CN1678836B - 轮支持滚动轴承单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于支持轮的滚动轴承单元，其中安装有滚珠(14，14)的空间的两端开口的内端开口由盖(17a)封闭，外端开口由具有三个密封唇的密封环(16c)封闭，将根据预载荷改变的滚动阻力限制在0.15到0.45N·m的范围内，并且基于密封唇及其对应面之间将摩擦的密封环(16c)的运转阻力限制在0.03到0.2N·m的范围内。

Description

轮支持滚动轴承单元
技术领域
本发明涉及用于可转动地支持轮的轮支持滚动轴承单元中的改进，更具体地，涉及一种车辆(汽车)悬架***上的从动轮(FF汽车的后轮、FR和RR汽车的前轮)。
背景技术
作为轮支持滚动轴承单元，例如JP-A-2001-221243提出了如图11和12所示的结构。以下首先说明图11所示的第一示例。构成轮子的轮1通过轮支持滚动轴承单元2可转动地支持在构成悬架***的轴3的端部上。更具体地，内圈5、5装配到固定于轴3端部上的支撑轴4上，该内圈作为构成轮支持滚动轴承单元2的静止侧滚道圈(raceway ring)，然后利用螺母6固定内圈5、5。同时，轮1通过多个双头螺栓8、8和螺母9、9配合/固定到轮毂7上，该轮毂作为构成轮支持滚动轴承单元2的转动侧滚道圈。
分别用作转动侧滚道面的双列外圈滚道10a、10b形成在轮毂7的内周面上，在该轮毂的外周面上形成装配凸缘11。构成制动***的轮1和鼓12通过双头螺栓8、8和螺母9、9配合/固定到该装配凸缘11的一个侧面上(在第一示例中是外侧面，图11和12所示的左侧面)。
滚珠14、14设置在外圈滚道10a、10b和内圈滚道13、13之间，该内圈滚道形成在内圈5、5的外周面上，分别用作静止侧滚道面，对应的内外滚道和滚珠处于使滚珠14、14分别保持在保持架15、15中的状态。通过以这种方式相互组合对应组成元件，构成具有背对背布置的双列角接触滚珠轴承，从而可转动地绕内圈5、5支持轮毂7，以承受径向载荷和推力载荷。在这种情况下，在轮毂7两端的内周面和内圈5、5端部的外周面之间设置密封环16a、16b，用以将设置滚珠14、14的空间与外部空间隔离。此外，用盖17覆盖轮毂7外端(此处，“轴向外端”指的是当该轮毂装配到车辆上时轮毂在宽度方向上的外端。类似地，“内侧”指的是中间部分上的轮毂在宽度方向上的内侧)的开口部分。该盖17没有像相对内圈5、5静止的另一个滚道圈以及轴3和螺母6那样具有与内圈5、5滑动接触的部分。
如图11所示，当使用上述轮支持滚动轴承单元2时，其上装配并固定内圈5、5的支撑轴4被固定到轴3上，其上固定轮胎(未示出)的轮1和鼓12也固定到轮毂7的装配凸缘11上。此外，通过将鼓12、轮缸和支持在固定于轴3端部上的背板18上的制动蹄(shoe，未示出)组装在一起，构成制动鼓刹。制动时，设置在鼓12的内径侧上的一对制动蹄被推向鼓12的内周面。
接下来，描述图12所示现有技术的第二示例的结构。在这种轮支持滚动轴承单元2a中，作为转动侧滚道圈的轮毂7a被多个滚珠14、14支持在作为静止侧滚道圈的外圈19的内径侧上。所以，作为静止侧滚道面的双列外圈滚道10a、10b分别设置在外圈19的内周面上，作为转动侧滚道面的第一和第二内圈滚道20、21分别设置在轮毂7a的外周面上。
该轮毂7a通过组合轮毂主体22和内圈23而构成，其中轮毂主体22作为主轴元件。用以支持轮的装配凸缘11a设置到轮毂主体22的外周面的外端部上，第一内圈滚道20设置到轮毂主体22的中间部分上，此外小直径阶梯部分24形成到靠近内端的轮毂主体22中间部分上，其中，该小直径阶梯部分24的直径小于第一内圈滚道20形成于其中的部分的直径。然后，将内圈23装配到小直径阶梯部分24上，其中，具有圆弧剖面的第二内圈滚道21设置到该内圈23的外周面上。此外，内圈23的内端面被填塞部分(caulkingportion)25施压，该填塞部分25通过使轮毂主体22的内端面沿径向向外变形形成。从而使内圈23固定到轮毂主体22上。进一步地，密封环16c、16d分别设置在位于一端部上的外圈19内周面和轮毂7a中间部分的外周面之间以及位于另一端部上的外圈19内周面和内圈23的内端部的外周面之间。所以，其中设置滚珠14、14的空间与外圈19的内周面和轮毂7a的外周面之间的外部空间隔离开。
