DE112020005447T5

DE112020005447T5 - Nabenlager

Info

Publication number: DE112020005447T5
Application number: DE112020005447.0T
Authority: DE
Inventors: Tomoya Sakaguchi; Naoto Shibuya; Makoto Seki
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-09-08
Also published as: JP2021076137A; WO2021090805A1; US20220403874A1; CN114651138A

Abstract

Bereitstellung eines Nabenlagers, welches eine Verzögerung des Ansprechverhaltens des Nabenlagers reduzieren und die Lenkstabilität eines Fahrzeugs verbessern kann. Ein Nabenlager (1) umfasst einen Außenring (2), welcher als Laufbahnring für die feststehende Seite dient, ein Nabenrad (3) und einen Innenring (5), welche als Laufbahnring für die drehbare Seite dienen, Kugeln (4), welche als eine Vielzahl von zwischen einer Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und einer Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite angeordneten Wälzkörpern dienen, und Schmierfett, welches ein Wälzkontaktteil zwischen jeder der Laufbahnoberflächen und den Wälzkörpern schmiert. Die Oberflächenrauheit zumindest einer Laufbahnoberfläche ausgewählt aus der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite in dem Wälzkontaktteil beträgt 0.03 µmRa oder weniger. Darüber hinaus weist das Schmierfett einen Traktionskoeffizienten in dem Wälzkontaktteil auf, welcher bei 40°C und bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 20 km/h oder mehr 0.04 oder weniger beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nabenlager, welches ein Rad eines Fahrzeugs drehbar trägt.
STAND DER TECHNIK
Die Lenkstabilität eines Fahrzeugs (auch einfach als Fahrzeuglenkstabilität bezeichnet) wird auch dann noch eine wichtige Eigenschaft sein, wenn eine automatische Fahrtechnologie für Fahrzeuge entwickelt worden ist, so dass ein Computer die Lenkung des Fahrzeugs steuert. Der Grund hierfür liegt darin, dass selbst in einem Fall, in welchem ein Hochleistungscomputer zum Einsatz gelangt, bei einer zu langsamen Reaktion des Fahrzeugs auf ein Lenksignal eine Verzögerung des Ansprechverhaltens des Fahrzeugs auf die Lenkung im Zuge der Kurvenfahrt des Fahrzeugs nach der Lenkung auftritt und es somit Schwierigkeiten bereitet, das Fahrzeug auf einer erwarteten Spur zu halten. Ein Faktor, welcher sich auf die Fahrzeuglenkstabilität auswirkt, ist die Biegesteifigkeit eines ein Rad tragenden Nabenlagers (siehe Nicht-Patentdokument 1). Ein Nabenlager ist ein Achslager, welches ein Rad eines Fahrzeugs drehbar trägt, wobei das Nabenlager als Einheit in ein Nabenrad oder ein Gehäuse, bei welchem es sich um eine Peripheriekomponente des Lagers handelt, integriert ist, wodurch sich die Anzahl der Komponenten und das Gewicht des Nabenlagers reduziert.
Nicht-Patentdokument 1 offenbart, dass die Steifigkeit eines Scheibenteils eines Rads das Ansprechverhalten des Fahrzeugs in hohem Maße beeinflusst, weshalb es sich als wirksam erwiesen hat, die Steifigkeit zu erhöhen. Weiterhin offenbart Nicht-Patentdokument 1, dass die Nachgiebigkeit (ein Kehrwert der Steifigkeit, Einheit Grad/Nm) des Nabenlagers 18% der Sturznachgiebigkeit der Aufhängung des gesamten Unterbodens beträgt, und dass die Nachgiebigkeit des Nabenlagers doppelt so groß wie jene des Rads ist. Dementsprechend stellt man fest, dass der sich auf die Fahrzeuglenkstabilität auswirkende Einfluss der Steifigkeit des Nabenlagers nicht vernachlässigt werden kann.
Eine Technik zur Verbesserung der Fahrzeuglenkstabilität mithilfe eines Nabenlagers ist beispielsweise aus Patentdokument 1 bekannt. Patentdokument 1 offenbart ein Nabenlager, welches die Form eines Nabenflansches verbessert, um auf diese Weise die Steifigkeit im Vergleich zu jener eines Nabenlagers mit identischem Gewicht zu erhöhen. Durch eine derartige Verbesserung kann die auf dem Nabenlager basierende Nachgiebigkeit reduziert und damit das Ansprechverhalten des Fahrzeugs verbessert werden.
Eine Technik zur Verbesserung der Fahrzeuglenkstabilität mithilfe einer Aufhängung ist beispielsweise aus Patentdokument 2 bekannt. Patentdokument 2 offenbart, dass im Hinblick auf die Verbesserung des Ansprechverhaltens eines Fahrzeugs, und insbesondere des Ansprechverhaltens in einem frühen Stadium der Kurvenfahrt, eine Aufhängung mit einem Mechanismus entdeckt wurde, welcher die Steifigkeit einer Halterung eines Nabenlagers bei Beginn der Kurvenfahrt des Fahrzeugs vorübergehend erhöht.
Wie in diesen Patentdokumenten offenbart ist, wird bei einer Verbesserung des Ansprechverhaltens des Fahrzeugs berücksichtigt, dass das Nabenlager einen Teil der Steifigkeit der gesamten Aufhängung ausmacht, weshalb ein Nabenlager mit geringerem Gewicht und höherer Steifigkeit entwickelt worden ist. Darüber hinaus wurde auch eine Aufhängung entwickelt, welche einen speziellen variablen Mechanismus zur Verbesserung des Ansprechverhaltens in einem frühen Stadium der Kurvenfahrt aufweist.
DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP H11-303861 A
Patentdokument 2: JP 2013-203318 A

NICHT-PATENTDOKUMENT
Nicht-Patentdokument 1: Hirano, Transactions of the Society of Automotive Engineers of Japan, Vol. 46, Nr. 2, März 2015, Seiten 393-398
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
MITTELS DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Im Rahmen der bisherigen technischen Entwicklung zur Verbesserung der Fahrzeuglenkstabilität wurde das Nabenlager als steifes Federelement angesehen, weshalb versucht wurde, die Steifigkeit zu erhöhen. Allerdings gibt es eine Grenze im Hinblick auf die Erhöhung der Steifigkeit. Um die Fahrzeuglenkstabilität weiter zu verbessern, wurde der Aufhängung oder dergleichen daher ein spezieller variabler Mechanismus hinzugefügt.
Allerdings haben die vorliegenden Erfinder eine dynamische Analyse der Steifigkeit des Nabenlagers durchgeführt und festgestellt, dass das Nabenlager nicht nur als statisches Federelement fungiert, sondern auch eine Verzögerung des Ansprechverhaltens (Hysterese) bei einer Veränderung des Sturzwinkels in Bezug auf ein Moment nach sich zieht.
Um diese Probleme zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Nabenlager bereitzustellen, welches eine Verzögerung des Ansprechverhaltens des Nabenlagers reduzieren und auf diese Weise die Lenkstabilität eines Fahrzeugs verbessern kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Ein Nabenlager für Fahrzeuge der vorliegenden Erfindung umfasst einen Laufbahnring für die feststehende Seite, einen Laufbahnring für die drehbare Seite, eine Vielzahl von Wälzkörpern, welche zwischen einer Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und einer Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite angeordnet sind, und Schmierfett, welches ein Wälzkontaktteil zwischen jeder der Laufbahnoberflächen und den Wälzkörpern schmiert. Die Oberflächenrauheit zumindest einer Laufbahnoberfläche ausgewählt aus der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite in dem Wälzkontaktteil beträgt 0.03 µmRa oder weniger.
Insbesondere kann die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite 0.030 µmRa oder weniger betragen.
Das Schmierfett kann derart konfiguriert sein, dass der Traktionskoeffizient in dem Wälzkontaktteil bei 40°C und bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 20 km/h oder mehr 0.04 oder weniger beträgt. Weiterhin kann die dynamische Viskosität eines Grundöls des Schmierfetts bei 40°C weniger als 30 mm²/s betragen.
