CN103925285A - 轻量轮毂轴承组件及其组装方法 - Google Patents

轻量轮毂轴承组件及其组装方法 Download PDF

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Abstract

一种轮毂轴承组件，其包括轻量金属材料的轮毂(30)，该轮毂(30)形成有圆柱部(31)，圆柱部(31)上安装有具有滚道(25)的内管状环(24)；具有第二滚道(26)的第二内环(27)被紧固至第一内管状环；在轮毂的圆柱部(31)和内管状环(24)之间形成圆柱形空隙(46)，该空隙(46)容纳有钎焊接合材料或结构胶粘剂，其将轮毂一体地接合至第一内管状环(24)。

Description

轻量轮毂轴承组件及其组装方法
技术领域
本发明涉及用于机动车车轮的轻量轮毂轴承组件。本发明同样涉及该组件的组装方法。
背景技术
在汽车制造业中，为了减少燃油消耗和废气排放，对减小机动车辆部件重量的需求不断增加。为了减小车轮的总重量，并且尤其是旋转主体的重量，在最近几年提出了一种轮毂轴承组件，其具有将两种不同材料结合为单件而制成的旋转法兰环。在这种环中，由例如轴承用钢的高韧性的第一种材料制成的管状芯部形成滚道，并且由例如轻金属的第二种轻量材料形成环剩下的部分，包括用于安装车轮的外侧法兰。
在某些情况下，钢制芯部和较轻的法兰之间的连接由具有过盈的形状配合的连接形成。这些连接并非总是被证明是持久的，尤其是在长时间使用后。事实上，钢和铝不同的热膨胀系数趋于导致两种材料相互分离。在另一些情况下，通过轻量材料的包覆成型或铸造来获得这些连接，例如将铝合金包覆或铸造在管状钢制芯部上。为了避免或限制两种材料之间的运动，在这种类型的环中，两种材料通过具有复杂形状的交界表面而结合，从而形成在两种材料之间起接头作用的咬边。例如，参见专利公开文本WO2008／147284A1。使用这种技术制造环的成本相当高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种重量减轻了的轮毂轴承组件，主要解决在轮毂中的两种不同材料之间提供可靠的机械连接的问题，从而优化制造成本。
为了达到上述目的，本发明提出了制造具有如权利要求1所限定的特征的轮毂轴承组件。根据另一方面，本发明提出了如权利要求8所限定的组装方法。本发明优选的实施例如从属权利要求中所限定的。
附图说明
下文中将参照附图描述本发明一些优选但非限制性的实施例，附图中：
图1是根据本发明的示例性实施例的轮毂轴承组件的轴向剖视图；
图2是带法兰的轮毂的剖开立体图，其构成图1中的组件的一部分，具有两个固定到轮毂的轴承环；
图3是带法兰的轮毂的轴向剖视图；
图4、6、7和8是示出组装轮毂轴承组件的不同步骤的剖视图；
图5是在图4和7中由“V”标记的细节的放大视图。
具体实施方式
在图1中以轴向剖面示出了根据本发明的轮毂轴承组件的一个例子。
组件包括：轻量金属材料的轮毂30，优选铝合金；以及具有两列滚动元件的轴承单元20。
轴承单元包括外环21，其具有两条外滚道，用于与第一列滚动元件22和第二列滚动元件23相配合，滚动元件在本例中为滚珠。轴承单元还包括管状内环24，其具有用于第一列滚动元件22的第一轴向外滚道25。第二内滚道26用于轴向内侧的那列滚动元件23并且形成在内环27上，该内环27是与管状环24分开制得的。内环27被单独制造，从而在外环21被安装到第一列滚动元件22上后、允许第二列滚动元件23被插入到轴承单元中。内环27安装在内管状环24的轴向延伸部28上。轴向延伸部28的轴向内端通过径向外侧方向上的轨道冷滚轧制而成型，由此获得塑性成型的轧制边缘29，其轴向地锁止内环27。
轮毂轴承组件限定了中心旋转轴线x并且被设计用于绕轴线x可旋转地安装机动车辆的车轮(未示出)。贯穿本说明书并且在权利要求中，指示位置和方向的术语或表述，例如“径向”、“轴向”、“横向”，应当被理解为参考旋转轴线x。另一方面，例如“轴向内侧”(或“向内侧的”)以及“轴向外侧”(或“向外侧的”)的表述是指安装在车辆上的状态。
