JP2004353746A

JP2004353746A - Roller bearing unit for wheel support

Info

Publication number: JP2004353746A
Application number: JP2003151320A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Uyama; 英幸宇山; Yuji Miyamoto; 祐司宮本; Shigeru Okita; 滋沖田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a roller bearing unit for a wheel support with a long life. <P>SOLUTION: The roller bearing unit 1 for a wheel support comprises a hub wheel 2 having a flange 10 for mounting wheels and a first inner ring raceway 20a on its outer periphery, an inner ring 3 integrally fixed on the hub wheel 2 and having a second inner ring raceway 20b on its outer periphery, an outer ring 4 having a first outer ring raceway 21a corresponding to the first inner ring raceway 20a and a second outer ring 21b corresponding to the second inner ring raceway 20b, and two rows of rolling bodies 5 rotatably arranged. The inner ring 3 is comprised of an alloy in which a former austenite crystal grain size is 10 or more at a grain size number specified in JIS G0551 standard, and surface hardness of the second inner ring raceway 20b is set to be HRC58 to 63. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の車輪支持用として用いられる転がり軸受ユニットは、２つの軌道輪を有する内方部材及び外方部材と、内方部材の２つの軌道輪と外方部材との間にそれぞれ回転自在に配設された二列の転動体と、転動体を等配に保持する保持器等とで構成されている。前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方は、転がり軸受ユニットを車輪又は車体に取り付けるためのフランジを有している場合が多く、このフランジには取り付け用のボルト穴が設けられている。
【０００３】
例えば、内方部材と外方部材との両方がフランジを有する場合には、フランジを備えた外輪により外方部材が構成され、一体的に固定されたハブ輪と内輪とにより内方部材が構成される。そして、ハブ輪はフランジと第１の軌道面とを有し、内輪は第２の軌道面を有している。
このように、車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する部材はフランジを有しているため、フランジを有していない通常の転がり軸受と比較して、複雑な形状となっている。そのため、フランジを有する外輪及びハブ輪は、熱間鍛造性，切削性，穴あけ加工性の観点から、０．５質量％程度の炭素（Ｃ）を含む中炭素鋼を素材とし、高周波焼入れによって軌道面周辺の表面を硬化させて使用する場合が多い。
【０００４】
一方、フランジを有していない内輪は、高炭素鋼を素材とし、炉加熱焼き入れによって表面から芯部まで硬化させて（すなわち、ずぶ焼入れを施して）使用する場合が多い。内輪の素材として高炭素鋼を用いる理由は、車輪支持用転がり軸受ユニットが使用される際には、ハブ輪が有する第１の軌道面よりも内輪が有する第２の軌道面の方に高い荷重が負荷され、転がり寿命の点から内輪の方が厳しい条件で使用されるためである。
このような車輪支持用転がり軸受ユニットの転がり寿命を向上させるため、特開２００２−２１８５８号公報には、内輪を浸炭鋼で形成したうえ浸炭処理を施した転がり軸受ユニットが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２１８５８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常の転がり軸受が使用される際には、軌道面に負荷される転動体からの圧縮応力は、材料内部に対してせん断応力として作用する。よって、転がり軸受においては、繰り返しせん断応力による転がり疲労に対する対策を施すことによって、軸受の長寿命化がなされてきた。前記公報に記載の技術も、この考え方に基づいてなされたものと推定される。
【０００７】
しかしながら、車輪支持用転がり軸受ユニットにおいては、フランジが車輪又は車体に固定された状態で荷重が負荷されるため、転がり軸受ユニット全体に曲げモーメントが作用する。そして、この曲げモーメントに起因して、内輪の軌道面には引張応力が負荷される。よって、内輪の軌道面には、転動体からの繰り返しせん断応力に加えて引張応力が負荷されるため、この引張応力に対する対策を施さない場合は、軸受寿命が短寿命となる場合があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記のような従来技術の問題点を解決し、フランジを有する車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、内輪の軌道面に、転動体からの繰り返しせん断応力に加えて引張応力が負荷された場合にも、長寿命な車輪支持用転がり軸受ユニットを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の車輪支持用転がり軸受ユニットは、フランジ及び第一軌道面を外面に有するハブ輪と第二軌道面を外面に有する内輪とが一体的に固定されてなる内方部材と、前記第一軌道面に対向する軌道面及び前記第二軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配置された外方部材と、前記内方部材の軌道面と前記外方部材の軌道面との間に転動自在に配設された複列の転動体と、を備えるとともに、前記内方部材及び前記外方部材の一方が回転輪、他方が固定輪とされる車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記内輪は、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳＧ０５５１に規定された粒度番号で１０以上である合金鋼で構成されているとともに、前記第二軌道面の表面硬さはＨＲＣ５８〜６３であることを特徴とする。
