CN1447038A - 特别是用于电机中的滚动轴承 - Google Patents

Abstract

一种轴承装置21，包括要在圆柱形凹槽中调节的外圈(24)，设置在所述外圈上的轴承滚道，与轴承滚道相接触设置的一系列滚动元件(26)，以及至少一个膨胀补偿轴环(35)，该轴环安装在由外圈的外圆柱形表面形成的环形狭口(33)中，所述轴环由膨胀系数比形成外圈的材料的膨胀系数大的材料形成，并且为所述轴环提供介于外圈外径减去50μm和外圈外径加上20μm之间的外径。

Description

特别是用于电机中的滚动轴承

技术领域

本发明涉及滚动轴承领域，尤其是用于诸如电机中。

背景技术

电机一般包括一个壳体，其中固定着定子和安装成在定子中旋转的转子。电机安装成借助于两个轴承旋转，该轴承一般是刚性球型轴承，它们定位在转子轴的每一端上。

“刚性球”型轴承通常具有横截面为圆环形的轴承滚道，其相对于经过球中心的平面是对称，并且该轴承对较大的径向负载和中等程度的轴向负载起作用。这两个轴承借助于它们内圈以压配合安装在轴上。

轴承的外圈安装在电机壳体的圆柱形凹槽中，壳体一般由轻的铝合金构成。两个轴承其中一个的外圈通过适当的装置，如弹性挡圈和/或肩台轴向固定在电机壳体中，并可以选择通过夹紧而安装在所述壳体内。

另一个轴承的外圈轴向自由地安装在壳体中，也就是说，允许轴向间隙。事实上，随着电机的温度升高，在电机的各个部件不同的膨胀作用下，将第二轴承与相对壳体轴向固定的第一轴承分开的轴向距离会轻微地改变。因此第二轴承必须可以相对于壳体在轴向轻微地移动，而它的外圈不会相对于所述壳体在不当的时间转动。

FR-A-2585095公开了一种轴承，它的外圈上配备有合成树脂的轴环，该合成树脂在所述外圈周边机加工的环形沟槽中双重模制。这些轴环相对于轴承外圈的外圆柱形表面径向突出，并在电机温度升高时防止外圈相对于壳体上的凹槽发生转动。

由轻合金制成的电机壳体的膨胀系数大约是轴承各圈的钢材料的膨胀系数的两倍。因此温升造成了轴承外圈和壳体的凹槽之间的径向松动。这个由塑料材料制成的轴环具有相对于壳体轻合金显著大的膨胀系数，由于轴承的内部摩擦对可以防止外圈相对于凹槽的意外转动。轴环相对于轴承外径具有非常大的外径。

以这种方式，例如对于32mm外径的轴承，对于相同公称值的轴承，轴环外径公差从+20到+50μm，也就是从+30到+70μm，然而轴承外圈直径的公差从0到-10μm。结果是轴环相对于轴承外圈表面径向并永久地突出。

虽然这种设备对于防止外圈意外转动是非常另人满意的，但是它还具有某种缺陷。

将轴承安装到凹槽中需要使其收缩，并因此必需在压力下进行。因为轴环设置在外圈上并相对于后者的外周表面明显径向突出，这就使在收缩安装的工序过程中必需冒着损坏和拔掉轴环的风险。在凹槽中夹紧轴承使得轴承在温度改变的过程中不能够具有轴向移动足够的自由度。结果，该轴承承受异常的轴向负载，特别是在低温和中温下。上述异常的轴向负载很可能有损害性地降低了轴承架的寿命。

发明内容

提出本发明以解决了上述问题。

本发明提供了一种具有补偿轴环的改进的轴承。

根据本发明的一个方面，轴承装置包括一个意欲在圆柱形凹槽中调节的外圈，一个形成在所述外圈上的轴承滚道，与滚道接触排列的一系列滚动元件，以及至少一个膨胀补偿轴环，该轴环安装在由外圈的外圆柱形表面形成的环形狭口(throat)，轴环由膨胀系数比构成外圈的材料的膨胀系数大的材料形成。轴环外径介于外圈外径减去50μm和外圈外径加上20μm之间。

