CN100422586C - 圆锥滚子轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明的圆锥滚子轴承中，对圆锥滚子的滚动面和内外圈的滚道面实施凸面加工，并适当规定了该凸面加工中的全凸面加工量和各滚道面及滚动面的凸面加工量。由此，降低内外圈与圆锥滚子的滚动摩擦，实现了降低该圆锥滚子轴承的转矩。

Description

圆锥滚子轴承
技术领域
本发明涉及例如适用于汽车等的差速器装置、变速驱动桥等的小齿轮轴支撑装置、变速器等中的圆锥滚子轴承。
背景技术
近年来，对节省汽车等的燃料费的要求正在提高，而且关于用于支撑搭载于汽车的变速器装置和差速器装置的旋转轴的圆锥滚子轴承，也希望降低其转矩。
其中，作为降低圆锥滚子轴承的转矩的方法，有通过对圆锥滚子的滚动面和内外圈的滚道面实施凸面加工而降低滚动摩擦的方法。
作为这种方法，已提出的有下述方案：例如，如JP特开2003-130059号公报所述，通过将滚道面加工为圆弧凸面加工形状来谋求降低转矩的方法；如JP特开2001-65574号公报所述，在滚子的滚动面和与其相接的滚道面采用近似对数曲线的凸面加工形状的方法。
在前述以往的例子中，通过将滚动面或滚道面的凸面加工形状用数值规定，来谋求提高圆锥滚子轴承的性能。然而，未进行过着眼于将凸面加工数量化，并通过规定其凸面加工量来降低圆锥滚子轴承的转矩的尝试。
发明内容
本发明是鉴于这种事实而成的，其目的在于，提供一种圆锥滚子轴承，其对滚子的滚动面和内外圈的滚道面实施凸面加工，并可通过规定其凸面加工量来降低转矩。
本发明的圆锥滚子轴承，其特征在于，包括：外圈，其具有实施了凸面加工的外圈滚道面；内圈，其具有实施了凸面加工的内圈滚道面；多个圆锥滚子，其具有实施了凸面加工的滚动面，且自由滚动地配置在前述两个滚道面的相互之间，其中，全凸面加工量(＝外圈凸面加工量+内圈凸面加工量+滚子凸面加工量×2)大于或等于50μm，外圈凸面加工率(＝外圈凸面加工量/全凸面加工量)大于或等于40％，滚子凸面加工率(＝(滚子凸面加工量×2)/全凸面加工量)小于或等于20％。
根据如上所述构成的圆锥滚子轴承，在前述圆锥滚子的滚动面及内外圈的滚道面实施的凸面加工的全凸面加工量、外圈凸面加工率、以及滚子凸面加工率被设定为适当值，由此可以适当地减小各滚动面及滚道面上的接触面积，而且还可以减小内外圈和圆锥滚子之间的滚动粘性阻力。因此，可以降低这些滚动摩擦，可以力求降低该圆锥滚子轴承的转矩。
在前述圆锥滚子轴承中，内圈凸面加工率(＝内圈凸面加工量/全凸面加工量)优选大于或等于10％。
在该场合下，可以减小前述内圈滚道面和前述滚动面的接触面上的轴向两端部附近的接触负荷。由此，即使是在所谓的边缘载荷作用的场合下也可以降低其作用，能够防止轴承寿命的降低。
附图说明
图1是本发明一个实施方式涉及的圆锥滚子轴承的轴向剖视图。
图2是表示内圈的凸面加工形状(复合凸面加工的场合)的图，(a)表示内圈轮廓，(b)典型地表示实施于内圈的滚道面的凸面加工形状。
图3是表示内圈的凸面加工(完全凸面加工的场合)的形状的图，(a)表示内圈轮廓，(b)典型地表示实施于内圈的滚道面的凸面加工形状。
图4是表示圆锥滚子的凸面加工的形状的图，(a)表示圆锥滚子30的轴向截面中的上半部分的轮廓，(b)典型地表示实施于圆锥滚子的滚动面上的凸面加工形状。
图5是表示外圈的凸面加工形状的图，(a)表示外圈的轮廓，(b)典型地表示实施于外圈的滚道面的凸面加工形状。
图6是表示全凸面加工量和圆锥滚子轴承的转矩比的关系的分散图。
图7是表示外圈凸面加工率和圆锥滚子轴承的转矩比的关系的分散图。
图8是表示滚子凸面加工率和圆锥滚子轴承的转矩比的关系的分散图。
图9是表示内圈凸面加工率和圆锥滚子轴承的转矩比的关系的分散图。
