專利名稱：滾柱推力軸承的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及滾柱推力軸承，滾柱推力軸承包括滾針推力軸承，尤其涉及設置在汽車減速器(手動或自動)、轉運輸送裝置或用于汽車空調器的壓縮機等的電氣組件的轉動部分中的推力軸承，這些軸承用以支承施加在這些轉動部分上的推力載荷。
背景技術：
參照圖6A和6B，滾柱推力軸承1包括多個圓周、徑向等距離排列的滾柱2；一個由圓形環形成可轉動保持多個滾柱2的軸承罩3；以及外部和內部環4和5，這些環夾在一起用作一個滾柱軸承環，并且由此在它們的相對側上支承多個滾柱2。外部環和內部環4和5均是由具有足夠硬度的金屬板形成的圈構成的。外部環4具有一個圓環表面6，而內部環5具有一個圓環表面。
滾柱推力軸承是一種具有多種優點的軸承。例如，它的結構簡單并且能提供較高的載荷性能以及較高的剛度。另外，它也可以不由上述滾柱軸承環構成，而是僅由一個軸承罩和滾柱構成。在這種情況下，具有一個與滾柱對應的滾動接觸表面的軸、罩殼之類物件可具有能與軸承環表面相比的粗糙度、硬度或任何類似的功能，并且使用軸、罩殼之類作為環表面可允許軸承省略滾柱軸承環，由此可使軸承變得更為緊湊。具體地說，如從截面圖中可以觀察到的，使用滾針的滾柱推力軸承或推力滾針軸承的高度可以降低，由此適用于緊湊型的機械設計。
推力滾針軸承(一種典型的滾柱推力軸承)的一項主要的應用是用于汽車空調器的壓縮機。它包括各種類型。例如，圖7示出了一種雙斜板式壓縮機，其中一個雙側斜板9固定在輸入轉軸8上，從而允許活塞10作往復運動。又例如，圖8示出了一種單斜板式壓縮機，其中一側斜板12固定在輸入轉軸11上，從而允許活塞14通過桿13作往復運動。又例如，圖9示出了一種容量可變的單斜板式壓縮機，其中一個斜板26角度可變化地固定在輸入轉軸15上，從而允許活塞18通過桿17作往復運動。所有這些類型均具有一個結合滾柱軸承的轉動部分。
需指出的是，圖7-9的壓縮機不必一定屬于傳統技術領域。它們應當被認為是這樣一種裝置，即，該裝置例如通過由本發明設計的滾柱推力軸承的進一步發展將來還可以進一步得到改進。換言之，它們是一種其內部組件的結構、材料等需被改進的裝置。
在普通的軸承中，如在滾珠軸承中，在滾動元件和滾柱軸承環之內會發生差速滑動。這種軸承的差速滑動主要取決于滾動元件和滾柱軸承環的接觸表面中圓周方向速度的差。更具體地說，滾珠軸承提供的是點接觸，由此提供一個很小的接觸面積。這樣，在接觸表面內，它們圓周方向速度的差很小，因此它們的差速滑動也很小。
相反，在滾柱推力軸承中，其主要的結構為，圓柱形滾柱形狀的滾動元件被設置在一個具有平坦環表面的滾柱軸承環上，滾柱和滾柱軸承環相互沿一直線接觸，而軸承的轉動中心與滾柱的旋轉中心相匹配。在這種情況下，滾柱的滾動接觸表面上的圓周方向速度是同一個速度，而如沿徑向向外所觀察到的，隨著轉動，與滾柱接觸的滾柱軸承環的圓周方向速度會沿離開軸承轉動中心的方向增加(與滾柱軸承環的轉動半徑成正比)。因此，滾柱和滾柱軸承環圓周方向速度的差值在滾柱的相對端部處為最大。理論上，僅在軸承的節距圓上會有無滑動的轉動。從滾柱的節距圓上的一點朝著滾柱的相對端部，滾柱和滾柱軸承環之間的圓周方向速度的差異與滾柱的長度成正比地增加，從而差速滑動增加。
如上所述，滾柱推力軸承內部的差速滑動比其它類型的軸承大。這樣不利的是，滾柱和滾柱軸承環的差速滑動將在滾柱軸承環和滾柱之間的滾柱的邊緣產生應力，這些應力將使滾柱邊緣和從環的表面開始的滾柱軸承環的運行部分剝落。
一般，上述缺點可通過滾柱長度減小的軸承來解決，減小滾柱端部表面的相對可滑動性，或者通過具有兩排(即多排)設置在軸承罩的各個袋部內的滾柱軸承來解決。此外，滾柱端部上的有害的應力或負載例如也可以通過使用帶有拱度的滾柱來解決(日本專利已公開No.9-14131)。
