CN109661522A - 圆锥滚子轴承 - Google Patents

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Abstract

一种圆锥滚子轴承(1)，其包括：内圈(12)，其在外周具有圆锥状的滚道面(12a)；外圈(13)，其在内周具有圆锥状的滚道面(13a)；多个圆锥滚子(14)，其组装在内圈的滚道面(12a)与外圈的滚道面(13a)之间；和保持器(15)，其收纳该圆锥滚子(14)，其特征在于，在内圈(12)和外圈(13)中的至少内圈(12)的滚道面(12a)上形成有复合曲线的切割凸起，该复合曲线包括：在所述内圈(12)的滚道面(12a)的母线方向的中央部设置的中央曲线(C1)；以及在该中央曲线(C1)的母线方向的两侧设置且曲率半径比中央曲线(C1)的曲率半径小的端部曲线(C2)，在圆锥滚子(14)的滚行面(16)上形成有设置于滚行面(16)的母线方向的中央部的笔直部(16a)和在该笔直部(16a)的母线方向的两侧形成的对数凸起部(16b、16c)，在内圈(12)的滚道面(12a)的有效滚道面宽度设为LG，且圆锥滚子(14)的滚道面(16)的笔直部(16a)的宽度设为LW1时，0.7≤LW1/LG＜0.95。

Description

圆锥滚子轴承
技术领域
本发明涉及圆锥滚子轴承。
背景技术
用于机动车用途和工业用机械用途的圆锥滚子轴承为了应对较大的载荷或错位，而需要将在圆锥滚子轴承的滚道面(包含滚子的滚行面)上产生的接触面压抑制为适当的大小。为了使圆锥滚子轴承的滚道面的接触面压(边缘面压)处于适当的范围，需要形成凸起。具体来说，迄今为止尝试了在内圈、外圈和滚子上分别形成凸起的方法、仅在滚子上形成较大的凸起或者对数凸起的方法等各种各样的方法。
在这样的方法中，作为使接触面压最适当化，从而通过滚道面内部所产生的应力的最小化来实现轴承寿命的延长的方法，专利文献1提出了在Johns-Gohar的式子中导入三个设计参数并整理而得到的对数凸起和滚子轴承。
另外，关于使面压适当化的凸起形状，有专利文献2，其中与凸起形状无关地规定滚子的母线方向上的两点距滚动体或滚道圈的中心的凸起降低量的范围。另外，专利文献3提出了在滚子上形成对数凸起，并且在内圈和外圈中的某一方上也形成对数凸起的方案。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5037094号公报
专利文献2：日本特许第3731401号公报
专利文献3：日本特开2010-106974号公报
发明内容
发明要解决的课题
在形成凸起的情况下，为了降低内外圈的加工成本，优选的是：内外圈的凸起集中于作为滚动体的滚子，在滚子的滚行面上形成降低量大的单一半径的凸起或者对数凸起。因此，判定了在内外圈上形成降低量小的单一半径的凸起形状或者没有凸起形状的笔直形状的滚道面是优选的。
但是，在受到载荷时的弹性变形状态下，由于单一半径的凸起在轴向方向的中央部的接触长度较短，所以判定了中央部的面压较高从而早期产生剥离导致轴承寿命下降的问题。
另外，在对数凸起的情况下同样，由于端部处的降低量较大，所以在磨削加工方面，由于在凸起区域中需要一定程度的轴向方向宽度，所以作为结果，中央部的轴向方向宽度较短，中央部的面压较高，从而导致轴承寿命稍微下降的问题。本发明正是着眼于此。
本发明鉴于上述问题，目的在于提供一种抑制接触面压并且以低成本实现长寿命化的圆锥滚子轴承。
用于解决课题的手段
