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CN111006006B - 一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置 - Google Patents

一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置 Download PDF

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CN111006006B CN201911362583.1A CN201911362583A CN111006006B CN 111006006 B CN111006006 B CN 111006006B CN 201911362583 A CN201911362583 A CN 201911362583A CN 111006006 B CN111006006 B CN 111006006B
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Abstract

本发明公开了一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，由齿轮传动装置本体和镀覆在齿轮啮合面中一面或双面的a‑C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通。本发明通过镀膜可以大幅度降低运转的摩擦力矩，增加转动的平稳性，降低能量损耗，而且导电用螺纹孔的加入还能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电。

Description

一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置
技术领域
本发明属于轴承技术领域，涉及一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置。
背景技术
超润滑固体薄膜与传统固体润滑薄膜(如MoS2)相比，其摩擦系数(<0.005)低1-2个数量级，摩擦力矩波动大幅度降低，可大幅度提高活动机构的运转平稳性，降低摩擦力矩和能耗，对于提高空间航天器运转平稳性，降低摩擦带来的噪音和动力衰减等具有不可替代的重要作用。
尽管国内外多个高校和研究所对超润滑材料进行了大量研究，并尝试了宏观尺度的超润滑薄膜的制备，但截至目前，尚无一种超润滑薄膜可以成功应用于空间用固体润滑轴承。其中涉及的主要问题如下：(1)超润滑研究基本局限在微观尺度，而微观超润滑机制难以在宏观重现；(2)少数在宏观尺寸表现出超润滑特性的材料(如含氢非晶碳膜，a-C:H)，寿命较短，摩擦系数波动较大，无法满足空间应用需求；(3)大多数当前研究获得的超润滑材料，不具有空间环境适应性(如真空、辐照、原子氧等)。
含氢非晶碳(a-C:H)膜是目前唯一具有空间应用可行性的超润滑材料，归因于三个方面：(一)a-C:H膜是已报道文献中，唯一在宏观尺度(即“概念与内涵”中解释的“大尺度”)试样上、传统测试条件下表现出超润滑性能的材料；(二)a-C:H膜是非晶膜，不依赖完美的晶体结构，也不依赖超洁净表面，因此可以被有效镀覆于非平面的表面(如滚动球轴承内外圈等)，这些对于石墨单晶、h-BN单晶等材料很难实现；(三)与a-C:H膜成分、结构都类似的类金刚石碳(DLC)膜，已经多次成功应用于空间活动机构，获得了空间飞行验证，因此a-C:H膜具有很高的空间环境适应潜力，这是其他二维材料不具备的。
但是在制备a-C:H基超润滑固体薄膜时，薄膜材料会同时沉积到工件台上。由于薄膜材料本身导电性较差，使得工件台与镀膜部件之间导电性会随着镀膜过程的进行而逐渐变差。然而镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜的工艺需要被镀膜工件与工件台之间具有良好的导电性，以便于施加直流或脉冲电压，以保证超润滑薄膜的结构与性能。因此，要求工作台与镀膜部件之间导电性良好，因此薄膜材料覆盖工作台会导致工艺效果不好。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，其通过镀膜可以大幅度降低运转的摩擦力矩，增加转动的平稳性，降低能量损耗，而且导电用螺纹孔的加入还能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，由齿轮传动装置本体和镀覆在齿轮啮合面中一面或双面的a-C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通。
优选地，所述齿轮传动装置为直齿齿轮、斜齿齿轮、人字齿轮、圆锥齿轮、戟齿轮、交错轴斜齿轮、齿轮齿条机构或蜗轮蜗杆。
优选地，所述齿轮传动装置为作为齿轮传动减速装置的谐波减速器，则谐波减速器中，刚轮轮齿表面和/或柔轮轮齿表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
优选地，所述谐波减速器的柔轮内表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
优选地，所述谐波减速器的类型包含单波谐波减速器、双波谐波减速器和三波谐波减速器。
优选地，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为0.1～10μm。
