锥形滚柱轴承.pdf

本发明提供一种锥形滚柱轴承，其滚柱系数γ大于0.94，其中内环(2)、外环(3)和滚动元件(4)中的至少任一个成员具有氮富含层，并且在所述氮富含层中的奥氏体晶粒的晶粒尺寸数大于10。所述内环(2)的锥形背面肋(2b)的表面包括：与所述锥形滚柱的大端面(4a)接触的锥形表面(a)；和侧面(b)，所述侧面(b)从所述锥形表面向外平滑地延伸，并且在远离所述锥形滚柱的所述大端面(4a)的方向上弯曲。保持器(5)包括在所述锥形滚柱(4)的小端面侧上连续的小环状部(6)；在所述锥形滚柱(4)的大端面侧上连续的大环状部(7)；以及多个连接所述小环状部和大环状部的柱部(8)。所述保持器(5)具有在所述柱部(8)中的相邻柱部之间的梯形凹槽(9)，并且所述凹槽(9)的每一个具有容纳一个锥形滚柱(4)的小直径侧的狭窄侧，以及容纳所述一个锥形滚柱(4)的大直径侧的宽阔侧。每一个所述柱部(8)都具有在所述凹槽(9)的狭窄侧上的切口(10a、10b和10c)。

1.  一种锥形滚柱轴承，所述锥形滚柱轴承包括：内环；外环；多个锥形滚柱，所述多个锥形滚柱被可滚动地设置在所述内环和所述外环之间；以及保持器，所述保持器用于使所述锥形滚柱保持预定的圆周间隔，其中：
滚柱系数γ大于0.94；
所述内环、所述外环和滚动元件中的至少一个成员具有氮富含层，并且在所述氮富含层中的奥氏体晶粒的晶粒尺寸数大于10；
所述内环具有锥形背面肋，所述锥形背面肋具有包括锥形表面和侧面的表面，所述锥形表面与所述锥形滚柱的大端面接触，所述侧面从所述锥形表面向外平滑地延伸，并且在远离所述锥形滚柱的大端面的方向上弯曲；并且
所述保持器包括在所述锥形滚柱的小端面侧上连续的小环状部，在所述锥形滚柱的大端面侧上连续的大环状部，以及多个用于连接所述小环状部和所述大环状部的柱部；在所述柱部中的相邻柱部之间形成梯形凹槽，每一个所述凹槽都具有容纳一个锥形滚柱的小直径侧的狭窄侧以及容纳所述一个锥形滚柱的大直径侧的宽阔侧，每一个所述柱部都具有在所述凹槽的所述狭窄侧的缺口。

2.  根据权利要求1所述的锥形滚柱轴承，其中所述侧面具有弧状横截面形状。

3.  根据权利要求1或2所述的锥形滚柱轴承，其中：在所述锥形滚柱的每一个所述大端面的中部设置具有圆形形状的凹口；并且所述凹口的外周边位于所述内环的所述锥形背面肋的表面的锥形表面和所述侧面之间的边界附近。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中：在所述内环的所述锥形背面肋的表面的锥形表面和所述侧面之间的所述边界位于最大接触椭圆的外周边附近，所述最大接触椭圆是通过在所述锥形滚柱的所述大端面与所述内环的所述锥形背面肋的表面之间的接触而形成的。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中：所述内环具有锥形正面肋，所述锥形正面肋具有包括与所述锥形滚柱的小端面平行的表面的表面；并且R/R₀落入0.75至0.87的范围内，其中R为所述锥形滚柱的所述大端面的曲率半径，并且R₀为从每一个所述锥形滚柱的锥角的顶点至所述内环的所述锥形背面肋的表面的距离。

6.  根据权利要求5所述的锥形滚柱轴承，其中所述内环的所述锥形背面肋的表面具有0.05至0.20μm的表面粗糙度Ra。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中所述氮富含层中的氮含量在0.1％至0.7％的范围内。

8.  根据权利要求1至7中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中每一个所述凹槽的窗口角为55°以上并且在80°以下。

9.  根据权利要求1至8中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中所述保持器由机械强度、耐油性和耐热性优异的工程塑料形成。

10.  根据权利要求1至9中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中每一个所述凹槽还具有被设置在其狭窄侧的小环状部中的缺口。

11.  根据权利要求1至10中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中每一个所述凹槽具有被设置在其宽阔侧的缺口，所述缺口被设置在至少一个所述柱部中。

12.  根据权利要求11所述的锥形滚柱轴承，其中被设置在所述凹槽的狭窄侧上的缺口的总面积大于被设置在所述凹槽的宽阔侧上的缺口的总面积。

13.  根据权利要求1至12中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中：所述保持器具有径向向内肋，所述径向向内肋被设置在所述保持器的小环状部的轴向外侧，所述径向向内肋面向所述内环的所述锥形正面肋的径向外表面；并且在所述径向向内肋的径向内表面与所述内环的所述锥形正面肋的径向外表面之间的间隙的上限为所述锥形正面肋的外径向尺寸的2.0％。