在如图12所示的轮支持滚动轴承单元2a的情况下，由于第一内圈滚道20直接形成在轮毂主体22的中间部分的外周面上，所以能够提高刚度。换言之，设置在轮支持滚动轴承单元的中间部分中的第一内圈滚道可以形成在作为轮毂主体的一个单独部分的内圈的外周面上，然后将该内圈装配/固定到轮毂主体上。在这种情况下，如图12所示，除非内圈装配到轮毂主体内的余量(inference)增加，否则刚度下降，这不同于第一内圈滚道20直接形成在轮毂主体22的中间部分的外周面上的情况。将内圈作为单独部分从轮毂主体的内端部分装配到中间部分并且同时保持较大的余量是很麻烦的。相比之下，如图12所示，通过使用第一内圈滚道20直接形成在轮毂主体22的中间部分的外周面上的结构，可以不麻烦地构造出具有较高刚度的轮支持滚动轴承单元2a。
在上述传统结构的情况下，由于其中配置滚珠14、14的内部空间的两端上的开口部分设置有密封环16a、16b(或16c、16d)，因此转动轮毂7(或7a)所需要的扭矩不可避免地增大。同时，例如在JP-A-2001-241450提出的公知技术的结构中，为了将内部空间与外部空间隔离开，内部空间的一端侧仅仅通过所述盖关闭，此外密封环仅仅沿着轴向设置到另一端侧上。
但是，在JP-A-2001-241450提出的轮支持滚动轴承单元的情况下，由于密封环的运转阻力(running resistance)并非总是很小，因此不可能将轮支持滚动轴承单元的滚动阻力降低到足够的程度。结果，由于装有该轮支持滚动轴承单元的车辆的行驶性能(running performance)、主要是加速性能和耗油性能变差，因此考虑到近来的节能趋势，希望能够改进行驶性能。JP-A-8-319379公开了一种用来减小密封元件和对应元件(counter member)的滑动部分之间的滑动阻力的技术，其通过将浸润有润滑剂的塑性精细颗粒混入构成密封元件的橡胶成分中减小滑动阻力。但是，JP-A-8-319379并没有给出通过将上述橡胶成分应用到轮支持滚动轴承单元中而得到作为整体的高性能结构的描述。
此外，对于通过减小密封环形成部分的阻力来减小滚动轴承单元的运转扭矩的结构，在例如JP-A-10-252762提出的现有技术中，提出一种密封唇的余量的改进。
在轮支持滚动轴承单元作为本发明主题的情况下，即使应该减小运转扭矩，但是仍然需要一种能够保持轮支持刚度以确保可控性同时还能够防止外来物进入滚动轴承单元的内部空间来确保滚动轴承的单元的耐用性的结构。换言之，必须通过提高滚动轴承单元的刚度来确保支持刚度，以确保可控性，不过，如果增加施加到相应滚动元件上的预载荷以提高刚度，则相应滚动元件的滚动阻力也增加，从而不会降低运转扭矩。此外，在仅考虑降低密封环的滑动阻力的情况下，不能充分地防止外来物进入滚动轴承单元的内部空间，因此不能充分地确保耐用性。
考虑到上述情况作出根据本发明的轮支持滚动轴承单元，并用于实现一种具有高刚度、优良耐用性和低运转扭矩的结构。
发明内容
本发明的轮支持滚动轴承单元包括静止侧滚道圈、转动侧滚道圈、多个滚珠和密封环，这与上述现有技术中已知的轮支持滚动轴承相同。
在使用中该静止侧滚道圈被支持/固定在悬架***上。
在使用中该转动侧滚道圈支持/固定轮。
多个滚珠设置在静止侧滚道圈和转动侧滚道圈之间，各个滚珠具有圆弧剖面形状，并且位于静止侧滚道圈和转动侧滚道圈的彼此相对周面之间。
该密封环仅仅密封在静止侧滚道圈和转动侧滚道圈的彼此相对周面之间的空间的两端部上的开口部分中之一，在该空间内设置所述滚珠。
静止侧滚道圈和转动侧滚道圈中沿径向位于内部的滚道圈由主轴元件和内圈构成。该主轴元件具有沿着轴向直接形成在外周面的中间部分内的第一内圈滚道，其用作静止侧滚道面或转动侧滚道面，该主轴元件还具有沿着轴向形成在外周面的一个端部上的小直径阶梯部分。此外，一外周面上的内圈装配/固定到该小直径阶梯部分上，作为所述静止侧滚道面或转动侧滚道面的第二内圈由所述外周面形成。
该密封环具有分别由弹性材料形成的两个或三个密封唇以及各个密封唇的顶端边缘与对应表面滑动接触。
具体地，在本发明的轮支持滚动轴承单元中，将用于在滚珠上施加预载荷的轴向载荷设定为1.96-4.9kN。
此外，将刚度系数设定为0.09或更大。
此外，将基于密封唇和对应表面之间的摩擦使静止侧滚道圈相对转动侧滚道圈以200min-1(200RPM)转动所需的扭矩设定为0.03到0.2N·m。