具体实施方式
接下来，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1是本发明一个实施方式涉及的圆锥滚子轴承的轴向剖视图。
在图中，本实施方式涉及的圆锥滚子轴承1，包括：内圈10，其在外周具有由圆锥面形成的内圈滚道面11；外圈20，其在内周具有由圆锥面形成的外圈滚道面21；多个圆锥滚子30，其在外周具有由圆锥面形成的滚动面31，且自由滚动地配置在两个滚道面11、21的相互之间；保持器40，其将该多个圆锥滚子30在周向保持规定的间隔。而且，在内圈滚道面11、外圈滚道面21、以及滚动面31上实施有本发明的特征构成的凸面加工。
这里，以内圈为例对一般的凸面加工的想法进行说明。图2(a)是夸张地表示对内圈滚道面11实施了凸面加工的内圈10的轴向截面中的轮廓的图。在图中，对与圆锥滚子30的滚动面31滚动接触的内圈滚道面11，实施了向径向外侧略微突出的凸面加工。该凸面加工表示将圆弧作为上底的梯形形状的复合凸面加工。
以下，对内圈10的凸面加工量(以下，也称为内圈凸面加工量)的计算方法进行说明。在图2(a)中，将内圈10的相对轴向的内圈滚道面11的宽度设为SK、将内圈滚道面11的锥角角度设为β、将内圈滚道面11的两端部所形成的图示的倒角尺寸设为L1、L2时，滚道长度LRI可以由下述计算式(1)得到。
LRI＝SK/cosβ-(L1+L2)…(1)
这里，LRI’＝0.6LRI的长度LRI’是从滚道长度LRI的中间点如图所示地截取，且将与LRI’的尺寸两端对应的内圈滚道面11上的点设为A’及B’。另外，虽然该场合下，A’、B’比圆弧的端点Ae、Be还靠近内侧，但是A’、B’也可以分别与圆弧的端点Ae、Be一致。
图2(b)是典型地表示图2(a)所示的内圈滚道面11的滚道长度LRI的端点A和端点B之间的凸面加工的截面形状的图。在(b)中，通过长度LRI’的凸面加工的弦G’的中点C2’和凸面加工的圆弧中心O的直线M，与弦G’垂直相交且通过长度LRI’上的凸面加工圆弧中心点C1。而且，将从该凸面加工圆弧中心点C1到滚道长度LRI上的凸面加工的弦G的中点C2的距离尺寸设为内圈10的凸面加工量CRI。
另外，内圈凸面加工的形状不仅可以是如图2所示的将圆弧设为上底的梯形形状，还可以是除了单一的圆弧形状之外，由多个圆弧所形成的形状、对数凸面加工、椭圆凸面加工等、任意种类的凸面加工形状，在这些任意种类的凸面加工形状中，可以适用上述凸面加工量的想法。
再有，前述凸面加工的想法，对于滚子和外圈也可以同样适用。而且，前述凸面加工量的定义对于滚子和外圈也可适用。
另外，在滚道长度(滚动面长度)的范围中，将多个形状组合而成的凸面加工称为复合凸面加工，在滚道长度的范围中，将由单一的圆弧形状形成的凸面加工称为完全凸面加工。
接下来，对凸面加工形状是完全凸面加工的场合下的凸面加工的想法、和基于其的凸面加工量的想法进行说明。再有，同时对圆锥滚子和外圈中的凸面加工的想法进行说明。
图3(a)是表示对内圈滚道面11实施了完全凸面加工的内圈10的轴向截面上的轮廓的图。图中，滚道长度LRI与图2(a)场合下的计算式(1)同样，即为：
LRI＝SK/cosβ-(L1+L2)
另一方面，图3(b)是典型地表示(a)所示的内圈滚道面11的滚道长度LRI的端点A和端点B之间的凸面加工的截面形状的图。图中，通过长度LRI上的凸面加工的弦G的中点C2和凸面加工的圆弧中心O的直线M，与弦G垂直相交且通过长度LRI上的凸面加工圆弧中心点C1。而且，将该凸面加工圆弧中心点C1和中点C2所规定的距离尺寸设为内圈凸面加工量CRI。即，如图所示，如果将凸面加工圆弧的半径设为RCI，则内圈凸面加工量CRI可以由下述计算式(2)求出。