本发明的发明人为了达到上述的目的而进行了各种讨论的结果为，在圆锥滚子的滚行面上形成对数凸起，着眼于设定其母线方向中央部的笔直部的轴向方向宽度的轴承功能方面、和设定使得滚道圈的滚道面也不产生成本上升的凸起形状的加工成本方面双方，通过想到关于能够最大限度地发挥成本抑制和长寿命化的凸起的组合，从而获得本发明。
作为用于达到上述目的的技术手段，本发明提供一种圆锥滚子轴承，包括：内圈，其在外周具有圆锥状的滚道面；外圈，其在内周具有圆锥状的滚道面；多个圆锥滚子，其组装在所述内圈的滚道面与所述外圈的滚道面之间；和保持器，其收纳该圆锥滚子，其特征在于，在所述内圈和所述外圈中的至少所述内圈的滚道面上形成有复合曲线的切割凸起，该复合曲线包括：在所述内圈的滚道面的母线方向的中央部设置的中央曲线；以及在该中央曲线的母线方向的两侧设置且曲率半径比所述中央曲线的曲率半径小的端部曲线，在所述圆锥滚子的滚行面上形成有设置于所述滚行面的母线方向的中央部的笔直部和在该笔直部的母线方向的两侧形成的对数凸起部，在所述内圈的滚道面的有效滚道面宽度设为LG，且所述圆锥滚子的滚行面的所述笔直部的宽度设为LW1时，0.7≤LW1/LG＜0.95。
根据上述的结构，能够抑制圆锥滚子轴承的接触面压，以低成本实现长寿命化。
优选的是，在所述对数凸起部的降低量设为Dr，所述圆锥滚子的直径设为Dw，所述内圈的滚道面的切割凸起的降低量设为Dc时，处于0.003≤(Dr+Dc)/Dw≤0.03的范围。由此，能够使边缘面压为适当的值，并且加工性能也良好，能够降低制造成本。
本发明的圆锥滚子轴承作为变速器用和差速器用特别适合。
发明效果
根据本发明，能够抑制圆锥滚子轴承的接触面压，以低成本实现长寿命化。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式所涉及的圆锥滚子轴承的纵向剖视图。
图2是将图1的圆锥滚子放大的主视图。
图3是将图2的B部放大的图。
图4是将图1的内圈放大的纵向剖视图。
图5是示出图4的内圈的滚道面的母线方向的形状的示意图。
图6是示出使用了图1的圆锥滚子轴承的机动车用变速器的纵向剖视图。
图7是示出使用了图1的圆锥滚子轴承的机动车用差速器的纵向剖视图。
具体实施方式
以下，根据图1～图5对本发明的一实施方式所涉及的圆锥滚子轴承进行说明。图1是示出本实施方式的圆锥滚子轴承的从中心线起的上侧半部分的纵向剖视图。
如图1所示，圆锥滚子轴承1包括：内圈12、外圈13、组装在内圈12和外圈13之间的圆锥滚子14、以及保持圆锥滚子14的保持器15。内圈12在外周形成有圆锥状的滚道面12a，在小径侧设置有小凸缘部12b，在大径侧设置有大凸缘部12c。外圈13在内周形成有圆锥状的滚道面13a。在内圈12的滚道面12a和外圈13的滚道面13a之间组装有多个圆锥滚子14。各圆锥滚子14收纳在保持器15的凹槽15a中，并且沿圆周方向等间隔地被保持。
在内圈12的滚道面12a和大凸缘部12c的大凸缘面12e相交而成的角部形成有磨削退刀部12f，在滚道面12a和小凸缘部12b的小凸缘面12d相交而成的角部形成有磨削退刀部12g。由于在内圈12的滚道面12a设置有磨削退刀部12f、12g，所以滚道面12a的有效滚道面宽度LG(参照图4)小于圆锥滚子14的滚行面16的有效滚道面宽度LW(参照图2)。
如图1所示，在圆锥滚子14的外周形成有圆锥状的滚行面16，在小径侧形成有小端面14a，在大径侧形成有大端面14b，圆锥滚子14的大端面14b由内圈12的大凸缘面12e承接。如图2所示，圆锥滚子14的滚行面16包括母线方向的中央部分的笔直部16a和两端部的凸起部16b、16c。夸张地显示了图2所示的凸起部16b、16c的降低量。将在后面说明凸起部16b、16c的详细情况。如图1所示，保持器15包括小径侧环状部15b、大径侧环状部15c、以及沿轴向方向将小径侧环状部15b和大径侧环状部15c相连的多个柱部15d。
