專利名稱：一種空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間摩擦學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種空間飛輪用固-液復(fù)合潤滑寬轉(zhuǎn) 速范圍軸系。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星的發(fā)展要求姿態(tài)控制系統(tǒng)具有高精度和長壽命并提供精確的控制力矩， 因而越來越多地采用飛輪三軸姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)?？臻g姿控飛輪一般由轉(zhuǎn)子、軸系、 直流無刷電機(jī)以及密封殼體構(gòu)成。軸系是飛輪中的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)直接決定了 飛輪的控制精度、可靠性以及壽命。
姿態(tài)控制用飛輪包括偏置動(dòng)量輪和反作用飛輪，其中偏置動(dòng)量輪的平均轉(zhuǎn)速 一般在2000~3000轉(zhuǎn)/分鐘，飛輪單方向旋轉(zhuǎn)；反作用飛輪的平均轉(zhuǎn)速為0，可 以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。相對(duì)于偏置動(dòng)量輪，反作用飛輪在相同慣量條件下具有高 角動(dòng)量輸出范圍以及良好的可控性等特點(diǎn)，成為姿態(tài)控制飛輪的重要發(fā)展方向。 目前國外衛(wèi)星姿態(tài)控制方案的發(fā)展趨勢是將反作用飛輪工作在偏置狀態(tài)下構(gòu)成 整星零動(dòng)量，即反作用飛輪不過零，國內(nèi)反作用飛輪還處于研制階段，壽命和可 靠性不高。反作用飛輪轉(zhuǎn)速不過零，其角動(dòng)量輸出范圍減小一半，反作用飛輪功 能密度降低。當(dāng)前，反作用飛輪存在的主要問題就是低速下的摩擦磨損以及由此 帶來的低速下(包括過0時(shí))控制精度低，其本質(zhì)是由于當(dāng)前飛輪軸系在低速下 磨損劇烈、摩擦非線性以及潤滑不良等問題造成的。同時(shí)，提高飛輪轉(zhuǎn)速可以在 相同質(zhì)量下獲得大角動(dòng)量輸出，從而實(shí)現(xiàn)飛輪系統(tǒng)的輕量化。
當(dāng)前，姿態(tài)控制飛輪軸系支撐軸承采用鋼制角接觸球軸承，潤滑方式為液體 油潤滑。油潤滑在低速下難于形成良好的彈性流體動(dòng)壓潤滑膜，因此低速下的摩 擦力矩大、軸承磨損劇烈，這樣導(dǎo)致了軸系在低速下控制精度低，對(duì)衛(wèi)星造成了 姿態(tài)擾動(dòng)，因此，姿態(tài)控制飛輪僅能工作在較高的工作轉(zhuǎn)速下。
姿態(tài)控制飛輪軸系的潤滑方式有脂潤滑、油潤滑和固體潤滑三種方式。其中
油潤滑在較高轉(zhuǎn)速下具有摩擦力矩低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)以及功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但其在低速 下的潤滑狀況不好，同時(shí)需要額外的供油系統(tǒng)，增加了軸系的體積、重量及復(fù)雜
性；脂潤滑不易揮發(fā)，潤滑結(jié)構(gòu)相對(duì)油潤滑簡單，低速下的潤滑狀況好于油潤滑，
但在較高轉(zhuǎn)速下功耗相對(duì)油潤滑來說大；固體潤滑具有結(jié)構(gòu)簡單、摩擦性能不隨
溫度變化以及良好的低速特性等優(yōu)點(diǎn)，但在較高轉(zhuǎn)速磨損劇烈，壽命有限。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的低速下的摩擦力矩大、軸承磨損劇烈，導(dǎo)致軸系在低速 下控制精度低的問題，本發(fā)明提供一種空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，利用固體 與液體復(fù)合潤滑方式，同時(shí)采用軸承自潤滑保持架一儲(chǔ)油器一迷宮密封這一潤滑 油的供給和保持裝置，使軸系在低速到較高速的寬速度范圍內(nèi)具有良好的潤滑特 性和摩擦特性，有效改善初期磨合及防止啟動(dòng)咬合，進(jìn)而提高軸系的使用壽命和 可靠性。
