ударной штамповки и т.д.) с образованием выступов 108. Таким образом, выступы 108 формируются как из полосы упругого материала, так и из слоя 104 с низким коэффициентом трения. Материал слоя 104 с низким коэффициентом трения может выбираться так, чтобы он был гибким, облегчая указанный этап штамповки. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, выступы 108 выступают радиально наружу из полосы 102. В других вариантах осуществления они могут выступать радиально внутрь из слоя 104 с низким коэффициентом трения. После формирования выступов 108 слоистая конструкция изгибается в кольцеобразную конфигурацию, показанную на фиг.1. В показанном варианте осуществления полоса 102 представляет собой наружный материал. В других вариантах осуществления полоса 102 может представлять внутренний материал. В других вариантах осуществления выступы 108 могут проходить радиально внутрь или наружу в зависимости от конкретной ситуации и независимо от того, обеспечивает полоса 102 внутренний или наружный материал подкрепляющего кольца 100.

Во время работы, подкрепляющее кольцо 100 располагается между двумя компонентами. Например, оно может быть расположено в кольцевом промежутке между валом и отверстием в корпусе. Выступы 108 сжимаются между внутренним и наружным компонентами. Каждый выступ играет роль пружины и деформируется для подгонки компонентов друг к другу с нулевым просветом между ними. Иными словами, внутренний компонент вступает в контакт с внутренними поверхностями подкрепляющего кольца, а наружный компонент вступает в контакт с наружными поверхностями подкрепляющего кольца.

Если к одному или обоим компонентам, внутреннему и наружному, прилагаются силы (например, вращающие или линейные), так что между внутренним и наружным компонентами действует результирующая сила, внутренний и наружный компоненты могут двигаться относительно друг друга. Поскольку в некоторых вариантах осуществления существует нулевой просвет между компонентами, то имеется пара контактирующих поверхностей, которые скользят одна относительно другой. Это называется поверхностью скользящего контакта. В некоторых вариантах осуществления поверхность скользящего контакта возникает на поверхностях контакта между слоем 104 с низким коэффициентом трения и внутренним компонентом (см., например, фиг.3). Поверхности контакта могут включать внутренние поверхности плоских ободьев 109 и «отпечатки» каждого из выступов 108 (т.е. области вокруг краев каждого из выступов 108, где они смыкаются с полосой 102). Материал слоя 104 с низким коэффициентом трения и конфигурация выступов 108 обеспечивают силу скольжения на поверхности скользящего контакта, которая значительно ниже ожидаемого значения, выведенного из силы радиальной нагрузки, сообщаемой выступами. Указанная низкая сила скольжения облегчает движение между движущимися поверхностями контакта.

Для сравнения, на поверхностях контакта между наружным компонентом и наружными поверхностями полосы 102, сила трения может быть достаточной для того, чтобы удерживать подкрепляющее кольцо 100 на месте относительно наружного компонента. В других вариантах осуществления обе поверхности полосы 102 могут быть покрыты слоем с низким коэффициентом трения. Таким образом, в этих вариантах осуществления, может существовать две поверхности скользящего контакта.

На фиг.2 представлен другой вариант осуществления подкрепляющего кольца 200, содержащего полосу 202, изогнутую в трубчатую конфигурацию с осевым зазором 206 на окружности. Аналогично фиг.1, внутренняя поверхность полосы 202 содержит нанесенный на нее слой 204 с низким коэффициентом трения. Полоса 202 также содержит ряд выступов 208, которые проходят радиально наружу от ее наружной поверхности. Выступы 208 могут, как показано, соприкасаться друг с другом на окружности или могут быть разнесены по окружности, как в варианте осуществления, представленном на фиг.1. Подкрепляющее кольцо 200 может изготавливаться описанным выше способом так, что слой 204 с низким коэффициентом трения приобретает форму полосы 202, включая выемки, которые соответствуют различным неровностям поверхности выступов 208. Подкрепляющее кольцо 200 содержит плоские ободья, или воротнички 210, на каждом из осевых концов выступов 208.

