專利名稱：用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于機(jī)動車傳動用圓錐滾子軸承。
背景技術(shù)：
圓錐滾子軸承用于機(jī)動車傳動的輸入/輸出軸的軸支撐部分上。如圖形1所示，圓錐滾子軸承包括具有一個(gè)錐形滾道面1的外圈2，具有一個(gè)錐形滾道面3的內(nèi)圈6，內(nèi)圈6的錐形滾道面3的大徑端具有一個(gè)大凸緣面4，內(nèi)圈6的錐形滾道面3的小徑端設(shè)具有一個(gè)小凸緣面5，多個(gè)可滾動地設(shè)置于外圈2和內(nèi)圈6的滾道面1和3之間的圓錐滾子7，和一個(gè)支撐圓錐滾子7使其在圓周方向上等間隔分布的保持架8。大凸緣面4和小凸緣面5之間的距離設(shè)計(jì)為稍大于圓錐滾子7的長度。
每一個(gè)圓錐滾子7設(shè)計(jì)成與外圈2和內(nèi)圈6的滾道面1和3線接觸，每一個(gè)圓錐滾子7的錐角頂點(diǎn)與滾道面1和3的錐角頂點(diǎn)相交于圓錐滾子軸承的中心線上的一點(diǎn)O。因此，圓錐滾子7能夠沿著滾道面1和3滾動。
因?yàn)閳A錐滾子軸承的滾道面1和3具有不同的錐角，從滾道面1和3施加到圓錐滾子7上的載荷將圓錐滾子7推向內(nèi)圈6的大凸緣面4一側(cè)。因此，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，每一個(gè)圓錐滾子7由抵著大凸緣面4的大端面9引導(dǎo)，因此大端面9與大凸緣面4滑動接觸。另一方面，因?yàn)閮?nèi)圈6的大凸緣面4到小凸緣面5的距離稍大于圓錐滾子7的長度，如圖1(b)所示，小凸緣面5與圓錐滾子7的小端面10不接觸，它們之間有一個(gè)小的間隙。小凸緣面5由一個(gè)相對于圓錐滾子7的小端面10稍向外傾斜的平面形成。
在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，為了防止圓錐滾子7在軸向上移動，并確保圓錐滾子7與外圈2和內(nèi)圈6的各自的滾道面1和3為穩(wěn)定的線接觸，向圓錐滾子軸承施加一個(gè)預(yù)載荷。
但如果在圓錐滾子軸承在使用過程中，由于圓錐滾子7的大端面9和大凸緣面4之間的金屬-金屬接觸和在圓錐滾子7歪斜過程中，圓錐滾子7的大端面9的端面與大凸緣表面4之間的接觸而發(fā)生所謂的“咬合”，會引起所謂的“預(yù)載荷損失”現(xiàn)象，預(yù)載荷會逐漸降低。
當(dāng)預(yù)載荷和軸承壽命之間的關(guān)系用壽命比值(L/L0)表示(此處，L表示考慮游隙和預(yù)載時(shí)的壽命，L0表示游隙為0時(shí)的壽命)，如果施加一個(gè)適量的預(yù)載(此時(shí)軸向游隙為負(fù)值)，壽命比值(L/L0)等于或大于1，但，當(dāng)軸向游隙變?yōu)?或者進(jìn)入正值范圍，預(yù)載和壽命比值就逐漸降低。
邊緣應(yīng)力的控制對于用于機(jī)動車傳動的現(xiàn)有的圓錐滾子軸承，必需考慮可能產(chǎn)生的裝配誤差，如內(nèi)圈和外圈之間的相對斜角(偏斜)，并采取措施，即使在最大載荷情況下防止由于這樣的裝配誤差產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力而使軸承的壽命降低。例如，滾道面1或3、或圓錐滾子的外圓周表面設(shè)有凸緣，這樣在一定的裝配范圍內(nèi)，可以防止出現(xiàn)大的邊緣應(yīng)力。另一種形式為通過軸承的內(nèi)部設(shè)計(jì)(直徑，長度，滾子的數(shù)量)來降低邊緣應(yīng)力。凸緣越大，對降低邊緣應(yīng)力越有效。但是，凸緣尺寸的增加(減小曲率半徑的方法)減小了圓錐滾子和滾道面之間的接觸面積，因而增大了最大接觸應(yīng)力。因此，通常實(shí)用的是選取一個(gè)適當(dāng)?shù)耐咕壋叽纭Ｖ档米⒁獾氖?，一般來說，凸緣尺寸由以下方法來設(shè)計(jì)邊緣應(yīng)力的上限由第一位置決定，使用一預(yù)定的公式從上限向回計(jì)算來得出凸緣的尺寸。
表面早期剝落另一方面，最近有一種趨勢，在機(jī)動車傳動如連續(xù)變動傳動系統(tǒng)(CVTs)，節(jié)油器等等上使用低粘度油來實(shí)現(xiàn)自動傳動。在使用低粘度油的情況下，如果同時(shí)發(fā)生不利的情況如(1)油溫高，(2)油流速低，(3)預(yù)載損失等，在高接觸壓力下的內(nèi)滾道面由于潤滑不好(缺少油膜)在短時(shí)間內(nèi)就會產(chǎn)生表面早期剝落。
為增加圓錐滾子軸承壽命的現(xiàn)有技術(shù)都關(guān)注軸承的結(jié)構(gòu)或形狀，尤其是凸緣，而沒有對最大接觸應(yīng)力的絕對值(見日本發(fā)明專利公布No.2000-235749，日本實(shí)用新型專利公布No.Hei 5-22845，日本實(shí)用新型專利公布No.2554882，和日本發(fā)明專利公布No.2001-3941)做過特殊的研究。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，表面早期剝落的發(fā)生率不是由邊緣應(yīng)力決定的，而是由隨凸緣的形狀或軸承的內(nèi)部設(shè)計(jì)而變的最大接觸應(yīng)力來決定的。