本發(fā)明包括第一陶瓷軸承l(wèi)，第二陶瓷軸承2，碟形彈簧3，儲(chǔ)油器4，內(nèi)支 撐套5，外支撐套6，第一迷宮密封7，第二迷宮密封8;內(nèi)支撐套5連接飛輪定 子，外支撐套6連接飛輪轉(zhuǎn)子；第一陶瓷軸承1和第二陶瓷軸承2同軸排列安裝 在內(nèi)支撐套5與外支撐套6之間，對(duì)軸系提供支撐；第一陶瓷軸承1和第二陶瓷 軸承2的內(nèi)圈12和外圈9與滾動(dòng)體接觸的溝道表面有耐磨層，耐磨層用以改善 其抗磨損性能；在耐磨層上附有固體潤滑涂層，固體潤滑涂層承載能力大，在軸 承啟動(dòng)初期及低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)避免了滾動(dòng)體與軸承的內(nèi)圈12和外圈9的直接接觸， 同時(shí)其自身的潤滑特性為軸承提供薄膜潤滑，減小了啟動(dòng)摩擦力矩，從而使其具 有良好的低速特性；軸承保持架11采用具有自潤滑性能的高分子復(fù)合多孔材料， 使軸承保持架11具有良好的機(jī)械性能和自潤滑性能；碟形彈簧3安裝在第一陶 瓷軸承1和第二陶瓷軸承2之間，對(duì)軸系提供預(yù)緊載荷，保證軸系具有要求的剛 度和阻尼；儲(chǔ)油器4安裝在碟形彈簧3與外支撐套6之間的空隙中，為軸系長期 工作提供潤滑油供應(yīng)；第一迷宮密圭寸7和第二迷宮密封8分別固定安裝在內(nèi)支撐 套5兩端的外表面與外支撐套6之間，以減小潤滑油損失，限制潤滑油損失為分 子流損失。 有益效果本發(fā)明利用固體與液體復(fù)合潤滑方式，同時(shí)采用軸承自潤滑保持 架—儲(chǔ)油器一迷宮密封這一潤滑油的供給和保持裝置，使軸系在低速到較高速的 寬速度范圍內(nèi)具有良好的潤滑特性和摩擦特性，有效改善了初期磨合及防止啟動(dòng) 咬合，進(jìn)而提高了軸系的使用壽命和可靠性，提高了軸系在低速下的控制精度。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，也是摘要附圖。圖中l(wèi)為第一陶瓷軸承，2第二 陶瓷軸承，3碟形彈簧，4儲(chǔ)油器，5內(nèi)支撐套，6外支撐套，7第一迷宮密封， 8第二迷宮密封。
圖2為本發(fā)明第一陶瓷軸承和第二陶瓷軸承的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中9外圈，10 陶瓷球，ll軸承保持架，12內(nèi)圈，13內(nèi)圈溝道，14外圈溝道。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，對(duì)于軸系的關(guān)鍵支撐部件一第一陶瓷軸承1和第二陶瓷軸承2， 采用的是高精度陶瓷球軸承，并對(duì)陶瓷球10進(jìn)行表面改性，即采用特殊工藝， 如涂敷全氟垸基硅氧烷，增加表面的親油性能，以降低陶瓷球10表面能，以使 潤滑油能自由、快速地鋪滿陶瓷球10表面，改善彈流潤滑油膜的質(zhì)量，進(jìn)而提 高軸系的摩擦性能和速度控制精度。陶瓷球10軸承的內(nèi)圈12和外圈9為軸承鋼， 對(duì)陶瓷球軸承的軸承鋼內(nèi)圈12和外圈9與陶瓷球10接觸的內(nèi)圈溝道13和外圈 溝道14表面進(jìn)行材料表面改性處理，即離子濺射耐磨層，耐磨層材料為TiC， 以增強(qiáng)內(nèi)圈溝道13和外圈溝道14與陶瓷球10接觸的表面的耐磨性。在離子濺 射TiC表面上附有的固體潤滑涂層為軸承提供固體潤滑，該固體潤滑涂層為MoS2 膜或軟金屬混合物或MoSJ莫與軟金屬的混合物，所述軟金屬為金或銀。軸承保持 架11采用具有自潤滑性能的高分子復(fù)合多孔材料制作，該高分子復(fù)合多孔材料 由PTFE (聚四氟乙烯)和固體潤滑劑組成，PTFE (聚四氟乙烯)與固體潤滑劑 的體積比為100: 1;所述固體潤滑劑為MoS2膜或軟金屬或MoSJ莫與軟金屬的混
合物，其中軟金屬為金或銀，MoS,與軟金屬按體積比10: l混合。
如圖1所示，儲(chǔ)油器4材料采用多孔材料一聚酰亞胺，利用多孔聚酰亞胺 材料對(duì)潤滑油的吸附性能用作儲(chǔ)油器4，在軸系工作時(shí)通過離心力作用和虹吸原 理向軸承供油，保證軸系在整個(gè)工作期間良好的潤滑狀況。
本發(fā)明中利用沉積技術(shù)在第一陶瓷軸承和第二陶瓷軸承內(nèi)外圈離子濺射TiC 表面，并在TiC表面附上MoS2或軟金屬混合物或MoS2膜與軟金屬的混合物的固 體潤滑涂層，固體潤滑涂層承載能力大，在軸承啟動(dòng)初期及低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)避免了陶 瓷滾珠與軸承內(nèi)、外圈的直接接觸，同時(shí)其自身的潤滑特性為軸承提供薄膜潤滑， 減小了啟動(dòng)摩擦力矩，從而使其具有良好的低速特性。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)一定速度后， 液體潤滑油隨著軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)形成彈^C薄膜，此時(shí)潤滑為液體潤滑油的彈流潤滑，