Подкрепляющее кольцо 200, представленное на фиг.2, отличается от кольца, представленного на фиг.1 тем, например, что на нем меньше выступов по периметру окружности полосы, и практически отсутствуют плоские промежутки между соседствующими выступами.

На фиг.3 представлен вид в осевом разрезе устройства 300, включающего другой вариант осуществления. Устройство 300 содержит, например, подкрепляющее кольцо 200, показанное на фиг.2. Устройство 300 содержит корпус 302, или наружный компонент. Корпус 302 содержит сформированное в нем осевое отверстие 304, которое вмещает вал 306, или внутренний компонент. Подкрепляющие кольца могут использоваться в этих применениях для сообщения крутящего момента или в качестве ограничителей крутящего момента.

Между наружной поверхностью 308 вала 306 и внутренней поверхностью 310 отверстия 304 существует кольцевой зазор. Размер этого кольцевого зазора является варьируемым, поскольку диаметры вала 306 и отверстия 304 могут варьироваться в пределах производственных допусков. Для предотвращения вибрации вала 306 в отверстии 304 кольцевой зазор заполняется подкрепляющим кольцом 200, образуя беззазорную посадку между компонентами. На фиг.3 представлено, что подкрепляющее кольцо 200 включает полосу 202 в качестве наружного слоя и слой 204 с низким коэффициентом трения - в качестве внутреннего слоя, который соответствует форме полосы 202. При использовании кольцевые выступы 208 подкрепляющего кольца 200 радиально сжимаются в кольцевом зазоре между валом 306 и корпусом 302, и, таким образом, полоса 202 вступает в контакт с внутренней поверхностью 310 отверстия 304. Поверхность скользящего контакта образуется там, где слой 204 с низким коэффициентом трения вступает в контакт с наружной поверхностью 308 вала 306. Поэтому подкрепляющее кольцо 200 уменьшает зазор до нуля, и, таким образом, просвет между компонентами устройства 300 отсутствует.

Область контакта между наружной поверхностью 308 и слоем 204 с низким коэффициентом трения представляет собой поверхность скользящего контакта, на которой возникает относительное движение между валом 306 и подкрепляющим кольцом 200. Подкрепляющее кольцо 200 фиксировано относительно корпуса 302 посредством сцепления силами трения в области контакта между полосой 202 и внутренней поверхностью 310.

Если в ходе использования возникает износ вала 306 или слоя 204 с низким коэффициентом трения на поверхности скользящего контакта, выступы 208 могут его компенсировать путем упругого перемещения к их состоянию покоя, таким образом, сохраняя контакт с валом 306 и корпусом 302. Поэтому срок службы подкрепляющего кольца 200 может превосходить срок службы традиционных подкрепляющих колец для обеспечния нулевого зазора без упруго сжимаемых выступов.

На фиг.4 представлен вид в радиальном разрезе устройства, содержащего корпус 302 и вал 306. В показанном варианте осуществления подкрепляющее кольцо 200 удерживается на вале 306. Наружный диаметр вала 306 больше внутреннего диаметра подкрепляющего кольца 200 в состоянии покоя. Таким образом, для посадки подкрепляющего кольца вокруг поверхности 308 вала, подкрепляющее кольцо должно расшириться (осевой зазор 206 (фиг.2) должен стать шире). Внутри отверстия 304 корпуса 302 выступы 208 сжимаются в кольцевом зазоре, или в промежутке между компонентами на внутренней поверхности 310. В этой конфигурации коэффициент трения на поверхности скользящего контакта (между валом 306 и слоем 204 с низким коэффициентом трения) очень мал по сравнению с коэффициентом трения в области контакта между полосой 202 и корпусом 302. Таким образом, скольжение по существу ограничивается поверхностью скользящего контакта, где происходит по существу свободно. В других вариантах осуществления расположение выступов 208 и слоя 204 с низким коэффициентом трения может быть таким, чтобы поверхность скользящего контакта находилась между корпусом 302 и подкрепляющим кольцом 200.