【００１０】
転動体から負荷される繰り返しせん断応力に対する対策としては、通常の軸受の場合と同様に、軌道面の表面硬さを高くすることが有効である。第二軌道面の表面硬さがＨＲＣ５８未満であると、転動体から負荷される繰り返しせん断応力に耐えられず、転がり寿命が低下するおそれがある。ただし、表面硬さがＨＲＣ６３を超えると靱性が低下するので好ましくない。
【００１１】
また、転がり軸受ユニット全体に作用する曲げモーメントに起因して、内輪の軌道面に引張応力が負荷されると、結晶粒界に応力が集中し、転がり疲労による亀裂の発生及び進展が生じやすくなるため、転がり寿命が低下する場合がある。しかしながら、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、旧オーステナイト結晶粒が微細な合金鋼で内輪が構成されているので、旧オーステナイト結晶粒界への応力集中が緩和される。その結果、転がり疲労による亀裂の発生及び進展が抑制され、前記引張応力に起因する転がり寿命の低下が抑制される。
【００１２】
旧オーステナイト結晶粒度が前記粒度番号で１０未満であると、車輪支持用転がり軸受ユニットの転がり寿命が不十分となるおそれがある。転がり寿命を十分に長寿命とするためには、旧オーステナイト結晶粒度は前記粒度番号で１１以上とすることが好ましい。
また、本発明に係る請求項２の車輪支持用転がり軸受ユニットは、請求項１に記載の車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記合金鋼は、０．９〜１．１質量％の炭素、１．０〜２．０質量％のクロム、０．１〜２．０質量％のマンガン、０．１〜１．０質量％のケイ素、０．０１〜０．０５質量％のアルミニウム、０．００５〜０．０２質量％の窒素、０．０１０質量％以下のイオウ、０．０２０質量％以下のリン、１５ｐｐｍ以下の酸素を含有し、残部が鉄及び不可避的な不純物であることを特徴とする。
【００１３】
上記のような合金鋼は旧オーステナイト結晶粒が微細であるので、該合金鋼で内輪が構成された車輪支持用転がり軸受ユニットは、曲げモーメントに起因する引張応力が内輪の軌道面に負荷されても、より長寿命である。
以下に、請求項２の発明における合金鋼に含有される各元素について説明する。特に、炭素（Ｃ）及びクロム（Ｃｒ）の含有量、アルミニウム（Ａｌ）及び窒素（Ｎ）の含有量、並びに、イオウ（Ｓ）及びリン（Ｐ）の含有量を、それぞれ後述のように規定したことにより、車輪支持用転がり軸受ユニットの長寿命化が達成されるものである。
【００１４】
〔炭素及びクロムについて〕
内輪は、球状化焼鈍しにより硬さを低下させた後、機械加工によって所定の形状とし、さらに焼入れ，焼き戻しを行った後、研磨加工によって完成形状とする。Ｃは、球状化焼鈍し時に、合金鋼中でＦｅ_３Ｃ等の炭化物を生成させる。その際Ｃｒは炭化物の生成を促進し、生成した炭化物を安定化する効果を有する。焼入れ時に内輪を加熱した際に生成した炭化物は、ピン止め効果によって、旧オーステナイト結晶粒が粗大化することを抑制する効果を有する。
【００１５】
Ｃが０．９質量％未満であると、合金鋼中の炭化物の量が少なくなるため、十分なピン止め効果が得られない。ただし、１．１質量％を超えると、加工性及び靭性が低下する。
一方、Ｃｒが１．０質量％未満であると、球状化焼鈍し時の炭化物の生成量が少なくなり、さらに焼入れ時に加熱した際に炭化物が溶けて消失しやすくなるため、十分なピン止め効果が得られない。ただし、Ｃｒが２．０質量％を超えると、加工性が低下する。
【００１６】
〔アルミニウム及び窒素について〕
ＡｌとＮは製鋼過程でＡｌＮを生成する。このＡｌＮは、炭化物と同様に、ピン止め効果によって、旧オーステナイト結晶粒が粗大化することを抑制する効果を有する。
Ａｌが０．０１質量％未満であると、ＡｌＮの生成量が少なくなるため、十分なピン止め効果が得られない。ただし、０．０５質量％を超えると、Ａｌ_２Ｏ_３等の非金属介在物の量が増加するため、転がり寿命が低下する場合がある。旧オーステナイト結晶粒を安定的に微細化するためには、Ａｌの含有量は０．０２〜０．０５質量％であることがより好ましい。
【００１７】
一方、Ｎが０．００５質量％未満であると、ＡｌＮの生成量が少なくなるため、十分なピン止め効果が得られない。ただし、０．０２質量％を超えると、ＴｉＮ等の非金属介在物の量が増加するため、転がり寿命が低下する場合がある。旧オーステナイト結晶粒を安定的に微細化するためには、Ｎの含有量は０．０１〜０．０２質量％であることがより好ましい。
【００１８】
〔イオウ及びリンについて〕
Ｓ及びＰは旧オーステナイト結晶粒界に偏析しやすく、結晶粒界の強度を低下させる。よって、Ｓ及びＰの量は少ない方が好ましい。Ｓが０．０１０質量％を超えるか、又は、Ｐが０．０２０質量％を超えると、結晶粒界の強度が低下するため、転がり寿命が低下する場合がある。転がり寿命をより長寿命とするためには、Ｓの含有量は０．００７質量％以下、Ｐの含有量は０．０１５質量％以下であることがより好ましい。
【００１９】
〔マンガンについて〕
マンガン（Ｍｎ）は、合金鋼の焼入れ性を向上させる効果がある。０．１質量％未満であると、焼入れ性が不足し、優れた転がり寿命を付与するために必要な硬さが得られないおそれがある。ただし、２．０質量％を超えると加工性が低下する。
【００２０】
〔ケイ素について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、合金鋼の焼入れ性を向上させる効果がある。０．１質量％未満であると、焼入れ性が不足し、優れた転がり寿命を付与するために必要な硬さが得られないおそれがある。ただし、１．０質量％を超えると加工性が低下する。
【００２１】
〔酸素について〕
酸素（Ｏ）は合金鋼中で非金属介在物を形成し、転がり寿命を低下させる原因となる。よって、Ｏの含有量は少ない方が好ましい。Ｏの含有量が１５ｐｐｍを超えると、非金属介在物の量が多くなって、転がり寿命が低下する場合がある。転がり寿命の向上を安定化するためには、Ｏの含有量は１０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。
【００２２】
さらに、本発明に係る請求項３の車輪支持用転がり軸受ユニットは、請求項２に記載の車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記合金鋼は、さらに０．０３〜０．１５質量％のバナジウム、０．０３〜０．１５質量％のニオブ、０．０３〜０．１５質量％のチタンのうちの少なくとも１種を含有することを特徴とする。
【００２３】
