滑动涂层及其应用的制作方法

1.本发明涉及一种滑动涂层，其优选用于齿轮，特别是行星齿轮箱的行星轴和/或行星齿轮。此滑动涂层特别适用于风力涡轮机的齿轮或工业应用，在基体上的至少一个滑动涂层由一个中间层和一个滑动层组成。


背景技术：

2.现有技术中已知的滑动轴承，特别的，滑动轴承由白合金和青铜材料制备而成。此外，为了更顺畅的运行，已知的滑动轴承通常具有润滑间隙。例如，行星齿轮中的滑动轴承设计为浮动轴承，如de 102019218116 a1所示。同样已知的解决方案是将衬套固定在行星齿轮的轴上或孔中，例如ep 2383480 b1所描述。
3.然而，上述解决方案的缺点是在轴和行星齿轮之间需要放置一个带有滑动层的厚壁部件。此外，上述解决方案的缺点还包括可通过现有技术中描述的其他方法和滑动轴承解决方案来规避，这种方法是将滑动层直接施加到行星轴上。例如，de 102013220063 a1将沉积硬质材料层和硬化表面层作为滑动轴承的滑动涂层。
4.ep 3768983b1描述了一种行星齿轮，其中至少一个齿轮安装在轴上，滑动层优选用青铜制成，且直接施加于齿轮和轴之间的轴外表面上，或者在轴和轴基座之间，即焊接在钢基行星轴表面。然而，众所周知，将青铜直接焊接到钢基上通常会导致钢轴出现裂纹。这些裂纹被称为“铜渗透裂纹”，从焊接结合处垂直延伸到钢基体中，通常可达几百微米。这种裂纹通常在焊接过程中出现，并部分地被青铜填充。从长期来看，高应力传动部件中的这些缺陷会导致部件失效，并产生严重的后果。这种铜渗透裂纹，不仅仅出现在激光熔覆过程中，在电弧堆焊中也容易产生。