此外，将基于滚珠的滚动阻力使静止侧滚道圈相对转动侧滚动圈以200min-1转动所需的扭矩设定为0.15到0.45N·m。
在本说明书中提出的刚度系数指的是轮支持滚动轴承单元的刚度R[kN.m/deg]相对该轮支持滚动轴承单元的径向动态额定载荷Cr[N]的比值(R/Cr)。在这种情况下，当动量载荷在构成轮支持滚动轴承单元的静止侧滚道圈固定的前提下作用到转动侧滚道圈上时，该刚度R由两个滚道圈之间的倾斜角度指代。例如，该刚度如图13所示地测出。在这种情况下，图13示出测量如上图12所示的轮支持滚动轴承单元2a的刚度的条件。
在该测量操作中，作为静止侧滚道圈的外圈19紧固到固定座26的上表面上，杠杆板27的基端部(图13的左端部)配合/固定到作为转动侧滚道圈的轮毂7a的装配凸缘11a上。然后，将载荷施加到距离轮毂7a的转动中心L的部分上，该距离对应于轮胎的转动半径，该载荷例如作用在杠杆板27的上表面上，从而通过该杠杆板27在轮毂7a上施加1.5kN·m的动量载荷。由于轮毂7a基于该动量载荷相对外圈19倾斜，将该倾斜角度作为装配凸缘11a的卡装面29相对固定座26的上表面28的倾斜角度[deg]加以测量。然后，通过用该倾斜角度除动量载荷(1.5kN·m)得到刚度R[kN·m/deg]。然后，用轮支持滚动轴承单元2a的径向动态额定载荷Cr[N]除所述刚度R，从而得到所述刚度系数。
在如上构造的本发明轮支持滚动轴承单元的情况下，可以明显地减小运转扭矩，同时确保必须的刚度和耐用性。
首先，由于用于为滚珠施加预载荷的轴向载荷被调整到1.96到4.9kN的范围内，因此可以充分减小运转扭矩，同时确保刚度和耐用性。如果该轴向载荷低于1.96kN，则预载荷不够，随之轮支持滚动轴承单元的刚度变得不够。从而，包括该轮支持滚动轴承单元的车辆的可控性变差。
相比之下，如果轴向载荷超过4.9kN，则预载荷过大(滚动接触部分的接触压力过量地增大)，随之轮支持滚动轴承单元的滚动阻力(运转扭矩)过量地增大。然后，滚动接触部分处的热量值变得过大，并且轮支持滚动轴承单元内的温度显著上升。所以，密封在轴承单元内的油脂易于快速劣化。结果，轮支持滚动轴承单元的耐用性降低。此外，作为滚动接触部分的接触压力过量增加的结果，静止侧滚道圈、转动侧滚道圈和滚珠的滚动接触面的滚动疲劳周期缩短，并且在此方面降低了轮支持滚动轴承单元的耐用性。
相比之下，在本发明的情况下，由于用于为滚珠施加预载荷的轴向载荷被调整在1.96到4.9kN的范围内，因此可以充分地减小运转扭矩，同时确保刚度和耐用性。
此外，由于刚度系数被设定在0.09或更大，可以确保包括该轮支持滚动轴承单元的车辆的可控性，同时保持该轮支持滚动轴承单元的刚度。反之，如果刚度系数小于0.09，则可控性变差。
在此，由于优选地从确保可控性的角度考虑将刚度系数设定为较高，所以没有具体限定上限值。如果需要满足其它要求，则可以采用任何合适的高数值的刚度系数。同时，作为一种提高刚度系数的常规手段，应该增大所述预载荷的值，或者增大滚珠的间隙直径(pitch diameter)或沿着轴向设置在双列的滚珠之间的间隙。
在这种情况下，如上所述，预载荷的增加有一个极限值。此外，从减小尺寸和重量的角度出发，间隙直径和轴向间隙的增加受到限制。所以，当该轮支持滚动轴承单元由常规钢铁材料制成时(外圈和轮毂由S53C制成，而内圈和滚珠由SUJ2制成)，刚度系数的上限变为约0.18。在这种情况下，当轮支持滚动轴承单元的部分(例如滚珠)或全部组成元件由陶瓷制成时，除非预载荷和间隙直径和轴向间隙增加，否则刚度系数增加。所以，在这种情况下，刚度系数也可以增加到超过0.18。
此外，由于基于密封唇和对应表面之间的摩擦以200min-1相对转动静止侧滚道圈和转动侧滚道圈所需的扭矩被设定在0.03到0.2N·m之间，所以可以充分降低运转扭矩，同时确保该轮支持滚动轴承单元的耐用性。
即，作为本发明人的实验结果，应该理解，在密封唇数目设置在二个到三个的范围内，可以基于密封环的运转阻力的大小决定密封性能的可靠性，而无需考虑密封环的结构。与此同时，还应该理解，如果将密封环的运转阻力设定为0.03N·m或更大，可以得到所需的密封性能。
在本发明轮支持滚动轴承单元的情况下，由于可以确保0.03N·m或更大的扭矩，因此可以通过足够地保持构成密封环密封唇的顶端和对应表面之间的滑动接触部分的接触压力来充分确保由密封环得到的密封性能。结果，通过有效地防止例如泥水等的外来物进入轮支持滚动轴承单元内部，可以确保该轮支持滚动轴承单元的耐用性。反之，如果密封唇的顶端和对应表面之间的滑动接触部分的接触压力将扭矩减小到小于0.03N·m，则防止外来物进入的功能变得不够，并因此降低了轮支持滚动轴承单元的耐用性。