上記のような合金鋼は、旧オーステナイト結晶粒の微細化が安定的に生じるので、該合金鋼で内輪が構成された車輪支持用転がり軸受ユニットは、曲げモーメントに起因する引張応力が内輪の軌道面に負荷されても、より長寿命である。以下に、請求項３の発明における合金鋼に含有される各元素について説明する。
バナジウム（Ｖ），ニオブ（Ｎｂ），チタン（Ｔｉ）は、合金鋼中の炭素と結合して、化学的に安定な炭化物を形成しやすい。これらの炭化物は焼入れ時に溶解しにくいため、合金鋼をオーステナイト化した際に、ピン止め効果によって結晶粒の成長を抑制し、旧オーステナイト結晶粒を微細化する効果を有する。よって、３元素のうち少なくとも１種を含有することによって、結晶粒を安定的に微細化することができる。
【００２４】
Ｖが０．０３質量％未満であると、旧オーステナイト結晶粒を微細化させる効果が小さい。ただし、Ｖが０．１５質量％を超えると、炭化物は硬さが高いため加工性が低下する。
Ｎｂが０．０３質量％未満であると、旧オーステナイト結晶粒を微細化させる効果が小さい。ただし、Ｎｂが０．１５質量％を超えると、炭化物は硬さが高いため加工性が低下する。
Ｔｉが０．０３質量％未満であると、旧オーステナイト結晶粒を微細化させる効果が小さい。ただし、Ｔｉが０．１５質量％を超えると、炭化物は硬さが高いため加工性が低下する。
【００２５】
なお、前述のような合金鋼で内輪を構成した場合でも、焼入れ温度が高すぎると、オーステナイト結晶粒の成長を抑制することができない場合がある。よって、内輪の焼入れ時の加熱保持温度は８１０〜８５０℃とすることが好ましい。８１０℃未満であると、硬度が低下し、十分な転がり寿命が得られないおそれがある。一方、８５０℃を超えると、焼入れ後の旧オーステナイト結晶粒が大きくなり、曲げモーメントに起因する引張応力が内輪の軌道面に負荷された場合に、転がり寿命が不十分となるおそれがある。生産の安定性を考慮すると、焼入れ温度は８１５〜８４０℃とすることがより好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一実施形態を示す部分縦断面図である。この車輪支持用転がり軸受ユニット１は、ハブ輪２，内輪３，外輪４，二列の転動体５，及び樹脂製保持器６を備えており、ハブ輪２の外周面の外端側部分には、図示しない車輪を支持するための車輪取り付け用フランジ１０が設けられている。
【００２７】
なお、本実施形態においては、車輪支持用転がり軸受ユニット１を自動車に取り付けた状態において、自動車の幅方向外側を向いた部分を外端側部分と称し、幅方向中央側を向いた部分を内端側部分と称する。すなわち、図１においては、左側が外端側となり、右側が内端側となる。
また、ハブ輪２の内端側部分には外径の小さい小径段部８が形成されており、該小径段部８に内輪３が嵌め込まれている。ハブ輪２の内端側部分は円筒状に形成されており、該円筒部９が径方向外方に加締め広げられて、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されている。なお、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが、本発明の構成要件である内方部材に相当し、外輪４が本発明の構成要件である外方部材に相当する。
【００２８】
ハブ輪２の外周面の軸方向中間部及び内輪３の外周面には、それぞれ軌道面が形成され、内輪軌道面２０ａ，２０ｂとされている（以降においては、ハブ輪２の外周面に形成された軌道面を第一内輪軌道面２０ａと記し、内輪３の外周面に形成された軌道面を第二内輪軌道面２０ｂと記すことがある）。また、外輪４の内周面には前記両内輪軌道面２０ａ，２０ｂに対応する外輪軌道面２１ａ，２１ｂが形成されている（以降においては、第一内輪軌道面２０ａに対応する軌道面を第一外輪軌道面２１ａと記し、第二内輪軌道面２０ｂに対応する軌道面を第二外輪軌道面２１ｂと記すことがある）。さらに、内輪軌道面２０ａ，２０ｂと外輪軌道面２１ａ，２１ｂとの間には、それぞれ複数の転動体５が転動自在に配置されている。そして、外輪４の外周面には、車輪取り付け用フランジ１０から離間する側の端部に、懸架装置取り付け用フランジ１１が設けられている。
【００２９】
この車輪支持用転がり軸受ユニット１においては、内輪３は、旧オーステナイト結晶粒度がＪＩＳＧ０５５１に規定された粒度番号で１０以上である合金鋼で構成されており、第二内輪軌道面２０ｂの表面硬さはＨＲＣ５８〜６３である。また、ハブ輪２及び外輪４は炭素鋼Ｓ５３Ｃで構成されている。さらに、転動体５は軸受鋼ＳＵＪ２で構成されており、ピッチ径は４９ｍｍである。
【００３０】
このような車輪支持用転がり軸受ユニット１を自動車に組み付けるには、外輪４の懸架装置取り付け用フランジ１１を懸架装置に固定し、ハブ輪２の車輪取り付け用フランジ１０に車輪を固定する。これにより、車輪を懸架装置に対して回転自在に支持することができる。
なお、図１の例では転動体５として玉を使用しているが、質量の大きい車輪支持用転がり軸受ユニットの場合には、転動体５としてテーパころ等のころを使用する場合もある。
【００３１】
次に、内輪の構成以外は上記車輪支持用転がり軸受ユニット１と同様の構成を有する種々の車輪支持用転がり軸受ユニットを用意して、回転試験によってその転がり寿命を評価した。試験した車輪支持用転がり軸受ユニットの内輪は、表１に示す通り、種々の合金鋼で構成され、種々の焼入れ温度で熱処理されている。焼入れ温度を変更することによって、旧オーステナイト結晶粒度が異なる合金鋼で構成された内輪が得られる。旧オーステナイト結晶粒度（ＪＩＳＧ０５５１に規定された粒度番号）は表１に示す通りである。なお、各合金鋼の組成は表２に示す通りである。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
このような車輪支持用転がり軸受ユニットを回転試験機に装着し、ラジアル荷重６０００Ｎ及びアキシアル荷重３５００Ｎを負荷して、回転速度１０００ｍｉｎ^−１で回転させた（外輪は固定し、ハブ輪及び内輪を回転させた）。そして、回転試験機に取り付けた振動計の値が、試験開始時の値の３倍になった時点を、軸受ユニットの転がり寿命と判定した。なお、比較例６の転がり寿命の５倍の時間回転試験を行っても転がり寿命に至らなかった場合は、試験を打ち切った。
【００３５】
試験結果を表１及び図２に示す。なお、表１及び図２に示した転がり寿命の数値は、最も寿命が短かった比較例６の転がり寿命を１．０とした場合の相対値で示してある。
実施例１〜９は、焼入れ温度を調整して、内輪の旧オーステナイト結晶粒径を微細（粒度番号が１０以上）にしたものである。よって、曲げモーメントに起因する引張応力が負荷される場合でも、転がり寿命が良好である。それに対して、比較例１〜６は、旧オーステナイト結晶粒径が大きいので、転がり寿命が短かった。
【００３６】
次に、転がり寿命に対する合金成分の影響を調べるため、表３，４に示すような内輪を備える車輪支持用転がり軸受ユニットを用意して、前述と同様の転がり試験を行った。なお、内輪の構成以外は、前述の車輪支持用転がり軸受ユニット１と同様の構成である。また、各合金鋼の組成は表２に示す通りである。
【００３７】
【表３】