本实施方式的圆锥滚子轴承的概要如上所述。接下来，根据图2-图5对本实施方式的圆锥滚子轴承的特征性结构进行说明。图2是将图1的圆锥滚子放大的主视图，图3是将图2的B部放大的图，图4是将图1的内圈放大的纵向剖视图，图5是示出图4的内圈的滚道面的母线方向的形状的示意图，是将半径方向尺寸(图的上下方向)相对于母线方向尺寸以500-1000倍程度的放大率表示的图。
本实施方式的圆锥滚子轴承的特征性结构在于，在圆锥滚子的滚行面上形成对数凸起，着眼于设定其中央部的笔直部的轴向方向宽度的轴承功能方面、和设定使得滚道圈的滚道面也不产生成本上升的凸起形状的加工成本方面双方，通过想到关于能够最大限度地发挥成本抑制和长寿命化的凸起的组合而获得，对数凸起仅实施在圆锥滚子上，在内圈和外圈中的至少内圈的滚道面上实施了现有的切割凸起。
如图2所示，圆锥滚子14的滚行面16包括母线方向的中央部分的笔直部16a和两端部的对数凸起部(以下也简称为凸起部)16b、16c。圆锥滚子14的有效滚行面宽度是LW，笔直部16a的宽度是LW1。圆锥滚子14的大径侧的直径是直径Dw。在凸起部16b、16c的端部形成有切线角度d。
这里，关于在圆锥滚子14上实施的对数凸起进行说明。作为一例，凸起部16b、16c的母线根据下式表示的对数凸起的对数曲线求出。该对数凸起式引用了本申请的申请人的日本特许第5037094号公报中记载的内容。
[数式1]
A：＝2Q/πIE’
A：从原点O到有效接触部的端部的长度
E’：等效弹性系数
K1：表示凸起的曲率的程度的参数
K2：表示凸起长度相对于a的比例的参数
I：有效接触部的母线方向长度
Q：载荷
Y：接触部的母线方向位置
z(y)：轴向位置y处的降低量
zm：表示滚子的有效长度的端部处的凸起的最大降低量的最佳值的参数
上述的对数凸起式中的设计参数K1、K2和zm成为设计的对象。针对对数凸起的数理的最佳化方法进行说明。在确定了设计参数K2的基础上，通过适当地选择表示对数凸起的函数式中的K1、zm，能够进行最佳的对数凸起设计。凸起一般设计为使接触部的面压或应力的最大值减少。在此，认为滚动疲劳寿命根据Mises的屈服条件产生，以使Mises的等效应力的最大值最小的方式来选择K1、zm。K1、zm能够使用适当的数理的最佳化方法来进行选择。关于数理的最佳化方法的算法提出了各种方案，作为其中之一的直接探索法能够不使用函数的微系数来执行最佳化，在目的函数和变量不能通过数式直接表现的情况下是有用的。这里，使用作为直接探索法之一的Rosenbrock法求出K1、zm。
本实施方式中的圆锥滚子14的凸起部16b、16c的形状是通过上述的数式求出的对数曲线凸起。不过，不限于上述的数式，也可以使用其他的对数凸起式求出对数曲线。
在图2所示的圆锥滚子14的凸起部16b、16c形成有与通过上述的数式求出的对数凸起的对数曲线近似的形状的凸起。根据图3对形成于圆锥滚子14的大端面14b侧的对数凸起部16b的详细情况进行说明。图3比图2所示的圆锥滚子14更夸张地表示了凸起部16b的降低量，以便容易理解。凸起部16b通过具有大的曲率半径R1、R2、R3的三个圆弧与笔直部16a平滑地连接的复合的圆弧形状来构成。另外，作为凸起部16b的降低量，通过规定第一入口的降低量Dr1、中间的第二入口的降低量Dr2、最大的第三入口的降低量Dr3，而成为近似于对数曲线的凸起形状。降低量Dr3是本说明书和权利请求的范围中的Dr。此外相当于前述的数式1中的zm。由此能够避免边缘面压从而使轴向方向的面压分布均匀化。降低量根据尺寸和型号而有不同，但是最大也是50μm左右。形成于小端面14a的凸起部16c与凸起部16b相同，因此省略说明。本说明书和权利请求的范围中的圆锥滚子的滚行面的笔直部以除了包含直线形状以外还包含具有降低量为几μm左右的凸起的大概直线形状的笔直部的意思来使用。
