摩擦连接的制作方法
摩擦连接的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于材料之间的摩擦原理的扭矩传输领域。特别是，本发明涉及一种 摩擦连接，包括设置有嵌入磨料粒子的摩擦表面。本发明还涉及决定是否摩擦连接在规定 的应用条件下提供足够的摩擦扭矩的方法。
【背景技术】
[0002] 上述种类的摩擦连接公开在EP 2075466中。连接涉及风轮机的低速转轴和传动齿 轮箱的输入轴之间的连接。主轴和输入轴具有由预定拉伸装置加压在一起的相对连接表 面，从而永久负荷施加在连接表面上。此外，摩擦增强装置提供在以包括金刚石颗粒的形式 的连接表面之间。在优选实施例中，涂层提供在连接表面之间放置的垫片或盘上。
[0003] 以这样方式连接风轮机主轴和传输输入轴的优点是摩擦增强涂层大大提高了连 接表面之间的摩擦系数。结果，所要求的扭矩可通过连接传输，而使连接尺寸相对紧凑。在 摩擦增强涂层中采用金刚石颗粒的缺点是涂层必然昂贵。
[0004] 因此，有需要改进的空间。
【发明内容】
[0005] 本发明的目标是限定一种摩擦连接，该摩擦连接包括具有磨料粒子的摩擦表面， 其中磨料粒子以用于已知应用压力的经过优化的密度提供。
[0006] 具体而言，本发明属于包括第一和第二连接表面的摩擦连接，其中摩擦表面设置 在第一连接表面上，并且相对面设置在第二连接表面上。摩擦连接还包括诸如螺栓的预负 荷装置以在第一和第二连接表面上施加预定的压力。摩擦表面包括构成硬粗糙的磨料粒 子，其从摩擦表面的基底突出高度h。根据本发明，磨料粒子根据预定的粗糙密度η嵌入在基 底中。预定的粗糙密度η大于最小粗糙密度阈值n min且小于2.5*rwn。最小阈值由下面的关系 式限定：
[0008] 其中
[0009] η表示该摩擦表面的每单位表面面积的粗糙数量(m-2);
[0010] P表示预定的压力（Pa);
[0011] yabr表示摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数(无量纲）；
[0012] H表示相对面的硬度(Pa);
[0013] H是粗糙的平均高度(m);
[0014] σ是粗糙高度的标准偏差(m)。
[0015] 本发明基于这一理解，即临界压力存在于摩擦表面和相对面之间的摩擦系数不再 受高磨料摩擦系数的支配。在超过临界压力时，粘合摩擦变为主要的摩擦机制，其摩擦系数 低于磨料摩擦。本发明人已经开发了一种模块，用于决定上述种类的摩擦连接的临界压力。 该模块用于决定达到临界压力的粗糙密度。如果在给定应用中的预定压力P假设等于临界 压力，则对应的粗糙密度为最小粗糙密度阈值rwn。
[0016] 在大于最小阈值的粗糙密度上，确定了相对面和摩擦表面之间的高磨料摩擦系 数。在已知的摩擦连接中，磨料粒子以尽可能高的密度嵌入在摩擦表面中，受粗糙尺寸的控 制。在根据本发明的摩擦连接中，由磨料粒子实现更大的经济利用率。摩擦表面具有粗糙密 度n，其适合于已知的应用压力。适宜地，采用安全因数X，其中n=x*nmi n。在某些示例中，安 全因数X具有1.2至2.5的值。在其它示例中，安全因数X具有1.5和2.0的值。
[0017] 摩擦表面由涂层适当地形成，涂层包括其中嵌入磨料粒子的金属粘结层。在优选 示例中，该金属粘结层包括镍，并且磨料粒子包括金刚石粒子或合成金刚石粒子。
[0018] 摩擦表面可直接施加在摩擦连接的第一连接表面上。作为选择，摩擦表面设置在 安装到第一连接表面的环形摩擦盘的至少一个面上。在优选示例中，环形摩擦盘由多个段 形成，其中每个段具有摩擦表面。
[0019] 根据第二方面，本发明提供在经受预定的操作压力P时决定是否包括磨料摩擦表 面和相对面的摩擦连接能传输所希望水平的扭矩传动。摩擦表面包括从摩擦表面以高度h 突出的硬粗糙;相对面具有硬度H。
[0020] 该方法包括如下步骤：
[0021 ] a)决定摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数以^;
[0022] b)决定相对面的硬度H;
[0023] c)测量摩擦表面的至少一部分上的粗糙的平均高度?Ι;
[0024] d)测量摩擦表面的至少一部分的粗糙密度η;
[0025] e)决定摩擦连接能传输所希望水平的扭矩传动，如果ri>rwn，其中
[0027] 优选地，决定步骤e)包括决定摩擦连接能传递所希望水平的扭矩传动，如果n>X* rw，其中X是安全因数。安全因数具有1.2至1.5的值。
[0028] 在该方法的一个实施例中，决定步骤b)包括测量相对面的罗克韦尔C硬度或当量 硬度。
[0029] 在选择性实施例中，决定步骤b)包括根据下面的公式计算相对面的硬度：
[0031 ] 其中
[0032] Y是相对面的屈服应力(MPa)
[0033] E是相对面的弹性模量(Pa)，以及
[0034] V是相对面的泊松比。
[0035]因此，在本发明之后的理解可用于制造摩擦表面的质量控制程序，并且可用于设 计特定应用的摩擦连接，其花费低于已知的摩擦连接而实现很好的功能。这些和其它优点 从下面的详细描述和附图将变得明显易懂。
【附图说明】
[0036] 现在参考附图进一步描述本发明，附图中：
[0037] 图1示意性地示出了其中集成根据本发明的摩擦连接示例的典型风轮机的侧视 图；
[0038] 图2是来自图1的风轮机的子装配的分解透视图，该子装配包括本发明的摩擦连 接；
[0039]图3a和3b示出了根据本发明的摩擦连接中可用的摩擦盘示例的前视图；
[0040]图3a示出了图3a和3b的示例性摩擦盘上摩擦表面的细节；
