JP2006177466A - 自動車の車輪支持用の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車の車輪支持用のハブ軸受ユニットの外輪およびその製造方法を提供することである。
【解決手段】 自動車の車輪支持用のハブ軸受ユニットの外輪８の熱間鍛造時の製品内の鋼組織のメタルフロー９の形状を鍛造金型のパンチ及びダイの設計により制御することで、この金型により鍛造して得た車輪支持用のハブ軸受ユニットの外輪８に内在するメタルフロー９を旋削加工により外輪８に形成の２列のボール溝１１の形状に沿ったものとし、ハブ軸受ユニットの転動疲労強度を上げて転動疲労寿命を従来のものよりも一層に長寿命としている。
【選択図】 図２

Description

この発明は自動車の車輪支持用のハブに関し、特に車両支持用の第３世代のハブ軸受ユニットに関するものである。

自動車の車体の懸架装置に取り付ける車輪支持用のハブは重要な保安部品として乗員の安全を守るために重要な働きをしている。この自動車の車輪支持用のハブは、通常２個のボール軸受けをスペーサーで隙間調整して組み立てたコンベンショナルタイプのものと、２個の軸受の外輪が一体化し、内輪に２個のアンギュラータイプの軌道輪を持つ複列ベアリングユニットからなる第１世代タイプのものと、主に従動輪側に使用され、ベアリングの外輪をフランジと一体化させた第２世代タイプのものと、内輪をフランジに一体化し外輪をナックルと一体化させた第３世代タイプのものと、さらにハブ軸ユニットと駆動用のボールジョイントを完全に一体化させた第４世代タイプのものとがある。

これらのハブ軸受ユニットにおいて、内輪をフランジと一体化し外輪をナックルと一体化して有する第３世代の車軸支持用のハブ軸受ユニットは一般に鍛造により成形された後ショットブラストで表面スケールを除去し、専用旋削ラインで軌道溝等の機能部を切削加工して高周波焼入工程に送られる。この鍛造により形成した第３世代の車軸支持用のハブ軸受ユニットには、主としてＪＩＳのＧ４０５１に規定するＳ５３Ｃなどの鋼材が使用され、軌道輪の部分は高周波焼入れが施されている。

ところでこの第３世代のハブ軸受ユニットの外輪は車輪を支持する構造物としての機能とさらに複列ボールベアリングの軌道輪としての機能を有している。そこでハブ軸受ユニットのベアリング機能の重要な性能である転がり寿命（転動疲労強度）の向上のために、従来から材質の改善や清浄度の改善といった取組みがなされてきて、上記したように高品質のＳ５３Ｃなどの鋼材が使用されている。

例えば、ハブ軸受ユニットの転がり軸受、特に軸方向の隙間に対する疲れ強さおよび抵抗性を改善し、鍛造時条件での降伏強さを改善した鋼として、Ｖを添加しＮ含有量を例えば１００ｐｐｍに制御した鋼材が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ハブ軸受ユニットの内輪の内径側の曲面上の面取り部に周溝や旋盤目を形成しカシメ工程中の材料の流れを防止し、軌道面に強い引張り応力が発生せず、内輪の寿命低下を防止しているハブ軸受ユニットが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−２２３３７７号公報 特開平１０−３２４９５１号公報

本発明は、自動車の車輪支持用の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪の製造が熱間鍛造によりメタルフローを湾曲させる製造工程であることを利用し、外輪の仕上げ工程における旋削加工後の軌道溝に平行なメタルフローを得るように熱間鍛造方案をコントロールし、転動疲労転がり寿命すなわち転動疲労強度を改善して長寿命化したハブ軸ユニット及びその製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、複列ボール軌道を有するハブ軸受ユニットの外輪において、該外輪は鍛造による鋼組織のメタルフローに沿ってボール溝形状が旋削加工により形成されていることを特徴とする第３世代のハブ軸受ユニットの外輪である。

請求項２の発明では、ハブ軸受ユニットの外輪は、質量割合で鋼中酸素が１１ＰＰＭ以下に低減されかつ炭素含有量が０．４〜０．６５％であるベアリング用の炭素鋼からなることを特徴とする請求項１の手段の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪である。

請求項３の発明では、複列のボール軌道を有するハブ軸受ユニットの外輪の熱間鍛造による製造方法の第１工程で鋼素材を据え込み加工により拡径し、第２工程で片面側に凹部とその周囲の直状部からなる皿状窪み形状を押し込みにより型鍛造し、第３工程で片面の皿状窪み形状と他面の平面をそれぞれ押し込みによる型鍛造により中央部のポンかす平板と外周のバリを有するハブ軸受ユニットの外輪素形を形成し、第４工程で中央部のポンかす平板をポンかす抜きし、第５工程で外周のバリ抜きにより鍛造製品を仕上げる方法において、第３工程の型鍛造で旋削加工後のボール軌道のボール溝断面形状に沿って内在するメタルフローを有するハブ軸受ユニットの外輪素形に型鍛造することを特徴とする第３世代のハブ軸受ユニットの外輪の製造方法である。

請求項４の発明は、ボール軌道のボール溝断面形状に沿って内在するメタルフローは、予め実験により下金型および上金型による中心型打ち高さを求め、この求めた中心型打ち高さに下金型および上金型により型鍛造して形成することを特徴とする請求項３の手段の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪の製造方法である。