對滾柱推力軸承有一個要求，即，尺寸需減小，以節省能量和空間并且使重量減小(使摩擦損失減小)。因此，根據承載能力，實際使用中的軸承會遇到一種格外苛刻的條件。如上所述，在滾柱推力軸承中，滾柱和滾柱軸承表面之間的差速滑動會增加由接觸表面引起的摩擦損失和損耗。此外，接觸表面油膜成形會受損，并且在滾柱邊緣易于引起滾柱軸承環和滾柱本身之間的邊緣應力，這將使從表面開始的滾柱軸承環的滾動運轉部分的邊緣剝落。通過減小滾柱的長度可以簡單地減小差速滑動。然而，這將使滾柱的接觸面積減小，從而使接觸壓力增加。由此在接觸表面處的接觸壓力的增加將使油膜成形受損，例如在滾柱徑向外表面處會有脫落(剝落)等不利的情況發生。
壓縮機使用的軸承的內部帶有與致冷劑混合的軸承潤滑劑。此外，隨著壓縮機的收縮與膨脹，潤滑劑會反復地液化和汽化。這樣不利的是，潤滑劑的量會減小。這樣，所形成的油膜會比使用普通機械操作潤滑劑時更糟，而軸承剝落會發生得比預期的更早。
此外，為了解決全球變暖以及其它類似的環境問題，空調器的壓縮機使用HCFC 134a或其它類似的氟利昂(flon)替代物作為致冷劑。與傳統使用的致冷劑相比，這些氟利昂替代物本身的潤滑性能被認為更差。隨著這種氟利昂替代物的溶解和由此產生的混合，例如，潤滑劑的動粘度會減小，而軸承的油膜成形會受到嚴重的損壞。這樣，軸承具有的滾動元件、滾柱軸承環等會剝落、磨損或使表面有類似的損壞，從而導致使用壽命縮短。
這可以通過改進潤滑劑來解決。然而，由于潤滑劑與致冷劑的化學性質，潤滑劑僅能從有限的范圍中選擇，因此不能期望油膜的形成的能力有顯著的提高。在致冷劑中增加潤滑劑的量來提高潤滑性能會降低致冷劑的量，由此影響壓縮機的冷卻能力。
當推力滾針軸承在空調器壓縮機中使用時，推力滾針軸承將接收相對于轉動中心偏置的推力載荷，并且至少大致以不小于8000rpm的速度快速旋轉。這樣的轉動速度和載荷也是一些更為嚴格的條件，它會增加這樣一個缺點，即引起會產生差速滑動的軸承表面損壞。
發明內容
綜上所述，本發明提出了一種滾柱推力軸承，該軸承可減小差速滑動、沒有明顯的摩擦和磨損，并能提供良好的耐剝落性能。
本發明提供了一種滾柱推力軸承，該軸承包括至少兩排徑向排列的滾柱和一個保持滾柱的軸承罩，而這些滾柱至少包括一個帶有拱度的滾柱。
多排滾柱可以有效地減小差速滑動。此外，帶有拱度的滾柱可以使有效長度減小，從而協同作用有效地減小差速滑動。此外，帶有拱度的幾何形狀可以在效地緩減在邊緣處引起的載荷。類似地，軸承扭矩也可以減小。
此外，較佳地，軸承罩具有袋部，每個袋部可保持一單個滾柱，從而可以穩固地保持滾柱來防止滾柱歪斜。此外，使滾柱歪斜的摩擦扭矩也可減小。
此外，徑向外側一排中滾柱帶有的拱度可以比徑向最內一排的小。這樣，徑向外側的滾柱可以具有較大的在效長度來減小接觸表面壓力，由此防止徑向外側滾柱以及徑向外側滾柱的徑向外側的滾柱軸承環剝落。
此外，處于徑向最內一排徑向外側的至少一排最好由直滾形成。并且徑向外側的滾柱帶有的拱度可以比徑向內側的滾柱小，如上所述，徑向外側的直滾可以類似地具有較大的有效長度，從而減小接觸表面壓力，由此防止徑向外側滾柱和徑向外側滾柱的徑向外側的滾柱軸承環剝落。
此外，處于徑向最內排徑向外側的至少一排可以由長度比徑向最內側更大的滾柱形成，從而減小徑向內側滾柱的相對滑動，并且增加徑向外側滾柱的承載能力，從而防止徑向外側滾柱和徑向外側滾柱的徑向外側的滾柱軸承環剝落。
此外，滾柱可以具有至少一個球形端部表面，從而防止滾柱端部表面明顯的相互干擾，并且防止滾柱端部表面和軸承罩的袋部明顯的相互干擾，從而減小滾柱歪斜。此外，還可以減小使滾柱歪斜的摩擦扭矩。
此外，處于徑向最內一排徑向外側的至少一排具有的滾柱可以比徑向最內排少，用以增加徑向外側滾柱的承載能力，從而防止徑向外側滾柱和徑向外側滾柱的徑向外側的滾柱軸承環剝落。
此外，滾柱可以為滾針，帶有滾針的軸承也可以具有與上述類似的效應。
