CN110397673A - 主动式车轮轮毂轴承 - Google Patents

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Abstract

一种用于机动车辆的车轮轮毂组件(10)的滚动轴承(30)，配备有：静止的径向外圈(31)，配备有相应的径向外滚道(31’)；一对可旋转的径向内圈(34、35)，配备有相应的径向内滚道(34’、35’)；以及两列滚动体(32、33)，设置在相应的内滚道与外滚道之间。所述滚动轴承(30)还配备有压电致动器(50)，所述压电致动器(50)在与所述径向外滚道(31’)相关的对称位置处被容纳在所述径向外圈(31)的座(31a)中，并能够改变所述径向外圈(31)的应变行为。

Description

主动式车轮轮毂轴承
技术领域
本发明涉及一种属于车轮轮毂组件的滚动轴承单元。特别地，本发明提出实现显著减小滚动摩擦，而不会因此折衷轴承的其他特性(诸如机械强度和耐久性)。特别地但非排他性地，本发明适用于机动车辆的车轮轮毂组件，这些组件设置有滚动轴承。更特别地，本发明涉及轴承的外圈是静止的而轴承的内圈是可旋转的应用。本发明还适用于任意类型的滚动体(球、滚子、圆锥滚子以及其他)。
背景技术
众所周知，由于当前和即将出台的法规以及购买者的需求，目前减少污染和燃料消耗是机动车工业面临的主要挑战。鉴于此，车辆(包括乘用车和商用车辆)的制造商正在要求越来越多的用于低摩擦车轮轮毂组件的轴承。
还已知的是，因轴承单元的摩擦引起的机械动力(机械功)的损失是由滚动体与轴承圈的相应滚道之间的接触(滚动摩擦)、与这些组件的几何结构相关的接触以及轴承的内密封件的滑动接触(滑动摩擦)造成的。
到目前为止，轴承单元的生产商已经提出了仅提供有限的摩擦减小的解决方案。这是通过优化密封和轴承的内部几何结构的设计来实现的。这种优化提供有限的摩擦减小的原因涉及这些解决方案必须受到的不可避免的折衷，以避免不利地影响轴承的其他方面的性能，诸如使用寿命和刚性。
在专利文献DE 102015214028 A1中提出了一种解决方案。描述了一种车轮轮毂组件，该车轮轮毂组件的轴承具有位于轮毂上的两个可旋转的内圈、与车辆的固定结构成一体的静止的外圈以及位于外圈与每个内圈之间的两列滚动体。
根据上述发明，致动器被集成到车辆的固定结构中并且可以使形成轴承的外圈的一部分的两个可轴向运动的元件在轴向上运动。因此，作用在轴承的圈和滚动体之间的力可能会被改变。可轴向运动的元件的轴向向外运动增大了在径向上位于外圈和相应的内圈之间的成列的滚动体上的压力。对轴承的这种加强(stiffening)使负载(承载)能力增大，但也增加了摩擦。因此，可以根据行驶行为来调节轴承的预加载力，并因此根据轴承的负载条件来调节轴承的预加载力。当直线行驶时，优选的是在轴承上施加小的力以使摩擦损失最小化并因此节省燃料。
相反，当车辆转弯时，优选地使车轮轴承上的力增大，以增加轴承的负载能力(/承载能力)并因此增加车辆的稳定性。
致动器包括在轴向上位于两个可轴向运动的元件之间的压电元件。特别是，向压电致动器施加电压使致动器的长度变化，这进而使可轴向运动的元件在轴向上向外运动。与形状变化相比，通过使用压电致动器，可以实现短的反应时间。
尽管该解决方案似乎具有理论上的优点，但实际上它在轴承单元的设计以及生产和组装的可行性方面具有相当大的复杂性。实际上，值得注意的是，该解决方案使用比在现有解决方案的布置中更多的组件。此外，一些组件必须被“专门(ad hoc)”设计以实施该解决方案，从而产生上述困难，并且使得该解决方案在各个方面(包括经济上)不那么有吸引力。
因此，需要设计一种没有上述缺点的车轮轮毂组件的轴承单元。特别地，需要减小轴承的摩擦力的大小，且不会不利地影响轴承本身的其他特性(使用寿命和机械强度)，并且不需要使用复杂且经济上无竞争力的解决方案。
发明内容
本发明的一个目的是提供这样一种用于车轮轮毂组件的滚动轴承单元，其允许大幅减小轴承本身内产生的摩擦，且不折衷轴承的其他机械性能方面，诸如机械强度和使用寿命。由于轴承的主动响应可以改善车辆的操纵，特别是可以改善整个车轮轮毂组件的操纵，因此该轴承单元可以被定义为“主动式的(active)”。
本发明的目的通过使用定位在轴承单元的径向外圈内部并且可以用作致动器和/或传感器的压电元件来实现。特别地，向压电致动器施加电压使致动器本身的长度发生变化，进而改变径向外圈的应变行为，从而改变径向外圈通过其滚道施加到滚动体上的力。
根据另一目的，根据本发明的轴承单元设置有完全标准的组件(径向外圈、径向内圈和滚动体)，因此不需要特殊设计并且不会对生产和/或组装造成困难。
因此，根据本发明，描述了这样一种用于车轮轮毂组件的滚动轴承单元，该滚动轴承单元设置有径向外圈、一对径向内圈和两列滚动体，所有这些组件都具有根据当前生产标准已知的特性。还设置了被构造为能够改变径向外圈的应变行为的压电致动器，其整体具有在本说明书所附的独立产品权利要求中阐明的特征。
另外，再次根据本发明，描述了一种用于轴承单元的主动控制的系统，该系统具有在本说明书所附的独立系统权利要求中阐明的特征。
根据所附的从属权利要求中阐明的特征描述了本发明的进一步优选和/或特别有利的实施方式。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，附图示出了实施方式的一些非限制性示例，在附图中：
-图1以部分轴对称截面示出了已组装的车轮轮毂组件的细节，
-图2是根据本发明的一个实施方式的轴承单元的示例的概略图，以及
-图3是图2的细节。
具体实施方式
现在参照图1，车轮轮毂组件(wheel hub group)整体上用标号10表示。该图示出了构造的示例的细节。如前所述，本发明不仅适用于下面描述的构造，而且更通常地适用于机动车辆用的任意车轮轮毂组件。