На фиг.5А-Е представлены различные перспективные, данные в разрезе, торцевые осевые и боковые виды другого варианта осуществления подкрепляющего кольца 500. Подкрепляющее кольцо 500 включает полосу 502, изогнутую в трубчатую конфигурацию с осевым зазором 506 на ее окружности. Внутренняя поверхность полосы 502 содержит нанесенный на нее слой 504 с низким коэффициентом трения. Полоса 502 также содержит ряд выступов 508, которые проходят радиально внутрь. Подкрепляющее кольцо 500 может изготавливаться так, как это описано в данном раскрытии, чтобы слой 504 с низким коэффициентом трения имел однородную толщину и приобретал форму полосы 502, включая выемки, которые совпадают с различными неровностями поверхности выступов 508. Подкрепляющее кольцо 500 может включать сужающиеся борта 511 и плоские кольцевые ободья, или воротнички 509, на осевом конце каждого из выступов 508, а также плоские промежутки 510 между выступами 508.

На фиг.6А-Е изображены виды еще одного варианта осуществления подкрепляющего кольца 600. Подкрепляющее кольцо 600 содержит полосу 602 из упругого материала, которая изогнута в кольцевую форму. В показанном варианте осуществления концы полосы 602 не сходятся и оставляют зазор 606, однако кольцо может формироваться и как непрерывное кольцо. Внутренняя поверхность подкрепляющего кольца 600 содержит нанесенный на нее слой 604 с низким коэффициентом трения, такой как слой PTFE, который приобретает форму полосы 602.

Подкрепляющее кольцо 600 содержит ряд разнесенных выступов 608, которые проходят радиально наружу от наружной поверхности подкрепляющего кольца 600. На осевом конце каждого из выступов 608 находится плоский, проходящий по окружности обод 609. Каждый выступ 608 также отделяется от соседствующих с ним выступов плоским участком 610, который может быть сформирован в виде поскости как единое целое с ободьями 609. Выступы 608 представляют собой вытянутые в осевом направлении гребни, где вершина каждого гребня закруглена, а осевые концы каждого гребня заканчиваются сужающимся ботром 611.

В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо 600 может формироваться из плоской полосы упругого материала (как, например, полосы 602). Перед тем, как полоса изгибается в изогнутую форму, и перед тем, как формируются выступы, на ее поверхность наносят слой 604 с низким коэффициентом трения. В других вариантах осуществления слой 604 с низким коэффициентом трения может быть нанесен на обе поверхности плоской полосы. После прикрепления слоя 604 с низким коэффициентом трения полученная слоистая конструкция штампуется для формирования выступов 608. Таким образом, выступы 608 формируются как из полосы гибкого материала 602, так и из слоя 604 с низким коэффициентом трения. Материал слоя 604 с низким коэффициентом трения может выбираться так, чтобы он был гибким для облегчения указанного этапа штамповки. И хотя выступы 608 выступают радиально наружу из полосы 602, они могут выступать и радиально внутрь из слоя 604 с низким коэффициентом трения. После формирования выступов 608 слоистая конструкция изгибается в кольцеобразную конфигурацию. В показанном варианте осуществления полоса 602 представляет собой наружный материал, однако она может быть наружным материалом. В других вариантах осуществления выступы 608 могут проходить радиально внутрь или наружу в зависимости от конкретной ситуации и независимо от того, обеспечивает полоса 602 внутренний или наружный материал подкрепляющего кольца 600.

В некоторых вариантах осуществления в применениях для защиты от перегрузки предусматриваются подкрепляющие кольца с силами защиты от перегрузки по крутящему моменту, имеющими величину, например, менее 25 Нм, с общим диаметром менее 40 мм. Применения этих вариантов осуществления включают, например, регуляторы положения сиденья, гибридные механизмы двойного сцепления, регулировку подголовников сидений, силовые приводы дверей, кронштейны рамы и т.д.