【００３８】
【表４】

【００３９】
試験結果を表３，４に併せて示す。なお、表３，４に示した転がり寿命の数値は、前述の比較例６の転がり寿命を１．０とした場合の相対値で示してある。
実施例１１〜２５は、本発明で規定する所定の合金成分を有する合金鋼で内輪が構成されているため、旧オーステナイト結晶粒径が小さく、さらに、旧オーステナイト結晶粒界の強度も強い。よって、曲げモーメントに起因する引張応力が負荷される場合でも、転がり寿命が良好である。特に、実施例２０〜２５は、より好ましい合金成分を有する合金鋼で内輪が構成されているため、転がり寿命がより良好である。
【００４０】
それに対して、比較例１１〜１３及び比較例１７〜１９は、本発明の規定から外れた合金成分を有する合金鋼で内輪が構成されているため、旧オーステナイト結晶粒径が大きい。よって、転がり寿命が短かった。また、比較例１４〜１６は、旧オーステナイト結晶粒径は小さいが、Ｐ及びＳの量が多いことにより旧オーステナイト結晶粒界の強度が低いため、転がり寿命が若干短かった。
【００４１】
さらに、転がり寿命に対する合金成分の影響を調べるため、表５に示すような内輪を備える車輪支持用転がり軸受ユニットを用意して、前述と同様の転がり試験を行った。なお、内輪の構成以外は、前述の車輪支持用転がり軸受ユニット１と同様の構成である。また、各合金鋼の組成は表２に示す通りである。
【００４２】
【表５】