接下来，根据图4和图5对内圈12和外圈13中的至少内圈12的滚道面12a上所实施的切割凸起进行说明。内圈12的滚道面12a在其母线方向的中央部形成有由曲率半径R4的大的中央曲线C1构成的凸起中央部12r1，该凸起中央部12r1具有宽度LG1。凸起中央部12r1的中央曲线C1的曲率半径R4是在凸起中央部12r1的两端产生5μm左右的降低量的极大的半径。
在凸起中央部12r1的母线方向的两侧形成有切割凸起部12r2、12r3。形成切割凸起部12r2的端部曲线C2的曲率半径R5和形成切割凸起部12r3的端部曲线C3的曲率半径R6都比中央曲线C1的曲率半径R4小。凸起中央部12r1和切割凸起部12r2、12r3之间分别通过平滑的曲线连接。切割凸起部12r2具有宽度LG2，切割凸起部12r2的降低量是Dc1，切割凸起部12r3具有宽度LG3，切割凸起部12r3的降低量是Dc2。该降低量Dc1、Dc2例如设定为为了防止高载荷下或者高错位环境下的边缘负载的产生所需要的值，是15～20μm左右。权利请求的范围中的切割凸起的降低量Dc是上述的降低量Dc1和Dc2的统称。
在本实施方式中，例示了形成于凸起中央部12r1的母线方向的两侧的切割凸起部12r2、12r3、其宽度LG2、LG3、端部曲线C2、C3、曲率半径R5、R6和降低量Dcl、Dc2彼此不同的例子，但是不限于此，也包含切割凸起部12r2、12r3、其宽度LG2、LG3、端部曲线C2、C3、曲率半径R5、R6和降低量Dcl、Dc2的一部分或全部彼此相同的情况。
如图4所示，由于在内圈12的滚道面12a上设置有磨削退刀部12f、12g，所以滚道面12a的有效滚道面宽度成为LG。有效滚道面宽度LG是凸起中央部12r1的宽度LG1和两侧的切割凸起部12r2的宽度LG2相加的和。
以上对内圈12的滚道面12a的凸起中央部12r1和两侧的切割凸起部12r2进行了说明，但是在外圈13的滚道面13a上实施切割凸起的情况下，与内圈12的凸起相同，所以省略说明。
接下来，关于在上述的圆锥滚子14的滚行面16上形成有笔直部和对数凸起部，并且在内圈12的滚道面12a上实施了凸起中央部和切割凸起部的情况，使圆锥滚子14的笔直部的宽度LW1和内圈12的有效滚道面宽度LG之比不同，关于对数凸起端部处的降低量Dr(Dr3)、其切线角度α、加工性能和接触面压值的变化程度的检验结果在表1中示出。
[表1]
在表1所示的检验中，将圆锥滚子的笔直部的宽度LW1与圈的有效滚道面宽度LG进行比较，使比LW1/LG不同，进行了评价。该理由是基于以下考虑：由于在内圈的滚道面上实施了切割凸起，所以得到与内圈的有效滚道面宽度LG的比一方更适应的检验结果。内圈的有效滚道面宽度LG与后述的第9页的表2所示的圆锥滚子的有效滚道面宽度LW之比LW/LG是1.1～1.2左右。由于比LW/LG是1.1～1.2左右，所以表1的LW1/LG＝0.6与表2的LW1/LW＝0.5是大致相同的意思，在LW1/LG＝0.6的情况下，将凸起集中于圆锥滚子在加工方面是优选的，因此不需要切割凸起。
