JP4425652B2 - 車輪軸受装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は車輪軸受装置及びその製造方法に関し、詳しくは、自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持する車輪軸受装置及びその製造方法に関する。

自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持する車輪軸受装置は、例えば、ハブ輪、内輪、複列の転動体、外輪を主要な構成要素としている。

前述のハブ輪は、その外周面にアウトボード側の軌道面が形成されると共に、車輪を取り付けるためのフランジを備えている。このフランジの円周方向等間隔に、ホイールを固定するためのハブボルトが植設されている。また、ハブ輪のインボード側に形成された小径段部に内輪を嵌合させ、この内輪の外周面にインボード側の軌道面が形成されている。内輪は、クリープを防ぐために適当な締め代をもって圧入されている。車両のアウトボード側に位置する軌道面とインボード側に位置する軌道面とで複列の軌道面を構成する。

外輪は、内周面にハブ輪および内輪の軌道面と対向する複列の軌道面が形成され、車体に取り付けるためのフランジを備えている。ハブ輪および内輪の軌道面と外輪の複列の軌道面との間に複列の転動体が組み込まれている。車輪軸受の両端開口部、つまり、ハブ輪および内輪の外周面と外輪の内周面との間にはシールが装着され、内部に充填されたグリースの漏洩ならびに外部からの水や異物の侵入を防止するようになっている。

前述した外輪は、転動疲労寿命を確保するため、外輪の軌道面を高周波焼入れにより硬化させている。従来の車輪軸受装置では、鍛造により製作された外輪を、その外側形状が最終形状となるように旋削加工により仕上げ、その後、最終仕上げ形状の外輪を高周波焼入れ焼戻しすることにより、その軌道面に硬化層を形成する。なお、外輪は、前述の高周波焼入れ後にその軌道面の研磨加工が施される。

ところで、従来の車輪軸受装置では、前述したように転動疲労寿命を確保するため、外輪の軌道面を高周波焼入れにより硬化させている。この高周波焼入れにより硬化処理された外輪では、その焼入れ部で圧縮応力、生部で引張り応力がそれぞれ作用している。この場合、前述の外輪の軌道面近傍の肉厚、つまり、軌道面溝底部から外径部までの肉厚が薄く、焼入れ部の割合が大きいと、焼入れ部における圧縮応力が生部での引張り応力よりも大きくなり、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生する。

そのため、従来では、外輪における軌道面の溝底部から外径部までの肉厚を４ｍｍ以上としていた。ところが、近年、自動車の燃費向上、室内の拡大により、自動車部品である車輪軸受装置は、車両の周辺部品よりそのサイズの制約を受け、よりコンパクト化が要求されてきている。この場合、外輪の肉厚を薄くすると、生部での焼割れを防止するため、高周波焼入れによる焼入れ深さを浅くする必要があるが、その焼入れ深さを浅くすると、車輪軸受装置の転動疲労寿命や強度が低下するという問題が生じるという一種のジレンマがあった。また、焼割れを防止するために外輪の肉厚を増加させると、複列の転動体のＰＣＤピッチ円径が小さくなり、転動疲労寿命や強度の低下が懸念されるという問題が発生する。

そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、転動疲労寿命などを保ちながら高周波焼入れによる外輪の焼割れを未然に防止すると共に、最終製品の軽量コンパクト化を実現容易にし得る車輪軸受装置を提供することにある。

前記目的を達成するための技術的手段として、本発明に係る車輪軸受装置は、車体に取り付ける車体取付フランジを有し、内周に複列の軌道面が形成された外方部材と、車輪を取り付ける車輪取付フランジを有し、前記外方部材の軌道面と対向する軌道面が外周に形成された内方部材と、前記外方部材と内方部材のそれぞれの軌道面間に介装された複列の転動体とを備え、前記外方部材の軌道面を高周波焼入れにより硬化させて前記軌道面に硬化層を形成した車輪軸受装置において、前記外方部材のインボード側の軌道面溝底部における肉厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下とし、前記軌道面溝底部における有効硬化層深さと肉厚の比を０．４９以上０．６６以下としたことを特徴とする。

ここで、前述の「外方部材の軌道面溝底部における有効硬化層深さ」とは、高周波焼入れによりＨＲＣ５０以上となった部分の深さを意味し、また、「外方部材の軌道面溝底部における肉厚」とは、外方部材の軌道面溝底部から外径部までの径方向寸法を意味する。

