CN1255287C - 用于车轮传动装置中的轴承元件 - Google Patents

Abstract

波纹部分30固定了内座圈5，所以在滚动件6上有预加载荷。通过拧紧螺母24可以将一个用于车轮传动装置中的轴承元件1与等速万向节2连接。通过对螺母24拧紧力的计算，在波纹部分30内端面和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域上，单位长度的载荷被控制在125N/mm，或者表面压力被控制在1.5×10⁸Pa。因此，该用于车轮传动装置中的轴承元件成本低，可以安全地提供预加载荷，防止在工作过程中出现令人不愉快的噪音，并消除由于塑性变形而引起的间隙。

Description

用于车轮传动装置中的轴承元件

技术领域

本发明涉及一种用于车轮传动装置中的轴承元件，特别涉及一种轴承元件，车轮传动装置与轴承元件形成一个整体以便用等速万向节来支撑车轮，轴承元件所支撑的车轮被独立悬架{FF车辆(发动机前置前轮驱动车辆)的前轮、FR车辆(发动机前置后轮驱动车辆)的后轮、和4WD车辆(四轮驱动车辆)的所有车轮}支撑，这样它们可以相对悬架自由旋转，轴承元件可以旋转并驱动驱动轮。

背景技术

现在有很多种支撑车轮的轴承元件，其结构是通过滚动体使得外座圈和内座圈可以自由旋转，轴承元件是用来支撑车轮使它们能相对悬架自由旋转。

而且，用于在独立悬架中支撑车轮的轴承元件除了旋转和支撑车轮之外，其结构还合成了一个用等速万向节来支撑车轮的轴承元件。用于车轮传动装置的轴承元件必须可以将驱动轴的旋转光滑地(通过等速万向节来保证)传递给车轮，而不管差速齿轮和从动轮的相对位移以及施加在车轮上的转向角。

图1表示的为此目的安装在车轮传动装置上的典型轴承元件，其中包括一个用于支撑车轮的轴承元件1和一个等速万向节2。

在用于支撑车轮的轴承元件1中，一个轮毂4和一个内座圈5通过很多滚动体6来支撑在外座圈3的径向内侧以便它们能自由旋转。为了达到这个目的，外座圈3通过第一凸缘7固定在悬架的枢轴(在图中未示出)上，这样在使用过程中它就不会旋转，第一凸缘形成在外座圈3的外表面。此外，在外座圈3的外表面还有一对外环道8，轮毂4和内座圈5是支撑在外座圈3的径向内侧，这样它们能与外座圈3同心，并且可以自由旋转。

一个用来支撑车轮的第二凸缘9形成在轮毂4的外表面，位于外侧一端(外侧是当轴承元件安装在车辆上的时候车辆宽度方向的外侧，在图1等表示了轴承元件的图中它位于左侧)。而且，在轮毂4中部的外表面上还有一个第一内环道10，在轮毂4的内侧端(内侧是当轴承元件安装在车辆上的时候车辆宽度方向的内侧，在图1等表示了轴承元件的图中它位于右侧)的外表面上有一个小直径的阶梯部分11，内座圈5安装在小直径阶梯部分11的外面，并且固定在小直径阶梯部分11上，在内座圈5的外表面上有一个第二内环道12。此外，第一花键孔13形成在轮毂4的中心。

另一方面，等速万向节2包括一个外环14、内环15、很多滚珠16和一个花键轴17。

用于等速万向节的外环14和花键轴17构成了驱动轴部件18。换句话说，花键轴17位于驱动轴部件18的外半部分，并且可以安装在花键孔13中，而用于等速万向节的外环14位于驱动轴部件18的内半部分。在外环14的内表面的圆周方向上有很多外接合槽19用于等速万向节，这样外接合槽与圆周方向正交。

而且，在等速万向节的内环15的中间有第二花键孔20，在内环15的外表面有内接合槽21与外接合槽19成一直线，并与圆周方向正交。

上述滚珠16通过挡板22保持在内接合槽21与外接合槽19之间，这样滚珠可以沿着接合槽21、19自由滚动。

等速万向节2各部件的形状与公知的球笼式等速万向节或barfield式等速万向节的部件类似，所以在本发明中省略了对它们的详细介绍。

为了使上述等速万向节2和这种滚动轴承元件1来支撑车轮，花键轴17从内向外***到花键孔13中。而且，在花键轴17的外侧端，一个螺母24被拧到外螺纹部分23上，外螺纹部分是形成在从轮毂4外侧端的凸起上，通过拧紧螺母24，花键轴17和轮毂4就固定在一起。在这种状态下，内座圈5的内端面与等速万向节的外座圈14的外端面接触，这样内座圈5就不会沿着与小直径阶梯部分11分离的方向运动。同时，在滚动件6上还有足够大的预加应力。

此外，当装配车辆悬架的时候，在驱动轴25外端上的外螺纹部分26就安装到位于内座圈15中心的第二花键孔20中。

而且，安装在连接槽27中的卡环28与形成在第二花键孔20外端开口边缘的阶梯部分29啮合来阻止外螺纹部分26从第二花键孔20中脱落，连接槽27位于外螺纹26外端的外表面上。

