JP4572864B2

JP4572864B2 - 車輪支持用軸受ユニット外側部材、車輪支持用軸受ユニット

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Publication number: JP4572864B2
Application number: JP2006117785A
Authority: JP
Inventors: 光司植田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: JP2007292116A

Description

この発明は、車輪支持用の軸受ユニット（複列の軌道溝を有する外輪およびフランジが一体になっている外側部材と、内輪と、ボールを備えた軸受）に関する。

近年、自動車の燃費を向上するために、軽量化を目的とした車輪支持用軸受のユニット化が進んでいる。図８は、ユニット化された車輪支持用軸受の一例を示す断面図である。このユニットは、内側部材１と、外側部材２と、ボール３と、保持器４と、第１のシール５と、第２のシール６と、スリンガ７とで構成され、ボール３が転動する軌道溝を二列備えている。

内側部材１は、二列の軌道溝を有する内輪１１、車軸を内嵌するハブ１２、および車輪側部材８を固定するフランジ１３を有する。内側部材１は第１の部材１ａと第２の部材１ｂとからなる。第１の部材１ａは、内輪１１の一方の内輪軌道溝１１ａの部分とハブ１２とフランジ１３が一体に形成されたもの（ハブ輪）である。第２の部材１ｂは、他方の内輪軌道溝１１ｂが形成されたリング状部材であって、第１の部材１ａに外嵌されている。

外側部材２は、二列の軌道溝２１ａ，２１ｂを有する外輪２１と、車体の懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴２２ａが形成されたフランジ２２とが一体に形成されたものである。
このような複雑な形状を有する内側部材１および外側部材２は、従来、０．５質量％程度の炭素を含有する中炭素鋼からなる素材を用い、熱間鍛造で所定形状に加工した後、軌道溝の表層部を高周波焼入れにより硬化させることで製造されている。

また、内部に水が浸入するような過酷な使用条件に耐えることができるように、車輪支持用軸受ユニットの寿命向上要求が高まっている。この要求に応える方法としては、特定の合金成分を含有した鋼からなる素材を用いる方法や、清浄度の高い鋼からなる素材を用いる方法があるが、これらの方法には、素材が調達しにくくなる、生産性が低減する、コストが上昇する等の問題がある。

これに対して、下記の特許文献１および２には、鍛造工程の条件で変化するメタルフロー（鍛流線）の向きを特定範囲に設定することにより、転がり軸受の寿命を長くすることが開示されている。特許文献１では、回転軸を含む断面におけるメタルフローの当該回転軸に対する角度の最大値を１０°以上５０°以下に設定している。特許文献２では、ボールの公転方向に対するメタルフローの角度を±１５°以内に設定している。

また、下記の特許文献３には、転がり寿命の向上を図りながら軌道溝の加工取り代を削減することを目的として、軌道溝の曲率中心と「ファイバーフロー」の断面が析出している点とを直線で結び、この直線の軌道面との交点で軌道溝の接線を引き、この交点におけるファイバーフローの接線と、前記軌道溝の接線とのなす角度を「ファイバーフローの角度」と定義し、この角度を１５°以下にすることが記載されている。
特許第３１２３０５５号公報特開平８−４２５７６号公報特開２００５−３５５１３号公報

本発明は、鍛造時の素材変形に伴う材料の流れに着目した方法ではあるが、特許文献１〜３とは異なる方法で、内部に水が浸入するような過酷な使用条件下での転がり軸受の寿命を長くすることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複列の軌道溝を有する外輪およびフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造され、内輪およびボールとともに車輪支持用軸受ユニットを構成する車輪支持用軸受ユニット外側部材であって、軸線を含む断面における軌道溝のボール接触点での接線と、前記断面における軌道溝表層部の折れ曲がって方向性を持って並んだ鍛流線の折れ曲がり点を結んだ線である塑性流れ曲線の方向を示す直線と、のなす角度が３０°以上９０°以下であり、軌道溝とボールとの接触楕円の長軸の長さを２Ａとしたときに、前記断面における軌道溝表層部に存在する前記塑性流れ曲線は、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上離れた位置を通過することを特徴とする車輪支持用軸受ユニット外側部材を提供する。また、この外側部材と、内輪と、ボールを備えたことを特徴とする車輪支持用軸受ユニットを提供する。

