專利名稱：薄壁滾動(dòng)軸承的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非切削制成的薄壁滾動(dòng)軸承，如滾針軸承，它的外環(huán)由冷軋帶材制成。此外本發(fā)明涉及一種用于容納滾動(dòng)軸承的支承頸的萬向節(jié)十字頭套筒，其同樣由冷軋帶材制成。
背景技術(shù)：
冷軋鋼帶經(jīng)常用于制造冷壓成形的產(chǎn)品。在應(yīng)用和使用特性方面增加的要求要求更好的機(jī)械、特別是變形特性。良好的變形性特征在于盡可能高的表示深拉性的r值，高的表示拉形性的n值以及高的表示平面應(yīng)變特性的應(yīng)變值。在這種情況下如果變形特性在不同方向上，特別是長(zhǎng)度方向、橫向方向和斜線方向上盡可能相等，即基本是各向同性的，這被證明是有利的。各向同性的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在材料流的一致性和板材下腳料的減少(DE 195 47 181 C1)。
在上下文中一般技術(shù)人員已知，諸如滾針軸承或者只有沖壓外圈的滾針軸承的HK軸承(外接圓軸承)是滾動(dòng)軸承技術(shù)的特別性，其與大的滾動(dòng)軸承相比徑向的結(jié)構(gòu)形式受到限制。這種HK軸承通過壓入到鉆孔中保持它的圓度和形狀并且因此軸套材料承受持久地壓縮應(yīng)力。通過壓入產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力加上軸承在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載應(yīng)力，所以使用的材料必須滿足高的要求。特別地它應(yīng)該具有良好的變形性并且具有熱處理的適用性，以便實(shí)現(xiàn)希望的機(jī)械特性。
在DE 10 34 932中描述了一種滾針軸承的制造方法，其中運(yùn)動(dòng)軸套首先制造有固定擋邊并且在開口的軸套中插入帶有滾動(dòng)體的保持架，在通過彎曲第二擋邊構(gòu)成不可分開的結(jié)構(gòu)單元。之后軸套和保持架經(jīng)過共同的硬化過程。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，滾針軸承的薄壁的外環(huán)或者內(nèi)環(huán)由可深拉的冷軋帶材非切削地制成，其中冷軋帶材例如是標(biāo)號(hào)CK15、St4 C22、15Cr3或16MnCr5的滲碳鋼。這些加工過程的先決條件是冷軋帶材的一致的各向同性的變形特性。在單獨(dú)的階段或者多個(gè)連續(xù)的階段中零件由確定厚度延伸校準(zhǔn)為高尺寸精度和相同的壁厚的鋼帶變形而成。為了實(shí)現(xiàn)耐磨性和要求的承載能力這些變形的零件進(jìn)行滲碳硬化。這在所謂的表面硬化處理爐中在830和930℃之間通過沒有或者具有加入氮(碳氮化)的滲碳進(jìn)行。根據(jù)要求的表面硬化深度這意味著熱處理直到兩個(gè)小時(shí)和更多。
上述的鋼作為用于非切削制成的只有沖壓外圈的滾針軸承的薄壁外環(huán)或者針式軸套并且具有下列的特別性質(zhì)-它的純度和冷拉性；-必需的表面硬化；-在熱處理過程中相對(duì)的尺寸和形狀的改變；-要求的材料厚度，由于表面硬化深度Eht和用于這種材料必需的柔軟的心部。
這樣表面硬化的套筒軸承的最大承載能力取決于滾動(dòng)體的直徑和由等效應(yīng)力產(chǎn)生的表面硬化深度(Eht)。在橫截面中可以看見這樣表面硬化的零件由兩個(gè)硬化的邊緣層和具有明顯低的硬度值的心部區(qū)域組成。套筒厚度相對(duì)于硬化深度的比例在大約3∶1至4∶1。表面硬化深度是滾動(dòng)體直徑加上要求的加工誤差的大約5至7％，所以套筒壁厚在最大負(fù)載設(shè)計(jì)情況下大于滾動(dòng)體直徑的四分之一。
本發(fā)明同樣涉及萬向節(jié)。為了在同時(shí)傳輸轉(zhuǎn)矩時(shí)能夠運(yùn)動(dòng)連接兩個(gè)軸而使用它。在這種情況下以這種方式的連接導(dǎo)致，萬向節(jié)十字頭的兩個(gè)互相相對(duì)的軸頸分別嚙合在兩個(gè)軸的叉形構(gòu)成端中的相應(yīng)鉆孔中。為了獲得很大的輕巧性，軸頸被接收在特別的軸承中，優(yōu)選地在滾動(dòng)軸承中。為了支承所屬的萬向節(jié)十字頭套筒，其必須通過套筒底板接收在作用的接頭中軸向作用的軸頸力，承受高的彈簧應(yīng)力。也就是說，在萬向節(jié)中預(yù)應(yīng)力壓力套筒顯示確定的疲勞現(xiàn)象，如果它由傳統(tǒng)的表面硬化鋼諸如St4、DC04、或者16MnCr5中的C15M制成。由表面硬化鋼制造萬向節(jié)十字頭套筒的方法在DE-AS1 021211中公開。這種疲勞現(xiàn)象的后果是，由于在確定的負(fù)荷持續(xù)時(shí)間之后具有增大的間隙，整個(gè)系統(tǒng)的功能變得不精確。因?yàn)橐话慵夹g(shù)人員都已經(jīng)知道(DE 2122 575、DE 30 33 445 A1、DE-OS 21 20 569，DE 37 39 718 A1)，所以在這里不要求其他的關(guān)于萬向節(jié)軸承的其他結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種非切削制成的薄壁滾動(dòng)軸承和萬向節(jié)十字頭套筒，其優(yōu)點(diǎn)在于提高的效率。