优选地，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1～3μm。
优选地，所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1.5～2.5μm。
优选地，所述a-C:H基超润滑固体薄膜中掺杂Ti、Al、Zr、Cr、Cu、Mo、V、Si、Ag中的一种或多种元素；所述a-C:H基超润滑固体薄膜的显微组织结构为非晶、纳米晶或两者复合。
优选地，所述镀膜部件制备时，使用导电螺钉与导电用螺纹孔相连，并采用导线带将待镀膜部件与工件台连通；通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。
其中a-C:H基超润滑固体薄膜的制备方法可以为物理气相沉积或化学气相沉积。
有益效果：
本发明在齿轮传动装置的齿面上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜，可以大幅度降低齿轮传动装置运转过程中的摩擦能耗，延长其使用寿命，提高其传动效率，同时增加其运转的平稳性。特别适用于具有长寿命、高精度、高稳定性等要求的空间或行星探测中的活动机构，如展开机构、机械臂、驱动机构等。。
同时，在镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通，能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电，不受溅射非导电材料的影响。
本发明不仅适用于航天器零部件，还适用于地面活动零部件，特别是高动态特性的伺服系统中。其应用领域包含航空、航海、机器人、能源、仿生机械、机床、仪表、电子设备、交通运输、起重机械、医疗机械、农业机械、矿山冶金、船舶舰艇等。
附图说明
图1为一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用直齿齿轮副示意图；
图2为一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用齿轮齿条副示意图；
图3为一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用谐波减速器示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，由齿轮传动装置本体和镀覆在齿轮啮合面中一面或双面的a-C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通。a-C:H基超润滑固体薄膜的使用可以大幅降低齿轮传动装置运转过程中的摩擦能耗，延长其使用寿命，提高其传动效率，同时增加其运转的平稳性；更重要的是，导电用螺纹孔的增加与使用能够保证加工时镀膜部件与工作台之间的导电，不受所溅射的非导电材料的影响。
本发明中所用的a-C:H基超润滑固体薄膜可以采用现有的任意一种a-C:H基超润滑固体薄膜。a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为0.1～10μm，较优的可以选取范围为1～3μm。当a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1.5～2.5μm时，可以在达到较好效果的同时，减少制备时间，大大降低工艺成本。a-C:H基超润滑固体薄膜的组成成分可以仅包含C元素和H元素，也可以除C、H元素外，还可以另外包含Ti、Al、Zr、Cr、Cu、Mo、V、Si、Ag等一种或几种元素。而且所述a-C:H基超润滑固体薄膜的显微组织结构可以为非晶、纳米晶或两者复合。
该方案可以应用于各种齿轮传动装置中，不仅包括直齿齿轮、斜齿齿轮、人字齿轮、圆锥齿轮、戟齿轮、交错轴斜齿轮、齿轮齿条机构或蜗轮蜗杆，还包括作为齿轮传动减速装置的谐波减速器。
下面以航天器用直齿齿轮、齿轮齿条机构、谐波减速器为例，举三个实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种镀覆超润滑固体薄膜的固体润滑直齿齿轮副，直齿齿轮副由小齿轮11、大齿轮12组成；小齿轮11和大齿轮12的齿面上均镀覆有a-C:H基超润滑固体薄膜13。小齿轮11和大齿轮12上开设有导电用螺纹孔14和15。其中，a-C:H基超润滑固体薄膜15的制备工艺如下：
所述a-C:H基超润滑固体薄膜采用反应磁控溅射技术制备，首先使用不锈钢螺钉与导电用螺纹孔相连，从而将待镀膜部件固定在工件台上；采用导线带将待镀膜部件与工件台连通，通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。在本实施例中，导电螺钉采用不锈钢螺钉，导线带采用编织铜导线带，待镀膜部件至工件台的实测电阻小于0.3欧姆。
其次，靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气，纯度优于99.999％的高纯氮气和纯度优于99.9％的乙炔气体。沉积制备过程中真空腔室本底真空度优于1×10-3Pa。本实施例中，总沉积时间为1.5小时，得到薄膜总厚度约为1.2μm。
按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，薄膜附着力大于或等于250mN，摩擦系数<0.003。
本实际应用中，可以在小齿轮11、大齿轮12中的一个部件上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜。为了保证润滑效果，也可以在另一部件上镀覆其他类型的润滑薄膜。
