用於車輪傳動裝置中的軸承元件的製作方法
2023-05-21 21:13:16
專利名稱：用於車輪傳動裝置中的軸承元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於車輪傳動裝置中的軸承元件，特別涉及一種軸承元件，車輪傳動裝置與軸承元件形成一個整體以便用等速萬向節來支撐車輪，軸承元件所支撐的車輪被獨立懸架{FF車輛(發動機前置前輪驅動車輛)的前輪、FR車輛(發動機前置後輪驅動車輛)的後輪、和4WD車輛(四輪驅動車輛)的所有車輪}支撐，這樣它們可以相對懸架自由旋轉，軸承元件可以旋轉並驅動驅動輪。
而且，用於在獨立懸架中支撐車輪的軸承元件除了旋轉和支撐車輪之外，其結構還合成了一個用等速萬向節來支撐車輪的軸承元件。用於車輪傳動裝置的軸承元件必須可以將驅動軸的旋轉光滑地(通過等速萬向節來保證)傳遞給車輪，而不管差速齒輪和從動輪的相對位移以及施加在車輪上的轉向角。
圖1表示的為此目的安裝在車輪傳動裝置上的典型軸承元件，其中包括一個用於支撐車輪的軸承元件1和一個等速萬向節2。
在用於支撐車輪的軸承元件1中，一個輪轂4和一個內座圈5通過很多滾動體6來支撐在外座圈3的徑向內側以便它們能自由旋轉。為了達到這個目的，外座圈3通過第一凸緣7固定在懸架的樞軸(在圖中未示出)上，這樣在使用過程中它就不會旋轉，第一凸緣形成在外座圈3的外表面。此外，在外座圈3的外表面還有一對外環道8，輪轂4和內座圈5是支撐在外座圈3的徑向內側，這樣它們能與外座圈3同心，並且可以自由旋轉。
一個用來支撐車輪的第二凸緣9形成在輪轂4的外表面，位於外側一端(外側是當軸承元件安裝在車輛上的時候車輛寬度方向的外側，在圖1等表示了軸承元件的圖中它位於左側)。而且，在輪轂4中部的外表面上還有一個第一內環道10，在輪轂4的內側端(內側是當軸承元件安裝在車輛上的時候車輛寬度方向的內側，在圖1等表示了軸承元件的圖中它位於右側)的外表面上有一個小直徑的階梯部分11，內座圈5安裝在小直徑階梯部分11的外面，並且固定在小直徑階梯部分11上，在內座圈5的外表面上有一個第二內環道12。此外，第一花鍵孔13形成在輪轂4的中心。
另一方面，等速萬向節2包括一個外環14、內環15、很多滾珠16和一個花鍵軸17。
用於等速萬向節的外環14和花鍵軸17構成了驅動軸部件18。換句話說，花鍵軸17位於驅動軸部件18的外半部分，並且可以安裝在花鍵孔13中，而用於等速萬向節的外環14位於驅動軸部件18的內半部分。在外環14的內表面的圓周方向上有很多外接合槽19用於等速萬向節，這樣外接合槽與圓周方向正交。
而且，在等速萬向節的內環15的中間有第二花鍵孔20，在內環15的外表面有內接合槽21與外接合槽19成一直線，並與圓周方向正交。
上述滾珠16通過擋板22保持在內接合槽21與外接合槽19之間，這樣滾珠可以沿著接合槽21、19自由滾動。
等速萬向節2各部件的形狀與公知的球籠式等速萬向節或barfield式等速萬向節的部件類似，所以在本發明中省略了對它們的詳細介紹。
為了使上述等速萬向節2和這種滾動軸承元件1來支撐車輪，花鍵軸17從內向外插入到花鍵孔13中。而且，在花鍵軸17的外側端，一個螺母24被擰到外螺紋部分23上，外螺紋部分是形成在從輪轂4外側端的凸起上，通過擰緊螺母24，花鍵軸17和輪轂4就固定在一起。在這種狀態下，內座圈5的內端面與等速萬向節的外座圈14的外端面接觸，這樣內座圈5就不會沿著與小直徑階梯部分11分離的方向運動。同時，在滾動件6上還有足夠大的預加應力。
此外，當裝配車輛懸架的時候，在驅動軸25外端上的外螺紋部分26就安裝到位於內座圈15中心的第二花鍵孔20中。
而且，安裝在連接槽27中的卡環28與形成在第二花鍵孔20外端開口邊緣的階梯部分29嚙合來阻止外螺紋部分26從第二花鍵孔20中脫落，連接槽27位於外螺紋26外端的外表面上。
驅動軸25的內端固定在三角型等速萬向節(圖中未示出)的耳軸中心，等速萬向節安裝在差速齒輪(圖中未示出)的輸出軸上。因此，當車輛行駛的時候，驅動軸25等速旋轉。
在圖1所示的車輪傳動裝置中使用的軸承元件中，有一個力壓在內座圈5上以便給滾動件6提供一個預應力，滾動件位於第一和第二內環道10、12之間和每個外環道8之間，該力是通過將螺母24擰到外螺紋部分23上並擰緊而得到的。因此，必須將螺母24擰得非常緊以保證對內座圈5有足夠的壓力。
在花鍵軸17上的軸向力的大小和通過在外螺紋部分23上擰緊螺母24以便將等速萬向節得外環14的外端面壓到內座圈5的內端面上的軸向力的的大小應該是很大，取決於車輪傳動裝置中使用的軸承元件的尺寸，例如普通家庭車中力的大小約為(4到9)×104N。
因為這個比較大的軸向力，所以在內座圈5的內端面和等速萬向節的外環14的外端面之間的區域有表面壓力，但是兩個端面都是平面，與中軸線垂直，因此彼此接觸的區域很寬。因此，每個端面在接觸部分都會產生塑性變形。