驱动轴25的内端固定在三角型等速万向节(图中未示出)的耳轴中心，等速万向节安装在差速齿轮(图中未示出)的输出轴上。因此，当车辆行驶的时候，驱动轴25等速旋转。

在图1所示的车轮传动装置中使用的轴承元件中，有一个力压在内座圈5上以便给滚动件6提供一个预应力，滚动件位于第一和第二内环道10、12之间和每个外环道8之间，该力是通过将螺母24拧到外螺纹部分23上并拧紧而得到的。因此，必须将螺母24拧得非常紧以保证对内座圈5有足够的压力。

在花键轴17上的轴向力的大小和通过在外螺纹部分23上拧紧螺母24以便将等速万向节得外环14的外端面压到内座圈5的内端面上的轴向力的的大小应该是很大，取决于车轮传动装置中使用的轴承元件的尺寸，例如普通家庭车中力的大小约为(4到9)×10⁴N。

因为这个比较大的轴向力，所以在内座圈5的内端面和等速万向节的外环14的外端面之间的区域有表面压力，但是两个端面都是平面，与中轴线垂直，因此彼此接触的区域很宽。因此，每个端面在接触部分都会产生塑性变形。

而且，根据日本专利公开文本平11-5404所公开的结构，如图2所示，在轮毂4内端上的圆柱部分构成了波纹部分30，圆柱部分是向内突起超过安装在小直径阶梯部分11上的内座圈5，波纹部分会在径向上发生向外地变形，内座圈5被该波纹部分30固定在朝向小直径部分11的阶梯表面31的位置上。在第二种现有结构中，波纹部分30的保持力可以向滚动件6提供预加载荷。与上述第一种现有结构类似，在用来支撑车轮的轴承元件1和等速万向节2之间的连接是通过将螺栓24拧到外螺纹部分23上并拧紧来获得的，外螺纹部分23是位于花键轴17的外端上。当该螺母24已经拧紧了的话，在波纹部分30内表面上形成的平坦表面32与等速万向节外环14的外端的表面接触。在第二种现有结构中，上述平坦表面32使得当螺栓24拧到外螺纹部分23上并拧紧的时候，在花键轴17上产生的轴向力大于第一种情况。

通过使用图1所示用于车轮传动装置中的轴承元件并如上所述，当车辆移动的时候，有时候会产生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。当内座圈5的内端表面和等速万向节外环14的外端表面接触的区域由于在等速万向节2和支撑车轮的轴承元件1之间传递的扭矩波动而产生摩擦的时候，就会产生这种噪音。换句话说，由于反复的加速和减速，扭矩经常会发生变化。而且，由于在等速万向节2和支撑车轮的轴承元件1之间传递扭矩，则在等速万向节2侧面的花键轴17就会在两个扭转方向上产生弹性变形，变形量会经常随着扭矩波动而变化。

而且，由于引起花键轴17在扭转方向上产生变形的力或使得已经扭转的花键轴17回到初始位置的力会大于作用在接触区域的摩擦力，所以在接触区域上就会产生微小的滑动。在这种情况下，接触区域上的摩擦力就会变大，由于摩擦，内座圈5的内端表面和等速万向节外环14的外端表面之间的摩擦能量就会变大，并且引起噪音。

为了防止产生这种噪音，通过使用润滑油、二硫化钼、含氟树脂等就可以在内座圈5的内端表面和等速万向节外环14的外端表面之间的接触区域上形成减少摩擦的薄膜。通过使接触区域更加光滑，就可以使得即使有微小滑动内座圈5的内端表面和等速万向节外环14的外端表面之间的摩擦能量也会很小，这样就使噪音很难产生。

这种公知的方法是有一定效果的。但是，用于减少摩擦的薄膜并不总是足够耐用，很难在一段很长的时间内发挥足够的作用。特别是，由于没有用密封环来密封接触区域的结构，所以能有效地减少噪音的时间就很有限。

还考虑到，为了减小摩擦，在螺母24上的拧紧力可以放松以便减小在内座圈5的内端表面和等速万向节外环14的外端表面之间的表面压力。但是，在图1所示的第一种现有结构中，由于在螺母24上的拧紧力造成滚动件6上有预加载荷，所以，这种方法实施起来很困难。在图2所示的第二种现有结构中，由于必须增大在螺母24上的拧紧力，所以也不太可能抑制噪音的出现。

而且，在图1所示的第一种现有结构中，螺母24相对外螺纹部分23上的拧紧力必须增大以便提供预加载荷，因此在花键轴17上有更大的轴向力。因此，拧紧螺母24的扭矩必须很大，不可避免地降低组装用于车轮传动装置中的轴承元件的工作效率。

考虑到第一种结构中的轴向力与图2表示的第二种结构中的轴向力相同，所以在波纹部分30的内端表面上必须有一个大的平坦表面32，因此就会产生相同的问题。而且，在图2表示的第二种结构中，由于要用大扭矩来拧紧螺母24所以成本就增加了。

发明内容

考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种用于车轮传动装置中的轴承元件，其结构可以在很长时间内有效地抑制令人不愉快的摩擦尖叫噪音。

而且，考虑到上述问题，本发明的另一个目的是提供一种用于车轮传动装置中的轴承元件，其制造成本很低，而且在减少拧紧螺母所需的扭矩的情况下也可以向滚动件提供足够的预加载荷。