Die Oberflächenrauheit der ausgewählten Laufbahnoberfläche kann 0.014 bis 0.030 µmRa betragen.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Das Nabenlager der vorliegenden Erfindung umfasst den Laufbahnring für die feststehende Seite, den Laufbahnring für die drehbare Seite, eine Vielzahl von Wälzkörpern, welche zwischen der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite angeordnet sind, und das Schmierfett, welches das Wälzkontaktteil zwischen jeder der Laufbahnoberflächen und den Wälzkörpern schmiert. Weiterhin beträgt die Oberflächenrauheit zumindest einer Laufbahnoberfläche ausgewählt aus der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite in dem Wälzkontaktteil 0.03 µmRa oder weniger. Dementsprechend kann eine Verzögerung des Ansprechverhaltens des Nabenlagers reduziert und somit die Lenkstabilität des Fahrzeugs verbessert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Traktionskoeffizient in dem Wälzkontaktteil des Nabenlagers verringert werden kann.
Weiterhin beträgt die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite 0.030 µmRa oder weniger. Dementsprechend kann der Effekt einer Verringerung des Traktionskoeffizienten problemlos realisiert werden.
Das Schmierfett ist derart konfiguriert, dass der Traktionskoeffizient in dem Wälzkontaktteil bei 40°C und bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 20 km/h oder mehr 0.04 oder weniger beträgt. Dementsprechend kann in einem Bereich, welcher ein schnelles Ansprechverhalten des Fahrzeugs erfordert, eine ausgezeichnete Lenkstabilität realisiert werden.
Die dynamische Viskosität des Grundöls des Schmierfetts bei 40°C beträgt weniger als 30 mm²/s. Dementsprechend kann ein niedriges Drehmoment des Nabenlagers realisiert werden, und kann der Traktionskoeffizient verringert werden.
Die Oberflächenrauheit der ausgewählten Laufbahnoberfläche beträgt 0.014 bis 0.030 µmRa. Dementsprechend kann die Lenkstabilität in hinreichendem Ausmaß gewährleistet werden, und können die Bearbeitungskosten reduziert werden.
Figurenliste

1 ist eine Schnittdarstellung, welche ein Beispiel für ein Nabenlager der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm des Ergebnisses der Berechnung der Ölfilmdicke des Nabenlagers.
3 ist ein Diagramm des Ergebnisses der Berechnung eines Traktionskoeffizienten.
4 ist eine Darstellung, welche einen Lastpunkt und ein Koordinatensystem in einer Analyse zeigt.
5 ist eine Darstellung, welche ein Berechnungsmodell zeigt, das eine Kugel und ein Kontaktteil eines Außenrings umfasst.
6 ist ein Diagramm des Ergebnisses der Berechnung des Neigungswinkels eines Innenrings in Bezug auf ein Moment bei einer jeden Fahrzeuggeschwindigkeit.
7 ist ein Diagramm des Ergebnisses der Berechnung des Neigungswinkels des Innenrings in Bezug auf das Moment bei einer jeden variablen Lastfrequenz.
8 ist eine schematische Darstellung, welche die Grundzüge der von einer Laufbahn auf eine Kugel ausgeübten Normalkraft und Traktion zeigt, während sich der Innenring gegen den Uhrzeigersinn dreht.
9(a) bis 9(c) sind schematische Darstellungen, welche die von der Laufbahn auf die Kugel ausgeübte Normalkraft und Traktion zeigen, während sich der Innenring gegen den Uhrzeigersinn dreht.
10 ist eine schematische Darstellung, welche die von der Laufbahn auf die Kugel ausgeübte Normalkraft und Traktion zeigt, während sich der Innenring im Uhrzeigersinn dreht.

VARIANTE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein Nabenlager der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Nabenlagers für Fahrzeuge gemäß einem Beispiel für das Nabenlager der vorliegenden Erfindung. Das Nabenlager umfasst einen Außenring, welcher als Laufbahnring für die feststehende Seite dient, sowie ein Nabenrad und einen Innenring, welche als Laufbahnring für die drehbare Seite dienen.
Wie in 1 dargestellt ist, trägt ein Nabenlager 1 drehbar ein Nabenrad 3 und einen Innenring 5, welche als Laufbahnring für die drehbare Seite fungieren, an einer inneren diametralen Seite eines Außenrings 2, welcher als Laufbahnring für die feststehende Seite fungiert, mithilfe einer Vielzahl von Kugeln 4, welche als Wälzkörper fungieren. Der Innenring 5 ist fest mit dem Nabenrad 3 verbunden. Bei dieser Konfiguration sind zweireihige Außenringlaufbahnoberflächen 2a, 2b, bei welchen es sich um Laufbahnoberflächen für die feststehende Seite handelt, an einer Innenumfangsoberfläche des Außenrings 2 angeordnet, und sind erste und zweite Innenlaufbahnoberflächen 3a, 5a, bei welchen es sich um Laufbahnoberflächen für die drehbare Seite handelt, an einer Außenumfangsoberfläche des Nabenrads 3 bzw. an einer Außenumfangsoberfläche des Innenrings 5 angeordnet. Ein Nabenbolzen 6, welcher ein Rad trägt, ist in einem Außenendabschnitt der Außenumfangsoberfläche des Nabenrads 3 angeordnet. Die erste Innenringlaufbahnoberfläche 3a ist an einem Zwischenabschnitt der Außenumfangsoberfläche des Nabenrads 3 angeordnet. Ein kleiner diametraler Stufenabschnitt 3b, dessen Durchmesser kleiner ist als jener eines Abschnitts, auf welchem die erste Innenringlaufbahnoberfläche 3a angeordnet ist, ist auf einem Abschnitt in der Nähe eines Innenendes in Bezug auf den Zwischenabschnitt der Außenumfangsoberfläche des Nabenrads 3 angeordnet. Der die zweite Innenringlaufbahnoberfläche 5a mit einer im Schnitt bogenförmigen Struktur auf einer Außenumfangsoberfläche aufweisende Innenring 5 ist auf den kleinen diametralen Stufenabschnitt 3b aufgebracht. Eine Innenendoberfläche des Innenrings 5 wird mithilfe eines Verpressungsabschnitts 3c, welcher durch plastisches Verformen eines Innenendabschnitts des Nabenrads 3 in Richtung einer radialen Außenseite ausgebildet wird, gepresst, so dass der Innenring 5 an dem Nabenrad 3 befestigt ist.
Eine Vielzahl von Kugeln 4 ist zwischen jeder der Außenringlaufbahnoberflächen 2a, 2b und jeder der Innenringlaufbahnoberflächen 3a, 5a angeordnet, um rollbar von Käfigen 7 gehalten zu werden. Indem diese Komponenten derart zusammengefügt werden, entsteht ein rückseitig montiertes zweireihiges Schrägkugellager. In 1 entspricht die rechte Seite einer Innenseite, und entspricht die linke Seite einer Außenseite. Dichtungen 8, 9 sind zwischen jeder der Innenumfangsoberflächen der beiden Endabschnitte des Außenrings 2 und jeder der Außenumfangsoberfläche des Zwischenabschnitts des Nabenrads 3 und der Außenumfangsoberfläche des Innenendabschnitts des Innenrings 5 angeordnet. Somit sind ein Innenraum 10, in welchem die Kugeln 4 angeordnet sind, und ein Außenraum durch einen Abschnitt zwischen der Innenumfangsoberfläche des Außenrings 2 und der Außenumfangsoberfläche des Nabenrads 3 voneinander getrennt. Schmierfett (nicht dargestellt) ist in dem Innenraum 10 angeordnet und versiegelt hierin eingeschlossen, um ein Wälzkontaktteil zwischen jeder der Außenringlaufbahnoberflächen 2a, 2b und Innenringlaufbahnoberflächen 3a, 5a und den Wälzoberflächen der Kugeln 4 zu schmieren.