而且，根據日本專利公開文本平11-5404所公開的結構，如圖2所示，在輪轂4內端上的圓柱部分構成了波紋部分30，圓柱部分是向內突起超過安裝在小直徑階梯部分11上的內座圈5，波紋部分會在徑向上發生向外地變形，內座圈5被該波紋部分30固定在朝向小直徑部分11的階梯表面31的位置上。在第二種現有結構中，波紋部分30的保持力可以向滾動件6提供預加載荷。與上述第一種現有結構類似，在用來支撐車輪的軸承元件1和等速萬向節2之間的連接是通過將螺栓24擰到外螺紋部分23上並擰緊來獲得的，外螺紋部分23是位於花鍵軸17的外端上。當該螺母24已經擰緊了的話，在波紋部分30內表面上形成的平坦表面32與等速萬向節外環14的外端的表面接觸。在第二種現有結構中，上述平坦表面32使得當螺栓24擰到外螺紋部分23上並擰緊的時候，在花鍵軸17上產生的軸向力大於第一種情況。
通過使用圖1所示用於車輪傳動裝置中的軸承元件並如上所述，當車輛移動的時候，有時候會產生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。當內座圈5的內端表面和等速萬向節外環14的外端表面接觸的區域由於在等速萬向節2和支撐車輪的軸承元件1之間傳遞的扭矩波動而產生摩擦的時候，就會產生這種噪音。換句話說，由於反覆的加速和減速，扭矩經常會發生變化。而且，由於在等速萬向節2和支撐車輪的軸承元件1之間傳遞扭矩，則在等速萬向節2側面的花鍵軸17就會在兩個扭轉方向上產生彈性變形，變形量會經常隨著扭矩波動而變化。
而且，由於引起花鍵軸17在扭轉方向上產生變形的力或使得已經扭轉的花鍵軸17回到初始位置的力會大於作用在接觸區域的摩擦力，所以在接觸區域上就會產生微小的滑動。在這種情況下，接觸區域上的摩擦力就會變大，由於摩擦，內座圈5的內端表面和等速萬向節外環14的外端表面之間的摩擦能量就會變大，並且引起噪音。
為了防止產生這種噪音，通過使用潤滑油、二硫化鉬、含氟樹脂等就可以在內座圈5的內端表面和等速萬向節外環14的外端表面之間的接觸區域上形成減少摩擦的薄膜。通過使接觸區域更加光滑，就可以使得即使有微小滑動內座圈5的內端表面和等速萬向節外環14的外端表面之間的摩擦能量也會很小，這樣就使噪音很難產生。
這種公知的方法是有一定效果的。但是，用於減少摩擦的薄膜並不總是足夠耐用，很難在一段很長的時間內發揮足夠的作用。特別是，由於沒有用密封環來密封接觸區域的結構，所以能有效地減少噪音的時間就很有限。
還考慮到，為了減小摩擦，在螺母24上的擰緊力可以放鬆以便減小在內座圈5的內端表面和等速萬向節外環14的外端表面之間的表面壓力。但是，在圖1所示的第一種現有結構中，由於在螺母24上的擰緊力造成滾動件6上有預加載荷，所以，這種方法實施起來很困難。在圖2所示的第二種現有結構中，由於必須增大在螺母24上的擰緊力，所以也不太可能抑制噪音的出現。
而且，在圖1所示的第一種現有結構中，螺母24相對外螺紋部分23上的擰緊力必須增大以便提供預加載荷，因此在花鍵軸17上有更大的軸向力。因此，擰緊螺母24的扭矩必須很大，不可避免地降低組裝用於車輪傳動裝置中的軸承元件的工作效率。
考慮到第一種結構中的軸向力與圖2表示的第二種結構中的軸向力相同，所以在波紋部分30的內端表面上必須有一個大的平坦表面32，因此就會產生相同的問題。而且，在圖2表示的第二種結構中，由於要用大扭矩來擰緊螺母24所以成本就增加了。
而且，考慮到上述問題，本發明的另一個目的是提供一種用於車輪傳動裝置中的軸承元件，其製造成本很低，而且在減少擰緊螺母所需的扭矩的情況下也可以向滾動件提供足夠的預加載荷。
本發明中用於車輪傳動裝置中的軸承元件包括一個驅動軸，在軸的內半部安裝有等速萬向節的外環，其外半部安裝有花鍵軸；一個中心帶有花鍵孔的輪轂，花鍵軸能安裝在花鍵孔中，在使用過程中，由於花鍵孔和花鍵軸的嚙合，輪轂可以旋轉並被等速萬向節驅動；在輪轂外端的外表面上有凸緣，來支撐車輪並將車輪固定到輪轂上；一個第一內環道，直接位於輪轂中間的外表面上或者通過與輪轂分離的內座圈形成；一個小直徑階梯部分位於輪轂的內側端，這樣其外直徑尺寸小於第一內環道部分的尺寸；一個內座圈，其外表面周圍有第二內環道，內座圈被安裝道小直徑階梯部分；一個外座圈，其外表面上帶有一對外環道，這樣它們就面對上述第一和第二內環道，在使用過程中，外座圈並不旋轉；還有很多滾動件位於每個外環道之間和第一和第二內環道之間。
一個圓柱部分位於輪轂內端上的部分上，其向內突起超過安裝在小直徑階梯部分上的內環，還有一個在徑向上皺曲的波紋部分，波紋部分位於圓柱部分上，這樣該波紋部分可以將內座圈固定在朝向小直徑部分的階梯表面的位置上，內座圈被滾動件所施加的預加載荷固定在輪轂上。
一個螺母擰在上述驅動軸端部的外螺紋部分上，輪轂外端面與螺母內端表面接觸，驅動軸和輪轂通過將擰緊螺母連接在一起，波紋部分的內端面與等速萬向節外環的外端面接觸。
而且，本發明的一個特徵是在波紋部分內端面上有一個平坦表面，這樣內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間接觸區域的表面壓力平均值是1.5×108Pa或更小。