本発明はまた、複列の軌道溝を有する内輪、車軸を内嵌するハブ、および車輪側部材を固定するフランジを有し、少なくとも一列の軌道溝とハブとフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された内側部材と、複列の軌道溝を有する外輪および車体側部材を固定するフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された外側部材と、ボールと、を備えた車輪支持用軸受ユニットにおいて、フランジと一体化された内輪の軌道溝および外輪の軌道溝の少なくともいずれかは、軸線を含む断面における軌道溝のボール接触点での接線と、前記断面における軌道溝表層部の折れ曲がって方向性を持って並んだ鍛流線の折れ曲がり点を結んだ線である塑性流れ曲線の方向を示す直線と、のなす角度が３０°以上９０°以下であり、軌道溝とボールとの接触楕円の長軸の長さを２Ａとしたときに、前記断面における軌道溝表層部に存在する前記塑性流れ曲線は、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上離れた位置を通過することを特徴とする車輪支持用軸受ユニットを提供する。

複列の軌道輪と単列の軌道輪とを比較した場合や、軌道輪にフランジが一体化されている軸受部材とフランジがない軌道輪のみの軸受部材とを比較した場合に、これらが素材の鍛造工程を経て製造されていると、より複雑な形状である「複列の軌道輪」および「軌道輪にフランジが一体化されている軸受部材」は、鍛造工程で素材の芯部（中心付近の部分）が軌道溝表層部に出現し易くなる。素材の芯部が軌道溝表層部へ出現していることは、軸線を含む断面を腐食させて実体顕微鏡で観察した時に、軌道溝表層部で多数の鍛流線が極端に折れ曲がって方向性を持って並んだ状態になっていることにより確認できる。

本発明では、折れ曲がって方向性を持って並んだ鍛流線の折れ曲がり点を結んだ線を「塑性流れ曲線」と称し、その方向を示す線を「塑性流れ曲線の方向を示す直線」と称する。ここで、素材の芯部（中心付近の部分）は、周辺の部分よりも介在物が存在しやすい（鋼の清浄度が低い）ため、芯部が軌道溝表層部に存在すると、介在物を起点とした剥離が生じやすい。

しかし、本発明によれば、素材の芯部が軌道溝表層部（表面から、最大剪断応力深さに相当する深さまでの範囲）へ出現した場合でも、(1) 「塑性流れ曲線の方向を示す直線」と「軌道溝のボール接触点での接線」とのなす角度（θ）が３０°以上９０°以下であり、(2) 塑性流れ曲線が、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上（好ましくは１．３Ａ以上）離れた位置を通過する、という二つの条件を満たすことにより、これらの条件を満たさない場合と比較して、剥離起点となる介在物の存在率が低くなって、軌道溝に剥離が生じ難くなる。
具体的には、剥離の起点となる介在物は鍛流線に沿って存在しているため、前記角度θを３０°以上９０°以下と大きくすることにより、これより小さい場合と比較して、介在物の軌道溝の面積当たりの存在率が低くなる。

また、図２に示すように、前記条件(2) を満たす塑性流れ曲線Ｓは、軌道溝２１ｂの表層部で接触楕円２５の外側に存在しているが、前記条件(2) を満たさない塑性流れ曲線Ｓ’は、軌道溝２１ｂの表層部で接触楕円２５の内側に存在している。すなわち、「軌道溝とボールとの接触楕円の長軸の長さを２Ａとしたときに、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上離れた位置を通過している」塑性流れ曲線Ｓは、軌道溝２１ｂの表層部で接触楕円２５の外側に存在している。そして、塑性流れ曲線は介在物の存在率が高い素材の芯部を示す線であるため、本発明では、塑性流れ曲線が接触楕円の外側に存在することで、ボールと軌道溝との間の最も負荷がかかる面での介在物の存在率を低くすることができる。

