CN107636329A - 用于滚动元件轴承的保持装置 - Google Patents

Abstract

一种滚动元件轴承保持装置提供了滚动元件轴承在壳体内的轴向和旋转保持。保持圈部分地容纳在位于滚动元件轴承的外圈上的周向槽内以及壳体的孔内的周向槽内，以提供轴向保持。分别位于保持圈的各个端部上的向内指向的突起和向外指向的突起与相应周向槽内的腔接合，以提供旋转保持。

Description

用于滚动元件轴承的保持装置

技术领域

本发明涉及一种滚动元件轴承组件，更具体地，涉及滚动元件轴承组件在壳体的孔内的保持装置。

背景技术

由于燃料经济性在运输行业中变得至关重要，所以已经增加了工作以实现更高的车辆和内燃(IC)发动机效率。已知滚动元件轴承可以布置在IC发动机内，以减少旋转轴组件(例如曲轴、凸轮轴和平衡轴)的摩擦。滚动元件轴承在这些轴系内的实施需要精细的设计工作来确保功能和性能目标满足IC发动机的使用寿命。设计考虑因素包括材料硬度和冶金清洁度、表面光洁度、公差、安装配合、运行间隙以及轴承的关键区域的润滑可行性。IC发动机的恶劣环境(包括振动载荷和实质性的温度波动)对满足寿命要求的滚动元件轴承的设计带来挑战。

轻量化是提高当今车辆的燃料经济性的另一种手段。材料领域已经取得了显著的进步来提供钢替代品(例如，塑料和铝)，这不仅显著地减轻了重量，还潜在地提高了性能和成本。铝气缸盖和发动机缸体在IC发动机行业变得越来越普遍。另外，用于优化和管理部件形状的应力分析已经强化，从而导致了较薄的横截面和减小的整体封装尺寸。钢替代品的固有特性的管理在诸如IC发动机中发现的那些关键应用中特别重要。

滚动元件轴承通常为圆形，并且通常包括设置在内滚道与外滚道之间的滚动元件，内滚道和外滚道分别集成在内圈和外圈内。滚动元件可以采用许多形式，包括球形滚珠、圆柱滚子、滚针滚子或各种其它构造(例如，锥形圆锥滚子或筒形球面滚子)。保持架通常用于容纳滚动元件并且在轴承的旋转移动中对其进行引导，但在某些构件中不是必需的。滚动元件轴承的材料保持相对一致，但塑料保持架除外，因为钢仍然是内圈和外圈的首选材料。

将具有钢外圈的滚动元件轴承应用于IC发动机的铝气缸盖或发动机缸体内的轴系面临许多设计挑战。这些设计挑战中的一者是提供滚动元件轴承在这些轴系通常所需的铝壳体的孔内的轴向和旋转保持或牵制。鉴于以下事实，保持设计必须管理铝壳体孔相对于滚动元件轴承的钢外圈的外径的极限尺寸变化：铝的热膨胀系数(COTE)大约是钢的两倍并且通常规定的温度运行范围为-40至150摄氏度。

考虑到图1中的现有技术，示出了滚动元件轴承组件100具有由外圈180的周向槽170部分地容纳的保持圈120。用于分离和引导滚动元件(未示出)的内圈160和保持架140完成了滚动元件轴承组件100。保持圈120被设计为部分地位于周向槽170内并且部分地位于壳体(未示出)的孔内的周向槽内。设计重点在于以下事实：保持圈120在使用期间可以在外圈180的周向槽170内旋转。对于现有技术的滚动元件轴承组件100，在壳体的孔与外圈的外径之间不接触的情况下，保持圈120将提供轴向牵制，但是不会提供旋转牵制。现有技术提供的旋转牵制的缺乏不满足许多IC发动机轴系的要求，因此，很多时候，这些系统取消了保持圈120的使用，并且在外圈180与壳体孔之间加入了高度的过盈配合。然而，为了在150℃的最高发动机温度下将钢外圈保持在铝壳体中，需要在室温(正常安装温度)下进行过度的过盈配合，以补偿以下事实：随着温度的升高，铝孔的直径比钢外圈的直径增加得更多。由于其过度性，这种过盈配合可以引起超出材料极限的应力，可能导致立即或最终失效，因为铝孔比钢外圈收缩得更多，所以过盈配合在低温下变得更加明显。此外，如果绕外圈周向的壳体的壁厚不均匀，则壳体与外圈之间产生的接触压力也将不均匀。在高压配合的情况下，高的接触压力点可以使轴承的外圈弹性变形为非圆形，这在低温下变得更加明显，再次因为铝壳体比钢外圈收缩得更多。外圈的任何扭曲或变形都可能导致轴承的过早失效。