【００４３】
試験結果を表５に併せて示す。なお、表５に示した転がり寿命の数値は、前述の比較例６の転がり寿命を１．０とした場合の相対値で示してある。
実施例３１〜３９は、本発明で規定する所定の合金成分を有する合金鋼（特にＶ，Ｎｂ，Ｔｉのうち少なくとも１種を有している）で内輪が構成されているため、旧オーステナイト結晶粒径が安定的に微細化されている。よって、曲げモーメントに起因する引張応力が負荷される場合でも、転がり寿命が良好であり、しかも転がり寿命が安定していた。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、旧オーステナイト結晶粒が微細な合金鋼で内輪が構成されているとともに、内輪の第二軌道面の表面硬さがＨＲＣ５８〜６３であるので、曲げモーメントに起因する引張応力が内輪の第二軌道面に負荷される場合でも長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一実施形態を示す部分縦断面図である。
【図２】車輪支持用転がり軸受ユニットの転がり寿命と合金鋼の旧オーステナイト結晶粒度との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１車輪支持用転がり軸受ユニット
２ハブ輪
３内輪
４外輪
５転動体
１０車輪取り付け用フランジ
１１懸架装置取り付け用フランジ
２０ａ第一内輪軌道面
２０ｂ第二内輪軌道面
２１ａ第一外輪軌道面
２１ｂ第二外輪軌道面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wheel-supporting rolling bearing unit that rotatably supports a vehicle wheel with respect to a suspension device.
[0002]
[Prior art]
Rolling bearing units used for supporting automobile wheels are rotatably disposed between an inner member and an outer member having two race rings, and between the two race rings and the outer member of the inner member. The two rows of rolling elements and a cage or the like that holds the rolling elements in a uniform arrangement. In many cases, at least one of the inner member and the outer member has a flange for attaching the rolling bearing unit to a wheel or a vehicle body, and this flange is provided with a bolt hole for attachment.
[0003]
For example, when both the inner member and the outer member have flanges, the outer member is constituted by the outer ring provided with the flange, and the inner member is constituted by the hub ring and the inner ring fixed integrally. Is done. The hub ring has a flange and a first raceway surface, and the inner ring has a second raceway surface.
Thus, since the member which comprises the rolling bearing unit for wheel support has a flange, it is a complicated shape compared with the normal rolling bearing which does not have a flange. For this reason, the outer ring and hub ring having flanges are made of medium carbon steel containing about 0.5% by mass of carbon (C) from the viewpoint of hot forgeability, machinability, and drillability, and are tracked by induction hardening. In many cases, the surface around the surface is cured.
[0004]
On the other hand, the inner ring having no flange is often made of high carbon steel and cured from the surface to the core by furnace heating (that is, subjected to continuous quenching). The reason why high carbon steel is used as the material for the inner ring is that, when a rolling bearing unit for supporting a wheel is used, a higher load is applied to the second raceway surface of the inner ring than to the first raceway surface of the hub ring. This is because the inner ring is used under severe conditions in terms of rolling life.
In order to improve the rolling life of such a wheel-supporting rolling bearing unit, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-21858 discloses a rolling bearing unit in which an inner ring is made of carburized steel and then carburized.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-21858
[Problems to be solved by the invention]
When a normal rolling bearing is used, the compressive stress from the rolling elements loaded on the raceway surface acts as a shear stress on the inside of the material. Therefore, in rolling bearings, the life of bearings has been extended by taking measures against rolling fatigue due to repeated shear stress. It is presumed that the technique described in the publication is also based on this concept.
[0007]
However, in the wheel support rolling bearing unit, since a load is applied in a state where the flange is fixed to the wheel or the vehicle body, a bending moment acts on the entire rolling bearing unit. Due to this bending moment, tensile stress is applied to the raceway surface of the inner ring. Therefore, since the tensile stress is applied to the raceway surface of the inner ring in addition to the repeated shear stress from the rolling elements, the bearing life may be shortened if no countermeasure is taken against this tensile stress.
[0008]
Therefore, the present invention solves the above-described problems of the prior art, and in the wheel bearing rolling bearing unit having a flange, a tensile stress is applied to the raceway surface of the inner ring in addition to the repeated shear stress from the rolling elements. In this case, it is an object to provide a rolling bearing unit for supporting a wheel having a long life.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention has the following configuration. That is, the rolling bearing unit for supporting a wheel according to claim 1 of the present invention includes an inner ring in which a hub ring having a flange and a first raceway surface on an outer surface and an inner ring having a second raceway surface on an outer surface are integrally fixed. A lateral member, an outer member having a raceway surface facing the first raceway surface and a raceway surface facing the second raceway surface, disposed on the outer side of the inner member, and a raceway of the inner member And a double row rolling element disposed between the surface and the raceway surface of the outer member, and one of the inner member and the outer member is a rotating wheel and the other is fixed. In the wheel support rolling bearing unit to be a ring, the inner ring is made of alloy steel having a grain size number of 10 or more as defined in JIS G0551, and the surface of the second raceway surface. Hardness should be HRC58-63 It is characterized by.
[0010]
As a countermeasure against repeated shear stress loaded from the rolling elements, it is effective to increase the surface hardness of the raceway surface as in the case of a normal bearing. If the surface hardness of the second raceway surface is less than HRC58, it cannot withstand repeated shear stress applied from the rolling elements, and the rolling life may be reduced. However, if the surface hardness exceeds HRC63, the toughness decreases, which is not preferable.
[0011]
In addition, when tensile stress is applied to the raceway surface of the inner ring due to the bending moment acting on the entire rolling bearing unit, the stress concentrates on the crystal grain boundary, and cracking due to rolling fatigue is likely to occur and progress. Therefore, the rolling life may be reduced. However, in the rolling bearing unit for supporting a wheel according to the present invention, the inner ring is made of an alloy steel having fine old austenite crystal grains, so stress concentration on the old austenite crystal grain boundary is alleviated. As a result, the generation and propagation of cracks due to rolling fatigue are suppressed, and the reduction of the rolling life due to the tensile stress is suppressed.
[0012]
If the prior austenite grain size is less than 10 in the grain size number, the rolling life of the wheel bearing rolling bearing unit may be insufficient. In order to make the rolling life sufficiently long, the prior austenite grain size is preferably 11 or more in terms of the grain size number.
Further, the wheel support rolling bearing unit according to claim 2 of the present invention is the wheel support rolling bearing unit according to claim 1, wherein the alloy steel contains 0.9 to 1.1 mass% carbon, 1 0.0-2.0 mass% chromium, 0.1-2.0 mass% manganese, 0.1-1.0 mass% silicon, 0.01-0.05 mass% aluminum, 0.005 -0.02 mass% nitrogen, 0.010 mass% or less sulfur, 0.020 mass% or less phosphorus, 15 ppm or less oxygen, the balance being iron and inevitable impurities .
[0013]
Since the alloy steel as described above has fine old austenite grains, the rolling bearing unit for supporting a wheel, in which the inner ring is composed of the alloy steel, is loaded with the tensile stress caused by the bending moment on the raceway surface of the inner ring. Even longer life.
Below, each element contained in the alloy steel in the invention of Claim 2 is demonstrated. In particular, the contents of carbon (C) and chromium (Cr), the contents of aluminum (Al) and nitrogen (N), and the contents of sulfur (S) and phosphorus (P) are respectively defined as described below. As a result, the life of the wheel-supporting rolling bearing unit can be extended.
[0014]
[About carbon and chromium]
The inner ring is reduced in hardness by spheroidizing annealing and then machined to a predetermined shape, and further quenched and tempered, and then finished to a finished shape by polishing. C generates carbides such as Fe ₃ C in the alloy steel during spheroidizing annealing. At that time, Cr has an effect of promoting the formation of carbide and stabilizing the generated carbide. The carbide generated when the inner ring is heated during quenching has an effect of suppressing the coarsening of the prior austenite crystal grains due to the pinning effect.
[0015]
When C is less than 0.9% by mass, the amount of carbide in the alloy steel is reduced, so that a sufficient pinning effect cannot be obtained. However, when it exceeds 1.1 mass%, workability and toughness will fall.
On the other hand, if Cr is less than 1.0% by mass, the amount of carbide generated during spheroidizing annealing is reduced, and when heated during quenching, the carbide tends to melt and disappear, so a sufficient pinning effect Cannot be obtained. However, when Cr exceeds 2.0 mass%, workability will fall.
[0016]
[About aluminum and nitrogen]
Al and N generate AlN during the steel making process. This AlN has an effect of suppressing the coarsening of the prior austenite crystal grains due to the pinning effect, like the carbide.
