KR20100051030A - 휠 베어링 조립체 - Google Patents

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KR20100051030A
KR20100051030A KR20090106697A KR20090106697A KR20100051030A KR 20100051030 A KR20100051030 A KR 20100051030A KR 20090106697 A KR20090106697 A KR 20090106697A KR 20090106697 A KR20090106697 A KR 20090106697A KR 20100051030 A KR20100051030 A KR 20100051030A
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wheel mounting
mounting component
rotating
component
bearing assembly
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KR20090106697A
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English (en)
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이. 미커 스티븐
엔. 존슨 데이비드
제이. 바이나섹 코니
피. 그로버 마틴
Original Assignee
키클로스 베어링 인터내셔널, 인크.
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Abstract

본 발명에 의하면, 임팩트 브리넬 저항성(impact Brinell resistance)이 향상된 베어링 조립체(bearing assembly)가 제공된다. 회전하는 컴포넌트(rotaing component)와, 회전하지 않는 컴포넌트(non-rotaing component) 또는 차량의 현가장치 구조물(vehicle suspension structure) 사이에 있는 통제된 갭(contrlled gap)으로 인해, 회전하는 컴포넌트에 충분한 측면 충격(side impact)이 가해질 때, 회전하지 않는 컴포넌트 또는 차량의 현가장치 구조물이 충격 하중을 분담할 수 있게 된다. 따라서, 과도한 하중이 롤링 엘리먼트들(rolling elements)에 전달되는 것이 방지될 수 있으며, 베어링 조립체에 소음 및/또는 진동 상태를 발생시키는 브리넬 임팩트 손상에 대한 저항성을 보다 높여준다. 회전하는 컴포넌트와, 차량의 현가장치 구조물 또는 회전하지 않는 컴포넌트 사이의 잠재적 접촉면의 폭 및 통제된 갭의 폭은, 극도의 선회 조정시, 상기 회전하는 컴포넌트가 회전하지 않는 컴포넌트 또는 차량의 현가장치 구조물에 과도하게 접촉되는 것을 피하면서, 임팩트 브리넬 저항성을 증가시키도록 최적화 된다.
베어링 조립체, 임팩트 브리넬 저항성, 현가장치, 측면 충격, 롤링 엘리먼트, 볼 베어링, 테이퍼 롤러 베어링

Description

휠 베어링 조립체 {WHEEL BEARING ASSEMBLY}
본 발명은 휠 베어링 조립체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 측면 임팩트 브리넬 저항성(side-impact Brinell resistance)이 향상된 휠 베어링 조립체에 관한 것이다.
신규의 차량 플랫폼(vehicle platforms)에는, 더 큰 직경의 휠(wheel)들, 더 낮은 프로파일(profile)의 타이어(tier)들, 및 더 큰 강성 또는 더 민감한 코너 서스펜션 컴포넌트(corner suspension component)들의 조합들이 적용되기 때문에, 차량 휠의 회전하는 베어링 조립체는, 연석들(curbs)과 같은 물체와의 측면 충격에 의한 "임팩트 브리넬(impact Brinell)" 손상을 더욱 더 받기 쉽다. 임팩트 브리넬 마크(impact Brinell marks)는, 베어링이 부착된 컴포넌트로부터 베어링 롤링 엘리먼트(bearing rolling element)를 통해 전달 되는 충격 하중의 결과로 발생하는, 베어링 레이스웨이(raceway) 내의 미세한 오목자국들(microscopic indents)인 것이다. 예를 들면, 휠 마운팅 플랜지(wheel mounting flange)가 충격의 힘을 받아, 그 힘을 볼(ball) 컴포넌트들에게 전달할 수 있으며, 이 볼 컴포넌트들은 볼 베어링 조립체의 베어링 레이스웨이들에게 충격을 가하게 된다. 측면 임팩트 브리넬 발생의 결과는 통상적으로 차량 베어링 조립체의 소음 또는 진동으로 발전하게 된다.
통상적으로, 차량이 연석과 충돌하게 되면, 휠 베어링 조립체의 중심선에 대해 오프셋(offset)된 급격하고 높은 피크 하중(peak loard)이 걸리게 된다. 이러한 형태의 측면 힘이 가해지면, 베어링 롤링 엘리먼트들의 예압된 상태(preload condition)를 급격히 약화시킨다. 회전하는 컴포넌트(rotating component)가 회전하지 않는 컴포넌트(non-rotating component)쪽 축방향 내측으로(inboard) 움직이게 되면, 일부 볼(ball)들이 인너 볼 레이스(inner ball race)들의 아치형 프로파일(arcurate profile)을 따라 내측으로 움직이면서, 반경방향 외측으로 움직이게 된다. 동시에, 이 하중(차량 휠에 연석 높이로 가해짐)은 오프셋 되어 있기 때문에, 회전하는 컴포넌트에 하향의 횡방향 힘이 결과적으로 가해지게 되고, 이로 인해 내측 볼열(ballrow)의 상부 영역 및 외측 볼열의 바닥 영역에 볼레이스 임팩트 브리넬 자국이 가장 크게 생기게 되어서, 낮은 충격 상태하에 이러한 영역에서 소음 및/또는 진동이 발생하게 된다..
이에 대한 통상적인 설계상의 해법으로는, 베어링의 직경 또는 축방향 치수, 및/또는 베어링 롤링 엘리먼트의 크기 또는 갯수를 증가시키는 것인데, 이는 대체로 질량/무게 및 비용 측면에서 불리하고, 직진 주행 및 선회 조정 측면에서 비효율적인 베어링 설계가 된다. 또한, 극도의 측면 힘이 작용할 때, 베어링 레이스웨이가 볼을 더 지지하도록, 볼 직경에 대해 베어링 레이스웨이 숄더 높이를 증가시킬 수도 있다. 그러나 이러한 접근 방법은 프로세스 비용의 증가를 가져오게 된다. 이러한 종래의 모든 방법에 있어서 불리한 점은, 질량/무게, 회전 토크, 베어링 및 베어링과 결합되는 코너 컴포넌트들의 비용이 증가한다는 것이다.