铝壳体与滚动元件轴承的钢外圈之间所需的过度过盈配合的另一个结果在于对内部轴承空隙的影响，这通常被称为径向运行间隙。在过盈配合状态下作用在外圈上的接触压力使内径向表面和外径向表面的直径变小，从而导致轴承的径向运行间隙变小。在铝壳体的情况下，壳体孔在低温下相对于钢外圈的较大收缩甚至进一步减小了径向运行间隙。为了避免减小的径向运行间隙情形在低至-40℃的温度下过于严重，通常会增加对径向运行间隙的设计，以消除铝壳体或具有比钢更高的COTE的任何壳体的上述影响。然而，对“冷径向运行间隙”的这种调节对“热径向运行间隙”产生了不利的影响。在炎热的条件下，铝壳体孔比外圈的外径膨胀得多，这导致接触压力发生了显著损失，从而有利于外圈尺寸的增长，并使径向运行间隙显著增加。因热膨胀所增加的径向运行间隙是前述的调节空隙，其产生了可以足够大以引起噪音和/或轴的过度轴向移动(这两者在IC发动机应用中应当避免)的最终径向运行间隙。

鉴于以上讨论，需要一种提供滚动元件轴承在壳体的孔内的轴向和旋转保持同时使径向运行间隙的任何不利影响最小化的解决方案。

发明内容

提供了一种滚动元件轴承保持装置，其包括滚动元件轴承、壳体和保持圈，该滚动元件轴承保持装置实现了轴承在壳体内的轴向和旋转保持。这种装置对于由比钢具有更高的COTE的材料(例如铝)制成的、经受具有较大温度变化的操作环境的壳体特别有效。在不需要外圈与壳体的孔之间的过度的过盈配合的情况下提供轴向和旋转保持，以便在升高的温度下提供保持。滚动元件轴承包括滚动元件和具有集成外滚道的外圈。滚动元件可以是许多类型中的任何一种，包括滚针、圆柱滚子和滚珠。保持架和具有集成内滚道的内圈是可选部件。外圈的外径包括用于容纳保持圈的径向向内部分的周向槽。该槽可以是适于容纳保持圈的任何形状，并且在规定的角度位置处包括第一腔，以容纳位于保持圈的第一端处的向内指向的突起。壳体可以是一件式设计或通过至少一个紧固件保持在一起的分体两件式设计，并且包括具有内径向表面的孔以容纳外圈。内径向表面包括用于容纳保持圈的径向向外部分的周向槽。该槽可以是适于容纳保持圈的任何形状，并且在规定的角度位置处包括第二腔，以容纳保持圈的第二端处的向外指向的突起。保持圈可以是任何合适的横截面，以部分地位于第一周向槽和第二周向槽内。将滚动元件轴承和保持圈组件恰当地安装在壳体的孔内需要将保持圈的第二端的向外指向的突起设置在壳体的孔的第二周向槽的第二腔内。