根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)根據(jù)權(quán)利要求1的特征部分和前序部分一起完成，外環(huán)由冷壓變形且淬透的鋼制成，其中在它的壁厚和滾針的直徑之間比例設(shè)置為1∶20至1∶5并且淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的薄壁滾動(dòng)軸承的主要優(yōu)點(diǎn)在于，外環(huán)的要求的厚度不再看作為具有心部區(qū)域和雙重硬化深度的材料結(jié)合，而是作為幾乎均勻的“硬化邊緣區(qū)”，其支撐通過其中壓入外環(huán)的外殼實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閷?duì)于軸承的承載能力，硬化深度與滾動(dòng)體直徑的比例是確定的，所以出現(xiàn)完全不同的結(jié)構(gòu)和安裝可能性。這使得現(xiàn)在的薄壁滾動(dòng)軸承重新設(shè)計(jì)，其-在相同的設(shè)計(jì)空間的情況下靜態(tài)能夠更高地加載，-在相同的負(fù)載情況下允許小的設(shè)計(jì)空間，-允許在相同設(shè)計(jì)空間的情況下使用壽命更長(zhǎng)的配置。
本發(fā)明的解決方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，由于不同的熱處理過程能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的節(jié)省可能。一方面能夠減少硬化處理時(shí)間并且另一方面減少硬化溫度。所用的解決方案的較高的尺寸和形狀穩(wěn)定性也是有利的。
本發(fā)明的其他有利的結(jié)構(gòu)在從屬權(quán)利要求2和3中示出。
所以根據(jù)權(quán)利要求2規(guī)定，心部硬度在600至650HV之間并且表面硬度在680至750HV之間。
從權(quán)利要求3中引出，一種熱處理鋼具有下列的化學(xué)成分0.37～0.50％C至多0.40％Si0.50～0.80％Mn至多0.020％P至多0.020％S至多0.50％Cr至多0.40％Ni至多0.10％Mo至多0.20％Cu根據(jù)第二個(gè)獨(dú)立權(quán)利要求4，一種萬向節(jié)十字頭套筒由冷壓變形且淬透的鋼制成，其中淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。
在這種情況下根據(jù)權(quán)利要求5中以有利的方式，心部硬度的值為600～650HV并且表面硬度的值為680～750HV。
最后根據(jù)權(quán)利要求6，用于萬向節(jié)十字頭套筒的熱處理鋼具有下列的化學(xué)成分0.37～0.50％C至多0.40％Si0.50～0.80％Mn
至多0.020％P至多0.020％S至多0.50％Cr至多0.40％Ni至多0.10％Mo至多0.20％Cu根據(jù)本發(fā)明制造的萬向節(jié)十字頭套筒的優(yōu)點(diǎn)特別在于，實(shí)現(xiàn)萬向節(jié)十字頭系統(tǒng)的高剛度，套筒底板的高的剛性曲線和高的抗拉強(qiáng)度。套筒底板將通過壓入狀態(tài)的徑向應(yīng)力支撐并且如盤形彈簧一樣作用，它的預(yù)應(yīng)力在整個(gè)使用壽命中保持垂直，因?yàn)闊崽幚礓摰牟牧现钡叫牟慷急３謴椈商匦院透叩那c(diǎn)。


在下面的實(shí)施例中詳細(xì)地說明本發(fā)明。其中圖1示出部分剖切的只有沖壓外圈的滾針軸承的透視圖；圖1a示出穿過每個(gè)針式軸套的縱向剖視圖；圖1b示出穿過每個(gè)滾子軸套的縱向剖視圖；圖2示出在傳統(tǒng)材料和根據(jù)本發(fā)明的鋼之間的硬度比較；圖3示出由傳統(tǒng)材料和根據(jù)本發(fā)明的鋼制成的套筒底板的剛度曲線；以及圖4是在徑向負(fù)載情況下傳統(tǒng)材料和根據(jù)本發(fā)明的鋼之間的塑性變形。
具體實(shí)施例方式