14.  根据权利要求1至13中任一项所述的锥形滚柱轴承，其中至少在所述锥形滚柱的表面上无规则地形成大量的微凹陷凹痕；所述具有所述凹痕的表面的表面粗糙度参数Ryni为0.4μm≤Ryni≤1.0μm；并且所述具有所述凹痕的表面的Sk值为-1.6以下。

15.  根据权利要求1至14中任一项所述的锥形滚柱轴承，所述锥形滚柱轴承用于支持机动车的动力传动轴。

锥形滚柱轴承
技术领域
本发明涉及锥形滚柱轴承，所述锥形滚柱轴承可以用作车辆的齿轮轴支持装置比如机动车的差速器和变速器的轴承。
背景技术
锥形滚柱轴承包括以下主要部件：内环，其径向外表面上具有滚道面，并且在滚道面的轴向相对侧上还具有锥形正面肋和锥形背面肋；外环，其径向内表面具有滚道面；多个锥形滚柱，其置于内环和外环的滚道面之间；以及保持器(或称作保持架)，其具有用于容纳和保持锥形滚柱的凹槽(pocket)。保持器包括：小环状部，其在锥形滚柱的小端面侧上是连续的；大环状部，其在锥形滚柱的大端面侧上是连续的；以及多个柱部(或称作棒件)，其连接小环状部和大环状部。每一个凹槽都是在相邻的柱部之间形成的，并且具有梯形形状，所述梯形形状的狭窄侧容纳锥形滚柱的小直径侧和其宽阔侧容纳锥形滚柱的大直径侧。
用于支持机动车的动力传动轴例如差速器和变速器的锥形滚柱轴承是在它们的下部浸在油浴中的情况下使用的，并且当轴承旋转时，油浴中的油流入轴承中用作润滑油。在用于这种用途的锥形滚柱轴承中，润滑油从锥形滚柱的小直径端流入轴承中。从保持器的径向外侧流动的润滑油沿着外环的滚道面流动，并且经由该滚道面通向锥形滚柱的大直径端。从保持器的径向内侧流动的润滑油沿着内环的滚道面流动，并且经由该滚道面通向锥形滚柱的大直径侧。
在一些用于润滑油从外侧流入的部位的锥形滚柱轴承中，在保持器的每一个凹槽中都设置有缺口，使得在保持器的径向外侧和内侧上的润滑油的分流(separate flow)通过各自的缺口。使用这种构造，在轴承中的润滑油的循环得到提高(参考专利文件1和2)。在专利文件1中所述的轴承中，如图21A中所示，在保持器5的凹槽9之间的柱部8的中部设置缺口10d，以防止在润滑油中所含的异物停留在轴承内部。在专利文件2所述的轴承中，如图21B中所示，在保持器5的每一个凹槽9的轴向相对侧的小环状部6和大环状部7中设置缺口10e，以促使润滑油从保持器的径向外侧朝内环侧流动。注意在附图中的凹槽9的尺寸是下面描述的转矩测量试验中用于比较例的值。
[专利文件1]日本专利申请公开平09-032858。
[专利文件2]日本专利申请公开平11-201149。
[专利文件3]日本专利申请公开平09-096352。
[专利文件4]日本专利申请公开平11-210765。
[专利文件5]日本专利申请公开2003-343552。
发明内容
本发明所要解决的问题
在上述的每一个锥形滚柱轴承中，润滑油从保持器的径向外侧和内侧流入轴承中。然而，已经发现，随着从保持器的径向内侧流向内环的润滑油的比率增加，转矩损失增加。其原因可能如下。
从保持器的径向外侧流向外环侧的润滑油沿着外环的滚道面流动，由于在外环的径向内表面上不存在阻碍，因而经由该滚道面平稳地通向锥形滚柱的大直径侧，然后从轴承流出。然而，在内环的径向外表面上设置有锥形背面肋。因此，当从保持器的径向内侧流向内环侧的润滑油沿着内环的滚道面流动，并且经由该滚道面通向锥形滚柱的大直径侧时，润滑油的流动可能受到锥形背面肋的阻碍，并且趋向于停留在轴承中。因此，随着从保持器的径向内侧流向内环侧的润滑油的比率的增加，停留在轴承中的润滑油的量增加。停留在轴承中的润滑油可能导致轴承旋转的流动阻力，因此转矩损失增加。
因此，在其中流入润滑油的锥形滚柱轴承中，必须降低由润滑油的阻力引起的转矩损失。上面是一种用于降低油的流动阻力以实现转矩降低的方法。然而，为了显著地降低转矩，必须改变轴承的规格以降低滚动粘性阻力。不幸的是，使用常规的转矩降低方法(专利文件3至5)，可以降低转矩而不降低额定负荷，但是在某种程度上降低轴承刚性。
本发明的主要目的是提供一种锥形滚柱轴承，所述锥形滚柱轴承可以实现转矩的降低，并且具有优异的耐烧蚀性(seizing resistance)，并且不降低轴承的刚性。
解决问题的手段
本发明通过在不降低滚柱的数量或者增加滚柱的数量的情况下降低滚柱的节圆直径(PCD)解决所述问题。图23显示了当改变锥形滚柱轴承的PCD时的刚性比(实心圆)和转矩比(空心圆)。滚柱的弹性形变量的计算结果表明，如图23中所示，随着PCD降低，轴承的转矩显著降低，但是轴承的刚性并没有显著降低。因此，通过在不降低滚柱的数量或增加滚柱的数量的情况下降低PCD，可以降低转矩，而不降低刚性。