有利的是，轴承外圈的外径与轻合金壳体的凹槽之间进行的调节将加以选择，并在环境温度下可适当地滑动。

在本发明的实施例中，轴环的外径相对于公称直径的公差在+10和-50μm之间，尤其是，这个公差可以在+10和-30μm之间。

在本发明的一个实施例中，外圈外径相对于公称直径的公差在0和-10μm之间。

该轴承优选地包括两个补偿轴环，它们设置在外圈上的两个狭口中，所述狭口轴向分隔开。这个轴承优选地相对于经过滚动元件中心的径向平面是对称的。

轴承可以包括一个固体的或由板材制成的内圈，其设置有与滚动元件相接触的外部轴承滚道。

在本发明的一个实施例中，内圈由合成材料制成。尤其是该内圈可以由聚酰胺制成。

轴承可以固定在凹槽中，该凹槽设置有圆柱形钻孔并形成机械部件，如电机的定子部件的一部分。凹槽可以由轻合金制成。

本发明也提供了一种电机，其包括一个壳体、一个安装在壳体中的定子、一个转子和至少一个如在上文描述过的固定在壳体和转子之间的轴承。

本发明的一个实施例中，壳体由轻合金制成，特别是包含铝和/或镁的金属合金。

在本发明的一个实施例中，轴环的热膨胀系数比包括轴承外圈的材料以及包括所述外圈的凹槽的材料的热膨胀系数大。

换句话说，轴环的外周表面可以相对于轴承外圈的圆柱形外表面径向突出10μm，或相对于前者缩进25μm。由于轴承外圈的外径相对于其公称侧面的公差为从0到-10μm，而轻合金的凹槽相对于它的公称侧面的公差为从0到+16μm，其中凹槽的公称侧面与轴承外圈的外径的公称侧面相同，因为轴环相对于外圈可能达到的最大径向突出很小，所以轴承可以很容易地安装到其凹槽中，而不会有损坏轴环的危险。

在低温时，特别是低于或接近0°时，在轴承外部钢圈和壳体轻合金的凹槽的之间具有较大的过盈。这个过盈保证了对中，并且保证轴承外圈在凹槽中不会转动，同时这个公盈还允许外圈在合理的轴向载荷下在其凹槽中可以轻微轴向移动。

反之，当温度升高时，例如高到120℃时，轴环和凹槽之间的过盈更加保证对中，并且保证轴承外圈相对于其凹槽不转动。事实上，外圈的钢的膨胀系数为1.5×10^-5左右，壳体的轻合金的膨胀系数为2.3×10^-5左右，并且补偿轴环的膨胀系数为13×10^-5左右。这个轴环膨胀得远大于外圈，进而保证了在常温和升高的温度下很好的膨胀补偿。

特别是，轴环在径向上的膨胀比壳体凹槽的膨胀更快，并有效地粘结在后者中，避免了轴承外圈在壳体内的任何转动，并且保证了轴承和凹槽之间的对中，并因而保证电机转子和定子之间的对中。最后一点是非常重要的，因为一个电机的性能尤其依赖于定子和转子之间存在的间隙，间隙的减少可以提高电机的性能。众所周知，这个间隙越小则对转子和定子之间对中的精度要求就越高。

在特定应用中，比如用于汽车助力方向(assisted direction)的电机，其中对这些要求尤其严格，转子相对于定子的对中误差必须不能超过50μm。于是，本发明可以满足这些要求。