本発明に係る車輪軸受装置では、外方部材のインボード側の軌道面溝底部における有効硬化層深さと肉厚の比を０．４９以上としたことにより、外方部材の最終的な製品形状、つまり、軌道面溝底部から外径部までの肉厚が薄い場合、高周波焼入れによる焼入れ深さを浅くしなくても、焼入れ部における圧縮応力と生部での引張り応力の応力差により、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生することはない。その結果、外方部材における軌道面溝底部から外径部までの肉厚を増加させる必要がなくなる。ここで、前述の有効硬化層深さと肉厚の比が０．４９より小さいと、外方部材の軌道面における硬化層の深さが浅くなることから、車輪軸受装置の転動疲労寿命や強度が低下するおそれがある。

本発明では、外方部材のインボード側の軌道面溝底部における有効硬化層深さと肉厚の比を０．６６以下とする。このように有効硬化層深さと肉厚の比を０．６６以下としたことにより、外方部材の軌道面における硬化層が深くなっても、焼入れ部における圧縮応力と生部での引張り応力の応力差により、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生するはない。ここで、有効硬化層深さと肉厚の比が０．６６よりも大きいと、焼入れ部での圧縮応力が生部での引張り応力よりも大きくなりすぎることから、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生するおそれが生じる。

また、本発明では、前述の構成において、外方部材のインボード側の軌道面溝底部における肉厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下とする。外方部材の軌道面溝底部における有効硬化層深さと肉厚の比を前述の所定値に設定することにより、外方部材の軌道面溝底部の薄肉化が容易となり、その肉厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下とすることが可能である。ここで、外方部材の軌道面溝底部における肉厚が３ｍｍより小さいと、外方部材の肉厚が小さくなり過ぎて車輪軸受装置の強度が低下するおそれがあり、逆に、外方部材の軌道面溝底部における肉厚が４ｍｍより大きいと、外方部材の肉厚が大きくなり過ぎて重量の増加を招来するおそれがある。

本発明に係る車輪軸受装置の製造方法は、車体に取り付ける車体取付フランジを有し、内周に複列の軌道面が形成された外方部材と、車輪を取り付ける車輪取付フランジを有し、前記外方部材の軌道面と対向する軌道面が外周に形成された内方部材と、前記外方部材と内方部材のそれぞれの軌道面間に介装された複列の転動体とを備え、前記外方部材の軌道面を高周波焼入れにより硬化させた車輪軸受装置の製造方法において、インボード側の前記軌道面の溝底部が厚肉状態にある外方部材を高周波焼入れした後に外方部材の外径部を機械加工して前記軌道面溝底部の肉厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下とした最終形状に仕上げて前記軌道面の溝底部を薄肉状態にすることを特徴とする。

ここで、前述の「軌道面の溝底部が厚肉状態にある」とは、外方部材を最終形状に仕上げる前で、その外方部材の外側形状、つまり、軌道面の溝底部における径方向寸法が厚肉になっている状態を意味する。また、「軌道面の溝底部を薄肉状態にする」とは、外方部材の外側形状を最終形状に仕上げて軌道面の溝底部における径方向寸法を薄肉になっている状態を意味する。

本発明方法では、まず、厚肉状態にある外方部材を高周波焼入れすることから、その高周波焼入れ時の肉厚が大きいため、この時点で、焼入れ部における圧縮応力と生部での引張り応力の応力差により、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生することはない。そして、この高周波焼入れ後、外方部材を最終形状に仕上げて薄肉状態とする。これにより、高周波焼入れによる割れを未然に防止すると共に外方部材の薄肉化が容易となる。

本発明によれば、外方部材のインボード側の軌道面溝底部における肉厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下とし、前記軌道面溝底部における有効硬化層深さと肉厚の比を０．４９以上０．６６以下としたことにより、外方部材の最終的な製品形状、つまり、軌道面溝底部から外径部までの肉厚が薄い場合、高周波焼入れによる焼入れ深さを浅くしなくても、焼入れ部における圧縮応力と生部での引張り応力の応力差により、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生することがないので、車輪軸受装置の転動疲労寿命や強度の向上を図ることができる。また、外方部材における軌道面溝底部から外径部までの肉厚を増加させる必要がなくなるので、車輪軸受装置の軽量化が容易となる。

本発明に係る車輪軸受装置の実施形態を以下に詳述する。

図１に示す実施形態の車輪軸受装置は、内方部材であるハブ輪１と内輪２、複列の転動体３、外方部材である外輪４を主要な構成要素としている。

ハブ輪１は、その外周面にアウトボード側の軌道面５が形成されると共に、車輪（図示せず）を取り付けるためのフランジ６を備えている。このフランジ６の円周方向等間隔に、ホイールを固定するためのハブボルト７が植設されている。また、ハブ輪１のインボード側に形成された小径段部８に内輪２を嵌合させ、この内輪２の外周面にインボード側の軌道面９が形成されている。内輪２は、クリープを防ぐために適当な締め代をもって圧入されている。車両のアウトボード側に位置する軌道面５とインボード側に位置する軌道面９とで複列の軌道面を構成する。