Die in dem Nabenlager der vorliegenden Erfindung verwendeten Komponenten, wie beispielsweise der Laufbahnring für die feststehende Seite, der Laufbahnring für die drehbare Seite, der Wälzkörper und der Käfig, bestehen aus wohlbekannten Lagermetallmaterialien. Im Einzelnen umfassen Beispiele für das Lagermaterial Lagerstahl (kohlenstoffreichen Chromlagerstahl JIS G 4805), einsatzgehärteten Stahl (JIS G 4104 oder dergleichen), Schnellarbeitsstahl (AMS 6490), rostfreien Stahl (JIS G 4303), induktionsgehärteten Stahl (JIS G 4051 oder dergleichen), sowie Kohlenstoffstahl für mechanische Strukturen (S53C oder dergleichen). Beispiele für das Käfigmaterial umfassen kaltgewalztes Stahlblech für gepresste Käfige (JIS G 3141 oder dergleichen), Kohlenstoffstahl für bearbeitete Käfige (JIS G 4051), sowie hochfesten Messingguss für bearbeitete Käfige (JIS H 5102 oder dergleichen). Allerdings können auch andere Lagerlegierungen verwendet werden. Unter diesen Materialien wird bevorzugt Kohlenstoffstahl für mechanische Strukturen wie beispielsweise S53C, welcher ausgezeichnete Schmiedeeigenschaften aufweist und kostengünstig ist, als Material für den als Laufbahnring für die feststehende Seite dienenden Außenring und das als Laufbahnring für die drehbare Seite dienende Nabenrad verwendet. Der Kohlenstoffstahl gelangt im Allgemeinen zum Einsatz, nachdem die Wälzermüdungsfestigkeit eines Lagerteils durch Ausführen einer Induktionswärmebehandlung sichergestellt worden ist.
In dem Wälzkontaktteil des Nabenlagers der vorliegenden Erfindung weist zumindest eine Laufbahnoberfläche ausgewählt aus der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite eine Oberflächenrauheit von 0.030 µm oder weniger (0.030 µmRa oder weniger) im arithmetischen Mittel auf. Die Untergrenze der Oberflächenrauheit ist nicht in besonderer Weise beschränkt; unter dem Gesichtspunkt der Bearbeitungskosten ist es jedoch bevorzugt, dass die Oberflächenrauheit 0.010 µmRa oder mehr, und stärker bevorzugt 0.014 µmRa oder mehr beträgt. Die Gründe für den Bereich der Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche werden nachfolgend anhand eines Untersuchungsergebnisses ausführlich beschrieben. Im Allgemeinen beträgt die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings in dem Nabenlager beispielsweise etwa 0.050 µm, wohingegen die Oberflächenrauheit der vorliegenden Erfindung auf einen Bereich festgelegt ist, welcher unterhalb der allgemein üblichen Oberflächenrauheit von 0.050 µm liegt. Der Mittenrauwert Ra ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels der Norm JIS B 0601 definiert und wird unter Verwendung eines Kontakt-Oberflächenrauheitsprüfgeräts oder eines Kontaktlos-Oberflächenrauheitsprüfgeräts gemessen. Beispiele für ein Verfahren zur Verringerung des Werts der Oberflächenrauheit umfassen Läppveredelung, Trommelveredelung und Luftläppveredelung.
Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Schmierfett enthält ein Grundöl und ein Verdickungsmittel, wobei bei Bedarf weiterhin verschiedene Additive zugesetzt werden. Beispiele für das Grundöl des Schmierfetts umfassen hochraffiniertes Öl, Mineralöl, Esteröl, Etheröl, synthetisches Kohlenwasserstofföl (PAO-Öl), Silikonöl, Fluoröl, und Mischöl aus beliebigen dieser Öle.
Beispiele für Mineralöl umfassen paraffinisches Mineralöl und naphthenisches Mineralöl. Bevorzugt gelangt paraffinisches Mineralöl zum Einsatz, da es seine Viskosität bei hohen Temperaturen weniger stark verändert. Bei dem PAO-Öl handelt es sich um eine Oligomer- oder Polymerverbindung eines α-Olefins oder eines isomerisierten α-Olefins. Beispiele für das α-Olefin umfassen 1-Octen, 1-Nonen, 1-Decen, 1-Dodecen, 1-Tridecen, 1-Tetradecen, 1-Pentadecen, 1-Hexadecen, 1-Heptadecen, 1-Octadecen, 1-Nonadecen, 1-Eicosen, 1-Docosen und 1-Tetradocosen. In der Regel gelangt ein Gemisch aus beliebigen dieser α-Olefine zum Einsatz.
Unter diesen Grundölen ist ein Grundöl bevorzugt, welches das synthetische Kohlenwasserstofföl als Hauptkomponente enthält, da sich die Ölfilmdicke selbst bei niedriger Viskosität kaum verringert. In diesem Fall beträgt der Anteil des synthetischen Kohlenwasserstofföls am gesamten Grundöl (Mischöl) bevorzugt 50 Masse% oder mehr. Unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen Leistung und Kosten ist ein Mischöl aus Mineralöl und synthetischem Kohlenwasserstofföl bevorzugt. Indem ein Grundöl zum Einsatz gelangt, welches als Mischöl aus Mineralöl und synthetischem Kohlenwasserstofföl ausgebildet ist, und der Anteil an synthetischem Kohlenwasserstofföl am gesamten Grundöl (Mischöl) auf 50 Masse% oder mehr eingestellt wird, kann ein niedriger Traktionskoeffizient erhalten werden, wobei der Traktionskoeffizient mit jenem eines Grundöls vergleichbar ist, in welchem der Anteil an synthetischem Kohlenwasserstofföl 100 Masse% beträgt. Sowohl bei dem Mineralöl als auch bei dem synthetischen Kohlenwasserstofföl kann es sich um ein Mischöl aus zwei oder mehr Ölarten handeln (gemischtes Mineralöl oder gemischtes synthetisches Öl).
Die dynamische Viskosität des Grundöls (im Falle eines Mischöls die dynamische Viskosität des Mischöls) bei 40°C beträgt beispielsweise bevorzugt weniger als 30 mm²/s. Die Untergrenze der dynamischen Viskosität beträgt beispielsweise 5 mm²/s oder mehr, bevorzugt 5 bis 25 mm²/s, und stärker bevorzugt 5 bis 20 mm²/s. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Oberflächenrauheit des Laufbahnrings derart eingestellt, dass sie geringer ist als die normale Oberflächenrauheit, so dass in einem Zustand, in welchem ein durch Interferenzen zwischen Vorsprüngen bedingter Anstieg der Traktion schwerlich verursacht wird, eine niedrige dynamische Viskosität des Grundöls realisiert werden kann, womit ein niedriges Drehmoment des Nabenlagers erzielt und der Traktionskoeffizient verringert werden kann.
Das Verdickungsmittel des Schmierfetts ist nicht in besonderer Weise beschränkt, weshalb ein allgemeines, üblicherweise auf dem Fachgebiet von Schmierfetten verwendetes Verdickungsmittel zum Einsatz gelangen kann. Hierbei können beispielsweise seifenbasierte Verdickungsmittel, wie beispielsweise Metallseife und komplexe Metallseife, oder nicht-seifenbasierte Verdickungsmittel, wie beispielsweise Benton, Kieselgel, eine Harnstoffverbindung und eine Harnstoff-Urethan-Verbindung, zum Einsatz gelangen. Beispiele für eine Metallseife umfassen Natriumseife, Calciumseife, Aluminiumseife und Lithiumseife. Beispiele für eine Harnstoffverbindung und eine Harnstoff-Urethan-Verbindung umfassen eine Diharnstoffverbindung, eine Triharnstoffverbindung, eine Tetraharnstoffverbindung, andere Polyharnstoffverbindungen, und eine Diurethanverbindung.
