CN109690101A - 带密封轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供密封扭矩小、轴承温度难以上升的带密封轴承。密封部件(7)具有在周向上隔开间隔地设置有与内圈(2)以流体润滑状态滑动接触的多个突起(15)的橡胶制的密封唇(10)，各突起(15)的沿周向的剖面形成为具有0.4mm以上且小于9.0mm的半径R的圆弧状的形状。

Description

带密封轴承
技术领域
本发明涉及在内圈与外圈之间设置有密封部件的带密封轴承。
背景技术
一般在汽车的变速器、差速齿轮、等速万向节、传动轴、涡轮增压器、轮毂等的旋转部，或者机床、风力发电机的旋转部使用滚动轴承。滚动轴承具有内圈、在内圈的径向外侧同轴设置的外圈、以及设置在内圈与外圈之间的环状空间内的多个滚动体。
汽车的变速器、差速齿轮的滚动轴承在有润滑油的环境下使用。在该润滑油经常混有齿轮的磨损粉末等异物。若该齿轮的磨损粉末等侵入轴承内部，则成为轴承提早破损的原因。
因此，为了防止齿轮的磨损粉末等异物侵入轴承内部，一般使用带密封轴承，来作为汽车的变速器、差速齿轮等的滚动轴承(下述专利文献1)。带密封轴承具有对形成在内圈与外圈之间的环状空间的端部开口进行封堵的环状的密封部件，在密封部件一般设置有与内圈的外周在全周范围滑动接触的橡胶制的密封唇。
专利文献1：日本特开2002-327761号公报
然而，带密封轴承中密封部件的密封唇与内圈滑动接触，因此内圈与外圈相对旋转时，产生由密封唇的滑动接触导致的旋转阻力(以下称为“密封扭矩”)。为了提高变速器、差速齿轮等的传递效率，优选该密封扭矩小。特别是近年来，要求汽车的进一步的低油耗化，随之，进一步减小在变速器、差速齿轮等中使用的带密封轴承的密封扭矩变得愈加重要。
另外，带密封轴承中由于密封部件的密封唇与内圈滑动接触，因此由于密封唇与内圈之间的摩擦热，而容易使轴承的温度上升。
发明内容
本发明所要解决的课题在于，提供密封扭矩小、轴承温度难以上升的带密封轴承。
为了解决上述课题，在本发明中提供以下结构的带密封轴承。其具有：
内圈；
外圈，其以同轴方式设置在上述内圈的径向外侧；
多个滚动体，它们在周向上隔开间隔地组装于形成在上述内圈与上述外圈之间的环状空间；以及
环状的密封部件，其封堵上述环状空间的端部开口，
其特征在于，
上述密封部件具有橡胶制的密封唇，在该密封唇沿周向隔开间隔地设置有多个突起，这些多个突起与上述内圈的滚道圈和上述外圈的滚道圈这两者中的一方的滚道圈以流体润滑状态滑动接触，
各上述突起的沿周向的剖面形成为具有0.4mm以上且小于9.0mm的半径R的圆弧状的形状。
这样，密封唇的各突起的沿周向的剖面形成为具有0.4mm以上且小于9.0mm的半径的圆弧状的形状，因此在各突起与滚道圈在周向上相对移动时，沿该各突起的表面，向突起与滚道圈之间的滑动接触部有效地导入润滑油。此时，因楔形膜效应，密封唇的各突起与滚道圈之间的滑动接触部的润滑状态变为流体润滑状态，能够飞跃性地降低密封唇的滑动接触导致的旋转阻力(密封扭矩)。另外，难以产生密封唇与滚道圈之间的摩擦热，因此轴承温度难以上升。
这里，润滑状态被区分为边界润滑状态与流体润滑状态，边界润滑状态是指通过吸附于摩擦面的润滑油的数层分子层(10-5～10-6mm左右)构成的油膜来润滑摩擦面，发生摩擦面的细小的凹凸直接接触的状态，流体润滑状态则是指利用流体力学原理在两面之间形成润滑油的流体膜(例如10-3～10-1mm左右)，不产生摩擦面的直接接触的状态。若发生楔形膜效应而变为流体润滑状态，则滑动阻力几乎变为零，因此能够以现有的密封不可能实现的高圆周速度使用。