技术实现要素：

5.本发明的目的是避免上述滑动轴承的缺点，并提供一种特别是在重载工况下具有极佳耐磨性的滑动轴承，例如在风力发电设备中的行星齿轮。
6.因此本发明涉及一种滑动涂层，包括至少一个中间层和至少一个主层，中间层直接布置在基体上，主层由布置在中间层上的滑动层组成，因此滑动层通过中间层与基体隔开。在本发明的优选技术方案中，基体是行星齿轮箱中的至少一个行星轴或至少一个行星齿轮，且基体特别优选地由钢制成。在一个特别优选的实施方式中，滑动层布置在至少一个行星轴上和/或布置在至少一个行星齿轮箱的至少一个行星齿轮内孔中。
7.在一个实施方案中，本发明的滑动层包括金属、金属合金、塑料、陶瓷和/或复合材料。然而，滑动层优选地由青铜或青铜合金制成。
8.在一个实施方案中，中间层包括有色金属或有色金属合金，优选地中间层是镍和/或铜。此外，中间层优选地具有2μm至50μm的厚度。
9.本发明还涉及如上所述的滑动涂层的制造方法，其中中间层通过堆焊/熔覆过程、物理方法、化学方法、基于气体的方法和/或非重熔工艺施加到基体上，优选电镀或其他湿
化学涂层方法，然后将滑动层施加到中间层。最后，优选地通过机加工方式形成滑动表面。本发明还涉及包含如上所述的至少一种滑动涂层的组件。在优选的技术方案中，是行星齿轮的至少一个部件，特别优选至少一个行星轴或至少一个行星齿轮。
10.此外，本发明还涉及上述滑动涂层的用途，用于齿轮、液压活塞、导向套筒、支撑轴承、涡轮齿条、螺杆、导轨、轴承套圈及其它组件中的至少一个部件。
11.本发明还特别适用于包括至少一个行星轴和/或至少一个行星齿轮的行星齿轮箱，其内孔中布置有上述的滑动层或至少一个部件包括有滑动层。
12.此外，公开了一种包括转子、塔架和齿轮箱的风力发电设备，其中转子通过传递扭矩的轴而连接到齿轮箱、齿轮箱连接到发电机，其中还包括：
13.a)在齿轮箱内布置至少一个如上所述的滑动层；
14.b)和/或至少一个上述的部件；
15.c)至少一个上述的行星齿轮箱。
16.进一步来说，本发明还涉及具有至少一个上述部件的传动机构，此上述部件含有滑动层。该传动机构能够将能量生成设备产生的动力传输到机械单元，反之亦然。该传动机构包括连接到变速箱且传递扭矩的转子轴，其中变速箱连接到发电机且传递扭矩给发电机。此外，还公开了具有至少一个上述的滑动层、行星齿轮箱、组件和/或传动机构的工业应用。此类工业应用通过能量生成设备产生电力，发电机与齿轮之间具有扭矩传递连接；而且变速箱与其它机械部件之间具有扭矩传递连接，例如，此连接可以用来传输动力和/或驱动其它部件。能量生成设备优选发电机、发动机或涡轮机械，例如涡轮机。
17.本发明的特征在于权利要求中的实施例，并通过以下发明内容和附图中的陈述而得到更详细的描述。
附图说明
18.图1.滑动轴承的示意图图2.滑动轴承剖面模型侧视图
19.附图标记
20.1行星轴
21.2滑动层
22.3中间层
23.4基体
24.5滑动面
具体实施方式
25.本发明涉及一种滑动涂层，其由中间层和主层组成，中间层直接布置在基体上，基体优选钢轴，主层由滑动层组成、布置在所述中间层上。
26.在下文中，如果说明书或权利要求中使用的术语“包括”、“具有”、“拥有”等，则此类术语应解释为术语“包含”，即并非详尽无遗，除非明确说明。
27.在下文中，“滑动轴承”、“轴承”可以互换使用，均描述了至少一个组件，该组件可以引导不同部件之间的相互运动，优选行星齿轮内的不同部件。在此行星齿轮内，可实现具
有两个驱动或输出分支的驱动并可实现不同的速度。
28.术语“轴”描述了一种设计用于传递旋转运动和扭矩的长圆柱形机械元件。在优选实施例中，至少涉及一个风电主传动链中齿轮箱的行星轮钢轴。虽然本发明按照风电行星轴进行描述，但也可以将所述的滑动层用于其它应用。这些应用包括但不限于液压活塞、导向套筒、支撑轴承、涡轮涡杆齿条，螺杆，导轨，轴承套圈和其它部件。
29.由于空间和效率的原因，承受径向重载、切向力和轴向力的滑动轴承越来越多地用于风力发电机齿轮箱的行星级。因此，本发明特别针对此风电行星轮应用环境，以减少部件、滑动层以及对磨面的磨损，滑动轴承的承载能力和使用寿命得以提高，因此相比于已知的轴承更耐磨。此外，由两层组成的滑动层可对基体提供有效的保护，防止在使用过程中划伤基体，例如特指齿轮中钢轴的钢基。
30.在本发明中，术语“发电设备”包括将机械能、化学能、热能或电磁能直接转换为电能的任何技术装置，反之亦然。由于本发明优选设计用于风力发电机，因此所指发电机优选为在风力发电机中将动能转化成电能的设备。此外，本发明也可用于其它应用领域，例如在水力涡轮机或燃气轮机中。因此，发动机(例如电机和/或内燃机)，以及涡轮机(例如汽轮机)，也应由本发明的术语“发电机”涵盖，即产生机械能的技术装置、借助于电、化学、热或电磁能产生机械能。此外，发电设备也可以同时是发电机和电机。术语“间隔”在本发明中用于表示在基体(1)和滑动层(2)之间存在空间。这意味着基体(1)和滑动层(2)彼此不直接接触。基体(1)和滑动层(2)之间的距离由中间层(3)产生，中间层(3)与两者直接接触，即与基体(1)和滑动层(2)直接接触，但阻止滑动层(2)与基体(1)直接连接或接触。
31.本发明的滑动涂层由至少两层组成，中间层(3)直接布置在基体(1)上，优选行星齿轮箱的钢轴和/或行星轮中的内孔，以及主层，也就是滑动层(2)