CRI＝RCI-{RCI2-(LRI/2)2}1/2…(2)
图4(a)是表示圆锥滚子30的轴向截面上的上半部分的轮廓的图。图中，在圆锥滚子30上设有与内外圈的滚道面11、21滚动接触的滚动面31。在滚动面31的两端部分别设有倒角部32a、33a，且形成为相对于圆锥滚子30的小径侧端面32及大径侧端面33平滑地连接。再有，在滚动面31上实施有向外径方向极其微小地突出的完全凸面加工。
以下，对圆锥滚子30的凸面加工量(以下，也称为滚子凸面加工量)的计算方法进行说明。图4(a)中，将圆锥滚子30的相对中心轴方向的滚动面31的宽度设为L，将滚动面31的锥角角度设为γ，将从滚动面的总宽度减去形成于滚动面31的两端部的倒角部32a、33a的曲面的宽度尺寸设为S1、S2时，前述的滚子有效长度LWR可由下述计算式(3)得到。
LWR＝L/cos(γ/2)-(S1+S2)…(3)
而且，上式(3)中的S1、S2由轴承的尺寸被设定为一定的值。
图4(b)是典型地表示图4(a)所示的滚动面31的滚子有效长度LWR的端点A和端点B之间的凸面加工形状的图。图中，通过滚子有效长度LWR上的凸面加工的弦G的中点C2和凸面加工的圆弧中心O的直线M，与弦G垂直相交且通过滚子有效长度LWR上的凸面加工圆弧中心点C1。
本发明人将该凸面加工圆弧中心点C1和中心C2的距离尺寸设为滚子凸面加工量CR。而且，如图所示，如果将凸面加工圆弧的半径设为RC，则滚子凸面加工量CR可以由下述计算式(4)求出。
CR＝RC-{RC2-(LWR/2)2}1/2…(4)
接下来，说明对滚道面实施有凸面加工的外圈20的凸面加工量(以下，也称为外圈凸面加工量)的计算方法。图5(a)是夸张地表示在外圈滚道面21上实施完全凸面加工的外圈20的轴向截面上的轮廓的图。图中，与圆锥滚子30的滚动面31滚动接触的外圈滚道面21上，实施有向径向内侧突出的截面为圆弧状的凸面加工。再有，从外圈滚道面21的两端部向外圈20的轴端面，分别设有倒角部22a、23a。该倒角部22a、23a形成为分别相对外圈20的小内径侧端面22及大内径侧端面23平滑地连接。
图5(a)中，将外圈20的相对轴向的外圈滚道面21的宽度设为SB，将外圈滚道面21的锥角角度设为α，将从外圈滚动面的总宽度减去形成在外圈滚道面21的两端部上的倒角部22a、23a的曲面的宽度尺寸设为T1、T2时，前述滚道长度LRO，可以由下述计算式(5)得到。
LRO＝SB/cosα-(T1+T2)…(5)
而且，上式(5)中T1、T2是由轴承的尺寸被设定为一定的值。
图5(b)是典型地表示图5(a)所示的外圈滚道面21的滚道长度LRO的端点A和端点B之间的凸面加工的截面形状的图。图中，通过滚道长度LRO上的凸面加工的弦G的中点C2和凸面加工的圆弧中心O的直线M，与弦G垂直相交且通过滚道长度LRO上的凸面加工圆弧中心点C1。
本发明人将该凸面加工圆弧中心点C1和中心C2所规定的距离尺寸设为外圈凸面加工量CRO。而且，如图所示，如果将凸面加工圆弧的半径设为RCO，则外圈凸面加工量CRO可以由下述计算式(6)求出。
CRO＝RCO-{RCO2-(LRO/2)2}1/2…(6)
如上所述，可以求得实施了完全凸面加工场合的圆锥滚子及内外圈的凸面加工量。
而且，对于实施了完全凸而加工的圆锥滚子30及内外圈10、20，当然可以基于前述一般凸面加工的想法来计算出凸面加工量。即，在图2中，与求出长度LRI’一样，圆锥滚子30的场合下，可以导出相对LWR的LWR’，而外圈20的场合直，可以导出相对LRO的LRO’。这样，基于一般凸面加工的想法来求出的凸面加工量，大致与基于完全凸面加工的想法(图4、图5)而求出的值一致。