[0041 ]图4a和4c分别示出了在磨料摩擦界面采用全力时的所施加常规力下的磨料摩擦 界面的第一和第二示例；
[0042]图4b和4d分别示出了在所有的粗糙以等于粗糙的高度缩进界面的相对面中时临 界常规力下的第一和第二界面；
[0043]图5是对第一和第二磨料摩擦界面施加常规力时摩擦力的图线。
【具体实施方式】
[0044] 如图1所示的典型的风轮机1包括其上安装机舱3的塔结构2,从而机舱3关于垂直 轴线是可旋转的，能使机舱的位置根据风向调整。在机舱3中，提供具有转子轮毂5的转子， 其中转子轮毂5通过传动齿轮箱8连接到发电机7。转子叶片6附连到转子轮毂5,用于通过风 力驱动毂和发电机。
[0045] 由图2的分解图可见，齿轮箱8在此情况下包含行星齿轮部分。齿轮箱8的输入轴9 安装在行星齿轮部分的行星齿轮架10上。行星齿轮架10具有行星轴11，行星轮12通过行星 轴承13可旋转地安装其上。行星齿轮架10还通过行星齿轮架轴承15关于齿轮箱8的壳体14 可旋转安装。此外，环形轮16通过螺栓或其它连接装置固定地安装在壳体14中。
[0046] 齿轮箱8的输出轴17通过输出轴轴承18连接到发电机7 (参见图1)。此外，输出轴17 设置有太阳轮19。行星轮12与环形轮16以及与太阳轮19的相互作用使行星齿轮架10和输入 轴9的慢速旋转变成输出轴17的快速旋转。因此，在应用于风轮机1时，将转子叶片6的慢速 旋转转换成齿轮箱8的输出轴17上的充分的快速旋转，用于发电机7的适当功能。
[0047]转子轮毂5通过转子轴承20旋转地支撑在壳体14上，因此转子轮毂5代表风轮机1 的慢速主轴5。转子轮毂5或慢速主轴5与传动齿轮箱8的输入轴9之间的连接需要使扭矩从 转子叶片6传递到输出轴17。这通过摩擦连接实现。该连接包括慢速主轴5上的第一连接表 面21和 齿轮箱8的输入轴9上的第二连接表面22。第一连接表面21设置在主轴5的法兰部分 25上，并且第二连接表面设置在连接到输出轴17的凸缘26上。此外，包括具有磨料粒子的摩 擦表面的摩擦盘23安装在连接表面21、22之间。连接表面另外通过螺栓或其它适当预负荷 装置连接，这在连接表面21、22上施加了永久负荷。连接表面之间产生的摩擦力总体上提高 了连接的扭矩传输能力。与仅由螺栓连接构成的连接相比，这使得法兰25和凸缘26的尺寸 更加紧凑和重量更轻。
[0048]在图2所示的示例中，法兰25和凸缘26为互补形状，其中法兰25是阳性部分且凸缘 为阴性部分。此外，孔27设置在法兰25中，该孔平均地分布在法兰25的圆周周围。螺纹孔28 对应地设置在凸缘26中用于容纳螺栓29。优选地，摩擦盘23还设置有孔30，从而螺栓29还可 通过摩擦盘23。这精确地定位了摩擦盘，并且防止它相对于第一和第二表面21、22旋转。 [0049] 螺栓29和孔27和28形成预负荷装置24,以在第一和第二连接表面21、22上施加永 久压力。
[0050]图3a示出了摩擦盘23的前视图。盘是连续的环形部件，包括连接孔30和摩擦表面 50。摩擦盘的选择性示例示出在图3b中。在该示例中，盘由多个弧形段23A、23B、23C、23DB 成，其中每个段具有摩擦表面50和连接孔30。摩擦表面由涂层形成，涂层包括在金属粘结层 中的磨料粒子。在优选实施例中，涂层包括在镍粘结层中的金刚石粒子或合成金刚石粒子。 [0051 ]图3c示出了摩擦表面50的一部分的分解图。磨料粒子51 (在该示例中的金刚石粒 子)形成粗糙，其以一定的粗糙高度h从粘结层基底53突出。此外，粒子51以一定的粗糙密度 η分布在基底53上，粗糙密度η是每单位表面积的单独粗糙的数量。在摩擦连接的应用中，坚 硬的磨料粒子51压入相对面中。在图2的示例中，相对面由凸缘26上的第二连接表面22形 成，其由铸铁制造。摩擦表面50通过摩擦盘23设置在法兰25上的第一连接表面21上。也可将 摩擦表面直接施加在第一连接表面21上。
[0052] 在连接表面之间施加的预负荷下，粗糙在相对面22中制造凹痕，在摩擦表面受到 扭矩时产生"褶皱"效应。主要的摩擦机理是磨料摩擦，并且在摩擦连接具有高磨料摩擦系 数y abr时最大化扭矩传输。
[0053] 在根据本发明的摩擦连接中，摩擦表面50具有优化用于应用条件的预定粗糙密 度。高磨料摩擦系数得到保证，同时昂贵的磨料粒子进行经济使用。
[0054] 更具体而言，本发明基于限定最小化的粗糙密度，在给定施加在连接表面上的压 力P下，获得高磨料摩擦系数。
[0055]摩擦系数是两个表面之间的界面特性，其不取决于所施加的力或压力。所产生的 摩擦力Ft根据下面的已知公式取决于所施加的法向力FN:
[0056] FT=y*FN
[0057] 磨料摩擦系数yabr受粗糙的研磨角支配，而不受它们的尺寸或高度支配，或者受粗 糙密度支配。本发明基于这样的理解，即临界压力存在于磨料摩擦不再是主要的摩擦机制， 并且在临界压力上摩擦系数下降。该临界压力取决于粗糙密度和粗糙的几何形状。
[0058]图4a和4b示出了包括磨料摩擦表面50A和相对面22的第一摩擦界面的示意图。摩 擦表面具有硬粗糙51，其以一定的高度h从表面50A突出。仅示出了一个粗糙的高度以使附 图更加清楚。在图4a中，施加法向力Fn，该力小于临界法向力F NeR。法向力Fn完全由硬粗糙51 承担，由于耕犁(ploughing)提供了高磨料摩擦，并且因此在表面之间提供良好的夹持。 [0059]在所施加的法向力增加到一定的临界值，如图4b所示，所有的坚硬粗糙变为 嵌入在相对面22中，其深度等于其高度h。换言之，硬粗糙51不再承担法向力，并且发生金属 对金属的接触。主要摩擦机制变为粘性摩擦，并且粘性摩擦系数通常很低。