本發明的另一個特徵是內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間的接觸是線接觸，每個單位長度的載荷F/La是125N/mm或更小，軸向力F是當擰緊螺母的時候施加到花鍵軸上的力，La是以內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間接觸區域平均直徑的周長，F/La是軸向力F除以La得到的。
圖2是第二種傳統結構一半的截面圖。
圖3是本發明第一實施例的截面圖。
圖4是開口銷的透視圖。
圖5是本發明第二實施例的截面圖。
圖6是本發明第三實施例的截面圖。
圖7是圖8中的部分VII，以便解釋本發明的工作過程。
圖8是本發明第四實施例的截面圖。
圖9是本發明第五實施例的截面圖。
圖10是本發明第六實施例的截面圖。
具體實施例方式
於圖2中第二種現有結構類似，本發明中用於車輪傳動裝置的軸承元件包括一個驅動軸部件、輪轂、凸緣、第一內環道、小直徑階梯部分、內座圈、外座圈和滾動件。
在驅動軸的內半部有一個用於等速萬向節的外環，外半部有花鍵軸。
而且在花鍵軸所安裝的輪轂的中心有一個花鍵孔，這樣在使用的時候，輪轂可以旋轉，並且被等速萬向節驅動。
此外，在輪轂外端的外表面上有凸緣，來支撐車輪並將車輪固定到輪轂上。
此外，第一內環道，直接位於輪轂中間的外表面上或者通過與輪轂分離的內座圈形成。
另外一個小直徑階梯部分位於輪轂的內側端，這樣其外直徑尺寸小於第一內環道部分的尺寸。
內座圈，其外表面周圍有第二內環道，內座圈被安裝道小直徑階梯部分。
外座圈的外表面上帶有一對外環道，這樣它們就面對上述第一和第二內環道，在使用過程中，外座圈並不旋轉。
另外很多滾動件位於每個外環道之間和第一和第二內環道之間。
一個圓柱部分位於輪轂內端上的部分上，其向內突起超過安裝在小直徑階梯部分上的內環，還有一個在徑向上皺曲的波紋部分，波紋部分位於圓柱部分上。該波紋部分可以將內座圈固定在朝向小直徑部分的階梯表面的位置上，內座圈被滾動件所施加的預加載荷固定在輪轂上。
一個螺母擰在上述驅動軸端部的外螺紋部分上，輪轂外端面與螺母內端表面接觸，驅動軸和輪轂通過將擰緊螺母連接在一起，波紋部分的內端面與等速萬向節外環的外端面接觸。
在車輪傳動裝置的軸承元件中，波紋部分內端面上有一個平坦表面，最好內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間接觸區域的表面壓力平均值是1.5×108Pa或更小，更好的是1.0×108Pa或更小。通過使用本發明上述車輪傳動裝置的軸承元件結構，內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間接觸區域的表面壓力可以保持很低的水平，這樣就內端面和外端面之間消耗的摩擦能量就會很小，這樣就可以阻止噪音產生。而且，不象用薄膜來降低摩擦，它還可以在很長的一段之間來防止噪音產生。
上述的圓柱部分可以不是精確的圓柱形，這樣就很容易製造波紋部分，但是最好內表面或外表面中至少一個是錐形的，這樣朝著內端的徑向厚度就逐漸變小。
而且，不象圖2所示的第二種現有結構，在本發明的第二實施例中，在波紋部分內端面上沒有平坦表面，最好波紋部分的橫截面形狀為凸起的圓弧，這樣內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間的接觸是線接觸。
另外，最好每個單位長度的載荷F/La是125N/mm或更小，軸向力F是當擰緊螺母的時候施加到花鍵軸上的力，La是以內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間接觸區域平均直徑的周長，F/La是軸向力F除以La得到的。
當波紋部分的橫截面形狀為凸起的圓弧，而且曲率半徑大於等於5mm，並且等速萬向節外環外端面為平坦表面的時候，該單位長度的載荷F/La值特別有效。通過使用本發明上述車輪傳動裝置的軸承元件結構，內座圈的內端面和等速萬向節外環的外端面之間接觸區域的表面壓力可以保持很低的水平，這樣即使當波紋部分的內端面不是平坦表面的時候，在上述任一端面上都沒有塑性變形。而且，滾動件上的預加載荷是通過將內座圈內端面靠在輪轂內端上的波紋部分上來得到的，所以即使當減小螺母的擰緊力以便使得單位長度的載荷F/La更小，在內座圈與小直徑階梯部分分離的方向上內圈座也不會移動，這樣預加載荷可以更有效地發揮作用。
下面，將參照附圖7介紹為什麼需要通過將單位長度的載荷F/La保持在125N/mm甚至更小來防止上述兩個端面發生塑性變形。
波紋部分30實際上的平坦表面的截面形狀的曲率半徑R30大於等於5mm，波紋部分形成在輪轂4的內端，包括了輪轂4的中心線，以便能支撐內座圈5的內端面。這樣的原因是當使用便宜的冷鍛來在鐵製的輪轂4內端形成波紋部分30的時候，由於加工過程所產生的損失例如裂化就很小。換句話說，為了在用冷鍛加工波紋部分30中不產生破壞，那麼曲率半徑R30必須大於等於5mm。
波紋部分30的截面形狀不是簡單的圓弧，而是由很多曲率半徑不同的曲面組成的複雜曲面，曲率半徑R30必須大於等於5mm的部分是向內凸出最多的部分，並且與等速萬向節的外環14的外端面接觸。
