专利名称：用于机动车传动的圆锥滚子轴承的制作方法
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。
边缘应力的控制对于用于机动车传动的现有的圆锥滚子轴承，必需考虑可能产生的装配误差，如内圈和外圈之间的相对斜角(偏斜)，并采取措施，即使在最大载荷情况下防止由于这样的装配误差产生的边缘应力而使轴承的寿命降低。例如，滚道面1或3、或圆锥滚子的外圆周表面设有凸缘，这样在一定的装配范围内，可以防止出现大的边缘应力。另一种形式为通过轴承的内部设计(直径，长度，滚子的数量)来降低边缘应力。凸缘越大，对降低边缘应力越有效。但是，凸缘尺寸的增加(减小曲率半径的方法)减小了圆锥滚子和滚道面之间的接触面积，因而增大了最大接触应力。因此，通常实用的是选取一个适当的凸缘尺寸。值得注意的是，一般来说，凸缘尺寸由以下方法来设计边缘应力的上限由第一位置决定，使用一预定的公式从上限向回计算来得出凸缘的尺寸。
表面早期剥落另一方面，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，如果同时发生不利的情况如(1)油温高，(2)油流速低，(3)预载损失等，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。
为增加圆锥滚子轴承寿命的现有技术都关注轴承的结构或形状，尤其是凸缘，而没有对最大接触应力的绝对值(见日本发明专利公布No.2000-235749，日本实用新型专利公布No.Hei 5-22845，日本实用新型专利公布No.2554882，和日本发明专利公布No.2001-3941)做过特殊的研究。
本发明的发明人发现，实验的结果是，表面早期剥落的发生率不是由边缘应力决定的，而是由随凸缘的形状或轴承的内部设计而变的最大接触应力来决定的。
虽然如此，大多数现有技术对凸缘和轴承的内部结构进行设计以均衡接触应力的分布，其主要目的是防止由于边缘应力而造成的轴承寿命降低。因此，由于滚道面的最大接触压力问题而导致的表面早期剥落问题一直没有得到解决。
当在润滑状况恶劣的情况下预载增加，由于润滑不好而导致表面早期剥落过早出现。这是因为由于预载损失，轴承内部的载荷分布变小(载荷范围变窄)。本发明的发明人发现，如下面所描述的，实验的结果是过早出现的表面早期剥落的最大接触压力的极限值是3000Mpa，基于这个发现而作出了本发明。
图2是从5种不同类型轴承A-E中的每一种分别抽出9个样品进行实验的实验结果，由于预载损失而出现早期剥落的样品的数量。因为轴承的内部结构不同，因此各个类型的轴承具有不等数量的长度和直径不同的滚子，从而具有不同的最大接触应力。从中间向左的栏表示轴向游隙为0mm并且几乎没有预载情况的结果，而从中间向右的栏表示轴向游隙为0.3mm并且预载全部损失情况的结果。轴承E与轴承B具有相同的内部设计，但凸缘的形状比轴承B的凸缘的形状小(曲率半径比轴承B大)的多。
从图2可以看出，在最大接触压力一达到3000Mpa时就出现过早剥落(early flaking)(使用15个小时后或少于15个小时)，当最大接触压力高于3000Mpa时，出现早期剥落的轴承的样品的数量增加。经证实，没有出现过早剥落的轴承的寿命为出现过早剥落的轴承的15小时的平均寿命的至少10倍。
值得注意的是，图2中的实验条件如下轴承A到E的尺寸为φ45mm×φ81mm×16mm，轴承的材质为碳钢，转速为2500rpm，载荷为19.1KN。
如图3所示，具有小凸缘的轴承E，当装配误差变大时由于边缘应力而使轴承寿命急剧下降(200小时→40小时→20小时)，而具有较大凸缘的轴承B的寿命与轴承E的寿命下降的一样多(200小时→40小时→20小时)。而且，在装配误差不超过3/1000时，轴承B和轴承E的寿命比如图2所示的过早出现表面早期剥落的寿命(15小时)长(由于边缘应力而引起的寿命的降低也能由计算得出)。
图2和图3的实验的润滑状况如下油为VG1.5级，油温为大约90℃(自然升高)，油的高度为轴中心线的高度。
值得注意的，图2和图3的实验是在油膜参数Λ为0.2的条件下进行的，以提高这个问题的再现性。从图4中看到，当油膜参照Λ小于0.6时出现较早剥落。
换句话说，在油膜参照Λ小于0.6的恶劣润滑情况下，甚至在增加载荷或升高温度而出现预载损失的情况下，通过适当的凸缘和轴承内部设计，使滚道面的最大接触压力小于3000Mpa，可以防止表面早期剥落的过早出现。
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大约100mL/min或更低时，目前用于传动的内径为φ20到φ45mm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。
发明内容
如上所描述的情况，本发明的一个目标是提供一种设有凸缘或内部设计的轴承，其通过寻找由于边缘应力产生的疲劳引起的寿命降低和由于润滑不好(受最大接触应力的大小影响)在过早出现表面早期剥落前的寿命之间的平衡，能在使用的短时间内防止轴承碎裂，甚至在恶劣润滑出现预载损失时的情况下可防止过早出现剥落。
本发明的涉及一种用于机动车传动的圆锥滚子轴承，其在发生预载损失的情况下，滚道面的最大接触应力保持在3000Mpa以下。
根据本发明，用于机动车传动的圆锥滚子轴承的滚道面的最大接触应力设在为3000Mpa，即使在在油膜参数不小于0.6小于或润滑油的进给速度小于100mL/min的恶劣润滑情况下发生预载损失时能有效地防止表面早期剥落的过早出现。
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是由于预载损失而产生过早剥落的实验结果；图3是由于偏斜而产生过早剥落的实验结果；图4是由于不同的油膜参数值而产生过早剥落的实验结果；
具体实施例方式
本发明的用于机动车传动的圆锥滚子轴承的结构为即使在出现预载损失时滚道面的最大接触压力也保持在小于3000Mpa的范围内。根据设计凸缘的现有方法，本发明的主要目标是降低边缘应力。如果滚道面的最大接触压力超过3000Mpa，由于偏斜而边缘应力就会增大，在轴承的剥落时间到达之前，由于滚道面的最大接触压力而引起的表面早期剥落就会提前出现。因此，根据设计凸缘的现有方法，轴承的寿命就相对短。因此，更优选的是，即使发生预载损失，用于机动车传动的圆锥滚子轴承设计为滚道面的接触压力保持在小于3000Mpa的范围内。更具体地，在发生预载损失的情况下，为了将最大接触压力保持在3000Mpa以下，在滚道面1或3，或者在圆锥滚子7的外圆周表面上设有预定形状的凸缘(如图1所示)，或者根据所承受的载荷对轴承的内部进行适当的设计(根据直径，长度，滚子的数量)。
权利要求
1.一种用于机动车传动的圆锥滚子轴承，其特征在于在发生预载损失的情况下，滚道面的最大接触应力保持在3000Mpa以下的范围内。
2.如权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其特征在于在所述轴承的滚道面或圆锥滚子的外圆周表面上设有用来保持所述最大接触应力的凸缘。
全文摘要
本发明提供一种用于机动车传动的圆锥滚子轴承，即使在恶劣润滑发生预载损失的情况下也能防止表面早期剥落的过早出现。所述圆锥滚子轴承的结构是，在发生预载损失的情况下滚道面的最大抵触压力保持在3000MPa以下的范围内。
文档编号F16C33/58GK1590794SQ20041005702
公开日2005年3月9日 申请日期2004年8月25日 优先权日2003年8月28日
发明者辻本崇 申请人:Ntn株式会社