CN1957186A

CN1957186A - 锥形滚柱轴承

Info

Publication number: CN1957186A
Application number: CN 200580015332
Authority: CN
Inventors: 辻本崇
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2007-05-02
Anticipated expiration: 2025-04-18
Also published as: CN100485207C

Abstract

一种在汽车变速箱或差速器中使用的锥形滚柱轴承(1)，其包括内环(2)、外环(3)、可滚动地设置在内环和外环(2和3)之间的多个锥形滚柱(4)和保持架(5)，该保持架用于在沿圆周的预定间隔处保持锥形滚柱(4)，其中滚柱系数γ超过0.94，其中γ为(滚柱的数量×平均滚柱直径)/(π×PCD)。

Description

锥形滚柱轴承

技术领域

本发明涉及锥形滚柱轴承，更具体地，本发明涉及但不限于用在汽车变速箱或差速器的支撑齿轮中的锥形滚柱轴承。

背景技术

汽车变速箱近来趋于使用低粘度油，以获得变速箱的AT、CVT、低燃料消耗等。在使用低粘度油的环境中，导致轴承寿命非常短的表面起动磨损有时发生在具有高表面压力的内环滚道表面处，这是由于同时发生如(1)高油温、(2)较少油量和(3)预加载荷漏失这类不利状况时润滑较差。

至于由于表面起动磨损而导致的这种轴承寿命短的问题的解决办法，直接且有效的解决方案是降低最大表面压力。为了降低最大表面压力，必需改变轴承尺寸或者如果轴承尺寸没有被改变则增加轴承中滚柱的数量。为了在没有减少滚柱直径的情况下增加滚柱的数量，必须使保持架中的凹槽(pocket)之间的距离变窄。然而，为此必须增加保持架的节距圆以尽可能地将保持架拉至外环。

作为保持架被拉至侧边、直到它触及外环的内径表面的例子，存在图1中所示的锥形滚柱轴承(参考日本公开专利No.2003-28165)。在这个锥形滚柱轴承11中，保持架12的小直径圆环部分12a和大直径圆环部分12b的外圆周表面被设置以滑动接触外环13的内径表面，以引导保持架12，该保持架12的每个柱状件12c的外径表面形成有凹陷14，用于抑制制动力矩，从而保持柱状件12c的外径表面和外环13的滚道表面13a之间的非接触状态。保持架12具有小直径圆环部分12a、大直径圆环部分12b和多个柱状件12c，其中所述多个柱状件12c沿轴向连接小直径圆环部分12a和大直径圆环部分12b并且在其外周表面上形成有凹陷14。在连续柱状件12c之间设置有多个凹槽，用于可滚动地接收锥形滚柱15。小直径圆环部分12a具有一体伸展到内径侧的凸缘12d。图1中的锥形滚柱轴承是试图提高保持架12的强度的例子，其中为了增加保持架12的柱状件12c的外周宽度，将保持架12拉至侧面，直到它触及外环13的内径表面。

发明内容

在日本公开专利No.2003-28165中所述的锥形滚柱轴承11中，保持架12被拉至外径侧，直到它触及外环13的内径表面，从而增加保持架12的柱状件12c的外周宽度。另外，因为在保持架12的柱状件12c中存在凹陷14，不可避免地使板厚度变薄，导致保持架12的刚度下降，包含在轴承11装配期间保持架12受压被变形或者在轴承11的旋转期间保持架12变形的可能性。增加保持架12的刚度的尝试将使保持架12的直径尺寸增加，包含由于在外环接触部分中的滑动接触而导致扭矩增加或引起所谓的制动扭矩的可能性。

在另一方面，除了在日本公开专利No.2003-28165中所述的锥形滚柱轴承，设计带有保持架的常规典型的锥形滚柱轴承，以使由下面公式定义的滚柱系数γ(滚柱封装百分数)一般不大于0.94，以便确保保持架17的柱状件的宽度，并且在如图2中所示的避免外环16和保持架17之间接触之后，得到保持架17的适当柱状件强度和平滑旋转。此外，在图2中，参考标号18表示锥形滚柱轴承，19表示柱状件表面，20表示内环，以及θ表示窗角。

