JP2012192818A - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量・コンパクト化を図りつつ、ハブ輪の疲れ強さを高め、強度・耐久性の向上を図った車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】ハブ輪４がＣ０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼から熱間鍛造によって、アウター側の端部にすり鉢状の凹所１０が形成され、この凹所１０の深さが、ハブ輪４のアウター側の端面から少なくとも車輪取付フランジ６のインナー側の基部６ｂの位置に対応する付近までとされると共に、予め調質処理が施され、その表面硬さが３５ＨＲＣ以下に設定され、凹所１０にショットピーニングによる表面改質で圧縮残留応力が付与されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車輪を回転自在に支承する車輪用軸受装置、特に、軽量・コンパクト化を図りつつ、ハブ輪の疲れ強さを高め、強度・耐久性の向上を図った車輪用軸受装置に関するものである。

従来から自動車等の車輪を支持する車輪用軸受装置は、車輪を取り付けるためのハブ輪を転がり軸受を介して回転自在に支承するもので、駆動輪用と従動輪用とがある。構造上の理由から、駆動輪用では内輪回転方式が、従動輪用では内輪回転と外輪回転の両方式が一般的に採用されている。この車輪用軸受装置には、所望の軸受剛性を有し、ミスアライメントに対しても耐久性を発揮すると共に、燃費向上の観点から回転トルクが小さい複列アンギュラ玉軸受が多用されている。この複列アンギュラ玉軸受は、固定輪と回転輪との間に複数のボールを介在させ、このボールに所定の接触角を付与して固定輪および回転輪に接触させている。

また、車輪用軸受装置には、懸架装置を構成するナックルとハブ輪との間に複列アンギュラ玉軸受等からなる車輪用軸受を嵌合させた第１世代と称される構造から、外方部材の外周に直接車体取付フランジまたは車輪取付フランジが形成された第２世代構造、また、ハブ輪の外周に一方の内側転走面が直接形成された第３世代構造、あるいは、ハブ輪と等速自在継手の外側継手部材の外周にそれぞれ内側転走面が直接形成された第４世代構造とに大別されている。

こうした車輪用軸受装置において、近年、省資源あるいは公害等の面から燃費向上に対する要求は厳しいものがある。自動車部品において、特に、車輪用軸受装置の軽量化はこうした要求に応える要因として注目され、強く望まれて久しい。しかし、一方、軽量化のためにハブ輪を中空構造にすることが考えられるが、この軽量化に伴い剛性の低下が生じる。すなわち、大きな荷重がかかった時にハブ輪に変形が生じ、異常振動や内側転走面の早期剥離、あるいは、ハブ輪に圧入された内輪とが相対回転する、所謂クリープが生じることがある。

こうした問題を解決したものとして、図３に示すような車輪用軸受装置が知られている。この車輪用軸受装置は、内方部材５１と外方部材５２、および両部材５１、５２間に転動自在に収容された複列のボール５３、５３とを備えている。内方部材５１は、ハブ輪５４と、このハブ輪５４に所定のシメシロを介して圧入された内輪５５とからなる。

ハブ輪５４は、一端部に車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ５６を一体に有し、外周に一方の内側転走面５４ａと、この内側転走面５４ａから軸方向に延びる軸状部５７を介して小径段部５４ｂが形成されている。一方、内輪５５は、外周に他方の内側転走面５５ａが形成され、ハブ輪５４の小径段部５４ｂに圧入されると共に、この小径段部５４ｂの端部を塑性変形させて形成した加締部５８によって軸方向に固定されている。

外方部材５２は、外周にナックル（図示せず）に取り付けられるための車体取付フランジ５２ｂを一体に有し、内周にハブ輪５４の内側転走面５４ａに対向する一方の外側転走面５２ａと、内輪５５の内側転走面５５ａに対向する他方の外側転走面５２ａが一体に形成されている。これら両転走面間に複列のボール５３、５３が収容され、保持器５９、５９によって転動自在に保持されている。また、外方部材５２とハブ輪５４との間の環状空間を密封するためにシール６０が装着されると共に、外方部材５２の端部内周面には、鋼鈑からプレス成形により形成された有底短円筒形状のカバー６１が装着されている。