相比之下，如果扭矩超过0.2N·m，则难以将作为整体的轮支持滚动轴承单元的运转扭矩控制得足够低(0.65N·m或更小)。
相反，在本发明的情况下，由于基于密封唇和对应表面之间的摩擦以200min-1相对转动静止侧滚道圈和转动侧滚道圈所需的扭矩被设定在0.03到0.2N·m之间，因此可以减小运转扭矩，同时确保耐用性。
此外，由于基于滚珠的滚动阻力以200min-1相对转动静止侧滚道圈和转动侧滚道圈所需的扭矩被设定在0.15到0.45N·m之间，可以将作为整体的轮支持滚动轴承单元的运转扭矩控制得足够低(0.65N·m或更小)，同时确保可控性和耐用性。
如果将扭矩减小到小于0.15N·m，则如上所述，预载荷必须很大程度地减小，并且轮支持滚动轴承单元的刚度不够。所以，包括轮支持滚动轴承单元的车辆的可控性变差。
相比之下，如果将扭矩增大到超过0.45N·m，则带来预载荷的增大。所以，如上所述，由于滚动接触部分处的热量值上升而导致的油脂劣化和滚动疲劳周期的下降，轮支持滚动轴承单元的耐用性降低。此外，难以将作为整体的轮支持滚动轴承单元的运转扭矩控制得足够低。
相比之下，在本发明的情况下，由于基于滚珠的滚动阻力以200min-1相对转动静止侧滚道圈和转动侧滚道圈所需的扭矩被设定在0.15到0.45N·m之间，所以可以减小运转扭矩，同时确保可控性和耐用性。
附图说明
图1是示出作为本发明主题的结构的第一示例的剖视图；
图2是示出作为本发明主题的结构的第二示例的剖视图；
图3是示出作为本发明主题的结构的第三示例的半平面剖视图；
图4是示出作为本发明主题的结构的第四示例的半平面剖视图；
图5是示出可用于本发明的密封环具体结构的第一示例的局部剖视图；
图6是示出可用于本发明的密封环具体结构的第二示例的局部剖视图；
图7是示出可用于本发明的密封环具体结构的第三示例的局部剖视图；
图8是示出可用于本发明的密封环具体结构的第四示例的局部剖视图；
图9是示出可用于本发明的密封环具体结构的第五示例的局部剖视图；
图10是示出能够减小滑动阻力的结构的第一示例的局部剖视图；
图11是示出现有技术的轮支持滚动轴承单元的第一示例的剖视图，该单元处于其被装配到悬架***上的状态；
图12是示出现有技术的轮支持滚动轴承单元的第二示例的剖视图，该单元处于其被装配到悬架***上的状态；以及
图13是示出测量轮支持滚动轴承单元刚度的条件的剖视图。
具体实施方式
首先，下文将描述作为本发明主题的轮支持滚动轴承单元的结构的四个示例。首先，图1示出该结构的第一示例，其中，通过对图11所示的上述结构进行改进并且同时确保密封性和可控性，可以容易地减小运转扭矩。为此，在本示例的情况下，内侧的内圈滚道13a直接形成在作为主轴元件的支撑轴4a的中间部分的外周面上。结果，可以得到如下结构：其中，不仅可以确保刚度而不会为制造操作带来麻烦，而且可以防止外来物通过内侧的内圈5和支撑轴4之间的装配部分进入，这是如图11所示的传统结构中已经考虑到的。此外，除去了图11所示传统结构中加入的外密封环16a，而仅仅设置了内密封环16b。
在将本发明应用于这种结构的情况下，通过调整用于拧紧拧到支撑轴4a的外端部上的螺母6的扭矩，可以将用以向滚珠14、14施加预载荷的轴向载荷设定在1.96到4.9kN的范围内。然后，绕支撑轴4a以200min-1转动轮毂7所需的扭矩(滚动阻力)设定在0.15到0.45N·m的范围内。如果类似地设定其他规格，则该扭矩随轴向载荷的增加而增加。所以，为了将该扭矩设定为接近下限(0.15N·m)，就将该轴向载荷设定成接近下限(1.96kN)。当将扭矩设定为接近上限(0。45N·m)时，将接近上限(4.9kN)的值用作轴向载荷。在这种情况下，如果例如随后描述的刚度系数等的其他要求能够得到满足，则不必总是将接近上限的值用作轴向载荷。例如，如果外圈滚道10a、10b和内圈滚道13、13a的剖面形状的曲率半径设定为接近滚珠14、14直径的一半，则可确保刚度系数，并且可将接近下限的值或中间值用作轴向载荷。
此外，将轴向载荷设定在1.96到4.9N·m的范围内，将刚度系数设定为0.09或更大。