因此，本发明的锥形滚柱轴承包括：内环；外环；多个锥形滚柱，其被可滚动地设置在内环和外环之间；以及保持器，其用于使所述锥形滚柱保持预定的圆周间隔，其中：滚柱系数γ大于0.94；内环、外环和滚动元件中的至少一个成员具有氮富含层，并且在所述氮富含层中的奥氏体晶粒的晶粒尺寸数大于10；所述内环具有锥形背面肋，所述锥形背面肋具有包括锥形表面和侧面(flank)的表面，所述锥形表面与锥形滚柱的大端面接触，所述侧面从所述锥形表面向外平滑地延伸，并且在远离锥形滚柱的大端面的方向上弯曲；所述保持器包括在锥形滚柱的小端面侧上连续的小环状部，在锥形滚柱的大端面侧上连续的大环状部，以及用于连接小环状部和大环状部的多个柱部；在所述柱部中的相邻柱部之间形成梯形凹槽，每一个所述凹槽都具有容纳一个锥形滚柱的小直径侧的狭窄侧，以及容纳该一个锥形滚柱的大直径侧的宽阔侧；并且每一个所述柱部都在所述凹槽的狭窄侧具有的缺口。
滚柱系数γ(滚柱填充因子)是由(滚柱数量×滚柱平均直径)/(π×PCD)限定的参数。当滚柱平均直径恒定时，滚柱数量随着γ值增加而增加。配置有保持器的典型常规锥形滚柱轴承通常被设计成使得滚柱系数γ为0.94以下。超过0.94的滚柱系数γ意味着滚柱填充因子，因此，轴承的刚性，大于常规产品的那些。
氮富含层是含有增加量的氮并且形成在轴承环(外环或内环)或每一个滚动元件的表面层上的层。可以通过比如碳氮共渗或渗氮的处理形成氮富含层。在氮富含层中的氮含量优选在0.1％至0.7％的范围内。当氮含量小于0.1％时，没有获得有益的效果。特别是，在异物的存在下的滚动接触寿命降低。当氮含量大于0.7％时，形成空隙，或者残余奥氏体的量过大。在这种情况下，不可能获得足够的硬度，因此降低寿命。在轴承环中所形成的氮富含层中的氮含量是在磨削之后的滚道面的表面层中50μm深度处的值，并且可以使用例如PMA(波长分散型X射线微量分析器)进行测量。
通过将奥氏体晶粒的尺寸降低至奥氏体晶粒的晶粒尺寸数超过10的程度，可以显著提高滚动接触疲劳寿命。当奥氏体晶粒的晶粒尺寸数为10以下时，没有显著提高滚动接触疲劳寿命。因此，将晶粒尺寸数调节至大于10。通常，将晶粒尺寸数调节至11以上。奥氏体晶粒的尺寸越小越适宜。然而，通常难以获得超过13的晶粒尺寸数。应当注意到在上述轴承部件中的奥氏体晶粒在具有氮富含层的表面层中没有变化，并且在内部也没有变化。因此，上述晶体的晶粒尺寸数的目标区域是表面层和内部。即使在进行例如淬火之后，也可以观察到即将淬火前的奥氏体晶界的最初位置。奥氏体晶粒是指基于残留的最初位置确定的晶粒。
柱部在保持器的梯形凹槽的狭窄侧具有缺口(或称作切掉部分)。通过设置缺口，获得了下列优点。即，允许从保持器的径向内侧流向内环侧的润滑油经由缺口快速流向外环侧。因此，沿着内环的滚道面流动并且到达锥形背面肋的润滑油的量降低，从而降低了停留在轴承中的润滑油的量。因此，降低了由润滑油的流动阻力所引起的转矩损失。
如上所述，内环的锥形背面肋的表面包括与锥形滚柱的大端面接触的锥形表面，并且弯曲的侧面平滑地连接到锥形表面上。另外，在每一个接触区域的外周边附近形成尖锐的楔形间隙。以这种方式，提高了对朝向接触区域的润滑油的吸引作用，并且可以形成足够的油膜。此外，平滑地形成的侧面可以防止在锥形滚柱歪斜时由于与内环的锥形背面肋的表面接触所导致的缺陷的形成。
侧面可以具有弧状的横截面形状。使用这样的构造，可以容易地形成可以对润滑油提供优异的吸引作用的侧面。
可以在锥形滚柱的每一个大端面的中部设置具有圆形形状的凹口(recess)，并且凹口外周边可以位于内环的锥形背面肋表面的锥形表面和侧面之间的边界附近。本发明是如上构造的。使用这种构造，可以将润滑油引入到楔形间隙附近，以将足量的润滑油供给到楔形间隙。另外，可以进一步增大锥形滚柱的容许倾斜角。
在内环的锥形背面肋表面的锥形表面和侧面之间的边界可以位于最大接触椭圆的外周边附近，该最大接触椭圆是通过在锥形滚柱的大端面和内环的锥形背面肋的表面之间的接触而形成的。使用这种构造，可以适当地形成楔形间隙以在对锥形滚柱轴承的负荷的整个范围内吸引润滑油。
内环可以具有这样的锥形正面肋，即，该锥形正面肋的表面包含与锥形滚柱的小端面平行的表面的，并且R/R₀可以落入0.75至0.87的范围内，其中R为锥形滚柱的大端面的曲率半径，并且R₀为从每一个锥形滚柱的锥角的顶点至内环的锥形背面肋的表面的距离。使用这种构造，可以防止由滚柱的倾斜引起的磨损的发生，因此提高了耐烧蚀性。
内环的锥形正面肋的表面包括与锥形滚柱的小端面平行的表面的原因如下。如在图26中放大所示，内环2的锥形正面肋2c的表面被形成为与设置在滚道面2a上的锥形滚柱4的小端面4c平行于。以这种方式，可以消除锥形滚柱4的小端面4c的斜切尺寸和形状变化对介于锥形滚柱4的大端面4a和内环2的锥形背面肋2b的表面之间处于上述初始装配状态的间隙的影响。(注意当锥形滚柱4位于适当的位置时，上述处于初始装配状态的间隙的尺寸与介于小端面4c和内环2的锥形正面肋2c的表面之间的间隙的尺寸相同)。更具体地，在初始装配状态中，即使在小端面4c的斜切尺寸和形状彼此不同时，彼此相互平行的小端面4c和锥形正面肋2c的表面中的每一个相互表面接触，如图26中由虚线所示。因此，在初始装配状态中，在大端面4a和锥形背面肋2b的表面之间的间隙始终恒定。因此，可以消除在锥形滚柱4位于适当位置之前的时间的变化，并且可以降低运转周期。