另外，在高温范围内，轴环的结构会暂时改进，并且轴环会变得柔软和更大的延展性，其足可以实现外圈在承受负载时轻微的轴向移动。

通过举例，可以选用其机械特征如下的PA11型聚酰胺制造轴环：

-20℃时杨氏模量为2200MPa

-泊松系数为0.4

-热膨胀系数为13×10^-5。

附图说明

本发明将通过在后面的几个非限制性的实施例详细描述和附图的说明使之更易懂。

图1是现有技术中的电机轴向部分的视图，

图2是依据本发明一方面的轴承的正视图，

图3是安装在电机上的图2中的轴承轴向部分的视图，

图4和图5是分别在高温和低温情况下图3的详细图，以及

图6是示出施加到轴承上的轴向力作为温度的函数变化以使轴承在其凹槽内平移的曲线。

具体实施方式

从图1中可看出，电机1包括一个由轻合金制成的壳体2，与壳体2成一体的定子3，一个转子4和其上安装转子4的轴5。壳体2包括大体上为圆柱形的部分6，一个定位在圆柱部分6一端的径向环形部分7，以及一个定位相对端并为环形形状的径向部分8。

具有圆柱形钻孔10的轴向部分9，与钻孔10相邻的肩台11以及沿着钻孔10相对于肩台11布置的凹槽12与径向环形部分7成为一体。具有圆柱形钻孔14的轴向部分13与径向环形部分8成一体，并朝电机1内部轴向延伸。传统类型的轴承15通过其外圈安装在轴向凸缘9的钻孔10中，并且通过肩台11和设置在凹槽12中的弹性挡圈16轴向固定。轴承15通过其内圈安装在轴5的外圆柱形表面上，并通过设置在轴5上的肩台17和安装于轴5上机加工的沟槽中的弹性挡圈18轴向固定。

轴承19借助于其内圈压配合在轴5的一端，直到其抵靠所述轴5的肩台20。虽然这个压配合保证了轴承19与轴5的整体性，但是可以在轴承的内圈和轴之间提供附加的连接装置，例如安装在轴端部的弹性挡圈。轴承19的外圈以其外圈相对于轴向部分13可相对轴向移动的选择安装到所述轴向部分13的钻孔14中。轴承的各圈以及滚珠一般由钢制成，而壳体2由轻合金制成，例如以铝为基础的合金。

由于轻合金呈现出比钢高得多的膨胀系数，特别比轴承19的外圈高得多的膨胀系数，所以可以理解在低温范围内，需要相当大的轴向力来使轴承19的外圈在壳体内平移，事实上向轴承上施加一个可能对所述轴承不利的轴向负载。相反，在高温范围内，过大的间隔可以借助于轴承19的内部阻力距被外圈相对于壳体的转动转化。

为了避免这种情形的发生，将用如图3中所示的轴承21来代替轴承19。轴承21包括一个具有环形轴承滚道23的固定的内环22，一个具有环形轴承滚道25的固定的外圈24，一系列滚动元件26，在此情况下为球，其设置在轴承滚道23和25之间，并通过由合成材料制成的保持架27保持有规律的圆周间隔。

外圈24包括两个沟槽28和29，它们设置在轴承滚道25的任一侧，并且起到支撑密封凸缘30和31的作用，该密封凸缘由金属片材制成，并延伸靠近内圈22的圆柱形孔，通过缩窄通道而形成密封。

另外，外圈24包括一个外圆柱形表面32，其中加工出两个狭口33和34，它们为环形的并相对于经过滚动元件26中心的径向平面对称，且能够在轴向剖面呈现出U形的外廓。安装在每个狭口33、34中的分别是由合成材料，比如聚酰胺PA11制成的轴环35、36，它们使外圈24的圆柱形外表面32基本平齐。

更明确地说，每个轴环35和36具有一个圆柱形外表面，其外径介于外圈24的外径减去50μm和外圈24外径增加20μm之间。为了完成上述目标，将轴环35和36外径相对于所述轴环35、36外表面的公称直径的公差设定在+10μm和-50μm之间，所述公差优选是在+10μm和-30μm之间。

也可以设置成：外圈的外径相对于它的公称直径的公差在0和-10μm之间。因此在环境温度下，轴环35和36不会突出于外径24的外表面32，或突出非常小，以使轴承在诸如壳体2轴向凸缘13的钻孔14的钻孔中的压配合可以轻易实现，而不会对轴环35、36施加力或损害。

