车辆主动锥齿轮单元及其双列圆锥滚子轴承的制作方法

本发明涉及一种在车辆末端驱动中使用的主动锥齿轮单元以及该主动锥齿轮单元中所采用的双列圆锥滚子轴承。

背景技术：

如图1所示，车辆末端驱动中的主减速器单元(main gear unit/final drive unit)100用于将变速箱输出的扭矩传递至车辆的后轮。其中，主动锥齿轮(drive bevel gear/pinion)20与从动锥齿轮(driven bevel gear)40的正确啮合是实现这种扭矩传递的关键。为确保上述两副齿轮能够在各种负荷条件下始终处于正确的啮合位置，主动锥齿轮20在轴向和径向上的任何移位和变形都应当尽量避免。为此，主动锥齿轮单元(vehicular pinion unit)10和导向轴承(spigot bearing)30在设计上为主动锥齿轮轴(pinion shaft)21提供双侧支撑，防止主动锥齿轮20在轴向和径向上发生移位和变形，以免不当啮合导致两副齿轮之间发生震动、噪音和提前磨损。

图2为主动锥齿轮单元10的放大截面图。如图所示，主动锥齿轮单元10采用双列圆锥滚子轴承12和14，以背靠背的方式设置在主动锥齿轮单元壳体(亦称“轴承座”)11中沿径向伸出的挡肩13的两侧空间内。轴承座11被设置为通过螺栓能够可靠固定在主减速器单元100的壳体101上。为表述方便，在轴向上靠近主动锥齿轮20的圆锥滚子轴承12被定义为头轴承(head bearing)，在轴向上远离主动锥齿轮20的圆锥滚子轴承14被定义为尾轴承(tail bearing)。头、尾轴承12和14成对设置，为主动锥齿轮轴21提供轴向和径向支撑。为确保实现刚性支撑，双列圆锥滚子轴承12和14在装配阶段必须实现合理的预紧。

众所周知，圆锥滚子轴承的预紧是通过对其内、外圈进行轴向调节，来消除轴承内部的轴向游隙和径向游隙。预紧的程度对轴承内部游隙的敏感度非常高。如图3所示，仅在一个狭小的负游隙区间P(在本文中称为“最佳游隙区间”，此时滚动体与内外、圈之间产生轻微程度的接触形变)内，滚动轴承才能够达到最佳的预紧状态。在除此以外的其他大部分游隙区间内，轴承的预期寿命均会显著降低。尤其当游隙范围低于最佳游隙区间P时，轴承的内部应力会急剧增加，导致温升陡增，寿命剧减，甚至会出现卡死现象。最佳游隙区间P的尺寸范围非常狭小，通常不超过几十微米，因此可靠预紧对游隙范围的要求非常高。

然而，在现有技术条件下，轴承的预紧却难以精确实现。如图2所示，现有的预紧模式是在头轴承12和尾轴承14的内圈之间设置隔圈(spacer)15来实现的。隔圈的尺寸到底多少才合适，需要在装配过程中逐一尝试。为此，厂家必须准备几十种不同厚度的隔圈，以备更换调配之用。在每次尝试(装配)之后，装配人员都必须以力矩测量仪进行测量或者以手动的方式感知扭转轴承所需的转矩，以此来判断双列轴承是否已实现正确预紧。理论上讲，转矩过大，则说明轴承预紧过度，内部游隙不足，会严重缩短轴承的使用寿命；转矩过小，则说明轴承内部游隙过大，难以提供主动锥齿轮轴所需的刚性支撑。采用力矩测量仪来衡量轴承的预紧程度在实践中被证明并不可靠，因而极少采用。在实践中更多采用的还是依靠作业人员的感知和经验进行逐一尝试和更换。但在这种人工感知的模式下，轴承的初次安装预紧，更多地取决于隔圈的随机选取，使得精确预紧成为小概率事件。即使允许多次调换隔圈，也需要反复拆卸和调试，耗时费力，使装配工艺成为生产效率的瓶颈，耗费的人工成本也居高不下。业界期盼一种能够通过简单装配即可实现精确预紧的产品和方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种用于车辆主减速器的主锥齿轮单元，包含能够可靠固定在主减速器壳体上的轴承座和能够以背靠背方式设置在轴承座内沿径向伸出的挡肩两侧的双列圆锥滚子轴承。双列圆锥滚子轴承中的至少一列具有内圈加长结构，确保双列轴承在装配过程中能够以内圈直接抵靠的方式来实现双列轴承的精确预紧。