[0060] 图5可见效果，其示出了所形成的摩擦力Ft相对于所施加法向力Fn的示图。第一线 71表示第一摩擦界面和可见到的两个不同的区域。最初，线71具有很陡的斜度，因此摩擦系 数基本上等于y abr。然后，在已经超过临界力Fn?后，第一线71的斜度变为不太陡峭，并且摩 擦系数显著地小于yabr。
[0061] 图4c和4d示出了包括磨料摩擦表面50B和相对面22的第二摩擦界面的示意图。第 一和第二示例之间的差别仅为摩擦表面50B具有比摩擦表面50A更低的粗糙密度。摩擦表面 50B中的各粗糙51具有相同的研磨角。
[0062]图4c和4d分别示出了施加的法向力小于临界力时和施加的法向力等于临界力时 的第二界面。相对于所施加的法向力Fn绘制的所形成的摩擦力Ft由图5示图中的第二线72表 示。同样，第二线72具有两个不同的区域，其中看到很陡的斜度和很缓的斜度。
[0063] 在很陡的区域中，第二线72的斜度等于第一线71的斜度。两个示例的摩擦表面50A 和50B上的粗糙51具有相同的研磨角，并且因此开始具有相同的磨料摩擦系数yabr。然后，在 一定临界值的所施加的法向力Fn er2下，Fner2小于Fn?，摩擦系数下降。
[0064] 本发明人已经开发了一种模块用于决定临界法向力和用于磨料摩擦界面的相关 联的临界压力。因此，在摩擦连接应用中的压力为已知时，例如，在根据本发明的连接中，例 如螺栓连接提供已知的预负荷，能够计算用于以上应用的保证高磨料系数的最小粗糙密 度。
[0065]最小粗糙密度IW可计算如下：
[0067] 其中
[0068] P是施加的压力(单位MPa)
[0069I Pabr是磨料摩擦系数(无量纲）
[0070] H是相对面材料的硬度(单位MPa)
[0071] E是粗糙的平均高度(m)
[0072] σ是粗糙高度的标准偏差(m)
[0073] 在根据本发明的摩擦连接中，摩擦表面具有粗糙密度η，其大于rwn且不大于nmin* 2.5。即使在该范围的上端，根据本发明的摩擦连接的粗糙密度也显著小于已知的摩擦连 接。
[0074] 示例
[0075] 检验了参考图1和2所描述类型的商业化摩擦连接。摩擦盘23的摩擦表面由镍粘结 层中的金刚石粒子构成。摩擦表面的粗糙密度和平均粗糙高度通过采用激光扫描显微镜扫 描摩擦表面的一个区域而测量。所测得的粗糙密度是每平方毫米为313个粗糙，并且所测得 的粗糙高度为21.7μηι。所测得的标准偏差为9μηι。
[0076] 相对面的材料是铸铁。摩擦表面和相对面之间的摩擦系数采用如ASTM D1894中描 述的常规试验方法测量。测得的值为0.75。试验期间测得的摩擦力是总摩擦力的代表，其由 磨料摩擦和粘性摩擦构成。磨料摩擦是由于耕犁通过相对面的硬粗糙产生的。粘性摩擦是 由于金刚石和相对面之间的滑动摩擦产生的，这也可采用光滑金刚石表面根据ASTM D1894 测得。在文献中，金刚石和铸铁之间的摩擦系数为〇. 1。因此，用于示例性摩擦连接的磨料摩 擦系数yabr为0.65。
[0077] 相对面材料的硬度根据下面的公式计算：
[0079] 其中
[0080] Y是相对面的屈服应力
[0081] E是相对面的弹性模量 [0082] V是相对面的泊松比。
[0083]对于铸铁，Y = 350MPA; E = 185GPa，且V = 〇 · 3。
[0084] 铸铁相对面的计算硬度是1467MPa。
[0085] 通过重置方程[1]且假设rwn = 313,能计算示例性摩擦连接的临界压力。所计算的 临界压力为764Mpa。
[0086] 在摩擦连接是所希望的应用中， 所施加的压力在200Mpa的区域中。该值代入方程 [1 ]中，所计算的最小粗糙密度为每平方毫米82个粗糙。
[0087] 因此，对于所讨论的应用，可采用相较于商业摩擦表面的每单位表面面积具有更 少金刚石粒子的摩擦表面，同时保证维持高扭矩传输的高摩擦系数。简言之，可提供输送相 同性能的更便宜的摩擦连接。
[0088] 用于推导方程[1]的理论模型基于大量假设。各粗糙假设为圆锥形状且具有相同 的研磨角。此外，假设粗糙的尺寸和高度上的高斯分布。
[0089] 因此，在采用方程1设计其中特定压力施加在连接上的特定摩擦连接的摩擦表面 时，优选采用安全因数。
[0090] 在根据本发明的摩擦连接的某些实施例中，摩擦表面上的粗糙被提供为密度η = 2 . O-2.5^r[min0
[0091] 在根据本发明的摩擦连接的其它实施例中，摩擦表面上的粗糙被提供为密度η= I . 5-2 . O^Hmin 〇
[0092] 在根据本发明的摩擦连接的再一个实施例中，摩擦表面上的粗糙被提供为密度η -I . 2-I . 5^r[min0
[0093] 在上述的应用中，其中大约200Mpa的压力施加在铸铁的相对面和镍粘结层中的金 刚石粒子的摩擦表面上，根据本发明的摩擦连接包括摩擦盘23，在其摩擦表面上具有每平 方毫米100至200之间的粗糙。
[0094] 在本发明的进一步方面中，在方程[1]后的理解用在质量控制的方法中以检查所 制造的摩擦盘，包括设置有硬粗糙的摩擦表面，能在经受预定应用应力P且用在与一定的相 对面材料结合时输送所需的高摩擦系数。
[0095] 在第一步骤中，决定摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数yabr。磨料摩擦系数 yabr可通过测量摩擦表面和相对面之间的总摩擦且减去粘性摩擦系数而决定，如上面的示 例中所描述。
[0096] 在第二步骤中，决定相对面的硬度H。可采用方程[2]计算硬度值或者也可采用测 量的罗克韦尔C硬度值。