在圖1中示出且用1表示的只有沖壓外圈的滾針軸承具有帶有環(huán)狀輪廓的徑向部分2，其在一端轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛳騼?nèi)的擋邊3并且在另一端被底板4封閉。在保持架6中引導(dǎo)的滾針7在擋邊3和設(shè)有凸起5的底板4之間滾動(dòng)。這種類型的只有沖壓外圈的滾針軸承在軸端的支承位置封閉。
如果這樣的只有沖壓外圈的滾針軸承1在相同的外徑的情況下根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)由標(biāo)號(hào)為DC04M的鋼一次制成并且根據(jù)權(quán)利要求由根據(jù)本發(fā)明的可冷壓加工和可淬透的鋼一次制成，那么通過根據(jù)本發(fā)明的新設(shè)計(jì)存在下列的潛在節(jié)約-只有沖壓外圈的滾針軸承的壁厚可以減小到50％；-滾動(dòng)體的直徑可以增大約20％；-滾動(dòng)體能夠沿它的軸向伸展增長(zhǎng)約5％；-動(dòng)態(tài)承載量Cr夠提高約18％；-靜態(tài)承載量Cor能夠提高約9％；-動(dòng)態(tài)使用壽命能夠提高約75％；-總重量能夠減小約7％。
如在圖1a中示意性示出的HK 3020型只有沖壓外圈的滾針軸承的具體比較，由滲碳鋼DC04M(0.05～0.08％C)制成的只有沖壓外圈的滾針軸承和由根據(jù)本發(fā)明的鋼C45M(0.37～0.50％C)制成的只有沖壓外圈的滾針軸承都具有如下相同的尺寸-外徑37mm；-最小外接圓直徑30mm-軸向伸展20mm。
在兩個(gè)只有沖壓外圈的滾針軸承之間的區(qū)別由下列的幾何尺寸確定-在左側(cè)的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的只有沖壓外圈的滾針軸承的壁厚是1mm，而在右側(cè)的只有沖壓外圈的滾針軸承的壁厚減小到0.5mm；-滾針的直徑是2.5或者3mm，所以壁厚相對(duì)于滾針的直徑的比例是1∶2.5或者1∶6；-滾針的軸向長(zhǎng)度是15.3或者16mm；-從擋邊到擋邊的內(nèi)部距離是18.14或者18.91mm。
可以想象，在相同的安裝狀況下(相同的外徑、相同的軸的直徑、相同的軸向伸展)，通過滾針的增大的直徑和它增大的軸向伸展實(shí)現(xiàn)承載能力的提高。
在圖1b中示出的滾子軸套是關(guān)于能實(shí)現(xiàn)節(jié)約潛能方面的類似視圖。在左側(cè)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成的滾子軸套由帶有0.145～0.194％C的滲碳鋼C16M制成，而在右側(cè)的根據(jù)本發(fā)明的滾子軸套由標(biāo)號(hào)為C45M的鋼制成。兩個(gè)零件具有下列相同的尺寸-最小外接圓直徑45mm；-軸向伸展17mm。
在兩個(gè)滾子軸套之間的區(qū)別通過下列幾何尺寸確定-如在1a中的例子一樣，壁厚減少了50％，即從左側(cè)的2mm減小為右側(cè)的1mm；-滾子體的直徑是7或者6mm，所以壁厚相對(duì)于滾子體直徑的比例是1∶3.5或者1∶6；-滾子體的軸向長(zhǎng)度伸展是13或者14.5mm；-滾子軸套從擋邊到擋邊的內(nèi)部距離是13.56或者15.16mm；-外徑從63減小到59mm。
在這種情況下在幾乎相同的承載能力下通過減小的結(jié)構(gòu)空間(外徑)實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)滾子軸套的節(jié)省可能。
如在圖2中所示，與標(biāo)號(hào)為DC04M的傳統(tǒng)鋼相比，根據(jù)本發(fā)明的鋼C45M具有在中心區(qū)域僅扁平向下的硬度變化特性。在表面硬度為約750HV時(shí)，心部硬度的值是約650HV。通過這種適合于部件幾何形狀和負(fù)荷的優(yōu)化的淬透性，鋼具有高的心部硬度、韌度和彈性。這種可冷壓加工且可淬透的鋼的高心部硬度導(dǎo)致可以實(shí)現(xiàn)上述的節(jié)省可能，諸如減小壁厚、增大滾動(dòng)體直徑、提高動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的承載量，提高動(dòng)態(tài)的使用壽命和減小總重量。標(biāo)號(hào)為C45M的鋼是高純度的各向同性的細(xì)晶粒鋼并且特別適合于在滾動(dòng)軸承技術(shù)中的要求。它的深拉性和變形能力與至今使用的冷軋帶材材料相同，但是它在淬透性方面比傳統(tǒng)的鋼明顯高。