如表1所示，为了有效地减小中央部的接触面压，滚子的笔直部的宽度LW1相对于内圈的有效滚道面宽度LG之比LW1/LG优选是0.7以上。在本实施方式的圆锥滚子轴承1中，在将圆锥滚子的对数凸起部的降低量设定为能够进行超精加工的范围的基础上，降低量的不足量通过内圈或外圈的现有的切割凸起来弥补，使得即使比LW1/LG为0.9以上，也能够没有问题地进行加工。不过，确认了若比LW1/LG为0.95，则滚子端部处的切线角度α变得过大，难以加工。
这里，对若圆锥滚子端部的接触角度α变得过大则超精加工变得困难的理由进行说明。虽然省略了图示，但是关于圆锥滚子的超精加工，例如将圆锥滚子支承在形成于一对进给滚筒的引导螺纹面上，一边使圆锥滚子旋转，一边在进给滚筒之间通过并输送，这时滚子外周面通过砂轮来进行超精加工。为了对圆锥滚子的笔直部和对数凸起部进行超精加工，而使圆锥滚子的姿势变化。因此使进给滚筒的引导螺纹面的螺纹底角度变化，但是若圆锥滚子端部的接触角度α变得过大，则加工变得困难。
根据以上的检验结果，通过使比LW1/LG处于0.7≤≤LW1/LG＜0.95的范围，能够减小接触面压并抑制边缘负载的产生，并且加工性能也良好，能够降低制造成本。
与此相对，作为开发过程的见解，内圈的滚道面为笔直形状并且仅对圆锥滚子实施了对数凸起的情况下的检验结果在表2中示出。
[表2]
如表2所示，在仅对圆锥滚子实施了对数凸起的情况下，若笔直部的宽度LW1相对于滚子的有效滚道面宽度LW之比LW1/LW为0.9以上，则滚子端部处的切线角度α变得过大，难以加工。此外，若比LW1/LW为0.45，则中央部的接触面压增加，因此变得无法实际使用。
由于将图1所示的圆锥滚子14的小端面14a与小凸缘面12d之间的间隙S设定为0.4mm以下，所以能够获得偏斜的抑制效果，并且减少圆锥滚子轴承1组装时的协同旋转，组装性也变得良好。上述的间隙S例如在机动车用变速器所使用的圆锥滚子轴承的尺寸的情况下，是0.4mm以下，但是在大尺寸的圆锥滚子轴承的情况下，间隙S也有的是0.5mm以上。
通过使图2和图4所示的滚子和内圈的凸起的合计降低量Dr+Dc相对于滚子直径Dw之比(Dr+Dc)/Dw处于0.003≤(Dr+Dc)/Dw≤0.03的范围，能够使边缘面压为适当的值，并且加工性能也良好，能够降低制造成本。如果(Dr+Dc)/Dw小于0.003，则边缘面压变大，如果(Dr+Dc)/Dw大于0.03，则降低量Dr变得过大，制造困难。
如以上说明的那样，关于本实施方式的圆锥滚子轴承1，通过在将圆锥滚子的对数凸起部的降低量设定为能够进行超精加工的范围的基础上，降低量的不足量通过内圈或外圈的现有的切割凸起来弥补，使得具有以下显著效果：能够较长地确保笔直部，并减小接触面压并抑制边缘负载的产生，而且加工性能也良好，能够降低制造成本。
最后，作为本实施方式的圆锥滚子轴承1的优选的用途，根据图6和图7对机动车用变速器和机动车用差速器的概要进行说明。图6是机动车用变速器的主要部分的纵向剖视图，图7是机动车用差速器的纵向剖视图。
图6所示的变速器30是同步啮合式变速器的一个例子。在变速箱体31上经由圆锥滚子轴承11旋转自如地支承有输入轴32，在与输入轴32同轴上配置有主轴33。输入轴32和主轴33由先导部的圆锥滚子轴承12能够相对旋转地支承。虽然省略了图示，但是主轴33的其他部位也由圆锥滚子轴承支承。与输入轴32和主轴33以预定间隔平行配置的副轴34由圆锥滚子轴承13和其它圆锥滚子轴承(省略图示)支承。在输入轴32上一体地设置有输入轴齿轮35，始终与副轴34的副轴齿轮36啮合。