另一方面，波紋部分30與等速萬向節的外環14的外端面接觸的內端面的表面硬度的最小數值是大約Hv300(維氏硬度)。換句話說，輪轂4的內端，也就是通過冷鍛而引起塑性變形來製造波紋部分30的那一端不能太硬，這樣才能很容易發生塑性變形(通過一個比較小的力來製造這樣就不會由於破裂而發生損失)。
因此，當考慮到在加工過程中由於工藝造成的產品質量的差異以及冷鍛製造波紋部分過程中硬化的差異，波紋部分30內端面的表面硬度的最小數值是大約Hv300。
另一方面，當內端面的表面硬度最小數值大於等於Hv300，由於破裂就很容易造成損傷，所以就不能使用。而且，考慮到在相鄰內座圈5上的不利影響和成本增長，也很難採用在波紋部分30加工完成之後的淬火硬化。
因此，波紋部分30的內端面的表面硬度最小數值是大約Hv300。
此外，用於輪轂4的鋼鐵的安全應力，或者換句話說塑性變形的難易程度取決於表面硬度。當表面硬度值增加的時候，安全應力值增加，換句話說，更難發生塑性變形。表面硬度為Hv300的時候，安全應力為950Mpa。
而且當兩個圓柱體接觸的時候，在接觸表面上的最大表面壓力Pmax可以根據赫茲公式，或者下面的公式(1)來確定。
公式1Pmax=E2FLa(1-1m2)---(1)]]>公式(1)中的符號表示的含義如下E縱向彈性模量用於車輪傳動裝置中的軸承元件中的輪轂4和外環14都是鋼鐵製成的，所以縱向彈性模量是206000MPa。
m泊松數鋼鐵的泊松數是10/3Σρ兩個圓柱體曲率(1/R1，1/R2)的和(＝1/R1+1/R2)在該公式中，R1等于波紋部分30橫截面的曲率半徑R30，曲率半徑R30為5mm。而且，R2是等速萬向節外環14的外端面截面的曲率半徑，R2＝∞，1/R2＝0。
F垂直於兩個圓柱體[N]的載荷向花鍵軸17施加的軸向載荷La兩個圓柱體[m]的圓周接觸長度當接觸區域的平均直徑設為D的時候，La＝πD。
將車輪傳動裝置中的軸承元件所決定的數值代入公式(1)中，為了使接觸表面的表面壓力等於安全應力，採用下面的公式(2)。
公式22060001060.21032FL(1-1(103)2)950106---(2)]]>通過公式(2)來得到單位長度的載荷F/La，
F/La≤1.25×105[N/m]＝125[N/mm]從結果可以知道，通過計算螺母擰到花鍵軸外端上外螺紋部分的擰緊力來使得單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm，則當螺母擰緊的時候波紋部分30內端和等速萬向節外環14的外端面就不會產生塑性變形，這樣螺母不會因為塑性變形而變松。
當波紋部分30橫截面的曲率半徑R30設定為5mm的時候採用上述計算。但是，通常情況下，波紋部分30橫截面的曲率半徑R30小於5mm。只要單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm，那麼在接觸區域的表面壓力不會超過波紋部分30內端和等速萬向節外環14的外端面上的安全應力值。
而且，在螺母擰緊扭矩和由於螺母擰緊而在花鍵軸17上引起的軸向力之間還有比例式，這樣，當組裝車輪傳動裝置中的軸承元件的時候，扭矩就可以得到控制，但是並沒有直接控制軸向力。
下面將參照附圖介紹本發明的優選實施例。在這裡相同的部分使用相同的代號。
圖3表示本發明的第一實施例。本發明的一個特徵是防止在工作過程中所產生的摩擦尖叫噪音，所採用的結構是套在輪轂4內端的小直徑部分11上的內環5被波紋部分30固定在輪轂4內端的小直徑部分11上，一個適當的預加載荷施加到滾動件6上。內圈座5的固定部分與圖2所示的第二種現有結構相同，其他部分的結構與圖1所示的第一種現有結構相同，所以省略或簡化了多餘的說明，本說明書只涉及本發明的特徵部分和與上述現有結構不同的部分。
在輪轂4中心花鍵孔13內表面上形成的內花鍵叫做平行花鍵(parallel spline)，每個花鍵齒都與輪轂4的中心線平行。相反，在驅動軸18外半部的花鍵軸17的外表面上形成的外花鍵叫做螺旋花鍵(twisted spline)，花鍵齒的方向相對驅動軸18的中心線方向有一點傾斜。
當花鍵軸17被壓到花鍵孔13中以便將車輪傳動裝置中的軸承元件1與等速萬向節2組裝起來，花鍵軸17和花鍵孔13可以形成在旋轉方向上沒有間隙的花鍵配合。
而且，在螺母24外端面上有一個圓柱部分33，螺母擰到在花鍵軸17外端的外螺紋部分23上，在該圓柱部分33圓周上有偶數的槽口34(在附圖中有6個)，這樣它們就可以在圓周方向上均勻地排列。
另一方面，當螺母24被擰緊的時候，在與槽口34配合的部分，外螺紋23外端上有通孔35，這樣，它就可以徑向穿過外螺紋部分23。
而且，當螺母24擰到外螺紋部分23上並擰緊到所需的數值的時候，開尾銷36穿過通孔35和一對來列排列在通孔35兩段開口的槽口34，如圖4所示。
開尾銷36(前端見圖3，右端見圖4)的末端通過卷邊沿著圖4中虛線所示分開，這樣，它就不會從通孔35和槽口34中脫落。使用這樣的結構，螺母24就被特別牢固地固定到位。
