JP3917992B2 - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支承する車輪用軸受装置、特に、ハブ輪に加締固定される内輪の耐久性向上を図った車輪用軸受装置に関するものである。

自動車等の車両の車輪用軸受装置には、駆動輪用のものと従動輪用のものとがある。特に、自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支承する車輪用軸受装置は、低コスト化は言うまでもなく、燃費向上のための軽量・コンパクト化が進んでいる。その従来構造の代表的な一例として、図６に示すような従動輪用の車輪用軸受装置が知られている。

この車輪用軸受装置は第３世代と称され、ハブ輪５１と内輪５２と外輪５３、および複列の転動体５４、５４とを備えている。ハブ輪５１は、その一端部に車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ５５を一体に有し、外周に内側転走面５１ａと、この内側転走面５１ａから軸方向に延びる小径段部５１ｂが形成されている。また、車輪取付フランジ５５の円周等配位置には車輪を固定するためのハブボルト５６が植設されている。

ハブ輪５１の小径段部５１ｂには、外周に内側転走面５２ａが形成された内輪５２が圧入されている。そして、ハブ輪５１の小径段部５１ｂの端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部５１ｃにより、ハブ輪５１に対して内輪５２が軸方向へ抜けるのを防止している。

外輪５３は、外周に車体取付フランジ５３ｂを一体に有し、内周に複列の外側転走面５３ａ、５３ａが形成されている。この複列の外側転走面５３ａ、５３ａと対向する内側転走面５１ａ、５２ａの間には複列の転動体５４、５４が転動自在に収容されている。

ハブ輪５１は、炭素の含有量が０．４０〜０．８０重量％である炭素鋼製の素材に鍛造を施すことにより一体に形成され、斜格子で示した部分、すなわち、車輪取付フランジ５５の基部から内側転走面５１ａ、および小径段部５１ｂに亙って高周波焼入れ等によって表面が硬化処理されている。なお、加締部５１ｃは、鍛造後の素材表面硬さの生のままとしている。一方、内輪５２は、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼のような高炭素鋼製とし、芯部まで焼入れ硬化されている。

これにより、低コストで充分な耐久性を有する車輪用軸受装置が実現でき、加締部５１ｃに亀裂等の損傷が発生することを防止すると共に、この加締部５１ｃによりハブ輪５１に固定される内輪５２の直径が実用上問題になる程度変化するのを防止できる。そして、この内輪５２がその固定作業に伴って損傷する可能性を低くすると共に、予圧を適正値に維持でき、しかも部品点数、部品加工、組立工数の削減によってコスト低減が図れる。
特開平１１−１２９７０３号公報

このような従来の車輪用軸受装置では、加締作業に伴って予圧や転がり疲労寿命等の耐久性に影響を及ぼす程、内輪５２の内径を大きく変形させるような力が作用するのを防止することができる。然しながら、小径段部５１ｂの端部を径方向外方に塑性変形させて加締部５１ｃを形成する場合、小径段部５１ｃのうち加締部５１ｃの近傍も径方向に塑性変形するため、この塑性変形に伴って内輪５２の内径は押し広げられることになり、内輪５２の外径５７にフープ応力が発生するのは否めない。

このフープ応力を下げるための手段として、ハブ輪５１の小径段部５１ｂの端部形状を種々変更し、揺動加締時の塑性変形量を抑えることも提案されているが、車輪用軸受装置に大きなモーメント荷重等が負荷された時においても内輪５２を強固に固定するだけの強度が加締部５１ｃに要求されるため、これら塑性変形量を抑え、かつ加締部の強度を確保すると言った相反する課題が生じている。

内輪５２の外径５７にフープ応力が発生すると、この部位に腐食が発生した場合、環境下に存在する拡散性水素が内輪５２の組織内に侵入して金属粒界が破壊する、所謂「遅れ破壊」が発生し易くなって好ましくない。

従来、このフープ応力自体を計測する方法として、例えば、フープ応力が最大となる内輪５２の外径５７にＸ線を照射したり、歪みゲージを貼付することも可能であるが、いずれも量産工程を考慮した場合、作業が煩雑で非効率である。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたもので、加締工程において内輪に発生するフープ応力が一定値以下に規制され、内輪の耐久性と信頼性を向上させた車輪用軸受装置を提供することを目的とする。

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形成された外方部材と、一端部に車輪取付フランジを一体に有し、この車輪取付フランジから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た内輪とからなり、外周に前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、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、前記小径段部の端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部により前記内輪が軸方向に固定された車輪用軸受装置において、前記塑性変形前後の前記内輪の外径が測定され、この内輪外径の膨張量を以って、予め求められた関係に基き当該内輪に発生するフープ応力が管理され、このフープ応力が所定値以下に規制されていると共に、前記ハブ輪が、炭素０．４０〜０．８０重量％を含む中炭素鋼からなり、前記内側転走面から前記小径段部に亙り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、前記加締部が鍛造後の素材表面硬さ２５ＨＲＣ以下の未焼入れ部とされると共に、前記内輪が高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されている構成を採用した。