而且，本发明人从前述的滚子凸面加工量、内圈凸面加工量、外圈凸面加工量，且基于下述计算式(7)、(8)、(9)、(10)来计算出了全凸面加工量、外圈凸面加工率、滚子凸面加工率、内圈凸面加工率。
全凸面加工量＝外圈凸面加工量+内圈凸面加工量+滚子凸面加工量×2…(7)
外圈凸面加工率＝外圈凸面加工量/全凸面加工量…(8)
滚子凸面加工率＝(滚子凸面加工量×2)/全凸面加工量…(9)
内圈凸面加工率＝内圈凸面加工量/全凸面加工量…(10)
而且，对本实施方式的圆锥滚子轴承1的圆锥滚子30及内外圈10、20而言，全凸面加工量被设定为大于或等于50μm，外圈凸面加工率被设定为大于或等于40％，滚子凸面加工率被设定为小于或等于20％。
这里，对发明人进行的为了明确圆锥滚子轴承的转矩和全凸面加工量及各凸面加工率的关系的验证试验的结果进行说明。
作为用于本试验的圆锥滚子轴承，准备了多个其全凸面加工量及各凸面加工率被设定为各种不同值的图1所示构成的圆锥滚子轴承(JIS30306的相当品)，且试验性地测定了其转矩。
作为圆锥滚子轴承的转矩的测定方法，例如采用轴承试验装置，将实施例样品的圆锥滚子轴承设置于试验装置后，使内外圈中的一方旋转，并测定作用在内外圈另一方的转矩。作为试验条件，润滑油采用了差速器装置用齿轮油，作为模拟增压负荷施加了4kN的轴向负荷，且以转速300rpm、2000rpm的两种转度下进行了试验。
再有，作为试验时的润滑条件，当转速为300rpm时，仅在试验前涂敷适量的常温润滑油，此后不再加油进行了试验。另一方面，当转速为2000rpm时，将油温为323K(50℃)的润滑油以每分钟0.5升循环供给，同时进行了试验。将润滑油的供给方法根据转速设为不同，这是为了：仅供给各转速下所需的最小限度的润滑油量，尽可能不产生在过量供给润滑油的场合下发生的润滑油的搅拌阻力的影响，可以去掉由滚动摩擦而产生的转矩。
如前述这样，对全凸面加工量及各凸面加工率被设定为各种不同值的圆锥滚子轴承分别测定了转矩。而且，通过把握前述全凸面加工量及各凸面加工率与转矩的关系，来确定了使转矩降低的值的范围。
图6是表示全凸面加工量和测定的圆锥滚子轴承的转矩比(转矩/规定值)的关系的分散图。由该图可知，在全凸面加工量小于或等于50μm的场合下，虽然转矩比分散在较大的宽度，但是伴随全凸面加工量的增加，分散的转矩比中的最大值呈现逐渐降低的倾向。而且，可知在全凸面加工量大于或等于50μm的场合下，与全凸面加工量大于或等于50μm的场合相比较，转矩比稳定地分布在更低值的范围。
而且，如果前述全凸面加工量大于100μm，则需要对圆锥滚子及内外圈实施过大的凸面加工，而存在圆锥滚子无法稳定地转动的危险。因此，全凸面加工量优选小于或等于100μm。
接下来，图7是表示外圈凸面加工率和圆锥滚子轴承的转矩比的关系的分散图。由该图可知，在外圈凸面加工率小于或等于40％的场合下，伴随外圈凸面加工率的增加，转矩比中的最大值呈现逐渐降低的倾向。而且，可知在外圈凸面加工率大于或等于40％的场合下，与外圈凸面加工率小于或等于40％的场合相比较，转矩比稳定地分布在更低值的范围。
图8是表示滚子凸面加工率和圆锥滚子轴承的转矩比的关系的分散图。由该图可知，在滚子凸面加工率大于或等于20％的场合下，伴随滚子凸面加工率的减小，转矩比中的最大值呈现逐渐降低的倾向。而且可知，在滚子凸面加工率小于或等于20％的场合下，与滚子凸面加工率大于或等于20％的场合相比较，转矩比稳定地分布在更低值的范围。
图9是表示内圈凸面加工率和圆锥滚子轴承的转矩比的关系的分散图。由该图可知，转矩比相对内圈凸面加工率的变化大致稳定在一定范围内。即，无法确定内圈凸面加工率相对圆锥滚子轴承的转矩比具有明显的相关关系。但是，对内圈凸面加工率而言，通过将其设定为大于或等于10％，可以减小内圈滚道面11和滚动面31之间的接触面上的轴向两端部附近的接触负荷。由此，即使是在所谓的边缘载荷作用的场合下也可以降低其作用，从而能够防止该轴承寿命的降低。