따라서, 현존하는 베어링 조립체들에 비해 현저한 질량의 증가 또는 효율의 감소 없이, 측면 임팩트 브리넬 저항성이 향상된 베어링 조립체가 필요하다.
본 발명의 일 양태에 따라 제공되는 베어링 조립체는, 축선(axis)을 형성하고 있는 회전하는 컴포넌트(rotaing component); 차량의 현가장치 구조물(vehicle suspension structure)에 대해 고정된 회전하지 않는 컴포넌트(non-rotaing component)(예컨대, 너클(knuckle) 또는 차축(axle)); 및 회전하지 않는 컴포넌트에 대해, 휠 마운팅 컴포넌트(wheel mounting component)가 그 축선을 중심으로 회전할 수 있게끔, 회전하는 컴포넌트를 회전하지 않는 컴포넌트에 회전가능하 게(rotatably) 결합하는 베어링 엘리먼트들(bearing elements);을 포함한다. 상기 베어링 엘리먼트들에는 제 1 레이스웨이를 형성하는 아우터 링(outer ring) 및 인너 링(inner ring)이 포함되어 있고, 제 1 레이스웨이는 다수의 롤링 엘리먼트들(rolling elements)을 롤링가능하게(rollably) 보유(retaining) 하고 있다. 측면 충격이 가해질 경우, 직접적으로 또는 회전하지 않는 컴포넌트를 거쳐 차량의 현가장치 구조물에 의해 하중 분담이 이루어 질 수 있도록, 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분(annular portion)이, 회전하지 않는 컴포넌트 또는 차량의 현가장치 구조물의 환상형 면(annular surface)으로부터, 축선을 따라 외측 방향으로 틈(clearance)을 가지고 떨어져 있어서, 휠 마운팅 컴포넌트에 충분한 측면 충격이 가해지면, 휠 마운팅 컴포넌트가 이동되어 회전하지 않는 환상형 면과 접촉하게 되고, 결과적 충격 하중의 일부를 차량의 현가장치 구조물에 전달하게 된다. 이렇게 하여, 롤링 엘리먼트들은 적어도 결과적 충격 하중의 일부를 면하게 된다. 소음 및 진동 상태를 유발하지 않으면서, 베어링 조립체가 지탱할 수 있는 총 측면 충격 하중을 키우기 위해서, 베어링 조립체는, 적어도 실질적으로, 제 1 베어링 레이스웨이에 브리넬 손상(Brinell damage)을 입혀 소음 또는 진동 상태를 야기시키기에 충분한 측면 충격 하중이 가해지면, 먼저 휠 마운팅 컴포넌트가 접촉을 일으켜 회전하지 않는 환상형 면을 통해 차량의 현가장치 구조물에 하중을 전달하게끔, 형성된다.
바람직하게는, 휠 마운팅 컴포넌트가 회전하지 않는 환상형 면으로부터 떨어진 틈이 기껏해야 약 0.30 밀리미터 되고, 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이 회 전하지 않는 환상형 면과 약 2 밀리미터 내지 약 5 밀리미터의 반경방향의 폭을 가지는 대체적 아치형의(arcuate) 접촉면으로 접촉하도록 형성되는 것이다. 롤링 엘리먼트들이 볼들인 경우, 제 1 레이스웨이가 해당 볼들 직경의 약 30 % 내지 약 50 % 되는 숄더(shoulder) 높이를 가지는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 제 1 레이스웨이는 외측 레이스웨이(outboard raceway) 이고, 상기 외측 베어링 레이스웨이 내에 보유된(retained) 다수의 롤링 엘리먼트들은 외측 롤링 엘리먼트들이며, 아우터 링 및 인너 링은, 상기 외측 레이스웨이로부터 내측(inboard) 방향에 위치하는 내측 베어링 레이스웨이(inboard bearing raceway)를 더 형성하며, 상기 내측 베어링 레이스웨이는 다수의 내측 롤링 엘리먼트들을 롤링가능하게 보유하고 있다. 제 1 베어링 레이스웨이 경우에서와 같이, 제 2 베어링 레이스웨이에 소음을 발생시킬 수 있는 충격이 가해지면, 먼저 결과적 충격 하중의 일부가 휠 마운팅 컴포넌트로부터 회전하지 않는 환상형 면을 통해 차량의 현가장치 구조물에 부과되게끔, 베어링 조립체가 형성된다.