[0097] 在第三步骤中，扫描摩擦表面的至少一部分以测量下面的参数：
[0098] (i)粗糙密度η(每单元表面面积的粗糙数量）
[0099] (ii)粗糙的平均高度Ε;
[0100] (iii)粗糙高度的标准偏差〇。
[0101]在第四步骤中，方程[1]用于计算最小粗糙密度阈值％ιη。
[0102]在第五步骤中，所计算的最小粗糙密度nmin与所测量的粗糙密度η比较。如果n> ，则决定摩擦表面能提供所需的高摩擦系数。优选地，如果n>x*nmin，则决定摩擦表面能 提供所需的高摩擦系数，其中X是取值为1.2-2.5的安全因数。
【主权项】
1. 一种摩擦连接，包括： 第一和第二连接表面(21、22 )，其中摩擦表面(50)设置在该第一连接表面上，并且相对 面(22)设置在该第二连接表面上；以及 预负荷装置(24)，用于将预定的压力施加在该第一和第二连接表面上，其中该摩擦表 面(50)设置有构成硬粗糙的磨料粒子(51)，该硬粗糙从该摩擦表面的基底(53)突出高度h， 其特征在于 该磨料粒子(51)以粗糙密度τι设置在该摩擦表面(50)上，该密度大于最小粗糙密度阈 值Hmin且该密度η小于2.5*qmin，其中该最小阈值由下面的关系式限定：其中 η表示该摩擦表面的每单位表面面积的粗糙数量(Hf2); P表示预定的压力(Pa); yabr表示摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数(无量纲）； H表示相对面的硬度(Pa); E是粗糙的平均高度(m); σ是粗糖尚度的标准偏差(m)。2. 根据权利要求1所述的摩擦连接，其中设置该磨料粒子(51)的该粗糙密度τι小于2.0* Hmin 〇3. 根据权利要求1或2所述的摩擦连接，其中设置该磨料粒子(51)的该粗糙密度τι小于 I . 5^r[min 〇4. 根据任何前述权利要求所述的摩擦连接，其中该摩擦表面(50)由涂层形成，该涂层 包括其中嵌入该磨料粒子(51)的金属粘结层(53)。5. 根据权利要求4所述的摩擦连接，其中该金属粘结层包括镍，并且其中该磨料粒子 (51)包括金刚石粒子或合成金刚石粒子。6. 根据任何前述权利要求所述的摩擦连接，其中该摩擦表面(50)设置在安装到该第一 连接表面(21)的环形摩擦盘(23)的至少一个面上。7. 根据权利要求6所述的摩擦连接，其中该环形摩擦盘由多个段(23A、23B、23C、23D)B 成，每个段具有摩擦表面(50)。8. 根据权利要求1至5任何一项所述的摩擦连接，其中该摩擦表面(50)直接设置在该第 一连接表面(21)上。9. 根据任何前述权利要求所述的摩擦连接，其中该预负荷装置(24)由连接在该第一和 第二连接表面(21、22)之间的螺栓、螺丝或铆钉形成。10. -种摩擦盘(23)，用在根据任何前述权利要求的摩擦连接中，包括嵌入在金属粘结 层中的磨料粒子的摩擦表面，其中该摩擦表面(50)具有每平方毫米100至200之间的磨料粒 子的粗糙密度η。11. 一种决定在经受预定操作压力P时是否包括摩擦表面和相对面的摩擦连接能传递 所希望水平扭矩传输的方法，其中该摩擦表面设置有磨料粒子，其形成从该摩擦表面以高 度h突出的硬粗糙，并且其中该相对面具有硬度H，该方法包括如下步骤： a. 决定该摩擦表面和该相对面之间的磨料摩擦系数μ-; b. 决定该相对面的硬度Η; c. 在该摩擦表面的至少一个区域中测量下面的参数： (i) 每单位表面面积的粗糙数量，对应于粗糙密度η; (ii) 粗糙的平均高度??; (i i i)粗糙高度的标准偏差σ; d. 决定该摩擦连接能传递所希望水平的扭矩传动，如果n>nmin，其中12. 根据权利要求11所述的方法，其中决定d)的步骤包括决定该摩擦连接能传递所希 望水平的扭矩传动，如果n>x*rw n，其中X是安全因数。13. 根据权利要求12所述的方法，其中X具有1.2至1.5的值。14. 根据权利要求10-13任何一项所述的方法，其中决定b的步骤包括测量该相对面 (22)的罗克韦尔C硬度或当量硬度。15. 根据权利要求10-13任何一项所述的方法，其中决定b)的步骤包括根据下面的公式 计算该相对面的硬度：其中 Y是该相对面的屈服应力(Pa) E是该相对面的弹性模量(Pa)，并且 V是该相对面的泊松比。
【专利摘要】本发明涉及摩擦连接，包括第一和第二连接表面，其中摩擦表面设置在第一连接表面上，并且相对面(22)设置在第二连接表面上。摩擦连接还包括诸如螺栓的预负荷装置，用于将预定的压力施加在第一和第二连接表面上，连接的摩擦表面包括磨料粒子(51)，构成硬粗糙以从摩擦表面的基底(50A)突出高度h。根据本发明，磨料粒子以预定的粗糙密度η设置在基底上。预定的粗糙密度η大于最小粗糙密度阈值ηmin且小于2.5*ηmin。最小阈值由下面的关系式限定：<maths num="0001"></maths>其中η表示摩擦表面的每单位表面面积的粗糙数量(m-2)；P表示预定的压力(Pa)；μabr表示摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数(无量纲)；H表示相对面的硬度(Pa)是粗糙的平均高度(m)；σ是粗糙高度的标准偏差(m)。
【IPC分类】F16D7/02
【公开号】CN105492792
【申请号】CN201380079308
【发明人】Y.卡丁, B.韩
【申请人】斯凯孚公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2013年9月11日
【公告号】DE112013007427T5, US20160186817, WO2015036018A1...
