CN101978183A - 用于曲轴的隔音滚动元件轴承 - Google Patents

用于曲轴的隔音滚动元件轴承 Download PDF

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Abstract

一种用于支撑关于相邻的支承表面(38)转动的轴(14)的径向滚动元件轴承(10)。该径向滚动元件轴承(14)包括多个滚动元件(18)和滚体(22)。该滚体包括形成用于多个滚动元件的滚道的凸状第一表面(44)和具有形成在滚体的第二表面与相邻支撑表面和轴之一之间的中空空间(52)的轮廓的与凸状第一表面相对的第二表面(48)。当第一径向载荷施加到轴承时，该中空空间具有第一体积，当大于第一径向载荷的第二径向载荷施加到轴承时，该中空空间具有小于第一体积的第二体积。

Description

用于曲轴的隔音滚动元件轴承
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年10月27日提交的美国临时专利申请No.61/108,592的优先权，该美国临时申请的整个内容在此被引用作为参考。
技术领域
本发明涉及轴承，更特别地，涉及用于内燃机的曲轴的轴承。
背景技术
最常用于汽车以及其它内燃机的轴承类型称作液力普通轴承(hydrodynamic plain bearing)。液力普通轴承依靠由外部加压的润滑剂的持续流动提供的流体薄膜来支撑载荷并分隔运动部件。液力普通轴承通过利用轴的相对运动而运行以进一步增大流体薄膜的流体压力并产生被挤压的润滑剂的局部楔以支撑所述载荷。
可以使用的另一类型的轴承是滚动元件轴承。滚动元件轴承要求最小量的润滑剂并能够无需外部施压源地运行。因为轴承元件向前滚动，所以它们收集和挤压沉积在轴承表面上的任何润滑剂流体。通过该运动产生的微小的流体楔具有支撑集中载荷的非常高的压力。
发明内容
将滚动元件轴承用于内燃机的曲轴可以提供超过液力普通轴承的优点，例如在效率方面。但是，滚动元件轴承会产生显著的噪音。实施本发明的滚动元件轴承减少传入曲轴箱的噪音。
液力普通轴承要求外部施压润滑剂的持续流动，并且如果这种持续流动不能提供的话则会快速失效。主要由于发生在流体薄膜之间的剪切，存在与液力轴承的运行相关的明显摩擦损耗。多至四分之一的整个发动机摩擦归因于这种摩擦源和热量。
滚动元件轴承并不会遭受与液力普通轴承相同的摩擦损耗。形成在滚体元件和轴承表面之间的流体楔是微小的并产生小的剪切，因此产生低很多的摩擦水平。滚动元件轴承或者抗摩擦轴承通过少的润滑剂运行，这同样使得它们非常能够忍受不同的润滑条件和干扰。但是，由于它们发出相对大量的噪音和振动，它们很少用于发动机场合。
为了更高的燃油效率和更低的排放，在提高汽车以及其它内燃机的效率方面存在明显的兴趣。一种实现这一点的方法是将液力发动机轴承替换为滚动元件设计。这在技术上是可行的，但是存在噪音和振动的问题。液力流体薄膜轴承自身产生非常少的噪音和振动，并可以实际吸收由其它源例如曲轴谐振引起的噪音和振动。相反，滚动元件轴承产生作为它们运行的固有功能的周期性振动。这些振动传递到它们周围并会激发共振，该共振功能被感觉到或听到，是不期望的结果。本发明允许使用没有传递到发动机结构的噪音和振动的负面影响的更高效率的滚动元件轴承。
在一个实施例中，本发明提供一种用于支撑关于相邻的支撑表面转动的轴的径向滚动元件轴承。该径向滚动元件轴承包括多个滚动元件和滚体。该滚体包括上凸第一表面和与上凸第一表面相对的第二表面，上凸第一表面形成用于多个滚动元件的滚道，第二表面具有在滚体的第二表面与相邻支撑表面和轴之一之间形成中空空间的轮廓。当第一径向载荷施加到轴承时，该中空空间具有第一体积，当大于第一径向载荷的第二径向载荷施加到轴承时，该中空空间具有小于第一体积的第二体积。
