用於機動車傳動的圓錐滾子軸承的製作方法

2023-05-12 00:40:51

專利名稱：用於機動車傳動的圓錐滾子軸承的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於機動車傳動用圓錐滾子軸承。
背景技術：
圓錐滾子軸承用於機動車傳動的輸入/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錐形滾道面1的外圈2，具有一個錐形滾道面3的內圈6，內圈6的錐形滾道面3的大徑端具有一個大凸緣面4，內圈6的錐形滾道面3的小徑端設具有一個小凸緣面5，多個可滾動地設置於外圈2和內圈6的滾道面1和3之間的圓錐滾子7，和一個支撐圓錐滾子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之間的距離設計為稍大於圓錐滾子7的長度。
每一個圓錐滾子7設計成與外圈2和內圈6的滾道面1和3線接觸，每一個圓錐滾子7的錐角頂點與滾道面1和3的錐角頂點相交於圓錐滾子軸承的中心線上的一點O。因此，圓錐滾子7能夠沿著滾道面1和3滾動。
因為圓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推向內圈6的大凸緣面4一側。因此，在軸承運轉過程中，每一個圓錐滾子7由抵著大凸緣面4的大端面9引導，因此大端面9與大凸緣面4滑動接觸。另一方面，因為內圈6的大凸緣面4到小凸緣面5的距離稍大於圓錐滾子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，它們之間有一個小的間隙。小凸緣面5由一個相對於圓錐滾子7的小端面10稍向外傾斜的平面形成。
在運轉過程中，為了防止圓錐滾子7在軸向上移動，並確保圓錐滾子7與外圈2和內圈6的各自的滾道面1和3為穩定的線接觸，向圓錐滾子軸承施加一個預載荷。
但如果在圓錐滾子軸承在使用過程中，由於圓錐滾子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之間的接觸而發生所謂的「咬合」，會引起所謂的「預載荷損失」現象，預載荷會逐漸降低。
當預載荷和軸承壽命之間的關係用壽命比值(L/L0)表示(此處，L表示考慮遊隙和預載時的壽命，L0表示遊隙為0時的壽命)，如果施加一個適量的預載(此時軸向遊隙為負值)，壽命比值(L/L0)等於或大於1，但，當軸向遊隙變為0或者進入正值範圍，預載和壽命比值就逐漸降低。
邊緣應力的控制對於用於機動車傳動的現有的圓錐滾子軸承，必需考慮可能產生的裝配誤差，如內圈和外圈之間的相對斜角(偏斜)，並採取措施，即使在最大載荷情況下防止由於這樣的裝配誤差產生的邊緣應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有凸緣，這樣在一定的裝配範圍內，可以防止出現大的邊緣應力。另一種形式為通過軸承的內部設計(直徑，長度，滾子的數量)來降低邊緣應力。凸緣越大，對降低邊緣應力越有效。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力。因此，通常實用的是選取一個適當的凸緣尺寸。值得注意的是，一般來說，凸緣尺寸由以下方法來設計邊緣應力的上限由第一位置決定，使用一預定的公式從上限向回計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，在機動車傳動如連續變動傳動系統(CVTs)，節油器等等上使用低粘度油來實現自動傳動。在使用低粘度油的情況下，如果同時發生不利的情況如(1)油溫高，(2)油流速低，(3)預載損失等，在高接觸壓力下的內滾道面由於潤滑不好(缺少油膜)在短時間內就會產生表面早期剝落。
為增加圓錐滾子軸承壽命的現有技術都關注軸承的結構或形狀，尤其是凸緣，而沒有對最大接觸應力的絕對值(見日本發明專利公布No.2000-235749，日本實用新型專利公布No.Hei 5-22845，日本實用新型專利公布No.2554882，和日本發明專利公布No.2001-3941)做過特殊的研究。
本發明的發明人發現，實驗的結果是，表面早期剝落的發生率不是由邊緣應力決定的，而是由隨凸緣的形狀或軸承的內部設計而變的最大接觸應力來決定的。
雖然如此，大多數現有技術對凸緣和軸承的內部結構進行設計以均衡接觸應力的分布，其主要目的是防止由於邊緣應力而造成的軸承壽命降低。因此，由於滾道面的最大接觸壓力問題而導致的表面早期剝落問題一直沒有得到解決。
當在潤滑狀況惡劣的情況下預載增加，由於潤滑不好而導致表面早期剝落過早出現。這是因為由於預載損失，軸承內部的載荷分布變小(載荷範圍變窄)。本發明的發明人發現，如下面所描述的，實驗的結果是過早出現的表面早期剝落的最大接觸壓力的極限值是3000Mpa，基於這個發現而作出了本發明。
圖2是從5種不同類型軸承A-E中的每一種分別抽出9個樣品進行實驗的實驗結果，由於預載損失而出現早期剝落的樣品的數量。因為軸承的內部結構不同，因此各個類型的軸承具有不等數量的長度和直徑不同的滾子，從而具有不同的最大接觸應力。從中間向左的欄表示軸向遊隙為0mm並且幾乎沒有預載情況的結果，而從中間向右的欄表示軸向遊隙為0.3mm並且預載全部損失情況的結果。軸承E與軸承B具有相同的內部設計，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到3000Mpa時就出現過早剝落(early flaking)(使用15個小時後或少於15個小時)，當最大接觸壓力高於3000Mpa時，出現早期剝落的軸承的樣品的數量增加。經證實，沒有出現過早剝落的軸承的壽命為出現過早剝落的軸承的15小時的平均壽命的至少10倍。
值得注意的是，圖2中的實驗條件如下軸承A到E的尺寸為φ45mm×φ81mm×16mm，軸承的材質為碳鋼，轉速為2500rpm，載荷為19.1KN。
如圖3所示，具有小凸緣的軸承E，當裝配誤差變大時由於邊緣應力而使軸承壽命急劇下降(200小時→40小時→20小時)，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→40小時→20小時)。而且，在裝配誤差不超過3/1000時，軸承B和軸承E的壽命比如圖2所示的過早出現表面早期剝落的壽命(15小時)長(由於邊緣應力而引起的壽命的降低也能由計算得出)。
圖2和圖3的實驗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的實驗是在油膜參數Λ為0.2的條件下進行的，以提高這個問題的再現性。從圖4中看到，當油膜參照Λ小於0.6時出現較早剝落。
換句話說，在油膜參照Λ小於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預載損失的情況下，通過適當的凸緣和軸承內部設計，使滾道面的最大接觸壓力小於3000Mpa，可以防止表面早期剝落的過早出現。
這些實驗中的每個實驗都是在有足夠的潤滑油的情況下進行的，使用油膜參數表示潤滑不良的等級。另一方面，技術人員發現，即使理論油膜參數為0.6或更大，當潤滑油的量變小時也會產生表面剝落損傷。可以理解的是，這是由於潤滑油的量不足而導致局部缺少油膜造成的。眾所周知，當潤滑油的進給速度降到大約100mL/min或更低時，目前用於傳動的內徑為φ20到φ45mm的圓錐滾子軸承會出現潤滑不良的問題。因為這些因素，可以理解，潤滑油進給速度大約為100mL/min或更小的潤滑不良的情況應與油膜參數Λ等於或小於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(油膜厚度還與旋轉速度成正比)。如果用於機動車傳動的圓錐滾子軸承的油膜參數Λ等於或小於0.6，例如，在運轉過程中潤滑油的動粘度大約等於10cst或更小，使用低粘度油的情況下能夠良好地運轉的這樣的軸承最近用於機動車傳動，連續變動傳動系統(CVTs)，節油器等等上來實現自動傳動。