本发明中用于车轮传动装置中的轴承元件包括：一个驱动轴，在轴的内半部安装有等速万向节的外环，其外半部安装有花键轴；一个中心带有花键孔的轮毂，花键轴能安装在花键孔中，在使用过程中，由于花键孔和花键轴的啮合，轮毂可以旋转并被等速万向节驱动；在轮毂外端的外表面上有凸缘，来支撑车轮并将车轮固定到轮毂上；一个第一内环道，直接位于轮毂中间的外表面上或者通过与轮毂分离的内座圈形成；一个小直径阶梯部分位于轮毂的内侧端，这样其外直径尺寸小于第一内环道部分的尺寸；一个内座圈，其外表面周围有第二内环道，内座圈被安装道小直径阶梯部分；一个外座圈，其外表面上带有一对外环道，这样它们就面对上述第一和第二内环道，在使用过程中，外座圈并不旋转；还有很多滚动件位于每个外环道之间和第一和第二内环道之间。

一个圆柱部分位于轮毂内端上的部分上，其向内突起超过安装在小直径阶梯部分上的内环，还有一个在径向上皱曲的波纹部分，波纹部分位于圆柱部分上，这样该波纹部分可以将内座圈固定在朝向小直径部分的阶梯表面的位置上，内座圈被滚动件所施加的预加载荷固定在轮毂上。

一个螺母拧在上述驱动轴端部的外螺纹部分上，轮毂外端面与螺母内端表面接触，驱动轴和轮毂通过将拧紧螺母连接在一起，波纹部分的内端面与等速万向节外环的外端面接触。

而且，本发明的一个特征是在波纹部分内端面上有一个平坦表面，这样内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间接触区域的表面压力平均值是1.5×10⁸Pa或更小。

本发明的另一个特征是内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间的接触是线接触，每个单位长度的载荷F/L_a是125N/mm或更小，轴向力F是当拧紧螺母的时候施加到花键轴上的力，L_a是以内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间接触区域平均直径的周长，F/L_a是轴向力F除以L_a得到的。

附图说明

图1是第一种传统结构的截面图。

图2是第二种传统结构一半的截面图。

图3是本发明第一实施例的截面图。

图4是开口销的透视图。

图5是本发明第二实施例的截面图。

图6是本发明第三实施例的截面图。

图7是图8中的部分VI I，以便解释本发明的工作过程。

图8是本发明第四实施例的截面图。

图9是本发明第五实施例的截面图。

图10是本发明第六实施例的截面图。

具体实施方式

于图2中第二种现有结构类似，本发明中用于车轮传动装置的轴承元件包括一个驱动轴部件、轮毂、凸缘、第一内环道、小直径阶梯部分、内座圈、外座圈和滚动件。

在驱动轴的内半部有一个用于等速万向节的外环，外半部有花键轴。

而且在花键轴所安装的轮毂的中心有一个花键孔，这样在使用的时候，轮毂可以旋转，并且被等速万向节驱动。

此外，在轮毂外端的外表面上有凸缘，来支撑车轮并将车轮固定到轮毂上。

此外，第一内环道，直接位于轮毂中间的外表面上或者通过与轮毂分离的内座圈形成。

另外一个小直径阶梯部分位于轮毂的内侧端，这样其外直径尺寸小于第一内环道部分的尺寸。

内座圈，其外表面周围有第二内环道，内座圈被安装道小直径阶梯部分。

外座圈的外表面上带有一对外环道，这样它们就面对上述第一和第二内环道，在使用过程中，外座圈并不旋转。

另外很多滚动件位于每个外环道之间和第一和第二内环道之间。

一个圆柱部分位于轮毂内端上的部分上，其向内突起超过安装在小直径阶梯部分上的内环，还有一个在径向上皱曲的波纹部分，波纹部分位于圆柱部分上。该波纹部分可以将内座圈固定在朝向小直径部分的阶梯表面的位置上，内座圈被滚动件所施加的预加载荷固定在轮毂上。

一个螺母拧在上述驱动轴端部的外螺纹部分上，轮毂外端面与螺母内端表面接触，驱动轴和轮毂通过将拧紧螺母连接在一起，波纹部分的内端面与等速万向节外环的外端面接触。

在车轮传动装置的轴承元件中，波纹部分内端面上有一个平坦表面，最好内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间接触区域的表面压力平均值是1.5×10⁸Pa或更小，更好的是1.0×10⁸Pa或更小。通过使用本发明上述车轮传动装置的轴承元件结构，内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间接触区域的表面压力可以保持很低的水平，这样就内端面和外端面之间消耗的摩擦能量就会很小，这样就可以阻止噪音产生。而且，不象用薄膜来降低摩擦，它还可以在很长的一段之间来防止噪音产生。

上述的圆柱部分可以不是精确的圆柱形，这样就很容易制造波纹部分，但是最好内表面或外表面中至少一个是锥形的，这样朝着内端的径向厚度就逐渐变小。

而且，不象图2所示的第二种现有结构，在本发明的第二实施例中，在波纹部分内端面上没有平坦表面，最好波纹部分的横截面形状为凸起的圆弧，这样内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间的接触是线接触。

另外，最好每个单位长度的载荷F/L_a是125N/mm或更小，轴向力F是当拧紧螺母的时候施加到花键轴上的力，L_a是以内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间接触区域平均直径的周长，F/L_a是轴向力F除以L_a得到的。