优选各上述突起的周向的间隔在0.2mm以上且3.0mm以下。
通过将各突起的周向的间隔设为3.0mm以下，能够在一般的轴承的使用条件下，保证密封唇的各突起与滚道圈之间形成的油膜厚度，从而有效地产生楔形膜效应。通过将各突起的周向的间隔设为0.2mm以上，能够将用于制造密封唇的模具的制作成本抑制得低。
优选各上述突起的高度为0.01mm以上且小于0.10mm。
通过将突起的高度设为0.01mm以上，能够在一般的轴承的使用条件下，有效地生成楔形膜效应。通过设为小于0.10mm，能够有效地防止异物侵入轴承内部。
特别优选将各上述结构的带密封轴承作为将汽车的变速器的旋转轴支承为能够旋转的滚动轴承来使用。
本发明的带密封轴承的密封唇的各突起的沿周向的剖面形成为具有0.4mm以上且小于9.0mm的半径的圆弧状的形状，因此在各突起与滚道圈在周向相对移动时，沿该各突起的表面，向突起与滚道圈之间的滑动接触部有效地导入润滑油。此时，因楔形膜效应，密封唇的各突起与滚道圈之间的滑动接触部的润滑状态变为流体润滑状态，因此能够飞跃性地降低密封唇的滑动接触导致的旋转阻力(密封扭矩)。另外，难以产生密封唇与滚道圈之间的摩擦热，因此轴承温度难以上升。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的带密封轴承的剖视图。
图2是表示图1的密封唇附近的放大剖视图。
图3是沿图2的III-III线的剖视图。
图4是示意性地表示将图1所示的带密封轴承作为将汽车的变速器的旋转轴支承为能够旋转的滚动轴承使用的状态的剖视图。
图5是表示针对比较例1(使用一般的接触密封的轴承)、比较例2(使用一般的非接触密封的轴承)、实施例1～3(本发明的实施方式的带密封轴承)分别进行测定旋转扭矩的试验时的试验结果的图。
图6是表示针对本发明的实施方式的带密封轴承的突起的剖面圆弧半径R与密封扭矩的对应关系的图。
图7是表示针对本发明的实施方式的带密封轴承的突起的周向间隔P与密封扭矩的对应关系的图。
图8是表示针对本发明的实施方式的带密封轴承的突起的高度H与侵入轴承内部的异物的粒径的对应关系的图。
具体实施方式
图1表示本发明的实施方式的带密封轴承1。该带密封轴承1具有内圈2、在内圈2的径向外侧同轴设置的外圈3、在周向上隔开间隔地组装于形成在内圈2与外圈3之间的环状空间4内的多个滚珠5、保持该多个滚珠5的周向的间隔的保持器6、以及封堵环状空间4的两侧的端部开口的一对密封部件7。
密封部件7是在环状的芯部件8的表面硫化粘接橡胶材料9(例如丁腈橡胶)而形成的环状的部件。在密封部件7的内径侧端部设置有橡胶制的密封唇10。密封唇10是从芯部件8的径向内端向径向内侧延伸的橡胶材料9的一部分。
在外圈3的内周设置有供滚珠5滚动的滚道槽11、以及密封固定槽12。滚道槽11形成为在外圈3的内周沿周向延伸。滚珠5与滚道槽11的内表面滚动接触。密封固定槽12设置于在轴向上夹着滚道槽11的两侧。密封固定槽12形成为在外圈3的内周的轴向端部沿周向延伸。在密封固定槽12通过嵌入固定有密封部件7的外径侧端部。
在内圈2的外周设置有供滚珠5滚动的滚道槽13、以及供密封部件7的密封唇10滑动接触的密封滑动接触面14。滚道槽13形成为在内圈2的外周沿周向延伸。滚珠5与滚道槽13的内表面滚动接触。密封滑动接触面14设置于在轴向上夹着滚道槽13的两侧。密封滑动接触面14形成为在内圈2的外周的轴向端部沿周向延伸。图中作为密封滑动接触面14例示了圆筒状的面，但是也能够采用圆锥状的面(例如，在内圈2的外周形成了与密封唇10滑动接触的密封滑动接触槽时的密封滑动接触槽的侧面)。