进一步，将内密封环16b的运转阻力(扭矩)设置在0.03到0.2N·m的范围内。通过密封环16b和作为密封元件置于轮毂7的外端开口部分上的盖17防止例如泥水等的外来物进入其中设置滚珠14、14的空间内。其他部分的结构与图11所示的上述传统结构相同。在这种情况下，以紧配合将盖17装配/固定到轮毂7外端的开口部分中。在盖17和支撑轴4a的顶端面(外端面)之间设置间隙，这样，当轮毂7转动时盖17永远不会与支撑轴4a滑动接触。
接下来，图2示出作为本发明主题的轮支持滚动轴承单元的第二示例。在如图1所示的上述结构中，通过拧到支撑轴4a的外端部上的螺母6固定内圈5。相比之下，在本实施例中，通过利用填塞部分25对内圈5的外端面施压将内圈5固定到支撑轴4a上，该填塞部分通过使作为主轴元件的支撑轴4b的外端面沿直径方向向外弹性变形而形成。在加工填塞部分25时施加的载荷调整用于施加预载荷的轴向载荷。其他部分的结构和操作与第一示例的类似。
接下来，图3示出作为本发明主题的轮支持滚动轴承单元的第三示例。在该示例中，将上述图12所示的结构改为应用本发明的结构。为此，在本示例的情况下，外圈19的内端的开口部分由作为密封件的盖17a封闭，并且外圈19的外端部的内周面和轮毂主体22的中间部分的外周面由密封环16c隔开。该盖17a以紧配合装配/固定到外圈19内端上的开口部分中。在盖17a和形成于作为主轴元件的轮毂7a的内端部上的填塞部分25之间形成间隙，因此，当轮毂7a旋转时盖17a决不会滑动接触轮毂7a。除去了外圈19的内端部的内周面和内圈23的外周面之间的密封环16d(图12)。然后，将密封环16c的运转阻力调整到0.03到0.2N·m的范围内。通过密封环16c和盖17a防止例如泥水等的外来物进入其中设置滚珠14、14的空间内。通过填塞部分25工作时施加的载荷调整用于施加预载荷的轴向载荷。其他部分的结构和操作与第一示例的类似。其他部分的结构与上述第一和第二示例中结构以及图12所示的传统结构类似。
接下来，图4示出作为本发明主题的轮支持滚动轴承单元的第四示例。在该示例中，通过螺母30对装配到轮毂主体22a的小直径阶梯部分24上的内圈23的内端面施压，该螺母拧到设置于作为主轴元件的轮毂主体22a的内端部上的外螺纹部分39上。置于外圈19内端的开口部分上的盖17b的形状被延展以满足这种结构，从而可以防止外螺纹部分39和螺母30之间的干涉。所以，当轮毂主体22转动时，盖17b决不会与外螺纹部分39滑动接触。通过拧紧螺母30时施加的扭矩调整用于施加预载荷的轴向载荷。其他部分的结构与第二示例的类似。
接下来，参照图5-9描述能够应用于本发明的密封环的具体结构的五个示例。图5-9所示的五个示例示出了可以分别在图1和2所示轮支持滚动轴承单元的第一和第二示例中用作内密封环16b的结构。
首先，图5所示的第一示例是一种组合式密封环，其中，装配/固定到轮毂7(图1和图2)的内端部中的外径侧密封环31和装配/固定到靠近支撑轴4a(图1)、4b(图2)内端的部分上的内径侧密封环32彼此结合在一起。该密封环总共有三个密封唇，即两个位于内径侧上，一个位于外径侧上。在这种结构的情况下，在现有技术中，在外径侧和内径侧密封环31、32之间实现相对转动所需的扭矩(运转阻力)是0.22N·m或更大。相比之下，在将本示例的结构应用于本发明的情况下，基于三个密封唇的顶端边缘和对应表面(中心杆的表面)之间的摩擦而在外径侧和内径侧密封环之间实现相对转动所需的扭矩(运转阻力)例如通过后述的方法调整到0.03到0.2N·m的范围内。
接下来，图6所示的第二示例是一种组合式密封环，其中，装配/固定到轮毂7(图1和图2)的内端部上的密封环33和装配/固定到位于支撑轴4a(图1)、4b(图2)的内端附近的部分上的套环(slinger)34彼此组合到一起。该密封环33具有三个密封唇。在本示例的情况下，基于这三个密封唇的顶端边缘和套环34的表面之间的摩擦在密封环33和套环34之间实现相对转动所需的扭矩(运转阻力)例如通过后述的方法调整在0.03到0.2N·m的范围内。
接下来，图7所示的第三示例是一种组合式密封环，其中，与轮毂7(图1和图2)的内端部的内周面配合的密封环35a和与支撑轴4a(图1)、4b(图2)的内端附近的部分的外周面配合的密封环35b彼此组合在一起。在本示例的情况下，该密封环总共有三个密封唇，即两个位于与轮毂7配合的密封环35a上，一个位于与支撑轴4a、4b侧配合的密封环35b上。在本示例的这种情况下，基于这三个密封唇的顶端边缘和对应表面之间的摩擦在轮毂7和支撑轴4a、4b之间实现相对转动所需的扭矩(运转阻力)被调整在0.03到0.2N·m之间。