尽管先前描述的滚动元件轴承安装保持装置对比滚动元件轴承的钢外圈具有更高的COTE的壳体材料特别有用，但是这种装置可以应用于任何材料的壳体。

附图说明

当结合附图进行阅读时，上面的发明内容以及下面的具体实施方式将得以最佳的理解。在附图中：

图1是现有技术的滚动元件轴承和保持圈组件的立体图。

图2是现有技术的保持圈的立体图。

图3是包括保持圈的滚动元件轴承组件的示例性实施例的立体图。

图4是图3的滚动元件轴承组件的截面图。

图5是图3的滚动元件轴承组件未设置保持圈的立体图。

图6是保持圈的示例性实施例的立体图。

图7是两件式壳体的立体图。

图8是图7的两件式壳体的顶部的立体图。

图9是将图3的滚动元件轴承组件安装在图7的两件式壳体内的示例性实施例的立体图。

图10是从图9截取的垂直部分的截面图。

图11是从图9截取的水平部分的截面图。

图12是从图9截取的水平部分的截面图。

具体实施方式

下面的描述中使用了某些术语，仅为方便并非限制。用语“内”、“外”、“向内”和“向外”是指朝向和远离附图中所标记的部件的方向。对被描述为“a、b或c中的至少一者”(其中，a、b和c表示所列出的项目)的项目列表的引用意指项目a、b，c中的任何一者或其组合。术语包括上面具体说明的用语、其衍生词和类似含义的用语。

参考图3和图4，示出了绕中心轴线15旋转的滚动元件轴承组件10的示例性实施例，该滚动元件轴承组件10具有保持圈12、外圈18、滚珠保持架14、滚珠20和内圈16。外圈18包括具有外滚动元件滚道24的第一内径向表面25和具有第一周向槽17的外径向表面27。内圈16包括具有内滚动元件滚道22的外径向表面23。内圈16和滚珠保持架14是可选的，因为不具有这些部件的许多滚动元件轴承在运行期间需要轴向和旋转保持力。从如图4所示的截面图可以看出，保持圈12的径向向内部分26由第一周向槽17容纳，并且径向向外部分21伸到外圈18的外径向表面27之外。

参考图5至图8，示出了用于保持圈12的安装接口的进一步细节。图5示出了图3的滚动元件轴承组件10未设置保持圈12以露出构造为位于外圈18的第一周向槽17内的第一腔或孔眼19。参考如图6所示的保持圈的参数图，第一端具有径向向内指向的突起11，而第二端具有径向向外指向的突起13。现在参考图7和图8，示出了分体式或两件式壳体组件48，其包括用于容纳滚动元件轴承组件10的孔57。两件式壳体组件48具有通过两个紧固件60A、60B保持在一起的上部50和下部54。具有第二腔52的第二周向槽56存在于孔57的第二内径向表面51上。第二腔52在安装图3的滚动元件轴承组件10后容纳保持圈12的第二端上的径向向外指向的突起13。

现在参考图9至图12，现在提供保持圈12及其相应接口在两件式壳体组件48的孔57内如何为滚动元件轴承组件10提供轴向和旋转保持的说明。图9示出了安装在两件式壳体48内的滚动元件轴承组件10。图10示出了从图9截取的竖直部分的截面图，其显示了保持圈12处于其功能位置和相应接口中。保持圈12的第一端上的径向向内指向的突起11与外圈18的第一周向槽17的第一腔19接合，以建立第一旋转附接点。保持圈12的第二端上的径向向外指向的突起13与壳体48的第二周向槽56的第二腔52接合，以建立第二旋转附接点。外圈18相对于壳体48的顺时针旋转将导致保持圈12因解绕效应(unwinding effect)而受到压力加载，该解绕效应将试图增加保持圈12的径向向内指向的突起11与径向向外指向的突起13之间的角距离。顺时针旋转的大小将受限于保持圈12的径向向外部分21与壳体48的第二周向槽56接触时所处的角位置。保持圈12的径向向外部分21与第二周向槽56之间的较小设计空隙将使外圈18相对于壳体48产生较小的顺时针角位移。外圈18相对于壳体48的逆时针旋转将导致保持圈12受到拉力加载，以试图将保持圈12的径向向内指向的突起11和径向向外指向的突起13靠得更近。逆时针旋转的大小将受限于保持圈12的径向向内部分26与外圈18的第一周向槽17接触时所处的角位置。保持圈12的径向向内部分26与第一周向槽17之间的较小设计空隙将使外圈18相对于壳体48产生较小的角位移。可以将具有弹簧状特征的保持圈12设计为使得径向向内部分26与第一周向槽17之间没有空隙，从而将提供最小的逆时针旋转余量。

