CN1590790A - 用于机动车传动的圆锥滚子轴承 - Google Patents

用于机动车传动的圆锥滚子轴承 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于机动车传动的圆锥滚子轴承，在缺少油膜，甚至在油膜参数Λ为0.8或更小时，可以防止轴承地使用后短时间内产生表面早期剥落。而且本发明的用于机动车传动的圆锥滚子轴承，其使用时的油膜参数Λ等于或大于0.5，而内圈和外圈的滚道面的粗糙度确保小于滚子滚动接触面的粗糙度的两倍。

Description

用于机动车传动的圆锥滚子轴承
技术领域
本发明涉及一种用于机动车传动用圆锥滚子轴承。
背景技术
圆锥滚子轴承用于机动车传动的输入/输出轴的轴支撑部分上。如图形1所示，圆锥滚子轴承包括：具有一个锥形滚道面1的外圈2，具有一个锥形滚道面3的内圈6，内圈6的锥形滚道面3的大径端具有一个大凸缘面4，内圈6的锥形滚道面3的小径端设具有一个小凸缘面5，多个可滚动地设置于外圈2和内圈6的滚道面1和3之间的圆锥滚子7，和一个支撑圆锥滚子7使其在圆周方向上等间隔分布的保持架8。大凸缘面4和小凸缘面5之间的距离设计为稍大于圆锥滚子7的长度。
每一个圆锥滚子7设计成与外圈2和内圈6的滚道面1和3线接触，每一个圆锥滚子7的锥角顶点与滚道面1和3的锥角顶点相交于圆锥滚子轴承的中心线上的一点O。因此，圆锥滚子7能够沿着滚道面1和3滚动。
因为圆锥滚子轴承的滚道面1和3具有不同的锥角，从滚道面1和3施加到圆锥滚子7上的载荷将圆锥滚子7推向内圈6的大凸缘面4一侧。因此，在轴承运转过程中，每一个圆锥滚子7由抵着大凸缘面4的大端面9引导，因此大端面9与大凸缘面4滑动接触。另一方面，因为内圈6的大凸缘面4到小凸缘面5的距离稍大于圆锥滚子7的长度，如图1(b)所示，小凸缘面5与圆锥滚子7的小端面10不接触，它们之间有一个小的间隙。小凸缘面5由一个相对于圆锥滚子7的小端面10稍向外倾斜的平面形成。
在运转过程中，为了防止圆锥滚子7在轴向上移动，并确保圆锥滚子7与外圈2和内圈6的各自的滚道面1和3为稳定的线接触，向圆锥滚子轴承施加一个预载荷。但如果在圆锥滚子轴承在使用过程中，由于圆锥滚子7的大端面9和大凸缘面4之间的金属-金属接触和在圆锥滚子7歪斜过程中，圆锥滚子7的大端面9的端面与大凸缘表面4之间的接触而发生所谓的“咬合”，会引起所谓的“预载荷损失”现象，预载荷会逐渐降低。
当预载荷和轴承寿命之间的关系用寿命比值(L/L0)表示(此处，L表示考虑游隙和预载时的寿命，L0表示游隙为0时的寿命)，如果施加一个适量的预载(此时轴向游隙为负值)，寿命比值(L/L0)等于或大于1，但，当轴向游隙变为0或者进入正值范围，预载和寿命比值就逐渐降低。
另一方面，最近有一种趋势，在机动车传动如连续变动传动系统(CVTs)，节油器等等上使用低粘度油来实现自动传动。在使用低粘度油的情况下，如果发生不利的情况如(1)油温高，(2)油流速低，(3)预载损失等情况同时发生，在高接触压力下的内滚道面由于润滑不好(缺少油膜)在短时间内就会产生表面早期剥落。
在滚子轴承的正常使用情况下，油膜参数Λ大多数情况下在0.8到3.0之间，此处，油膜参数是由公式Λ＝hmin/(R1rms 2+R2rms 2)1/2计算出来的。在这个公式中，“hmin”是由道格拉斯-希克斯和哈若克-道格拉斯公司计算出来的最小油膜厚度，“R1rms”是内圈的滚道面的均方根粗糙度值，而“R2rms”是滚动元件的滚动接触面的均方根粗糙度值。