接下来，在图8所示的密封环中，为密封环36设置的两个密封唇的顶端边缘与位于支撑轴4a(图1)、4b(图2)附近的部分的外周面接触，其中，所述密封环36装配到轮毂7(图1和图2)的内端部中。在本示例的这种情况下，基于这两个密封唇的顶端边缘和支撑轴4a、4b的内端部的外周面之间的摩擦在密封环36和支撑轴4a之间实现相对转动所需的扭矩(运转阻力)被调整在0.03到0.2N·m的范围内。
接下来，图9所示密封环37示出了一种能够用作图2中的内密封环的结构，该结构还能够用作设置在第三和第四示例中图3和4所示的轮支持滚动轴承单元中的外圈19(图3和图4)的外端部的内周面和轮毂主体22(图3)、22a(图4)的中间部分的外周面之间的密封环。在该密封环37中，为能够装配/固定到外圈19的外端部中的中心杆设置三个密封唇，这些密封唇的顶端边缘与装配凸缘11a(图3至4)的内侧面接触，或者与将该内侧面和轮毂主体22、22a的外周面连续地连接的曲面接触。在该示例的情况下，基于三个密封唇的顶端边缘和轮毂主体22、22a之间的摩擦在密封环37和轮毂主体22、22a之间实现相对转动所需的扭矩(运转阻力)被调整到0.03到0.2N·m的范围内。
针对这种情况，在下文中描述例如方法(1)至方法(4)，当采用任何一种上述密封环时，这些方法用来减小在密封环和对应元件之间实现相对转动所需的扭矩。这些方法可以单独使用或者结合使用。
(1)减小密封唇的厚度。
在这种情况下，密封唇的刚度被降低，然后密封唇顶端边缘和对应面之间的接触部分的接触压力被降低，从而降低扭矩。
(2)在所述三个密封唇中，基本消除最靠近用于设置滚珠的内部空间的密封唇的顶端边缘的干涉。
在这种情况下，所涉及的密封唇和对应面构成迷宫密封。然后，相关密封唇的摩擦阻力变为0。
(3)由于弹性材料构成密封唇，使用摩擦阻力小于现在通常使用的丁腈橡胶的摩擦阻力的材料。
正如在上述专利文献3(JP-A-8-319379)中提出的，对于在这种情况下可用的具有小摩擦阻力的弹性材料，可以使用通过将塑性精细颗粒混入构成密封元件的橡胶组分而形成的材料，所述塑性精细颗粒浸润有润滑剂。
(4)设计密封唇的剖面形状。
对于在这种情况下可用的剖面形状，可以考虑例如专利申请No.2002-71338公开的现有技术中的剖面形状。如图10所示，在本发明的结构中，三个密封唇38a、38b和38c中的密封唇38b的厚度从基端部分向中间部分逐渐变小，然后从中间部分向顶端部分逐渐增大。此外，密封唇38b的厚度在靠近顶端的一部分为最大。此外，该形状满足下式：
0.80d1≤d2≤0.98d1  以及  0.1S2≤S1≤0.5S2
其中，d1是密封唇38b的基端部分的厚度；d2是最小厚度部分的厚度，厚度在所述中间部分最小；S1是沿着轴向从基端部分向最小厚度部分延伸的一部分的截面积；S2是最小厚度部分向顶端边缘延伸的一部分的面积。
(示例)
接下来，在下文中解释用以检验本发明优点的实验的结果。在第一实验中，分别在图5至9所示的五种密封环中获取作为单独部分的密封环的运转阻力(密封扭矩)和密封性能之间的关系。通过调整密封环的干涉(弹性变形量)、密封唇的厚度、改变弹性材料和调整对应面的接触条件来调整密封扭矩。然后，分别针对上述五种密封环制造出六种密封扭矩在0到0.15N·m之间的密封环。然后，将各密封环装入到图1至3所示的轮支持滚动轴承单元中，以便进行泥水进入测试。在该泥水进入测试中，在一个周期中，首先执行使密封环和具有对应面的元件相对转动的步骤，并同时向设置密封环的区域以300cc/min的速度倾倒泥水，并将上述操作持续17个小时，然后通过停止转动和停止倾倒泥水执行对相应区域干燥3小时的步骤。对每个试样重复执行上述步骤20次。此外，通过注入粘度在10到14cst(10×10-6到14×10-6m2/s)油脂，对轮支持滚动轴承单元进行润滑。轮毂7、7a在20℃的环境下以200min-1的速度旋转。
表1中列出在这些条件下进行实验的结果。
表1
  运转阻力[N·m]   图5   图6   图7   图8   图9
  0   ×   ×   ×   ×   ×
  0.01   △   △   ×   ×   △
  0.03   ○   ○   ○   ○   ○