图11示出了从图9截取的水平部分的截面图，其说明了保持圈12及其相应的第一和第二周向槽接口17、56的轴向保持功能。在滚动元件轴承组件10安装在壳体48内的情况下，保持圈12部分容纳在第一周向槽17内并且部分容纳在第二周向槽56内。这种布置防止在任一轴向方向对滚动元件轴承10施加轴向载荷的情况下滚动元件轴承10在壳体48的孔57内发生轴向移动。

前述滚动元件保持装置可以应用于所有材料的壳体，但是对于比外圈18所使用的通常钢材料具有更高COTE的壳体材料特别有效。图12示出了壳体48的孔57与外圈18之间存在空隙X的情形，而这种情形在现有技术中已经得以避免由此在所有运行条件下确保旋转和轴向牵制。即使在壳体48的孔57与外圈18之间存在空隙X，所公开的示例性实施例也有助于轴向和旋转保持。空隙X可以增加保持圈12的径向向外部分21与壳体48的第二周向槽56之间的附加距离H，如图12所示。因此，参考图10，外圈18相对于壳体48的顺时针旋转将直到保持圈12解绕到径向向外部分21与壳体48的第二周向槽56接触的程度后才发生。只要外圈18与壳体48之间的空隙X的大小不超过施加到外圈18的轴向力引起外圈18的轴向移动的临界距离，外圈18在壳体48的孔57内的轴向保持仍会得以维持。如果存在这种情形，则轴承设计者可以只调节保持圈12的尺寸，使得保持圈12进一步伸到外圈18的外径向表面27外以实现对第二周向槽56的相应尺寸调节，以在所有温度和加载条件下维持轴向保持。此外，保持圈12和第一和第二周向槽17、56的形状可以是有助于外圈18在壳体48的孔57内轴向和旋转保持的任何合适的形状。鉴于如下事实，轴承设计者能够减少外圈18与孔57之间过度的过盈配合，从而产生了许多优点：即使外圈18与壳体48的孔57之间存在间隙X，所公开的示例性实施例也提供了轴向和旋转保持。此外，当壳体48的COTE大于滚动元件轴承18的外圈18时，减少的过盈配合提供了：l)降低了壳体应力(特别是在严酷的低温下孔57比外圈18收缩得多时)；2)降低了对轴承径向运行间隙的影响(特别是在严酷的低温环境下)，使得不必增加对轴承中径向运行间隙的设计，从而避免了减小的径向运行间隙情形过于严重，这提供了更稳健地和潜在地低噪声轴承；以及3)减少了将滚动元件轴承组件10压入到壳体48中的制造工作。

比钢具有更高的COTE的壳体的一个潜在设计方案是在运行温度范围的第一部分处利用过盈配合，并且在运行温度范围的第二部分处利用保持圈12和相关接口。例如，第一保持状态表示，可以在运行温度范围的下部或较冷部分期间利用壳体48的孔57的第二内径向表面51与外圈18的外径向表面27之间的过盈配合，提供轴向和旋转保持；并且第二保持状态表示，可以在在运行温度范围的上部或较热部分期间，通过保持圈12、第一和第二周向槽17、56以及第一腔和第二腔19、52提供轴向和旋转保持。此外，在第一和第二保持状态之间可能存在第三过渡保持状态，其中，旋转和轴向保持的功能从壳体48的孔57与外圈18的外径向表面27之间的过盈配合转移到保持圈12和相关接口。例如，由于围绕外圈18的壳体的不断变化的壁厚，壳体48的孔57的第二内径向表面51可以仅部分地或间断地与外圈18的外部径向表面27周向接触，从而提供部分的旋转和轴向保持；保持圈12和相关接口的存在确保在第三过渡保持状态期间提供完全的旋转和轴向保持。