采用上述结构的主锥齿轮单元在安装过程中以双列内圈的直接抵靠来实现精确预紧，避免了在装配阶段对轴承进行轴距调整的需要，彻底消除了使用隔圈所带来的诸多不便和问题，显著提高了系统的装配效率。

与主锥齿轮单元相适应，本发明还提供一种双列圆锥滚子轴承，能够以背靠背方式设置在主锥齿轮单元壳体内沿径向伸出的挡肩的两侧。所述双列圆锥滚子轴承在最佳工作负游隙的状态下，各自内圈在轴向上超出对应外圈内端面的突出量的总和刚好与挡肩的轴向尺寸相当。

通过采用上述加长内圈结构的轴承，能够在结构上弥补挡肩的轴向尺寸，在极大程度上简化了在装配阶段对轴承进行预紧调试的操作。

以下结合附图详细描述本发明的各种实施方式和有益的技术效果。

附图说明

图1为现有技术中车辆末端主减速器单元的立体剖切结构示意图；

图2为现有技术中主动锥齿轮单元的放大截面示意图；

图3为滚动轴承的预期寿命与内部游隙之间的关系图；

图4为本发明所述主动锥齿轮单元第一种实施方式的截面示意图；

图5为本发明所述主动锥齿轮单元第二种实施方式的截面示意图。

具体实施方式

本发明的基本构思是，以加长的轴承内圈结构来弥补由于挡肩在主动锥齿轮单元中的存在所造成的头、尾轴承之间轴向间距的增加。所述加长的轴承内 圈结构仅限于头轴承12和尾轴承14的各自内圈面向对方的一端(侧)，在本文中亦被称为“内侧”或者“对侧”。就尺寸而言，头轴承12和尾轴承14的内圈超出各自外圈的内端面的突出量的总和与挡肩13的轴向尺寸(厚度)精确相当，从而恰好弥补因挡肩13的存在所导致的头、尾轴承之间轴向间距的增加。采用内圈加长结构的头、尾轴承，只要在装配过程中使彼此内圈直接抵靠，就能够同时实现两副轴承的精确预紧。

有必要指出，轴承内圈超出各自外圈内端面的突出量是指在轴承处于最佳工作负游隙状态下进行测量的结果，而使轴承处于最佳游隙区间可以通过对轴承施加轴向额定预载荷来实现。因此，实现本发明的基本方法可以概括为：在对轴承施加额定(最佳)预载荷的情况下，控制轴承内圈超出各自外圈内端面的突出总量(头轴承的内圈突出量+尾轴承的内圈突出量)，使得该突出总量与挡肩的轴向尺寸保持一致。

在图4所示的第一种实施方式中，设置在挡肩13两侧的头轴承12和尾轴承14在结构上均形成有伸向对方的内圈加长部12a和14a。在施加额定预载荷的条件下，内圈加长部12a和14a超出各自外圈内端面的突出量的总和(突出总量)刚好与挡肩13的轴向尺寸相当。这样，在装配过程中，如图1所示，只要旋紧锁紧螺母(lock nut)22，使头、尾轴承的内圈加长部12a和14a彼此抵靠，就能够实现头轴承12和尾轴承14的精确预紧。通过在生产过程中精确控制内圈加长部12a和14a的尺寸，使其与挡肩13的轴向尺寸高度一致，就能从根本上消除了在装配过程中使用隔圈来调整轴承间距的必要性。

在图4所示的实施方式中，作为一种选择，头、尾轴承的内圈加长部12a和14a超出各自外圈内端面的突出量相等，彼此抵靠的接触面15c刚好位于挡肩13的中线AA’上。这种具有等长突伸量的内圈加长部在头、尾轴承均采用同款轴时承极具优势，因为同款轴承的对称使用特别有利于降低生产成本。