如前所述，对圆锥滚子轴承的转矩比，即转矩和全凸面加工量及各凸面加工率的关系进行了试验性测定、验证的结果，通过满足全凸面加工量大于或等于50μm、外圈凸面加工率大于或等于40％、滚子凸面加工率小于或等于20％的条件，可以确定能够减小圆锥滚子轴承的转矩。
再有，虽然外圈凸面加工率可以是100％，但是如果考虑到如前所述内圈凸面加工率被实施为大于或等于10％，则优选小于或等于90％。
再有，在滚子凸面加工率是0％的场合下，如果外圈凸面加工率及内圈凸面加工率是在前述规定的值的范围内，则可以得到降低转矩的效果。因此，可以将滚子凸面加工率设定为大于或等于0％，且小于或等于20％的范围。
再有，由于外圈凸面加工率被实施为大于或等于40％，所以内圈凸面加工率优选小于或等于60％。
在前述验证试验中，被测定的圆锥滚子轴承的转矩是在尽可能没有润滑油搅拌阻力的影响的状态下测定的值，且是受圆锥滚子和内外圈的滚动粘性阻力较大影响的状态下的转矩。
换言之，根据前述验证试验的结果可知，通过将对圆锥滚子30的滚动面及内外圈的滚道面实施的各凸面加工的全凸面加工量、外圈凸面加工率、以及滚子凸面加工率设为前述条件，可以降低内外圈和圆锥滚子之间的滚动粘性阻力。
即，根据本实施方式涉及的圆锥滚子轴承1，如前所述，可以降低圆锥滚子30和内外圈10、20之间的滚动粘性阻力，可以降低这些滚动摩擦。其结果，可以降低作为圆锥滚子轴承1的转矩。
特别是，在差速器装置等的车辆用小齿轮轴支撑装置中，由于是用粘度较高的齿轮用润滑油来进行轴承润滑，所以用于其中的轴承的滚动粘性阻力具有变大的倾向。因此，通过将本发明涉及的圆锥滚子轴承应用于小齿轮轴支撑装置，呈现出的其转矩降低效果显著。
再有，为了验证本实施方式的圆锥滚子轴承的转矩的降低效果，本发明人采用实施例样品及比较例样品进行了转矩的测定。作为本发明涉及的实施例样品，采用了全凸面加工量被设定为64μm、外圈凸面加工量被设定为40μm、滚子凸面加工量被设定为2μm、内圈凸面加工量被设定为20μm的圆锥滚子轴承。此时，实施例样品涉及的圆锥滚子轴承的外圈凸面加工率是62.5％，滚子凸面加工率是6.25％、内圈凸面加工率是31.25％。作为比较例样品，准备了与没有对内外圈及圆锥滚子实施凸面加工的实施例样品相同尺寸的圆锥滚子轴承，且在相同的条件下测定了两者的转矩，并进行了比较。
其结果确认了：前述实施例样品涉及的圆锥滚子轴承中，和比较例样品涉及的圆锥滚子轴承相比较，能够将该转矩降低大概55％。
而且，本发明的圆锥滚子轴承并不仅限于前述各实施方式，轴承的构成和圆锥滚子的滚动面及内外圈的滚道面的形状等可以基于本发明的主旨做适当的变更。

Claims (2)

1. 一种圆锥滚子轴承，其特征在于，
包括：外圈，其具有实施了凸面加工的外圈滚道面；内圈，其具有实施了凸面加工的内圈滚道面；多个圆锥滚子，其具有实施了凸面加工的滚动面，且自由滚动地配置在前述两个滚道面的相互之间，其中，
全凸面加工量大于或等于50μm，且该全凸面加工量＝外圈凸面加工量+内圈凸面加工量+滚子凸面加工量×2，
外圈凸面加工率大于或等于40％，且该外圈凸面加工率＝外圈凸面加工量/全凸面加工量，
滚子凸面加工率小于或等于20％，且该滚子凸面加工率＝(滚子凸面加工量×2)/全凸面加工量。
2. 根据权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，内圈凸面加工率大于或等于10％，且该内圈凸面加工率＝内圈凸面加工量/全凸面加工量。
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