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于材料之间的摩擦原理的扭矩传输领域。特别是，本发明涉及一种 摩擦连接，包括设置有嵌入磨料粒子的摩擦表面。本发明还涉及决定是否摩擦连接在规定 的应用条件下提供足够的摩擦扭矩的方法。
【背景技术】
[0002] 上述种类的摩擦连接公开在EP 2075466中。连接涉及风轮机的低速转轴和传动齿 轮箱的输入轴之间的连接。主轴和输入轴具有由预定拉伸装置加压在一起的相对连接表 面，从而永久负荷施加在连接表面上。此外，摩擦增强装置提供在以包括金刚石颗粒的形式 的连接表面之间。在优选实施例中，涂层提供在连接表面之间放置的垫片或盘上。
[0003] 以这样方式连接风轮机主轴和传输输入轴的优点是摩擦增强涂层大大提高了连 接表面之间的摩擦系数。结果，所要求的扭矩可通过连接传输，而使连接尺寸相对紧凑。在 摩擦增强涂层中采用金刚石颗粒的缺点是涂层必然昂贵。
[0004] 因此，有需要改进的空间。
【发明内容】
[0005] 本发明的目标是限定一种摩擦连接，该摩擦连接包括具有磨料粒子的摩擦表面， 其中磨料粒子以用于已知应用压力的经过优化的密度提供。
[0006] 具体而言，本发明属于包括第一和第二连接表面的摩擦连接，其中摩擦表面设置 在第一连接表面上，并且相对面设置在第二连接表面上。摩擦连接还包括诸如螺栓的预负 荷装置以在第一和第二连接表面上施加预定的压力。摩擦表面包括构成硬粗糙的磨料粒 子，其从摩擦表面的基底突出高度h。根据本发明，磨料粒子根据预定的粗糙密度η嵌入在基 底中。预定的粗糙密度η大于最小粗糙密度阈值n min且小于2.5*rwn。最小阈值由下面的关系 式限定：
[0008] 其中
[0009] η表示该摩擦表面的每单位表面面积的粗糙数量(m-2);
[0010] P表示预定的压力（Pa);
[0011] yabr表示摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数(无量纲）；
[0012] H表示相对面的硬度(Pa);
[0013] H是粗糙的平均高度(m);
[0014] σ是粗糙高度的标准偏差(m)。
[0015] 本发明基于这一理解，即临界压力存在于摩擦表面和相对面之间的摩擦系数不再 受高磨料摩擦系数的支配。在超过临界压力时，粘合摩擦变为主要的摩擦机制，其摩擦系数 低于磨料摩擦。本发明人已经开发了一种模块，用于决定上述种类的摩擦连接的临界压力。 该模块用于决定达到临界压力的粗糙密度。如果在给定应用中的预定压力P假设等于临界 压力，则对应的粗糙密度为最小粗糙密度阈值rwn。
[0016] 在大于最小阈值的粗糙密度上，确定了相对面和摩擦表面之间的高磨料摩擦系 数。在已知的摩擦连接中，磨料粒子以尽可能高的密度嵌入在摩擦表面中，受粗糙尺寸的控 制。在根据本发明的摩擦连接中，由磨料粒子实现更大的经济利用率。摩擦表面具有粗糙密 度n，其适合于已知的应用压力。适宜地，采用安全因数X，其中n=x*nmi n。在某些示例中，安 全因数X具有1.2至2.5的值。在其它示例中，安全因数X具有1.5和2.0的值。
[0017] 摩擦表面由涂层适当地形成，涂层包括其中嵌入磨料粒子的金属粘结层。在优选 示例中，该金属粘结层包括镍，并且磨料粒子包括金刚石粒子或合成金刚石粒子。
[0018] 摩擦表面可直接施加在摩擦连接的第一连接表面上。作为选择，摩擦表面设置在 安装到第一连接表面的环形摩擦盘的至少一个面上。在优选示例中，环形摩擦盘由多个段 形成，其中每个段具有摩擦表面。
[0019] 根据第二方面，本发明提供在经受预定的操作压力P时决定是否包括磨料摩擦表 面和相对面的摩擦连接能传输所希望水平的扭矩传动。摩擦表面包括从摩擦表面以高度h 突出的硬粗糙;相对面具有硬度H。
[0020] 该方法包括如下步骤：
[0021 ] a)决定摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数以^;
[0022] b)决定相对面的硬度H;
[0023] c)测量摩擦表面的至少一部分上的粗糙的平均高度?Ι;
[0024] d)测量摩擦表面的至少一部分的粗糙密度η;
[0025] e)决定摩擦连接能传输所希望水平的扭矩传动，如果ri>rwn，其中
[0027] 优选地，决定步骤e)包括决定摩擦连接能传递所希望水平的扭矩传动，如果n>X* rw，其中X是安全因数。安全因数具有1.2至1.5的值。
[0028] 在该方法的一个实施例中，决定步骤b)包括测量相对面的罗克韦尔C硬度或当量 硬度。
[0029] 在选择性实施例中，决定步骤b)包括根据下面的公式计算相对面的硬度：
[0031 ] 其中
[0032] Y是相对面的屈服应力(MPa)
[0033] E是相对面的弹性模量(Pa)，以及
[0034] V是相对面的泊松比。
[0035]因此，在本发明之后的理解可用于制造摩擦表面的质量控制程序，并且可用于设 计特定应用的摩擦连接，其花费低于已知的摩擦连接而实现很好的功能。这些和其它优点 从下面的详细描述和附图将变得明显易懂。
【附图说明】
[0036] 现在参考附图进一步描述本发明，附图中：
[0037] 图1示意性地示出了其中集成根据本发明的摩擦连接示例的典型风轮机的侧视 图；
[0038] 图2是来自图1的风轮机的子装配的分解透视图，该子装配包括本发明的摩擦连 接；
[0039]图3a和3b示出了根据本发明的摩擦连接中可用的摩擦盘示例的前视图；
[0040]图3a示出了图3a和3b的示例性摩擦盘上摩擦表面的细节；