上述滾柱推力軸承可安裝在壓縮機中使用。在壓縮機中，要求節省空間并且存在潤滑劑包括致冷劑的這樣一種特定的情況，如上所述，滾柱推力軸承的油膜成形可以不受到嚴重的損壞。
本發明提供了另一種滾柱推力軸承，該軸承包括一個帶有拱度的滾柱和一個與滾柱接觸的滾柱軸承環，滾柱軸承環滾柱軸承環含有的碳化物不少于10000粒/mm2，但少于40000粒/mm2，從環表面層起開始測得的深度至少為0.1mm，而粒子的直徑不小于0.6μm。
帶有拱度的滾柱可以消除邊緣處的差速滑動，從而使載荷減小。在滾柱軸承環中，碳化物可用來抵抗變形以提高表面層材料的強度。此外，如果滾柱和滾柱軸承環之間產生差速滑動、潤滑差等情況并且滾柱軸承環具有一個可產生熱的表面，可以防止塑性流動。
在滾柱軸承環中，至少在表面層至深度0.1mm處，可以沉淀粒子大小為0.6μm或更大的碳化物，這樣每1平方毫米單位面積可以存在10000個或更多的這樣的粒子，從而使碳化物用來抵抗表面層的塑性變形。為了獲得更高級別的抵抗效果，沉淀入不少于14000粒/mm2是可取的。大于40000粒/mm2會減小剝落抵抗力。需指出的是，如碳化物不是球形的話，粒子大小是關于方向的平均粒子大小。
如上所述，滾柱軸承環的表面層的碳化物的密度例如可以如下獲得對SCM415材料進行加工。對于滲碳作用，可設置在890℃持續一小時，而爐內被設置為具有的內部環境條件帶有1.5到2.0％的滲碳能力。對于淬火，可以設置在840℃持續0.5小時，爐子被設置為其具有的內部環境條件帶有1.0到2.0％的滲碳能力。此后，對材料進行油淬火，以實現上述密度。除滲碳鋼之后，本發明可應用于其它鋼，如軸承鋼、碳鋼等。
可以使用電子顯微鏡以直接的、薄膜觀測、一種萃取復型的觀測或一種兩階段復制觀測來測量該密度，或者它可以通過一種掃描電子顯微鏡以觀測拋光的、蝕刻的樣本表面來測量密度。
帶有拱度的滾柱可以消除在邊緣處引起的差速滑動，并減小載荷，而帶有添到加表面層的上述碳化物的滾柱軸承環可以主要提高抗塑性變形的性能。將帶有拱度的滾柱和具有其中帶有高密謀碳化物的表面層的滾柱軸承環相結合可以提供顯著的耐表面剝落的能力，這種能力明顯超過了通過對普通的推力滾針軸承單獨設置這些要求并且將它加在一起所能達到的效果。換言之，表面剝落的抵抗力可以通過帶有拱度的滾柱和分布在滾柱軸承環的表面層中的高密度的碳化物的協同作用來增強。此外，在滾柱軸承環、滾柱等中，可以顯著地減小耐磨性能。
上述另一種滾柱推力軸承可以包括至少兩排滾柱，兩排滾柱至少包括一個帶有拱度的滾柱。
多排滾柱使差速滑動被分散成小的眾多排。此外，帶有拱度的滾柱可以使邊緣的載荷減小。結果，耐表面剝落的使用壽命可以顯著延長。此外，摩擦扭矩也可以減小，這樣例如就能夠以較少的動力成本來使汽車的空調器運作。
至少在表面層到0.1mm深度處滾柱軸承環的碳化物沉淀的分布量在不小于每單位面積0.8％到小于10％的范圍中。
這既可以提高滾柱軸承環的耐磨損能力，又可以提高耐剝落的使用壽命。例如，可以如下獲得上述面積百分比的碳化物加工SCM415材料。對于滲碳作用，可設置到890℃持續一小時，而爐內被設置為具有的內部環境條件帶有1.5到2.0％的滲碳能力。對于淬火，可以設置在840℃持續0.5小時，爐子被設置為其具有的內部環境條件帶有1.0到2.0％的滲碳能力。此后，對材料進行油淬火，從而實現上述密度。除SCM415的滲碳鋼之外，本發明還可應用于其它的鋼，如軸承鋼，碳鋼等。
較佳地，上述軸承至少具有兩排滾柱，其中徑向外側一排具有的拱度小于徑向最內部一側的拱度，或不帶有拱度。
拱度較小的滾柱拱度不會明顯地減小滾動接觸部分，這樣，徑向外側滾柱的承載能力可以得到提高，而每個徑向外側滾柱的載荷接觸壓力可以減小。這樣，徑向外側滾柱和隨著徑向外側滾柱轉動和移動的一滾柱軸承環可以免于剝落。
軸承可以具有一個保持滾柱的軸承罩，軸承罩具有一個袋部，該袋部被用來容納不少兩個軸向方向徑向延伸的滾柱。