锥形滚柱的大端面的曲率半径R与从每个锥形滚柱的锥角的顶点至内环的锥形背面肋的表面的距离R₀的比率R/R₀落入0.75至0.87的范围内的原因如下。
图27显示了使用Karna方程计算在内环的锥形背面肋的表面与锥形滚柱的大端面之间形成的油膜的厚度t的结果。水平轴表示R/R₀，并且纵轴表示在R/R₀＝0.76时油膜厚度t与油膜厚度t₀的比率t/t₀。当R/R₀＝0.76时，油膜厚度t达到其最大值。当R/R₀超过0.9时，油膜厚度t急剧降低。
图28显示了在内环的锥形背面肋的表面和锥形滚柱的大端面之间的最大赫兹应力p的计算结果。与图27中一样，水平轴表示R/R₀，并且纵轴表示在R/R₀＝0.76时最大赫兹应力p与最大赫兹应力p₀的比率p/p₀。最大赫兹应力p随着R/R₀降低而单调地降低。
为了降低转矩损失和由内环的锥形背面肋的表面与锥形滚柱的大端面之间的滑动摩擦所引起的生成热，适宜的是增加油膜厚度t以及降低最大赫兹应力p。参考图27和28中所示的计算结果，基于后述表1中所示的耐烧蚀性试验结果，将R/R₀的适当范围设定在0.75至0.87的范围内。注意常规的锥形滚柱轴承被设计为具有0.90至0.97的R/R₀。
当将上述锥形滚柱轴承用于其中齿轮轴被容纳有齿轮油的轴承座(housing)中的锥形滚柱轴承可旋转地支持的车辆齿轮轴支持装置时，不仅降低了转矩损失以及在齿轮轴支持装置中由摩擦引起的生成热，由此提高了耐久性，而且还可以降低运转周期。
内环的锥形背面肋的表面可以具有0.05至0.20μm的表面粗糙度Ra。使用这种构造，根据与形成在锥形滚柱的锥形背面肋的表面和大端面之间的油膜厚度t的关系，可以将锥形滚柱的在内环的锥形背面肋的表面与大端面之间的润滑保持在良好的状态中。当将这种锥形滚柱轴承用于其中齿轮轴被容纳有齿轮油的轴承座中的锥形滚柱轴承可旋转地支持的车辆齿轮轴支持装置时，可以将锥形滚柱的在内环的锥形背面肋的表面与大端面之间的润滑保持在良好的状态中，并且可以进一步提高齿轮轴支持装置的耐久性。
将内环的锥形背面肋的表面的表面粗糙度Ra的下限设定为0.05μm的原因如下。在安装之后，在将轴向负荷施加到内环的端面上的同时，锥形滚柱轴承以约50至100r/min的低旋转速度运转。当表面粗糙度Ra小于0.05μm时，锥形轴承在旋转周期过程中，内环的锥形背面肋的表面与大端面之间的润滑状态是流体润滑和边界润滑的混合润滑。因此，摩擦系数显著改变，并且所测量的轴转矩的变化增加。另外，损害预加负荷的控制精度。当表面粗糙度Ra为0.05μm以上时，润滑状态为边界润滑。在这种情况下，摩擦系数稳定，并且可以高精度地控制预加负荷。在其中旋转速度大于100r/min的轴承的通常使用条件下，在锥形背面肋的表面和大端面之间形成足够的油膜。因此，其间的润滑状态为流体润滑，并且摩擦系数降低。
将内环的锥形背面肋的表面的表面粗糙度Ra的上限设定为0.20μm的原因如下。当表面粗糙度Ra超过0.20μm时，在高旋转区域中轴承的温度升高，以致润滑油的粘度降低。在这种情况下，油膜的厚度t变得不足，并且趋向于发生烧蚀。
每一个凹槽的窗口角(window angle)可以为55°以上并且在80°以下。窗口角是由与滚柱的滚动表面接触的相邻柱部的侧表面所形成的角度。将窗口角设定为55°以上的原因是确保与滚柱的良好接触状态。将窗口角设定为80°以下的原因如下。当窗口角大于80°时，径向挤压力增大。在这种情况下，即使在使用具有自润滑性的树脂材料时，也不可能获得平稳的旋转。注意，在常规的保持器中，窗口角为25°至50°。
保持器可以由机械强度、耐油性和耐热性优异的工程塑料形成。与由铁板制成的保持器相比，其中使用树脂材料的保持器的特征在于具有更轻的保持器重量、更好的自润滑性以及更小的摩擦系数。这些特性与存在于轴承中的润滑油的作用结合，由此可以抑制由与外环接触所引起的磨损的发生。这种树脂材料具有比钢板更轻的重量以及更低的摩擦系数，因此适于降低在轴承启动时的转矩损失以及保持器的磨损。
每一个凹槽还可以具有被设置在其狭窄侧上的小环状部中的缺口。使用这种构造，允许从保持器的径向内侧流向内环侧的润滑油也经由缺口流向外环侧。因此，沿着内环的滚道面流动并且到达锥形背面肋的润滑油的量进一步降低，并且由润滑油的流动阻力引起的转矩损失进一步降低。
每一个凹槽还可以具有被设置在其宽阔侧的缺口，该缺口被设置在至少一个柱部中。使用这种构造，锥形滚柱可以与柱部以非常平衡的方式进行接触。
被设置在凹槽的狭窄侧的缺口的总面积可以大于被设置在凹槽的宽阔侧的缺口的总面积。使用这种构造，可以降低沿着内环的滚道面流动并且到达锥形背面肋的润滑油的量，并且可以进一步降低由润滑油的流动阻力所引起的转矩损失。
保持器可以具有被设置在保持器的小环状部的轴向外侧的径向向内肋，所述径向向内肋面向内环的锥形正面肋的径向外表面。另外，在径向向内肋的径向内表面与内环的锥形正面肋的径向外表面之间的间隙的上限可以是锥形正面肋的外径向尺寸的2.0％。使用这种构造，可以降低从保持器的径向内侧流向内环侧的润滑油的量，并且可以进一步降低由润滑油的流动阻力所引起的转矩损失。