螺母24的擰緊力(擰緊扭矩)是通過在波紋部分30內端面上平坦表面32的表面積S計算出來的，這樣在平坦表面32和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域的表面壓力的平均值等於1.5×108Pa(≈15kgf/mm2)。在本實施例中，平坦表面32的外徑D32等於51mm，內徑d32等於47mm，螺母24的擰緊力要使得通過擰緊螺母24而施加到花鍵軸17上的軸向力F小於等於40KN(≈4tf)。
在上述條件下，可以求得兩個端面之間接觸面積的表面壓力平均值Pav如下。
Pav＝F/S＝(40×103)/{π(0.0512-0.0472)/4}≈1.3×108[Pa]在本實施例中，兩個端面之間接觸面積的表面壓力小於等於1.5×108Pa，所以就可以抑制在使用過程中在接觸面積上產生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。
換句話說，因為接觸面積的表面壓力保持很低，就可以使在這些面積之間的摩擦能量很低，這樣就可以防止在這些端面之間產生這種噪音，或者將噪音保持在一個很低的水平，即使在工作過程中由於花鍵軸17發生扭轉變形而在兩個端面之間發生摩擦也是如此。
下面，將介紹表面壓力如何影響噪音產生的實驗。
在該實驗中，通過調整螺母24的擰緊力，兩個端面之間接觸面積的表面壓力的平均值分別是1.0×108[Pa]、1.5×108[Pa]、2.0×108[Pa]和2.5×108[Pa]，通過重複向等速萬向節的外環14提供兩個方向的扭矩來獲得在這四種情況下接觸區域所產生的噪音。所產生的噪音經過耳朵測定，是降低了。結果在表1中表示。在表1中，「○」表示噪音很低，很難聽到，「×」表示噪音很高，很吵，「△」表示噪音位於「○」和「×」之間。
表1接觸區域的平均表面壓力[Pa] 噪音條件2.5×108×2.0×108×1.5×108△1.0×108○從表1中很容易看出，通過使兩個端面之間接觸面積的表面壓力小於等於1.5×108[Pa]，就可以減輕在使用過程中在接觸面積上產生令人不愉快的摩擦尖叫噪音，將其保持在小於等於1.0×108[Pa]，就可以將噪音降低到很難聽到的水平。
為了使平均表面壓力保持很低，必須將螺母24的擰緊力保持很低，在本發明中，波紋部分30固定了內座圈5，這樣即使在擰緊力很低的情況下，施加到滾動件6上的預加載荷也不會減小或放鬆。
而且，為了抑制上述噪音的產生，可以計算出螺母24的擰緊力的最大值，而且，為了抑制上述噪音的產生，不必計算擰緊力的最小值。但是，驅動軸18和輪轂4之間在軸向上的相對移動是受到控制的因此不管在工作過程中驅動軸18上有沒有推理載荷都不會發生軸向移動，這樣就可以計算出最小值。換句話說，在工作過程中，能使驅動軸18和輪轂4之間在軸向上發生相對位移的力使在差速齒輪一側的三角型等速萬向節中的軸向力施加的，而且，在旋轉過程中還會有離心力。因為驅動軸18和輪轂4都是受到控制的，因此不管這種力大小，它們都不會移動，所以螺母24的擰緊力的最小值保持在3.5KN，包括安全係數。
下面，圖5表示的是本發明的第二優選實施例。該實施例與上述第一實施例不同之處在於，在螺母24外端面上的圓柱部分33上沒有特殊的槽口34(見圖3)。在本實施例中，在花鍵軸17外端的外螺紋部分23的部分圓周方向上有一個凹槽37。在本實施例中，當螺母34被擰到一個特定量的時候，圓柱部分33與凹槽37嚙合的部分就會沿著徑向向內發生塑性變形(卷邊)，並以互鎖的方式安裝到該凹槽37中以防止螺栓24鬆動。在本實施例中，一對內座圈5、5a安裝到輪轂4上，構成了第一內環道10和第二內環道12。
在本實施例中，螺母24的擰緊力是通過在波紋部分30內端面上平坦表面32的表面積S計算出來的，這樣在平坦表面32和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域的表面壓力的平均值等於1.5×108Pa(≈15kgf/mm2)。在本實施例中，平坦表面32的外徑D32等於53mm，內徑d32等於50mm，螺母24的擰緊力要使得通過擰緊螺母24而施加到花鍵軸17上的軸向力F小於等於20KN(≈2tf)。
在上述條件下，可以求得兩個端面之間接觸面積的表面壓力平均值Pav如下。
Pav＝F/S＝(20×103)/{π(0.0532-0.0502)/4}≈0.8×108[Pa]在本實施例中，兩個端面之間接觸面積的表面壓力小於等於1.5×108Pa，所以就可以抑制在使用過程中在接觸面積上產生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。其他結構和功能與上述第一實施例相同。
下面，圖6表示的是本發明的第三優選實施例。該實施例與上述第一實施例不同之處在於，在螺母24外端面上的圓柱部分33上沒有特殊的槽口34(見圖3)。在本實施例中，在花鍵軸17外端的外螺紋部分23的部分圓周方向上有一個凹陷部分38，花鍵軸17的外端是圓柱形。在本實施例中，當螺母34被擰到一個特定量的時候，花鍵軸17外端圓周方向的一部分就會沿著徑向向外發生塑性變形(卷邊)，圓柱部分33就與圓柱部分安裝在一起以防止螺栓24鬆動。