组件10包括轴承单元30和可旋转的轮毂20。如图1所示，轮毂20被构造为使得其还用作轴承的内滚道。另一方面，如图2所示，也可以使用一对径向内圈34、35，并且根据该构造，轮毂不用作滚道。在本说明书的其余部分中，将明确地说明包括两个径向内圈的后一种构造。另外，在整个说明书和权利要求书中，诸如“径向”和“轴向”的表示位置和定向的任意术语及表述被理解为参照轴承单元30的中心旋转轴线X。然而，诸如“轴向外部(/侧)”和“轴向内部(/侧)”的表述涉及组装的状态，并且在这种特定情况下，诸如“轴向外部(/侧)”和“轴向内部(/侧)”的表述优选地分别涉及车轮的一侧以及与车轮侧相对(相反)的一侧。
还参照图2，根据本发明的一个实施方式的轴承单元30包括设置有相应的径向外滚道31’的静止的径向外圈31、设置有相应的径向内滚道34’和35’的一对可旋转的径向内圈34、35以及两列滚动体32、33，在该方案中滚动体32、33为球。轴向外侧列的滚动体32在轴向外侧位置处介于径向外圈31与径向内圈35之间，而轴向内侧列的滚动体33在轴向内侧位置处介于径向外圈31与径向内圈34之间。为了简化图形表示，标号32、33将均指示单独的球(单个球)，也指示成列的球。同样为了简单起见，术语“球”可以在本说明书和附图中借助于示例使用，代替更通用的术语“滚动体”(并且还使用相同的附图标记)。在所有情况下都应该理解，球可以由任意其他滚动体(诸如滚子、圆锥滚子、滚针滚子等)代替。
成列的滚动体32、33通过相应的保持架39、40被保持就位。
返回到图1，轮毂20在其轴向内端形成卷边(rolled edge)22，卷边22被构造为在轴向上对安装在轮毂的径向外表面20”上的内圈34预加载(/预施加载荷/预紧)。
为了描述的完整性，轮毂20还具有轴向外凸缘部分。凸缘部分具有多个轴向固定孔。这些孔是用于相同数量的固定部件(诸如固定螺栓)的座，固定部件以已知的方式将机动车辆的车轮的元件(例如制动盘(也是已知类型的))连接到轮毂20。所有这些特征其本身是已知的，因此未在附图中示出。
如图2所示，轴承单元30的组件，特别是径向外圈31和滚道31’、径向内圈34、35和相应的滚道34’、35’以及成列的滚动体32、33，是根据用于车轮轮毂组件用的轴承的现有标准来设计的。
参照图2和图3，根据本发明的一实施方式，轴承单元30设置有压电致动器50，该压电致动器50在与滚道31’相关的对称位置处被容纳在径向外圈31的座31a中(/该压电致动器50被容纳在径向外圈31的座31a中，在相对于滚道(raceways)31’的对称位置)。
向压电致动器50施加电压使致动器的长度在图2和图3中的箭头指示的方向上发生变化。压电致动器的伸长使径向外圈31的座31a的轴向表面31b受到不同的压力，从而改变径向外圈31及其滚道31’的应变行为。结果，在滚道31’与滚动体32、33之间传递的力被改变。产生的应变是根据车辆的特定行驶情况(直线行驶或转弯)的。
压电致动器50通过贯穿径向外圈31中的孔31c的线束(wiring harness)51连接到被构造为监测(监视)车辆的运动状态、特别是监测车辆的侧向加速度的控制单元(具有公知的类型，因此没有在附图中示出)。因此，控制单元可以通过向压电致动器提供反馈(优选地，通过闭环控制)来控制压电致动器。
本发明提出的具有能够改变其(径向外圈)应变行为(behaviour)并因此改变施加到滚动体的力的径向外圈的“主动式的”内部几何结构提供关键几何参数的实时控制，该关键几何参数为：
轴承的预加载(/预施加载荷/预紧)，也就是说，圈与滚动体之间的预加载(/预施加载荷/预紧)；
滚道与滚动体之间的接触角，其通常被定义为径向内圈34、35之间的轴对称的轴线Y与穿过滚动体与相应的滚道(在图2中，例如，球32与相应的滚道31’和滚道35’)之间的接触点P、P’之间的轴线Z之间的角(即如图2中所示的角α)；
密切度(osculation)，也就是说，滚道的曲率半径与球的直径之间的比率。
这种主动控制减小了内部几何结构的摩擦，同时在机械强度方面使轴承的行为与各种行驶情况相匹配。
特别地，在直线行驶期间，轴承可以以“低摩擦”模式运转。该模式意味着滚道31’的工作曲线(即，接触曲线)如图3中的31a’所示。因此，圈与滚动体之间的预加载(/预施加载荷/预紧)减小，滚动体与相应滚道之间的接触角减小，并且密切度增大。在这些行驶情况下，轴承的预加载(/预施加载荷/预紧)以及轴承的总负载能力(/承载能力)(overall loadcapacity)的减小是可接受的，这是因为其提供了以下优点，即在轴承上具有较小的力，并使摩擦损失最小化，并因此能够节省燃料。
相反，在转弯期间，轴承可以在“高摩擦”模式下运转。该模式意味着滚道31’的工作曲线(即，接触曲线)如图3中的31b’所示。因此，圈与滚动体之间的预加载(/预施加载荷/预紧)增大，滚动体与相应滚道之间的接触角也增大，并且密切度减小。在这些通常比直线行驶持续较短时间的行驶情况下，需要承受较高摩擦是可接受的，这是因为预加载(/预施加载荷/预紧)以及轴承的总负载能力(/承载能力)也会增大，这对于车辆的稳定性而言是非常有利的。
显然，压电致动器还可以用作用于监测(/监视)轴承的负载能力(/承载能力)的传感器。因此，提供了“智能”的车轮轮毂组件。
所提出的解决方案提供了相当大的优点：使用压电元件作为致动器显著地减小轴承的摩擦，同时在车辆的各个操作情况下(例如在需要转弯期间)保持相同的使用寿命和相同的机械强度。
此外，通过使用压电元件作为传感器，可以持续地监测(/监视)轴承上的载荷(/负载)情况。
除了如上所述的本发明的实施方式之外，应当理解还存在许多其他变型。还应当理解，所述实施方式仅作为示例描述，而不限制本发明的目的或其应用或其可能的构造。相反，尽管以上描述使得本领域技术人员能够至少根据其示例性构造来实施本发明，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的(无论是在字面上解释的还是根据它们合理的等价物解释的)本发明的目的的情况下，可以设计所描述的组件的多种变型。