作为另外一种选择，如图5所示，尾轴承14形成有向头轴承12方向伸出的内圈加长部14a，而头轴承12则未形成伸向尾轴承14的内圈加长部12a。实际上， 在图5所示的实施方式中，头轴承12的内圈加长部12a在面向尾轴承14的方向上并未超出其外圈的内端面，这在数学上可被理解为其超出外圈内端面的突出量为负值。从这个意义上讲，双列内圈加长部突出量的总和与各轴承内圈突出量之间仍然满足：

双列内圈突出量的总和＝头轴承的内圈突出量+尾轴承的内圈突出量。

在图5所示的实施方式中，内圈未超出外圈内端面的尾轴承14实际采用的是标准轴承。所谓标准轴承是指结构和尺寸均符合常规的技术规范(例如：中国国家标准GB、国际标准ISO等)，因而在实践中被予以大量采用的通用型滚动轴承。换言之，上述双列圆锥滚子轴承中，允许其中一列轴承形成有伸向对侧轴承的内圈加长部，因而也允许对侧轴承则采用内圈未超出自身外圈内端面的标准轴承。标准圆锥滚子轴承相比于采用加长内圈结构的非标准圆锥滚子轴承，能够有效降低生产成本。

上述以挡肩的轴向尺寸来确定轴承内圈加长部的方法，特别适合于轴承座的生产商购买轴承进行组装，因为他们可以要求轴承供应商提供符合挡肩尺寸要求的轴承。该方法可以概括为：根据轴承座挡肩的轴向尺寸来确定轴承内圈加长部向内的突伸总量。

在另外一种情况下，也可以根据轴承内圈加长部的尺寸来确定挡肩的轴向尺寸。该方法更适合于轴承的生产厂家购买轴承座进行组装，因为他们可以要求轴承座的供应商提供符合内圈加长部向内突出总量要求的轴承座；抑或是在自行购买轴承座以后，对挡肩部分进行再加工，以获得与内圈加长部向内侧突出总量相对应的挡肩厚度。

从以上描述可以看出，本发明的实质性特点是设计和制造具有匹配结构组合部件，以避免在装配阶段采用额外的部件进行匹配调试的必要。在生产阶段控制组合部件之间的匹配精度(使内圈加长部的突出总量与挡肩的轴向尺寸高度一致)，比到装配阶段再进行匹配和调试要简单得多，而且有利于节约装配成本。

除此以外，采用内圈直接抵靠的方式来实现轴承预紧还有一个好处，就是减少了主动锥齿轮单元内轴向部件接触界面(contact interfaces)的数量，这对轴承保持持久的工作预紧状态具有重大意义。

如图1所示，头、尾轴承12和14在锁紧螺母22施加的预载荷的作用下实现了预紧，预载荷使隔圈15与两侧的轴承内圈在接触界面15a和15b(参见图2)处形成挤压。该挤压在经过一段时间的系统运行和磨合之后，使隔圈和双列内圈在界面15a和15b处的接触表面发生表面平坦化效应(surface flattening effect，指部件表面的微观凹凸结构因受挤压而逐渐变得平坦)。该效应导致隔圈与两侧内圈之间的接触应力随着系统的运行而逐步减弱甚至消失，致使轴承实际承受的预载荷(剩余预载荷)不再是当初内圈彼此抵靠安装时所达到的初始预载荷，最终导致轴承的预紧失效。平坦化效应与部件之间的接触界面数量直接相关。一般而言，接触界面越多，预载荷预减损现象越严重。对比图2和图4可知，双列内圈的直接抵靠导致轴承内圈在轴向上的接触界面由两处(15a和15b)减少为一处(15c)，因而能够有效减少表面平坦化效应对轴承预紧所造成的不利影响。

所述领域的技术人员应当理解，有关本发明所述主动锥齿轮单元及其采用的双列圆锥滚子轴承的各种变化和改进，只要符合随附权利要求书的限定，均属于本发明的保护范围。