ここで、ハブ輪５４は、小径段部５４ｂの内輪５５の嵌合面Ａのみに対応する部分に中実構造部６２が形成され、当該部分以外は中空構造部６３とされている。すなわち、面取り部５５ｂと嵌合面Ａとの境界を通る軸方向に直交する平面上に中実構造部６２の両端面６２ａ、６２ｂが設けられ、中実構造部６２の内端側にも新たに中空構造部６３が設けられている。そして、当該中空構造部６３は、ハブ輪５４の剛性を確保できる範囲で最大限の容積を有しており、ハブ輪５４の強度・剛性を確保しつつ、軽量化を達成することができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−２６９０６６号公報

こうした従来の車輪用軸受装置では、ハブ輪５４の中空構造部６３の容積が大きくなるにつれ軽量化を達成することができるが、ハブ輪５４の輪郭を高周波焼入れした時に生じる熱処理歪みが中空構造部６３へ引張残留応力として作用する。また、このようなハブ輪５４は、塑性加工がし易い熱間鍛造で製造されるが、中空構造部６３の容積が大きくなれば、この中空構造部６３は冷却され難くなり、表面に脱炭層（粒界酸化層）ができ易くなる。特に、中空構造部６３の奥の部位は一層冷め難いため、脱炭層が生成し易くなる。このような脱炭層が生成されると引張残留応力が発生し、回転曲げ負荷による応力振幅がこの中空構造部６３に作用した場合に、ハブ輪の中空構造部６３に亀裂が生じる等、疲労強度が著しく低下する恐れがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、軽量・コンパクト化を図りつつ、ハブ輪の疲れ強さを高め、強度・耐久性の向上を図った車輪用軸受装置を提供することを目的としている。

係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、一端部に車輪を取り付けるための車輪取付フランジを一体に有し、外周に軸方向に延びる小径段部が形成されたハブ輪、およびこのハブ輪の小径段部に圧入され、外周に前記複列の外側転走面に対向する内側転走面が形成された少なくとも一つの内輪からなる内方部材と、この内方部材と前記外方部材の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複列の転動体とを備えた車輪用軸受装置において、前記ハブ輪が熱間鍛造によって、アウター側の端部にすり鉢状の凹所が形成され、この凹所の深さが、前記ハブ輪のアウター側の端面から少なくとも前記車輪取付フランジのインナー側の基部の位置に対応する付近までとされると共に、前記凹所に表面改質で圧縮残留応力が付与されている。

このように、第２または３世代構造の車輪用軸受装置において、ハブ輪が熱間鍛造によって、アウター側の端部にすり鉢状の凹所が形成され、この凹所の深さが、ハブ輪のアウター側の端面から少なくとも車輪取付フランジのインナー側の基部の位置に対応する付近までとされると共に、凹所に表面改質で圧縮残留応力が付与されているので、軽量・コンパクト化を図りつつ、ハブ輪の疲労強度を増大させ、車両の旋回時に回転曲げモーメントが負荷されて繰り返し応力が作用しても、強度・耐久性の向上を図った車輪用軸受装置を提供することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、前記表面改質がショットピーニングによって行われていても良いし、また、請求項３に記載の発明のように、前記表面改質がＷＰＣ処理によって行われていても良い。

また、請求項４に記載の発明のように、前記ハブ輪が、外周に前記複列の外側転走面の一方に対向する内側転走面と、この内側転走面から軸状部と肩部を介して軸方向に延びる小径段部が形成され、前記凹所が、前記車輪取付フランジのインナー側の基部の位置に対応する付近からインナー側に漸次縮径するテーパ状に形成され、その先端部が円弧状に形成されて前記肩部の位置に対応する付近に止められ、当該ハブ輪のアウター側の端部の前記基部部分の肉厚と前記軸状部部分の肉厚が略等しくなるように前記凹所が所望の形状寸法に設定されていれば、軽量・コンパクト化を一層図ることができる。

また、請求項５に記載の発明のように、前記ハブ輪がＣ０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼で形成されると共に、予め調質処理が施され、その表面硬さが３５ＨＲＣ以下に設定されていれば、組織が粒状化し、引張、曲げ、衝撃値等の機械的性質が上昇して延性や靭性が高まると共に、熱処理変形を抑制することができる。