Другие варианты осуществления обеспечивают силы защиты от перегрузки по крутящему моменту, имеющие величину, например, менее 100 Нм, при диаметрах более 65 мм, как, например, для применений, включающих стартеры, применения в трансмиссии и т.д. В некоторых вариантах осуществления для этих конструкций может использоваться полоса из нержавеющей стали толщиной менее 0,40 мм. Другие варианты осуществления могут включать диаметры, например, 40-65 мм с промежуточными уровнями защиты от перегрузки по крутящему моменту. Более того, смазка не требуется, что особенно благоприятно для применений, в которых использование смазки исключается по техническим или эстетическим причинам.

В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо формируется из пружинной стали (например, холоднокатаной нержавеющей стали) и содержит нанесенный на нее слой с низким коэффициентом трения. Например, нержавеющая сталь может иметь толщину 0,1-0,7 мм, а слой с низким коэффициентом трения может иметь толщину в интервале примерно 0,05-0,50 мм (например, 0,25 мм) и крепиться к стали перед тем, как подкрепляющее кольцо формуется в его круглую форму.

Подкрепляющее кольцо может формироваться с геометрическими волнами, которые конструируются для достижения пружинных характеристик, требуемых в предполагаемом конкретном применении для управления силами. Слой с низким коэффициентом трения понижает силы скольжения, уменьшает изменение сил и обеспечивает поверхность скольжения с низким коэффициентом трения, которая выдерживает множество проскальзываний без износа лежащих в ее основе материалов. Это позволяет конструировать подкрепляющие кольца, выполняющие функции управления силами, невозможные в пределах рабочих характеристик, достижимых путем варьирования одной лишь геометрии подкрепляющего кольца, таких как низкий момент проскальзывания, низкая сила скольжения, без снижения силы в ходе множества циклов проскальзывания. Например, подкрепляющее кольцо в соответствии с настоящим изобретением уменьшает силу скольжения, или момент проскальзывания, до, приблизительно, 1/2-1/3 относительно величины, которую можно было бы ожидать для подкрепляющего кольца эквивалентной конструкции, выполненного только из металла. В результате варианты осуществления, раскрытые в данном раскрытии, значительно более стабильны, чем конструкции на известном уровне техники.

В этом раскрытии момент проскальзывания определяется как момент, при котором два компонента, которые соединены подкрепляющим кольцом, начинают вращаться один относительно другого под действием приложенной к системе нагрузки крутящим моментом. Фиксация подкрепляющим кольцом будет удерживать сопряженные компоненты вместе без относительного вращения до достижения указанного порогового значения, когда силы трения, генерируемые путем сжатия волн подкрепляющего кольца, будут преодолены, и возникнет соответствующее вращение, которому противостоят силы трения. Сходным образом, осевая сила скольжения представляет собой то же самое, но в осевом направлении. Подкрепляющее кольцо будет допускать осевое скольжение между двумя компонентами только в том случае, если превышено пороговое значение силы. Пороговая сила генерируется силами трения, генерируемыми посредством сжатия волн подкрепляющего кольца. Сила защиты от перегрузки, или момент, возникает там, где значения момента проскальзывания, или силы скольжения, подкрепляющего кольца устанавливаются так, чтобы они были ниже безопасной нагрузки системы. Подкрепляющее кольцо допускает проскальзывание, если система получает внешнюю нагрузку, превышающую пороговое значение, что, в противном случае, может приводить к повреждению системы.

Соответственно, варианты осуществления волн подкрепляющих колец имеют большую высоту, чем размер радиального промежутка, в котором они должны устанавливаться. Поэтому в результате установки волны сжимаются и вызывают силу, зависящую от их жесткости и величины сжатия, и, таким образом, они генерируют силу, удерживающую узел в сборе.