[0041 ]图4a和4c分别示出了在磨料摩擦界面采用全力时的所施加常规力下的磨料摩擦 界面的第一和第二示例；
[0042]图4b和4d分别示出了在所有的粗糙以等于粗糙的高度缩进界面的相对面中时临 界常规力下的第一和第二界面；
[0043]图5是对第一和第二磨料摩擦界面施加常规力时摩擦力的图线。
【具体实施方式】
[0044] 如图1所示的典型的风轮机1包括其上安装机舱3的塔结构2,从而机舱3关于垂直 轴线是可旋转的，能使机舱的位置根据风向调整。在机舱3中，提供具有转子轮毂5的转子， 其中转子轮毂5通过传动齿轮箱8连接到发电机7。转子叶片6附连到转子轮毂5,用于通过风 力驱动毂和发电机。
[0045] 由图2的分解图可见，齿轮箱8在此情况下包含行星齿轮部分。齿轮箱8的输入轴9 安装在行星齿轮部分的行星齿轮架10上。行星齿轮架10具有行星轴11，行星轮12通过行星 轴承13可旋转地安装其上。行星齿轮架10还通过行星齿轮架轴承15关于齿轮箱8的壳体14 可旋转安装。此外，环形轮16通过螺栓或其它连接装置固定地安装在壳体14中。
[0046] 齿轮箱8的输出轴17通过输出轴轴承18连接到发电机7 (参见图1)。此外，输出轴17 设置有太阳轮19。行星轮12与环形轮16以及与太阳轮19的相互作用使行星齿轮架10和输入 轴9的慢速旋转变成输出轴17的快速旋转。因此，在应用于风轮机1时，将转子叶片6的慢速 旋转转换成齿轮箱8的输出轴17上的充分的快速旋转，用于发电机7的适当功能。
[0047]转子轮毂5通过转子轴承20旋转地支撑在壳体14上，因此转子轮毂5代表风轮机1 的慢速主轴5。转子轮毂5或慢速主轴5与传动齿轮箱8的输入轴9之间的连接需要使扭矩从 转子叶片6传递到输出轴17。这通过摩擦连接实现。该连接包括慢速主轴5上的第一连接表 面21和 齿轮箱8的输入轴9上的第二连接表面22。第一连接表面21设置在主轴5的法兰部分 25上，并且第二连接表面设置在连接到输出轴17的凸缘26上。此外，包括具有磨料粒子的摩 擦表面的摩擦盘23安装在连接表面21、22之间。连接表面另外通过螺栓或其它适当预负荷 装置连接，这在连接表面21、22上施加了永久负荷。连接表面之间产生的摩擦力总体上提高 了连接的扭矩传输能力。与仅由螺栓连接构成的连接相比，这使得法兰25和凸缘26的尺寸 更加紧凑和重量更轻。
[0048]在图2所示的示例中，法兰25和凸缘26为互补形状，其中法兰25是阳性部分且凸缘 为阴性部分。此外，孔27设置在法兰25中，该孔平均地分布在法兰25的圆周周围。螺纹孔28 对应地设置在凸缘26中用于容纳螺栓29。优选地，摩擦盘23还设置有孔30，从而螺栓29还可 通过摩擦盘23。这精确地定位了摩擦盘，并且防止它相对于第一和第二表面21、22旋转。 [0049] 螺栓29和孔27和28形成预负荷装置24,以在第一和第二连接表面21、22上施加永 久压力。
[0050]图3a示出了摩擦盘23的前视图。盘是连续的环形部件，包括连接孔30和摩擦表面 50。摩擦盘的选择性示例示出在图3b中。在该示例中，盘由多个弧形段23A、23B、23C、23DB 成，其中每个段具有摩擦表面50和连接孔30。摩擦表面由涂层形成，涂层包括在金属粘结层 中的磨料粒子。在优选实施例中，涂层包括在镍粘结层中的金刚石粒子或合成金刚石粒子。 [0051 ]图3c示出了摩擦表面50的一部分的分解图。磨料粒子51 (在该示例中的金刚石粒 子)形成粗糙，其以一定的粗糙高度h从粘结层基底53突出。此外，粒子51以一定的粗糙密度 η分布在基底53上，粗糙密度η是每单位表面积的单独粗糙的数量。在摩擦连接的应用中，坚 硬的磨料粒子51压入相对面中。在图2的示例中，相对面由凸缘26上的第二连接表面22形 成，其由铸铁制造。摩擦表面50通过摩擦盘23设置在法兰25上的第一连接表面21上。也可将 摩擦表面直接施加在第一连接表面21上。
[0052] 在连接表面之间施加的预负荷下，粗糙在相对面22中制造凹痕，在摩擦表面受到 扭矩时产生"褶皱"效应。主要的摩擦机理是磨料摩擦，并且在摩擦连接具有高磨料摩擦系 数y abr时最大化扭矩传输。
[0053] 在根据本发明的摩擦连接中，摩擦表面50具有优化用于应用条件的预定粗糙密 度。高磨料摩擦系数得到保证，同时昂贵的磨料粒子进行经济使用。
[0054] 更具体而言，本发明基于限定最小化的粗糙密度，在给定施加在连接表面上的压 力P下，获得高磨料摩擦系数。
[0055]摩擦系数是两个表面之间的界面特性，其不取决于所施加的力或压力。所产生的 摩擦力Ft根据下面的已知公式取决于所施加的法向力FN:
[0056] FT=y*FN
[0057] 磨料摩擦系数yabr受粗糙的研磨角支配，而不受它们的尺寸或高度支配，或者受粗 糙密度支配。本发明基于这样的理解，即临界压力存在于磨料摩擦不再是主要的摩擦机制， 并且在临界压力上摩擦系数下降。该临界压力取决于粗糙密度和粗糙的几何形状。
[0058]图4a和4b示出了包括磨料摩擦表面50A和相对面22的第一摩擦界面的示意图。摩 擦表面具有硬粗糙51，其以一定的高度h从表面50A突出。仅示出了一个粗糙的高度以使附 图更加清楚。在图4a中，施加法向力Fn，该力小于临界法向力F NeR。法向力Fn完全由硬粗糙51 承担，由于耕犁(ploughing)提供了高磨料摩擦，并且因此在表面之间提供良好的夹持。 [0059]在所施加的法向力增加到一定的临界值，如图4b所示，所有的坚硬粗糙变为 嵌入在相对面22中，其深度等于其高度h。换言之，硬粗糙51不再承担法向力，并且发生金属 对金属的接触。主要摩擦机制变为粘性摩擦，并且粘性摩擦系数通常很低。