기본적인 베어링 조립체 컴포넌트들의 관계를 변화시킴으로써, 다수의 실시예들이 가능하다. 예를 들면, 아우터 링이 현가장치 구조물에 대해 고정되고, 인너 링은 휠 마운팅 컴포넌트에 대해 고정될 수 있다. 이와 다르게, 아우터 링이 휠 마운팅 컴포넌트에 대해 고정되고, 인너 링이 현가장치 구조물에 대해 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 베어링 조립체들에는, 여타의 실시예들을 가능케 하면서, 다양한 롤링 엘리먼트들이 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 롤링 엘리먼트 들은 볼들 또는 테이퍼 롤러들(taper rollers)이 될 수 있으며, 또는 여러 레이스웨이들을 지닌 베어링 조립체 경우에는, 한쪽 레이스웨이에는 볼들이 사용되고 다른쪽 레이스웨이에는 테이퍼 롤러들이 사용될 수도 있다. 또한, 여타의 적절한 롤링 엘리먼트들이 단독적으로 사용되거나 또는 하나 이상의 다른 롤링 엘리먼트들과 조합으로 사용될 수도 있으며, 이 역시 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 베어링 조립체는, 회전하는 컴포넌트; 회전하지 않는 컴포넌트; 및 볼 베어링 엘리먼트들;을 포함하며, 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이, 제 1 양태에서와 같이, 회전하지 않는 컴포넌트 또는 차량의 현가장치 구조물의 회전하지 않는 환상형 면으로부터, 축선을 따라 외측 방향으로 틈을 가지고 떨어져 있다. 통상적으로, 측면 충격 시, 휠 마운팅 컴포넌트의 축방향 이동으로 인해, 볼 컴포넌트들의 일부가 베어링 레이스웨이 상에서, 베어링 레이스웨이의 숄더쪽으로 굴러 올라가게 되며, 이는 브리넬 오목자국(Brinell indents)을 깊게 하는 응력 집중을 초래한다. 이러한 이동(shifting)을 제한하기 위해, 본 발명의 양태에서, 상기의 틈을 통제하여 휠 마운팅 컴포넌트의 축방향 이동을 제한한다. 바람직하게는, 볼 컴포넌트들과 베어링 레이스웨이 사이의 접촉점(point of contact)이 레이스웨이 상에서, 볼 직경의 약 35 % 또는 그 이하의 높이에 유지되게끔, 볼 컴포넌트들이 레이스웨이의 아치형 프로파일을 따라 이동되는 것을 제한하는 것이다. 여기서 "접촉점(point of contact)"은, 일반적으로 볼 컴포넌트들과 베어링 레이스웨이들 사이의 접촉하는 면의 중앙점을 말하며, 이는 일반적으로, 브리넬 오목자국의 발생 시, 브리넬 오목자국 내의 중앙점에 해당된다.
상술한 문제점들을 해결하는 효과가 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 현존하는 휠 베어링 조립체에서의 임팩트 브리넬 손상(impact Brinell damage) 문제가 보여지고 있다. 도 1 및 도 2는, 종래 기술의 또는 현존하는 특정의 베어링 조립체를 정확하게 나타내려고 한 것이 아니고, 단지 문제점을 보여주기 위한 도면이다. 도 1에는 현존하는 대표적인 휠 베어링 조립체(10)가 도시되어 있는데, 상기 휠 베어링 조립체(10)는, 회전하지 않는 아우터 링 컴포넌트(outer ring component)(12), 회전하는 인너 링 컴포넌트(inner ring component)(14), 및 일체로 형성된 회전 탭(rotating tab)(17)에 의해 제 위치에 고정된 내측 인너 베어링 링(inboard inner bearing ring)(16)을 가지고 있다. 상기 내측 인너 베어링 링(16)은 내측 인너 베어링 레이스웨이(inboard inner bearing raceway)(18)를 형성하고, 회전하지 않는 컴포넌트(12)는 내측 아우터 베어링 레이스웨이(20)를 형성하여, 함께 볼 컴포넌트들(22)의 내측 볼열(inboard ballrow)을 캡슐로 싸고 있다. 이와 유사하게, 회전하는 컴포넌트(14)는 외측 인너 베어링 레이스웨이(outboard inner bearing raceway)(24)를 형성하고, 회전하지 않는 컴포넌트(12)는 외측 아우터 베어링 레이스웨이(outboard outer bearing raceway)(26)를 형성하여, 볼 컴포넌트들(28)의 외측 볼열(outboard ballrow)을 수 용한다. 회전하지 않는 컴포넌트(12)에는, 볼트(36)들에 의해 차량의 현가장치 구조물(vehicle suspension structure)(34)에 장착되는 아우터 링 마운팅 플랜지(outer ring mounting flange)(32)가 포함되어 있다.
도 2에는 회전하는 컴포넌트(14)가 연석 C 에 의해 측면 충격을 받는 영향이 보여지고 있다. 회전하는 컴포넌트(14)의 휠 마운팅 플랜지(38) 저부 영역의 충격점 P(i)에 오프셋(offset)된 힘 F 가 작용함으로 인해, 도면에 도시된 바와 같이, 회전하는 컴포넌트(14)를 축선을 가로질러 반시계방향으로 굽히거나 회전시키려고 하는 모멘트(moment) M 이 발생하게 된다. 도 1 및 도 2를 비교하면, 휠 마운팅 플랜지(38)의 하부 영역에서, 초기 이격 거리 d 가 굽힘 및/또는 회전에 의해 거리 d' 로 감소되는 것을 볼 수 있다. 또한 굽힘 및/또는 회전의 결과로, 볼 컴포넌트들(22 및 28)의 예압 상태(preload condition)가 급속히 약화되어, 휠 마운팅 플랜지(38)의 축방향 이동으로 인해, 특히 외측 베어링 레이스웨이들(24 및 26)의 하부 영역과 내측 베어링 레이스들(18 및 20)의 상부 영역에서, 일부 볼 컴포넌트들(22 및 28)이 밀려서, 볼 레이스들과 중심 정렬된 것이 흐트러지게 될 수 있다. 특히 도 2를 참조하면, 볼 컴포넌트들(28)은 베어링 레이스웨이들(24 및 26) 제각기의 숄더 포인트(shoulder point)들(B3 및 B4)에 대해 위로 올라가려고 하고, 볼 컴포넌트들(22)는 베어링 레이스웨이들(20 및 18) 제각기의 숄더 포인트들(B1 및 B2)에 대해 위로 올라가려고 한다. 이에 따라, 포인트 B1 내지 B4 지점에 응력 집중을 일으켜, 이들 포인트에 심각한 임팩트 브리넬 손상을 일으킬 수 있다. 베어링 레이스웨이들(18, 20, 24, 및 26) 중 어느 것이라도 어느 정도의 임팩트 브리넬 손상을 입게 되면, 오목자국들(indents)이 남게 되어, 회전하는 컴포넌트(14)가 회전하지 않는 컴포넌트(12)에 대해 회전할 때, 바람직하지 못한 소음 또는 진동이 발생하게 된다. 통상적으로, 베어링 및/또는 볼 컴포넌트의 크기와 차량의 용도에 따라 좌우되지만, 브리넬 오목자국이 깊이에 있어서 약 3 마이크론(0.003 밀리미터) 정도이면, 베어링 작동시 소음 및 진동이 발생하게 된다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 임팩트 브리넬 저항성이 향상된 휠 베어링 조립체에 대해 기술하고자 한다.