なお、円柱状素材を用いる場合、円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる部分が軌道溝とボールとの接触楕円の外側になるようにすることや、素材の炭素含有率を１２ｐｐｍ以下、硫黄含有率を０．０１５質量％以下にすることが、ボールと軌道溝との間の最も負荷がかかる面での介在物の存在率を低くするという点で好ましい。

本発明によれば、素材の鍛造工程を経て製造された車輪支持用軸受ユニット外側部材の、軸線を含む断面における軌道溝のボール接触点での接線と、前記断面における軌道溝表層部の塑性流れ曲線の方向を示す直線とのなす角度（θ）が３０°以上９０°以下であり、塑性流れ曲線が、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上離れた位置を通過するという二つの条件を満たすことにより、これらの条件を満たさない場合と比較して、車輪支持用軸受ユニットの寿命を長くすることができる。

本発明の車輪支持用軸受ユニットによれば、フランジと一体化された内輪の軌道溝および外輪の軌道溝の少なくともいずれかについて、軸線を含む断面における軌道溝のボール接触点での接線と、前記断面における軌道溝表層部の塑性流れ曲線の方向を示す直線とのなす角度（θ）が３０°以上９０°以下であり、塑性流れ曲線が、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上離れた位置を通過するという二つの条件を満たすことにより、これらの条件を満たさない場合と比較して、内部に水が浸入するような過酷な使用条件での寿命を長くすることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態の軸受ユニット外側部材を示す断面図である。この断面図は軸線を含む断面の左側部分のみを示し、右側部分は省略している。
この外側部材２は、図８に示すユニット化された車輪支持用軸受の外側部材２に相当し、二列の軌道溝２１ａ，２１ｂを有する外輪２１と、車体の懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴２２ａが形成されたフランジ２２と、が一体に形成されたものである。
この断面において、軌道溝２１ｂの表層部に、塑性流れ曲線（鍛流線Ｔの折れ曲がり点を結んだ線）Ｓが存在している。軌道溝２１ａを構成する溝（軌道溝）の表層部には塑性流れ曲線が存在していない。符号Ｐ₁は軌道溝２１ａとボール３との接触点であり、符号Ｐ₂は軌道溝２１ｂとボール３との接触点である。

図２は、図１の軌道溝２１ｂの部分を拡大した図である。図２に、この塑性流れ曲線Ｓの方向を示す直線Ｌ_Sと、軌道溝２１ｂのボール接触点Ｐ₂での接線Ｌ₁と、これらの線のなす角度θを示す。この例で角度θは８２．５°である。
図２には、また、軌道溝２１ｂのボール３との接触楕円２５が、軌道溝２１ｂの上側に投影表示されている。接触楕円２５の中心は、軌道溝２１ｂとボール３との接触点Ｐ₂であり、この点を示す直線Ｃと、接触楕円２５の長軸２５ａの両端を示す直線Ｈ₁，Ｈ₂が表示されている。そして、長軸２５ａの長さを２Ａとすると、直線Ｃと直線Ｈ₁および直線Ｈ₂との距離はＡとなる。