因此，該軸承罩被構造成可以低成本地進行加工，并且可以減小每個滾柱的歪斜度。
此外，軸承可以具有一保持滾柱的軸承罩，軸承罩具有至少兩排袋部，每個袋部容納一單個滾柱。
這樣可以減小由于軸承罩的支承而產生的滾柱的歪斜。此外，它還可以減小摩擦扭矩，例如，如果將這種軸承用于汽車空調器的斜板式壓縮機中，該種軸承將能夠使空調器以較低的動力成本來運作。
此外，軸承可以上有至少兩排滾柱，其中徑向外排具有的滾柱長度不小于徑向內排的滾柱。
徑向內側的滾柱可以沒有顯著的差速滑動，而與徑向內側滾柱相比，徑向外側的滾柱可以具有更大的滾動接觸部分，從而提供增加了的承載能力。
滾柱可以具有一個曲線向外突出的端部表面。
上述幾何形狀可以防止滾柱的端部表面相互干擾，以及滾柱端部表面和軸承罩袋部相互干擾。它還可以減小滾柱的歪斜和摩擦扭矩。
上述滾柱推力軸承可以具有至少兩排滾柱，其中，徑向外側一排具有的滾柱數量不少于徑向內側一排的滾柱數量。
這樣可以增加徑向外側滾柱的承載能力。
滾柱軸承環具有的表面硌氏硬度(HRC)可以不小于58。
具有上述硬度的滾柱軸承環可以減小滾動和運轉軌跡的邊緣部分的塑性流速，使該流速小于普通滾柱軸承環，并且還可以提高耐磨性能。對于硬度小于HRC 58的情況，耐磨性能不能得到顯著提高，它大至與普通滾柱軸承環的耐磨性能相等。
根據本發明，一種斜板壓縮機具有一個與主軸固定并圍繞其轉動以使活塞往復運動的斜板，在該壓縮機中，在接觸斜板的一部分處設置了一個滾柱推力軸承，用以接收當主軸轉動以及活塞往復地產生的推力負載。軸承包括一個帶有拱度的滾柱和一個與接觸的滾柱軸承環，滾柱軸承環含有的碳化物不小于10000粒/mm2，但小于40000粒/mm2，其從環表面層起開始測得的深度至少為0.1mm，而粒子的直徑不小于0.6μm。
在與斜板接觸設置的滾柱推力軸承中，在滾柱軸承環和滾柱之間會產生差速滑動。這種差速滑動會對接觸表面油膜的成形造成負面影響并且損害潤滑劑的潤滑作用。此外，例如對于用于汽車空調器的斜板壓縮機的滾柱推力軸承，如上所述，潤滑劑在如帶有空調器的致冷劑的使用中變薄。這將進一步損害潤滑性能。從而，滾動接觸表面產生熱量，表面易于剝落或產生類似的損害。然而，將帶有拱度的滾柱和具有高密度分布其中的碳化物的表面層的滾動軸承環相結合，即使對于汽車空調器的致冷劑和潤滑劑混合在一起的潤滑情況，也可以提供一種非常優良的耐表面剝落的性能。這種耐表面剝落的性能可以獲得明顯改進的、協同作用的效果，這種效果明顯超過了將單獨安上述要求設置滾柱、滾柱軸承環等所產生的效果加在一起所達到的效果。
本發明的上述以及其它的目的、特征、方面和優點將從下列對結合附圖本發明的詳細描述中顯而易見地獲得。
圖1A示出了本發明的一實施例的滾柱推力軸承的一種滾柱；圖1B示出了本發明的一實施例的滾柱推力軸承的另一種滾柱；圖1C示出了與圖1A的滾柱和/或圖1B的滾柱一同在本發明的一實施例的滾柱推力軸承中使用另一種滾柱；圖2A為本發明的一實施例(第一實施例)的一滾柱推力軸承的上半部分的平面圖；圖2B為本發明的一實施例(第一實施例)的另一滾柱推力軸承的上半部分的平面圖；圖2C為本發明的一實施例(第一實施例)的又一滾柱推力軸承的上半部分的平面圖；圖3A為本發明的一實施例的滾針軸承的平面圖，其中帶有一樹脂模制的軸承罩(第二實施例)；圖3B為圖3A的部分A的放大示圖(第二實施例)；圖4A為本發明的一實施例的推力滾針軸承的平面圖，其中帶有一個盒狀的、鐵板壓成的軸承罩(第二實施例)；圖4B為沿圖4A的IVB-IVB線截取的截面圖(第二實施例)；圖4C為圖4的槽的放大示圖(第二實施例)；圖5A為本發明第三實施例的推力滾針軸承的縱剖視圖；圖5B為圖5A中的滾柱和軸承罩的上半部分的平面圖；圖6A為普通推力滾針軸承的縱剖視圖；圖6B為圖6A的滾柱和軸承罩的上半部分的平面圖；圖7為空調器用的雙斜板式壓縮機的縱剖視圖；圖8為空調器用的單斜板式壓縮機的縱剖視圖；圖9為空調器用于容量可變的、單斜板式壓縮機的縱剖視圖。