如图2、图3所示，在密封唇10的内径侧端部，在周向上隔开间隔地设置有与内圈2的密封滑动接触面14滑动接触的多个突起15。突起15形成为在密封唇10的与密封滑动接触面14对置的面(图中为面向内径侧的面)沿相对于周向垂直的方向长长地延伸。
如图3所示，各突起15的沿周向的剖面形成为圆弧状的形状。在该剖面形状中，突起15的圆弧半径R为0.4mm以上且小于9.0mm(优选为0.4mm以上且6.0mm以下，更优选为0.4mm以上且3.0mm以下)。突起15的高度H比突起15的表面的圆弧的半径R小，为0.01mm以上且小于0.10mm(优选为0.01mm以上且0.08mm以下，更优选为0.01mm以上且0.05mm以下)。各突起15的周向的间隔P为0.2mm以上且3.0mm以下(优选为0.2mm以上且1.5mm以下)。这里，各突起15的沿周向的剖面为，在与密封滑动接触面14垂直且沿周向延伸的面上的突起15的剖面。
如图4所示，上述的带密封轴承1能够作为可旋转地支承汽车的变速器的旋转轴(这里为输入轴20和输出轴21)的滚动轴承使用。图4表示的变速器具有被输入发动机的旋转的输入轴20、与输入轴20平行设置的输出轴21、从输入轴20向输出轴21传递旋转的多个齿轮列221～224、以及安装于各齿轮列221～224与输入轴20或输出轴21之间的未图示的离合器，通过选择性地卡合该离合器来切换所使用的齿轮列221～224，由此改变从输入轴20向输出轴21传递的旋转的变速比。输出轴21的旋转向输出齿轮23输出，该输出齿轮23的旋转向差速齿轮等传递。输入轴20与输出轴21分别通过带密封轴承1被支承为能够旋转。另外，该变速器形成为通过伴随齿轮23的旋转而产生的变速器油的飞溅、或通过变速器油从设置于壳体24内部的喷嘴的喷射，而向各带密封轴承1的侧面供给变速器油。
该实施方式的带密封轴承1为，从外部供给的润滑油(变速器油)进入形成于在周向上相邻的突起15彼此之间的间隙16(参照图3)，而对密封唇10与内圈2之间进行润滑。这里，如图3所示，密封唇10的各突起15的沿周向的剖面形成为具有0.4mm以上且小于9.0mm的半径R的圆弧状的形状，因此在内圈2的外周的密封滑动接触面14相对于各突起15在周向移动时，沿该各突起15的表面，向突起15与内圈2之间的滑动接触部有效地导入润滑油。此时，因楔形膜效应，密封唇10的各突起15与内圈2之间的滑动接触部的润滑状态变为流体润滑状态，密封唇10的滑动接触所导致的旋转阻力(密封扭矩)飞跃性地减少。
另外，该带密封轴承1由于密封扭矩小，因此难以产生密封唇10与内圈2之间的摩擦热。而且，从外部供给的润滑油(变速器油)穿过形成于在周向上相邻的突起15彼此之间的间隙16(参照图3)，并通过密封唇10与内圈2之间，由此释放密封唇10与内圈2之间的摩擦热。因此，能够极为有效地抑制轴承的温度上升。
另外，该带密封轴承1由于各突起15的周向的间隔P设为3.0mm以下(优选1.5mm以下)，因此在一般的轴承的使用条件下，能够保证密封唇10的各突起15与内圈2之间形成的油膜的厚度，能够有效地产生楔形膜效应。另外，由于各突起15的周向的间隔P设为0.2mm以上，因此能够将用于制造密封唇10的模具的制作成本抑制得低。
另外，该带密封轴承1由于突起15的高度H设为0.01mm以上，因此在一般的轴承的使用条件下，能够有效地产生楔形膜效应。另外通过将突起15的高度H设为0.01mm以上，从而在通过模具制造密封唇10时，能够可靠地形成突起15。另外，由于突起15的高度H设为小于0.10mm(优选0.08mm以下，更优选0.05mm以下)，因此能够有效地防止异物侵入轴承内部。