在另一个实施例中，本发明提供一种曲轴轴承组件，其包括支撑表面和可关于支撑表面转动的曲轴以产生第一径向载荷和大于第一径向载荷的第二径向载荷。所述组件进一步包括用于支撑关于支撑表面转动的曲轴的径向滚动元件轴承。径向滚动元件轴承包括多个滚动元件和滚体，该滚体包括上凸第一表面和与上凸第一表面相对的第二表面，上凸第一表面形成用于多个滚动元件的滚道，第二表面具有在滚体的第二表面与支撑表面和曲轴之一之间形成中空空间的轮廓。当第一径向载荷施加到轴承时，中空空间具有第一体积，当第二径向载荷施加到轴承时，中空空间具有小于第一体积的第二体积。
本发明的其它方面将通过考虑详细描述和附图而变得明显。
附图说明
图1是实施本发明的曲轴轴承组件的局部截面视图。
图2是示出对于图1的曲轴轴承组件的一种结构，该组件的轴承的偏转相对于施加到轴承的径向载荷的图表。
图3是图1的曲轴轴承组件的替代实施例的局部截面视图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明并不限制其应用到在下面的描述中提出或者在下面的附图中示出的部件配置和结构的细节。本发明能够是其它实施方式的，并能够以不同的方式实施或实现。再者，应当理解，在此所用的措词和术语是为了描述目的的并不应视为限制性的。在此使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变体是指包括在其后列出的项目及其等价物以及其它项目。除非另有特别说明或限定，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变体是广义地使用的，并且包括直接或间接的安装、连接、支撑和耦接。进一步地，“连接”和“耦接”并不限制为物理或机械的连接或耦接。
图1示出支撑轴14的轴承10的实施例。该轴承10包括多个滚动元件18、滚体22和保持器或保持架24。示出的轴14是用于内燃机的曲轴，轴承10支撑曲轴14，用于关于曲轴箱30转动。示出的曲轴14包括圆柱轴颈部分34，用于正确保持轴承10与曲轴箱30对齐。曲轴箱30的圆柱孔包括轴承支撑表面38。在其它实施例中，轴14可以是凸轮轴、平衡轴或其它类型的轴，要么是在内燃机中的，要么是在其它非发动机应用中的。
多个滚动元件18支撑轴14以使得轴14可以转动和传递力。在所示结构中，滚动元件18直接在轴14的圆柱轴颈部分34上滚动或运转。在其它结构中，内滚体可以布置在轴颈部分34和滚动元件18之间以使得滚动元件沿着内滚体滚动。
多个滚动元件18是圆柱的滚动元件，其通常称作针或销，但可以是其它类型的滚动元件，包括球体、锥形滚动元件或其它已知类型的滚动元件。此外，保持架24可以移除并且多个滚动元件18可以是滚动元件18的全部或部分补充。而且，所示保持架24是分离保持架以允许在圆柱轴颈34周围的安装。
滚体22包括上凸内表面或冠状表面44和与内表面44相对的下凹外表面48。冠状表面44形成用于滚动元件18沿着滚动的滚道48。如图1所示，下凹外表面48具有限定由下凹表面48和支撑表面38界定的体积或者中空空间52的轮廓。在一种构型中，冠状表面44具有400μ英寸的高度54，并且中空空间52具有300μ英寸的深度56。当然，在其它构型中，冠状表面44的高度54和中空空间52的深度56可以是任何适当的尺寸。滚体22进一步包括在滚体22的下凹外表面48的两端的大致圆柱的平的台面(land)或支撑表面60。表面60将滚体22支撑在曲轴箱30的支撑表面38上。下凹外表面48的长度64限定为如图1所示的台面60之间的距离。在一种构型中，可以在滚体22和曲轴箱30的支撑表面38之间使用中间套筒以减小在台面60上的磨蚀或磨损。