具體實施例方式
如圖6A-8所示，本發明在一個實施例中提供一種推力滾針軸承，該軸承結合使用在汽車空調器的壓縮機的規定的轉動部分中。具體地說，例如對于圖7的雙斜板式，可以使用帶有軸承罩19的滾針軸承和推力滾針軸承20。對于圖8的單斜板式，可以使用軸套式滾針軸承21和推力滾針軸承22。對于圖9的容量可變的、單斜板式，可以使用帶有軸承罩23的滾針軸承和一推力滾針軸承24。推力滾針軸承具有高度小的優點(如截面圖中所看到的)，因此，它特別適用于需要節省空間的壓縮機中。
如上所述，圖7-9的汽車空調器的壓縮機應被認為是今后可以進一步得以改進的一種裝置，例如可通過由本發明揭示的滾柱推力軸承的進一步發展而得以改進。換言之，它們是一種其內部組件的結構、材料等可以進一步改進的裝置。
(1)滾柱的幾何形狀。
圖1A示出了帶有拱度25的滾柱2a。滾柱2a的長度為L，而帶有拱度的相對端部的長度為L1。帶有拱度的滾柱可以減小邊緣上的載荷(或減小邊緣應力)，而有效長度減小(筆直部分為L2)的滾柱可以減小差速滑動。
圖1B示出了一種相對端部表面鈍圓的滾柱。這種結構可以減小由于軸承罩的袋部的內表面與袋部平面中的滾柱端面之間接觸而引起的邊緣應力，防止滾柱的端面相互干擾，并且防止滾柱端面和軸承罩的袋部相互干擾，由此減小滾柱歪斜。此外，也可以減小因滾柱歪斜而產生的摩擦扭矩。上述圓形幾何尺寸通常為滾柱直徑Da的±50％。
與圖1A相反，圖1C示出了一種不帶有拱度的滾柱，即一種直滾子。這種不帶有拱度的滾柱可以使筆直部分長度增加。尤其是在沒有傾斜的滾動和運轉表面的情況下，可以減小接觸表面的壓力。需指出的是，在本發明中，直滾子被設置在最內排徑向外側的至少一排中。這些滾柱通常是由表面硬度為HRC 60到65的軸承鋼制成的。
(2)滾柱的設置圖2A到2C分別為下文中將要描述的本發明的第一實施例中所使用的滾柱推力軸承的一半的平面圖。圖2A示出了一種滾柱推力軸承，該軸承帶有一具有單排袋部的軸承罩，每個袋部的相對端部可容納帶有拱度、并徑向排成兩排的滾柱2a。如下文中將要描述的，該結構被用在第一和第二實施例中作為本發明的實例樣本4。圖2B示出了一種滾柱推力軸承，該軸承帶有一個具有兩排袋部的軸承罩，每個袋部要保持一單個帶有拱度的滾柱。該結構被用在本發明的第二實施例中，作為本發明的實例樣本5。圖2C示出了一種滾柱推力軸承，其中至少一排徑向外部的滾柱的數量與徑向最內部的滾柱的數量相等或更多。這樣可以增加徑向外部滾柱的承載能力，使其大于徑向最內部滾柱的承載能力。這種結構被用在第二實施例中作為本發明的實例樣本10。
(3)軸承罩圖3A-3C和4A-4C示出了本發明一實施例的軸承罩。圖3A-3C示出了用為本發明的第二實施例中的一種形式(樣本4)。它使用了通過注塑形成的樹脂模制軸承罩和滾針。在該形式中，注塑模制的軸承3設有一個具有幾何形狀更為復雜的袋部。如圖3B所示，每個袋部可保持兩個(或兩排)滾柱，并且在它的中間具有一個凸部，以防止滾柱偏移。如圖3C所示，該凸部允許軸承罩3保持滾柱2。
圖4A-4C示出了第二實施例的另一種形式，該實施例使用了一個通過一盒形鐵板壓制成形的軸承罩和滾針。該形式與圖3A-3C示出的形式相同，并且也與樣本4相應。該形式的軸承罩可以通過低成本壓制而成形。如圖4C所示，通過鐵板壓制成形的兩個構件3a和3b將兩個滾柱2夾持在一個袋部內，由此裝配成一個盒子的形式。需指出的是，袋部的寬度比滾柱2的直徑小，這樣，軸承罩3可以保持住滾柱2。
如果圖3A-3C和4A-4C的滾柱推力軸承使用的滾柱的直徑為Da而長度為L，較佳地可規定Da≤5mm而1≤L/Da≤10。更具體地說，對于L/Da≤1，則滾柱長度減小，由此有效長度減小。滾柱的接觸面積減小，由此會使得接觸表面壓力增加。在接觸表面中，接觸壓力增加，這將導致油膜成形受損，不利的是，例如在滾柱的徑向外部表面將會有剝落現象發生。
