CN1829867A - 薄壁滚动轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非切削制成的薄壁滚动轴承，如滚针轴承，它的外环构成为单独的零件并且由冷轧带材制成。在根据本发明的方式中，外环由冷压变形且淬透的钢制成，其中它的壁厚和滚针的直径之间比例设置为1∶20至1∶5并且淬透壁的心部硬度大于等于600HV并且表面硬度大于等于680HV。通过本发明，在相同的设计空间情况下轴承可以比由传统钢制成的轴承静态加载更多。

Description

薄壁滚动轴承

技术领域

本发明涉及一种非切削制成的薄壁滚动轴承，如滚针轴承，它的外环由冷轧带材制成。此外本发明涉及一种用于容纳滚动轴承的支承颈的万向节十字头套筒，其同样由冷轧带材制成。

背景技术

冷轧钢带经常用于制造冷压成形的产品。在应用和使用特性方面增加的要求要求更好的机械、特别是变形特性。良好的变形性特征在于尽可能高的表示深拉性的r值，高的表示拉形性的n值以及高的表示平面应变特性的应变值。在这种情况下如果变形特性在不同方向上，特别是长度方向、横向方向和斜线方向上尽可能相等，即基本是各向同性的，这被证明是有利的。各向同性的优点主要表现在材料流的一致性和板材下脚料的减少(DE 195 47 181 C1)。

在上下文中一般技术人员已知，诸如滚针轴承或者只有冲压外圈的滚针轴承的HK轴承(外接圆轴承)是滚动轴承技术的特别性，其与大的滚动轴承相比径向的结构形式受到限制。这种HK轴承通过压入到钻孔中保持它的圆度和形状并且因此轴套材料承受持久地压缩应力。通过压入产生的压缩应力加上轴承在运行时产生的负载应力，所以使用的材料必须满足高的要求。特别地它应该具有良好的变形性并且具有热处理的适用性，以便实现希望的机械特性。

在DE 10 34 932中描述了一种滚针轴承的制造方法，其中运动轴套首先制造有固定挡边并且在开口的轴套中插入带有滚动体的保持架，在通过弯曲第二挡边构成不可分开的结构单元。之后轴套和保持架经过共同的硬化过程。根据现有技术，滚针轴承的薄壁的外环或者内环由可深拉的冷轧带材非切削地制成，其中冷轧带材例如是标号CK15、St4 C22、15Cr3或16MnCr5的渗碳钢。这些加工过程的先决条件是冷轧带材的一致的各向同性的变形特性。在单独的阶段或者多个连续的阶段中零件由确定厚度延伸校准为高尺寸精度和相同的壁厚的钢带变形而成。为了实现耐磨性和要求的承载能力这些变形的零件进行渗碳硬化。这在所谓的表面硬化处理炉中在830和930℃之间通过没有或者具有加入氮(碳氮化)的渗碳进行。根据要求的表面硬化深度这意味着热处理直到两个小时和更多。

上述的钢作为用于非切削制成的只有冲压外圈的滚针轴承的薄壁外环或者针式轴套并且具有下列的特别性质：

-它的纯度和冷拉性；

-必需的表面硬化；

-在热处理过程中相对的尺寸和形状的改变；

-要求的材料厚度，由于表面硬化深度Eht和用于这种材料必需的柔软的心部。

这样表面硬化的套筒轴承的最大承载能力取决于滚动体的直径和由等效应力产生的表面硬化深度(Eht)。在横截面中可以看见这样表面硬化的零件由两个硬化的边缘层和具有明显低的硬度值的心部区域组成。套筒厚度相对于硬化深度的比例在大约3∶1至4∶1。表面硬化深度是滚动体直径加上要求的加工误差的大约5至7％，所以套筒壁厚在最大负载设计情况下大于滚动体直径的四分之一。

本发明同样涉及万向节。为了在同时传输转矩时能够运动连接两个轴而使用它。在这种情况下以这种方式的连接导致，万向节十字头的两个互相相对的轴颈分别啮合在两个轴的叉形构成端中的相应钻孔中。为了获得很大的轻巧性，轴颈被接收在特别的轴承中，优选地在滚动轴承中。为了支承所属的万向节十字头套筒，其必须通过套筒底板接收在作用的接头中轴向作用的轴颈力，承受高的弹簧应力。也就是说，在万向节中预应力压力套筒显示确定的疲劳现象，如果它由传统的表面硬化钢诸如St4、DC04、或者16MnCr5中的C15M制成。由表面硬化钢制造万向节十字头套筒的方法在DE-AS1 021211中公开。这种疲劳现象的后果是，由于在确定的负荷持续时间之后具有增大的间隙，整个系统的功能变得不精确。因为一般技术人员都已经知道(DE 2122 575、DE 30 33 445 A1、DE-OS 21 20 569，DE 37 39 718 A1)，所以在这里不要求其他的关于万向节轴承的其他结构。