本発明に係る車輪用軸受装置は、内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、一端部に車輪を取り付けるための車輪取付フランジを一体に有し、外周に軸方向に延びる小径段部が形成されたハブ輪、およびこのハブ輪の小径段部に圧入され、外周に前記複列の外側転走面に対向する内側転走面が形成された少なくとも一つの内輪からなる内方部材と、この内方部材と前記外方部材の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複列の転動体とを備えた車輪用軸受装置において、前記ハブ輪が熱間鍛造によって、アウター側の端部にすり鉢状の凹所が形成され、この凹所の深さが、前記ハブ輪のアウター側の端面から少なくとも前記車輪取付フランジのインナー側の基部の位置に対応する付近までとされると共に、前記凹所に表面改質で圧縮残留応力が付与されているので、軽量・コンパクト化を図りつつ、ハブ輪の疲労強度を増大させ、車両の旋回時に回転曲げモーメントが負荷されて繰り返し応力が作用しても、強度・耐久性の向上を図った車輪用軸受装置を提供することができる。

本発明に係る車輪用軸受装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。 本発明に係る車輪用軸受装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。 従来の車輪用軸受装置を示す縦断面図である。

外周にナックルに取り付けられるための車体取付フランジを一体に有し、内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、一端部に車輪を取り付けるための車輪取付フランジを一体に有し、外周に前記複列の外側転走面に対向する一方の内側転走面と、この内側転走面から軸状部を介して軸方向に延びる小径段部が形成されたハブ輪、およびこのハブ輪の小径段部に圧入され、外周に前記複列の外側転走面に対向する他方の内側転走面が形成された内輪からなる内方部材と、この内方部材と前記外方部材の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複列の転動体と、前記外方部材と内方部材との間に形成される環状空間の両端開口部に装着されたシールとを備えた車輪用軸受装置において、前記ハブ輪がＣ０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼から熱間鍛造によって、アウター側の端部にすり鉢状の凹所が形成され、この凹所の深さが、前記ハブ輪のアウター側の端面から少なくとも前記車輪取付フランジのインナー側の基部の位置に対応する付近までとされると共に、予め調質処理が施され、その表面硬さが３５ＨＲＣ以下に設定され、前記凹所にショットピーニングによる表面改質で圧縮残留応力が付与されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る車輪用軸受装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。なお、以下の説明では、車両に組み付けた状態で車両の外側寄りとなる側をアウター側（図１の左側）、中央寄り側をインナー側（図１の右側）という。

この車輪用軸受装置は第３世代と呼称される従動輪用であって、内方部材１と外方部材２、および両部材１、２間に転動自在に収容された複列の転動体（ボール）３、３とを備えている。内方部材１は、ハブ輪４と、このハブ輪４に圧入された内輪５とからなる。

ハブ輪４は、一端部に車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ６を一体に有し、外周に一方（アウター側）の内側転走面４ａと、この内側転走面４ａから軸方向に延びる小径段部４ｂが形成されている。車輪取付フランジ６にはハブボルト６ａが周方向等配に植設されると共に、車輪取付フランジ６のインナー側の基部６ｂが所定の曲率半径からなる円弧面に形成され、後述するアウター側のシール８が摺接するシールランド部を構成している。

内輪５は、外周に他方（インナー側）の内側転走面５ａが形成され、ハブ輪４の小径段部４ｂに所定のシメシロを介して圧入されると共に、この小径段部４ｂの端部を塑性変形させて形成した加締部４ｃによって所定の軸受予圧が付与された状態で、軸方向に固定されている。

ハブ輪４はＳ５３Ｃ等のＣ０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼で形成され、内側転走面４ａをはじめ、車輪取付フランジ６のインナー側の基部６ｂから小径段部４ｂに亙って高周波焼入れによって表面硬さを５８〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。なお、加締部４ｃは鍛造加工後の表面硬さの生のままとされている。これにより、車輪取付フランジ６に負荷される回転曲げ荷重に対して充分な機械的強度を有し、内輪５の嵌合部となる小径段部４ｂの耐クリープ性が向上すると共に、加締加工時に微小なクラック等の発生がなく加締部４ｃの塑性加工をスムーズに行うことができる。なお、内輪５および転動体３はＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼で形成され、ズブ焼入れによって芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。

外方部材２は、外周にナックル（図示せず）に取り付けられるための車体取付フランジ２ｂを一体に有し、内周に内方部材１の内側転走面４ａ、５ａに対向する複列の外側転走面２ａ、２ａが一体に形成されている。これら両転走面間に複列の転動体３、３が収容され、保持器７、７によって転動自在に保持されている。

外方部材２はＳ５３Ｃ等のＣ０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼で形成され、少なくとも複列の外側転走面２ａ、２ａが高周波焼入れによって表面硬さを５８〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。そして、外方部材２と内方部材１との間に形成される環状空間の両側開口部にはシール８、９が装着され、軸受内部に封入されたグリースの外部への漏洩と、外部から雨水やダスト等が軸受内部に侵入するのを防止している。