[0060] 图5可见效果，其示出了所形成的摩擦力Ft相对于所施加法向力Fn的示图。第一线 71表示第一摩擦界面和可见到的两个不同的区域。最初，线71具有很陡的斜度，因此摩擦系 数基本上等于y abr。然后，在已经超过临界力Fn?后，第一线71的斜度变为不太陡峭，并且摩 擦系数显著地小于yabr。
[0061] 图4c和4d示出了包括磨料摩擦表面50B和相对面22的第二摩擦界面的示意图。第 一和第二示例之间的差别仅为摩擦表面50B具有比摩擦表面50A更低的粗糙密度。摩擦表面 50B中的各粗糙51具有相同的研磨角。
[0062]图4c和4d分别示出了施加的法向力小于临界力时和施加的法向力等于临界力时 的第二界面。相对于所施加的法向力Fn绘制的所形成的摩擦力Ft由图5示图中的第二线72表 示。同样，第二线72具有两个不同的区域，其中看到很陡的斜度和很缓的斜度。
[0063] 在很陡的区域中，第二线72的斜度等于第一线71的斜度。两个示例的摩擦表面50A 和50B上的粗糙51具有相同的研磨角，并且因此开始具有相同的磨料摩擦系数yabr。然后，在 一定临界值的所施加的法向力Fn er2下，Fner2小于Fn?，摩擦系数下降。
[0064] 本发明人已经开发了一种模块用于决定临界法向力和用于磨料摩擦界面的相关 联的临界压力。因此，在摩擦连接应用中的压力为已知时，例如，在根据本发明的连接中，例 如螺栓连接提供已知的预负荷，能够计算用于以上应用的保证高磨料系数的最小粗糙密 度。
[0065]最小粗糙密度IW可计算如下：
[0067] 其中
[0068] P是施加的压力(单位MPa)
[0069I Pabr是磨料摩擦系数(无量纲）
[0070] H是相对面材料的硬度(单位MPa)
[0071] E是粗糙的平均高度(m)
[0072] σ是粗糙高度的标准偏差(m)
[0073] 在根据本发明的摩擦连接中，摩擦表面具有粗糙密度η，其大于rwn且不大于nmin* 2.5。即使在该范围的上端，根据本发明的摩擦连接的粗糙密度也显著小于已知的摩擦连 接。
[0074] 示例
[0075] 检验了参考图1和2所描述类型的商业化摩擦连接。摩擦盘23的摩擦表面由镍粘结 层中的金刚石粒子构成。摩擦表面的粗糙密度和平均粗糙高度通过采用激光扫描显微镜扫 描摩擦表面的一个区域而测量。所测得的粗糙密度是每平方毫米为313个粗糙，并且所测得 的粗糙高度为21.7μηι。所测得的标准偏差为9μηι。
[0076] 相对面的材料是铸铁。摩擦表面和相对面之间的摩擦系数采用如ASTM D1894中描 述的常规试验方法测量。测得的值为0.75。试验期间测得的摩擦力是总摩擦力的代表，其由 磨料摩擦和粘性摩擦构成。磨料摩擦是由于耕犁通过相对面的硬粗糙产生的。粘性摩擦是 由于金刚石和相对面之间的滑动摩擦产生的，这也可采用光滑金刚石表面根据ASTM D1894 测得。在文献中，金刚石和铸铁之间的摩擦系数为〇. 1。因此，用于示例性摩擦连接的磨料摩 擦系数yabr为0.65。
[0077] 相对面材料的硬度根据下面的公式计算：
[0079] 其中
[0080] Y是相对面的屈服应力
[0081] E是相对面的弹性模量 [0082] V是相对面的泊松比。
[0083]对于铸铁，Y = 350MPA; E = 185GPa，且V = 〇 · 3。
[0084] 铸铁相对面的计算硬度是1467MPa。
[0085] 通过重置方程[1]且假设rwn = 313,能计算示例性摩擦连接的临界压力。所计算的 临界压力为764Mpa。
[0086] 在摩擦连接是所希望的应用中， 所施加的压力在200Mpa的区域中。该值代入方程 [1 ]中，所计算的最小粗糙密度为每平方毫米82个粗糙。
[0087] 因此，对于所讨论的应用，可采用相较于商业摩擦表面的每单位表面面积具有更 少金刚石粒子的摩擦表面，同时保证维持高扭矩传输的高摩擦系数。简言之，可提供输送相 同性能的更便宜的摩擦连接。
[0088] 用于推导方程[1]的理论模型基于大量假设。各粗糙假设为圆锥形状且具有相同 的研磨角。此外，假设粗糙的尺寸和高度上的高斯分布。
[0089] 因此，在采用方程1设计其中特定压力施加在连接上的特定摩擦连接的摩擦表面 时，优选采用安全因数。
[0090] 在根据本发明的摩擦连接的某些实施例中，摩擦表面上的粗糙被提供为密度η = 2 . O-2.5^r[min0
[0091] 在根据本发明的摩擦连接的其它实施例中，摩擦表面上的粗糙被提供为密度η= I . 5-2 . O^Hmin 〇
[0092] 在根据本发明的摩擦连接的再一个实施例中，摩擦表面上的粗糙被提供为密度η -I . 2-I . 5^r[min0
[0093] 在上述的应用中，其中大约200Mpa的压力施加在铸铁的相对面和镍粘结层中的金 刚石粒子的摩擦表面上，根据本发明的摩擦连接包括摩擦盘23，在其摩擦表面上具有每平 方毫米100至200之间的粗糙。
[0094] 在本发明的进一步方面中，在方程[1]后的理解用在质量控制的方法中以检查所 制造的摩擦盘，包括设置有硬粗糙的摩擦表面，能在经受预定应用应力P且用在与一定的相 对面材料结合时输送所需的高摩擦系数。
[0095] 在第一步骤中，决定摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数yabr。磨料摩擦系数 yabr可通过测量摩擦表面和相对面之间的总摩擦且减去粘性摩擦系数而决定，如上面的示 例中所描述。
[0096] 在第二步骤中，决定相对面的硬度H。可采用方程[2]计算硬度值或者也可采用测 量的罗克韦尔C硬度值。
[0097] 在第三步骤中，扫描摩擦表面的至少一部分以测量下面的参数：