发明内容

因此本发明的任务是，提供一种非切削制成的薄壁滚动轴承和万向节十字头套筒，其优点在于提高的效率。

根据本发明，该任务根据权利要求1的特征部分和前序部分一起完成，外环由冷压变形且淬透的钢制成，其中在它的壁厚和滚针的直径之间比例设置为1∶20至1∶5并且淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。

根据本发明构成的薄壁滚动轴承的主要优点在于，外环的要求的厚度不再看作为具有心部区域和双重硬化深度的材料结合，而是作为几乎均匀的“硬化边缘区”，其支撑通过其中压入外环的外壳实现。因为对于轴承的承载能力，硬化深度与滚动体直径的比例是确定的，所以出现完全不同的结构和安装可能性。这使得现在的薄壁滚动轴承重新设计，其

-在相同的设计空间的情况下静态能够更高地加载，

-在相同的负载情况下允许小的设计空间，

-允许在相同设计空间的情况下使用寿命更长的配置。

本发明的解决方案的另一个优点在于，由于不同的热处理过程能够实现进一步的节省可能。一方面能够减少硬化处理时间并且另一方面减少硬化温度。所用的解决方案的较高的尺寸和形状稳定性也是有利的。

本发明的其他有利的结构在从属权利要求2和3中示出。

所以根据权利要求2规定，心部硬度在600至650HV之间并且表面硬度在680至750HV之间。

从权利要求3中引出，一种热处理钢具有下列的化学成分：

0.37～0.50％C

至多0.40％Si

0.50～0.80％Mn

至多0.020％P

至多0.020％S

至多0.50％Cr

至多0.40％Ni

至多0.10％Mo

至多0.20％Cu

根据第二个独立权利要求4，一种万向节十字头套筒由冷压变形且淬透的钢制成，其中淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。

在这种情况下根据权利要求5中以有利的方式，心部硬度的值为600～650HV并且表面硬度的值为680～750HV。

最后根据权利要求6，用于万向节十字头套筒的热处理钢具有下列的化学成分：

0.37～0.50％C

至多0.40％Si

0.50～0.80％Mn

至多0.020％P

至多0.020％S

至多0.50％Cr

至多0.40％Ni

至多0.10％Mo

至多0.20％Cu

根据本发明制造的万向节十字头套筒的优点特别在于，实现万向节十字头系统的高刚度，套筒底板的高的刚性曲线和高的抗拉强度。套筒底板将通过压入状态的径向应力支撑并且如盘形弹簧一样作用，它的预应力在整个使用寿命中保持垂直，因为热处理钢的材料直到心部都保持弹簧特性和高的屈服点。

附图说明

在下面的实施例中详细地说明本发明。其中：

图1示出部分剖切的只有冲压外圈的滚针轴承的透视图；

图1a示出穿过每个针式轴套的纵向剖视图；

图1b示出穿过每个滚子轴套的纵向剖视图；

图2示出在传统材料和根据本发明的钢之间的硬度比较；

图3示出由传统材料和根据本发明的钢制成的套筒底板的刚度曲线；以及

图4是在径向负载情况下传统材料和根据本发明的钢之间的塑性变形。

具体实施方式

在图1中示出且用1表示的只有冲压外圈的滚针轴承具有带有环状轮廓的径向部分2，其在一端转变为径向向内的挡边3并且在另一端被底板4封闭。在保持架6中引导的滚针7在挡边3和设有凸起5的底板4之间滚动。这种类型的只有冲压外圈的滚针轴承在轴端的支承位置封闭。

如果这样的只有冲压外圈的滚针轴承1在相同的外径的情况下根据现有技术由标号为DC04M的钢一次制成并且根据权利要求由根据本发明的可冷压加工和可淬透的钢一次制成，那么通过根据本发明的新设计存在下列的潜在节约：

-只有冲压外圈的滚针轴承的壁厚可以减小到50％；

-滚动体的直径可以增大约20％；

-滚动体能够沿它的轴向伸展增长约5％；

-动态承载量Cr够提高约18％；

-静态承载量Cor能够提高约9％；

-动态使用寿命能够提高约75％；

-总重量能够减小约7％。

如在图1a中示意性示出的HK 3020型只有冲压外圈的滚针轴承的具体比较，由渗碳钢DC04M(0.05～0.08％C)制成的只有冲压外圈的滚针轴承和由根据本发明的钢C45M(0.37～0.50％C)制成的只有冲压外圈的滚针轴承都具有如下相同的尺寸：

-外径37mm；

-最小外接圆直径30mm

-轴向伸展20mm。

在两个只有冲压外圈的滚针轴承之间的区别由下列的几何尺寸确定：

-在左侧的根据现有技术的只有冲压外圈的滚针轴承的壁厚是1mm，而在右侧的只有冲压外圈的滚针轴承的壁厚减小到0.5mm；

-滚针的直径是2.5或者3mm，所以壁厚相对于滚针的直径的比例是1∶2.5或者1∶6；

-滚针的轴向长度是15.3或者16mm；

-从挡边到挡边的内部距离是18.14或者18.91mm。

可以想象，在相同的安装状况下(相同的外径、相同的轴的直径、相同的轴向伸展)，通过滚针的增大的直径和它增大的轴向伸展实现承载能力的提高。

在图1b中示出的滚子轴套是关于能实现节约潜能方面的类似视图。在左侧根据现有技术构成的滚子轴套由带有0.145～0.194％C的渗碳钢C16M制成，而在右侧的根据本发明的滚子轴套由标号为C45M的钢制成。两个零件具有下列相同的尺寸：