도 3을 보면, 휠 베어링 조립체(40)가 도시되어 있는 데, 여기에는 회전하지 않는 아우터 링 컴포넌트(42), 회전하는 인너 링 컴포넌트(44) 및 내측 인너 베어링 링(46)이 포함되어 있으며, 상기 내측 인너 베어링 링(46)은, 일체로 형성된 회전 탭(47)에 의해 제 위치에 클램프되어, 회전하는 컴포넌트(44)에 대해 고정된 위치로 유지된다. 또한 본 발명은, 논-셀프-리테이닝 베어링 조립체(non-self-retaining bearing assembly)들이나, 여타 형태의 리텐션(retention)이 적용되는 베어링 조립체들, 예컨대 회전하는 컴포넌트에 일체형으로 형성된 탭보다는, 제파 샤프트(Rzeppa shaft) 또는 스터브 샤프트(stub shaft)에 의해 내측 인너 베어링 링이 제자리에 클램프되는 베어링 조립체들로 유리하게 실시될 수 있음을 알아야 한다. 내측 인너 베어링 링(46)은 내측 인너 베어링 레이스웨이(48)를 형성하고, 회전하지 않는 컴포넌트(42)는 내측 아우터 베어링 레이스웨이(50)를 형성하여서, 함께 볼 컴포넌트들(52)의 내측 볼열을 캡슐로 싸고 있다. 이와 유사하게, 회전하는 컴포넌트(44)는 외측 인너 베어링 레이스웨이(54)를 형성하고, 회전하지 않는 컴포넌트(42)는 외측 아우터 베어링 레이스웨이(56)을 형성하여서, 볼 컴포넌트들(58)의 외측 볼열을 수용하게 된다. 회전하지 않는 컴포넌트(42)에는, 예컨대 볼트(66)들을 사용하여, 상기 회전하지 않는 컴포넌트(42)를 차량의 현가장치 구조물(64)에 장착하기 위한 마운팅 플랜지(62)가 포함되어 있다.
휠 베어링 조립체(40)는 큰 외측 볼 컴포넌트들(58) 및 작은 내측 볼 컴포넌트들(52)을 포함하고 있는 반면에, 도 4 및 도 5에 제각기 도시한 바와 같이, 동일한 직경의 볼 컴포넌트들(52' 및 58')을 가지는 휠 베어링 조립체(40')와, 외측 볼 컴포넌트들(58'') 보다 큰 내측 볼 컴포넌트들(52'')을 가지는 휠 베어링 조립체(40'')도 또한 본 발명의 범위에 속한다.
또한, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 회전하지 않는 컴포넌트(42)의 외측 말단면(outbooard end face)(68)은, 회전하는 컴포넌트(44)의 휠 마운팅 플랜지(70)으로부터 통제된 갭(controo\lled gap) g 만큼 이격되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 연석 C 와의 충돌로, 회전하는 컴포넌트(44)에 충분한 측면 충격이 가해 지면, 휠 마운팅 플랜지(70)는 통제된 갭 g 만큼 움직여져서, 외측 말단면(68)과 접촉하게 된다. 그 후에는, 회전하는 컴포넌트(44)에 가해지는 추가적인 하중은 회전하지 않는 컴포넌트(42)에 의해 분담되며, 상기 회전하지 않는 컴포넌트(42)의 상대적 강성도로 인해, 휠 마운팅 플랜지(70)가 축선 방향의 내측으로 더 이상 움직이는 것이 적어도 실질적으로 방지될 수 있으며, 이리하여, 회전하는 컴포넌트(44)가 안쪽으로 굽혀지거나 회전되는 것이 적어도 실질적으로 방지될 수 있어서, 볼 컴포넌트들(52 및 58)을 통해 베어링 레이스웨이들(48, 50, 54 및 56)에 전달되는 피크 하중이 증가하는 것을 적어도 실질적으로 방지할 수 있다. 상기 갭 g 는 회전하는 컴포넌트(44)의 축선에 수직으로 정렬될 필요는 없으며, 도 5에 표시한 바와 같이, 갭 g 가 축선에 대해 경사를 이룰 수도 있다. 더우기 다른 실시예들(도시되지 않음)에서는, 상기 외측 말단면(68)이 직선의 프로파일을 가질 필요는 없으며, 단지 휠 마운팅 플랜지(70)의 내측 면(inboard face)과 보완적으로 짝을 이루는 프로파일을 가지면 된다.