この例では、塑性流れ曲線Ｓの軌道溝２１ｂとの交点Ｐ_sと、軌道溝２１ｂのボール接触点Ｐ₂との距離Ｋが、Ｋ₁＝１．８９Ａになっている。すなわち、この塑性流れ曲線Ｓは、軌道溝２１ｂとボール３との接触点Ｐ₂から１．８９Ａだけ離れた位置を通過している。
したがって、この外側部材２は、本発明の二つの条件（３０°≦θ≦９０°、Ｋ≧１．１Ａ）を満たしている。
なお、図２に二点鎖線で示した塑性流れ曲線Ｓ’は、軌道溝２１ｂとの交点Ｐ_S'と軌道溝２１ｂのボール接触点Ｐ₂との距離Ｋ₂が、０．７４Ａになっている。すなわち、この塑性流れ曲線Ｓ’は、軌道溝２１ｂとボール３との接触点Ｐ₂から０．７４Ａだけ離れた位置を通過している。

図３を用いて、図１の外側部材２の製造方法を説明する。
先ず、図３（ａ）に示すように、円柱状の素材を用意し、据え込み工程により、円柱の軸方向両側から押し潰す。これにより、図３（ｂ）に示す状態とする。次に、鍛造工程にり、図３（ｃ）に示すように、フランジ２２と外輪２１と、両軌道の間の部分２１０を繋ぐ部分２３とが一体化された形状に成形する。次に、ピアスパンチ工程により、繋ぎ部分２３を除去して、図３（ｄ）に示す形状とする。次に、図３（ｅ）に示すように、冷間ローリング成形で軌道溝２１ａ，２１ｂを形成する。

そして、軸方向におけるフランジ２２の位置および繋ぎ部分２３の位置と、冷間ローリング成形による拡径率を変えることにより、角度θが異なる外側部材２を得ることができる。また、使用する円柱状素材の直径を変えることにより、塑性流れ曲線Ｓの軌道面通過位置（点Ｐ_s）が異なる外側部材２を得ることができる。

本発明の実施例に相当する軸受ユニットを図４（ａ）に示す。この図は、軸線Ｚを含む断面図である。この軸受ユニットは、複列アンギュラ玉軸受の外輪２１にフランジ２２が一体化された形状であり、それぞれ一列の軌道１１ａ，１１ｂを備えた二つの内輪１０ａ，１０ｂと、二列の軌道溝２１ａ，２１ｂを備えた外輪２１にフランジ２２が一体化された外側部材２と、ボール３で構成されている。この軸受ユニットの内径（ｄ）は２５ｍｍであり、外径（Ｄ）は６３．５ｍｍであり、幅（Ｂ）は４４．５ｍｍであり、作用点距離（Ｋ）は５１ｍｍである。

この軸受ユニットについて、外側部材２の軌道溝２１ｂのボール接触点Ｐ₂と点Ｐ_S（塑性流れ曲線の軌道溝２１ｂとの交点）との距離Ｋ、および角度θを、下記の表１に示す各値にした場合の寿命を調べた。その試験軸受用の外輪として、図５に示す形状の外輪２０ａを作製した。この外輪２０は、外側部材２のフランジ２２を除去して図４（ｂ）に示す複列の外輪２１とした後、この外輪２１を軸方向で二等分（ラインＨに沿って切断）することにより得られる。

先ず、図３（ａ）に示すように、ＳＵＪ２製の円柱状素材として、直径が５０〜７０ｍｍの各値で、軸方向寸法が７０ｍｍであるものを用意した。次に、２５００ｔｏｎのプレス機（栗本鉄工所製）を用い、この素材を軸方向を上下方向にして上下の金型の間に置き、１１５０〜１２００℃で、軸方向寸法が３０〜４０ｍｍとなるまで押し潰すことにより、据え込み工程を行い、図３（ｂ）に示す状態にした。

次に、鍛造工程により、図３（ｃ）に示すように、外輪２１とフランジ２２と、両軌道溝の間の部分２１０を繋ぐ部分２３とが一体化された形状に成形した。次に、ピアスパンチ工程により、繋ぎ部分２３を除去して、図３（ｄ）に示す形状にした。次に、図３（ｅ）に示すように、冷間ローリング成形を行って軌道２１ａ，２１ｂを形成するとともに、両端部の内径Ｎ₁を５０ｍｍに、中間部の内径Ｎ₂を４１ｍｍに、全体の外径Ｄを６６ｍｍに拡げることにより、外側部材２の形状とした。