Der Mischanteil an Verdickungsmittel in dem gesamten Schmierfett beträgt beispielsweise 5 bis 40 Masse%, bevorzugt 10 bis 30 Masse%, und stärker bevorzugt 10 bis 20 Masse%. In einem Fall, in welchem der Gehalt an Verdickungsmittel weniger als 5 Masse% beträgt, ist die Verdickungswirkung schwächer ausgeprägt, weshalb es Schwierigkeiten bereitet, das Schmierfett in einen fettigen Zustand zu bringen. Beträgt der Gehalt an Verdickungsmittel mehr als 40 Masse%, so wird das erhaltene Grundschmierfett zudem zu hart.
Darüber hinaus kann dem Schmierfett bei Bedarf ein bekanntes Additiv zugesetzt werden. Beispiele für das Additiv umfassen ein Hochdruckmittel, wie beispielsweise eine organische Zinkverbindung und eine organische Molybdänverbindung, ein Antioxidationsmittel, wie beispielsweise eine aminbasierte Verbindung, eine phenolbasierte Verbindung und eine schwefelbasierte Verbindung, ein Reibungsschutzmittel, wie beispielsweise eine schwefelbasierte Verbindung und eine phosphorbasierte Verbindung, ein Rostschutzmittel, wie beispielsweise einen Ester eines mehrwertigen Alkohols, ein Reibungsreduktionsmittel, wie beispielsweise Molybdändisulfid und Graphit, und ein öliges Mittel, wie beispielsweise Ester und Alkohol.
Die Walkpenetration (JIS K 2220) des Schmierfetts liegt bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 350. Beträgt die Walkpenetration weniger als 200, so kann es infolge einer geringeren Ölabscheidung zu Mangelschmierung kommen. Beträgt die Walkpenetration mehr als 350, so ist das Schmierfett so weich, dass das Schmierfett dazu neigt, in unerwünschter Weise aus dem Lager auszulaufen.
Wie vorstehend beschrieben ist, stellt die Biegesteifigkeit des Nabenlagers, welches ein Rad (einen Reifen) eines Fahrzeugs trägt, einen Faktor dar, welcher sich auf die Lenkstabilität des Fahrzeugs auswirkt, weshalb es von Bedeutung ist, die Biegesteifigkeit des Nabenlagers angemessen zu konzipieren. Im Allgemeinen wird die Biegesteifigkeit des Nabenlagers in einem Zustand gemessen, in welchem sich eine Welle nicht dreht. Es wird angenommen, dass sich die Biegesteifigkeit bei gedrehter Welle nicht wesentlich von der Biegesteifigkeit bei ungedrehter Welle unterscheidet; allerdings ist die Biegesteifigkeit bei gedrehter Welle noch nicht eindeutig bekannt. Die vorliegenden Erfinder haben unter Verwendung eines integrierten dynamischen Analysesystems eine dynamische Analyse im Hinblick auf eine Beziehung zwischen der Drehzahl der Welle und der Biegesteifigkeit des Nabenlagers durchgeführt. Im Rahmen der dynamischen Analyse stellt man fest, dass das Nabenlager nicht nur als statisches Federelement fungiert, sondern auch eine Verzögerung des Ansprechverhaltens (Hysterese) bei einer Veränderung des Sturzwinkels in Bezug auf ein Moment nach sich zieht. Weiterhin stellt man fest, dass das Ausmaß der Hysterese auf der Traktion beruht, welche in einer Längsrichtung eines Kontaktovals zwischen der Kugel und der Laufbahn wirkt. Die vorliegende Erfindung basiert auf diesen Erkenntnissen, wobei, indem das Hauptaugenmerk auf dem Traktionskoeffizienten zur Verringerung der Traktion gelegt wird, die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche (bei Bedarf die Viskosität oder die Art des Grundöls) auf einen niedrigen Wert eingestellt wird.
Das Verfahren der dynamischen Analyse wird nachfolgend beschrieben.

Eine Zeitfunktionskurve eines Neigungswinkels des in Betrieb befindlichen Nabenlagers während der Einwirkung eines Moments hierauf wird unter Verwendung von IBDAS (Integrated Bearing Dynamic Analysis System) für Wälzlager, welches von der vorliegenden Anmelderin (NTN Corporation) entwickelt worden ist, berechnet. Der Lastpunkt und das Koordinatensystem für die in 4 dargestellte Analyse werden auf das in 1 dargestellte zweireihige Schrägkugellager angewendet. Ein Freiheitsgrad der Bewegung sowie eine einschränkende Bedingung, welche in einem Analysemodell festgelegt sind, werden in der nachfolgenden Tabelle 1 beschrieben. Tabelle 1

Außenring	Freiheitsgrad: keiner (fixiert)
Innenring	Freiheitsgrad: drei Translationsgrade und zwei Rotationsgrade Einschränkung: Drehung mit konstanter Geschwindigkeit
Kugel	Freiheitsgrad: drei Translationsgrade und drei Rotationsgrade
Käfig	Freiheitsgrad: drei Translationsgrade und drei Rotationsgrade Elastische Verformung: 56 Modi

Der Außenring des Lagers ist in einem Raum fixiert. Der Innenring besitzt die Freiheitsgrade der Bewegung mit Ausnahme der Rotation. Die Masse des Nabenrads und das Trägheitsmoment wirken auf den Innenring. Die Kugel und der Käfig besitzen jeweils die Freiheitsgrade von drei Translationsgraden und drei Rotationsgraden. IBDAS ist derart konfiguriert, dass es die elastische Verformung des Käfigs unter Verwendung des Modussyntheseverfahrens berücksichtigt. Im Rahmen dieser Analyse werden auf jeden Käfig insgesamt 56 Verformungsmodi angewendet. Um die die Bewegung eines Kugellagersystems mit den vorstehend beschriebenen Freiheitsgraden betreffende dynamische Analyse durchführen zu können, ist es erforderlich, die Kraft in einer Normalrichtung und die Kraft in einer tangentialen Richtung der Kontaktteile zwischen der Kugel und dem Laufbahnring sowie zwischen der Kugel und dem Käfig angemessen in die Berechnung einzubeziehen. Jede der Berechnungsmethoden wird nachfolgend beschrieben. Weiterhin wird auch das durch verschiedenen Kräfte verursachte Moment der Kugel angemessen in die Berechnung einbezogen.
Kontaktteil zwischen Kugel und Laufbahnring
Die Kraft in der Normalrichtung ergibt sich aus der Annahme, dass der Kontaktdruck der Hertz'schen Theorie folgt. Um die dreidimensionale Bewegung der Kugel angemessen darzustellen, werden bei der Berechnung der Kraft in der tangentialen Richtung, wie in 5 dargestellt ist, eine Verteilung des Kontaktdrucks und eine Verteilung der Gleitgeschwindigkeit in der Längsrichtung innerhalb des Kontaktovals berücksichtigt. Die spezifische Berechnungsmethode wird nachfolgend beschrieben.
Die Last in der Normalrichtung eines durch Teilen des Kontaktovals unter dem Hertz'schen Druck in n Teile in der Längsrichtung gebildeten Schnittstücks wird durch Integrieren der Kontaktdrücke in einer Kurzrichtung sowie anschließendes Integrieren der Kontaktdrücke innerhalb eines Bereichs des Schnittstücks in der Längsrichtung berechnet. Die Last in der Normalrichtung wird durch die nachfolgende Formel (2) dargestellt.
[Math. 1] $F_{N j} = \frac{3 F_{N}}{2 n} [1 - \frac{12 {j - 0.5 (n - 1)}^{2} + 1}{3 n^{2}}]$
Hierbei bezeichnet F_Nj die auf das j-te Schnittstück ausgeübte Normalkraft. F_N bezeichnet die Normalkraft des gesamten Kontaktteils. j bezeichnet die Nummer des Schnittstücks (0 bis n-1). Was die Kraft in der tangentialen Richtung betrifft, so werden die drei Kraftelemente der Traktion, der viskosen Rollwiderstandskraft sowie der Ölfilmkraft in Wälzrichtung berücksichtigt, von welchen angenommen wird, dass sie in dem ölgeschmierten Kontaktteil auftreten. Die Analyse wird unter der Annahme durchgeführt, dass das Nabenlager mit Schmierfett geschmiert ist und die drei Kraftelemente lediglich durch das Grundöl des Schmierfetts bestimmt werden.