또한, 회전하는 컴포넌트(44)가 축선 방향으로 회전하지 않는 컴포넌트(42)쪽으로 움직이는 것이 제한되기 때문에, 볼 컴포넌트들(52 및 58)의 위치 변경으로 인해 제각기의 베어링 레이스웨이와 정렬된 것이 흐트러지는 것도 제한된다. 이리하여, 현존하는 베어링 조립체에 가해지는 측면 충격의 결과로, 베어링 레이스웨이들의 숄더(shoulder)들에 응력 집중이 높게 발생하는 것을, 베어링 레이스웨이 숄더의 높이를 증가시킬 필요 없이, 실질적으로 방지할 수 있다. 예를 들면, 상기 통제된 갭 g 가 약 0.13 밀리미터인 경우에, 연석 충격 시뮬레이션으로부터 나타난 가장 깊은 브리넬 임팩트 오목자국들(Brinell impact indents)이, 베어링 레이스웨이 상, 약 13 밀리미터의 직경을 지닌 볼 컴포넌트들 직경의 약 30 % 되는 반경방향 높이에만 위치한다는 것이 본 발명자에 의해 밝혀졌다. 이는, 숄더 높이가 낮아지면, 프로세싱 비용이 줄어들고 휠 베어링 조립체의 토크(torque)가 작아지기 때문에, 매우 중요한 이점이 된다. 볼 컴포넌트들(52 및 58)이 제각기의 레이스웨이에 실질적으로 가지런히 놓여 있는 상태에서, 피크 하중 상태(peak load condition)는 전체 볼 레이스 컴플리먼트 하중(complement load)으로 감소되며, 베어링 조립체(40)의 모든 볼 컴포넌트들(52 및 58)이 거의 균등하게 응력을 받게 된다. 결과적으로, 휠 베어링 조립체(40)는, 소음을 발생시키기에 충분한 브리넬 임팩트 손상이 베어링 레이스웨이들(48, 50, 54 및 56)에 초래되지 않으면서, 회전하는 컴포넌트와 회전하지 않는 컴포넌트 사이에 보다 큰 갭을 가지고 있는 유사한 휠 베어링 조립체보다, 더 큰 측면 충격을 견딜 수 있게 된다.
통제된 갭 g 의 또 다른 중요한 장점은, 회전하지 않는 컴포넌트와 회전하는 컴포넌트(42 및 44)가 가깝게 근접되어 내부 미로(built-in labyrinth)(72)를 형성하게 되며, 이는, 통제된 갭 g 부근에서 파편들이 베어링 조립체(40)의 측면으로 들어오는 것을 막아준다. 이로 인해, 씨일 컴포넌트(seal component)(도시 않됨)를 보다 작고 단순하게 제작할 수 있어서, 베어링 조립체(40)에서의 마찰 토크를 감소시킬 수 있다.
충격 발생 시, 볼 컴포넌트들(52 및 58)을 통해 전달되는 하중을 줄이기 위해, 회전하는 컴포넌트(44)와 회전하지 않는 컴포넌트(42) 사이에 접촉이 이루어지는 것이 바람직 하지만, 운전 중에 이들 컴포넌트들 사이에 과도한 접촉이 일어나게 되면, 바람직하지 못한 마찰이 발생하게 되고, 심지어 그 자체가 소음 및/또는 진동을 유발하게 된다. 이 점은, 회전하는 컴포넌트(44)를 회전하지 않는 컴포넌트(42)에 접촉시키기에 충분한 내측으로의 응력이, 회전하는 컴포넌트(44)에 가해질 수 있는, 과격한 선회 조정(cornering maneuvers)과 관련하여 특히 중요한 문제가 된다. 그러므로 운전 중에 과도한 접촉은 피하면서도, 임팩트 브리넬 저항성이 향상되도록, 통제된 갭 g 의 폭을 최적화 하여야 한다. 게다가, 회전하는 컴포넌 트(44) 및 회전하지 않는 컴포넌트(42) 사이의 잠재적 접촉면의 폭 W(c) 또한 중요한데, 왜냐하면, 접촉 폭 W(c) 가 크면 마찰이 더 크게 발생하고 잠재적인 소음 및/또는 진동의 발생이 되며, 접촉 폭 W(c) 가 작으면 회전하지 않는 컴포넌트(42)에 의해 분담되는 하중의 크기가 작아지게 되기 때문이다. 따라서, 상기 접촉 폭 W(c) 도, 예컨대 회전하지 않는 컴포넌트의 외측 말단면(68)의 폭을 조정함으로써, 최적화 하여야 한다. 예컨대 회전하는 컴포넌트 플랜지 두께, 회전하는 컴포넌트 플랜지 디자인, 베어링 레이스웨이 숄더 높이, 볼 컴포넌트들의 수량 및 직경과 같은 베어링 조립체의 일정 사양들이 수정되면, 최적의 파라미터(optimal parameter)들이 변경될 수 있다. 본 발명자들은, 베어링 조립체의 휠 마운팅 플랜지(70)의 두께가 약 8-12 mm 이고, 베어링 레이스웨이들(48, 50, 54 및 56)의 숄더 높이가 이들과 관련된 볼 컴포넌트들(52 및 58) 직경의 약 30-40 % 이고, 통제된 갭 g 의 폭이 약 0.04 mm 내지 약 0.3 mm 이고, 접촉 폭 W(c) 가 약 2 mm 내지 약 5 mm 이면, 회전하는 컴포넌트(44)에 내측으로의 변형을 일으키는 조정 운전 시에도, 과도한 마찰, 소음 또는 진동을 피할 수 있으며, 양호한 브리넬 저항성이 제공된다는 것을 발견하였다. 산업상 통상적으로, 베어링 레이스웨이 숄더의 높이는 볼 직경의 약 45-50 % 정도 되므로, 볼 직경의 약 30-40 % 정도 되는 숄더 높이에서 임팩트 브리넬 저항성이 양호해진다는 것은, 프로세싱 비용 및 베어링 조립체의 토크를 상당히 줄이면서, 본 발명에 따른 베어링 조립체에 의해 얻어지는 커다란 이점이 된다.