次に、旋削加工によりフランジ２２を除去した後、旋削加工により軌道溝２１ａ，２１ｂの溝形状を整えた。次に、高周波焼入れを行った後、１８０℃で２時間の焼戻し処理を施して、表面硬さをＨＲＣ５９にした。次に、研削加工により軌道溝２１ａ，２１ｂの溝形状を含む各寸法が正確な寸法になるようにした。
なお、角度θを変化させるために、図３（ｃ）の鍛造工程の条件および図３（ｅ）の冷間ローリング成形による拡径率を変えた。また、使用した円柱状素材の直径の違いで、塑性流れ曲線Ｓの軌道面通過位置（点Ｐ_s）が変化する。

これにより、図４（ｂ）に示す複列の外輪２１を得、この外輪２１を、放電加工により軸方向で二等分（ラインＨに沿って切断）した。この状態で、二等分された各外輪２０ａについて、軸線Ｚを含む断面を腐食させて実体顕微鏡で観察し、軌道溝の表層部での鍛流線の状態を調べ、塑性流れ曲線Ｓを引いて角度θおよび距離Ｋを測定した。その結果を下記の表１に併せて示す。
なお、実際の外側部材２を作製する場合には、図３（ｅ）に示す形状にした後にフランジ２２を除去しないで、旋削加工により軌道溝２１ａ，２１ｂの溝形状を整えた後に、高周波焼入れおよび焼戻し処理を施す。

試験軸受用のボール３としては、ＳＵＪ２製で通常の熱処理が施されたものを用い、内輪１０ａは以下の方法で作製した。先ず、山陽特殊製鋼の高清浄度ＳＵＪ２鋼製の円柱状素材（直径５０ｍｍ×軸方向寸法１ｍ）を、軸方向で４２ｍｍに切断した後、旋削加工で内輪形状にした。次に、８４０℃に加熱した後に冷却する焼入れを行った後、１８０℃で２時間の焼戻し処理を施して、表面硬さをＨＲＣ６１にした。次に、研削加工を行って、軌道溝１１ａの溝形状を含む各寸法が正確な寸法になるようにした。

この試験軸受の寿命試験を、図５に示す方法で行った。先ず、内輪１０ａに回転軸Ｊを取り付けた状態で試験軸受を容器Ｙ内に置く。この状態で、容器Ｙ内に、潤滑油「ＶＧ１０」に水を５質量％混合した液体Ｅを入れ、液体Ｅ内に試験軸受全体が浸るようにする。次に、回転軸Ｊの上からアキシャル荷重Ｐａ（８８２０Ｎ）を付与した状態で、回転軸Ｊを速度１０００ｍｉｎ^-1で回転させる。
また、この試験で使用する試験機を、試験軸受に生じる振動を振動計で常時測定し、外輪２０ａの軌道面に剥離が生じて振動計の測定値が一定値を超えると回転を停止するとともに、回転開始から停止までの時間を記録するように構成する。そして、この回転停止までの時間を試験軸受の寿命とした。

また、各サンプル毎に１０個の軸受を用意して試験を行い、Ｌ１０寿命を調べた。そして、θ＝０でＫ＝１．１ＡであるNo. １のＬ１０寿命で、No. １〜２４のＬ１０寿命を除算することにより、No. １のＬ１０寿命を「１」とした「寿命比」を得た。その結果を下記の表１に併せて示す。表１では本発明の構成から外れる数値に下線を施した。θとＫの両方に下線のないものが本発明の実施例に相当し、いずれかに下線のあるものが比較例に相当する。
また、その結果を、θとＬ１０寿命との関係を示すグラフ（図６）と、「Ｋ／Ａ」とＬ１０寿命との関係を示すグラフ（図７）にまとめた。