Claims (4)

1.一种用于机动车辆的车轮轮毂组件(10)的滚动轴承(30)，所述滚动轴承(30)包括：
-径向外圈(31)，所述径向外圈(31)是静止的并且设置有相应的径向外滚道(31’)，
-一对径向内圈(34、35)，所述径向内圈(34、35)是可旋转的并且设置有相应的径向内滚道(34’、35’)，
-两列滚动体(32、33)，被容纳在所述径向内滚道与所述径向外滚道之间，
其特征在于，所述滚动轴承(30)包括压电元件(50)，所述压电元件(50)在与所述径向外滚道(31’)相关的对称位置处被容纳在所述径向外圈(31)的座(31a)中，并适用于改变所述径向外圈(31)的应变行为。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承(30)，其特征在于，所述压电元件(50)被构造为用于在所述径向外圈(31)的座(31a)的轴向表面(31b)上施加可变压力，改变所述径向外圈(31)及所述径向外圈(31)的滚道(31’)的应变行为。
3.根据权利要求1或2所述的滚动轴承(30)，其特征在于，所述压电元件(50)通过贯穿所述径向外圈(31)的孔(31c)的线束(51)而电连接到控制单元。
4.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的滚动轴承(30)的主动控制的系统，所述系统包括控制单元、线束(51)以及被构造用于执行主动控制功能的压电元件(50)或致动器和/或传感器。
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