본 발명에 의해, 베어링 조립체의 다양한 변형들이 가능하다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 이에 국한되지는 않지만, 테이퍼 롤러(tapered roller)들을 포함하 여, 볼이 아닌 롤링 엘리먼트(rolling element)들을 지닌 베어링 조립체들도 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른, 테이퍼 롤러 베어링 조립체(74)가 도시되어 있는데, 조립체(74)는, 롤링 엘리먼트로서 볼들 대신에 테이퍼 롤러들을 통합하고 있다는 점만 제외하곤, 조립체(40)와 근본적으로 유사하다. g' 로 표시된 통제된 갭을 형성하는, 회전하지 않는 컴포넌트 외측 말단면(80) 및 회전하는 컴포넌트 플랜지(82) 사이의 간격 관계는, 구조 및 기능 측면에서, 도 3 내지 도 6을 참조로 앞에서 설명한 내용과 유사하다. 이와 유사하게, 본 발명에 따른 휠 베어링 조립체의 독창적인 특성들에 실질적인 영향을 미치지 않으면서, 도 3 내지 도 7에서 보여진 볼들 또는 테이퍼 롤러들 대신에, 여타 형태의 롤링 엘리먼트들, 또는 내측 레이스웨이에는 한 형태의 롤링 엘리먼트 그리고 외측 레이스웨이에는 다른 형태의 롤링 엘리먼트로 된 조합들로 대체될 수 있다.
또한, 여타의 변형들도 본 발명의 범위 내에서 가능한데, 예컨대, 회전하지 않는 컴포넌트와 회전하는 컴포넌트로부터 분리된 베어링 링들을 가지고 있는 베어링 조립체들에서와 같이, 단 하나의 베어링 레이스웨이와 볼열을 가지는 베어링 조립체들, 볼들 및 테이퍼 롤러나 여타의 롤링 엘리먼트들과의 조합을 가지는 베어링 조립체들, 내측 링 컴포넌트 대신에 외측 링 컴포넌트가 회전하는 컴포넌트가 되는 베어링 조립체들도 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 게다가, 도 3 내지 도 7에 도시된 실시예가 비록 "3 세대(generation III)" 형태의 베어링 조립체와 매우 유사하지만, 보통 소음 또는 진동 상태를 발생시키기에 충분한 브리넬 임팩트 손상을 야기시키는 측면 충격의 발생 시, 휠 마운팅 컴포넌트가 접촉을 일으켜, 차 량의 현가장치 구조물에 대해 고정되어 있는 컴포넌트 또는 차량의 현가장치 구조물 자체에 직접적으로 하중을 전달할 수 있으며, 회전하지 않는 컴포넌트의 하중 분담으로 인해 충분한 손상이 일어나지 않는 한, 본 발명의 내용은 0, I 또는 II 세대 베어링 조립체의 일반적 형상을 가지는 베어링 조립체들에도 유리하게 실시될 수 있다.
도 8에는, 본 발명에 따라, "II 세대" 베어링 조립체에 보다 더 관련된 베어링 조립체의 예가 도시되어 있는데, 여기서, 회전하는 컴포넌트는 외측 링 컴포넌트가 된다. 도면에 도시된 바와 같이, 회전하지 않는 컴포넌트(86)의 플랜지(84)는 볼트(90)들에 의해 차량의 현가장치 구조물(88)에 장착된다. 인너 베어링 레이스웨이들(92 및 93)을 형성하는 2-피스(two-piece)의 인너 베어링 링(91)은, 회전하지 않는 컴포넌트(86)의 둘레에 고정되게 클램프 되어 있으며, 아우터 베어링 레이스웨이들(94 및 95)은, 휠 마운팅 플랜지(98)를 지닌 회전하는 아우터 링 컴포넌트(96) 내에 형성되어 있다. 이 실시예에서, 회전하는 컴포넌트(96)의 내측 말단면(100) 및 회전하지 않는 컴포넌트 플랜지(84) 사이의 통제된 갭 g'' 는 최적화 되어서, 앞에서 도 3 내지 도 6을 참조로 설명한 바와 같이, 휠 마운팅 플랜지(98)에 오프셋된 측면 충격이 있을 시, 소음 또는 진동을 유발시키는 브리넬 손상을 실질적으로 방지할 수 있도록, 회전하는 컴포넌트(96)의 축방향 내측 이동을 제한되게끔 충분히 작으면서, 그러나 과격한 조정 운전 중에, 회전하는 컴포넌트(96)와 회전하지 않는 컴포넌트(86) 사이에 과도한 접촉은 피하게끔 충분히 크도록 되어 있다. 본 발명의 범위에 속하는 일부 조립체에서는, 관련된 통제된 갭이, 회전하는 컴포넌트의 내측 말단면 및 차량 현가장치 구조물 자체의 일부분 사이의 갭이 될 수 있음을 알아야 한다
본 발명을 일정의 바람직한 실시예들에 관련하여 기술하였지만, 본 발명은 다양한 변화와 수정 및 재구성이 가능하다는 것을 당업자들은 잘 알 것이며, 이러한 변화, 수정 및 재구성들은 다음의 청구항들에 의해 보호받을 것이다.
도 1은, 베어링 조립체의 기본적인 측 단면도(side sectional view)이다.
도 2는, 현존하는 베어링 조립체에 전형적인 연석 충격의 영향을 보여주는 도면이다.
도 3은, 본 발명에 따른 베어링 조립체의 측 단면도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 다른 베어링 조립체의 측 단면도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 또 다른 베어링 조립체의 측 단면도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 베어링 조립체가 전형적인 연석 충격에 대해 반응하는 것을 보여주는 측 단면도이다.
도 7은, 본 발명에 따른, 테이퍼 롤러(taper roller)들을 지닌 베어링 조립체의 측 단면도이다.
도 8은, 본 발명에 따른, 아우터 링 컴포넌트가 휠 마운팅 컴포넌트인 베어링 조립체의 측 단면도이다.