32.滑动层(2)由已知的滑动轴承材料制成，例如金属、金属合金或塑料，例如聚四氟乙烯(ptfe)；或者由陶瓷或复合材料制成，例如金属聚合物或纤维增强滑动轴承材料。在本发明中，优选使用由青铜或青铜合金制成的滑动层(2)。滑动层(2)与基体(1)由中间层(3)隔开，例如图中2所示。在本发明的一个方面，滑动层(2)优选布置在至少一个行星轴上或至少一个行星轮的内孔中，其中至少一个中间层(3)被布置在相应的部件和滑动层(2)之间，即中间层(3)阻止基体(1)和滑动层(2)之间的直接接触。在一个特别优选的实施方式中，这种滑动涂层用于风力涡轮机的至少一个行星齿轮中。
33.中间层(3)直接布置在基体(1)上，即它与基体(1)直接接触，并阻止主层(即滑动层(2))与基体(1)之间的接触。相对于行星齿轮，中间层(3)直接施加在基体(1)上，基体最好由钢制成，特别是行星轴和/或行星轮。中间层(3)可以通过焊接工艺、非重熔工艺(优选电镀或其他湿化学镀膜工艺)、物理工艺(例如溅射、喷涂)和/或基于气体的工艺(例如物理气相沉积(pvd))来施加。中间层优选地使用有色金属或有色金属合金(3)。
34.实验表明，由两层制成的滑动涂层，其中由滑动轴承材料(特别是青铜)制成的滑动层(2)通过中间层(3)与钢基体(特别是镍或铜)隔开，抑制基体(1)中的裂纹形成，从而提高滑动轴承的负载能力。中间层(3)的有效厚度在2μm至50μm的范围内时最为明显。
35.在施加中间层(3)之后，对其施加滑动层(2)。根据所应用的材料，中间层(3)可以使用现有技术中已知的应用技术来施加(2)，例如电镀、化学镀、粘接、热喷涂、焊接、粉末冶金、压力结合或其它方法。然后通过滑动层(2)的最终加工，优选机械加工来产生滑动表面
(5)。该加工涉及众所周知的、用于生成特定表面结构的精加工工艺，例如车削、铣削、珩磨工艺、激光加工、蚀刻，电化学工艺和/或化学加工。由于中间层(3)设置在基体(1)和滑动层(2)之间并且优选地两层之间没有直接接触。现有技术中，例如滑动层采用厚壁部件，滑动层和基体之间直接或部分接触，在基体(1)和滑动层(2)内形成滑动或部分存在间隙，导致双金属腐蚀或缝隙腐蚀。除了由两层，即中间层(3)和滑动层(2)制成的滑动涂层外，本发明还涉及在其上布置这种滑动涂层的部件。在本发明的优选技术方面，涉及行星齿轮的至少一个部件，特别优选行星轴或行星轮，其孔中布置有由至少一个滑动层(2)和至少一个中间层(3)组成的滑动涂层，中间层(3)与部件直接接触并且滑动层(2)通过中间层间接的施加在部件(3)上。
36.滑动涂层可用于各种应用环境，例如不同类型的齿轮、液压活塞、套筒导轨、支撑轴承，涡轮涡杆齿条，螺杆，导轨，轴承套圈和其它机械元件。在本发明的优选方面，滑动层用于风力涡轮机齿轮的一个或多个行星级，这种结构，也即滑动轴承由至少一个中间层(3)和一个滑动层(2)组成，滑动层距离基体(1)一定距离，增加了行星齿轮部件的负载能力，特别是行星轴或行星齿轮，从而使齿轮更加耐磨。
37.因此，本发明还涉及至少一个行星齿轮箱，具有太阳轮，齿圈和行星架，以及几个行星轮。行星轮安装在径向滑动轴承上，在至少一个行星轴上和/或至少一个行星轮的孔上设置了上述滑动轴承。在一个优选实施例中，行星齿轮箱包括多个行星级。此外，还可以提供一个或多个行星齿轮级和正齿轮级的组合。根据应用，齿轮箱可以连接到至少一个根据本发明的滑动轴承与发电机，例如发电机或将动能转换为动能的部件，如风力涡轮机的转子、以便向齿轮箱提供动力。如上所述，具有至少一个部件的行星齿轮箱，其上布置有滑动涂层，可用于各种应用，特别地，如传动系统、风力发电机或其它工业应用。
38.根据应用环境和所使用的材料，在一个实施例中，除了施加滑动涂层，还可以在齿轮箱内提供额外的润滑介质。
39.本发明还涉及风力涡轮发电机。转子通常安装在塔架上，可以具有不同形状和数量的转子叶片，转子的任务是将风的动能转换为旋转动能。在一个方面，风力涡轮机包括转子、塔架和齿轮箱，转子通过轴以传递扭矩的方式连接到齿轮箱，齿轮箱包括至少一个行星齿轮箱，其优选包括行星轴上的滑动衬片和/或至少一个行星轮的内孔，其由滑动层(2)和中间层(3)组成。中间层(3)将滑动层(2)及滑动表面(5)与基体(1)分开，即行星轴和/或行星轮。齿轮箱依次连接到发电机。
40.此外，本发明还涉及具有至少一个部件的传动系统，该部件具有根据本发明的滑动层，至少包括一个上述描述的传动装置，其至少包括一个滑动层或上述描述的布置。该传动系统将发电机产生的动力传输到机械单元，反之亦然。其中，传动系统包括转子轴，其通过扭矩传递连接到变速器，而变速器又通过扭矩传递连接到发电机。传动系统优选包括转子轴，其以扭矩传递方式连接到包括至少一个滑动衬层的齿轮箱，而该齿轮箱又以扭矩传递方式连接到发电机。
41.在工业应用中，电力由发电机产生，发电机与齿轮箱通过扭矩传递方式连接。该齿轮箱具有至少一个部件，优选至少一个行星轴和/或至少一个行星轮，其具有根据本发明的滑动涂层，包括滑动层(2)和中间层(3)。中间层使得滑动层(2)以及形成的滑动表面(5)与布置滑动涂层的相应组件间隔开。在工业应用中，变速器具有与其他机械部件的扭矩传递
连接，例如，可以传输动力和/或来驱动部件。
42.发电设备优选为发电机、电动机或涡轮机械，例如汽轮机。
43.本发明的这些实施例在说明书和实施例中公开并被包含在说明书和实施例中。关于可用于本发明的已知材料、方法和用途的其它文献可以从公共图书馆和数据库中检索，例如使用电子设备。通过参考附图可以获得对本发明的更完整的理解，这些附图是出于说明目的而提供的，并不旨在限制本发明的范围。