尽管以上讨论假定使用了如图7和图9所示的两件式壳体48，但所公开的示例性实施例也可以应用于如图13所示的一件式壳体62，其提供了相同的设计优点。

已经详细地描述了本轴承装置的各种实施例，本领域技术人员应当理解并且将显而易见的是，可以在设备中做出许多物理变化(其中，仅少数物理变化在上面的详细描述中进行了例示)而不改变其中所体现的发明概念和原理。因此，本实施例在各方面都被认为是示例性的而非限制性的，本发明的范围由所附的权利要求书而非前面的描述来表示，并且因此，权利要求书的等同物的含义和范围内的所有变化均包括在其中。

Claims (10)

1.一种滚动元件轴承保持装置，包括：

外圈，其包括

第一内径向表面，其具有外滚动元件滚道；

外径向表面，其具有第一周向槽，所述第一周向槽构造为具有第一腔；

壳体，其包括

孔，其具有用于容纳所述外圈的第二内径向表面，所述第二内径向表面具有第二周向槽，所述第二周向槽构造为具有第二腔；和

保持圈，其由所述第一周向槽和所述第二周向槽部分地容纳，所述保持圈

在第一端处包括与所述第一腔接合的径向向内指向的突起；和

在第二端处包括与所述第二腔接合的径向向外指向的突起。

2.根据权利要求1所述的滚动元件轴承保持装置，还包括：

内圈，其具有外径向表面，所述内圈的外径向表面具有内滚动元件滚道；以及

多个滚动元件，其设置在所述内滚动元件滚道与所述外滚道元件滚道之间。

3.根据权利要求1所述的滚动元件轴承保持装置，还包括保持架，其具有构造为容纳且周向地间隔多个滚动元件的凹部。

4.根据权利要求1所述的滚动元件轴承保持装置，其中，所述壳体包括通过至少一个紧固件保持的两个部分。

5.根据权利要求1所述的滚动元件轴承保持装置，其中，在处于第一温度的第一保持状态下，所述外圈的所述外径向表面通过所述壳体的所述孔的所述第二内径向表面轴向地且旋转地保持，在处于比所述第一温度高的第二温度的第二保持状态下，所述外圈的所述外径向表面通过所述保持圈、所述第一周向槽和所述第二周向槽以及所述第一腔和所述第二腔轴向地且旋转地保持。

6.根据权利要求5所述的滚动元件轴承保持装置，其中，在处于介于所述第一温度与所述第二温度之间的第三温度的第三过渡保持状态下，所述外圈的所述外径向表面部分地通过所述壳体的所述孔的所述第二内径向表面轴向地且旋转地保持。

7.根据权利要求5所述的滚动元件轴承保持装置，其中，所述壳体的热膨胀系数大于所述外圈的热膨胀系数。

8.一种滚动元件轴承组件，包括：

外圈，其包括

第一内径向表面，其具有外滚动元件滚道；

外径向表面，其具有第一周向槽，所述第一周向槽构造为具有第一腔；

保持圈，其由所述第一周向槽部分地容纳，所述保持圈

在第一端处包括与所述第一腔接合的径向向内指向的突起；和

在第二端处包括径向向外指向的突起。

9.根据权利要求7所述的滚动元件轴承组件，还包括：

内圈，其具有外径向表面，所述内圈的外径向表面具有内滚动元件滚道；以及

多个滚动元件，其设置在所述内滚动元件滚道与所述外滚道元件滚道之间。

10.根据权利要求7所述的滚动元件轴承组件，还包括保持架，所述保持架具有构造为容纳且周向地间隔多个滚动元件的凹部。