在本實施例中，螺母24的擰緊力是通過在波紋部分30內端面上平坦表面32的表面積S計算出來的，這樣在平坦表面32和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域的表面壓力的平均值等於1.5×108Pa(≈15kgf/mm2)。在本實施例中，平坦表面32的外徑D32等於50mm，內徑d32等於46mm，螺母24的擰緊力要使得通過擰緊螺母24而施加到花鍵軸17上的軸向力F小於等於30KN(≈3tf)。
在上述條件下，可以求得兩個端面之間接觸面積的表面壓力平均值Pav如下。
Pav＝F/S＝(30×103)/{π(0.0502-0.0462)/4}≈1.0×108[Pa]在本實施例中，兩個端面之間接觸面積的表面壓力小於等於1.5×108Pa，所以就可以抑制在使用過程中在接觸面積上產生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。其他結構和功能與上述第一實施例相同。
圖7和8表示的是本發明的第四優選實施例，其中圖7是圖8的一部分。下面說明的本發明的特徵是套在輪轂4內端的小直徑階梯部分11上的內座圈5，它通過在輪轂4內端的波紋部分30固定到小直徑階梯部分11上，一個適當的預加載荷施加到滾動件6上，波紋部分30的橫截面為弧形，波紋部分30的內端和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域沒有塑性變形。
內圈座5的固定部分結構與圖2所示的第二種現有結構相同，其他結構和功能與圖1所示的現有結構相同，因此下面的說明只涉及本發明的特徵部分和與上述現有結構不同的部分。
輪轂4是由碳鋼製成的，特別是退火的S53C。如圖8中的網格斜線所示，在輪轂4中心的外表面中，與第二凸緣9的底座上的密封唇43滑動接觸的部分、第一內環道10的部分和從安裝了內座圈5的小直徑部分11的外半部伸向階梯部分31的部分都經過例如感應淬火等熱處理淬火。
在這些部分中，為了提高對抗第二凸緣9所受到的瞬間載荷的屈服強度，並提高抵抗由於密封唇43摩擦所造成磨損的能力，第二凸緣9的底座也經過淬火硬化。而且，第一內環道10的部分經過淬火硬化以便來保證其滾動疲勞壽命。
此外，從小直徑部分11的外半部伸向階梯表面31的部分也經過淬火硬化來保證在由載荷施加到安裝在小直徑部分11的外側的內座圈5上的時候也不發生塑性變形。
另一方面，在輪轂4內端的波紋部分30上的部分沒有經過淬火硬化，但是保持了可彎曲性。在波紋部分內端圓柱部分的硬度是大約Hv220到280。相反，在冷鍛形成波紋部分30後，波紋部分表面硬度是由於加工硬化變為大約Hv320。
如上所述，在本發明中，在圖2所示的第二種現有結構中的平坦表面32在波紋部分30的內端面上並沒有，但是內端面的截面形狀是凸起的圓弧。在本實施例中，與等速萬向節外環14的外端面接觸的波紋部分30的內端部分的截面形狀的曲率半徑R30等於5.5mm。而且，在內座圈5內端面的內邊上轉彎部分R的曲率半徑通常是2到6mm，在本實施例中為4mm。
而且，被螺母24連接到輪轂4上的驅動軸18是碳鋼製成的，圖8中網格剖面線表示的部分被淬火硬化。特別是等速萬向節外環14外端面、和從花鍵軸17的底座伸向靠近端部的中心部分階梯部分31的部分都經過例如感應淬火等熱處理淬火硬化，來增加花鍵軸17的底座的硬度。
由於上述原因，很難增加波紋部分30內端面的表面硬度，但是很容易硬化等速萬向節外環14外端面。通過對外端面淬火，就可以增加上述底座的強度，也可以使得外端面很難發生塑性變形。另一方面，如下所述，也可以通過計算螺母24的擰緊力來防止波紋部分30的內端面發生塑性變形。
與圖3所示的實施例類似，本實施例包括一個外螺紋部分23、圓柱部分33、槽口34和通孔35。考慮到這些，可參照對圖3的說明。
最好使用薄螺紋即節距是1mm，這樣螺母24在每個旋轉角度上的的軸向力都很小，這樣當槽口34與通孔35配合的位置上，擰緊的軸向力就保持在一個允許的範圍內(上限和下限之間)。
沒有提前形成通孔35，首先就可以用特定數值來擰緊螺母24，然後在花鍵軸17的外端與一對合適的槽口34對準的部分上，這樣就可以很容易工作，最後一個開尾銷36插入通孔中。
此外，在螺母24外端的圓柱部分33形成凹槽的話，首先就可以用特定數值來擰緊螺母24，然後在方便工作的位置上由一個通孔，通孔穿過圓柱部分33和花鍵軸17的外端，最後，一個開尾銷36插入通孔中。
在上述任一的情況中，為了代替形成通孔的困難工作，也可以仔細調節螺母24的擰緊量而不是將一個開尾銷36插入預製成的槽口34和通孔35中。
在兩種情況下，螺母24的擰緊力(擰緊扭矩)通過計算使得在波紋部分30內端面2和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm。在本實施例中，接觸區域的直徑，或者換句話說，波紋部分30內端面沿著軸向向內凸起的部分的直徑D30等於50mm，內徑d32等於47mm，螺母24的擰緊力要使得通過擰緊螺母24而施加到花鍵軸17上的軸向力F小於等於15000N。