多个微凹陷凹痕可以无规地至少形成在锥形滚柱的表面上。具有凹痕的表面的表面粗糙度参数Ryni可以是0.4μm≤Ryni≤1.0μm，并且具有凹痕的表面的Sk值可以是-1.6以下。使用这种构造，可以将润滑油均匀地保持在锥形滚柱的表面上。因此，即使停留在轴承中的润滑油的量被降低时，也可以充分地润滑在锥形滚柱与内环和外环之间的接触部分。
参数Ryni是在具有基准长度的部分中最大高度的平均值。更具体地，从粗糙度曲线中取出在平均线方向上具有基准长度的部分，并且沿着粗糙度曲线的垂直放大方向测量在每一个取出部分中的峰线和基线之间的距离(ISO 4287：1997)。Sk值表示粗糙度曲线的倾斜度，即不规则分布的不对称性(ISO 4287：1997)。对于对称性分布比如高斯分布，Sk值接近于0。当从不规则处中除去突起部时，Sk值为负，而当从不规则处中消除凹部时，Sk值为正。通过选择滚筒抛光设备的旋转速度、加工时间、工件进料(workfed)的量，抛光晶片的种类和尺寸等，可以控制Sk值。通过将Sk值调节为-1.6以下，可以将润滑油均匀地保持在大量的微凹陷凹痕中。
锥形滚柱轴承适用于支持机动车的动力传动轴的轴承。
发明效果
根据本发明，可以降低轴承的转矩，而不降低轴承的刚性。更具体地，保持器的柱部具有被设置在梯形凹槽的狭窄侧的缺口。每一个缺口从径向外侧至径向内侧贯穿柱部。以这种方式，允许从保持器的径向内侧流向内环侧的润滑油经由缺口快速流向外环侧。因此，降低了沿着内环的滚道面流动并且到达锥形背面肋的润滑油的量，并且降低了停留在轴承内部的润滑油的量，因此降低由润滑油的流动阻力引起的转矩损失。
而且，内环的锥形背面肋的表面具有与锥形滚柱的大端面接触的锥形表面，并且弯曲的侧面与锥形表面平滑地连接。另外，将锥形滚柱的大端面的曲率半径R设定为在R/R₀＝0.75至0.87的范围内的值。以这种方式，可以降低转矩损失和由于在内环的锥形背面肋的表面和锥形滚柱的大端面之间的滑动摩擦所引起的生成热，因此可以防止烧蚀的发生。
通过将滚柱系数γ设定为大于0.94，可以防止刚性的降低。而且，通过将滚柱系数γ设定为大于0.94，不仅负荷能力增加，而且可以降低滚道面上的最大表面压力。因此，可以防止在严格的润滑条件下极短寿命的表面起点剥离的发生。
另外，在本发明的锥形滚柱轴承中，形成氮富含层，并且降低奥氏体晶粒的尺寸使得奥氏体晶粒的晶粒尺寸数为11以上。因此，显著提高滚动接触疲劳寿命，并且可以获得良好的抗龟裂强度和对尺寸随时间变化的抵抗力。
附图说明
图1A是本发明的一个实施方案的锥形滚柱轴承的水平横截面图。
图1B是轴承的垂直横截面图。
图2是图1B中所示锥形滚柱轴承的保持器的展开平面图。
图3是与图2类似的展开平面图，示出了保持器的一个变型实例。
图4是与图2类似的展开平面图，示出了保持器的另一个变型实例。
图5是图1B的局部放大图。
图6是显示转矩测量试验的结果的图。
图7是窗口角为下限的锥形滚柱轴承的局部放大横截面图。
图8是窗口角为上限的锥形滚柱轴承的局部放大横截面图。
图9是显示轴承的寿命试验的结果的表。
图10是锥形滚柱轴承的局部水平横截面图，示出了保持器的一个变型实例。
图11是图10的局部放大图。
图12是一般车辆变速器的横截面图。
图13是一般车辆差速器的横截面图。
图14是描述用于锥形滚柱轴承的热处理方法的图。
图15是说明用于锥形滚柱轴承的热处理方法的另一个变型实例的图。
图16A是示出本发明的一个实例的轴承部件的微结构，特别是奥氏体晶界的结构图。
图16B是示出常规的轴承部件的微结构，特别是奥氏体晶界的结构图。
图17A是示意性示出图16A中所示的奥氏体晶界的结构图。
图17B是示意性示出图16B中所示的奥氏体晶界的结构图。
图18是示出静态抗碎强度试验(断裂应力值的测量)用试样的图。
图19A是滚动接触疲劳寿命试验机的示意图。
图19B是滚动接触疲劳寿命试验机的侧视图。
图20是示出静态断裂韧性试验用的试样的图。
图21A是保持器的展开平面图，其显示常规技术。
图21B是另一种保持器的展开平面图，其显示常规技术。
图22是锥形滚柱轴承的局部放大横截面图，其显示常规技术。
图23是显示当改变滚柱的节圆直径(PCD)时锥形滚柱轴承的刚性比(实心圆)和转矩比(空心圆)的变化的图。
图24是用于描述锥形滚柱轴承的设计规格的横截面图。
图25是图24中的滚柱大端面侧的局部放大图。
图26是图24中的滚柱小端面侧的局部放大图。
图27是显示在滚柱大端面的曲率半径与油膜厚度之间的关系的图。
图28是显示在滚柱大端面的曲率半径与最大赫兹应力之间的关系的图。
附图标记的说明
1a，1b锥形滚柱轴承
2内环
2a滚道面
2b锥形背面肋的表面
2c锥形正面肋的表面
3外环
3a滚道面
4锥形滚柱
4a大端面
4b凹口
4c小端面
5保持器
6小环状部
7大环状部
8柱部
9凹槽
10a，10b，10c缺口
11肋
具体实施方式
下面，将根据附图描述本发明的实施方案。