为了确认采用了本发明的实施方式的带密封轴承1时，与现有的接触密封相比，能够大幅地减小密封扭矩，而准备比较例1、比较例2、实施例1、实施例2、实施例3的轴承样品，并进行了测定该各轴承的旋转扭矩的试验。
各样品的规格如下所示。
＜比较例1＞
使用了一般的接触密封(具有在全周范围无间隙地与内圈接触的密封唇的密封部件)的带密封轴承。
＜比较例2＞
使用了一般的非接触密封(在全周范围不与内圈接触的密封部件)的带密封轴承。
＜实施例1＞
为上述实施方式的带密封轴承1，突起15的剖面圆弧半径R为1.5mm，突起15的周向的间隔P为0.4mm，突起15的高度H为0.04mm。
＜实施例2＞
为上述实施方式的带密封轴承1，突起15的剖面圆弧半径R为1.0mm，突起15的周向的间隔P为1.1mm，突起15的高度H为0.04mm。
＜实施例3＞
为上述实施方式的带密封轴承1，突起15的剖面圆弧半径R为1.0mm，突起15的周向的间隔P为0.5mm，突起15的高度H为0.04mm。
试验条件如下。
·密封部的周速度：2.51m/s(1500rpm)
·温度：常温～120℃
图5表示试验结果。实施例1、实施例2、实施例3的旋转扭矩均抑制得比比较例1显著低，为与比较例2同等的程度。根据该试验结果，可知上述实施方式的带密封轴承1在使用密封性能比非接触密封更优异的接触密封的同时，实现了与非接触密封同等程度的极为优异的密封扭矩，与一般的带密封轴承相比，能够飞跃性地减少密封扭矩。
另外，为了确认在采用了本发明的实施方式的带密封轴承1时，能够有效地使密封唇10与内圈2之间的滑动接触部的润滑状态变为流体润滑状态，而准备突起15的剖面圆弧半径R不同的多个带密封轴承的样品，并进行了测量该各样品的密封扭矩的试验。
试验条件如下。
·突起15的高度H：0.05mm
·密封部的周速度：2.51m/s(1500rpm)
·润滑油：CVTF 120℃
图6表示试验结果。根据该试验结果，突起15的剖面圆弧半径R在0.4mm以上且小于9.0mm(优选为0.4mm以上且6.0mm以下，更优选为0.4mm以上且3.0mm以下)时极其有效地减小密封扭矩。这里，可知在突起15的剖面圆弧半径R为0.4mm以上且小于9.0mm时密封唇10与内圈2之间的滑动接触部的润滑状态均变为流体润滑状态。
而且，为了确认在将突起15的周向的间隔P设定为0.2mm以上且3.0mm以下(优选为0.2mm以上且1.5mm以下)时，能够特别有效地减小密封扭矩，而准备突起15的周向的设置间隔P不同的多个带密封轴承1的样品，进行了测量该各样品的密封扭矩的试验。
试验条件如下。
·突起15的高度H：0.05mm
·密封部的周速度：2.51m/s(1500rpm)
·润滑油：CVTF 120℃
图7表示试验结果。根据该试验结果，能够确认在突起15的周向的间隔P设定为0.2mm以上且3.0mm以下(优选为0.2mm以上且1.5mm以下)时，因楔形膜效应而引起油膜厚度变厚，从而特别有效地减小密封扭矩。
另外，为了确认通过将突起15的高度H设为0.01mm以上且小于0.10mm(优选为0.01mm以上且0.08mm以下，更优选为0.01mm以上且0.05mm以下)，能够保证轴承的密封性能，而准备突起15的高度H不同的多个带密封轴承1的样品，进行了测定侵入该各样品的轴承内部的异物的粒径分布的试验。