發明內容
如上所描述的情況，本發明的一個目標是提供一種設有凸緣或內部設計的軸承，其通過尋找由於邊緣應力產生的疲勞引起的壽命降低和由於潤滑不好(受最大接觸應力的大小影響)在過早出現表面早期剝落前的壽命之間的平衡，能在使用的短時間內防止軸承碎裂，甚至在惡劣潤滑出現預載損失時的情況下可防止過早出現剝落。
本發明的涉及一種用於機動車傳動的圓錐滾子軸承，其在發生預載損失的情況下，滾道面的最大接觸應力保持在3000Mpa以下。
根據本發明，用於機動車傳動的圓錐滾子軸承的滾道面的最大接觸應力設在為3000Mpa，即使在在油膜參數不小於0.6小於或潤滑油的進給速度小於100mL/min的惡劣潤滑情況下發生預載損失時能有效地防止表面早期剝落的過早出現。


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是由於預載損失而產生過早剝落的實驗結果；圖3是由於偏斜而產生過早剝落的實驗結果；圖4是由於不同的油膜參數值而產生過早剝落的實驗結果；
具體實施例方式
本發明的用於機動車傳動的圓錐滾子軸承的結構為即使在出現預載損失時滾道面的最大接觸壓力也保持在小於3000Mpa的範圍內。根據設計凸緣的現有方法，本發明的主要目標是降低邊緣應力。如果滾道面的最大接觸壓力超過3000Mpa，由於偏斜而邊緣應力就會增大，在軸承的剝落時間到達之前，由於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。因此，根據設計凸緣的現有方法，軸承的壽命就相對短。因此，更優選的是，即使發生預載損失，用於機動車傳動的圓錐滾子軸承設計為滾道面的接觸壓力保持在小於3000Mpa的範圍內。更具體地，在發生預載損失的情況下，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的外圓周表面上設有預定形狀的凸緣(如圖1所示)，或者根據所承受的載荷對軸承的內部進行適當的設計(根據直徑，長度，滾子的數量)。
權利要求
1.一種用於機動車傳動的圓錐滾子軸承，其特徵在於在發生預載損失的情況下，滾道面的最大接觸應力保持在3000Mpa以下的範圍內。
2.如權利要求1所述的圓錐滾子軸承，其特徵在於在所述軸承的滾道面或圓錐滾子的外圓周表面上設有用來保持所述最大接觸應力的凸緣。
全文摘要
本發明提供一種用於機動車傳動的圓錐滾子軸承，即使在惡劣潤滑發生預載損失的情況下也能防止表面早期剝落的過早出現。所述圓錐滾子軸承的結構是，在發生預載損失的情況下滾道面的最大牴觸壓力保持在3000MPa以下的範圍內。
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 優先權日2003年8月28日
發明者辻本崇 申請人:Ntn株式會社