If the Al content is less than 0.01% by mass, the amount of AlN produced is reduced, and a sufficient pinning effect cannot be obtained. However, if it exceeds 0.05 mass%, the amount of non-metallic inclusions such as Al ₂ O ₃ increases, so the rolling life may be reduced. In order to stably refine the prior austenite crystal grains, the Al content is more preferably 0.02 to 0.05% by mass.
[0017]
On the other hand, when N is less than 0.005% by mass, the amount of AlN produced is reduced, so that a sufficient pinning effect cannot be obtained. However, if it exceeds 0.02% by mass, the amount of non-metallic inclusions such as TiN increases, which may reduce the rolling life. In order to stably refine the prior austenite crystal grains, the N content is more preferably 0.01 to 0.02% by mass.
[0018]
[About sulfur and phosphorus]
S and P are easily segregated in the prior austenite grain boundaries, and lower the strength of the grain boundaries. Therefore, it is preferable that the amount of S and P is small. When S exceeds 0.010 mass% or P exceeds 0.020 mass%, the strength of the crystal grain boundaries decreases, and the rolling life may decrease. In order to make the rolling life longer, it is more preferable that the S content is 0.007% by mass or less and the P content is 0.015% by mass or less.
[0019]
[About manganese]
Manganese (Mn) has the effect of improving the hardenability of the alloy steel. If it is less than 0.1% by mass, the hardenability is insufficient, and there is a possibility that the hardness necessary for imparting an excellent rolling life cannot be obtained. However, when it exceeds 2.0 mass%, workability will fall.
[0020]
[About silicon]
Silicon (Si) has the effect of improving the hardenability of the alloy steel. If it is less than 0.1% by mass, the hardenability is insufficient, and there is a possibility that the hardness necessary for imparting an excellent rolling life cannot be obtained. However, when it exceeds 1.0 mass%, workability will fall.
[0021]
[About oxygen]
Oxygen (O) forms non-metallic inclusions in the alloy steel and causes a reduction in rolling life. Therefore, it is preferable that the content of O is small. If the O content exceeds 15 ppm, the amount of non-metallic inclusions increases, and the rolling life may be reduced. In order to stabilize the improvement of the rolling life, the O content is more preferably 10 ppm or less.
[0022]
Furthermore, the rolling bearing unit for wheel support according to claim 3 according to the present invention is the rolling bearing unit for wheel support according to claim 2, wherein the alloy steel further contains 0.03 to 0.15% by mass of vanadium, It contains at least one of 0.03 to 0.15% by mass of niobium and 0.03 to 0.15% by mass of titanium.
[0023]
The alloy steel as described above has a stable refinement of prior austenite crystal grains. Therefore, the rolling bearing unit for supporting a wheel in which the inner ring is made of the alloy steel has a tensile stress caused by a bending moment caused by the inner ring raceway. Even if it is loaded on the surface, it has a longer life. Below, each element contained in the alloy steel in the invention of Claim 3 is demonstrated.
Vanadium (V), niobium (Nb), and titanium (Ti) are easily bonded to carbon in the alloy steel to form a chemically stable carbide. Since these carbides are difficult to dissolve during quenching, when the alloy steel is austenitized, it has the effect of suppressing the growth of crystal grains by the pinning effect and refining the prior austenite crystal grains. Therefore, crystal grains can be stably refined by containing at least one of the three elements.
[0024]
When V is less than 0.03% by mass, the effect of refining prior austenite crystal grains is small. However, if V exceeds 0.15% by mass, the workability is deteriorated because the carbide has high hardness.
When Nb is less than 0.03% by mass, the effect of refining prior austenite crystal grains is small. However, when Nb exceeds 0.15 mass%, the workability is deteriorated because the carbide has high hardness.
When Ti is less than 0.03% by mass, the effect of refining prior austenite crystal grains is small. However, when Ti exceeds 0.15 mass%, the workability is deteriorated because the carbide has high hardness.
[0025]
Even when the inner ring is made of alloy steel as described above, if the quenching temperature is too high, the growth of austenite crystal grains may not be suppressed. Therefore, the heating and holding temperature during quenching of the inner ring is preferably 810 to 850 ° C. If it is lower than 810 ° C., the hardness is lowered and there is a possibility that a sufficient rolling life cannot be obtained. On the other hand, when the temperature exceeds 850 ° C., the prior austenite crystal grains after quenching become large, and when the tensile stress resulting from the bending moment is loaded on the raceway surface of the inner ring, the rolling life may be insufficient. Considering production stability, the quenching temperature is more preferably 815 to 840 ° C.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of a wheel bearing rolling bearing unit according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this embodiment shows an example of this invention and this invention is not limited to this embodiment.
FIG. 1 is a partial longitudinal sectional view showing an embodiment of a wheel supporting rolling bearing unit according to the present invention. The wheel support rolling bearing unit 1 includes a hub wheel 2, an inner ring 3, an outer ring 4, two rows of rolling elements 5, and a resin cage 6. Is provided with a wheel mounting flange 10 for supporting a wheel (not shown).
[0027]
In the present embodiment, in a state where the wheel support rolling bearing unit 1 is attached to an automobile, a portion facing the outer side in the width direction of the vehicle is referred to as an outer end side portion, and a portion facing the center side in the width direction is referred to as an inner side. It will be called an end portion. That is, in FIG. 1, the left side is the outer end side, and the right side is the inner end side.
Further, a small-diameter step portion 8 having a small outer diameter is formed on the inner end side portion of the hub wheel 2, and the inner ring 3 is fitted into the small-diameter step portion 8. The inner end side portion of the hub wheel 2 is formed in a cylindrical shape, and the cylindrical portion 9 is caulked and spread outward in the radial direction so that the inner ring 3 and the hub wheel 2 are integrally fixed. In addition, what fixed the inner ring | wheel 3 and the hub ring | wheel 2 integrally is corresponded to the inner member which is the structural requirements of this invention, and the outer ring | wheel 4 is equivalent to the outer member which is the structural requirements of this invention.
[0028]
A raceway surface is formed on each of the axially intermediate portion of the outer peripheral surface of the hub wheel 2 and the outer peripheral surface of the inner ring 3 to form inner ring raceway surfaces 20a and 20b (hereinafter, formed on the outer peripheral surface of the hub wheel 2). The track surface thus formed may be referred to as a first inner ring raceway surface 20a, and the track surface formed on the outer peripheral surface of the inner ring 3 may be referred to as a second inner ring raceway surface 20b). Further, outer ring raceway surfaces 21a and 21b corresponding to both the inner ring raceway surfaces 20a and 20b are formed on the inner peripheral surface of the outer ring 4 (hereinafter, the raceway surfaces corresponding to the first inner ring raceway surface 20a are the first ones). The outer raceway surface 21a is referred to, and the raceway surface corresponding to the second inner ring raceway surface 20b may be referred to as the second outer ring raceway surface 21b). Furthermore, between the inner ring raceway surfaces 20a and 20b and the outer ring raceway surfaces 21a and 21b, a plurality of rolling elements 5 are arranged so as to be freely rollable. A suspension device mounting flange 11 is provided on the outer peripheral surface of the outer ring 4 at an end portion on the side away from the wheel mounting flange 10.
[0029]
In this wheel support rolling bearing unit 1, the inner ring 3 is made of an alloy steel having a grain size number of 10 or more as defined in JIS G0551, and the surface hardness of the second inner ring raceway surface 20b. It is HRC58-63. The hub wheel 2 and the outer ring 4 are made of carbon steel S53C. Furthermore, the rolling element 5 is comprised with bearing steel SUJ2, and the pitch diameter is 49 mm.
[0030]
In order to assemble such a wheel support rolling bearing unit 1 to an automobile, the suspension device mounting flange 11 of the outer ring 4 is fixed to the suspension device, and the wheel is fixed to the wheel mounting flange 10 of the hub wheel 2. Thereby, a wheel can be rotatably supported with respect to a suspension apparatus.
In the example of FIG. 1, balls are used as the rolling elements 5, but in the case of a wheel support rolling bearing unit having a large mass, rollers such as tapered rollers may be used as the rolling elements 5.
[0031]
Next, various wheel support rolling bearing units having the same configuration as that of the wheel support rolling bearing unit 1 except for the configuration of the inner ring were prepared, and the rolling life was evaluated by a rotation test. As shown in Table 1, the inner ring of the tested wheel bearing rolling bearing unit is made of various alloy steels and heat-treated at various quenching temperatures. By changing the quenching temperature, an inner ring made of alloy steel having different prior austenite grain sizes can be obtained. The prior austenite grain size (grain size number defined in JIS G0551) is as shown in Table 1. The composition of each alloy steel is as shown in Table 2.
[0032]
[Table 1]