對于10≤L/Da，滾柱長度增加，則因此有效長度和滾柱和環表面的差速滑動增加。在滾柱邊緣處，很容易引起滾柱軸承環和滾柱本身之間的邊緣應力，這樣不利的是，會使從表面開始的滾柱軸承環的滾動和運轉部分的邊緣剝落。
第一實施例使用上述滾柱推力軸承來進行一項壽命測試，以證明本發明的滾柱推力軸承可以使滾柱的端面的差速滑動減少，使滾柱端部的附近的應力集中減小，并且可以減小軸承內部的摩擦損失和磨損，從而使滾動和運轉部分抗剝落的壽命增加。
被測試的軸承具有的滾柱直徑為3mm，其具有的滾柱軸承環的內徑為65mm而外徑為85mm。測試是在60-80℃的溫度下進行的，負載為1000kgf，速度為500rpm，軸承涂的潤滑油為主軸油VG2(油膜參數，微升(1ambda)0.101)。
表1示出了測試的結果，其中有比較實例為具有標準滾柱和標準軸承罩的推力滾針軸承。壽命由10個測試軸承壽命的10％表示。需指出的是，對于單排，滾柱具有的長度為7.8mm，對于兩排，滾柱具有的長度為3.8mm，而其帶有拱度(或下降)在5到15微米。使用壽命由被測試的軸承的任何構件剝落時的時間確定。
從表1中可以看出，如果比較實例樣本1(一種標準軸承)具有的使用壽命為1，而具有兩排滾柱的樣本2具有的使用壽命是樣本1的2.5倍，而具有帶有一定拱度的滾柱(單排)的樣本3的使用壽命是樣本1的4.9倍，而由本發明所提供的具有兩排帶有一定拱度的滾柱的樣本4的使用壽命是樣本1的7.5倍，它的使用壽命明顯比樣本1和2長，如從測試中可觀察到的，它的滾柱完全沒有剝落。此外，在測試中，對樣本4電動機消耗的最小電流為3.9A，這表明，該種軸承是低扭矩的，可以理解的是，軸承內部的摩擦損失得以減小。
顯然，具有兩排或多排帶有一定拱度的滾柱的滾柱推力軸承可以有效地減少摩擦損失和損耗，使抵抗從表面開始的、滾動和運行軌跡邊緣的剝落的使用壽命增加，并且可防止滾柱的徑向外表面剝落。
表1
第二實施例在測試中，使用的兩排帶有拱度的滾柱有效長度和它們端面處的幾何形狀作了改變。表2示出的測試得到的結果。具有的袋部徑向排列成兩排或多排的一軸承罩(樣本5)可防止滾柱相互干擾，增強軸承罩保持滾柱的能力，減小滾柱的歪斜，使得摩擦損失和損耗減小，從而使耐剝落的使用壽命增加，可達到的比率為10％使用壽命的1.5。
從測試的結果可以顯而易見的是，對于徑向內排滾柱帶有拱度而徑向外排滾柱的拱度比內排滾柱小的兩排或多排滾柱(樣本6)，以及對于徑向外排滾柱僅由直滾子形成的兩排或多排滾柱(樣本7)，與徑向內側的滾柱相比，徑向外側滾柱的接觸表面壓力減小，這樣可以阻止滾柱徑向外表面和滾柱軸承環的徑向外側剝落，從而使壽命延長。
對于徑向內排滾柱長度增加而徑向外排滾柱長度比徑向內排滾柱長度短的這樣一種滾柱(樣本8，與其它實施例的兩排比，內部滾柱較短而外部滾柱較長)，與徑向內排滾柱相比，徑向外排滾柱的承載能力增加，從而防止了滾柱徑向外表面和滾柱軸承環的徑向外側剝落，并且還減小了徑向內滾柱的差速滑動，而且使用壽命顯著增加(比率是10％使用壽命的1.5)。測試結構表明，將徑向外側圓周的滾柱(或袋部)的數量設置為與徑向內側的滾柱的數量相等或更多也可以使徑向外排的滾柱的承載容量增加(圖2C)。
此外，具有球形表面的滾柱(樣本9和10)可防止滾柱本身端面相互干擾以及滾柱端面的軸承罩袋部相互干擾，由此使使用壽命顯著增加(比率為10％使用壽命的1.3到1.6)。由于電動機所消耗的電流比樣本4和5的小，因此它們對于減小滾柱歪斜的摩擦和軸承的扭矩同樣也是有效的。此外，在本發明的樣本4-10中，電動機所消耗的電能趨向于比比較實例中的小，這表明，軸承內部摩擦損失較小，而軸承的扭矩得以減小。
表2
第三實施例如圖5A和圖5B所示，使用這樣一種推力滾針軸承進行一項測試，其中軸承是由滾柱軸承環4和5、設置在滾柱軸承環之間的滾動元件(或滾柱)2以及保持并引導滾動元件2的軸承罩3形成的。其中的滾動元件為帶有一定拱度的滾動元件。滾動接觸表面6形成在滾柱軸承環4、5的滾柱2之間。推力滾針軸承具有如表3所示構成的滾柱軸承環、滾動元件和軸承罩。