Es wird nunmehr die Traktion beschrieben. Die Traktion ist die Kraft in der tangentialen Richtung, welche auf zwei Elemente wirkt, die in Wälz- und Gleitkontakt miteinander stehen. Die Traktion wirkt in einer der Wälzrichtung entgegengesetzten Richtung auf das auf der Hochgeschwindigkeitsseite befindliche Element. Die Traktion wirkt in der Wälzrichtung auf das auf der Niedergeschwindigkeitsseite befindliche Element. In dem in 5 dargestellten Beispiel wird die auf jedes Schnittstück wirkende Traktion unter Verwendung der nachfolgenden Formel (3) berechnet, da angenommen wird, dass die Traktion in einer Richtung wirkt, welche einem Gleitgeschwindigkeitsvektor u_slidej der Kugeloberfläche in Bezug auf die Laufbahnoberfläche entgegengesetzt ist.
[Math. 2] ${\vec{F}}_{T j} = - \emptyset_{j} F_{N j} \frac{{\vec{u}}_{s l i d e j}}{| {\vec{u}}_{s l i d e j} |}$
Hierbei bezeichnet F_Tj die auf die Kugel wirkende Traktion. Φ_j bezeichnet einen Traktionskoeffizienten. Ein tiefgestelltes j entspricht dem j-ten Schnittstück. Ein hochgestellter Pfeil bezeichnet einen Vektor. Der Traktionskoeffizient wird auf der Grundlage einer bekannten Beziehung zwischen dem Traktionskoeffizienten und der Filmdickenrate (nämlich der später beschriebenen Formel (1)) berechnet.
Der Gleitgeschwindigkeitsvektor U_slidej der Kugeloberfläche in Bezug auf die Laufbahnoberfläche in der Formel (3) wird mithilfe der nachfolgenden Formel (4) berechnet.
[Math. 3] ${\vec{u}}_{s l i d e j} = {\vec{ν}}_{b} + {\vec{ω}}_{b} \times {\vec{r}}_{b c j} - (ν_{r a c e} + {\vec{ω}}_{r a c e} \times {\vec{r}}_{r a c e c j})$
Hierbei bezeichnet v_b einen Translationsgeschwindigkeitsvektor der Kugelmitte. ω_b bezeichnet einen Winkelgeschwindigkeitsvektor der Kugel. r_bcj bezeichnet einen Positionsvektor ausgehend von der Kugelmitte zu einer Oberfläche des j-ten Schnittstücks. v_race bezeichnet einen Translationsgeschwindigkeitsvektor der Laufbahnmitte. ω_race bezeichnet einen Winkelgeschwindigkeitsvektor der Laufbahn. r_racej bezeichnet einen Positionsvektor ausgehend von der Laufbahnmitte zur Oberfläche des j-ten Schnittstücks. Die Position der Oberfläche des Schnittstücks innerhalb des Kontaktovals wird unter Verwendung eines bekannten Verfahrens ermittelt. Der Gleitgeschwindigkeitsvektor u_slidej des Schnittstücks der Kugeloberfläche besitzt nicht nur eine Komponente in der Wälzrichtung, sondern auch eine Komponente in einer axialen Richtung. Somit besitzt die Traktion auch eine Komponente, welche in der Längsrichtung des Kontaktovals wirkt.
Als weitere Kraftelemente, welche in dem Kontaktteil zwischen der Kugel und der Laufbahnoberfläche wirken, werden die viskose Rollwiderstandskraft F_R und die Ölfilmkraft F_P in der Wälzrichtung berücksichtigt. Die viskose Rollwiderstandskraft F_R wird durch die Viskosität des Schmierfilms verursacht und wirkt in einer der Wälzrichtung entgegengesetzten Richtung auf die Kugel und die Laufbahnoberfläche. Da die viskose Rollwiderstandskraft F_R durch den Schmierfilm verursacht wird, wird angenommen, dass die viskose Rollwiderstandskraft F_R lediglich bei der Flüssigkeitsschmierung hervorgerufen wird, in deren Rahmen der Schmierfilm gebildet wird. Das Ausmaß der viskosen Rollwiderstandskraft wird auf der Grundlage einer von zwei bekannten Formeln berechnet, welche im Falle eines piezoviskos-elastischen Bereichs (PE) und eines piezoviskosstarren Bereichs (PR) sowie im Falle eines isoviskos-starren Bereichs (IR) verwendet werden und auf der Grundlage des Ergebnisses der Bereichsbestimmung ausgewählt werden. Die Ölfilmkraft Fp in der Wälzrichtung wird durch den Druck des Schmierfilms verursacht und wirkt in einer Bewegungsrichtung einer jeden Oberfläche in Richtung ihres Kontaktpunkts auf die Kugel und die Innenringlaufbahn, und wirkt in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Bewegungsrichtung der Oberfläche in Richtung ihres Kontaktpunkts auf die Außenringlaufbahn. Das Ausmaß der Ölfilmkraft in der Wälzrichtung wird auf der Grundlage der viskosen Rollwiderstandskraft sowie den Formen des Laufbahnrings und der Kugel ermittelt.
Kontaktteil zwischen Kugel und Käfig
In einem Fall, in welchem Knotenpunkte der Oberfläche des mithilfe einer Finite-Elemente-Methode aufgeteilten Käfigs geometrisch mit der Kugel interferieren, wird angenommen, dass die Normalkraft F_NC entsprechend der Interferenzmenge δc der Hertz'schen Theorie folgt, so dass die nachfolgende Formel (5) erhalten wird.
[Math. 4] $F_{N C} = k_{H e r t z C} δ_{C}^{1.5}$
Hierbei bezeichnet k_HertzC eine nichtlineare Federkonstante in der Hertz'schen Theorie.
Was die Berechnung der Kraft in der tangentialen Richtung betrifft, so wird, da zwischen der Kugel und dem Käfig ein reines Gleiten stattfindet, lediglich die von der Gleitreibung verursachte Kraft berücksichtigt. Die Gleitreibungskraft wird mithilfe der nachfolgenden Formel (6) berechnet.
[Math. 5] ${\vec{F}}_{T C} = - μ_{S} F_{N C} \frac{{\vec{u}}_{C}}{| {\vec{u}}_{C} |}$
Hierbei steht µ_s für einen Reibungskoeffizienten. u_c steht für einen Gleitgeschwindigkeitsvektor der Kugeloberfläche in Bezug auf eine Tasche des Käfigs.
Das Ergebnis der Berechnung des Neigungswinkels des Innenrings in Bezug auf das Lastmoment bei einer jeden Fahrzeuggeschwindigkeit ist in 6 als ein Beispiel für das Ergebnis einer Analyse dargestellt, bei welcher bestimmte Lagerspezifikationen (Abmessungen und Druckbeaufschlagung) und eine bestimmte Betriebsbedingung (Fahrzeuggeschwindigkeit (drei Stufen), Moment, Axiallast, Radiallast, Lastpunkt und variable Lastfrequenz) verwendet wurden und welche auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen dynamischen Analyseverfahrens ausgeführt worden ist. Die variable Lastfrequenz wird auf 50 Hz eingestellt.
Wie in 6 dargestellt ist, stellt man fest, dass die Funktionskurve des Neigungswinkels des Innenrings in Bezug auf das Moment eine Hysterese aufweist. Weiterhin stellt man fest, dass der Neigungswinkel eine Hysterese aufweist, die Neigungen (Nachgiebigkeiten) der jeweiligen Linien bei den jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeiten jedoch im Wesentlichen identisch sind. Dementsprechend stellt man fest, dass die Steifigkeiten der Nabenlager, bei welchen es sich um die Kehrwerte der Nachgiebigkeiten handelt, unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit im Wesentlichen identisch sind.