ここで、アウトボード側とは、車輪軸受装置を車体に取り付けた状態で、車体の外部になる側をいい、図１では左側をいう。また、インボード側とは、車体の内部になる側をいい、図１では右側をいう。

外輪４は、内周面にハブ輪１および内輪２の軌道面５，９と対向する複列の軌道面１０，１１が形成され、車体に取り付けるためのフランジ１２を備えている。ハブ輪１および内輪２の軌道面５，９と外輪４の複列の軌道面１０，１１との間に複列の転動体３が組み込まれている。車輪軸受の両端開口部、つまり、ハブ輪１および内輪２の外周面と外輪４の内周面との間にはシール１３，１４が装着され、内部に充填されたグリースの漏洩ならびに外部からの水や異物の侵入を防止するようになっている。

図１に示す車輪軸受装置は従動輪用のものであるが、ハブ輪１の小径段部８に圧入された内輪２が脱落することを防止するため、ハブ輪１の小径段部８から延び、内輪２より突出した端部に形成された円筒部を直径方向外側に加締め、これにより形成された加締め部１５でもってハブ輪１に内輪２を固定している。このハブ輪１の円筒部を加締めることにより軸受すきまを所定値に設定するようにしている。

なお、この実施形態は、従動輪用に適用したものであるが、駆動輪用にも適用可能であり、図示しないが、車輪軸受装置が駆動輪用の場合、例えば、ハブ輪の軸中心に形成された貫通孔に等速自在継手の継手外輪のステム軸をセレーション嵌合させ、そのステム軸の軸端部に形成された雄ねじ部にナットを螺合させてハブ輪に締め付け固定する。この車輪軸受装置では、前述の継手外輪の肩部を、ハブ輪の小径段部に圧入された内輪と突き合わせることにより、前述のナットによる締め付け力でもって軸力を作用させ、軸受すきまを所定値に設定するようにしている。

図１の車輪軸受装置における外輪４の軌道面１０，１１に高周波焼入れにより硬化された硬化層１６，１７が形成されている。ハブ輪１のシール１３のシール面からアウトボード側の軌道面５および小径段部８に至り高周波焼入れにより硬化層１８が形成されている。内輪２は軸受鋼でいわゆるズブ焼されている。この硬化層１６，１７，１８等の形成により、車輪軸受装置の転動疲労寿命や強度の向上を図るようにしている。この車輪軸受装置では、外輪４の軌道面１１の溝底部における有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔを０．４９以上とする。特に、有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔを前述のように規定するのは、フランジ１２に車体に取り付けるためのナックル（図示せず）が取り付けられる関係で肉厚が小さくなっているインボード側の軌道面１１が形成された部分である。

以上のように外輪４の軌道面１１の溝底部における有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔを０．４９以上としたことにより、外輪４の最終的な製品形状、つまり、軌道面１１の溝底部から外径部までの肉厚Ｔが薄い場合でも、高周波焼入れによる焼入れ深さを浅くしなくても、焼入れ部における圧縮応力と生部での引張り応力の応力差による、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生することはない。その結果、外輪４における軌道面１１の溝底部から外径部までの肉厚Ｔを増加させる必要がなくなる。

ここで、前述の有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔが０．４９より小さいと、外輪４の軌道面１１における硬化層１７の深さが浅くなることから、車輪軸受装置の転動疲労寿命や強度が低下するおそれがある。

また、有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔを０．６６以下とする。このように有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔを０．６６以下とすれば、外輪４の軌道面１１における硬化層１７の深さが深くなっても、焼入れ部における圧縮応力と生部での引張り応力の応力差により、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生するはない。

ここで、有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔが０．６６よりも大きいと、焼入れ部での圧縮応力が生部での引張り応力よりも大きくなりすぎることから、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生するおそれが生じる。

さらに、外輪４の軌道面１１の溝底部における肉厚Ｔを３ｍｍ以上４ｍｍ以下とする。外輪４の軌道面１１の溝底部における有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔを前述の所定値に設定することにより、外輪４の軌道面１１の溝底部の薄肉化が容易となり、その肉厚Ｔを３ｍｍ以上４ｍｍ以下とすることが可能である。

ここで、外輪４の軌道面１１の溝底部における肉厚Ｔが３ｍｍより小さいと、外輪４の肉厚Ｔが小さくなり過ぎて車輪軸受装置の強度が低下するおそれがあり、逆に、外輪４の軌道面１１の溝底部における肉厚Ｔが４ｍｍより大きいと、外輪４の肉厚Ｔが大きくなり過ぎて重量の増加を招来するおそれがある。