Как правило, сопряженные компоненты узла и волны подкрепляющего кольца сами по себе обладают изменчивостью размеров в пределах заданных допусков. Поэтому фактическая величина сжатия волн и, соответственно, силы, генерируемые в узле, могут варьироваться от узла к узлу. Однако если сжимать волны за пределы их «зоны упругости», они постепенно начинают вести себя более пластично, ограничивая дальнейшее увеличение силы при дальнейшем сжатии. Этот эффект важен тогда, когда подкрепляющие кольца обеспечивают управление силой скольжения (как осевой, так и вращательной), для минимизации изменения силы из-за изменения сжатия, где волны сконструированы для их сжатия в «зону пластичности».

Например, в применениях для управления осевой силой скольжения, которые требуют низких сил, таких как осевые силы скольжения в интервале примерно 30-300 Н (и, в некоторых вариантах осуществления, 10-600 Н), с диаметрами компонентов по меньшей мере примерно 10 мм, а также в применениях для ограничения крутящего момента, которые требуют момента проскальзывания в интервале примерно 1-25 Нм с компонентами диаметром менее примерно 40 мм и радиальной жесткостью более примерно 20000 Н/мм, или момента проскальзывания в интервале примерно 1-100 Нм с диаметрами компонентов более примерно 40 мм и радиальной жесткостью более примерно 20000 Н/мм, с традиционными конструкциями подкрепляющих колец очень трудно достигнуть подходящих сил скольжения. Для достижения столь малых сил необходимы тонкие материалы и «непрочная» геометрия волн с тем, чтобы приблизиться к рабочим характеристиками пластмассовой пружины, что приводит к чрезвычайно непрочным конструкциям, которые трудны в обращении, и если они все же устанавливаются, то имеют очень низкую радиальную жесткость.

Например, в одном из экспериментов сравнивалось традиционное подкрепляющее кольцо, включающее простое стальное кольцо, с подкрепляющим кольцом, сконструированным в соответствии с изобретением и со слоем с низким коэффициентом трения на идентичном стальном кольце. Так, геометрия стального кольца для обоих колец была аналогична, например, диаметр 35 мм, ширина 12 мм и толщина 0,2 мм, в кольца впрессовывались волны (например, 9 волн на кольцо), имеющие высоту 1 мм, с промежутком между волнами, одинаковым для обоих стальных колец. Единственным различием в данном эксперименте было то, что усовершенствованное подкрепляющее кольцо в соответствии с изобретением также включало кольцо из PTFE, имеющее дополнительную толщину 0,25 мм. Таким образом, кольцо со слоем PTFE включало толщину стали 0,2 мм и толщину PTFE 0,25 мм. Пружинная жесткость для традиционного кольца из одной только стали и для кольца, покрытого PTFE, была приблизительно идентичной, поскольку PTFE оказывает очень малое влияние на форму кривой зависимости прогиба от нагрузки, если волновая геометрия стали сохраняется. Силы скольжения для обеих экспериментальных конструкций достигали 1000 Н - для подкрепляющего кольца из одной только стали, и лишь 400 Н - для кольца, покрытого PTFE. И хотя кольцо из одной только стали имеет толщину лишь 0,2 мм, силы скольжения для него намного выше из-за более высокого коэффициента трения в отсутствие PTFE и износа, который возникает в ходе относительного движения.

В другом примере и сравнении подкрепляющих колец для применения к моментам проскальзывания испытывались подкрепляющие кольца, имеющие диаметр 20 мм, ширину 18 мм, высоту волн 1 мм и промежуток между волнами 7 мм. В данном применении имелся целевой момент проскальзывания 4 Нм. Для достижения поставленной цели подкрепляющее кольцо согласно изобретениею формировалось из полосы материала нержавеющей стали и имело толщину 0,4 мм плюс нанесенный слой PTFE толщиной 0,25 мм. Этот вариант осуществления генерирует момент проскальзывания величиной лишь 4 Нм, однако имеет весьма значительную радиальную жесткость по отношению к приложенной извне нагрузке величиной 50000 Н/мм.