  0.06   ○   ○   ○   ○   ○
  0.10   ○   ○   ○   ○   ○
  0.15   ○   ○   ○   ○   ○
表1中，标记×表示大量泥水进入其中密封有油脂的内部空间的情况，标记△表示少量泥水进入其中密封有油脂的内部空间的情况，标记○表示没有发现泥水进入的情况。基于上述实验结果应该理解，如果密封扭矩超过0.03N·m，所有密封环都可以防止泥水进入。
接下来，参照表2至5描述第二到第五实验，通过将图9所示密封环37加入图4所示的轮支持滚动轴承单元来执行所述实验，以了解密封扭矩(运转阻力)、用于施加预载荷的轴向载荷、滚动阻力以及刚度系数对可控性、整体滚动轴承单元的运转扭矩和耐用性的影响。表2至5中，标记×表示在任何方面的实际应用中出现问题的情况，标记△表示在任何方面的实际应用中出现少许问题的情况，标记○表示在任何方面都不出现问题的情况。其中，在相同的条件下分别对第二至第五实验执行三次。
首先，表2给出第二实验的结果，执行该实验以便了解密封扭矩对整体滚动轴承单元的运转扭矩和耐用性的影响。该实验在200min-1的转动速度下执行。
表2
  密封扭矩[N·m]   评价
  0   ×××
  0.01   △×△
  0.03   ○○○
  密封扭矩[N·m]   评价
  0.06   ○○○
  0.10   ○○○
  0.15   ○○○
  0.20   ○○○
  0.33   ×××
  0.45   ×××
通过表2的第二实验的结果可以理解，如果密封扭矩在0.03到0.20N·m的范围内，在整体滚动轴承单元的运转扭矩和耐用性两方面都可以得到令人满意的性能。相比之下，如果密封扭矩在0N·m到0.01N·m(较小)的范围内，不能充分防止例如泥水等外来物进入其中设置滚珠14、14的内部空间，从而在确保耐用性方面出现问题。相比之下，如果密封扭矩在0.33N·m到0.45N·m(较大)的范围内，不能将整体滚动轴承单元的运转扭矩控制得足够低。
接下来，表3给出第三实验的结果，执行该实验以便了解轴向载荷(预载荷)对滚动轴承单元的刚度和耐用性的影响。
表3
  预载荷[kN]   评价
  0.49   ×××
  0.98   △△×
  1.96   ○○○
  2.94   ○○○
  3.92   ○○○
  4.90   ○○○
  5.88   △△△
  6.86   ××△
通过表3给出的第三实验的结果可以理解，如果轴向载荷在1.96到4.90kN的范围内，可以在滚动轴承单元的可控性和耐用性两方面得到令人满意的性能。相比之下，如果轴向载荷在0.49kN到0.98kN(过小)的范围内，滚动轴承单元的刚度小，因此不能确保足够的可控性。相比之下，如果轴向载荷设定在5.88kN到6.86kN(过大)的范围内，滚动阻力增加并降低滚动轴承单元的耐用性。
接下来，表4给出第四实验的结果，执行该实验以便了解滚动阻力对滚动轴承单元的刚度和耐用性的影响。在200min-1的转动速度下执行该实验。
表4
  滚动阻力[N·m]   评价
  0.10   ×××
  0.12   ×△△
  0.15   ○○○
  0.25   ○○○
  0.35   ○○○
  0.45   ○○○
  0.55   △×△
  0.65   ×××
通过表4给出的第四实验的结果可以理解，如果滚动阻力在0.15到0.45N·m的范围内，可以在滚动轴承单元的可控性和耐用性两方面得到令人满意的性能。相比之下，如果滚动阻力设定为0.10N·m和0.12N·m(过小)，则滚动轴承单元的刚度低，因此不能确保足够的可控性。相比之下，如果滚动阻力设定在0.55N·m和0.65N·m(过大)，将降低滚动轴承单元的耐用性。
此外，表5给出了第五实验的结果，执行该实验以便了解刚度系数对滚动轴承单元刚度的影响。
表5
  刚度系数   评价
  0.07   ×××
  0.08   ×△×
  0.09   ○○○
  0.10   ○○○
  刚度系数   评价
  0.15   ○○○
  0.18   ○○○
通过表5给出的第五实验的结果可以了解，如果刚度系数为0.09或更大，在可控性方面能够得到令人满意的性能。相比之下，如果刚度系数为0.07和0.08，则滚动轴承单元的刚度低，因此不能确保足够的可控性。在这种情况下，如上所述，在满足其它要求的前提下，刚度系数越高越好。