图8表示试验结果。根据该试验结果，可知在将突起15的高度H设为0.01mm以上且小于0.10mm(优选为0.01mm以上且0.08mm以下，更优选为0.01mm以上且0.05mm以下)时，能够将侵入轴承内部的异物的粒径抑制在50μm以下。
另一方面，本申请的发明人在滚动轴承内部的润滑油含有异物的情况下，对该异物的粒径与轴承寿命的关系进行了调查，结果确认了存在轴承寿命随着轴承内部的润滑油所含的异物的粒径变大而减小的趋势，但是若轴承内部的润滑油所含的异物的粒径为50μm以下，则滚动轴承的寿命比(实际寿命相对于计算寿命之比)表现为能够充分承受在汽车的变速器上实际应用的值(例如7～10倍左右)。
因此，能够确认在将突起15的高度H设为0.01mm以上且小于0.10mm(优选为0.01mm以上且0.08mm以下，更优选为0.01mm以上且0.05mm以下)时，特别是在实际应用于汽车的变速器时，能够确保轴承的密封性能。
在上述实施方式中，举出内圈旋转型的轴承(密封部件7固定于外圈3，形成于密封部件7的内径侧端部的密封唇10与内圈2滑动接触的轴承)为例进行了说明，但是本发明也能够应用于外圈旋转型的轴承(密封部件7固定于内圈2，形成于密封部件7的外径侧端部的密封唇10与外圈3滑动接触的轴承)。
另外，在上述实施方式中，以作为可旋转地支承汽车的变速器的旋转轴的滚动轴承使用的带密封轴承1为例进行了说明，但是本发明也能够应用于在汽车的差速齿轮、等速万向节、传动轴、涡轮增压器、轮毂等的旋转部，或者机床、风力发电机的旋转部使用的带密封轴承。
另外，在上述实施方式中，以作为滚动体使用滚珠5的形式的轴承为例进行了说明，但是本发明也能够应用于作为滚动体使用圆柱滚子或圆锥滚子的形式的轴承。
另外，在上述实施方式中，以在环状空间4的两侧设置有密封部件7的带密封轴承1为例进行了说明，但是密封部件7也可以只在环状空间4的一侧设置。
应该认为本次公开的实施方式在所有方面都是例示而不是限制性的。本发明的范围不是上述的说明而是由权利范围示出，并且旨在包括与权利范围等同的含义以及范围内的所有修改。
附图标记说明
1…带密封轴承；2…内圈；3…外圈；4…环状空间；5…滚珠；7…密封部件；10…密封唇；15…突起；20…输入轴；21…输出轴；R…半径；H…高度；P…间隔。

Claims (4)

1.一种带密封轴承，
具备：
内圈(2)；
外圈(3)，其以同轴方式设置于所述内圈(2)的径向外侧；
多个滚动体(5)，它们在周向上隔开间隔地组装于形成在所述内圈(2)与所述外圈(3)之间的环状空间(4)；以及
环状的密封部件(7)，其封堵所述环状空间(4)的端部开口，
其特征在于，
所述密封部件(7)具有橡胶制的密封唇(10)，在该密封唇(10)沿周向隔开间隔地设置有多个突起(15)，这些多个突起(15)与所述内圈(2)的滚道圈和所述外圈(3)的滚道圈这两者中的一方的滚道圈(2)以流体润滑状态滑动接触，
各所述突起(15)的沿周向的剖面形成为具有0.4mm以上且小于9.0mm的半径(R)的圆弧状的形状。
2.根据权利要求1所述的带密封轴承，其中，
各所述突起(15)的周向的间隔(P)为0.2mm以上且3.0mm以下。
3.根据权利要求1或2所述的带密封轴承，其中，
各所述突起(15)的高度(H)为0.01mm以上且小于0.10mm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的带密封轴承，其中，
所述带密封轴承作为将汽车的变速器的旋转轴(20、21)支承为能够旋转的滚动轴承来使用。
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