-最小外接圆直径45mm；

-轴向伸展17mm。

在两个滚子轴套之间的区别通过下列几何尺寸确定：

-如在1a中的例子一样，壁厚减少了50％，即从左侧的2mm减小为右侧的1mm；

-滚子体的直径是7或者6mm，所以壁厚相对于滚子体直径的比例是1∶3.5或者1∶6；

-滚子体的轴向长度伸展是13或者14.5mm；

-滚子轴套从挡边到挡边的内部距离是13.56或者15.16mm；

-外径从63减小到59mm。

在这种情况下在几乎相同的承载能力下通过减小的结构空间(外径)实现在两个滚子轴套的节省可能。

如在图2中所示，与标号为DC04M的传统钢相比，根据本发明的钢C45M具有在中心区域仅扁平向下的硬度变化特性。在表面硬度为约750HV时，心部硬度的值是约650HV。通过这种适合于部件几何形状和负荷的优化的淬透性，钢具有高的心部硬度、韧度和弹性。这种可冷压加工且可淬透的钢的高心部硬度导致可以实现上述的节省可能，诸如减小壁厚、增大滚动体直径、提高动态和静态的承载量，提高动态的使用寿命和减小总重量。标号为C45M的钢是高纯度的各向同性的细晶粒钢并且特别适合于在滚动轴承技术中的要求。它的深拉性和变形能力与至今使用的冷轧带材材料相同，但是它在淬透性方面比传统的钢明显高。

在图3中示出由DC04M和C45M制成的万向节十字头套筒8的底板8.1的刚度曲线明显显示，在由DC04M制成的套筒底板8.1从一定的力开始进入塑性变形，而由C45M制成的轴套的底板8.1在明显大的力范围中保持弹性。套筒底板8.1在本发明的含义中如盘形弹簧般作用，其预应力在整个使用寿命中保持垂直，因为根据本发明的热处理钢的材料在心部区域中具有弹簧特性。相对于根据现有技术的万向节十字头套筒，根据本发明的万向节十字头套筒8的预应力在相同几何尺寸的情况下提高了至少20％。以这种方式能够实现整个万向节十字头系统的高的刚度，其对功能和使用寿命产生积极的影响。当压入根据现有技术的万向节十字头中的套筒由传统渗碳硬化钢制成时，它表现出疲劳现象。这后果是，例如在转向轴护管或者在驱动系统中使用的这种万向节十字头在确定的负荷持续时间之后具有增大的间隙，这对功能有显著的影响。

最后图4示出由DC04M和C45M制成的轴套滚道在加载时的不同的塑性变形。由新材料制成的轴承由于高的心部硬度具有比由传统的钢制成的相同轴承更高的静态和动态承载力。这在高的静态加载时候避免了滚道上的塑性变形。

附图标记

1只有冲压外圈的滚针轴承

2径向部分

3挡边

4底板

5凸起

6保持架

7滚针

8万向节十字头套筒

8.1底板

Claims (6)

1.一种非切削制成的薄壁滚动轴承，如滚针轴承，它的外环由冷轧带材制成，其特征在于，外环由可冷压变形且可淬透的钢制成，其中在它的壁厚和滚针的直径之间比例设置为1∶20至1∶5并且淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。

2.如权利要求1所述的滚动轴承，其中，心部硬度具有600～650HV的值并且表面硬度具有680～750HV的值。

3.如权利要求1所述的滚动轴承，其中，使用具有下列化学成分的热处理钢：

0.37～0.50％C

至多0.40％Si

0.50～0.80％Mn

至多0.020％P

至多0.020％S

至多0.50％Cr

至多0.40％Ni

至多0.10％Mo

至多0.20％Cu

4.一种用于容纳滚动支承的支承颈的万向节十字头套筒(8)，其由冷轧带材构成为薄壁非切削制成的滚针轴承套筒，它的封闭的底板用作万向节轴颈的端侧开始，其特征在于，该万向节十字头套筒由可冷压变形且可淬透的钢制成，其中淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。

5.如权利要求4所述的万向节十字头套筒(8)，其中，心部硬度具有600～650HV的值并且表面硬度具有680～750HV的值。

6.如权利要求4所述的万向节十字头套筒(8)，其中，使用具有下列化学成分的热处理钢：

0.37～0.50％C

至多0.40％Si

0.50～0.80％Mn

至多0.020％P

至多0.020％S

至多0.50％Cr

至多0.40％Ni

至多0.10％Mo

至多0.20％Cu

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