滚柱系数γ＝(Z*DA)/(π*PCD)，其中Z是滚柱的数量，DA是滚柱的平均直径，以及PCD是节圆直径。

简单地增加滚柱封装百分数、同时保持保持架17的凹槽尺寸不变的尝试，将导致保持架17的柱状件17a变得细薄的，不能保证足够的柱状件强度。在另一方面，当为了确保柱状件强度而沿减少保持架和外环之间间隙的方向改变保持架直径时，如日本公开专利No.2003-28165中所介绍的，存在加速保持架的外环接触部分的磨损且引起制动扭矩增加的可能。

本发明的目的是提供一种锥形滚柱轴承，该锥形滚柱轴承能够在不降低保持架刚性的情况下增加容纳的数量，并且从不产生制动扭矩。

本发明的另一目的是防止由于在滚道表面上负载容量的增加和过度的表面压力而导致的过早破裂，进而有助于变速箱的尺寸减少和保持长的使用寿命。

依据本发明的实施例，锥形滚柱轴承包含内环、外环、可滚动地设置在内环和外环之间的多个锥形滚柱和保持架，该保持架用于以预定的圆周间隔保持锥形滚柱，其中该保持架在处于中性状态时与外环没有接触，但在沿径向运动时，它与外环相接触。因此，可以降低锥形滚柱轴承的滚道表面的最大表面压力，从而防止在非常不好的润滑环境中发生的导致轴承寿命极短的表面起动磨损。

锥形滚柱轴承可以使滚柱系数超过0.94。设定滚柱系数γ(在γ＞0.94处)使不仅能够增加负载容量，还降低了滚道表面上的最大表面压力；因此，能够防止在非常不好的润滑环境下发生的导致轴承寿命极短的表面起动磨损。

依据另一实施例，锥形滚柱轴承包括内环、外环、可滚动地设置在内环和外环之间的多个锥形滚柱和保持架，该保持架用于以预定的圆周间隔保持锥形滚柱，其中滚柱系数γ超过0.94。如上面刚刚所述的，设置锥形滚柱轴承的滚柱系数γ(在γ＞0.94处)使不仅能够增加负载容量，还降低了滚道表面上的最大表面压力；因此，能够防止在非常不好的润滑环境下发生的导致轴承寿命极短的表面起动磨损。因此，使用该锥形滚柱轴承，有助于变速箱或差速器的尺寸减少和使用寿命长。

在锥形滚柱轴承中，凹槽的窗角可以在55°到80°的范围内。术语“窗角”指的是由与单滚柱的外周面邻接的柱状件的引导面形成的角度。设定窗角处于不小于55°的原因是为了确保与滚柱的良好的接触状态，以及设定窗角处于不大于80°的原因是：如果超过这个数值则径向压力增加，涉及即使使用自润滑树脂材料也不能得到平滑转动的风险。此外，通常的保持架具有25°-50°的窗角。

保持架由在机械强度、耐油性和耐热性方面优良的工程塑料制造。用于保持架的树脂材料的使用具有以下特点：如与由铁片制造的保持架相比较，该保持架重量轻、自润滑且具有低摩擦系数，该特点与轴承中使用的润滑油的效果相结合能够抑制由于与外环相接触而导致磨损的发生。与钢片相比较，这些树脂是重量轻的且具有低摩擦系数，以使它们适于降低在轴承起动时的扭矩损耗和保持架磨损。

工程塑料包含通用工程塑料和高级工程塑料。典型工程塑料被示出在下面，但它们只是作为例子，并且工程塑料不限于下面所示出的。

[通用工程塑料]：聚碳酸酯(PC)、聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚缩醛(POM)、改性聚苯醚(m-PPE)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、GF强化聚对苯二甲酸乙二酯(GF-PBT)、超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)。

[超级工程塑料]：聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚丙烯酸酯(PAR)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚-醚酮(PEEK)、液晶聚合物(LCP)、热塑性聚酰亚胺(TPI)、聚苯并咪唑(PBI)、聚甲基戊烯(TPX)、聚对苯二甲酸-1，4-环己二甲酯(PCT)、聚酰胺46(PA46)、聚酰胺6T(PA6T)、聚酰胺9T(PA9T)、聚酰胺11、12(PA11、12)、氟树脂、聚邻苯二甲酰胺(PPA)。