图1A和1B中所示的锥形滚柱轴承1由内环2、外环3、锥形滚柱4和保持器5组成。内环2包括在其外圆周上的锥形滚道面2a，并且外环3包括在其内圆周上的锥形滚道面3a。多个锥形滚柱4可旋转地置于内环2的滚道面2a与外环3的滚道面3a之间。每一个锥形滚柱4容纳于形成在保持器5中的凹槽中，使得锥形滚柱4的轴向移动受到被设置在内环2的滚道面2a的相应侧面上的锥形背面肋2b和锥形正面肋2c的限制。
锥形滚柱轴承1具有大于0.94的滚柱系数γ。滚柱系数γ表示滚柱填充因子并且由下列方程定义：
滚柱系数γ＝(Z×DA)/(π×PCD)
这里，
Z：滚柱数量，
DA：滚柱平均直径，以及
PCD：滚柱的节圆直径。
为了比较，参考图22描述了常规技术。图22中所示的锥形滚柱轴承是典型的锥形滚柱轴承，其配置有与外环分隔开的保持器。这种锥形滚柱轴承被设计成确保保持器72有足够的柱宽度，同时防止外环71接触保持器72，并且被设计成滚柱系数γ为0.94以下，以获得保持器72的平稳旋转以及足够的柱强度。在图22中，附图标记73、74和75分别表示锥形滚柱、柱表面和内环，并且符号θ表示窗口角。
如图1B中所示，保持器5包括：在锥形滚柱4的小端面侧上连续的小环状部6；在锥形滚柱4的大端面侧上连续的大环状部7；以及多个连接小环状部6和大环状部7的柱部8。如图2中所示，在柱部8中的相邻柱部之间形成凹槽9。
保持器5的每一个凹槽9具有梯形形状，该梯形形状具有容纳锥形滚柱4的小直径侧的狭窄侧以及容纳锥形滚柱4的大直径侧的宽阔侧。每一个凹槽9在其狭窄侧和宽阔侧具有缺口。具体地，在柱部8的相对侧的每一侧上设置有两个缺口10a和10b，并且每一个缺口从径向外侧至径向内侧贯穿柱部8。缺口10a和10b中的每一个都具有1.0mm深度和4.6mm宽度的尺寸。应当指出，在附图中示例的缺口10a和10b具有在径向上贯穿保持器5的沟槽形状。然而，缺口可以具有任何形状和尺寸，只要提供在保持器5的径向内侧和外侧之间的连通以允许润滑油平稳地通过即可。
图3和4显示了保持器5的变型实例。在图3所示的变型实例中，还在凹槽9的狭窄侧上的小环状部6中设置另一个缺口10c。而且，在狭窄侧上的三个缺口10a和10c的总面积大于在宽阔侧上的两个缺口10b的总面积。注意缺口10c具有1.0mm深度和5.7mm宽度的尺寸。在图4所示的变型实例中，在柱部8中的狭窄侧缺口10a各自具有1.5mm的深度，该深度大于柱部8中的每一个宽阔侧缺口10b的深度。另外，狭窄侧边缘10a的总面积大于宽阔侧缺口10b的总面积。
如图5中所示，在保持器5的小环状部6的轴向外侧设置径向向内肋11，使其面向内环2的锥形正面肋2c的径向外表面。可以将介于肋11的径向内表面与内环2的锥形正面肋2c的径向外表面之间的间隙δ设定为锥形正面肋2c的外径向尺寸的2.0％以下。
每一个锥形滚柱4具有大量的无规分布在其整个表面上的微凹陷凹痕(未显示)。带凹痕的表面具有0.4μm至1.0μm的表面粗糙度参数Ryni以及-1.6以下的Sk值。
制备使用图2中所示的保持器的锥形滚柱轴承(实施例1)以及使用图3中所示的保持器的锥形滚柱轴承(实施例2)。另外，作为比较例，制备了使用在凹槽中没有缺口的保持器的锥形滚柱轴承(比较例1)以及使用图21A和21B中所示的保持器的锥形滚柱轴承(比较例2和3)。应当指出，锥形滚柱轴承各自具有外径为的100mm、内径为45mm并且宽度为27.25mm的尺寸，并且其除凹槽中的缺口以外，其所有部分均相同。
使用垂直转矩试验机，对实施例和比较例的每一个锥形滚柱轴承进行转矩测量试验。试验条件如下：
轴向负荷：2,940N，
旋转速度：300至2,000r/min(100r/min节距)，以及
润滑条件：油浴润滑(润滑油：75W-90)。
图6显示了试验结果。图6中的座标图纵轴表示相对于其中使用在凹槽中没有缺口的保持器的比较例1中所获得转矩的转矩降低比率。在其中在凹槽的柱部的中部设置缺口的比较例2和其中在凹槽的小环状部和大环状部设置缺口的比较例3中，获得了一些转矩降低效果。然而，在其中在凹槽的柱部的狭窄侧设置缺口的实施例1中，转矩降低效果比在比较例中的转矩降低效果更好。在其中在狭窄侧的小环状部设置其它缺口使得狭窄侧缺口的总面积大于宽阔侧缺口的总面积的实施例2中，转矩降低效果甚至更好。
在2,000r/min，即在试验中的最大旋转速度的转矩降低比率对于实施例1为9.5％，而对于实施例2为11.5％。因此，在差速器、变速器等中的高旋转速度条件下，可以获得良好的转矩降低效果。注意在2,000r/min的旋转速度下的转矩降低比率对于比较例2为8.0％，而对于比较例3为6.5％。
保持器5是使用树脂整体模塑的，并且包括小直径侧环状部6、大直径侧环状部7，以及许多连接小直径侧环状部6和大直径侧环状部7的柱部8。特级工程塑料比如PPS、PEEK、PA、PPA或PAI被用作保持器的材料。如果必要，可以使用通过将玻璃纤维或碳纤维加入到这样的树脂材料或其它工程塑料中以提高强度而制备的材料。
工程塑料的实例包括通用工程塑料和特级工程塑料。下面列举了工程塑料的代表性实例。然而，这些仅仅是作为实例，并且工程塑料不限于此。