なお、本実施形態では、転動体３にボールを使用した複列アンギュラ玉軸受で構成された車輪用軸受装置を例示したが、これに限らず、例えば、転動体３に円錐ころを用いた複列円錐ころ軸受で構成されていても良い。

ここで、ハブ輪４のアウター側端部にすり鉢状の凹所１０が熱間鍛造によって形成されている。この凹所１０の深さは、ハブ輪４のアウター側の端面から車輪取付フランジ６のインナー側の基部６ｂの位置に対応する付近までとされている。さらに、本実施形態では、ハブ輪４は、熱間鍛造後に、高周波誘導加熱による４００℃以上の高温焼戻しをして、トルースタイトまたはソルバイト組織にする、所謂調質処理が施されている。この調質処理により組織は粒状化し、引張、曲げ、衝撃値等の機械的性質が上昇して延性や靭性が高まる。ここでは、ハブ輪４の調質処理後の表面硬さが３５ＨＲＣ以下に設定されている。これにより、熱処理変形を抑制することができ、強度、疲れ強さを高めることができる。

そして、ハブ輪４の調質処理後、凹所１０がショットピーニングによる表面改質で圧縮残留応力が形成されている。これにより、表層の脱炭層を除去することができ、軽量・コンパクト化を図りつつ、前述した調質処理と相俟ってハブ輪４の疲労強度を増大させ、車両の旋回時に回転曲げモーメントが負荷されて繰り返し応力が作用しても、強度・耐久性の向上を図った車輪用軸受装置を提供することができる。なお、ショット粒としては数１０μｍ〜０．１ｍｍの範囲の粒径をなす鋼球が用いられるが、これ以外のセラミック等の非鉄系ショットであっても良い。

本出願人がＳ５３Ｃ〜Ｓ５５Ｃからなるテストピースで実施した試験において、ショット粒や投射条件によって多少の違いがあるも、被形成面の表面硬さを５２０ＨＶ以上に設定すれば、極表層に１０００ＭＰａ程度の圧縮残留応力を形成することができることが判った。これにより熱間鍛造後、凹所１０が冷却され難くなって、その表面に引張残留応力が発生したとしても、表面に充分な圧縮残留応力を形成することができ、素材のもつ機械的強度および疲労強度を最大限に高めることができる。

なお、このショットピーニング以外に圧縮残留応力を付与する手段としては、ショットピーニングよりさらにショット粒の粒子径を細かくし、より高速で、例えば、１００ｍ／ｓｅｃ．以上の速度で被形成面に衝突させるＷＰＣ（ｗｉｄｅ ｐｅｅｎｉｎｇ ｃｌｅａｎｉｎｇ）処理を例示することができる。このＷＰＣ処理は、高速でショット粒を被形成面に叩きつけるため、加工部極表層面では、瞬間的に金属の結晶を一度溶かす程の高温になり、その後、急冷されるため、金属結晶は微細化されて圧縮応力が生じることになる。

図２は、本発明に係る車輪用軸受装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。なお、この実施形態は、前述した第１の実施形態（図１）と基本的にはハブ輪の材質と凹所の形状が異なるだけで、その他同一の部位、同一の部品、あるいは同一の機能を有する部品や部位には同じ符号を付けてその詳細な説明を省略する。

この車輪用軸受装置は第３世代と呼称される従動輪用であって、内方部材１１と外方部材２、および両部材１１、２間に転動自在に収容された複列の転動体３、３とを備えている。内方部材１１は、ハブ輪１２と、このハブ輪１２に所定のシメシロを介して圧入された内輪５とからなる。

ハブ輪１２は、一端部に車輪取付フランジ６を一体に有し、外周に一方（アウター側）の内側転走面４ａと、この内側転走面４ａから軸状部１３と肩部４ｄを介して軸方向に延びる小径段部４ｂが形成されている。そして、内輪５がこのハブ輪１２の小径段部４ｂに所定のシメシロを介して圧入され、加締部４ｃによって所定の軸受予圧が付与された状態で、軸方向に固定されている。

ハブ輪１２はＳＵＪ２等のＣ０．９０〜１．３０ｗｔ％を含む軸受鋼で形成され、内側転走面４ａをはじめ、車輪取付フランジ６のインナー側の基部６ｂから小径段部４ｂに亙って高周波焼入れによって表面硬さを５８〜６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。