表3
如表3所示，本發明的所要的條件在于，(a1)滾柱軸承環的碳化物密度以及碳化物的面積百分比，(a2)單排滾柱和多排滾柱之間的差別，以及(a3)滾柱的幾何形狀(帶有或不帶有拱度)，在進行測試時改變這些必要條件中的一個條件，從而觀察上述條件是如何影響耐剝落的使用壽命的。更具體地說，本發明的發明人認為，在本發明的范圍內設定上述條件，一個滾柱具有的端部表面可以沒有明顯的差速滑動以及顯著的應力集中，這樣，當滾柱滾動并運行之后，摩擦損失和損耗得以減小，而軸承環的邊緣可以具有較長的耐剝落的使用壽命，而且本發明的發明人證明了它的效果。
使用壽命測試是使用這樣一種軸承進行的，它的滾柱具的直徑為3mm、軸承座圈具有的內徑為65mm而外徑為85mm。測在60-80℃的溫度下進行，負載為1000kgf，速度為500rpm，軸承涂的潤滑油為主軸油VG2(油膜參數(微升)0.101)。表3給出了該測試的結果，其中的一個比較實例為一個具有一標準滾柱和一標準軸承罩的推力滾針軸承。
在表3中，使用壽命由10個測試軸承的使用壽命的10％表示。需指出的是，對于單排，滾柱具有的長度為7.8mm，對于兩排，滾柱具有的長度為3.8mm，而其帶有的拱度(或下降)在5到15微米。
如表3所示，如果與標準軸承相應的樣本31的使用壽命為1，則具有兩排滾柱的樣本32的使用壽命是樣本31的2.5倍。此外，具有單排帶有拱度的滾柱的樣本33的使用壽命為樣本31的4.9倍。具有兩排帶有拱度的滾柱的樣本34的使用壽命為樣本31的7.5倍。樣本31-34均為比較實例，它們的軸承環表面包含的碳化物的密度或分布區域百分比不落在本發明的范圍中。
與上述比較實例相比，保持在軸承罩內的兩排帶有拱度的滾柱以及含有碳化物的密度和分布區域百分比落入本發明范圍內的滾柱軸承環，即本發明一實例的樣本35具有的使用壽命是樣本31的20.6倍，明顯比樣本32-34長，該樣本35的滾柱完全不會剝落。此外，在測試中，樣本35電動機消耗了最小的電流3.9A，該數值與樣本34的相等，且比其它樣本小，同樣它表示摩擦損失是很小的。
從上述結果可以發現，具有本發明的兩排或多排保持在軸承罩內的滾柱和一個滾柱軸承環的推力滾針軸承可以有效地減小摩擦損失和損耗，從而使使用壽命明顯增加，防止在滾柱旋轉和運行之后那些從表面開始的邊緣剝落，并且防止滾柱徑向外側表面剝落。
使帶有拱度的滾柱和具有一表面層的滾柱軸承環與分布在其中的高密度的碳化物相結合，可以提供顯著抗表面剝落能力，這種能力遠遠超過了通過單獨為普通推力滾針軸承中設置這些條件而后將它們相加所能達到的效果。換言之，抗表面剝落的能力可以通過一種帶有拱度的滾柱和結合在滾柱軸承環的表面層內的高密度碳化物的協同作用而得到顯著提高。
第四實施例在第四實施例的推力滾針軸承上進行測試，該軸承使用了兩排軸承罩保持的帶有一定拱度的滾柱和一個滾柱軸承環，其中滾柱長度是變化的，而其具有一端部表面的幾何形狀也是變化的。如表4所示，所檢測的本發明的條件是，(b1)兩排滾柱的徑向外側滾柱的長度，(b2)是否帶有拱度，(b3)軸承罩的袋部的結構，以及(b4)滾柱端部表面的幾何形狀對耐剝落的使用壽命的影響。
表4
圖2A示出了樣本35的推力滾針軸承。圖2A為去除了上部滾柱軸承環的平面圖，而圖2B為圖2C的截面圖。樣本35設有一單排袋部，每個袋部可以容納兩個軸向方向徑向排列的滾柱。
圖2B示出了樣本36的推力滾針軸承。圖2A為去除了上部滾柱軸承環的平面圖，而圖2B為圖2A的截面圖。根據表4，帶有具有兩排袋部的軸承罩的樣本36使滾柱進一步被軸承罩保持，從而減小滾柱的歪斜、摩擦損失和損耗，因此，使樣本36的耐剝落的使用壽命是樣本35的1.5倍。