[通用工程塑料]聚碳酸酯(PC)、聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚缩醛(POM)、改性聚苯醚(m-PPE)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、GF-增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯(GF-PET)以及超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)。
[特级工程塑料]聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、聚芳酯(PAR)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、液晶聚合物(LCP)、热塑性聚酰亚胺(TPI)、聚苯并咪唑(PBI)、聚甲基戊烯(TPX)、聚(对苯二甲酸1，4-环己烷二亚甲酯)(PCT)、聚酰胺46(PA46)、聚酰胺6T(PA6T)、聚酰胺9T(PA9T)、聚酰胺11，12(PA11，12)、氟树脂以及聚邻苯二甲酰胺(PPA)。
参考图7和8，给出窗口角θ的描述，该窗口角θ是由柱部5a形成的角。下限窗口角θmin为55°(图7)，而上限窗口角θmax为80°(图8)。在配置有与外环分隔开的保持器的典型锥形滚柱轴承(图22)中，窗口角至多为约50°。将下限窗口角θmin设定为55°的原因是为了确保与滚柱的良好接触状态。当窗口角小于55°时，损害与滚柱的接触状态。更具体地，当窗口角为55°以上时，γ可以大于0.94，同时确保保持器的强度，并且可以确保良好的接触状态。而且，将上限窗口角θmax设定为80°的原因是，在窗口角超过80°时，在径向上的挤压力增大，从而导致即使在使用自润滑树脂材料时也不能获得平稳旋转的风险。
图9显示了轴承寿命试验的结果。在图9中，在“轴承”栏中的“比较例1”对应其中保持器与外环分隔开的常规的典型锥形滚柱轴承(图22)。“比较例2”对应本发明的一个锥形滚柱轴承，该锥形滚柱轴承仅仅除滚柱系数γ变化为γ＞0.94以外，类似于常规锥形滚柱轴承。“实施例”对应本发明的锥形滚柱轴承，其具有γ＞0.94的滚柱系数γ以及在55°至80°的范围内的窗口角。在严格的润滑和过度负荷的条件下进行试验。如图9中清楚地看出，在“比较例2”中，寿命至少为“比较例1”的寿命的2倍。“实施例”的轴承具有0.96的滚柱系数，其与“比较例2”中的滚柱系数相同。然而，在“实施例”中，寿命为“比较例2”中的寿命的5倍以上。注意在“比较例1”、“比较例2”和“实施例”的每一个中，尺寸为φ45×φ81×16(单位mm)，而滚柱数量对于“比较例1”为24，并且对于“比较例2”和”实施例”为27。另外，油膜参数Λ为0.2。
在图10和11所示的变型实例中，在由工程塑料整体形成的保持器5的每一个柱部8的径向外表面上形成朝外环3的滚道面3a突出的突起部5b。其余构造与上述保持器5的构造相同。如图11中所示，突起部5b具有沿着横穿柱部8的方向上所截取的弧状横截面外形。弧形的曲率半径R₂小于外环3的滚道面3a的半径R₁。其原因是为了在突起部5b和外环3的滚道面3a之间形成有利的楔状油膜。适宜地，突起部5b形成的曲率半径R₂为外环3的滚道面3a的半径R₁的70至90％。当曲率半径R₂小于半径R₁的70％时，楔状油膜的开口角太大，并且这导致动态压力降低。当曲率半径R₂超过半径R₁的90％时，楔状油膜的开口角太小，并且这也导致动态压力的降低。适宜地，突起部5b形成的横向宽度W₂为柱部8的横向宽度W₁的至少50％(W₂≥0.5×W₁)。这是因为，当横向宽度W₂小于横向宽度W₁的50％时，突起部5b不能具有用于形成有利的楔状油膜的足够高度。外环3的滚道面3a的半径R₁从大直径侧至较小的直径侧连续变化。因此，突起部5b的曲率半径R₂从大环状部7中的较大曲率半径R₂连续变化至在小环状部6中的较小曲率半径R₂以遵循半径R₁的变化。
如上所述构造图10和11中示出的锥形滚柱轴承1。因此，当轴承1旋转以致保持器5旋转时，在外环的滚道面与保持器5的突起部5b之间形成楔状油膜。这种楔状油膜产生与轴承1的旋转速度大致成比例的动态压力。因此，即使在保持器5的节圆直径(PCD)大于常规值以使保持器5更靠近外环3的滚道面3a时，也允许轴承1旋转，而没有过度的磨损和转矩损失。因此，可以增加滚柱数量，而不导致任何缺点。
图12显示了其中可以使用上述锥形滚柱轴承的车辆差速器的一种示例性构造。在这种差速器中，连接到传动轴(未显示)并且插入差速器箱21中的驱动小齿轮22与环形齿轮24啮合，所述环形齿轮24连接到差速器齿轮箱23上。连接到差速器齿轮箱23内部的小齿轮25与侧齿轮26啮合，所述侧齿轮26连接到从左侧和右侧插入差速器齿轮箱23中的驱动轴(未显示)上，由此通过传动轴将发动机的驱动力传输到左和右驱动轴上。在这种差速器中，用作动力传动轴的驱动小齿轮22和差速器齿轮箱23分别由一对锥形滚柱轴承1a和一对锥形滚柱轴承1b支持。