当波纹部分的横截面形状为凸起的圆弧，而且曲率半径大于等于5mm，并且等速万向节外环外端面为平坦表面的时候，该单位长度的载荷F/L_a值特别有效。通过使用本发明上述车轮传动装置的轴承元件结构，内座圈的内端面和等速万向节外环的外端面之间接触区域的表面压力可以保持很低的水平，这样即使当波纹部分的内端面不是平坦表面的时候，在上述任一端面上都没有塑性变形。而且，滚动件上的预加载荷是通过将内座圈内端面靠在轮毂内端上的波纹部分上来得到的，所以即使当减小螺母的拧紧力以便使得单位长度的载荷F/L_a更小，在内座圈与小直径阶梯部分分离的方向上内圈座也不会移动，这样预加载荷可以更有效地发挥作用。

下面，将参照附图7介绍为什么需要通过将单位长度的载荷F/L_a保持在125N/mm甚至更小来防止上述两个端面发生塑性变形。

波纹部分30实际上的平坦表面的截面形状的曲率半径R₃₀大于等于5mm，波纹部分形成在轮毂4的内端，包括了轮毂4的中心线，以便能支撑内座圈5的内端面。这样的原因是当使用便宜的冷锻来在铁制的轮毂4内端形成波纹部分30的时候，由于加工过程所产生的损失例如裂化就很小。换句话说，为了在用冷锻加工波纹部分30中不产生破坏，那么曲率半径R₃₀必须大于等于5mm。

波纹部分30的截面形状不是简单的圆弧，而是由很多曲率半径不同的曲面组成的复杂曲面，曲率半径R₃₀必须大于等于5mm的部分是向内凸出最多的部分，并且与等速万向节的外环14的外端面接触。

另一方面，波纹部分30与等速万向节的外环14的外端面接触的内端面的表面硬度的最小数值是大约Hv300(维氏硬度)。换句话说，轮毂4的内端，也就是通过冷锻而引起塑性变形来制造波纹部分30的那一端不能太硬，这样才能很容易发生塑性变形(通过一个比较小的力来制造这样就不会由于破裂而发生损失)。

因此，当考虑到在加工过程中由于工艺造成的产品质量的差异以及冷锻制造波纹部分过程中硬化的差异，波纹部分30内端面的表面硬度的最小数值是大约Hv300。

另一方面，当内端面的表面硬度最小数值大于等于Hv300，由于破裂就很容易造成损伤，所以就不能使用。而且，考虑到在相邻内座圈5上的不利影响和成本增长，也很难采用在波纹部分30加工完成之后的淬火硬化。

因此，波纹部分30的内端面的表面硬度最小数值是大约Hv300。

此外，用于轮毂4的钢铁的安全应力，或者换句话说塑性变形的难易程度取决于表面硬度。当表面硬度值增加的时候，安全应力值增加，换句话说，更难发生塑性变形。表面硬度为Hv300的时候，安全应力为950Mpa。

而且当两个圆柱体接触的时候，在接触表面上的最大表面压力Pmax可以根据赫兹公式，或者下面的公式(1)来确定。

公式1

$P_{\max }=\sqrt{\frac{E\·\frac{\mathrm{\Σ\ρ}}{2}\×\frac{F}{L_a}}{\mathrm{\π}(1-\frac{1}{m^2})}}---\left(2\right)$

公式(1)中的符号表示的含义如下：

E：纵向弹性模量

用于车轮传动装置中的轴承元件中的轮毂4和外环14都是钢铁制成的，所以纵向弹性模量是206000MPa。

m：泊松数

钢铁的泊松数是10/3

∑p：两个圆柱体曲率(1/R₁，1/R₂)的和(＝1/R₁+1/R₂)

在该公式中，R₁等于波纹部分30横截面的曲率半径R₃₀，曲率半径R₃₀为5mm。而且，R₂是等速万向节外环14的外端面截面的曲率半径，R₂＝∞，1/R₂＝0。

F：垂直于两个圆柱体[N]的载荷

向花键轴17施加的轴向载荷

L_a：两个圆柱体[m]的圆周接触长度

当接触区域的平均直径设为D的时候，L_a＝πD。

将车轮传动装置中的轴承元件所决定的数值代入公式(1)中，为了使接触表面的表面压力等于安全应力，采用下面的公式(2)。

公式2

$\sqrt{\frac{206000\×{10}^6\×\frac{0.2\×{10}^3}{2}\×\frac{F}{L}}{\mathrm{\π}(1-\frac{1}{{\left(\frac{10}{3}\right)}^2})}}\≤950\×{10}^6---\left(2\right)$

通过公式(2)来得到单位长度的载荷F/L_a，

F/L_a≤1.25×10⁵[N/m]＝125[N/mm]

从结果可以知道，通过计算螺母拧到花键轴外端上外螺纹部分的拧紧力来使得单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm，则当螺母拧紧的时候波纹部分30内端和等速万向节外环14的外端面就不会产生塑性变形，这样螺母不会因为塑性变形而变松。

当波纹部分30横截面的曲率半径R₃₀设定为5mm的时候采用上述计算。但是，通常情况下，波纹部分30横截面的曲率半径R₃₀小于5mm。只要单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm，那么在接触区域的表面压力不会超过波纹部分30内端和等速万向节外环14的外端面上的安全应力值。

而且，在螺母拧紧扭矩和由于螺母拧紧而在花键轴17上引起的轴向力之间还有比例式，这样，当组装车轮传动装置中的轴承元件的时候，扭矩就可以得到控制，但是并没有直接控制轴向力。