轮毂30(在图3中单独示出)由轻量金属材料以单件形成有：在轴向方向上延伸的圆柱部31，以及从圆柱部31的轴向外端33向径向外侧方向延伸的法兰32。
轮毂30可通过例如铸造或锻造而形成。适合制造轮毂的铝合金的例子包括但不限制于以下：6061T6，6082T6或T5，A356T6，43500T6。一旦获得期望的形状，可对轮毂进行热循环，优选T6热循环，从而提高铝合金材料的机械性能。可替代地，可对轮毂进行沉淀硬化热处理。
法兰32用于安装车辆的车轮。可在法兰上绕轴线x等角度距离的位置处形成四／五个轴向孔34。孔34适于与对应的多个例如螺栓的固定元件(未示出)相配合，以用于固定车轮。法兰32具有：轴向内侧的径向表面35，其被设计成在使用中朝向车辆；以及，轴向外侧的径向表面36，其形成用于制动转子(未示出)和／或用于车轮的平坦支撑表面。轮毂30还能形成轴向管状尾件37，其从轴向外侧突起，从而利于车轮的定心。附图标记38表示形成在法兰32中的可选择的减重腔。
圆柱部31具有径向外圆柱表面39，其被引入管状内环24，稍后将进行描述。
在本文示出的实施例中，圆柱部31为管形，并且在本例中具有径向延伸的内圆柱空腔40。在该特定的实施例中，内腔40贯穿整个主体。在另外的实施例中，取决于即将装配的车轮的类型(即，驱动轮或从动轮)，内腔40可以是封闭的。在又一些其他实施例中，圆柱部31的内部可以被填满，即，不具有腔40。
根据本方法的第一实施例，通过竖直地布置圆柱部31，轮毂30被定向，且轴向内端面朝上方(图4)。管状内环24形成用于一列滚动体22的滚道25并且被滑动到圆柱部31上。管状内环24优选由轴承用钢制成。管状环24具有：径向内侧的、轴向圆柱形空腔42；位于轴向外端的径向表面43；以及，具有轴向内侧的、初始平直的管状端部29a的轴向延伸部28。轴向延伸部28具有圆柱外表面44，其结合至朝向轴向内侧方向的径向轴肩45。
管状环24沿着轮毂的圆柱部31被推压，直到轴向外侧的径向表面43开始与法兰32的轴向内侧35邻接抵靠。
如在图5的放大视图中示意性示出地，圆柱形空隙46位于轮毂的外圆柱表面39和管状环24的轴向圆柱形空腔42之间。空隙46的径向厚度可随多种因素而变化。在此处描述的、将钎焊材料引入空隙46的实施例中，圆柱形空隙具有约70和约100微米之间的径向厚度，获得了令人鼓舞的实验结果。这个范围仅仅是指示性的，该方法也可实施为具有更大的径向厚度。
由于管状环24的圆柱形空腔42和轮毂的外圆柱表面39之间的接触，圆柱形空隙46在轴向外端(图5)处优选是封闭的或密封的。在示出的例子中，圆柱形空腔42形成为具有：轴向外侧部42a，其直径使得其需要与轮毂的外圆柱表面39径向过盈地连接；以及，轴向内侧部42b，其直径略大于部分42a的直径。更具体地，轴向靠近法兰32的部分42a径向过盈地与轮毂的外圆柱表面39的轴向外侧的第一长度段39a相连接；空腔42的轴向远离法兰32的部分42b的内直径大于外圆柱表面39的轴向内侧的第二长度段39b的外直径。该第二长度段39b径向面朝更大直径部分42b并与其间隔开，且与该较宽的部分42b限定出圆柱形空隙46。
在不同的实施例中，通过减小管状部31的外圆柱表面39的轴向内侧的长度段的外直径而形成圆柱形空隙46；在另外不同的实施例中，圆柱形空隙46部分地通过减小管状部31的外圆柱表面39的轴向内侧的长度段的外直径、并且部分地通过在空腔42中形成扩大的部分42b而形成，该扩大的部分42b径向朝向外圆柱表面39的具有减小的外直径的所述长度段。
圆柱形空隙46在其轴向内端是打开的，在图4-7的例子中朝上。接着，接合材料被导入空隙46并围绕轮毂的圆柱部31。在本过程的一个实施例中，接合材料是钎焊材料，具有比制成轮毂的金属合金的退火温度和构成管状环24的钢的回火温度都要低的熔融温度。钎焊材料可以由例如钎焊合金制成。钎焊材料可形成为环形片或环。