從而保證了軸承在中高速下的良好性能。
本發(fā)明采用固液復(fù)合潤滑方式可以有效減小軸系的摩擦及磨損，有效改進(jìn)了 初期磨合、防止啟動(dòng)咬合、改善軸系低速性能、提高軸系低速時(shí)的控制精度以及 提高軸系的使用壽命。
權(quán)利要求
1、一種空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于包括第一陶瓷軸承(1)，第二陶瓷軸承(2)，碟形彈簧(3)，儲(chǔ)油器(4)，內(nèi)支撐套(5)，外支撐套(6)，第一迷宮密封(7)，第二迷宮密封(8)；內(nèi)支撐套(5)連接飛輪定子，外支撐套(6)連接飛輪轉(zhuǎn)子；第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)同軸排列安裝在內(nèi)支撐套(5)與外支撐套(6)之間；第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)的內(nèi)圈(12)和外圈(9)與滾動(dòng)體接觸的溝道表面有耐磨層；在耐磨層上附有固體潤滑涂層；軸承保持架(11)采用具有自潤滑性能的高分子復(fù)合多孔材料；碟形彈簧(3)安裝在第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)之間；儲(chǔ)油器(4)安裝在碟形彈簧(3)與外支撐套(6)之間的空隙中；第一迷宮密封(7)和第二迷宮密封(8)分別固定安裝在內(nèi)支撐套(5)兩端的外表面與外支撐套(6)之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2)的內(nèi)圈(12)和外圈(9)與滾動(dòng)體接 觸的溝道表面的耐磨層材料為TiC，固體潤滑涂層為MoSJ莫或軟金屬混合物或 MoS,膜與軟金屬的混合物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于所 述固體潤滑涂層采用的軟金屬為金或銀。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于軸 承保持架(11)采用的高分子復(fù)合多孔材料由PTFE和固體潤滑劑組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于PTFE 與固體潤滑劑的體積比為100: 1。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于所 述固體潤滑劑為MoS2膜或軟金屬或MoS2膜與軟金屬的混合物，其中軟金屬為 銀。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于MoS2與軟金屬的體積比為10: 1。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于儲(chǔ) 油器(4)材料采用聚酰亞胺。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或者6任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的空間飛 輪用固液復(fù)合潤滑軸系，其特征在于第一陶瓷軸承(1)和第二陶瓷軸承(2) 采用高精度陶瓷球軸承，陶瓷球(10)表面涂敷全氟垸基硅氧烷。
全文摘要
本發(fā)明屬于空間摩擦學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種空間飛輪用固液復(fù)合潤滑軸系，利用固體與液體復(fù)合潤滑方式，同時(shí)采用軸承自潤滑保持架-儲(chǔ)油器-迷宮密封這一潤滑油的供給和保持裝置，使軸系在低速到較高速的寬速度范圍內(nèi)具有良好的潤滑特性和摩擦特性，有效改善了初期磨合及防止啟動(dòng)咬合，進(jìn)而提高了軸系的使用壽命和可靠性，提高了軸系在低速下的控制精度。
文檔編號(hào)F16C35/12GK101178095SQ200610131688
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者吳一輝, 越 白, 黃敦新 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所