下面将参照附图介绍本发明的优选实施例。在这里相同的部分使用相同的代号。

图3表示本发明的第一实施例。本发明的一个特征是防止在工作过程中所产生的摩擦尖叫噪音，所采用的结构是套在轮毂4内端的小直径部分11上的内环5被波纹部分30固定在轮毂4内端的小直径部分11上，一个适当的预加载荷施加到滚动件6上。内圈座5的固定部分与图2所示的第二种现有结构相同，其他部分的结构与图1所示的第一种现有结构相同，所以省略或简化了多余的说明，本说明书只涉及本发明的特征部分和与上述现有结构不同的部分。

在轮毂4中心花键孔13内表面上形成的内花键叫做平行花键(parallel spline)，每个花键齿都与轮毂4的中心线平行。相反，在驱动轴18外半部的花键轴17的外表面上形成的外花键叫做螺旋花键(twi sted spline)，花键齿的方向相对驱动轴18的中心线方向有一点倾斜。

当花键轴17被压到花键孔13中以便将车轮传动装置中的轴承元件1与等速万向节2组装起来，花键轴17和花键孔13可以形成在旋转方向上没有间隙的花键配合。

而且，在螺母24外端面上有一个圆柱部分33，螺母拧到在花键轴17外端的外螺纹部分23上，在该圆柱部分33圆周上有偶数的槽口34(在附图中有6个)，这样它们就可以在圆周方向上均匀地排列。

另一方面，当螺母24被拧紧的时候，在与槽口34配合的部分，外螺纹23外端上有通孔35，这样，它就可以径向穿过外螺纹部分23。

而且，当螺母24拧到外螺纹部分23上并拧紧到所需的数值的时候，开尾销36穿过通孔35和一对来列排列在通孔35两段开口的槽口34，如图4所示。

开尾销36(前端见图3，右端见图4)的末端通过卷边沿着图4中虚线所示分开，这样，它就不会从通孔35和槽口34中脱落。使用这样的结构，螺母24就被特别牢固地固定到位。

螺母24的拧紧力(拧紧扭矩)是通过在波纹部分30内端面上平坦表面32的表面积S计算出来的，这样在平坦表面32和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域的表面压力的平均值等于1.5×10⁸Pa(≈15kgf/mm²)。在本实施例中，平坦表面32的外径D₃₂等于51mm，内径d₃₂等于47mm，螺母24的拧紧力要使得通过拧紧螺母24而施加到花键轴17上的轴向力F小于等于40KN(≈4tf)。

在上述条件下，可以求得两个端面之间接触面积的表面压力平均值P_av如下。

P_3v＝F/S＝(40×10³)/{π(0.051²-0.047²)/4}≈1.3×10⁸[Pa]

在本实施例中，两个端面之间接触面积的表面压力小于等于1.5×10⁸Pa，所以就可以抑制在使用过程中在接触面积上产生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。

换句话说，因为接触面积的表面压力保持很低，就可以使在这些面积之间的摩擦能量很低，这样就可以防止在这些端面之间产生这种噪音，或者将噪音保持在一个很低的水平，即使在工作过程中由于花键轴17发生扭转变形而在两个端面之间发生摩擦也是如此。

下面，将介绍表面压力如何影响噪音产生的实验。

在该实验中，通过调整螺母24的拧紧力，两个端面之间接触面积的表面压力的平均值分别是1.0×10⁸[Pa]、1.5×10⁸[Pa]、2.0×10⁸[Pa]和2.5×10⁸[Pa]，通过重复向等速万向节的外环14提供两个方向的扭矩来获得在这四种情况下接触区域所产生的噪音。所产生的噪音经过耳朵测定，是降低了。结果在表1中表示。在表1中，“O”表示噪音很低，很难听到，“X”表示噪音很高，很吵，“Δ”表示噪音位于“O”和“X”之间。

表1

接触区域的平均表面压力[Pa]    噪音条件

2.5×10⁸                       X

2.0×10⁸                       X

1.5×10⁸                       Δ

1.0×10⁸                       O

从表1中很容易看出，通过使两个端面之间接触面积的表面压力小于等于1.5×10⁸[Pa]，就可以减轻在使用过程中在接触面积上产生令人不愉快的摩擦尖叫噪音，将其保持在小于等于1.0×10⁸[Pa]，就可以将噪音降低到很难听到的水平。

为了使平均表面压力保持很低，必须将螺母24的拧紧力保持很低，在本发明中，波纹部分30固定了内座圈5，这样即使在拧紧力很低的情况下，施加到滚动件6上的预加载荷也不会减小或放松。

而且，为了抑制上述噪音的产生，可以计算出螺母24的拧紧力的最大值，而且，为了抑制上述噪音的产生，不必计算拧紧力的最小值。但是，驱动轴18和轮毂4之间在轴向上的相对移动是受到控制的因此不管在工作过程中驱动轴18上有没有推理载荷都不会发生轴向移动，这样就可以计算出最小值。换句话说，在工作过程中，能使驱动轴18和轮毂4之间在轴向上发生相对位移的力使在差速齿轮一侧的三角型等速万向节中的轴向力施加的，而且，在旋转过程中还会有离心力。因为驱动轴18和轮毂4都是受到控制的，因此不管这种力大小，它们都不会移动，所以螺母24的拧紧力的最小值保持在3.5KN，包括安全系数。