このように、ハブ輪の小径段部に内輪が圧入され、小径段部の端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部により、ハブ輪に対して内輪を軸方向に固定した、所謂セルフリテイン構造の車輪用軸受装置において、塑性変形前後の内輪の外径が測定され、この内輪外径の膨張量を以って、予め求められた関係に基き当該内輪に発生するフープ応力が管理され、このフープ応力が所定値以下に規制されているので、ハブ輪に加締固定される内輪のフープ応力を極めて容易に、かつ正確に管理することができると共に、内輪の割れあるいは遅れ破壊の発生を防止することができ、内輪の耐久性と信頼性を向上させた車輪用軸受装置を提供することができる。また、前記ハブ輪が、炭素０．４０〜０．８０重量％を含む中炭素鋼からなり、前記内側転走面から前記小径段部に亙り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、前記加締部が鍛造後の素材表面硬さ２５ＨＲＣ以下の未焼入れ部とされると共に、前記内輪が高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されているので、加締加工によって発生する内輪のフープ応力を所定値、例えば、２５０ＭＰａ以下に容易に、かつ正確に抑えることができる。

また、請求項２に記載の発明は、前記加締前の小径段部の端部に、その外周のうち前記内輪のインボード側に相当する部位に環状の凹所が形成されているので、加締工程によって内輪の外径部、特に、インボード側の段付部の変形を抑制することができ、加締部の強度を高め、かつ内輪に発生するフープ応力を軽減させることができる。

好ましくは、請求項３に記載の発明のように、前記塑性変形による前記内輪外径の膨張量と前記内輪に発生するフープ応力との関係が所定の一次関数からなる比例関係に設定されていれば、内輪に発生するフープ応力自体を容易に、かつ正確に計測することができる。

また、請求項４に記載の発明は、前記内輪外径のインボード側に小径の段付部が形成されているので、シールが装着されなく腐食環境下に曝されるこの段付部の膨張量を管理し、フープ応力を所定値以下に規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形成された外方部材と、一端部に車輪取付フランジを一体に有し、この車輪取付フランジから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た内輪とからなり、外周に前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、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、前記小径段部の端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部により前記内輪が軸方向に固定された車輪用軸受装置において、前記塑性変形前後の前記内輪の外径が測定され、この膨張量を以って、予め求められた関係に基き当該内輪に発生するフープ応力が管理され、このフープ応力が所定値以下に規制されていると共に、前記ハブ輪が、炭素０．４０〜０．８０重量％を含む中炭素鋼からなり、前記内側転走面から前記小径段部に亙り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、前記加締部が鍛造後の素材表面硬さ２５ＨＲＣ以下の未焼入れ部とされると共に、前記内輪が高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されているので、ハブ輪に加締固定される内輪のフープ応力を極めて容易に、かつ正確に管理することができると共に、内輪の割れあるいは遅れ破壊の発生を防止することができ、内輪の耐久性と信頼性を向上させた車輪用軸受装置を提供することができる。

外周に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形成された外方部材と、一端部に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と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、前記小径段部の端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部により前記内輪が軸方向に固定された車輪用軸受装置において、前記塑性変形前後の前記内輪の外径が測定され、この内輪外径の膨張量を以って、予め設定された所定の一次関数からなる比例関係に基き当該内輪に発生するフープ応力が管理され、このフープ応力が所定値以下に規制されていると共に、前記ハブ輪が、炭素０．４０〜０．８０重量％を含む中炭素鋼からなり、前記内側転走面から前記小径段部に亙り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、前記加締部が鍛造後の素材表面硬さ２５ＨＲＣ以下の未焼入れ部とされると共に、前記内輪が高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されている。

以下、本発明の実施の形態を図面に基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一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トボード側（図面左側）、中央寄り側をインボード側（図面右側）という。

この車輪用軸受装置は駆動輪側の第３世代と称され、内方部材１と外方部材１０、および両部材１、１０間に転動自在に収容された複列の転動体（ボール）６、６とを備えている。内方部材１は、ハブ輪２と、このハブ輪２に所定のシメシロを介して圧入された内輪３とからなる。

ハブ輪２は、アウトボード側の端部に車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ４を一体に有し、この車輪取付フランジ４の円周等配位置に車輪を固定するためのハブボルト５が植設されている。また、ハブ輪２の外周には内側転走面２ａと、この内側転走面２ａから軸方向に延びる円筒状の小径段部２ｂが形成されている。そして、外周に内側転走面３ａが形成された内輪３がこの小径段部２ｂに圧入され、さらに、小径段部２ｂの端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部２ｃにより、ハブ輪２に対して内輪３が軸方向へ抜けるのを防止している。