技术特征：
1.滑动涂层包括至少一个中间层(3)和至少一个主层，中间层(3)直接布置在基体(4)上，由滑动层(2)组成的主层布置在该中间层(3)上，由此滑动层(2)与基体(4)通过中间层隔开(3)。2.根据权利要求1所述的滑动涂层，其特征在于，所述基体(4)为行星齿轮中的至少一个行星轴或至少一个行星轮，所述基体(4)优选由钢制成。3.根据权利要求1或2所述的滑动涂层，其特征在于，所述滑动层(2)包括金属、金属合金、塑料、陶瓷和/或复合材料，所述滑动层(2)优选由青铜或青铜合金制成。4.根据权利要求1至3所述的滑动涂层，其特征在于，所述滑动层(2)与基体(1)通过中间层(3)隔开，该滑动涂层至少布置在一个行星轴或至少一个行星轮的内孔中的至少一个行星齿轮箱。5.根据权利要求1至4所述的滑动涂层，其特征在于，中间层(3)由有色金属或有色金属合金组成，其中优选中间层(3)由镍及铜制成。6.根据权利要求1至6所述的滑动涂层，其特征在于，所述中间层(3)具有2微米至1毫米的层厚，优选2微米至50微米。7.根据权利要求1至6所述任一项所述的滑动涂层的制造方法，其特征在于，中间层(3)通过堆焊/熔覆工艺、物理方法、化学方法、基于气体的方法和/或非重熔方法施加在基体(4)上，优选堆焊、熔覆、热喷涂、电镀或其他湿化学涂层方法，然后将滑动层(2)施加到中间层上。8.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，滑动表面(5)是通过加工滑动层(2)形成的，优选地采用机械加工。9.根据权利要求1至6所述的部件，包括至少一种滑动涂层，其中优选为行星齿轮箱的至少一个部件，特别优选为至少一个行星轴或至少一个行星轮。10.使用权利要求1至6所述所述的滑动涂层，将权利要求9的至少一个部件用于齿轮、液压活塞、套筒导轨、支撑轴承、涡杆齿条、螺杆、导轨、轴承套圈等部件。11.行星齿轮包括至少一个行星轴，具有根据权利要求1至6所述所述的滑动涂层，至少一个行星齿轮布置在其孔中和/或包括权利要求9的部件。12.风力发电机，包括转子、塔架和齿轮箱，其中转子通过轴以传递扭矩的方式连接到齿轮箱，齿轮箱连接到发电机，其中a.在齿轮箱内设置至少一种根据权利要求1至6所述的滑动涂层；b.根据权利要求9所述的至少一种组分；和或c.根据权利要求11所述的至少一个行星齿轮。13.根据权利要求1至6所述，具有至少一个具有滑动涂层的部件的传动系，其中传动系可以将发电机产生的动力传输到机械单元，反之亦然，其中传动系包括以扭矩传递方式连接到齿轮箱的转子轴，反过来也可扭矩传递连接到发电机。

技术总结
本发明涉及一种优选用于行星齿轮的滑动涂层。滑动涂层特别适用于风力涡轮机的齿轮或工业应用，至少有一个滑动涂层由滑动层和中间层组成，布置在行星齿轮内的基体（即组件）上。布置在行星齿轮内的基体（即组件）上。布置在行星齿轮内的基体（即组件）上。


技术研发人员：彼得
受保护的技术使用者：中达轴承奥地利有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/6