实施例2
如图2所示，一种镀覆超润滑固体薄膜的固体润滑直齿齿轮副，直齿齿轮副由齿轮21、齿条22组成。齿轮21和齿条22齿面上镀覆有a-C:H基超润滑固体薄膜23。齿轮21和齿条22上开设有导电用螺纹孔24和25。其中，a-C:H基超润滑固体薄膜23的制备工艺如下：
所述a-C:H基超润滑薄膜采用反应磁控溅射技术制备，首先使用不锈钢螺钉与导电用螺纹孔相连，从而将待镀膜部件固定在工件台上；采用导线带将待镀膜部件与工件台连通，通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。在本实施例中，导电螺钉采用不锈钢螺钉，导线带采用编织铜导线带，待镀膜部件至工件台的实测电阻小于0.3欧姆。
其次，靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气，纯度优于99.999％的高纯氮气和纯度优于99.9％的乙炔气体。沉积制备过程中真空腔室本底真空度优于1×10-3Pa。本实施例中，总沉积时间为2小时，得到薄膜总厚度约为1.5μm。
按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，薄膜附着力大于或等于280mN，摩擦系数<0.003。
本实际应用中，可以在齿轮21、齿条22中的一个部件上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜。为了保证润滑效果，也可以在另一部件上镀覆其他类型的润滑薄膜。
实施例3
如图3所示，一种镀覆超润滑固体薄膜的航天器用谐波减速器，具体的，谐波减速器由刚轮31、柔轮32、柔性轴承33、凸轮34和超润滑薄膜35组成。其中，柔性轴承33包含柔性轴承外圈331、柔性轴承内圈333和柔性轴承滚珠332。超润滑薄膜35的具体镀覆部位为：刚轮31的轮齿表面、柔轮32的轮齿表面。刚轮31上开设导电用螺纹孔36，柔轮32上本身就具有螺纹孔，可以作为导电用螺纹孔(图中未示出)。其中，超润滑薄膜35为a-C:H基超润滑固体薄膜，制备工艺如下：
所述a-C:H基超润滑薄膜采用反应磁控溅射技术制备，首先使用不锈钢螺钉与导电用螺纹孔相连，从而将待镀膜部件固定在工件台上；采用导线带将待镀膜部件与工件台连通。
然后，靶材使用纯度高于99.99％的Ti靶，反应气体采用纯度优于99.999％的高纯氢气，纯度优于99.999％的高纯氮气和纯度优于99.9％的乙炔气体。沉积制备过程中真空腔室本底真空度优于1×10-3Pa。本实施例中，总沉积时间为1.5小时，得到薄膜总厚度约为1.2μm。
按照中国空间技术研究院院标准Q/W1106-2007《航天器用溅射沉积MoS2固体润滑薄膜性能测试方法》进行测试，薄膜附着力大于或等于250mN，摩擦系数<0.003。
本实际应用中，可以在刚轮轮齿、柔轮32轮齿中的一个部件上镀覆a-C:H基超润滑固体薄膜；为了保证润滑效果，还可以在另一部件上镀覆其他类型的润滑薄膜。优选地，还可以在柔轮32的内表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。谐波减速器还包括柔性轴承33，柔性轴承为滚动传动，可以在柔性轴承33的外圈外表面、柔性轴承33内圈的沟道表面镀膜。该镀膜可以是润滑薄膜也可以是a-C:H基超润滑固体薄膜。
具体实施方案中的示例，仅为举例说明本发明的实施方式，既不具有特殊性，也不具有排他性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，其特征在于，由齿轮传动装置本体和镀覆在齿轮啮合面中一面或双面的a-C:H基超润滑固体薄膜组成；镀膜部件上开有导电用螺纹孔，用于在制备时经由导电螺钉与加工平台的导电区连通；
所述a-C:H基超润滑固体薄膜的厚度为1.5～2.5μm；
所述a-C:H基超润滑固体薄膜中掺杂Ti、Al、Zr、Cr、Cu、Mo、V、Si、Ag中的一种或多种元素；所述a-C:H基超润滑固体薄膜的显微组织结构为非晶、纳米晶或两者复合；
所述镀膜部件制备时，使用导电螺钉与导电用螺纹孔相连，并采用导线带将待镀膜部件与工件台连通；通过导电用螺纹孔尺寸、导电螺钉的材料、导线带的材料的设计，使得待镀膜部件至工件台的电阻小于5欧姆。
2.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，其特征在于，所述齿轮传动装置为直齿齿轮、斜齿齿轮、人字齿轮、圆锥齿轮、戟齿轮、交错轴斜齿轮、齿轮齿条机构或蜗轮蜗杆。
3.如权利要求1所述的镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，其特征在于，所述齿轮传动装置为作为齿轮传动减速装置的谐波减速器，则谐波减速器中，刚轮轮齿表面和/或柔轮轮齿表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
4.如权利要求3所述的镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，其特征在于，所述谐波减速器的柔轮内表面镀覆所述a-C:H基超润滑固体薄膜。
5.如权利要求3所述的镀覆超润滑固体薄膜的齿轮传动装置，其特征在于，所述谐波减速器的类型包含单波谐波减速器、双波谐波减速器和三波谐波减速器。
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