Claims (23)

  1. 베어링 조립체(bearing assembly)로서, 상기 베어링 조립체는,
    축선(axis)을 형성하고 있는 회전하는 컴포넌트(rotaing component);
    차량의 현가장치 구조물(vehicle suspension structure)에 대해 고정된, 회전하지 않는 컴포넌트(non-rotaing component); 및
    상기 회전하지 않는 컴포넌트에 대해, 휠 마운팅 컴포넌트(wheel mounting component)가 그 축선을 중심으로 회전할 수 있게끔, 상기 휠 마운팅 컴포넌트를 상기 회전하지 않는 컴포넌트에 회전가능하게(rotatably) 결합하는 베어링 엘리먼트들(bearing elements);을 포함하며,
    상기 베어링 엘리먼트들에는 제 1 아우터 레이스웨이(outer raceway) 및 제 1 인너 레이스웨이(inner raceway)가 포함되어 있고, 상기 제 1 레이스웨이들은 다수의 제 1 롤링 엘리먼트들(rolling elements)을 롤링가능하게(rollably) 보유(retaining) 하고 있으며,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분(annular portion)이, 차량의 현가장치 구조물에 대해 고정되어 회전하지 않는 환상형 면(non-rotating annular surface)으로부터, 축선을 따라 외측 방향으로 틈(clearance)을 가지고 이격되어 있어서, 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 충분한 측면 충격(sideimpact)이 가해지면, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 이동되어 상기 회전하지 않는 환상형 면과 접촉하게 되고, 상기 회전하지 않는 환상형 면을 통해 차량의 현가장치 구조물에 충격 하중의 일부를 전달하도록, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 형성되어 있으며,
    상기 베어링 조립체는, 적어도 실질적으로, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 상기 회전하지 않는 환상형 면에 접촉되어 상기 회전하지 않는 환상형 면을 통해 차량의 현가장치 구조물에 하중을 전달하는 것을 야기시키기에 충분하지 못한, 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 가해지는 측면 충격은, 또한, 상기 제 1 롤링 엘리먼트들이 상기 제 1 레이스웨이들에 충격을 주어 손상을 야기시켜, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 회전하지 않는 컴포넌트에 대해 회전할 때, 소음 또는 진동을 발생시키기에도 충분하지 못하도록, 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전하지 않는 환상형 면은, 회전하지 않는 컴포넌트의 환상형 면인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전하지 않는 환상형 면은, 차량의 현가장치 구조물의 환상형 면인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이스웨이들은 외측(outboard) 레이스웨이들이고, 상기 제 1 롤링 엘리먼트들은 외측 롤링 엘리먼트들이며, 상기 베어링 조립체는, 상기 외측 레이스웨이들로부터 내측방향에 위치하는 내측(inboard) 아우터(outer) 및 인너(inner) 레이스웨이들을 더 포함하며, 상기 내측 레이스웨이들은 다수의 내측 롤링 엘리먼트들을 롤링가능하게 보유하고 있으며,
    상기 베어링 조립체는, 적어도 실질적으로, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 상기 회전하지 않는 환상형 면에 접촉되어 상기 회전하지 않는 환상형 면을 통해 차량의 현가장치 구조물에 하중을 전달하는 것을 야기시키기에 충분하지 못한, 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 가해지는 측면 충격은, 또한, 상기 내측 롤링 엘리먼트들이 상기 내측 레이스웨이들에 충격을 주어 손상을 야기시켜, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 회전하지 않는 컴포넌트에 대해 회전할 때, 소음을 발생시키기에도 충분하지 못하도록, 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 면은, 약 2 밀리미터 내지 약 5 밀리미터의 반경방향의 폭을 가지는 대체적 아치형의(generally arcuate) 접촉면으로, 상기 회전하지 않는 환상형 면과 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 아우터 레이스웨이는 상기 회전하지 않는 컴포넌트에 대해 고정되어 있고, 상기 제 1 인너 레이스웨이는 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 대해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 아우터 레이스웨이는 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 대해 고정되어 있고, 상기 제 1 인너 레이스웨이는 상기 회전하지 않는 컴포넌트에 대해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 롤링 엘리먼트들은 볼(ball)들인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 롤링 엘리먼트들은 테이퍼 롤러(tapered roller)들인 것을 특징으로 하 는 베어링 조립체.