当说明书参考附图被阐述时，本发明的这些和其他目的和特征将变得更清楚。

附图说明

图1是常规锥形滚柱轴承的横截面图，其中保持架被拉至外环侧；

图2是另一常规锥形滚柱轴承的部分放大截面图；

图3是汽车的通用变速箱的截面图；

图4是汽车的通用差速器的截面图；

图5是本发明的锥形滚柱轴承的横截面图；

图6是图1中锥形滚柱轴承的纵截面图；

图7是保持架在沿轴向移动之前的截面图；

图8是保持架在沿轴向移动之后的截面图；

图9是静止的锥形滚柱轴承的保持架的侧视图；

图10是在旋转早期的锥形滚柱轴承的保持架的侧视图；

图11是在旋转期间的锥形滚柱轴承的保持架的侧视图；

图12是窗角(window angle)处于下限值的锥形滚柱轴承的部分放大截面图；

图13是窗角(window angle)处于上限值的锥形滚柱轴承的部分放大截面图；

图14是轴承的寿命测试的结果；

图15是依据本发明变更实施方式的锥形滚柱轴承的部分放大截面图；以及

图16是图15中的保持架的柱状件的截面图。

具体实施例

汽车的变速箱(主变速单元)被大致分类为手动型和自动型。另外，它们还可依据车辆的驱动系统被分类为：前轮驱动(FWD)的变速差速器、后轮驱动(RWD)的变速箱和四轮驱动(4WD)的分动器(辅助变速单元)。它们被用于使来自发动机的驱动功率变速，进而将它传递至驱动轴等。

图3显示汽车变速箱的结构的例子。这种变速箱属于同步啮合型，其中在同一图中，左侧是发动机侧、右侧是驱动轮侧。锥形滚柱轴承23被插入主轴21和主驱动齿轮22之间。在这个例子中，主驱动齿轮22的内周边直接形成有对应锥形滚柱轴承23的外环滚道表面。主驱动齿轮22由锥形滚柱轴承24支撑，用于相对于壳体25的旋转。通过啮合，离合器齿轮26被连接到主驱动齿轮22，并且靠近离合器齿轮26设置同步机构27。

同步机构27包括适于通过选择器(未示出)的作用沿轴向(以同一图中的左右方向)运动的轴套28、被安装在轴套28的内周边中的轴向可滑动的同步装置键29、连接到主轴21的外周边的轮毂30、可滑动地被安装在离合器齿轮26的外周边(锥体部分)上的同步装置环31、以及将同步装置键29弹性压靠在轴套28的内周边上的销32和弹簧33。

在同一图中所示的情形中，套管28和同步装置键29被压销32保持在中性位置。此时，主驱动齿轮22相对于主轴21空转。另一方面，当激励选择器以使套管28例如从同一图所示状态沿轴向运动到左侧时，同步装置键29跟随套管28沿轴向运动到左侧，以将同步装置环31压靠在离合器齿轮26的锥形部分的倾斜表面上。这减少了离合器齿轮26的转动速度，相对地增加了同步机构27的旋转速度。并且，大约在两者的旋转速度同步时，套管28进一步沿轴向运动到左侧，与离合器齿轮26相啮合，以及主轴21和主驱动齿轮22彼此通过同步机构27彼此连接。这允许主轴21和主驱动齿轮22同步旋转。

图4显示用于汽车的通用差速器。在同一图中，上、下侧分别面向车辆的前、后侧。驱动小齿轮轴35被容纳在差速器箱34的前面，并且由一对锥形滚柱轴承37及38可旋转地支撑。驱动小齿轮轴35具有连接到其前端的推进轴(未显示)和被固定到其后端的驱动小齿轮轴(减速小齿轮)36或者整体位于其上，其与联动齿轮(减速大齿轮)39相啮合。

联动齿轮39被连接到差速器齿轮箱40，该差速器齿轮箱40由一对锥形滚柱轴承41及42支撑，用于相对于差速器箱34的旋转。设置在差速器齿轮箱40内的是相互之间啮合的一对小齿轮43和一对侧齿轮44。小齿轮43被固定到小齿轮轴45，以及侧齿轮44通过推力垫圈被安装在差速器齿轮箱40中。没有显示的左、右驱动轴被连接(锯齿状连接或其他方式)到与其对应的侧齿轮44的内径部分。