在主轴33上经由空转部的圆锥滚子轴承14旋转自如地装配有主轴齿轮(以下也简称为齿轮)43。主轴齿轮43始终与副轴34的齿轮37啮合。本实施方式所涉及的圆锥滚子轴承是指上述的圆锥滚子轴承11-14和省略了图示的其它圆锥滚子轴承。同步机构39通过选择器(省略图示)的动作而沿轴向方向(图6的左右方向)移动，从而进行变速操作。
接下来根据图7对差速器进行说明。图5是一般的机动车的差速器的纵向剖视图。在差速器箱100的输入侧收纳有传动小齿轮轴101，由一对圆锥滚子轴承15、16旋转自如地支承。在传动小齿轮轴101的一端部连结有传动轴102，在另一端部一体地设置有与齿圈(减速大齿轮)103啮合的传动小齿轮(减速小齿轮)104。
齿圈103与差动齿轮箱105连结，差动齿轮箱105由一对圆锥滚子轴承17、18相对于差速器箱100旋转自如地支承。在差动齿轮箱105的内部，分别配设有一对小齿轮106和与其啮合的一对侧面齿轮107。小齿轮106装配于小齿轮轴108，侧面齿轮107装配于差动齿轮箱105。在侧面齿轮107的内径部连结(锯齿连结等)有左右的传动轴(省略图示)。本实施方式的圆锥滚子轴承是上述的圆锥滚子轴承15～18。传动轴102的驱动转矩以传动小齿轮104→齿圈103→差动齿轮箱105→小齿轮106→侧面齿轮107→传动轴的路径传递。
本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然能够进一步通过各种方式实施，本发明的范围由权利请求的范围示出，进而包含权利请求的范围所记载的等同的意思及范围内的所有变更。
附图标记说明
1 圆锥滚子轴承；
12 内圈；
12a 滚道面；
12b 小凸缘部；
12c 大凸缘部；
12d 小凸缘面；
12e 大凸缘面；
12f 磨削退刀部；
12g 磨削退刀部；
12r1 凸起中央部；
12r2 切割凸起部；
13 外圈；
13a 滚道面；
14 圆锥滚子；
14a 小端面；
14b 大端面；
15 保持器；
16 滚行面；
16a 笔直部；
16b 对数凸起部；
16c 对数凸起部；
C1 中央曲线；
C2 端部曲线；
Dc 切割凸起部降低量；
Dr 对数凸起端部降低量；
Dw 滚子直径
LG 有效滚道面宽度；
LG1 凸起中央部宽度；
LG2 切割凸起部宽度；
LW 有效滚行面宽度；
LW1 笔直部宽度；
S 间隙。

Claims (3)

1.一种圆锥滚子轴承，其包括：
内圈，其在外周具有圆锥状的滚道面；
外圈，其在内周具有圆锥状的滚道面；
多个圆锥滚子，其组装在所述内圈的滚道面与所述外圈的滚道面之间；和
保持器，其收纳该圆锥滚子，
其特征在于，
在所述内圈和所述外圈中的至少所述内圈的滚道面上形成有复合曲线的切割凸起，该复合曲线包括：在所述内圈的滚道面的母线方向的中央部设置的中央曲线；以及在该中央曲线的母线方向的两侧设置且曲率半径比所述中央曲线的曲率半径小的端部曲线，
在所述圆锥滚子的滚行面上形成有设置于所述滚行面的母线方向的中央部的笔直部和在该笔直部的母线方向的两侧形成的对数凸起部，
在所述内圈的滚道面的有效滚道面宽度设为LG，且所述圆锥滚子的滚行面的所述笔直部的宽度设为LW1时，0.7≤LW1/LG＜0.95。
2.根据权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其中，
在所述对数凸起部的降低量设为Dr，所述圆锥滚子的直径设为Dw，所述内圈的滚道面的切割凸起的降低量设为Dc时，处于0.003≤(Dr+Dc)/Dw≤0.03的范围。
3.根据权利要求1或2所述的圆锥滚子轴承，其中，
所述圆锥滚子轴承用于变速器或差速器。
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