Als nächstes wird in 7 das Ergebnis der Berechnung des Neigungswinkels des Innenrings in Bezug auf das Lastmoment dargestellt, wenn die variable Lastfrequenz bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 10 km/h in drei Schritten verändert wird (die anderen Bedingungen sind mit den in 6 dargestellten Bedingungen identisch). Aus 7 ergibt sich zudem, dass die Steigungen der jeweiligen Linien der Neigungswinkel des Innenrings in Bezug auf das Moment im Wesentlichen identisch sind, womit die Steifigkeit des Nabenlagers nicht von der variablen Lastfrequenz abhängt.
Es wird nunmehr der Mechanismus beschrieben, wonach eine Schwankungsbreite W_H in der Funktionskurve des Neigungswinkels des Innenrings in Bezug auf das Moment verursacht wird. Die Schwankungsbreite W_H entspricht dem Ausmaß der Hysterese. Wie in 8 dargestellt ist, wird die Schwankungsbreite W_H dadurch verursacht, dass die zwischen der Kugel und der Laufbahnoberfläche wirkende Traktion in der Längsrichtung des Kontaktovals die Bewegung der Kugel in einer radialen Ebene beeinträchtigt. Der Mechanismus wird beschrieben, während das Hauptaugenmerk auf die auf die Kugel wirkende Kraft gemäß der rechten oberen Seite von 8 gelegt wird. Ein repräsentativer Zustand der auf die Kugel ausgeübten Kraft gemäß der rechten oberen Seite von 8 ist in 9(a) bis 9(c) dargestellt. 9(a) zeigt einen Zustand, in welchem sich der Innenring weiter dreht, während der Neigungswinkel des Innenrings konstant bleibt. Da sich der Innenring dreht während der Neigungswinkel des Innenrings unverändert bleibt, befindet sich in diesem Fall die Kugelmitte auf einer durch die Rillenmitte des Innenrings und die Rillenmitte des Außenrings verlaufenden Linie, womit die Normalkraft F_Ni und die Normalkraft F_No, welche vom Innenring bzw. vom Außenring auf die Kugel ausgeübt werden, auf der gleichen Linie liegen und sich gegenseitig ausgleichen (der Einfachheit halber wird die Zentrifugalkraft vernachlässigt). Die vom Innenring und vom Außenring auf die Kugel ausgeübten Traktionen wirken lediglich in der Wälzrichtung, womit die Traktionen keine Komponente innerhalb der Ebene von 9(a) aufweisen. 9(b) zeigt einen Zustand unmittelbar nach einer Vergrößerung des Neigungswinkels des Innenrings gegen den Uhrzeigersinn, in welchem die Bewegung der Kugel noch unzureichend ist. In diesem Fall verändert sich, wie in 9(b) dargestellt ist, die Richtung der Normalkraft F_Ni vom Innenring (der Einfachheit halber wird vom Innenring keine Traktion F_Ti auf die Kugel ausgeübt). Dementsprechend ist die resultierende Kraft der von den Laufbahnen auf die Kugel ausgeübten Kräfte in Richtung einer linken oberen Seite von 9(b) gerichtet. 9(c) zeigt einen Zustand unmittelbar nach dem in 9(b) dargestellten Zustand, in welchem die Kugel innerhalb der radialen Ebene bewegt wird und sich die auf die Kugel ausgeübte Kraft und das Moment gegenseitig ausgleichen. Das Ausmaß und die Richtung der Normalkraft F_Ni und der Normalkraft F_No verändern sich in Abhängigkeit von der Bewegung der Kugel, wobei die Traktion F_Ti und die Traktion F_To, welche vom Innenring und vom Außenring auf die Kugel ausgeübt werden, in der Längsrichtung des Kontaktovals aufzutreten beginnen und in Richtung einer rechten oberen Seite von 9(c) wirken. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Traktionen kann sich die Kugelmitte nicht zu der Linie bewegen, welche durch die Rillenmitte der Innenlaufbahn und die Rillenmitte der Außenlaufbahn verläuft, womit der in 9(a) dargestellte Zustand nicht vorkommt.
Als nächstes wird ein Fall beschrieben, in welchem der Neigungswinkel des Innenrings mit dem in 9 dargestellten Neigungswinkel identisch ist, der Neigungswinkel des Innenrings bei abnehmendem Lastmoment jedoch im Uhrzeigersinn verändert wird. Die von den Laufbahnen auf die Kugel ausgeübten Normalkräfte und Traktionen bei gleichzeitiger Neigung des Innenrings im Uhrzeigersinn sind in 10 dargestellt. Die vom Innenring und vom Außenring auf die Kugel ausgeübten Traktionen wirken in Richtung einer linken unteren Seite von 10, womit sich die Kugel in Bezug auf eine Linie, welche durch die Rillenmitte der Innenlaufbahn und die Rillenmitte der Außenlaufbahn verläuft, auf der linken unteren Seite von 10 befindet und sich der Winkel der Normalkraft F_Ni verringert. Infolgedessen verringert sich das Ausmaß des von der Kugel auf den Innenring ausgeübten Moments im Vergleich zu jenem, welches in 9(c) dargestellt ist. Die Traktion wird in der Längsrichtung des Kontaktovals ausgeübt, so dass die Position der Kugelmitte bei einer Veränderung des Neigungswinkels des Innenrings nicht die Position der Kugel bei konstantem Neigungswinkel der Kugel erreichen kann. Dementsprechend stellt man fest, dass die Traktion die Schwankungsbreite W_H des Neigungswinkels des Innenrings verursacht.
Sofern, wie vorstehend beschrieben ist, die Veränderung des Neigungswinkels zwischen dem Innenring und dem Außenring unter Verwendung der dynamischen Analyse durch Ausüben des sich in Abhängigkeit von der Zeit zyklisch verändernden Moments auf das Nabenlager berechnet wird, so stellt man fest, dass der Neigungswinkel eine Hysterese aufweist. Diese Hysterese repräsentiert eine Verzögerung des Ansprechverhaltens des Neigungswinkels in Bezug auf das Moment. Weiterhin stellt man gemäß der vorstehend beschriebenen Analyse fest, dass das Ausmaß W_H der Hysterese durch die in der Längsrichtung des Kontaktovals zwischen der Kugel und der Laufbahn ausgeübte Traktion bestimmt wird.
Um das Ausmaß W_H der Hysterese des Nabenlagers zu reduzieren, ist es bevorzugt, den Traktionskoeffizienten zu verringern (siehe Formel (3)). Ein übliches Nabenlager verwendet hierzu Schmierfett. In einem Fall, in welchem die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche und die Oberflächenrauheit der Kugel im Vergleich zu dem vom Grundöl des Schmierfetts gebildeten Ölfilm hinreichend gering sind, wird der Traktionskoeffizient durch die Traktionseigenschaft des Grundöls bestimmt. In einem Fall, in welchem die Oberflächenrauheit nicht gering genug ist, resultiert ein direkter Kontakt zwischen den Vorsprüngen der Oberflächen (Interferenz zwischen den Vorsprüngen), womit der Traktionskoeffizient sowohl durch die vom Ölfilm verursachte Traktion als auch durch die aufgrund der Interferenz zwischen den Vorsprüngen verursachte Traktion bestimmt wird. Aufgrund dieser Tatsache hat es sich im Hinblick auf eine Verringerung des Traktionskoeffizienten als wirksam erwiesen, die Traktionseigenschaft des Grundöls des Schmierfetts zu verbessern, wobei insbesondere ein Grundöl mit niedriger Viskosität (Mineralöl) oder ein teures, jedoch ein geringe Traktionseigenschaft aufweisendes synthetisches Öl (PAO-Öl oder dergleichen) zum Einsatz gelangt. Sofern ein Grundöl mit niedriger Viskosität oder ein synthetisches Öl mit geringer Traktionseigenschaft zum Einsatz gelangt, verringert sich die Ölfilmdicke, womit leicht eine Interferenz zwischen den Vorsprüngen verursacht wird. Dementsprechend ist es von Bedeutung, die Oberflächenrauheit zu verringern.