差速器箱21是使用密封构件27a、27b和27c密封的，并且在其内部储存润滑油。锥形滚柱轴承1a和1b的每一个在其下部浸入用于润滑油的油浴中的情况下旋转。当锥形滚柱轴承1a和1b各自在高速下旋转并且它们的下部浸入油浴中时，如由图5中的箭头所示，在油浴中的润滑油从锥形滚柱4的小直径侧经由保持器5的径向外侧和内侧上的独立路径流入轴承。从保持器5的径向外侧流入外环3的润滑油沿着外环3的滚道面3a流动，经由滚道面3a通向锥形滚柱4的大直径侧，并且流出轴承。从保持器5的径向内侧流入内环2侧的润滑油的量显著小于从保持器5的径向外侧流动的润滑油的量。另外，从间隙δ流出的大部分润滑油通过被设置在柱部8中并且位于凹槽9的狭窄侧的缺口10a，并且朝保持器5的径向外侧移动。因此，只有很少量的润滑油沿着内环2的滚道面2a流动，并且到达锥形背面肋2c，因此可以降低停留在轴承中的润滑油的量。
图13显示了其中可以使用上述锥形滚柱轴承的车辆变速器的一种示例性构造。这种变速器是同步啮合型变速器。在图13中，左侧是发动机侧，而右侧是驱动轮侧。锥形滚柱轴承43被设置在主轴41和主驱动齿轮42之间。在该实例中，在主驱动齿轮42的内圆周上直接形成锥形滚柱轴承43的外环的滚道面。主驱动齿轮42由锥形滚柱轴承44支持以使其相对于箱45可旋转。主驱动齿轮42连接到离合器齿轮46上，并且同步器机构47被设置在离合器齿轮46附近。
同步器机构47包括：根据选择器(未显示)的操作在轴向(图中的左右方向)上移动的轴套48；连接到轴套48的内圆周上使其可在轴向上移动的同步器键49；配合到主轴41的外圆周上的毂50；可滑动地连接到离合器齿轮46的外圆周(锥形部分)上的同步器环51；将同步器键49弹性地按压到轴套48的内圆周上的按压销52；以及弹簧53。
在图13所示的状态下，通过按压销52将轴套48和同步器键49固定在空档位置。在这种情形下，主驱动齿轮42在主轴41上空转。当随着选择器的操作，轴套48从图13所示的状态朝例如轴向的左侧移动时，同步器键49朝轴向的左侧移动，由此遵循轴套48的移动，从而将同步器环51按压到离合器齿轮46的锥形部分的倾斜表面上。结果，降低离合器齿轮46的旋转速度，相反增加同步器机构47的旋转速度。当旋转速度彼此同步时，轴套48移动到轴向上左方更远处，并且与离合器齿轮46啮合，使得主轴41和主驱动齿轮42通过同步器机构47相互连接。以这种方式，主轴41和主驱动齿轮42同步旋转。
在上述锥形滚柱轴承1中，包括内环2、外环3和滚动元件4的轴承部件中的至少一个具有氮富含层。对包括碳氮共渗处理的热处理的描述是已知的。这种热处理用作用于形成氮富含层的示例性热处理。
图14是描述用于轧制本发明一个实施方案中的轴承的热处理方法的图，并且图15是描述其一个变型实例的图。图14显示了其中进行初次淬火和二次淬火的这种方法的热处理模式。图15显示了其中将材料在淬火工序中冷却到低于A1转变点，然后再加热并且最终淬火的这种方法的热处理模式。在这些图中的处理T1中，尽管允许碳和氮扩散到钢基体中，但是碳在其中是充分溶解的，并且材料被冷却到低于A1转变点。接着，在附图中的处理T2中，将材料再加热至等于或高于A1转变点并且低于在处理T1中所用温度的温度，然后进行油淬火。
使用上述热处理步骤，尽管表面层是碳氮共渗的，但是与通过常规的碳氮共渗淬火，即碳氮共渗处理，随后进行单一淬火得到的那些相比，可以进一步提高抗碎强度，并且可以进一步降低随时间的尺寸变化率。通过图14或15中所示的热处理模式制造的本发明滚柱轴承具有这样的微组织，其中奥氏体晶粒的晶粒尺寸等于或小于常规产品的晶粒尺寸的一半。经过上述热处理的轴承部件可以具有长的滚动接触疲劳寿命、提高的抗碎强度以及降低的随时间的尺寸变化率。由于使用在较低的二次淬火温度的热处理工序来降低晶粒的尺寸，因此降低了在表面层和内部区域中的残余奥氏体的量。这导致良好的抗龟裂强度和对尺寸随时间变化的抵抗力。
图16A和16B是示出轴承部件的微组织，特别是奥氏体晶粒的图。图16A显示了本发明的一个示例性轴承部件，并且图16B显示了常规的轴承部件。更具体地，图16A表示本发明的一个实施方案的滚柱轴承的轴承环的奥氏体晶粒尺寸，所述轴承环已经经过图14所示的热处理模式。为了比较，在图16B中显示了通过常规热处理方法制造的轴承钢的奥氏体晶粒尺寸。图16A和16B中所示的奥氏体晶粒尺寸示意性地示出在图17A和17B中。如从奥氏体晶粒尺寸的组织看出，常规的奥氏体晶粒的尺寸对应JIS晶粒尺寸数10，并且可以通过图14或15中所示的热处理方法获得晶粒尺寸数12的细晶粒。图16A中通过断面方法测量的平均晶粒尺寸为5.6μm。
接着，给出实施例的描述。
(实施例I)
通过使用JIS SUJ2材料(1.0重量％C-0.25重量％Si-0.4重量％Mn-1.5重量％Cr)进行下列试验：(1)测量氢的量，(2)测量晶粒尺寸，(3)却贝冲击实验，(4)测量断裂应力值以及(5)轧制接触疲劳试验。结果显示于表1中。
表1