図６のグラフから分かるように、外側部材の角度θが３０°以上であると、寿命比が２．０以上となるのに対して、３０°未満であると寿命比は１．５未満であった。図７のグラフから分かるように、「Ｋ／Ａ」≧１．１であると寿命比が２．０以上となるのに対して、「Ｋ／Ａ」≦１．０であると寿命比は１．５未満であった。
したがって、本発明の実施例に相当する軸受ユニットは、比較例に相当する軸受ユニットと比較して、内部に水が侵入するような過酷な使用条件での寿命が長くなる。

本発明の軸受ユニット外側部材の一実施形態を示す断面図である。図１の軌道溝２１ｂの部分を拡大した図である。本発明の軸受ユニット外側部材の作製方法を説明する図である。実施例で作製した試験軸受の基になる軸受ユニットを示す断面図である。実施例で行った寿命試験を説明する図である。実施例で行った寿命試験のデータを、外側部材の角度θとＬ１０寿命との関係にまとめたグラフである。実施例で行った寿命試験のデータを、外側部材の「Ｋ／Ａ」とＬ１０寿命との関係にまとめたグラフである。軽量化された車輪支持用軸受ユニットの一例を示す断面図である。

符号の説明

１内側部材
１ａ第１の部材（ハブ輪）
１ｂ第２の部材
１１ｂ内輪軌道溝
１１内輪
１２ハブ
１３フランジ
２外側部材
２１外輪
２１ａ軌道溝
２１ｂ軌道溝
２２ａ懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴
２２フランジ
２５接触楕円
２５ａ接触楕円の長軸
３ボール
４保持器
５第１のシール
６第２のシール
７スリンガ
８車輪側部材
Ｌs 塑性流れ曲線の方向を示す直線
Ｌ₁ 接触点での軌道溝の接線
Ｓ塑性流れ曲線
Ｐ₁ 接触点
Ｐ₂ 接触点
θ Ｌ₁とＬs とのなす角度

Claims

複列の軌道溝を有する外輪およびフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造され、内輪およびボールとともに車輪支持用軸受ユニットを構成する車輪支持用軸受ユニット外側部材であって、
軸線を含む断面における軌道溝のボール接触点での接線と、前記断面における軌道溝表層部の折れ曲がって方向性を持って並んだ鍛流線の折れ曲がり点を結んだ線である塑性流れ曲線の方向を示す直線と、のなす角度が３０°以上９０°以下であり、
軌道溝とボールとの接触楕円の長軸の長さを２Ａとしたときに、前記断面における軌道溝表層部に存在する前記塑性流れ曲線は、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上離れた位置を通過することを特徴とする車輪支持用軸受ユニット外側部材。
請求項１記載の外側部材と、内輪とボールを備えたことを特徴とする車輪支持用軸受ユニット。
複列の軌道溝を有する内輪、車軸を内嵌するハブ、および車輪側部材を固定するフランジを有し、少なくとも一列の軌道溝とハブとフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された内側部材と、
複列の軌道溝を有する外輪および車体側部材を固定するフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された外側部材と、
ボールと、
を備えた車輪支持用軸受ユニットにおいて、
フランジと一体化された内輪の軌道溝および外輪の軌道溝の少なくともいずれかは、
軸線を含む断面における軌道溝のボール接触点での接線と、前記断面における軌道溝表層部の折れ曲がって方向性を持って並んだ鍛流線の折れ曲がり点を結んだ線である塑性流れ曲線の方向を示す直線と、のなす角度が３０°以上９０°以下であり、
軌道溝とボールとの接触楕円の長軸の長さを２Ａとしたときに、前記断面における軌道溝表層部に存在する前記塑性流れ曲線は、軌道溝とボールとの接触点から１．１Ａ以上離れた位置を通過することを特徴とする車輪支持用軸受ユニット。