在所示构型中，滚体22是轴承的外滚体，也就是，与轴颈部分34或内滚道相比，位于从轴14的转动中心的径向向外。在其它构型中，滚体22可以是内滚体并与轴14相邻。此外，在所示构型中，滚体22是分离滚体以有利于在轴14的圆柱轴颈部分34周围的安装。
在运行过程中，曲轴14围绕轴68转动，并且可变径向载荷(在图1中由箭头72表示)施加到轴承10。相应地，与支撑轴向载荷(也就是，沿着轴68)的推力轴承相比，轴承10是径向轴承。在相对轻的径向载荷下，滚体22容易变形。当径向载荷施加到轴承10时，台面60沿着支撑表面38滑动或展开。因此，中空空间52的长度64增大，而中空空间52的深度56却减小，并且空间52的体积减少。
滚体22由于中空空间52而具有相对低的弹簧应变率，并且当滚动元件18在接触表面(也就是滚道50或轴颈部分34)上遭遇非一致性时，低弹簧应变率产生低的振动力。图2用图表示出该低弹簧应变率。在一种构型中，滚体2由轴承钢形成。在其它构型中，滚体22可以由任何适当的材料形成，包括其它类型的钢等。
在相对重或大的径向载荷下，滚体22变形以使得中空空间52消失或消除。这样，滚道50以高刚度受到支撑或以比具有中空空间52时更高弹簧应变率受到支撑。图2示出在100％载荷下的该高刚度(也就是，直线的斜率)。在一种构型中，空间52消失所处于的载荷是在满载或最大径向载荷的30-60％的范围内。
滚体22的冠状表面44产生小的接触尺寸或带，滚动元件18处于相对低的径向载荷，从而产生低的压力阻力。在相对高的径向载荷下，冠状表面44的高度54降低，从而导致更大的接触带或者更低的接触应力，因此产生高的轴承10耐用性。
在一个实施例中，弹性覆层可以在外表面48上施加到滚体22以提供额外的减震。此外，或者，在另一实施例中，可以在中空空间52中提供油的供应以提供进一步的减震。在这样的构型中，可以使用在台面60中的轴向沟槽来提供油到空间52的供应。
图3示出图1的轴承10的替代实施例。图3的轴承10’类似于图1的轴承10，并且相同的部件被给予相同的附图标记加上撇号，并且在此将仅讨论实施例之间的差异。
参照图3，在分离滚体22’安装到曲轴箱30’中之后，未处治的聚合物(uncured polymer)在压力下通过孔或端口80’注入，并注入到中空空间52’内。这允许滚动元件18’和滚体22’的小的预载荷以最小化运行振动。聚合物可以包括这样的聚合物，例如，环氧树脂、尿烷或RTV，该聚合物可包括可压缩气泡或可压缩颗粒。止回阀82’保持聚合物在中空空间52’之内。振荡器和加速度计83’临时耦接到轴14’。当聚合物被注入到空间52’中时，加速度计83’测量由振荡器引起的轴14’的振动。当轴14’的振动开始减小或达到期望水平时，聚合物注射停止以提供期望预载荷给滚体22’。
台面60’包括轴向指向的浅的刮槽或沟槽84’，其允许在聚合物注射过程中气穴逃出空间52’，但是聚合物并不逃出，因为聚合物具有比空气实质上更高的粘性。当轴承10’装载时，在空间52’内的气穴的任何存在会导致聚合物的爬行，这样降低或解除滚体22’的预载荷。
在运行过程中，径向载荷从轴14’施加到轴承10’。因此，由于滚动元件18’、轴14’的轴颈部分34’和滚体22’之间的接触，滚体22’收缩以减小冠状表面44’的高度54′，并且在空间52内的聚合物中压力增大。此外，聚合物可以包含小的可压缩颗粒或气泡，其提供更低的刚度直到足够高的载荷被施加到轴承10’。当这样的高载荷被施加到轴承10’时，聚合物中的压力使得颗粒或气泡被压缩，其增大了更高载荷下轴承滚体22’的刚度。相应地，气泡或可压缩颗粒提供给聚合物两种弹簧应变率。
这样，本发明至少提供减少噪音和振动的用于曲轴的径向滚动元件轴承。