在上述條件下，可以求得單位長度的載荷F/La如下。
F/La＝15000/(50π)≈99.5[N/mm]在本實施例中，兩個端面之間接觸區域的單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm，所以就可以防止波紋部分30內端面和等速萬向節的外環14的外端面發生塑性變形。特別是，波紋部分30的截面形狀的曲率半徑R30等於5.5mm，大於滿足條件F/La小於等於125N/mm的曲率半徑值R30(5mm)，因此就可以充分的阻止上述塑性變形。
為了防止單位長度的載荷F/La過低，必須將螺栓24的擰緊力保持很低，但是在本發明種，內座圈5被波紋部分30固定，所以即使在擰緊力很低的情況下，施加到滾動件6上的預加載荷也不會減小或放鬆。
而且，為了防止波紋部分30內端面和等速萬向節的外環14的外端面發生塑性變形，可以從抑制上述塑性變形的角度來計算出螺栓24的擰緊力的最大值，但是不惜要計算螺栓24的擰緊力的最小值。但是，驅動軸18和輪轂4之間在軸向上的相對移動是受到控制的因此不管在工作過程中驅動軸18上有沒有推理載荷都不會發生軸向移動，這樣就可以計算出最小值。換句話說，在工作過程中，能使驅動軸18和輪轂4之間在軸向上發生相對位移的力使在差速齒輪一側的三角型等速萬向節中的軸向力施加的，而且，在旋轉過程中還會有離心力。因為驅動軸18和輪轂4都是受到控制的，因此不管這種力大小，它們都不會移動，所以螺母24的擰緊力的最小值保持在3500N，包括安全係數。而且，下限沒有由上述單位長度的載荷F/La計算，但是可以由軸向力F計算。
下面，圖9表示的是本發明的第五優選實施例。該實施例與上述第四實施例不同之處在於，在螺母24外端面上的圓柱部分33上沒有特殊的槽口34(見圖8)。在本實施例中，在花鍵軸17外端的外螺紋部分23的部分圓周方向上有一個凹槽37。在本實施例中，當螺母24被擰到一個特定量的時候，圓柱部分33與凹槽37嚙合的部分就會沿著徑向向內發生塑性變形(卷邊)，並以互鎖的方式安裝到該凹槽37中以防止螺栓24鬆動。
而且，在本實施例中，一對內座圈5、5a安裝到輪轂4上，構成了第一內環道10和第二內環道12。此外，在本實施例中，不必將輪轂4的硬度保持在內環道需要的水平。因此，在本實施例中輪轂4由S50C碳鋼製造。而且，如圖9中的網格斜線所示，在輪轂4中心的外表面中，從第二凸緣9的底座上伸到一對安裝了內座圈5、5a的部分都經過淬火硬化。
在本實施例中，螺母24的擰緊力通過計算使得在波紋部分30內端面2和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm。在本實施例中，接觸區域的直徑，或者換句話說，波紋部分30內端面沿著軸向向內凸起的部分的直徑D30等於47mm，螺母24的擰緊力要使得通過擰緊螺母24而施加到花鍵軸17上的軸向力F小於等於18000N。
在上述條件下，可以求得單位長度的載荷F/La如下。
F/La＝18000/(47π)≈122.0[N/mm]在本實施例中，兩個端面之間接觸區域的單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm，所以就可以防止波紋部分30內端面和等速萬向節的外環14的外端面發生塑性變形。
特別是，在波紋部分30的截面形狀的曲率半徑R30等於6.0mm，大於滿足條件F/La小於等於125N/mm的曲率半徑值R30(5mm)，因此就可以充分的阻止上述塑性變形。其他結構和功能與上述第四實施例相同。
下面，圖10表示的是本發明的第六優選實施例。該實施例與上述第四或第五實施例不同之處在於，在外座圈3的外表面上沒有第一凸緣7(見圖8、9)，而是該外表面就是圓柱表面。而且，在懸架的接頭處還有一個安裝孔40，外座圈3安裝在安裝孔40的內側，通過一對安裝在安裝孔40兩端內表面上的卡環來防止外圈座從安裝孔40中脫落。而且，該實施例與上述第四實施例不同之處還在於，在螺母24外端面上的圓柱部分33上沒有特殊的槽口34(見圖8)。而是，在花鍵軸17的外端面上有凹陷部分42，花鍵軸17的外端為圓柱形。
在本實施例中，當螺母24被擰到一個特定量的時候，花鍵軸17的外端圓周方向的一部分與圓柱部分33一起沿著徑向向外發生塑性變形(卷邊)，並以互鎖的方式與圓柱部分33安裝在一起以防止螺栓24鬆動。
在本實施例中，螺母24的擰緊力通過計算使得在波紋部分30內端面2和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm。在本實施例中，接觸區域的直徑，或者換句話說，波紋部分30內端面沿著軸向向內凸起的部分的直徑D30等於45mm，螺母24的擰緊力要使得通過擰緊螺母24而施加到花鍵軸17上的軸向力F小於等於16000N。
在上述條件下，可以求得單位長度的載荷F/La如下。