雖然如此，大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)對凸緣和軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以均衡接觸應(yīng)力的分布，其主要目的是防止由于邊緣應(yīng)力而造成的軸承壽命降低。因此，由于滾道面的最大接觸壓力問題而導(dǎo)致的表面早期剝落問題一直沒有得到解決。
當(dāng)在潤滑狀況惡劣的情況下預(yù)載增加，由于潤滑不好而導(dǎo)致表面早期剝落過早出現(xiàn)。這是因?yàn)橛捎陬A(yù)載損失，軸承內(nèi)部的載荷分布變小(載荷范圍變窄)。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如下面所描述的，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是過早出現(xiàn)的表面早期剝落的最大接觸壓力的極限值是3000Mpa，基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)而作出了本發(fā)明。
圖2是從5種不同類型軸承A-E中的每一種分別抽出9個(gè)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于預(yù)載損失而出現(xiàn)早期剝落的樣品的數(shù)量。因?yàn)檩S承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，因此各個(gè)類型的軸承具有不等數(shù)量的長度和直徑不同的滾子，從而具有不同的最大接觸應(yīng)力。從中間向左的欄表示軸向游隙為0mm并且?guī)缀鯖]有預(yù)載情況的結(jié)果，而從中間向右的欄表示軸向游隙為0.3mm并且預(yù)載全部損失情況的結(jié)果。軸承E與軸承B具有相同的內(nèi)部設(shè)計(jì)，但凸緣的形狀比軸承B的凸緣的形狀小(曲率半徑比軸承B大)的多。
從圖2可以看出，在最大接觸壓力一達(dá)到3000Mpa時(shí)就出現(xiàn)過早剝落(early flaking)(使用15個(gè)小時(shí)后或少于15個(gè)小時(shí))，當(dāng)最大接觸壓力高于3000Mpa時(shí)，出現(xiàn)早期剝落的軸承的樣品的數(shù)量增加。經(jīng)證實(shí)，沒有出現(xiàn)過早剝落的軸承的壽命為出現(xiàn)過早剝落的軸承的15小時(shí)的平均壽命的至少10倍。
值得注意的是，圖2中的實(shí)驗(yàn)條件如下軸承A到E的尺寸為φ45mm×φ81mm×16mm，軸承的材質(zhì)為碳鋼，轉(zhuǎn)速為2500rpm，載荷為19.1KN。
如圖3所示，具有小凸緣的軸承E，當(dāng)裝配誤差變大時(shí)由于邊緣應(yīng)力而使軸承壽命急劇下降(200小時(shí)→40小時(shí)→20小時(shí))，而具有較大凸緣的軸承B的壽命與軸承E的壽命下降的一樣多(200小時(shí)→40小時(shí)→20小時(shí))。而且，在裝配誤差不超過3/1000時(shí)，軸承B和軸承E的壽命比如圖2所示的過早出現(xiàn)表面早期剝落的壽命(15小時(shí))長(由于邊緣應(yīng)力而引起的壽命的降低也能由計(jì)算得出)。
圖2和圖3的實(shí)驗(yàn)的潤滑狀況如下油為VG1.5級，油溫為大約90℃(自然升高)，油的高度為軸中心線的高度。
值得注意的，圖2和圖3的實(shí)驗(yàn)是在油膜參數(shù)Λ為0.2的條件下進(jìn)行的，以提高這個(gè)問題的再現(xiàn)性。從圖4中看到，當(dāng)油膜參照Λ小于0.6時(shí)出現(xiàn)較早剝落。
換句話說，在油膜參照Λ小于0.6的惡劣潤滑情況下，甚至在增加載荷或升高溫度而出現(xiàn)預(yù)載損失的情況下，通過適當(dāng)?shù)耐咕壓洼S承內(nèi)部設(shè)計(jì)，使?jié)L道面的最大接觸壓力小于3000Mpa，可以防止表面早期剝落的過早出現(xiàn)。
這些實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是在有足夠的潤滑油的情況下進(jìn)行的，使用油膜參數(shù)表示潤滑不良的等級。另一方面，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，即使理論油膜參數(shù)為0.6或更大，當(dāng)潤滑油的量變小時(shí)也會產(chǎn)生表面剝落損傷。可以理解的是，這是由于潤滑油的量不足而導(dǎo)致局部缺少油膜造成的。眾所周知，當(dāng)潤滑油的進(jìn)給速度降到大約100mL/min或更低時(shí)，目前用于傳動的內(nèi)徑為φ20到φ45mm的圓錐滾子軸承會出現(xiàn)潤滑不良的問題。因?yàn)檫@些因素，可以理解，潤滑油進(jìn)給速度大約為100mL/min或更小的潤滑不良的情況應(yīng)與油膜參數(shù)Λ等于或小于0.6的情況一樣對待。眾所周知，油膜厚度與潤滑油的動粘度成正比(油膜厚度還與旋轉(zhuǎn)速度成正比)。如果用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承的油膜參數(shù)Λ等于或小于0.6，例如，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中潤滑油的動粘度大約等于10cst或更小，使用低粘度油的情況下能夠良好地運(yùn)轉(zhuǎn)的這樣的軸承最近用于機(jī)動車傳動，連續(xù)變動傳動系統(tǒng)(CVTs)，節(jié)油器等等上來實(shí)現(xiàn)自動傳動。