下面，图5表示的是本发明的第二优选实施例。该实施例与上述第一实施例不同之处在于，在螺母24外端面上的圆柱部分33上没有特殊的槽口34(见图3)。在本实施例中，在花键轴17外端的外螺纹部分23的部分圆周方向上有一个凹槽37。在本实施例中，当螺母34被拧到一个特定量的时候，圆柱部分33与凹槽37啮合的部分就会沿着径向向内发生塑性变形(卷边)，并以互锁的方式安装到该凹槽37中以防止螺栓24松动。在本实施例中，一对内座圈5、5a安装到轮毂4上，构成了第一内环道10和第二内环道12。

在本实施例中，螺母24的拧紧力是通过在波纹部分30内端面上平坦表面32的表面积S计算出来的，这样在平坦表面32和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域的表面压力的平均值等于1.5×10⁸Pa(≈15kgf/mm²)。在本实施例中，平坦表面32的外径D₃₂等于53mm，内径d₃₂等于50mm，螺母24的拧紧力要使得通过拧紧螺母24而施加到花键轴17上的轴向力F小于等于20KN(≈2tf)。

在上述条件下，可以求得两个端面之间接触面积的表面压力平均值P_av如下。

P_av＝F/S＝(20×10³)/{π(0.053²-0.050²)/4}≈0.8×10⁸[Pa]

在本实施例中，两个端面之间接触面积的表面压力小于等于1.5×10⁸Pa，所以就可以抑制在使用过程中在接触面积上产生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。其他结构和功能与上述第一实施例相同。

下面，图6表示的是本发明的第三优选实施例。该实施例与上述第一实施例不同之处在于，在螺母24外端面上的圆柱部分33上没有特殊的槽口34(见图3)。在本实施例中，在花键轴17外端的外螺纹部分23的部分圆周方向上有一个凹陷部分38，花键轴17的外端是圆柱形。在本实施例中，当螺母34被拧到一个特定量的时候，花键轴17外端圆周方向的一部分就会沿着径向向外发生塑性变形(卷边)，圆柱部分33就与圆柱部分安装在一起以防止螺栓24松动。

在本实施例中，螺母24的拧紧力是通过在波纹部分30内端面上平坦表面32的表面积S计算出来的，这样在平坦表面32和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域的表面压力的平均值等于1.5×10⁸Pa(≈15kgf/mm²)。在本实施例中，平坦表面32的外径D₃₂等于50mm，内径d₃₂等于46mm，螺母24的拧紧力要使得通过拧紧螺母24而施加到花键轴17上的轴向力F小于等于30KN(≈3tf)。

在上述条件下，可以求得两个端面之间接触面积的表面压力平均值P_av如下。

P_av＝F/S＝(30×10³)/{π(0.050²-0.046²)/4}≈1.0×10⁸[Pa]

在本实施例中，两个端面之间接触面积的表面压力小于等于1.5×10⁸Pa，所以就可以抑制在使用过程中在接触面积上产生令人不愉快的摩擦尖叫噪音。其他结构和功能与上述第一实施例相同。

图7和8表示的是本发明的第四优选实施例，其中图7是图8的一部分。下面说明的本发明的特征是套在轮毂4内端的小直径阶梯部分11上的内座圈5，它通过在轮毂4内端的波纹部分30固定到小直径阶梯部分11上，一个适当的预加载荷施加到滚动件6上，波纹部分30的横截面为弧形，波纹部分30的内端和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域没有塑性变形。

内圈座5的固定部分结构与图2所示的第二种现有结构相同，其他结构和功能与图1所示的现有结构相同，因此下面的说明只涉及本发明的特征部分和与上述现有结构不同的部分。

轮毂4是由碳钢制成的，特别是退火的S53C。如图8中的网格斜线所示，在轮毂4中心的外表面中，与第二凸缘9的底座上的密封唇43滑动接触的部分、第一内环道10的部分和从安装了内座圈5的小直径部分11的外半部伸向阶梯部分31的部分都经过例如感应淬火等热处理淬火。

在这些部分中，为了提高对抗第二凸缘9所受到的瞬间载荷的屈服强度，并提高抵抗由于密封唇43摩擦所造成磨损的能力，第二凸缘9的底座也经过淬火硬化。而且，第一内环道10的部分经过淬火硬化以便来保证其滚动疲劳寿命。

此外，从小直径部分11的外半部伸向阶梯表面31的部分也经过淬火硬化来保证在由载荷施加到安装在小直径部分11的外侧的内座圈5上的时候也不发生塑性变形。

另一方面，在轮毂4内端的波纹部分30上的部分没有经过淬火硬化，但是保持了可弯曲性。在波纹部分内端圆柱部分的硬度是大约Hv220到280。相反，在冷锻形成波纹部分30后，波纹部分表面硬度是由于加工硬化变为大约Hv320。

如上所述，在本发明中，在图2所示的第二种现有结构中的平坦表面32在波纹部分30的内端面上并没有，但是内端面的截面形状是凸起的圆弧。在本实施例中，与等速万向节外环14的外端面接触的波纹部分30的内端部分的截面形状的曲率半径R₃₀等于5.5mm。而且，在内座圈5内端面的内边上转弯部分R的曲率半径通常是2到6mm，在本实施例中为4mm。