外方部材１０は、外周に車体（図示せず）に取り付けるための車体取付フランジ１０ｂを一体に有し、内周には複列の外側転走面１０ａ、１０ａが形成されている。そして、それぞれの転走面１０ａ、２ａと１０ａ、３ａ間に複列の転動体６、６が収容され、保持器７、７によりこれら複列の転動体６、６が転動自在に保持されている。また、外方部材１０の端部にはシール８、９が装着され、軸受内部に封入された潤滑グリースの漏洩と、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。

ここでは、ハブ輪２の外周に直接内側転走面２ａが形成された第３世代と呼称される車輪用軸受装置を例示したが、本発明に係る車輪用軸受装置はこうした構造に限定されず、例えば、ハブ輪の小径段部に一対の内輪を圧入した、第１世代あるいは第２世代構造であっても良い。なお、転動体６、６をボールとした複列アンギュラ玉軸受を例示したが、これに限らず転動体に円すいころを使用した複列円すいころ軸受であっても良い。

ハブ輪２は、Ｓ５３Ｃ等の炭素０．４０〜０．８０重量％を含む中炭素鋼で形成され、アウトボード側の内側転走面２ａをはじめ、シール８が摺接するシールランド部、および小径段部２ｂに亙り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２ｃは、鍛造後の素材表面硬さ２５ＨＲＣ以下の未焼入れ部としている。一方、内輪３は、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されている。

また、外方部材１０は、ハブ輪２と同様、Ｓ５３Ｃ等の炭素０．４０〜０．８０重量％を含む中炭素鋼で形成され、複列の外側転走面１０ａ、１０ａ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。

本出願人は、内輪３の外径部１１におけるフープ応力σの発生要因を分析すると共に、加締工程によって発生するフープ応力σと内輪３における外径部１１の径方向膨張量δとの関係に着目し調査した結果、加締によりフープ応力σが大きくなると外径部１１の膨張量δも大きくなることが判明した。そして、その両者の関係が図２に示すような略直線の比例関係にあることが判った。したがって、内輪３における外径部１１の径方向膨張量δを管理することにより、内輪３に発生するフープ応力σを所定値以下に規制できることを検証した。一方、フープ応力は、内輪３が外部環境に曝露状態で使用される場合は、２５０ＭＰａ以下に管理する必要がある。

この図からも判るように、加締加工によって発生する内輪３の外径部１１におけるフープ応力σを、例えば、２５０ＭＰａ以下に規制するためには、内輪３の外径部１１の径方向膨張量δを７５μｍ以下になるように管理すれば良いことが解る。すなわち、７５μｍ以下はＯＫ判定、７５μｍを超える製品はＮＧ判定となる。こうした方法を採用することにより、ハブ輪２に加締固定される内輪３のフープ応力σを極めて容易に、かつ正確に管理することができ、内輪３のフープ応力σを所定値以下に規制することができる。したがって、内輪３の割れあるいは遅れ破壊の発生を防止することができ、ハブ輪２に加締固定される内輪３の耐久性と信頼性を向上させた車輪用軸受装置を提供することができる。

なお、ここではフープ応力σの規制値を２５０ＭＰａとしたが、これは内輪３が外部環境に曝露状態にある場合であって、例えば、図示しないが、従動輪側の車輪用軸受装置のように、内輪がエンドキャップ等で密封されている場合は、規制値を３００ＭＰａとしても良い。

内輪３のフープ応力σは外径部１１が最も大きくなるため、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、内輪３の外径部１１のうちシール９が嵌合される嵌合部１１ａからインボード側に小径の段付部１１ｂが形成されている。これにより、少なくとも腐食環境下に曝されるこの段付部１１ｂの膨張量δを管理することにより、内輪３のフープ応力σを所定値以下に規制することができる。なお、ここでは、外径部１１に段付部１１ｂが形成された内輪３を例示したが、これに限らず、段付部１１ｂを形成しない構造であっても良い。

図２において内輪３の段付部１１ｂの膨張量δは、図３（ａ）に示すように、内輪３単体の段付部１１ｂを測定後、（ｂ）に示すように、加締加工後の内輪３の段付部１１ｂを測定し、その外径差を以って膨張量δとしている。なお、図４に示すように、加締加工前後の段付部１１ｂの変化量を膨張量δとしても良い。ここで、段付部１１ｂにおける膨張量δの測定位置は、測定データの信頼性を高めるために、図５に示すように、予め大端面３ｂから所定距離ｅからなる測定点Ｐを設定しておくことが望ましい。