In diesem Zusammenhang wird eine Denkweise in Bezug auf die Interferenz zwischen den Vorsprüngen in einem herkömmlichen Nabenlager beschrieben. Eine übermäßige Interferenz zwischen den Vorsprüngen führt zu Abblätterungen oder von der Oberfläche ausgehenden Abplatzungen. Um eine übermäßige Interferenz zwischen den Vorsprüngen zu vermeiden, wurde somit eine Beziehung zwischen der Ölfilmdicke und der Oberflächenrauheit entwickelt. Insbesondere wurde dem Schmierfett ein Grundöl mit einer Viskosität zugesetzt, welche keine übermäßige Interferenz zwischen den Vorsprüngen in Bezug auf die unter Verwendung einer Bearbeitungstechnik für herkömmliche Wälzlager erzielte Oberflächenrauheit bedingt. Sofern ein Grundöl mit niedriger Viskosität zum Einsatz gelangt, verringert sich das Drehmoment des Nabenlagers bis zu einem gewissen Grad, wobei das Ausmaß der Verringerung geringer ausfällt als jenes, welches durch die Reibung der Dichtung und den Rührwiderstand des Schmierfetts verursacht wird (dieser wird weitgehend durch die Konsistenz oder die scheinbare Viskosität des Schmierfetts beeinflusst, und wird somit weitgehend durch die Zusammensetzung eines Verdickungsmittels beeinflusst). Dementsprechend wurde das Grundöl im Hinblick auf eine Verringerung des Traktionskoeffizienten nicht berücksichtigt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, welche eine Verringerung des Traktionskoeffizienten bedingt, wird zwecks Unterdrückung der Interferenz zwischen den Vorsprüngen die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche reduziert, so dass sich die Traktionseigenschaft des Grundöls des Schmierfetts verbessert. Eine Beziehung zwischen der Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche, der dynamischen Viskosität des Grundöls und dem Traktionskoeffizienten wird nachfolgend ausführlich beschrieben.
2 ist ein Beispiel für die Berechnung der Ölfilmdicke zwischen der Kugel und dem Laufbahnring in dem Nabenlager in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit. Die Dicke des Ölfilms an der Innenringseite ist etwa 15% geringer als die Dicke des Ölfilms an der Außenringseite, womit die Berechnung unter Verwendung der minimalen Ölfilmdicke hmin an der Innenringseite durchgeführt wird. Die Temperatur beträgt 40°C. Die dynamischen Viskositäten der Grundöle sind ISO VG 32 und ISO VG 10 (nachfolgend werden die Grundöle schlichtweg als P32 bzw. P10 bezeichnet). Jede Zahl entspricht der dynamischen Viskosität (mm²/s) bei 40°C. Die Viskosität von P32 liegt in der Nähe der Untergrenze des in dem Schmierfett für Nabenlager verwendeten Grundöls. P10 wird allgemein als Schmieröl für Lager verwendet. Allerdings ist die Viskosität von P10 niedriger als jene von P32, weshalb die Verwendung von P10 in Nabenlagern unüblich ist.
Durch Einstellen des Traktionskoeffizienten in dem Wälzkontaktteil des Nabenlagers auf einen kleinen Wert kann die Verzögerung des Ansprechverhaltens der Neigung zwischen dem Innenring und dem Außenring des Nabenlagers bei einer Schwankung des auf das Nabenlager auszuübenden Moments gering gehalten werden. Infolgedessen kann das Ansprechverhalten des Fahrzeugs in Bezug auf die Lenkung verbessert werden. Der Traktionskoeffizient ist eine Funktion des Filmdickenverhältnisses des von dem Schmierfett verursachten Schmierölfilms. Diese Beziehungsformel entstammt einer bekannten Beziehung zwischen dem Traktionskoeffizienten und dem Filmdickenverhältnis. Das Filmdickenverhältnis wird durch das Verhältnis h_min/σ zwischen der minimalen Filmdicke hmin des auf den Kontaktflächen von zwei Objekten gebildeten Schmierölfilms und einem zusammengesetzten quadratischen Mittenrauwert σ der Kontaktfläche repräsentiert.
Ein Beispiel für die bekannte Beziehung umfasst ein Testergebnis in Nicht-Patentdokument 2 (Muraki & Kimura, Traction Property of Lubrication Oil, 1. Bericht, 1983, 7). Die in dem Diagramm der Figur eingezeichneten Daten geben die Art des zu vermessenden Öls an. P bezeichnet ein paraffinisches Mineralöl, N bezeichnet ein naphthenisches Mineralöl, und die Ziffern bezeichnen die dynamischen Viskositäten (mm²/s) bei 40°C. Basierend auf der in der Figur dargestellten Beziehung stellt man fest, dass sich der Traktionskoeffizient in sämtlichen Schmierölen stark erhöht, wenn das Filmdickenverhältnis einen Wert von kleiner als etwa 1 annimmt. Um die Oberflächenrauheit zu untersuchen, bei welcher eine Erhöhung des Traktionskoeffizienten im tatsächlichen Einsatzbereich vermieden werden kann, wird der Traktionskoeffizient Φ mithilfe des aus der nachfolgenden Formel (1) erhaltenen Filmdickenverhältnisses A angenähert.
[Math. 6] $\emptyset = {\begin{matrix} (\emptyset_{b} - \emptyset_{h}) {(\frac{Λ− Λ_{h}}{Λ_{b} - Λ_{h}})}^{6} + \emptyset_{h} & ƒ \ddot{u} r Λ< Λ_{h} \\ \emptyset_{h} & ƒ \ddot{u} r Λ \geq Λ_{h} \end{matrix}$
Hierbei bezeichnet Φ_b einen Traktionskoeffizienten bei Grenzschmierung. Φ_h bezeichnet einen Traktionskoeffizienten bei hydrodynamischer Schmierung. Λ_b bezeichnet das Filmdickenverhältnis einer Grenze zwischen der Grenzschmierung und der hydrodynamischen Schmierung. Λ_h bezeichnet das Filmdickenverhältnis einer Grenze zwischen Mischschmierung und der hydrodynamischen Schmierung. Auf der Grundlage der Figur in Nicht-Patentdokument 2 werden die jeweiligen Werte derart festgelegt, dass Φ_b = 0.12, Φ_h = 0.03, Λ_b = 0.05 und Λ_h = 1.5 ist. Bei der Grenzschmierung trägt im Wesentlichen der Interferenzteil zwischen den Vorsprüngen die Last. Bei der hydrodynamischen Schmierung trägt der Druck des Flüssigkeitsfilms die Last. Die Mischschmierung liegt zwischen der Grenzschmierung und der hydrodynamischen Schmierung. Bei der Mischschmierung teilen sich die Interferenzen zwischen den Vorsprüngen und dem Flüssigkeitsfilm die Last und tragen diese. Im Falle von A = 3 oder mehr wird im Allgemeinen angenommen, dass der Flüssigkeitsfilm die Last vollständig trägt. Gemäß der Figur in Nicht-Patentdokument 2 stellt man fest, dass im Falle von A = etwa 1.5 die Traktionseigenschaft weitgehend von der Eigenschaft des Ölfilms abhängt und sich die von dem Interferenzteil zwischen den Vorsprüngen getragene Last weitgehend verringert. Weiterhin wird berücksichtigt, dass im Falle von A = 1.5 oder mehr ein durch die Interferenz zwischen den Vorsprüngen bedingter Verschleiß extrem gering ist, was vernachlässigt werden kann.