钎焊材料接着例如通过围绕管状环24设置电感线圈(未示出)而被加热和熔化。取决于钎焊材料的特性以及空隙46的径向厚度，融化的钎焊材料通过重力滴落并且通过毛细管作用渗入空隙从而填满它。然后，钎焊材料冷却并凝固，从而在轮毂和管状环24之间的界面处产生强机械连接。
优选地，圆柱形空腔42的钢表面是不平的，因为一定程度的粗糙度可增加钢和钎焊填充材料之间的黏附力。
适用于本过程的、用于接合钢和铝合金的钎焊合金例如是：
-“509Strongest”，由伊萨(ESAB)销售；钎焊温度=265℃，拉伸强度约200MPa；
-“Al Solder500”，由哈利斯产品集团(Harris Product Group)销售；钎焊温度=199℃，拉伸强度约135MPa；
-“Nocolok”，由苏威化工(Solvay Chemicals)销售；钎焊温度=613℃，拉伸强度约240MPa。
由申请人进行的实验测试在机械耐磨度方面显示了优异的结果，并且在轮毂轴承组件的使用寿命中完全不存在热稳定性的问题。
第二内轴承环27具有用于轴向内侧的那列滚动体23的径向内滚道26，并且接着被配合到管状环24的轴向延伸部28上，或者更确切地，配合到外圆柱表面44上。内环27可以是常规类型的内轴承环，其被引导为轴向地邻接抵靠该管状环24的轴肩45。为了进一步提高环24和27相互之间的环向锁止，内环27可径向过盈地被安装在管状环24的圆柱表面44上。在这种情况下(图6)，管状环24的端部29a至少部分地轴向突起越过内环27的朝向轴向内侧方向的径向表面或端面27a。
管状端部29a(图7)接着通过在径向外侧方向上的冷轨道滚轧成型而变形。这样，获得了塑性成型的轧制边缘29，其抵靠该管状环24的轴肩45而轴向地锁止内环27并且轴向地预加载整个轴承单元20。
本领域技术人员应当认识到，在一系列组装轴向单元的步骤从而集成轮毂30之后，进行轨道滚轧成型的过程；这些在轨道滚轧成型步骤之前的步骤包括：首先将轴向外侧或向外侧的一列滚动元件22布置成围绕管状环24，并且接着安装径向外轴承环21，插入轴向内侧或向内侧的一列滚动元件23，其后可以安装内环27并且最后进行轨道滚轧成型。
可选地，钎焊步骤可与感应硬化步骤同时进行，感应硬化步骤可被实施以用于硬化管状环24的滚道25的区域。因此，在图4中以I示意性地示出的相同的电感线圈有利地既被用于硬化滚道25又被用于促使钎焊材料熔化。
根据本过程在图8中示出的另一实施例，可在对整个轴承单元20预组装了管状环24、外环21、两列滚动元件22、23以及由管状环24的轧制边缘29锁止的内环27之后，进行将轮毂接合至管状环24的钎焊步骤。根据本实施例，整个预组装的轴承单元20被安装在轮毂的圆柱部31上。接下来的过程与上述步骤完全相似，在圆柱表面39和42之间限定的空隙46中施加钎焊材料，促使钎焊材料熔化并使填充了该空隙的熔化了的材料凝固。
根据本过程的另一实施例，接合材料是结构胶粘剂，其被导入轮毂的管状部31的外圆柱表面39与管状环24的圆柱形空腔42之间的空隙46中。在该过程的这些变型中，结构胶粘剂所需要的、空隙的径向厚度可大于钎焊所必须的，例如大约200微米或更大量级。与上述实施例相似，构成该单元的各部件的材料可与上述相同：组装顺序的不同之处在于，既可将胶粘剂导入空隙46从而将轮毂与整个已经预组装的轴向单元(图8)连接，也可仅与管状环24连接(图4)，接着将其他轴承单元部件按顺序安装到管状环24上。同样在这些变型中，优选地，圆柱形空隙46在其轴向外端是封闭的或密封的，这是由于例如圆柱形空腔42与轮毂的外圆柱表面39之间的直接接触或者通过附加密封元件的方式实现。
尤其适用于本过程的结构胶粘剂是可被聚合的树脂。优选使用可以抵抗高达200℃的操作温度的胶粘剂，例如基于改性丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和环氧树脂的胶粘剂，其可承受巨大的机械应力，优选为15到30MPa之间的剪切应力。
适用于本过程的用于接合钢和铝合金的结构胶粘剂为例如：
-400NA环氧(Epoxy)
-3M DP920