發(fā)明內(nèi)容
如上所描述的情況，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種設(shè)有凸緣或內(nèi)部設(shè)計(jì)的軸承，其通過尋找由于邊緣應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞引起的壽命降低和由于潤滑不好(受最大接觸應(yīng)力的大小影響)在過早出現(xiàn)表面早期剝落前的壽命之間的平衡，能在使用的短時(shí)間內(nèi)防止軸承碎裂，甚至在惡劣潤滑出現(xiàn)預(yù)載損失時(shí)的情況下可防止過早出現(xiàn)剝落。
本發(fā)明的涉及一種用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承，其在發(fā)生預(yù)載損失的情況下，滾道面的最大接觸應(yīng)力保持在3000Mpa以下。
根據(jù)本發(fā)明，用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承的滾道面的最大接觸應(yīng)力設(shè)在為3000Mpa，即使在在油膜參數(shù)不小于0.6小于或潤滑油的進(jìn)給速度小于100mL/min的惡劣潤滑情況下發(fā)生預(yù)載損失時(shí)能有效地防止表面早期剝落的過早出現(xiàn)。


圖1(a)是圓錐滾子軸承的剖視圖；圖1(b)是圓錐滾子的放大視圖；圖2是由于預(yù)載損失而產(chǎn)生過早剝落的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖3是由于偏斜而產(chǎn)生過早剝落的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖4是由于不同的油膜參數(shù)值而產(chǎn)生過早剝落的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)為即使在出現(xiàn)預(yù)載損失時(shí)滾道面的最大接觸壓力也保持在小于3000Mpa的范圍內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)凸緣的現(xiàn)有方法，本發(fā)明的主要目標(biāo)是降低邊緣應(yīng)力。如果滾道面的最大接觸壓力超過3000Mpa，由于偏斜而邊緣應(yīng)力就會增大，在軸承的剝落時(shí)間到達(dá)之前，由于滾道面的最大接觸壓力而引起的表面早期剝落就會提前出現(xiàn)。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)凸緣的現(xiàn)有方法，軸承的壽命就相對短。因此，更優(yōu)選的是，即使發(fā)生預(yù)載損失，用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承設(shè)計(jì)為滾道面的接觸壓力保持在小于3000Mpa的范圍內(nèi)。更具體地，在發(fā)生預(yù)載損失的情況下，為了將最大接觸壓力保持在3000Mpa以下，在滾道面1或3，或者在圓錐滾子7的外圓周表面上設(shè)有預(yù)定形狀的凸緣(如圖1所示)，或者根據(jù)所承受的載荷對軸承的內(nèi)部進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)(根據(jù)直徑，長度，滾子的數(shù)量)。
權(quán)利要求
1.一種用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承，其特征在于在發(fā)生預(yù)載損失的情況下，滾道面的最大接觸應(yīng)力保持在3000Mpa以下的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的圓錐滾子軸承，其特征在于在所述軸承的滾道面或圓錐滾子的外圓周表面上設(shè)有用來保持所述最大接觸應(yīng)力的凸緣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于機(jī)動車傳動的圓錐滾子軸承，即使在惡劣潤滑發(fā)生預(yù)載損失的情況下也能防止表面早期剝落的過早出現(xiàn)。所述圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)是，在發(fā)生預(yù)載損失的情況下滾道面的最大抵觸壓力保持在3000MPa以下的范圍內(nèi)。
文檔編號F16C33/58GK1590794SQ20041005702
公開日2005年3月9日 申請日期2004年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月28日
發(fā)明者辻本崇 申請人:Ntn株式會社