Напротив, генерирование целевого момента проскальзывания величиной лишь 4 Нм с традиционным подкрепляющим кольцом из одной только стали требует уменьшения толщины стали до величины всего 0,2 мм. В результате радиальная жесткость этой традиционной конструкции, для сравнения, составляет всего 12000 Н/мм. Таким образом, для достижения целевого момента проскальзывания толщину необходимо уменьшать, что приводит к радиальной жесткости, которая более чем вчетверо меньше радиальной жесткости, достижимой настоящим вариантом осуществления изобретения. Этот эксперимент показывает, что варианты осуществления изобретения обеспечивают намного более жесткий узел в сборе для применения с низким моментом проскальзывания, что особенно важно тогда, когда требуется сопротивление внешней нагрузке. Более того, на практике традиционное подкрепляющее кольцо из одного лишь металла быстро выходит из строя в тех применениях, где требуется множество проскальзываний, из-за значительного износа их поверхностей контакта, состоящих из одной только стали.

Традиционные уменьшения силы скольжения также были возможны путем уменьшения количества волн, разнесения волн на большие расстояния и/или уменьшения толщины необработанного материала до примерно 0,1 мм с целью уменьшения жесткости каждой из волн. Ни одно из этих традиционных решений для снижения силы скольжения не оказалось жизнеспособным. Кроме того, указанные простые способы пагубно уменьшают общую радиальную жесткость узла, и поэтому результат намного менее устойчив и в меньшей степени способен выдерживать внешнюю радиальную нагрузку без чрезмерной деформации.

Сохранение жесткости волн при уменьшении количества волн приводит к той же силе, приходящейся на волну, поэтому возникают те же трудности, связанные с износом, что и в конструкциях известного уровня техники, которые не содержат слоя с низким коэффициентом трения. Более того, уменьшение толщины стали до 0,1 мм приводит к очень непрочному кольцу, что вызывает значительные затруднения в обращении и при сборке.

Добавление материала с низким коэффициентом трения на поверхность подкрепляющего кольца, где происходит скольжение, влияет на снижение коэффициента контактного трения и на снижение результирующих сил скольжения. Например, коэффициент трения, который обеспечивается слоем с низким коэффициентом трения, может иметь значение в интервале примерно 0,04-0,25 и примерно 0,09-0,17 - в других вариантах осуществления. Эта конструкция также препятствует износу поверхностей компонентов в ходе скольжения, сохраняя силы скольжения в ходе множества циклов проскальзывания. Для пониженных сил скольжения геометрия подкрепляющего кольца может быть сделана более надежной при том же уровне сил, чем это было бы возможно для традиционных подкрепляющих колец. Течение материала с низким коэффициентом трения в областях контакта также оказывает влияние, способствуя минимизации изменения силы скольжения путем пластической деформации внутри самого материала и, таким образом, обеспечивая более подходящее управление силами.

Применения для указанных вариантов осуществления включают, например, управление осевыми силами скольжения (например, в скользящих механизмах регулировки длины рулевой колонки типа «труба в трубе»), защиту от перегрузки по крутящему моменту в приводных механизмах (например, в таких автомобильных применениях, как механизмы позиционирования сиденья, дверные механизмы и т.д.). Слой с низким коэффициентом трения находится на поверхности подкрепляющего кольца, примыкающей к поверхности, на которой происходит скольжение. В зависимости от применения и конфигурации узла, этот слой может находиться над или под волнами. В зависимости от требуемых свойств, таких как контактные давления, скорости скольжения, и требуемых характеристик смазки или износа могут использоваться альтернативные материалы с низким коэффициентом трения и/или альтернативные величины толщины.