[0033]
[Table 2]

[0034]
Such a wheel-supporting rolling bearing unit is mounted on a rotation tester, loaded with a radial load of 6000 N and an axial load of 3500 N, and rotated at a rotational speed of 1000 min ⁻¹ (the outer ring is fixed and the hub and inner rings are rotated). ) And the time when the value of the vibrometer attached to the rotation tester became three times the value at the start of the test was determined as the rolling life of the bearing unit. In addition, even if it did not reach a rolling life even if it performed the time rotation test 5 times the rolling life of the comparative example 6, the test was stopped.
[0035]
The test results are shown in Table 1 and FIG. In addition, the numerical value of the rolling life shown in Table 1 and FIG. 2 is shown as a relative value when the rolling life of Comparative Example 6 having the shortest life is 1.0.
In Examples 1 to 9, the quenching temperature is adjusted to make the old austenite crystal grain size of the inner ring fine (grain size number is 10 or more). Therefore, even when a tensile stress resulting from a bending moment is applied, the rolling life is good. On the other hand, Comparative Examples 1 to 6 had a short rolling life because the prior austenite crystal grain size was large.
[0036]
Next, in order to investigate the influence of the alloy component on the rolling life, a rolling bearing unit for supporting a wheel having an inner ring as shown in Tables 3 and 4 was prepared, and a rolling test similar to the above was performed. Except for the configuration of the inner ring, the configuration is the same as that of the wheel support rolling bearing unit 1 described above. The composition of each alloy steel is as shown in Table 2.
[0037]
[Table 3]