以上のようにして外輪４は、転動疲労寿命を確保するため、外輪４の軌道面１１を高周波焼入れにより硬化させている。なお、従来の車輪軸受装置では、前述したように鍛造により製作された外輪４を、その外側形状が最終形状となるように旋削加工により仕上げ、その後、最終仕上げ形状の外輪４を高周波焼入れ焼戻しすることにより、その軌道面１１に硬化層１７を形成していた。

これに対して、この実施形態における車輪軸受装置では、以下の手順でもって外輪４の軌道面１１を高周波焼入れにより硬化させている。つまり、鍛造により製作された外輪４を、その外側形状が厚肉状態（肉厚Ｔ＋ΔＴ）となるように旋削加工により成形する（図２参照）。この厚肉状態にある外輪４を高周波焼入れ焼戻しすることにより、その軌道面１０，１１に硬化層１６，１７を形成する。その後、軌道面１０，１１に硬化層１６，１７が形成された外輪４を、その外側形状が最終形状となるように旋削加工により成形することで薄肉状態（肉厚Ｔ）に仕上げる（図３参照）。なお、外輪４は、前述の最終仕上げ後にその軌道面１０，１１の研磨加工が施される。

以上のように厚肉状態にある外輪４を高周波焼入れすることから、その高周波焼入れ時の肉厚Ｔ＋ΔＴが大きいため、この時点で、焼入れ部における圧縮応力と生部での引張り応力の応力差により、焼入れ部との境界部分で生部に割れが発生することはない。そして、この高周波焼入れ後、外輪４を最終形状に仕上げて薄肉状態とする。これにより、高周波焼入れによる割れを未然に防止すると共に外輪４の薄肉化が容易となる。

なお、前述の実施形態では、ハブ輪４の小径段部８に内輪２を圧入し、ハブ輪１の外径に一方の軌道面５を形成し、内輪２の外径に他方の軌道面６を形成した三世代の車輪軸受装置について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、ハブ輪の小径段部に二つの内輪を突き合わせて圧入し、それぞれの内輪の外径に軌道面を形成した二世代の車輪軸受装置や、ハブ輪の外径に一方の軌道面を形成し、ハブ輪に連結された等速自在継手の肩部に他方の軌道面を形成した四世代の車輪軸受装置にも適用可能である。

本出願人は、外輪４の軌道面１１における肉厚Ｔが３．０ｍｍ、３．５ｍｍ、４．０ｍｍについて試験を行った結果、有効硬化層深さＤと肉厚Ｔの比Ｄ／Ｔが０．６６（有効硬化層深さＤが１．９８ｍｍ）、０．５６（有効硬化層深さＤが１．９６ｍｍ）、０．４９（有効硬化層深さＤが１．９５ｍｍ）の三種の試験品については、磁粉探傷検査の結果、割れが認められなかった。

本発明の実施形態で、従動輪用の車輪軸受装置を示す断面図である。 図１の外輪で、高周波焼入れ時の形状を示す断面図である。 図１の外輪で、最終形状（高周波焼入れ後の旋削加工）を示す断面図である。

符号の説明

１ 内方部材（ハブ輪）
２ 内方部材（内輪）
３ 転動体
４ 外方部材（外輪）
５ 軌道面
６ 車輪取付フランジ
９ 軌道面
１０，１１ 軌道面
１２ 車体取付フランジ
１６，１７，１８ 硬化層
Ｄ 有効硬化層深さ
Ｔ 肉厚

Claims (2)

1. 車体に取り付ける車体取付フランジを有し、内周に複列の軌道面が形成された外方部材と、車輪を取り付ける車輪取付フランジを有し、前記外方部材の軌道面と対向する軌道面が外周に形成された内方部材と、前記外方部材と内方部材のそれぞれの軌道面間に介装された複列の転動体とを備え、前記外方部材の軌道面を高周波焼入れにより硬化させて前記軌道面に硬化層を形成した車輪軸受装置において、前記外方部材のインボード側の軌道面溝底部から外径部までの肉厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下とし、前記軌道面溝底部における有効硬化層深さと前記肉厚の比を０．４９以上０．６６以下としたことを特徴とする車輪軸受装置。
2. 車体に取り付ける車体取付フランジを有し、内周に複列の軌道面が形成された外方部材と、車輪を取り付ける車輪取付フランジを有し、前記外方部材の軌道面と対向する軌道面が外周に形成された内方部材と、前記外方部材と内方部材のそれぞれの軌道面間に介装された複列の転動体とを備え、前記外方部材の軌道面を高周波焼入れにより硬化させた車輪軸受装置の製造方法において、インボード側の前記軌道面の溝底部が厚肉状態にある外方部材を高周波焼入れする工程と、外方部材の外径部を機械加工して前記軌道面溝底部から外径部までの肉厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下とした最終形状に仕上げる工程と、その後に軌道面を研磨加工する工程とを有することを特徴とする車輪軸受装置の製造方法。

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