在圖3中示出由DC04M和C45M制成的萬向節(jié)十字頭套筒8的底板8.1的剛度曲線明顯顯示，在由DC04M制成的套筒底板8.1從一定的力開始進(jìn)入塑性變形，而由C45M制成的軸套的底板8.1在明顯大的力范圍中保持彈性。套筒底板8.1在本發(fā)明的含義中如盤形彈簧般作用，其預(yù)應(yīng)力在整個(gè)使用壽命中保持垂直，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的熱處理鋼的材料在心部區(qū)域中具有彈簧特性。相對(duì)于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的萬向節(jié)十字頭套筒，根據(jù)本發(fā)明的萬向節(jié)十字頭套筒8的預(yù)應(yīng)力在相同幾何尺寸的情況下提高了至少20％。以這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)萬向節(jié)十字頭系統(tǒng)的高的剛度，其對(duì)功能和使用壽命產(chǎn)生積極的影響。當(dāng)壓入根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的萬向節(jié)十字頭中的套筒由傳統(tǒng)滲碳硬化鋼制成時(shí)，它表現(xiàn)出疲勞現(xiàn)象。這后果是，例如在轉(zhuǎn)向軸護(hù)管或者在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的這種萬向節(jié)十字頭在確定的負(fù)荷持續(xù)時(shí)間之后具有增大的間隙，這對(duì)功能有顯著的影響。
最后圖4示出由DC04M和C45M制成的軸套滾道在加載時(shí)的不同的塑性變形。由新材料制成的軸承由于高的心部硬度具有比由傳統(tǒng)的鋼制成的相同軸承更高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)承載力。這在高的靜態(tài)加載時(shí)候避免了滾道上的塑性變形。
附圖標(biāo)記1只有沖壓外圈的滾針軸承2徑向部分3擋邊4底板5凸起6保持架7滾針8萬向節(jié)十字頭套筒8.1底板
權(quán)利要求
1.一種非切削制成的薄壁滾動(dòng)軸承，如滾針軸承，它的外環(huán)由冷軋帶材制成，其特征在于，外環(huán)由可冷壓變形且可淬透的鋼制成，其中在它的壁厚和滾針的直徑之間比例設(shè)置為1∶20至1∶5并且淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。
2.如權(quán)利要求1所述的滾動(dòng)軸承，其中，心部硬度具有600～650HV的值并且表面硬度具有680～750HV的值。
3.如權(quán)利要求1所述的滾動(dòng)軸承，其中，使用具有下列化學(xué)成分的熱處理鋼0.37～0.50％C至多0.40％Si0.50～0.80％Mn至多0.020％P至多0.020％S至多0.50％Cr至多0.40％Ni至多0.10％Mo至多0.20％Cu
4.一種用于容納滾動(dòng)支承的支承頸的萬向節(jié)十字頭套筒(8)，其由冷軋帶材構(gòu)成為薄壁非切削制成的滾針軸承套筒，它的封閉的底板用作萬向節(jié)軸頸的端側(cè)開始，其特征在于，該萬向節(jié)十字頭套筒由可冷壓變形且可淬透的鋼制成，其中淬透壁的心部硬度≥600HV并且表面硬度≥680HV。
5.如權(quán)利要求4所述的萬向節(jié)十字頭套筒(8)，其中，心部硬度具有600～650HV的值并且表面硬度具有680～750HV的值。
6.如權(quán)利要求4所述的萬向節(jié)十字頭套筒(8)，其中，使用具有下列化學(xué)成分的熱處理鋼0.37～0.50％C至多0.40％Si0.50～0.80％Mn至多0.020％P至多0.020％S至多0.50％Cr至多0.40％Ni至多0.10％Mo至多0.20％Cu
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非切削制成的薄壁滾動(dòng)軸承，如滾針軸承，它的外環(huán)構(gòu)成為單獨(dú)的零件并且由冷軋帶材制成。在根據(jù)本發(fā)明的方式中，外環(huán)由冷壓變形且淬透的鋼制成，其中它的壁厚和滾針的直徑之間比例設(shè)置為1∶20至1∶5并且淬透壁的心部硬度大于等于600HV并且表面硬度大于等于680HV。通過本發(fā)明，在相同的設(shè)計(jì)空間情況下軸承可以比由傳統(tǒng)鋼制成的軸承靜態(tài)加載更多。
文檔編號(hào)F16D3/38GK1829867SQ200480021554
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
發(fā)明者卡爾-路德維格·格雷爾, 列奧·明特尼奇, 京特·格魯貝, 斯特凡·格斯特納, 諾貝特·拉丁格 申請(qǐng)人:依納-謝夫勒兩合公司