-陶氏结构胶粘剂(BETAMATE)
-汉高乐泰(Henkel Loctite)
施加胶粘剂的时间和方式，以及用于硬化或聚合胶粘剂所需的压力和温度的水平和梯度，取决于所选择的胶粘剂的类型。这些装置在本领域是已知的，在此无需进行详细的描述。
一旦硬化或聚合后，填充圆柱形空隙的胶粘剂将轮毂30和管状环24粘结在一起。
应当理解的是，本发明不限于本文示出并描述的实施例，其将被视为是该组件及其组装过程的示例；本领域技术人员应当了解的是，在不背离本发明由所附权利要求及其等同形式限定的范围的情况下，在示例性实施例中描述的元件的形状、尺寸、结构和功能性细节以及配置方面，可以作出许多修改。

Claims (16)

1.一种轮毂轴承组件，其特征在于，包括：轮毂(30)，其由第一金属材料以单件形成有：
圆柱部(31)，其在轴向方向上延伸且具有圆柱外表面(39)，以及
法兰(32)，其从圆柱部(31)的轴向外端(33)、在径向向外方向上延伸；
轴承单元(20)，包括：
外环(21)，其提供用于与轴向外侧的第一列滚动元件(22)和轴向内侧的第二列滚动元件(23)相配合的两条外滚道，
第一管状内环(24)，其由第二金属材料制成并且提供用于第一列滚动元件(22)的第一滚道(25)和内侧的、轴向延伸的圆柱形空腔(42)，以及
第二内环(27)，其提供用于第二列滚动元件(23)的第二滚道(26)，所述第二内环(27)被固定在所述第一管状内环(24)上；
圆柱形空隙(46)，其形成在轮毂的外圆柱表面(39)和第一管状内环(24)的轴向圆柱形空腔(42)之间；以及
接合材料，其容纳在空隙(46)内并且一体地结合至轮毂的外圆柱表面(39)以及第一管状内环(24)的轴向圆柱形空腔(42)。
2.如权利要求1所述的轮毂轴承组件，其特征在于，所述第一管状内环(24)进一步提供：
径向表面(43)，其在轴向外端处，并且轴向地邻接抵靠所述轮毂的法兰(32)；
轴向延伸部(28)，其在轴向内侧方向上延伸并且提供外圆柱表面(44)；
径向轴肩(45)，其面朝轴向内侧方向并且接合至所述外圆柱表面(44)；
管状端边缘(29)，其抵靠第二内环(27)的轴向内端的径向表面(27a)、在径向外侧方向上塑性变形，从而相对于所述径向轴肩(45)轴向地锁止第二内环(27)，并且轴向地预加载整个轴承单元(20)。
3.如权利要求1或2所述的轮毂轴承组件，其特征在于，所述圆柱形空隙(46)在其轴向外端处是封闭的或密封的。
4.如权利要求3所述的轮毂轴承组件，其特征在于，所述圆柱形空腔(42)提供：
轴向靠近法兰(32)的部分(42a)，其径向过盈地与轮毂的外圆柱表面(39)的第一长度段(39a)连接，从而封闭或密封圆柱形空隙(46)的轴向外端；以及
轴向远离法兰(32)的部分(42b)，其内直径大于轮毂的外圆柱表面(39)的第二长度段(39b)的外直径，其中第二长度段(39b)相对第一长度段(39a)轴向靠内，所述第二长度段径向地面朝具有较大直径的所述部分(42b)并与之间隔，并且与圆柱形空腔(42)的该较大直径的部分(42b)限定出所述圆柱形空隙(46)。
5.如前述权利要求中任一项所述的轮毂轴承组件，其特征在于，所述接合材料是结构胶粘剂。
6.如权利要求1至4中任一项所述的轮毂轴承组件，其特征在于，所述接合材料是钎焊材料。
7.如前述权利要求中任一项所述的轮毂轴承组件，其特征在于，所述第一金属材料是铝合金，并且所述第二金属材料是轴承级钢。
8.一种轮毂轴承组件组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
a1)提供轮毂(30)，所述轮毂(30)由第一金属材料(30)以单件形成有：
圆柱部(31)，其在轴向方向上延伸且具有圆柱外表面(39)，以及
法兰(32)，其从圆柱部(31)的轴向外端(33)在径向向外方向上延伸；
a2)提供第一管状内轴承环(24)，其由第二金属材料制成并且提供用于第一列滚动元件(22)的第一滚道(25)和内侧的、轴向延伸的圆柱形空腔(42)；