また、内輪３における外径部１１の膨張量δは、インボード側に向うほど大きくなることが判ったため、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、加締前の小径段部２ｂの端部１２には、その外周のうち内輪３のインボード側に相当する部位に環状の凹所１３が形成されている。これにより、加締工程によって内輪３の外径部１１、特に、インボード側の段付部１１ｂの変形を抑制することができ、加締部２ｃの強度を高め、かつ内輪３に発生するフープ応力σを軽減させることができる。なお、ここでは、加締部２ｃの強度は、例えば、軸力が２０ｋＮ以上発生する内輪３の押し込み量で規定されている。

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、ハブ輪の小径段部に内輪を圧入し、小径段部の端部を塑性変形させて形成した加締部によって内輪を固定した第１世代乃至第３世代のセルフリテイン構造の車輪用軸受装置に適用できる。

本発明に係る車輪用軸受装置の一実施形態を示す縦断面図である。 加締工程によって発生する内輪のフープ応力と内輪における外径部の径方向膨張量との関係を示すグラフである。 内輪外径の膨張量の測定要領を示す説明図で、（ａ）は内輪単体での外径の測定を示し、（ｂ）は加締後の内輪外径の測定を示している。 内輪外径の膨張量の他の測定要領を示す説明図で、（ａ）は加締前の内輪外径の測定を示し、（ｂ）は加締後の内輪外径の測定を示している。 内輪外径の膨張量を測定するための測定位置を示す説明図である。 従来の車輪用軸受装置を示す縦断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・内方部材
２・・・・・・・・・ハブ輪
２ａ、３ａ・・・・・内側転走面
２ｂ・・・・・・・・小径段部
２ｃ・・・・・・・・加締部
３・・・・・・・・・内輪
３ｂ・・・・・・・・大端面
４・・・・・・・・・車輪取付フランジ
５・・・・・・・・・ハブボルト
６・・・・・・・・・転動体
７・・・・・・・・・保持器
８、９・・・・・・・シール
１０・・・・・・・・外方部材
１０ａ・・・・・・・外側転走面
１０ｂ・・・・・・・車体取付フランジ
１１・・・・・・・・外径部
１１ａ・・・・・・・嵌合部
１１ｂ・・・・・・・段付部
１２・・・・・・・・端部
１３・・・・・・・・凹所
５１・・・・・・・・ハブ輪
５１ａ、５２ａ・・・内側転走面
５１ｂ・・・・・・・小径段部
５１ｃ・・・・・・・加締部
５１ｄ・・・・・・・段部
５２・・・・・・・・内輪
５３・・・・・・・・外輪
５３ａ・・・・・・・外側転走面
５３ｂ・・・・・・・車体取付フランジ
５４・・・・・・・・転動体
５５・・・・・・・・車輪取付フランジ
５６・・・・・・・・ハブボルト
５７・・・・・・・・外径
ｅ・・・・・・・・・内輪大端面からの距離
Ｐ・・・・・・・・・測定点
δ・・・・・・・・・膨張量
σ・・・・・・・・・フープ応力

Claims (4)

1. 内周に複列の外側転走面が形成された外方部材と、
   一端部に車輪取付フランジを一体に有し、この車輪取付フランジから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た内輪とからなり、外周に前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、
   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、
   前記小径段部の端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部により前記内輪が軸方向に固定された車輪用軸受装置において、
   前記塑性変形前後の前記内輪の外径が測定され、この内輪外径の膨張量を以って、予め求められた関係に基き当該内輪に発生するフープ応力が管理され、このフープ応力が所定値以下に規制されていると共に、
   前記ハブ輪が、炭素０．４０〜０．８０重量％を含む中炭素鋼からなり、前記内側転走面から前記小径段部に亙り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、前記加締部が鍛造後の素材表面硬さ２５ＨＲＣ以下の未焼入れ部とされると共に、前記内輪が高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されていることを特徴とする車輪用軸受装置。
2. 内周に複列の外側転走面が形成された外方部材と、
   一端部に車輪取付フランジを一体に有し、この車輪取付フランジから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た内輪とからなり、外周に前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、
   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、
   前記小径段部の端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部により前記内輪が軸方向に固定された車輪用軸受装置において、
   前記塑性変形前後の前記内輪の外径が測定され、この内輪外径の膨張量を以って、予め求められた関係に基き当該内輪に発生するフープ応力が管理され、このフープ応力が所定値以下に規制されていると共に、
   前記加締前の小径段部の端部に、その外周のうち前記内輪のインボード側に相当する部位に環状の凹所が形成されていることを特徴とする車輪用軸受装置。
3. 前記塑性変形による前記内輪外径の膨張量と前記内輪に発生するフープ応力との関係が所定の一次関数からなる比例関係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. 前記内輪外径のインボード側に小径の段付部が形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の車輪用軸受装置。

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