Claims (20)

1.一种用于支撑关于相邻支撑表面转动的轴的径向滚动元件轴承，该径向滚动元件轴承包括：
多个滚动元件；以及
滚体，其包括：
上凸第一表面，其形成用于所述多个滚体元件的滚道；以及
与所述上凸第一表面相对的第二表面，其具有在所述滚体的第二表面与所述相邻支撑表面和所述轴之一之间形成中空空间的轮廓，
其中，当第一径向载荷施加到所述轴承时，所述中空空间具有第一体积，以及
其中，当大于所述第一径向载荷的第二径向载荷施加到所述轴承时，所述中空空间具有小于所述第一体积的第二体积。
2.如权利要求1所述的径向滚动元件轴承，其中，所述滚体是所述轴承的外滚体，以使得所述中空空间形成在所述第二表面和所述相邻的支撑表面之间。
3.如权利要求2所述的径向滚动元件轴承，进一步包括在所述中空空间内的弹性聚合物。
4.如权利要求3所述的径向滚动元件轴承，进一步包括延伸通过与所述中空空间流体连通的所述相邻支撑表面的孔，其中，所述聚合物通过所述孔注入到所述中空空间内。
5.如权利要求1所述的径向滚动元件轴承，其中，所述多个滚动元件是圆柱滚动元件。
6.如权利要求1所述的径向滚动元件轴承，其中，当大于所述第二径向载荷的第三径向载荷施加到所述轴承时，所述滚体的所述第二表面接触所述相邻支撑表面和所述轴之一以使得所述中空空间被消除。
7.如权利要求6所述的径向滚动元件轴承，其中，满载荷限定为施加到所述轴承的最大径向载荷，其中所述滚体的弹性使得所述第三载荷为所述满载荷的大约30-60％。
8.如权利要求1所述的径向滚动元件轴承，其中，所述第二表面的轮廓的一部分为下凹的。
9.如权利要求8所述的径向滚动元件轴承，其中，所述第二表面包括将所述滚体支撑在所述轴和所述相邻支撑表面之一上的圆柱的平的支撑表面。
10.如权利要求9所述的径向滚动元件轴承，其中，所述圆柱的平的支撑表面包括延伸跨过所述圆柱的平的支撑表面的轴向沟槽以提供与所述中空空间的流体连通。
11.如权利要求1所述的径向滚动元件轴承，其中，所述相邻的支撑表面为发动机曲轴箱，并且其中所述轴为发动机曲轴。
12.如权利要求1所述的径向滚动元件轴承，进一步包括在所述第二表面的至少一部分上的弹性覆层。
13.一种曲轴轴承组件，包括：
支撑表面；
曲轴，其能够关于所述支撑表面转动以产生第一径向载荷和大于该第一径向载荷的第二径向载荷；以及
径向滚动元件轴承，用于支撑关于所述支撑表面转动的所述曲轴，所述径向滚动元件轴承包括：
多个滚动元件，以及
滚体，其包括形成用于所述多个滚体元件的滚道的上凸第一表面和与该上凸第一表面相对的第二表面，第二表面具有在所述滚体的所述第二表面与所述支撑表面和所述曲轴之一之间形成中空空间的轮廓，
其中，当所述第一径向载荷施加到轴承时，所述中空空间具有第一体积，以及
其中，当所述第二径向载荷施加到轴承时，所述中空空间具有小于所述第一体积的第二体积。
14.如权利要求13所述的曲轴轴承组件，其中，所述滚体是所述径向滚动元件轴承的外滚体以使得所述中空空间形成在所述第二表面和所述支撑表面之间。
15.如权利要求13所述的曲轴轴承组件，其中，所述支撑表面包括曲轴箱。
16.如权利要求13所述的曲轴轴承组件，进一步包括在所述中空空间之内的弹性聚合物。
17.如权利要求16所述的曲轴轴承组件，进一步包括延伸通过与所述中空空间流体连通的支撑表面的孔，其中所述弹性聚合物通过所述孔注入所述中空空间内。
18.如权利要求13所述的曲轴轴承组件，其中，所述第二表面的轮廓的一部分是下凹的。
19.如权利要求13所述的曲轴轴承组件，其中，所述第二表面包括将所述滚体支撑在所述曲轴和所述支撑表面之一上的圆柱的平的支撑表面。
20.如权利要求19所述的曲轴轴承组件，其中，所述圆柱的平的支撑表面包括轴向沟槽，该轴向沟槽延伸跨过所述圆柱的平的支撑表面以提供与所述中空空间的流体连通。
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