Слой с низким коэффициентом трения может содержать множество типов материалов, включая, например, полимер, такой как поликетон, полиарамид, термопластичный полиимид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полисульфон, полифениленсульфон, полиамидимид, полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой, термопластичный фтормполимер, полиамид, полибензимидазол или любое их сочетание. В одном из примеров термопластичный материал включает поликетон, полиарамид, полиимид, полиэфиримид, полиамидимид, полифениленсульфид, полифениленсульфон, фторполимер, полибензимидазол, их производное или их комбинацию. В одном из частных примеров термопластичный материал включает полимер, такой как поликетон, термопластичный полиимид, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полисульфон, полиамидимид, их производное или их комбинацию. В следующем примере материал включает поликетон, такой как полиэфирэфиркетон (РЕЕК), полиэфиркетон, полиэфиркетонкетон, поиэфиркетонэфиркетонкетон, их производное или их комбинацию. Один из примеров фтормполимера включает фторированный этилен-пропилен (FEP), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид (PVDF), перфторалкоксиполимер (PFA), тройной сополимер тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфторида (THV), полихлортирифторэтилен (PCTFE), сополимер этилена и тетрафторэтилена (ETFE), сополимер этилена и хлортрифторэтилена (ECTFE) или любое их сочетание. В одном из дополнительных примеров термопластичный полимер может представлять собой полиэтилен со сверхвысокой молекулярной массой. Иллюстративная твердая смазка может включать политетрафторэтилен или твердую смазку, выбранную из ряда: дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, графит, графен, вспученный графит, нитрид бора, тальк, фторид кальция, фторид церия или любая их комбинация. Иллюстративная керамика или минерал включает глинозем, кремнезем, диоксид титана, фторид кальция, нитрид бора, слюду, волластонит, карбид кремния, нитрид кремния, диоксид циркония, углеродную сажу, пигменты или любое их сочетание.

В некоторых вариантах осуществления стальная сторона подкрепляющего кольца остается неподвижной относительно другой поверхности. Для крепления стальной поверхности к сопряженному компоненту во избежание проскальзывания могут включаться средства удерживания, такие как фланцы, лапки, волнообразные неровности, конические отверстия или другие приспособления.

В некоторых вариантах осуществления подкрепляющее кольцо обеспечивает нулевой просвет с низкой силой скольжения для вращательного и осевого движения. В одной из особенностей подкрепляющее кольцо объединяет с подкрепляющим кольцом слой с низким коэффициентом трения, способствующий скольжению, что обеспечивает сцепление через зазор между двумя компонентами, которые движутся один относительно другого. Конструкция является сжимаемой и представляет дополнительные преимущества, являясь функциональной для различных размеров зазора (например, для того, чтобы компенсировать производственный разброс в размерах компонентов), и представляет меньшую область контакта, чем традиционные подкрепляющие кольца. В сочетании со слоем с низким коэффициентом трения эта конструкция обеспечивает значительное уменьшение сил трения, которые противодействуют относительному движению между компонентами даже тогда, когда осевая или радиальная нагрузка является высокой.

Еще одним преимуществом конструкции подкрепляющего кольца является ее упругость. В отсутствие слоя с низким коэффициентом трения из-за множества проскальзываний возникал бы износ, и сила скольжения изменялась бы. Однако, в присутствии слоя с низким коэффициентом трения износ предотвращается. Вместо сопряженных компонентов износу подвергается слой с низким коэффициентом трения. Пружинный эффект подкрепляющего кольца принимает износ в PTFE, поддерживая нулевой просвет и способствуя сохранению уровней сил.

Кольцо, как правило, содержит один или несколько проходящих по окружности ободьев, например, на осевых краях кольца, и ряд разнесенных по окружности выступов, проходящих по существу в радиальных направлениях. Выступы проходят радиально от кольца, или наружу от кольца, или внутрь к радиальному центру кольца. Выступы могут представлять собой дискретные образования.