F/La＝16000/(47π)≈113.2[N/mm]在本實施例中，兩個端面之間接觸區域的單位長度的載荷F/La小於等於125N/mm，所以就可以防止波紋部分30內端面和等速萬向節的外環14的外端面發生塑性變形。特別是，在波紋部分30的截面形狀的曲率半徑R30等於6.5mm，大於滿足條件F/La小於等於125N/mm的曲率半徑值R30(5mm)，因此就可以充分的阻止上述塑性變形。其他結構和功能與上述第四實施例相同。
在所有上述優選實施例中，滾動件6採用滾珠，但是在重型車的車輪傳動裝置中的軸承元件中可以採用圓錐滾柱作為滾動件。當然，採用圓錐滾柱的結構也是本發明的技術範疇。
而且，如圖2所示，在波紋部分30的內端面上有平坦表面32，這就會使得波紋部分30內端面2和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域單位長度的載荷F/La遠遠大於125N/mm。在這種情況下，第一實施例可以將波紋部分30內端面2和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域表面壓力的平均值小於等於1.5×108Pa。這時，當接觸區域的表面壓力根據公式2計算出的結果為950MPa，則單位長度的載荷F/La出現最大值。
工業實用性通過上述結構和功能，本發明提供一種用於車輪傳動裝置中的軸承元件，可以給滾動件提供足夠的預加載荷，並且在很長時間中抑制工作過程中所產生的令人不愉快的噪音。而且，本發明還提供一種用於車輪傳動裝置中的低成本的軸承元件，可以給滾動件提供足夠的預加載荷，並能消除由於塑性變形所引起的間隙。
權利要求
1.一種用於車輪傳動裝置中的軸承元件，包括一個驅動軸，在軸的內半部形成有等速萬向節的外環，其外半部形成有花鍵軸；一個徑向中心部分帶有花鍵孔的輪轂，花鍵軸能安裝在花鍵孔中，在使用過程中，輪轂可以旋轉並被等速萬向節驅動；在輪轂外端的外表面上有凸緣，來支撐車輪並將車輪固定到輪轂上；一個小直徑階梯部分位於輪轂的內側端，這樣階梯部分外直徑尺寸小於形成第一內環道的部分的尺寸；一個內座圈，其外表面周圍有第二內環道，內座圈被繞小直徑階梯部分安裝；輪轂有一個中間部分，其外表面上直接帶有一個第一內環道，或者通過與輪轂分離的另一內座圈形成；一個外座圈，其內周表面上帶有一對外環道，這樣它們就面對上述第一和第二內環道，在使用過程中，外座圈並不旋轉；還有很多滾動件位於每個外環道和第一和第二內環道之間，一個圓柱部分位於輪轂內端上的部分上，其向內突起超過安裝在小直徑階梯部分上的內環，圓柱部分上還有一個在徑向上向外皺曲的波紋部分，該波紋部分可以將內座圈固定在朝向小直徑部分的階梯表面的位置上，內座圈被施加到滾動件的預加載荷固定在輪轂上，一個螺母擰在上述驅動軸端部上，螺母帶有一個內端，擰緊螺母使輪轂外端面與螺母內端表面接觸，使驅動軸和輪轂接觸並固定在一起，並使波紋部分的內端面與等速萬向節外環的外端面接觸，其特徵在于波紋部分的內端面和等速萬向節外環的外端面之間接觸區域的表面壓力平均值高達1.5×108Pa。
2.一種用於車輪傳動裝置中的軸承元件，包括一個驅動軸，在軸的內半部形成有等速萬向節的外環，其外半部形成有花鍵軸；一個徑向中心部分帶有花鍵孔的輪轂，花鍵軸安裝在花鍵孔中，在使用過程中，輪轂可以旋轉並被等速萬向節驅動；在輪轂外端的外表面上有凸緣，來支撐車輪並將車輪固定到輪轂上；一個小直徑階梯部分位於輪轂的內側端，這樣其外直徑尺寸小於形成第一內環道的部分的尺寸；一個內座圈，其外表面周圍有第二內環道，內座圈被安裝到小直徑階梯部分周圍；輪轂有一個中間部分，其外周表面上直接帶有一個第一內環道，或者通過與輪轂分離的另一內座圈形成；一個外座圈，其內周表面上帶有一對外環道，這樣它們就面對上述第一和第二內環道，在使用過程中，外座圈並不旋轉；還有很多滾動件位於每個外環道和第一和第二內環道之間，一個圓柱部分位於輪轂內端上的部分上，其向內突起超過安裝在小直徑階梯部分上的內環，圓柱部分還有一個在徑向上向外皺曲的波紋部分，該波紋部分可以將內座圈固定在小直徑部分的階梯表面的位置上，內座圈被施加到滾動件的預加載荷固定在輪轂上，驅動軸具有一個帶有外螺紋部分的端部，一個螺母擰在外螺紋部分上，螺母帶有一個內端，擰緊螺母使輪轂外端面與螺母內端表面接觸，使驅動軸和輪轂接觸並固定在一起，並使波紋部分的內端面與等速萬向節外環的外端面為線接觸，其特徵在於每個單位長度的載荷F/La高達125N/mm，軸向力F是當擰緊螺母的時候施加到花鍵軸上的力，La是繞波紋部分的內端面和等速萬向節的外端面之間接觸區域平均直徑的周長，F/La是軸向力F除以周長La得到的。
全文摘要
波紋部分30固定了內座圈5，所以在滾動件6上有預加載荷。通過擰緊螺母24可以將一個用於車輪傳動裝置中的軸承元件1與等速萬向節2連接。通過對螺母24擰緊力的計算，在波紋部分30內端面和等速萬向節的外環14的外端面之間接觸區域上，單位長度的載荷被控制在125N/mm，或者表面壓力被控制在1.5×10
文檔編號F16C35/063GK1443119SQ01813206
公開日2003年9月17日 申請日期2001年9月17日 優先權日2000年9月29日
發明者大內英男 申請人:日本精工株式會社