而且，被螺母24连接到轮毂4上的驱动轴18是碳钢制成的，图8中网格剖面线表示的部分被淬火硬化。特别是等速万向节外环14外端面、和从花键轴17的底座伸向靠近端部的中心部分阶梯部分31的部分都经过例如感应淬火等热处理淬火硬化，来增加花键轴17的底座的硬度。

由于上述原因，很难增加波纹部分30内端面的表面硬度，但是很容易硬化等速万向节外环14外端面。通过对外端面淬火，就可以增加上述底座的强度，也可以使得外端面很难发生塑性变形。另一方面，如下所述，也可以通过计算螺母24的拧紧力来防止波纹部分30的内端面发生塑性变形。

与图3所示的实施例类似，本实施例包括一个外螺纹部分23、圆柱部分33、槽口34和通孔35。考虑到这些，可参照对图3的说明。

最好使用薄螺纹即节距是1mm，这样螺母24在每个旋转角度上的的轴向力都很小，这样当槽口34与通孔35配合的位置上，拧紧的轴向力就保持在一个允许的范围内(上限和下限之间)。

没有提前形成通孔35，首先就可以用特定数值来拧紧螺母24，然后在花键轴17的外端与一对合适的槽口34对准的部分上，这样就可以很容易工作，最后一个开尾销36***通孔中。

此外，在螺母24外端的圆柱部分33形成凹槽的话，首先就可以用特定数值来拧紧螺母24，然后在方便工作的位置上由一个通孔，通孔穿过圆柱部分33和花键轴17的外端，最后，一个开尾销36***通孔中。

在上述任一的情况中，为了代替形成通孔的困难工作，也可以仔细调节螺母24的拧紧量而不是将一个开尾销36***预制成的槽口34和通孔35中。

在两种情况下，螺母24的拧紧力(拧紧扭矩)通过计算使得在波纹部分30内端面2和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm。在本实施例中，接触区域的直径，或者换句话说，波纹部分30内端面沿着轴向向内凸起的部分的直径D₃₀等于50mm，内径d₃₂等于47mm，螺母24的拧紧力要使得通过拧紧螺母24而施加到花键轴17上的轴向力F小于等于15000N。

在上述条件下，可以求得单位长度的载荷F/L_a如下。

F/L_a＝15000/(50π)≈99.5[N/mm]

在本实施例中，两个端面之间接触区域的单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm，所以就可以防止波纹部分30内端面和等速万向节的外环14的外端面发生塑性变形。特别是，波纹部分30的截面形状的曲率半径R₃₀等于5.5mm，大于满足条件F/L_a小于等于125N/mm的曲率半径值R₃₀(5mm)，因此就可以充分的阻止上述塑性变形。

为了防止单位长度的载荷F/L_a过低，必须将螺栓24的拧紧力保持很低，但是在本发明种，内座圈5被波纹部分30固定，所以即使在拧紧力很低的情况下，施加到滚动件6上的预加载荷也不会减小或放松。

而且，为了防止波纹部分30内端面和等速万向节的外环14的外端面发生塑性变形，可以从抑制上述塑性变形的角度来计算出螺栓24的拧紧力的最大值，但是不惜要计算螺栓24的拧紧力的最小值。但是，驱动轴18和轮毂4之间在轴向上的相对移动是受到控制的因此不管在工作过程中驱动轴18上有没有推理载荷都不会发生轴向移动，这样就可以计算出最小值。换句话说，在工作过程中，能使驱动轴18和轮毂4之间在轴向上发生相对位移的力使在差速齿轮一侧的三角型等速万向节中的轴向力施加的，而且，在旋转过程中还会有离心力。因为驱动轴18和轮毂4都是受到控制的，因此不管这种力大小，它们都不会移动，所以螺母24的拧紧力的最小值保持在3500N，包括安全系数。而且，下限没有由上述单位长度的载荷F/L_a计算，但是可以由轴向力F计算。

下面，图9表示的是本发明的第五优选实施例。该实施例与上述第四实施例不同之处在于，在螺母24外端面上的圆柱部分33上没有特殊的槽口34(见图8)。在本实施例中，在花键轴17外端的外螺纹部分23的部分圆周方向上有一个凹槽37。在本实施例中，当螺母24被拧到一个特定量的时候，圆柱部分33与凹槽37啮合的部分就会沿着径向向内发生塑性变形(卷边)，并以互锁的方式安装到该凹槽37中以防止螺栓24松动。

而且，在本实施例中，一对内座圈5、5a安装到轮毂4上，构成了第一内环道10和第二内环道12。此外，在本实施例中，不必将轮毂4的硬度保持在内环道需要的水平。因此，在本实施例中轮毂4由S50C碳钢制造。而且，如图9中的网格斜线所示，在轮毂4中心的外表面中，从第二凸缘9的底座上伸到一对安装了内座圈5、5a的部分都经过淬火硬化。

在本实施例中，螺母24的拧紧力通过计算使得在波纹部分30内端面2和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm。在本实施例中，接触区域的直径，或者换句话说，波纹部分30内端面沿着轴向向内凸起的部分的直径D₃₀等于47mm，螺母24的拧紧力要使得通过拧紧螺母24而施加到花键轴17上的轴向力F小于等于18000N。

在上述条件下，可以求得单位长度的载荷F/L_a如下。

F/L_a＝18000/(47π)≈122.0[N/mm]