また、内輪５の外径には車輪の回転速度を検出するための磁気エンコーダ１４が固定されると共に、外方部材２の開口端部を覆うキャップ（図示せず）が装着されている。このキャップとアウター側のシール８によって、軸受内部に封入されたグリースの外部への漏洩と、外部から雨水やダスト等が軸受内部に侵入するのを防止している。

本実施形態では、ハブ輪１２のアウター側の端部にすり鉢状の凹所１５が熱間鍛造によって形成されている。この凹所１５は、車輪取付フランジ６のインナー側の基部６ｂの位置に対応する付近からインナー側に漸次縮径するテーパ状に形成されると共に、その先端部が円弧状に形成され、肩部４ｄの位置に対応する付近に止められている。そして、ハブ輪１２のアウター側の端部、すなわち、基部６ｂ部分の肉厚Ｌ０と軸状部１３部分の肉厚Ｌ１が略等しくなるように凹所１５が所望の形状寸法に設定されている。

そして、ハブ輪１２の熱処理後、凹所１５がショットピーニングによる表面改質で圧縮残留応力が形成されている。これにより、表層の脱炭層を除去することができ、軽量・コンパクト化を一層図りつつ、ハブ輪１２の疲労強度を増大させ、強度・耐久性の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る車輪用軸受装置は、ハブ輪が熱間鍛造によって形成され、その端部に軽量化のための凹所が形成された従動輪側の車輪用軸受装置に適用することができる。

１、１１ 内方部材
２ 外方部材
２ａ 外側転走面
２ｂ 車体取付フランジ
３ 転動体
４、１２ ハブ輪
４ａ、５ａ 内側転走面
４ｂ 小径段部
４ｃ 加締部
４ｄ 肩部
５ 内輪
６ 車輪取付フランジ
６ａ ハブボルト
６ｂ 車輪取付フランジのインナー側の基部
７ 保持器
８ アウター側のシール
９ インナー側のシール
１０、１５ 凹所
１３ 軸状部
１４ 磁気エンコーダ
５１ 内方部材
５２ 外方部材
５２ａ 外側転走面
５２ｂ 車体取付フランジ
５３ ボール
５４ ハブ輪
５４ａ、５５ａ 内側転走面
５４ｂ 小径段部
５５ 内輪
５５ｂ 面取り部
５６ 車輪取付フランジ
５７ 軸状部
５８ 加締部
５９ 保持器
６０ シール
６１ カバー
６２ 中実構造部
６２ａ、６２ｂ 中実構造部の端面
６３ 中空構造部
Ａ 嵌合面
Ｌ０ 基部部分の最小肉厚
Ｌ１ 軸状部の最小肉厚

Claims (5)

1. 内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、
   一端部に車輪を取り付けるための車輪取付フランジを一体に有し、外周に軸方向に延びる小径段部が形成されたハブ輪、およびこのハブ輪の小径段部に圧入され、外周に前記複列の外側転走面に対向する内側転走面が形成された少なくとも一つの内輪からなる内方部材と、
   この内方部材と前記外方部材の両転走面間に保持器を介して転動自在に収容された複列の転動体とを備えた車輪用軸受装置において、
   前記ハブ輪が熱間鍛造によって、アウター側の端部にすり鉢状の凹所が形成され、この凹所の深さが、前記ハブ輪のアウター側の端面から少なくとも前記車輪取付フランジのインナー側の基部の位置に対応する付近までとされると共に、前記凹所に表面改質で圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする車輪用軸受装置。
2. 前記ハブ輪が、外周に前記複列の外側転走面の一方に対向する内側転走面と、この内側転走面から軸状部と肩部を介して軸方向に延びる小径段部が形成され、前記凹所が、前記車輪取付フランジのインナー側の基部の位置に対応する付近からインナー側に漸次縮径するテーパ状に形成され、その先端部が円弧状に形成されて前記肩部の位置に対応する付近に止められ、当該ハブ輪のアウター側の端部の前記基部部分の肉厚と前記軸状部部分の肉厚が略等しくなるように前記凹所が所望の形状寸法に設定されている請求項１に記載の車輪用軸受装置。
3. 前記ハブ輪がＣ０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼で形成されると共に、予め調質処理が施され、その表面硬さが３５ＨＲＣ以下に設定されている請求項１または２に記載の車輪用軸受装置。
4. 前記表面改質がショットピーニングによって行われている請求項１に記載の車輪用軸受装置。
5. 前記表面改質がＷＰＣ処理によって行われている請求項１に記載の車輪用軸受装置。

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