推进轴的驱动扭矩以下述路线被传递：驱动小齿轮36-＞联动齿轮39-＞差速器齿轮箱40-＞小齿轮43-＞侧齿轮44-＞驱动轴。在另一方面，轮胎的驱动阻力以下述路线被传递：驱动轴-＞侧齿轮44-＞小齿轮43。

图5和6中示出的锥形滚柱轴承1被用于以上结合图3或4所描述的汽车的变速箱或差速器。它包括具有锥形滚道表面2a的内环2、具有锥形滚道表面3a的外环3、多个锥形滚柱4和保持架5，其中所述锥形滚道表面2a具有在其小直径侧的锥形前表面肋2b和在其大直径侧的锥形后表面肋2c，所述多个锥形滚柱4被可滚动地插入内环2和外环3的滚道表面2a和3a之间，所述保持架5用于以沿圆周相等的间隔保持锥形滚柱4。该锥形滚柱轴承1具有滚柱系数γ＞0.94。

保持架5包括小直径侧圆环部分5a、大直径侧圆环部分5b和多个柱状件5c，所述柱状件5c用于沿轴向连接小直径侧圆环部分5a和大直径侧圆环部分5b。保持架5可以由铁片制造，在这种情况中由于浸入油中，因此可以不用关心材料品质退化(耐油性)而使用它。保持架5可以由高级工程塑料整体模制，例如PPS、PEEK、PA、PPA或PAI。另外，在铁皮保持架的情况中，需要将底部加宽或卷变，二在树脂保持架的情况下，不需要将底部加宽或卷，而容易地确保尺寸的精确度。这里，“底部加宽”表示将保持架5的小直径侧上的柱状件的直径加宽变大的操作，以使在具有结合在其中的滚柱的保持架5被组装至内环时，滚柱能够在锥形前面肋上越过。“卷边”表示如上面所述的已经被加宽的保持架5的小直径侧上的柱状件被从外侧挤压，用于恢复其形状。

保持架5的外直径在大小上这样被设定：当保持架5从图7中所示状态沿轴向运动到小直径侧(图8)时，如由同一图中箭头所指示的，然后如图9中所示沿径向向下运动，外环3和保持架5互相接触以引起轴承旋转而影响保持架5的定心，如图11中所示，从而保持架5和外环3脱离接触，剩下贯穿圆周的预定间隙。换言之，这种尺寸是这样的尺寸，该尺寸确保在保持架5如图8中所示的沿轴向居中设置且被拉至小直径侧的情况下，在保持架5和外环3之间存在间隙，而在保持架5沿径向从轴向中心移动时，外环3和保持架5接触。从而，在运转的早期(图10)外环3和保持架5接触，而它们在运转期间脱离接触(图11)；因此，由于接触而引起的制动扭矩、扭矩增加或磨损可以被抑制。

保持架5的柱状件表面5d的窗角θ具有下限窗角θmin，θmin如图12中所示为55°，以及具有上限窗角θmax，θmax如图13中所示为80°。对于其保持架与外环间隔开的典型装备保持架的锥形滚柱轴承，窗角θ至多为大约50°，如图2中所示。将下限窗角θmin设定在55°的原因是为了确保良好的接触状态；小于55°的窗角将使接触状态变坏。也就是，将窗角设定在55°或以上能够确保在保持架强度确保之后γ＞0.94，以及构建良好的接触状态。进一步，将上限窗角θmax设定在80°的原因是，如果超过该数值，则径向压力增加，涉及即使使用自润滑树脂材料也不可能得到平滑转动的风险。