b)将管状环(24)围绕轮毂的圆柱部(31)布置，从而在轮毂的外圆柱表面(39)和管状环(24)的轴向圆柱形空腔(42)之间限定出圆柱形空隙(46)；
c)借助于容纳在空隙(46)内的接合材料一体地接合所述轮毂和所述管状环(24)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，空隙(46)具有轴向内侧的开口端，并且在通过所述开口端将所述接合材料导入所述空隙的步骤之后执行步骤c)。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，步骤c)包括通过将圆柱部(31)的轴向内端设置为面朝上方来定位轮毂(30)的步骤。
11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述接合材料是钎焊材料，并且步骤c)包括以下步骤：熔化钎焊材料，允许熔化后的钎焊材料至少部分地填充空隙(46)，并且接着凝固钎焊材料，以便固态的钎焊材料一体地结合至轮毂的外圆柱表面(39)和第一管状内环(24)的轴向圆柱形空腔(42)。
12.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述接合材料是聚合物树脂基的结构胶粘剂，并且步骤c)包括以下步骤：加热胶粘剂以便允许其至少部分地填充空隙(46)，并且接着施加热和压力促使胶粘剂固化，以便固化后的胶粘剂一体地结合至轮毂的外圆柱表面(39)和第一管状内环(24)的轴向圆柱形空腔(42)。
13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)包括以下步骤：通过轮毂的外圆柱表面(39)的轴向外侧的长度段(39a)与圆柱形空腔(42)的轴向外侧的部分(42a)之间的径向过盈连接来密封空隙(46)的轴向内端。
14.如权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，在将第一管状内环(24)预组装到轴承单元(20)中的步骤之后执行步骤b)，并且所述轴承单元包括：
外环(21)，其提供用于与轴向外侧的第一列滚动元件(22)和轴向内侧的第二列滚动元件(23)相配合的两条外滚道，
第一管状内环(24)；
第二内环(27)，其提供用于第二列滚动元件(23)的第二滚道(26)，所述第二内环(27)围绕轴向延伸部(28)被安装，所述轴向延伸部(28)在第一管状内环(24)的轴向内侧方向上延伸；
两列滚动元件(22，23)；以及
管状端边缘(29)，其由管状延伸部(28)形成并且抵靠所述第二内环(27)的轴向内端的径向表面(27a)、在径向外侧方向上塑性变形。
15.如权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)之后执行将第一管状内环(24)组装到轴承单元(20)中的步骤，并且所述轴承单元(20)包括：
外环(21)，其提供用于与轴向外侧的第一列滚动元件(22)和轴向内侧的第二列滚动元件(23)相配合的两条外滚道；
第一管状内环(24)；
第二内环(27)，其提供用于第二列滚动元件(23)的第二滚道(26)，所述第二内环(27)围绕轴向延伸部(28)被安装，所述轴向延伸部(28)在所述第一管状内环(24)的轴向内侧方向上延伸；
两列滚动元件(22，23)；以及
管状端边缘(29)，其由管状延伸部(28)形成并且抵靠所述第二内环(27)的轴向内端的径向表面(27a)、在径向外侧方向上塑性变形。
16.如权利要求11和15所述的方法，其特征在于，步骤c)中，熔化钎焊材料的步骤与感应硬化的步骤同时发生，并且这两个同时的步骤借助于围绕第一管状内环(24)的滚道(25)布置的电感线圈(I)而实施，从而硬化滚道(25)并促使容纳在空隙(46)中的钎焊材料熔化。
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