值得注意的是，如果油膜参数Λ在0.8(包括0.8)到1.5的范围内，并且滑动高，就会产生表面损伤，而如果油膜参数Λ等于或小于0.8，不管滑动是高还是低都会产生表面损伤。通常，粗糙度变大时油膜参数Λ变小，这反过来影响轴承寿命。在圆锥滚子轴承中，因为滚子的滚动接触面由一个以高圆周速度旋转的相对大的砂轮研磨而成，容易保证可取的粗糙度。相反，内圈和外圈的滚道面的粗糙度明显大于滚子的滚动接触面的粗糙度，部分原因是因为加工不同造成的。这也是为了优先进行歪斜控制，内圈和外圈的滚道面的粗糙度有意地研磨地比滚子的表面粗糙度大。
日本专利公布号：2000-179559(参考下面的专利文献1)公开了在轴承运转过程中防止由于轴承的歪斜、滑动和类似的情况而引起的剥落损伤或其它问题的方法。根据其公开的发明，内圈的表面通过碳氮共渗或类似的方法进行处理，以使内圈与滚动元件(element)之间的摩擦系数比外圈与滚动元件之间的摩擦系数小(两者的比值不小于0.8但小于1.0)以抑制轴承的不规则的动作，即滚子轴承的歪斜和球轴承的打旋。而且，粗糙度控制在相对小的范围以使油膜参数大并且以此防止轴承寿命的降低。同时，施加到内圈上的残余压应力提高了内圈抗碎裂的强度。在这种方式中，最大接触压力大，通过对内圈的表面进行碳氮共渗或类似方法的处理以增大表面硬度，延长了滚动疲劳寿命。但是，实际上上面所提到的发明所采用的措施只在当油膜参数Λ大于0.8时有效，当油膜参数Λ为0.8或小于0.8时(参考专利文献1的权利要求1)时无效。
在机动车传动使用低粘度油的环境下，如上面所提到，在高接触压力下，内圈表面由于润滑不好(缺少润滑油)在短时间内会发生早期剥落。因为具有相对小的粗糙度的滚子滚动接触面被具有相对大的粗糙度的内圈和外圈的滚道面所损伤，在小油膜参数Λ的润滑情况下经常发生这样的表面早期剥落。在近些年来的高精度轴承中，当油膜参数Λ为0.8或更小时，易于出现上述的麻烦，当油膜参数Λ在这个范围内时，上面所提到的专利文献1很难解决这个问题。因此，需要一种延长轴承寿命的新颖的方法。
发明内容
根据过去的情况，本发明的意图在于提供一种用于机动车传动的圆锥滚子轴承，在缺少油膜，甚至在油膜参数Λ为0.8或更小时，通过优化轴承的内圈和外圈的滚道面的粗糙度和滚子滚动接触面的粗糙度之间的平衡来防止轴承地运转短时间内产生表面早期剥落。
根据本发明的用于机动车传动的圆锥滚子轴承，使用时的油膜参数Λ等于或大于0.5，而内圈和外圈的滚道面的粗糙度小于滚子滚动接触面的粗糙度的两倍。图2所示为油膜参数Λ设定在0.2到0.7的范围内，内圈和外圈的滚道面的粗糙度和滚子滚动接触面的粗糙度不同的15种圆锥滚子轴承的早期表面剥落实验的实验结果。本实验是在滚道面的最大接触压力固定在2900Mpa，轴向游隙固定在0.3mm的情况下做出的。滚子的早期剥落的剥落时间平均为60小时，而没有发生早期剥落的滚子的寿命为200小时或更多。换句话说，发生表面早期剥落的滚子的寿命与没有发生表面早期剥落的滚子的寿命相比为其1/3或更少。