[0098] (i)粗糙密度η(每单元表面面积的粗糙数量）
[0099] (ii)粗糙的平均高度Ε;
[0100] (iii)粗糙高度的标准偏差〇。
[0101]在第四步骤中，方程[1]用于计算最小粗糙密度阈值％ιη。
[0102]在第五步骤中，所计算的最小粗糙密度nmin与所测量的粗糙密度η比较。如果n> ，则决定摩擦表面能提供所需的高摩擦系数。优选地，如果n>x*nmin，则决定摩擦表面能 提供所需的高摩擦系数，其中X是取值为1.2-2.5的安全因数。
【主权项】
1. 一种摩擦连接，包括： 第一和第二连接表面(21、22 )，其中摩擦表面(50)设置在该第一连接表面上，并且相对 面(22)设置在该第二连接表面上；以及 预负荷装置(24)，用于将预定的压力施加在该第一和第二连接表面上，其中该摩擦表 面(50)设置有构成硬粗糙的磨料粒子(51)，该硬粗糙从该摩擦表面的基底(53)突出高度h， 其特征在于 该磨料粒子(51)以粗糙密度τι设置在该摩擦表面(50)上，该密度大于最小粗糙密度阈 值Hmin且该密度η小于2.5*qmin，其中该最小阈值由下面的关系式限定：其中 η表示该摩擦表面的每单位表面面积的粗糙数量(Hf2); P表示预定的压力(Pa); yabr表示摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数(无量纲）； H表示相对面的硬度(Pa); E是粗糙的平均高度(m); σ是粗糖尚度的标准偏差(m)。2. 根据权利要求1所述的摩擦连接，其中设置该磨料粒子(51)的该粗糙密度τι小于2.0* Hmin 〇3. 根据权利要求1或2所述的摩擦连接，其中设置该磨料粒子(51)的该粗糙密度τι小于 I . 5^r[min 〇4. 根据任何前述权利要求所述的摩擦连接，其中该摩擦表面(50)由涂层形成，该涂层 包括其中嵌入该磨料粒子(51)的金属粘结层(53)。5. 根据权利要求4所述的摩擦连接，其中该金属粘结层包括镍，并且其中该磨料粒子 (51)包括金刚石粒子或合成金刚石粒子。6. 根据任何前述权利要求所述的摩擦连接，其中该摩擦表面(50)设置在安装到该第一 连接表面(21)的环形摩擦盘(23)的至少一个面上。7. 根据权利要求6所述的摩擦连接，其中该环形摩擦盘由多个段(23A、23B、23C、23D)B 成，每个段具有摩擦表面(50)。8. 根据权利要求1至5任何一项所述的摩擦连接，其中该摩擦表面(50)直接设置在该第 一连接表面(21)上。9. 根据任何前述权利要求所述的摩擦连接，其中该预负荷装置(24)由连接在该第一和 第二连接表面(21、22)之间的螺栓、螺丝或铆钉形成。10. -种摩擦盘(23)，用在根据任何前述权利要求的摩擦连接中，包括嵌入在金属粘结 层中的磨料粒子的摩擦表面，其中该摩擦表面(50)具有每平方毫米100至200之间的磨料粒 子的粗糙密度η。11. 一种决定在经受预定操作压力P时是否包括摩擦表面和相对面的摩擦连接能传递 所希望水平扭矩传输的方法，其中该摩擦表面设置有磨料粒子，其形成从该摩擦表面以高 度h突出的硬粗糙，并且其中该相对面具有硬度H，该方法包括如下步骤： a. 决定该摩擦表面和该相对面之间的磨料摩擦系数μ-; b. 决定该相对面的硬度Η; c. 在该摩擦表面的至少一个区域中测量下面的参数： (i) 每单位表面面积的粗糙数量，对应于粗糙密度η; (ii) 粗糙的平均高度??; (i i i)粗糙高度的标准偏差σ; d. 决定该摩擦连接能传递所希望水平的扭矩传动，如果n>nmin，其中12. 根据权利要求11所述的方法，其中决定d)的步骤包括决定该摩擦连接能传递所希 望水平的扭矩传动，如果n>x*rw n，其中X是安全因数。13. 根据权利要求12所述的方法，其中X具有1.2至1.5的值。14. 根据权利要求10-13任何一项所述的方法，其中决定b的步骤包括测量该相对面 (22)的罗克韦尔C硬度或当量硬度。15. 根据权利要求10-13任何一项所述的方法，其中决定b)的步骤包括根据下面的公式 计算该相对面的硬度：其中 Y是该相对面的屈服应力(Pa) E是该相对面的弹性模量(Pa)，并且 V是该相对面的泊松比。
【专利摘要】本发明涉及摩擦连接，包括第一和第二连接表面，其中摩擦表面设置在第一连接表面上，并且相对面(22)设置在第二连接表面上。摩擦连接还包括诸如螺栓的预负荷装置，用于将预定的压力施加在第一和第二连接表面上，连接的摩擦表面包括磨料粒子(51)，构成硬粗糙以从摩擦表面的基底(50A)突出高度h。根据本发明，磨料粒子以预定的粗糙密度η设置在基底上。预定的粗糙密度η大于最小粗糙密度阈值ηmin且小于2.5*ηmin。最小阈值由下面的关系式限定：<maths num="0001"></maths>其中η表示摩擦表面的每单位表面面积的粗糙数量(m-2)；P表示预定的压力(Pa)；μabr表示摩擦表面和相对面之间的磨料摩擦系数(无量纲)；H表示相对面的硬度(Pa)是粗糙的平均高度(m)；σ是粗糙高度的标准偏差(m)。
【IPC分类】F16D7/02
【公开号】CN105492792
【申请号】CN201380079308
【发明人】Y.卡丁, B.韩
【申请人】斯凯孚公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2013年9月11日
【公告号】DE112013007427T5, US20160186817, WO2015036018A1...
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