  10. 제 8 항에 있어서,
    각 제 1 레이스웨이는, 상기 볼들의 직경의 약 30 % 내지 약 50 % 되는 숄더(shoulder) 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 외측 롤링 엘리먼트들은, 테이퍼 롤러 및 볼로 이루어진 군(group)에서 선정된 한가지 형태의 롤링 엘리먼트이고, 상기 내측 롤링 엘리먼트들은 테이퍼 롤러 및 볼로 이루어진 군(group)에서 선정된 다른 형태의 롤링 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  12. 베어링 조립체로서, 상기 베어링 조립체는,
    축선을 형성하고 있는 휠 마운팅 컴포넌트;
    차량의 현가장치 구조물에 대해 고정된, 회전하지 않는 컴포넌트; 및
    상기 회전하지 않는 컴포넌트에 대해, 휠 마운팅 컴포넌트가 그 축선을 중심으로 회전할 수 있게끔, 상기 휠 마운팅 컴포넌트를 상기 회전하지 않는 컴포넌트 에 회전가능하게 결합하는 베어링 엘리먼트들;을 포함하며,
    상기 베어링 엘리먼트들에는 제 1 아우터 레이스웨이 및 제 1 인너 레이스웨이가 포함되어 있고, 상기 제 1 레이스웨이들은 다수의 제 1 롤링 엘리먼트들을 롤링가능하게 보유하고 있으며,
    상기 차량의 현가장치 구조물에 대해 고정된 회전하지 않는 환상형 면이, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분으로부터 축선을 따라 내측 방향으로, 기껏해야 약 0.30 밀리미터의 틈을 가지고 이격되어 있고, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이 이동되어 상기 회전하지 않는 환상형 면에 접촉하게 되면, 더 이상 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이 내측으로 이동되는 것을 적어도 실질적으로 방지하도록 형성되어 있으며,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분은, 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 충분한 측면 충격이 내측 방향으로 가해지면, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이 이동되어 상기 회전하지 않는 환상형 면과 접촉하게 되도록 형성되어 있으며,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트가 상기 회전하지 않는 환상형 면과 접촉하지 않을 때에는, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 측면 충격 하중의 적어도 일부분을 상기 제 1 롤링 엘리먼트들 및 상기 제 1 레이스웨이들에 전달하도록 형성되어 있으며,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트가 상기 회전하지 않는 환상형 면과 접촉할 때에는, 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 추가적인 측면 충격 하중의 적어도 일부분을 상기 회전하지 않는 환상형 면을 통해 상기 차량의 현가장치 구조물에 전달하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전하지 않는 환상형 면은, 회전하지 않는 컴포넌트의 환상형 면인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전하지 않는 환상형 면은, 차량의 현가장치 구조물의 환상형 면인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 레이스웨이들은 외측 레이스웨이들이고, 상기 제 1 롤링 엘리먼트들은 외측 롤링 엘리먼트들이며, 상기 베어링 조립체는, 상기 외측 레이스웨이들로부터 내측방향에 위치하는 내측 아우터 및 인너 레이스웨이들을 더 포함하며, 상기 내측 레이스웨이들은 다수의 내측 롤링 엘리먼트들을 롤링가능하게 보유하고 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 면은, 약 2 밀리미터 내지 약 5 밀리미터의 반경방향의 폭을 가지는 대체적 아치형의 접촉면으로, 상기 회전하지 않는 환상형 면과 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 아우터 레이스웨이는 상기 회전하지 않는 컴포넌트에 대해 고정되어 있고, 상기 제 1 인너 레이스웨이는 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 대해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 아우터 레이스웨이는 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 대해 고정되어 있고, 상기 제 1 인너 레이스웨이는 상기 회전하지 않는 컴포넌트에 대해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 롤링 엘리먼트들은 볼들인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 롤링 엘리먼트들은 테이퍼 롤러들인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  21. 제 19 항에 있어서,
    각 제 1 레이스웨이는, 상기 볼들의 직경의 약 30 % 내지 약 50 % 되는 숄더 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 외측 롤링 엘리먼트들은, 테이퍼 롤러 및 볼로 이루어진 군(group)에서 선정된 한가지 형태의 롤링 엘리먼트이고, 상기 내측 롤링 엘리먼트들은, 테이퍼 롤러 및 볼로 이루어진 군에서 선정된 다른 형태의 롤링 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
  23. 베어링 조립체로서, 상기 베어링 조립체는,
    축선을 형성하고 있는 휠 마운팅 컴포넌트;
    차량의 현가장치 구조물에 대해 고정된, 회전하지 않는 컴포넌트; 및
    상기 회전하지 않는 컴포넌트에 대해, 휠 마운팅 컴포넌트가 그 축선을 중심으로 회전할 수 있게끔, 상기 휠 마운팅 컴포넌트를 상기 회전하지 않는 컴포넌트에 회전가능하게 결합하는 베어링 엘리먼트들;을 포함하며,
    상기 베어링 엘리먼트들에는, 상기 휠 마운팅 컴포넌트와 적어도 실질적으로 동축(coaxial)을 이루는 아우터 레이스웨이 및 인너 레이스웨이가 포함되어 있고, 각 레이스웨이는 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 축선으로부터의 거리가 변하는 아치형 프로파일을 가지고 있으며,
    상기 아우터 레이스웨이는, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 축선으로부터 가장 멀면서, 그의 아치형 프로파일 상의 가장 낮은 지점에 베이스(base)를 가지고 있고, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 축선에 가장 가까우면서, 그의 아치형 프로파일 상의 가장 높은 지점에 숄더를 가지고 있으며,
    상기 인너 레이스웨이는, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 축선에 가장 가까우면서, 그의 아치형 프로파일 상의 가장 낮은 지점에 베이스를 가지고 있고, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 축선으로부터 가장 멀면서, 그의 아치형 프로파일 상의 가장 높은 지점에 숄더를 가지고 있으며,
    상기 레이스웨이들은 다수의 볼들을 롤링가능하게 보유하고 있으며,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트는 상기 볼들과 작동적으로 결합되어(operatively engaged), 상기 휠 마운팅 컴포넌트가 내측으로 이동하게 되면, 하나 이상의 볼들 및 하나 이상의 레이스웨이들 사이의 접촉점(point of contact)이 상기 하나 이상의 레이스웨이들의 아치형 프로파일을 따라 더 높이 위치이동되며,
    상기 차량의 현가장치 구조물에 대해 고정된 회전하지 않는 환상형 면이, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분으로부터 축선을 따라 내측 방향으로 틈을 가지고 이격되어 있으며,
    상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분은, 상기 휠 마운팅 컴포넌트에 충분한 측면 충격이 내측 방향으로 가해지면, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이 이동되어 상기 회전하지 않는 환상형 면과 접촉하게 되도록 형성되어 있으며,
    상기 회전하지 않는 환상형 면은, 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이 이동되어 상기 회전하지 않는 환상형 면에 접촉하게 되면, 더 이상 상기 휠 마운팅 컴포넌트의 환상형 부분이 내측으로 이동되는 것을 적어도 실질적으로 방지하도록, 그리고 상기 하나 이상의 볼들 및 하나 이상의 레이스웨이들 사이의 접촉점이, 아치형 프로파일의 베이스 위로, 볼 직경의 약 35 % 를 초과하는 높이로 위치이동되는 것을 적어도 실질적으로 방지하도록, 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 베어링 조립체.
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