如樣本37中所設置的，兩排以上的滾柱，其中徑向內側滾柱帶有一定的拱度，而徑向外側的滾柱帶有的拱度比徑向內側滾柱小，其所能提供的耐剝落的使用壽命與本發明實例的樣本35相同。此外，不具有帶有一定拱度的徑向外側滾柱的樣本37，即帶有直滾子的樣本38的使用壽命與樣本35相等。在樣本37和38中，徑向外側承載能力的增加可有效地防止滾柱徑向外側表面和滾柱軸承環的徑向外側剝落。
如在樣本39中所設置的，徑向外側滾柱的長度設置為徑向內側滾柱長度的1.2倍，使徑向內側滾柱的長度較小而徑向外側滾柱的長度較大，而不是如傳統的那樣使內外兩排的滾柱長度相等，這樣可以增加徑向外側的承載容量，從而防止滾柱徑向外表面和滾柱軸承環的徑向外側剝落，同時減小徑向內側滾柱的差速滑動，從而使樣本39的使用壽命為樣本35的1.7倍。具體地說，樣本39具有的徑向具側滾柱長度減小，使得徑向內側滾柱的差速滑動小于普通的兩排滾柱，由此使用壽命可以得到顯著增加。
從這些結果可顯而易見的是，徑向外排中的滾柱數量(或袋部數量)增加到與徑向內排中的滾柱數量相等或更多，也可以增加徑向外側的承載能力，由此達到類似的效果。這種結構也可以以圖2C所示的推力滾針軸承為例來實施。
此外，如在樣本40和41中所設置的，一個具有的端面突出成弧形的滾柱可以防止滾柱端部表面嚴重的相互干擾，并且防止滾柱端部表面和軸承罩的袋部嚴重的相互干擾。此外，從表4還可顯而易見的是，滾柱的歪斜可以減小，而摩擦扭矩可以減小。
第五實施例本發明的推力滾針軸承的有效性可以相對于它的滾柱軸承環的耐磨損性能來證明。樣本35和31(標準軸承)和其它樣本34和32在與表3相同的條件下轉動一段確定的時間(10小時)。需指出的是，樣本35具有兩排保持在軸承罩內的帶有拱度的滾柱以及一個滾柱軸承環，滾柱軸承環具有一個至少含有0.1mm深度的表面層(從其表面開始測量)，而碳化物的粒度的大小為0.6μm或更大，這樣對于每1平方毫米的單位面積沉淀有39452個這樣的粒子，其面積百分比為9.64％。在轉動和運行之后，對最大耐磨損性能(深度)進行測量，結果如表5所示。
表五
如在轉動運行之后在滾柱軸承環的端部所測得的，樣本31、34和42所能達到的最大的耐磨性能分別為1.5μm、0.7μm和0.1μm，而耐磨性能顯著提高的樣本35的最大的耐磨性能為0.05μm。
盡管以上詳細描述并說明了本發明，但是可以理解的是，這些僅是說明和示例，而不對本發明起任何限制作用。例如，最廣泛地說，本發明可應用于任何推力滾針軸承，該軸承包括單排帶有一定拱度的滾柱和一個具有其中裝有上述高密度的碳化物的表面層的滾柱軸承環。本發明的精神和范圍僅由所附權利要求書確定。
權利要求
1.一種制造滾柱推力軸承的方法，在內環和外環之間夾設多排保持在軸承罩內的滾柱，以接受施加在所述內外環之間的推力負載，所述方法包括以下步驟所述軸承罩形成為具有一個容納所述多排滾柱的袋部；使所有的所述多排滾柱帶有拱度，并將所述滾柱設置在所述袋部內，以提供減小的差速滑動，但由所述內環和外環施加到所述多排滾柱上的所述推力負載產生的接觸表面壓力大于當所述袋部具有設置在袋部中的、均具有直輪廓的多個滾柱時的接觸壓力。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多排為兩排，所述袋部具有設置在其中的兩個帶有拱度的滾柱。
全文摘要
本發明公開了一種滾柱推力軸承，此種滾柱推力軸承可以減小差速滑動，沒有明顯的摩擦和磨損，并且可以使耐剝落的使用壽命延長。本發明提供的這種推力軸承由一個滾柱推力軸承(1)形成，該軸承包括至少兩排徑向排列的滾柱(2)和一個保持滾柱的軸承罩(3)，這些滾柱包括至少一個帶有拱度(25)的滾柱。
文檔編號F16C33/34GK1873244SQ20061007482
公開日2006年12月6日 申請日期2002年9月26日 優先權日2001年9月26日
發明者玉田健治, 前田喜久男, 川村智明, 中島碩一, 藤田工, 笹部光男 申請人:Ntn株式會社