Die Ergebnisse der Traktionskoeffizienten in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit, welche unter Verwendung der Formel (1) untersucht wurden, sind in 3 dargestellt (Temperatur von 40°C). Ein Berechnungsbeispiel unter Verwendung der herkömmlichen Oberflächenrauheit (die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche beträgt 0.05 µmRa) und P32 als Referenz ist ebenfalls dargestellt. Für die Berechnung wird die vorstehend beschriebene Oberflächenrauheit auf jede der Laufbahnoberflächen der Laufbahnringe sowohl auf der feststehenden Seite als auch auf der drehbaren Seite angewendet. Der Traktionskoeffizient von P32 wird auf Grundlage der Figur in Nicht-Patentdokument 2 auf Φ_h = 0.05 festgelegt. Im herkömmlichen Beispiel ist das Filmdickenverhältnis groß, da die Viskosität des Grundöls, welche bei einer Geschwindigkeit von 20 km/h oder mehr zum Traktionskoeffizienten von Φ_h wird, relativ hoch ist. Man stellt fest, dass sich der Traktionskoeffizient aufgrund der Interferenz zwischen den Vorsprüngen bei einer Geschwindigkeit von weniger als 20 km/h erhöht.
Wie in 3 dargestellt ist, ist der Traktionskoeffizient in einem die gleiche Oberflächenrauheit wie die herkömmliche Oberflächenrauheit und P10 (P10, 0.05) nutzenden Beispiel in einem Geschwindigkeitsbereich von 20 km/h oder mehr kleiner als im herkömmlichen Beispiel. Der Grund hierfür liegt darin, dass Φ_h = 0.03 ist, was aufgrund der niedrigen Viskosität ein kleiner Wert ist. Bei einer Geschwindigkeit von weniger als 20 km/h ist der Traktionskoeffizient des Beispiels (P10, 0.05) größer als jener des herkömmlichen Beispiels. (P10, 0.03) und (P10, 0.014) sind die Ergebnisse von Beispielen, welche das Öl P10 und eine Oberflächenrauheit von 0.03 µmRa bzw. 0.014 µmRa nutzen. Sofern sich die Oberflächenrauheit auf 0.03 µmRa verringert, kann in einem Geschwindigkeitsbereich von 30 km/h oder mehr in hinreichendem Ausmaß eine geringe Traktionseigenschaft des Grundöls erzielt werden. Es wird angenommen, dass ein schnelles Ansprechverhalten eines Fahrzeugs bei etwa 30 km/h erforderlich ist, weshalb ein Fall, in welchem eine Oberflächenrauheit von 0.03 µmRa oder weniger sichergestellt werden kann, im Rahmen einer tatsächlichen Verwendung als akzeptabel angesehen wird. Wenn für die Oberflächenrauheit ein kleiner Wert festgelegt wird, kann zudem der Traktionskoeffizient in einem niedrigeren Geschwindigkeitsbereich gering gehalten werden. Gemäß dem in 3 dargestellten Ergebnis der Oberflächenrauheit von 0.014 µmRa kann die Traktionseigenschaft des Grundöls allerdings auch bei einer Geschwindigkeit von 10 km/h erzielt werden, so dass eine Oberflächenrauheit von weniger als 0.014 µmRa unter dem Gesichtspunkt der Bearbeitungskosten ungeeignet ist.
Um den Traktionskoeffizienten in dem Nabenlager unter Verwendung des ein niedrigviskoses Grundöl enthaltenden Schmierfetts zu verringern, wird die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche, wie vorstehend beschrieben ist, auf 0.03 µmRa oder weniger eingestellt. Es ist ausreichend, wenn die Untergrenze der Oberflächenrauheit 0.014 µmRa beträgt. Die Oberflächenrauheit der in dem Nabenlager allgemein verwendeten Kugel beträgt 0.001 umRa, was im Vergleich zur Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche extrem gering ist. Somit kann die vorstehend beschriebene Oberflächenrauheit ohne weiteres auf die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche angewendet werden. Wie in 3 dargestellt ist, beträgt der spezifische Bereich des Traktionskoeffizienten bei 40°C und bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 20 km/h oder mehr 0.04 oder weniger.
In der vorstehend beschriebenen dynamischen Analyse des Nabenlagers, welche die Traktionen des Innenrings und des Außenrings betrifft, ist die Traktion auf der feststehenden Ringseite größer als die Traktion auf der drehbaren Ringseite. Der Grund hierfür ist wie folgt. Der drehbare Ring, an welchem der Reifen montiert ist, vollzieht aufgrund einer Drehlast eine Schwingung relativ zu dem an der Fahrzeugkarosserie montierten feststehenden Ring. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich die Kugel in einer Richtung, welche mit der Bewegung der Laufbahnoberfläche auf der schwingenden Seite übereinstimmt, weshalb angenommen wird, dass die Gleitgeschwindigkeit in der axialen Richtung im Vergleich zum Kontaktteil des feststehenden Rings einen großen Wert annimmt. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die Oberflächenrauheit der vorstehend beschriebenen Laufbahnoberfläche zumindest auf die Laufbahnoberfläche des feststehenden Rings angewendet wird, auf welcher ein stärkeres Gleiten verursacht wird und die Traktion einer Erhöhung unterliegt. Die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche kann auch lediglich auf die Laufbahnoberfläche des feststehenden Rings angewendet werden.
In dem in den Figuren dargestellten Beispiel dient der Außenring als Laufbahnring für die feststehende Seite, und dienen das Nabenrad und der Innenring als Laufbahnring für die drehbare Seite; allerdings kann die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise auch auf eine Konfiguration angewendet werden, in welcher die feststehende Seite und die drehbare Seite vertauscht sind. Auch in diesem Fall wird auf der Laufbahnoberfläche des feststehenden Rings ein starkes Gleiten verursacht und unterliegt die Traktion einer Erhöhung, womit es bevorzugt ist, dass die spezifische Oberflächenrauheit zumindest auf die Laufbahnoberfläche des feststehenden Rings angewendet wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Nabenlager der vorliegenden Erfindung kann die Verzögerung des Ansprechverhaltens des Nabenlagers reduzieren und die Lenkstabilität des Fahrzeugs verbessern, womit das Nabenlager der vorliegenden Erfindung weithin als Nabenlager verwendet werden kann, welches Räder verschiedener Fahrzeuge drehbar trägt. Weiterhin kann das Nabenlager der vorliegenden Erfindung bevorzugt auch als Nabenlager verwendet werden, welches nach der zukünftigen Entwicklung einer automatischen Fahrtechnologie für Fahrzeuge zum Einsatz gelangt, so dass ein Computer die Lenkung des Fahrzeugs steuert.
Bezugszeichenliste

1: Nabenlager
2: Außenring
3: Nabenrad
4: Kugel
5: Innenring
6: Nabenbolzen
7: Käfig
8, 9: Dichtung
10: Innenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H11303861 A [0006]
JP 2013203318 A [0006]

Claims

Nabenlager für Fahrzeuge, wobei das Nabenlager umfasst: einen Laufbahnring für die feststehende Seite; einen Laufbahnring für die drehbare Seite; eine Vielzahl von Wälzkörpern, welche zwischen einer Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und einer Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite angeordnet sind; und Schmierfett, welches ein Wälzkontaktteil zwischen jeder der Laufbahnoberflächen und den Wälzkörpern schmiert, wobei die Oberflächenrauheit zumindest einer Laufbahnoberfläche ausgewählt aus der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite und der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die drehbare Seite in dem Wälzkontaktteil 0.030 µmRa oder weniger beträgt.
Nabenlager gemäß Anspruch 1, wobei die Oberflächenrauheit der Laufbahnoberfläche des Laufbahnrings für die feststehende Seite 0.030 µmRa oder weniger beträgt.
Nabenlager gemäß Anspruch 1, wobei das Schmierfett derart konfiguriert ist, dass der Traktionskoeffizient in dem Wälzkontaktteil bei 40°C und bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 20 km/h oder mehr 0.04 oder weniger beträgt.
Nabenlager gemäß Anspruch 1, wobei die dynamische Viskosität eines Grundöls des Schmierfetts bei 40°C weniger als 30 mm²/s beträgt.
Nabenlager gemäß Anspruch 1, wobei die Oberflächenrauheit der ausgewählten Laufbahnoberfläche 0.010 bis 0.030 µmRa beträgt.