轴环35、36优选地通过在沟槽34和33注模而模制。按照这种方式，它们可以在注模后相对于外表面32微微突出，如图4所示，或微微地凹陷，如图5所示。

狭口33和34轴向分隔开，在外圈24的圆柱形外表面32被分成三部分的意义上，一部分位于轴承的其中一个径向前表面和狭口33之间，第二部分位于狭口33和34之间，而第三部分位于狭口34和与第一部分相对的径向前表面之间。

为了利于将轴承21安装到轴向凸缘13的钻孔14中，所述钻孔可以具有相对于其公称侧面在0到+16μm之间的公差。这意味着可以容易地安装轴承。

顺便举例，对于外径小于或等于50mm的轴承，可以假设所述外径的公差在0到-10μm之间，然而对于外径在50到80mm之间的轴承，可以假设其所述外径的公差在0到-50μm之间。

内圈22可以安装到轴5上。

图6示出施加到轴承上使之在轴向凸缘的孔中移动的力在不同温度下的变化情况，轴向凸缘上形成有轴承凹槽。这个轴承公称外径为32mm，外径公差在凹槽和带轴环的轴承之间提供最大过盈。因此，该曲线是一个在横坐标和所述曲线限定出一个区域的包络曲线，并且在这个区域内是相对于其他更小直径过盈的曲线。

对于低于0℃的温度，壳体的轻合金/轴承外圈的钢之间接触占优势，而对于高于0℃的温度，壳体的轻合金/补偿轴环的接触占优势。要指出的是对于高于0℃的温度轴向负载小于500N，而对于在0到30℃之间的环境温度，轴向负载在400到500N之间。

基于20℃的温度，负载作为温度的函数一直减小，直到在温度为80℃附近，负载小于200N为止。在温度低于0℃处，负载作为温度的函数同样以更明显的斜度一直减小。

应理解到，由于本发明，可以获得一种适于各种应用的，特别是在电机领域中的轴承，该轴承具有补偿轴环，该补偿轴环在低温时不会相对于轴承外圈的外表面突出，使之可以无风险地容易地压配合，而在高温时，由于补偿轴环的相当大的膨胀可以保持所述压配合，防止凹槽的膨胀通过分开而转化成两个元件之间的转动，其中凹槽的膨胀比轴承外圈的膨胀大得多。

因此，电机可以以更小的径向间隙构成，并从而改善性能。同样可以避免轴承上过大的轴向负载，后者对轴承架的寿命有害，并且避免了同样对电机的寿命有损害的外圈相对于凹槽转动。

Claims (11)

1.一种轴承装置(21)，包括要在圆柱形凹槽中调节的外圈(24)，设置在所述外圈上的轴承滚道，与轴承滚道相接触布置的一系列滚动元件(26)，和至少一个膨胀补偿轴环(35)，该轴环设置在由外圈的外圆柱形表面形成的环形狭口(33)中，所述轴环由膨胀系数比形成外圈的材料的膨胀系数大的材料形成，其特征在于，所述轴环的外径介于外圈外径减去50μm和外圈外径加上20μm之间。

2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，轴环的外径相对于公称直径的公差在+10和-50μm之间。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，轴环的外径相对于公称直径的公差在+10和-30μm之间。

4.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，外圈的外径相对于公称直径的公差在0和-10μm之间。

5.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括两个补偿轴环(35、36)，它们安装在外圈的两个狭口(33、34)中，所述狭口轴向分隔开。

6.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，外圈由钢制成。

7.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，轴环由合成材料制成。

8.一种机械元件，包括一个设置有圆柱形钻孔的凹槽和如上述权利要求中任一项所述的装置，该装置安装在所述凹槽中。

9.如权利要求8所述的元件，其特征在于，该凹槽由轻合金制成。

10.如权利要求9所述的元件，其特征在于，该凹槽是由基于铝或镁的合金制成。

11.如权利要求8至10中任一项所述的元件，其特征在于，轴环的热膨胀系数比构成轴承外圈的材料的热膨胀系数以及构成所述外圈的凹槽的材料的热膨胀系数大。

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