在本实施例中，两个端面之间接触区域的单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm，所以就可以防止波纹部分30内端面和等速万向节的外环14的外端面发生塑性变形。

特别是，在波纹部分30的截面形状的曲率半径R₃₀等于6.0mm，大于满足条件F/L_a小于等于125N/mm的曲率半径值R₃₀(5mm)，因此就可以充分的阻止上述塑性变形。其他结构和功能与上述第四实施例相同。

下面，图10表示的是本发明的第六优选实施例。该实施例与上述第四或第五实施例不同之处在于，在外座圈3的外表面上没有第一凸缘7(见图8、9)，而是该外表面就是圆柱表面。而且，在悬架的接头处还有一个安装孔40，外座圈3安装在安装孔40的内侧，通过一对安装在安装孔40两端内表面上的卡环来防止外圈座从安装孔40中脱落。而且，该实施例与上述第四实施例不同之处还在于，在螺母24外端面上的圆柱部分33上没有特殊的槽口34(见图8)。而是，在花键轴17的外端面上有凹陷部分42，花键轴17的外端为圆柱形。

在本实施例中，当螺母24被拧到一个特定量的时候，花键轴17的外端圆周方向的一部分与圆柱部分33一起沿着径向向外发生塑性变形(卷边)，并以互锁的方式与圆柱部分33安装在一起以防止螺栓24松动。

在本实施例中，螺母24的拧紧力通过计算使得在波纹部分30内端面2和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm。在本实施例中，接触区域的直径，或者换句话说，波纹部分30内端面沿着轴向向内凸起的部分的直径D₃₀等于45mm，螺母24的拧紧力要使得通过拧紧螺母24而施加到花键轴17上的轴向力F小于等于16000N。

在上述条件下，可以求得单位长度的载荷F/L_a如下。

F/L_a＝16000/(47π)≈113.2[N/mm]

在本实施例中，两个端面之间接触区域的单位长度的载荷F/L_a小于等于125N/mm，所以就可以防止波纹部分30内端面和等速万向节的外环14的外端面发生塑性变形。特别是，在波纹部分30的截面形状的曲率半径R₃₀等于6.5mm，大于满足条件F/L_a小于等于125N/mm的曲率半径值R₃₀(5mm)，因此就可以充分的阻止上述塑性变形。其他结构和功能与上述第四实施例相同。

在所有上述优选实施例中，滚动件6采用滚珠，但是在重型车的车轮传动装置中的轴承元件中可以采用圆锥滚柱作为滚动件。当然，采用圆锥滚柱的结构也是本发明的技术范畴。

而且，如图2所示，在波纹部分30的内端面上有平坦表面32，这就会使得波纹部分30内端面2和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域单位长度的载荷F/L_a远远大于125N/mm。在这种情况下，第一实施例可以将波纹部分30内端面2和等速万向节的外环14的外端面之间接触区域表面压力的平均值小于等于1.5×10⁸Pa。这时，当接触区域的表面压力根据公式2计算出的结果为950MPa，则单位长度的载荷F/L_a出现最大值。

工业实用性

通过上述结构和功能，本发明提供一种用于车轮传动装置中的轴承元件，可以给滚动件提供足够的预加载荷，并且在很长时间中抑制工作过程中所产生的令人不愉快的噪音。而且，本发明还提供一种用于车轮传动装置中的低成本的轴承元件，可以给滚动件提供足够的预加载荷，并能消除由于塑性变形所引起的间隙。

Claims (1)

1.一种用于车轮传动装置中的轴承元件，包括：一个驱动轴，在轴的内半部形成有等速万向节的外环，其外半部形成有花键轴；一个径向中心部分带有花键孔的轮毂，花键轴安装在花键孔中，在使用过程中，轮毂可以旋转并被等速万向节驱动；在轮毂外端的外表面上有凸缘，来支撑车轮并将车轮固定到轮毂上；一个小直径阶梯部分位于轮毂的内侧端，这样其外直径尺寸小于形成第一内环道的部分的尺寸；一个内座圈，其外表面周围有第二内环道，内座圈被安装到小直径阶梯部分周围；轮毂有一个中间部分，其外周表面上直接带有一个第一内环道，或者通过与轮毂分离的另一内座圈形成；一个外座圈，其内周表面上带有一对外环道，这样它们就面对上述第一和第二内环道，在使用过程中，外座圈并不旋转；还有很多滚动件位于每个外环道和第一和第二内环道之间，一个圆柱部分位于轮毂内端上的部分上，其向内突起超过安装在小直径阶梯部分上的内环，圆柱部分还有一个在径向上向外皱曲的波纹部分，该波纹部分可以将内座圈固定在小直径部分的阶梯表面的位置上，内座圈被施加到滚动件的预加载荷固定在轮毂上，驱动轴具有一个带有外螺纹部分的端部，一个螺母拧在外螺纹部分上，螺母带有一个内端，拧紧螺母使轮毂外端面与螺母内端表面接触，使驱动轴和轮毂接触并固定在一起，并使波纹部分的内端面与等速万向节外环的外端面为线接触，其特征在于每个单位长度的载荷F/L_a高达125N/mm，轴向力F是当拧紧螺母的时候施加到花键轴上的力，L_a是绕波纹部分的内端面和等速万向节的外端面之间接触区域平均直径的周长，F/L_a是轴向力F除以周长L_a得到的。

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