图14显示轴承寿命测试的结果。在图14中，在[轴承]列中[比较例子1]涉及典型的常规锥形滚柱轴承，在该常规锥形滚柱轴承中保持架和外环间隔开，[实施例1]涉及依据本发明实施例的锥形滚柱轴承之一，在其中仅仅滚柱系数γ相对于常规物体被设定在γ＞0.94处，以及[实施例2]涉及依据本发明实施例的锥形滚柱轴承，在其中滚柱系数γ被设定在γ＞0.94处且窗角被设定在55°-80°的范围内。在非常不好的润滑条件和过度负载条件下实施该测试。如从同一图中可以清楚地看到的一样，[实施例1]具有两倍或更多倍[比较例子]的寿命。另外，[实施例2]中的轴承具有0.96的滚柱系数，其与[实施例1]中的相同，但它的寿命是[实施例1]的大约5倍或更长。此外，在[比较例子1]、[实施例1]和[实施例2]中，该大小是φ45×φ81×16(以mm为单元)，滚柱的数量是24([比较例子])、27([实施例1和2])，以及油膜参数Λ＝0.2。

接下来，参考图15及16将描述本发明的变型。在同一图中所示的锥形滚柱轴承1是这样的：由工程塑料整体模制的保持架5的柱状件5c的外径表面被形成有凸起5f，其向外环滚道表面侧凸起。该结构的其余部分与上面描述的保持架5(图6)相同。在凸起5f中，柱状件5c的横向上的横截面轮廓是拱形的，如图16中所示。这个拱形形状的曲率半径R₂小于外环滚道表面半径R₁。这是为了确保，良好楔形油膜能够形成在凸起5f和外环滚道表面之间，理想地，凸起的曲率半径R₂为外环滚道表面半径R₁的大约70-90％。如果它小于70％，楔形油膜的入口开口角变得过大，只是降低了流体动压力。另外，如果它超过90％，则楔形油膜的入口开口角变得过小，同样地降低了流体动压力。

另外，凸起5f的宽度W₂理想地为柱状件5c宽度W₁的50％或更大(W₂≥0.5×W₁)。这是因为如果它小于50％，则对于凸起5f不可能确保形成良好楔形油膜的足够高度。此外，由于外环滚道表面半径R₁连续地从大直径侧变化到小直径侧，凸起5f的曲率半径R₂连续地改变，为了与这种情形协调，则从大直径侧圆环部分5b的大曲率半径R₂到小直径侧圆环部分5a的小曲率半径R₂(见图6)。

图15和16中的锥形滚柱轴承1以上述的方式被构造；因此，在轴承1开始旋转且保持架5旋转时，在保持架5的外环滚道表面和凸起5f之间形成楔形油膜。这种楔形油膜产生大致与轴承1的旋转速度成比例的流体动压力；因此，即使保持架5的节圆直径(PCD)被做得比现有技术中的大且靠近外环滚道表面，它对于轴承1也能在不引起大磨损或扭矩损耗的情况下旋转，从而无困难地增加滚柱的数量。

迄今，已经描述了本发明的多个实施例；然而，本发明不被限制于此，并且各种改变是可能的。例如，尽管高级工程塑料例如PPS、PEEK、PA、PPA和PAI已经被用作保持架材料，但是如有需要时，可以使用其中添加有玻璃纤维或碳纤维的这些树脂材料或其他工程塑料，以用于增强强度。

Claims

1.一种锥形滚柱轴承，其包括内环、外环、可滚动地设置在所述内环和外环之间的多个锥形滚柱和保持架，所述保持架用于在沿圆周的预定间隔处保持锥形滚柱，其中所述保持架在处于中性状态时没有与外环相接触，但在沿径向运动时，它与外环相接触。

2.如权利要求1中所述的锥形滚柱轴承，其中滚柱系数超过0.94。

3.一种锥形滚柱轴承，其包括内环、外环、可滚动地设置在所述内环和外环之间的多个锥形滚柱和保持架，所述保持架用于在沿圆周的预定间隔处保持锥形滚柱，其中滚柱系数超过0.94。

4.如权利要求1到3中的任一项所述的锥形滚柱轴承，其中所述保持架的凹槽的窗角在55°到80°的范围内变化。

5.如权利要求1到4中的任一项所述的锥形滚柱轴承，其中所述保持架由在机械强度、耐油性和耐热性方面优良的工程塑料制造。

6.如权利要求1到5中的任一项所述的锥形滚柱轴承，其中所述轴承被用于变速箱。

7.如权利要求1到5中的任一项所述的锥形滚柱轴承，其中所述轴承被用于差速器。