接下来，表6给出第六实验的结果，执行该实验以便了解密封扭矩和滚动阻力对滚动轴承单元整体的运转扭矩的影响。在200min-1的转动速度下执行该实验。
表6
表6中，标记×表示运转扭矩总体较大的情况，标记△表示运转扭矩稍大的情况，标记○表示运转扭矩较小的情况。从表6中显然，分别将密封扭矩和滚动阻力控制在0.2N·m或更小和0.45N·m或更小，则本发明能够将运转扭矩整体地控制得低至0.65N·m或更小。
表7给出属于本发明技术范围的轮支持滚动轴承单元的规格的四个示例。
表7
表7中，滚珠直径表示滚珠的直径，PCD表示这些滚珠的滚珠序列的间隙直径，列间距表示沿轴向布置在双列的滚珠序列的间隙(滚珠之间的中心距离)，接触角度表示滚珠和内圈滚道以及滚珠和外圈滚道之间的接触角度。
此外，表8给出接触角度对刚度系数的影响。从表8可以理解，随着接触角度变小，刚度系数变小。
表8
  预载荷[kN]   接触角度[deg]   刚度系数   滚珠直径[mm]  PCD[mm]   列间距[mm]
  1.96   40   0.093   Φ9.525   45   24
  1.96   35   0.089   Φ9.525   45   24
虽然已经参照具体实施例详细描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离本发明精神和范围的前提下，可以对所述实施例进行各种改变和修改。
本申请基于2002年9月6日提交的日本专利申请(专利申请No.2002-261195)，该申请的内容在此引作参考。
工业应用
本发明的轮支持滚动轴承单元如上所述地构成和操作，通过减小与车轮一起转动的轮毂的运转扭矩并且同时确保刚度和耐用性，这种轴承单元可以对车辆的行驶性能，主要为可控性、加速性能和耗油性能的改进做出贡献。
以下解释用于改进耗油性能的试验性计算(trial calculation)的示例。现有技术中，具有如图1至4所示结构的轮支持滚动轴承单元的运转阻力几乎是1N·m。相比之下，本发明的轮支持滚动轴承单元的运转阻力在0.18到0.65N·m的范围内。即，相比现有技术，运转阻力减小了35％或更多。可以认为，如果轮支持滚动轴承单元的运转阻力减小10％，则油耗(油耗率)可以改进大约0.1％。所以，设想油耗为10km/L的汽车一年行驶100000公里，那么通过使用本发明的轮支持滚动轴承单元每年可以节省大约35到82L的油。设想该国度有1000000辆汽车，那则省油量可以达到35000000L到82000000L。此外，可以说本发明的工业应用性很强，因为可以在改进油耗的同时而不会导致其他不利之处。

Claims (2)

1.一种轮支持滚动轴承单元，包括：
在使用中支持/固定到悬架***上的静止侧滚道圈；
在使用中用于支持/固定轮的转动侧滚道圈；
多个设置在静止侧滚道圈和转动侧滚道圈之间的滚珠，各个滚珠具有圆弧形截面形状，并且位于静止侧滚道圈和转动侧滚道圈的彼此相对周面之间；以及
密封环，该密封环仅仅密封在静止侧滚道圈和转动侧滚道圈的彼此相对周面之间的空间两端部分上的开口部分中之一，在该空间内配置所述滚珠；
其中，静止侧滚道圈和转动侧滚道圈中沿径向位于内部的滚道圈由主轴元件和内圈构成；该主轴元件具有沿轴向直接形成于外周面的中间部分上的第一内圈滚道，和沿轴向形成于外周面的一端部上的小直径阶梯部分，所述第一内圈滚道用作转动侧滚道面；并且，位于一外周面上的所述内圈装配/固定到所述小直径阶梯部分上，作为转动侧滚道面的第二内圈滚道由该外周面形成，
所述密封环具有两个或三个密封唇，其分别由弹性材料形成，并且各个密封唇的顶端边缘与对应面滑动接触，
其中将向滚珠施加预载荷的轴向载荷设定为1.96到4.9kN，
将刚度系数设定为0.09或更大，
基于所述密封唇和对应面之间的摩擦以200min-1的速度使静止侧滚道圈和转动侧滚道圈相对转动所需的扭矩被设定为0.03到0.2N·m，和
基于各滚珠的滚动阻力以200min-1的速度使静止侧滚道圈和转动侧滚道圈相对转动所需的扭矩被设定为0.15到0.45N·m。
2.如权利要求1所述的轮支持滚动轴承单元，其中，所述内圈在一个端面被填塞部分施压，该填塞部分通过将所述主轴元件的一端部沿径向向外弹性变形而形成。
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