[0038]
[Table 4]

[0039]
The test results are also shown in Tables 3 and 4. In addition, the numerical value of the rolling life shown in Tables 3 and 4 is shown as a relative value when the rolling life of Comparative Example 6 is 1.0.
In Examples 11 to 25, the inner ring is made of an alloy steel having a predetermined alloy component defined in the present invention, so that the prior austenite crystal grain size is small and the strength of the prior austenite grain boundary is also strong. Therefore, even when a tensile stress resulting from a bending moment is applied, the rolling life is good. In particular, Examples 20 to 25 have a better rolling life because the inner ring is made of an alloy steel having a more preferable alloy component.
[0040]
In contrast, Comparative Examples 11 to 13 and Comparative Examples 17 to 19 have a large prior austenite grain size because the inner ring is made of an alloy steel having an alloy component that is outside the scope of the present invention. Therefore, the rolling life was short. In Comparative Examples 14 to 16, although the prior austenite crystal grain size was small, the strength of the prior austenite crystal grain boundary was low due to the large amount of P and S, so the rolling life was slightly short.
[0041]
Further, in order to investigate the influence of the alloy component on the rolling life, a rolling bearing unit for supporting a wheel having an inner ring as shown in Table 5 was prepared, and a rolling test similar to the above was performed. Except for the configuration of the inner ring, the configuration is the same as that of the wheel support rolling bearing unit 1 described above. The composition of each alloy steel is as shown in Table 2.
[0042]
[Table 5]

[0043]
The test results are also shown in Table 5. In addition, the numerical value of the rolling life shown in Table 5 is shown as a relative value when the rolling life of Comparative Example 6 is 1.0.
In Examples 31 to 39, since the inner ring is made of an alloy steel (in particular, having at least one of V, Nb, and Ti) having a predetermined alloy component defined in the present invention, the old austenite crystal The particle size is stably refined. Therefore, even when tensile stress due to bending moment is applied, the rolling life is good and the rolling life is stable.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, in the rolling bearing unit for supporting a wheel of the present invention, the inner ring is made of alloy steel with fine old austenite crystal grains, and the surface hardness of the second raceway surface of the inner ring is HRC 58 to 63. Therefore, even when tensile stress resulting from the bending moment is applied to the second raceway surface of the inner ring, the service life is long.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial longitudinal sectional view showing an embodiment of a wheel bearing rolling bearing unit according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the correlation between the rolling life of a wheel bearing rolling bearing unit and the prior austenite grain size of alloy steel.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wheel support rolling bearing unit 2 Hub ring 3 Inner ring 4 Outer ring 5 Rolling body 10 Wheel mounting flange 11 Suspension apparatus mounting flange 20a First inner ring raceway surface 20b Second inner ring raceway surface 21a First outer ring raceway surface 21b Second outer ring Raceway

Claims

An inner member in which a hub ring having a flange and a first raceway surface on an outer surface and an inner ring having a second raceway surface on an outer surface are integrally fixed, a raceway surface facing the first raceway surface, and the second An outer member having a raceway surface facing the raceway surface and disposed outside the inner member, and a rollable arrangement between the raceway surface of the inner member and the raceway surface of the outer member. A rolling bearing unit for supporting a wheel, comprising: a double row rolling element provided; and one of the inner member and the outer member being a rotating wheel and the other being a fixed wheel.
The inner ring is made of an alloy steel having a grain size number of 10 or more as defined in JIS G0551, and the surface hardness of the second raceway surface is HRC58-63. Rolling bearing unit for supporting wheels.

The alloy steel is 0.9 to 1.1 mass% carbon, 1.0 to 2.0 mass% chromium, 0.1 to 2.0 mass% manganese, 0.1 to 1.0 mass%. Silicon, 0.01-0.05 mass% aluminum, 0.005-0.02 mass% nitrogen, 0.010 mass% or less sulfur, 0.020 mass% or less phosphorus, 15 ppm or less oxygen. The rolling bearing unit for supporting a wheel according to claim 1, further comprising iron and inevitable impurities.

The alloy steel further contains at least one of 0.03 to 0.15 mass% vanadium, 0.03 to 0.15 mass% niobium, and 0.03 to 0.15 mass% titanium. The rolling bearing unit for wheel support according to claim 2 characterized by things.