如图3所示，内圈和外圈的滚道面的粗糙度与滚子滚动接触面的粗糙度的比值(下面称作“粗糙度比”)在1.6到12.0范围内。从图2和图3中看出，粗糙度比为2.0或更小，油膜参数Λ在0.5到0.6范围内的四个轴承B3-B6(图3中阴影线部分)没有发生早期表面剥落，而粗糙度比为2.5或更大的其它的轴承发生了早期表面剥落。同样，轴承B1和B2，粗糙度比为2.0或更小但油膜参数Λ为0.2的发生了早期表面剥落。值得注意的是，图3中所示的粗糙度比是在内圈或外圈的粗糙度高的基础上计算得出的。
如实验结果所证明，即使在不利的情况下，如(1)油温高，(2)润滑油进给速率低于如100mL/min，(3)预载损失等类似情况同时发生，在使用低粘度油，并因此油膜参数Λ为0.8或更小的环境中，本发明在油膜参数Λ在最小保持在0.5时能防止出现早期剥落。
这些实验中的每个实验都是在有足够的润滑油的情况下进行的，使用油膜参数表示润滑不良的等级。另一方面，技术人员发现，即使理论油膜参数为0.6或更大，当润滑油的量变小时也会产生表面剥落损伤。可以理解的是，这是由于润滑油的量不足而导致局部缺少油膜造成的。众所周知，当润滑油的进给速度降到100mL/min或更低时，目前用于传动的内径为20到45mm的圆锥滚子轴承会出现润滑不良的问题。因为这些因素，可以理解，润滑油进给速度大约为100mL/min或更小的润滑不良的情况应与油膜参数Λ等于或小于0.6的情况一样对待。众所周知，油膜厚度与润滑油的动粘度成正比(油膜厚度还与旋转速度成正比)。如果用于机动车传动的圆锥滚子轴承的油膜参数Λ等于或小于0.6，例如，在运转过程中润滑油的动粘度大约等于10cst或更小，使用低粘度油的情况下能够良好地运转的这样的轴承最近用于机动车传动，连续变动传动系统(CVTs)，节油器等等上来实现自动传动。
根据本发明的轴承，只要油膜参数Λ最小保持在0.5时，甚至在由于同时发生几种润滑情况如：(1)油温高，(2)油流速低，(3)发生预载损失时，导致油膜参数降到0.8或更小时，可以防止在使用后的短时间内发生滚子表面早期剥落。
附图说明
图1(a)是圆锥滚子轴承的剖视图；
图1(b)是圆锥滚子的放大视图；
图2是圆锥滚子轴承的早期表面剥落实验的实验结果；
图3是图2的实验结果的油膜参数Λ和粗糙度比值关系的点图。
具体实施方式
本发明是一种用于机动车传动的圆锥滚子轴承，其内圈和外圈的滚道面的粗糙度小于圆锥滚子的滚动接触面的粗糙度的两倍。内圈的滚道面的粗糙度比和外圈的滚道面的粗糙度比可以相等，也可以不等，只要小于2.0即可，但优选的是内圈与外圈的粗糙度比相等。根据本发明的轴承，即使在由于同时发生几种不利情况如：(1)油温高，(2)油流速低，(3)发生预载损失时，导致油膜参数降到0.8或更小时，只要如上所述的当油膜参数Λ最小保持在0.5时，可以防止在使用后的短时间内由于高接触压力下内滚道面润滑不良(缺少油膜)发生滚子表面早期剥落。

Claims (2)

1.一种用于机动车传动的圆锥滚子轴承，使用时的油膜参数Λ等于或大于0.5，其特征在于：内圈的滚道面的粗糙度和外圈的滚道面的粗糙度小于滚子的滚动接触面的粗糙度的两倍。
2.如权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其特征在于：内圈的滚道面的粗糙度与外圈的滚道面的粗糙度相等。
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