本発明の作用を説明すると、上記の手段により得られた本発明のハブ軸受ユニットの外輪のメタルフローはボール軌道のボール溝断面形状に沿って内在するので、旋削加工によりボール軌道を有する外輪形状に仕上げても、旋削によりメタルフローが切断されることが極めて少なくなる。したがって、本発明の手段により得られたハブ軸受ユニットの外輪の転動疲労寿命は従来の方法によるハブ軸受ユニットの外輪に比して大幅に延びる。

本発明の自動車の車輪用の複列のボール軌道を有するハブ軸受ユニットの外輪は、複列ボール軌道のボール溝形状に沿ったメタルフローからなる鋼組織を有し、さらに本発明のハブ軸受ユニットの外輪を形成するベアリング用の炭素鋼材は、鋼中酸素を１１ＰＰＭ以下にまで精錬し、さらに炭素含有量が０．４％以上０．６５％以下であるベアリング用の炭素鋼から形成しているので、介在物の少ない超清浄度であり、したがって転がり軸受として重要な機能である転動疲労寿命が従来のハブ軸受ユニットに比して１．５倍以上に向上され、転動疲労寿命の信頼性が大幅に改善されており、本願発明は従来にない優れた作用効果を奏するものである。

本発明の実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。先ず、請求項１の発明の実施の形態について説明する。本発明の車輪支持用の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪は複列ボール軌道を有する。このハブ軸受ユニットの外輪は、型鍛造したハブ軸受ユニットの外輪の素形状を旋削加工して得られたハブ軸受ユニットの外輪において、複列ボール軌道のボール溝の形状に沿ったメタルフローを鋼組織として内在している。すなわち、このメタルフローは、図１に示す第３工程の型鍛造において、その後の旋削加工によりボール軌道がボール溝断面形状に沿う形状に形成されている。このように第３工程で形成された外輪の素形は、第４工程でその中央部がポンかす抜きされている。次いで、このポンかす抜きされた第５工程に示す外輪素形は、さらに図２に示す旋削仕上げ面に沿って旋削加工されて複列ボール軌道のボール溝が形成されている。従って、仕上げられたハブ軸受ユニットの外輪は、その鋼組織として内在するメタルフローが旋削仕上げにより殆ど切断されないので、ハブ軸ユニットの外輪の転動疲労寿命は従来のものに比して大幅に延びたものとなっている。

次いで、請求項２の発明の実施の形態について説明する。上記の実施の形態の車輪支持用の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪は、その鋼材に含有されている鋼中酸素が質量割合で１１ＰＰＭ以下にまで精錬により低減されており、さらに炭素含有量が０．４〜０．６５％以下であるＪＩＳ規格のＳ４３Ｃ〜Ｓ５８Ｃなどの高清浄度に精錬した軸受用として使用される炭素鋼からなるものである。従って、鍛造加工時の割れ発生が極めて少なく、疲労強度、疲労寿命特性に優れたハブ軸受ユニットの外輪である。

さらに、請求項３の発明のハブ軸受ユニットの外輪の製造方法について説明する。図１に示すように、第１工程でこの素材１を据え込み加工により拡径して円形台２とし、第２工程で図１において下面として示されている片面側に凹陥部３とその周囲の直状部４からなる皿状窪みを金型であるパンチの押し込みにより型鍛造し、第３工程で片面の皿状窪みと他面の平面をそれぞれ上金型と下金型であるパンチとダイによる押し込みにより型鍛造して中央部に後工程でポンかす抜きする平板５を有し、周囲にバリ６を有するハブ軸受ユニットの外輪素形７を得る。さらに第４工程で中心部の平板５をポンかす抜きする。これに続く第５工程でバリ抜き加工を行って複列ボール軌道を有する外輪の形状に形成される。

この第３工程を実施するために、第５工程の旋削加工後のボール溝１１に沿ったメタルフロー９になるように第３工程の鍛造の金型を設計する。このために、先ず鍛造試作品を形成し、これを縦方向に切断し、この切断面を塩酸エッチングしてメタルフロー９を現出させる。次いで、この鍛造試作品の切断面に現出したメタルフロー９の上に、旋削仕上り図面を重ね合せて複列のボール溝１１に上記のメタルフロー９が沿うように、型鍛造の第３工程における中心打ち抜き部のダイとパンチの押し込み量の大きさを設定する。

先ず、第１段階として、具体的には、図３に示す鍛造時のパンチの押し込み後の中心部のスクラップとされる平板５のポンかす部に達するパンチ側打ち抜き高さＡの大きさを旋削軌道位置Ｂの大きさより小さくするように、図４の（ａ）に示すパンチによる中心部のパンチ押し込み高さＥの大きさを設定する。なお、図４の（ａ）に示す点線は打ち抜き位置１２を示す。

次いで、第２段階として、鍛造時のダイス側の押し込み後の中心部のポンかす部に達するダイス側の打ち抜き高さＣの大きさが図３に示す旋削軌道の先端位置Ｄの大きさより小さくなるように、ダイス押し込み高さＦの大きさを図４の（ａ）に示すように設定する。

次いで、先ず、図１の第４工程でのポンかす打ち抜き時にメタルフロー９の切断端末がダイス側軌道の表面に出て転動疲労寿命に悪影響が出るのを避けるために、図３およびパンチ押し込みにより平板５をポンかす抜きした図４の（ｂ）に示すように、鍛造時の破断面の先端位置であるダイス側の押し込み高さＣが旋削軌道の先端位置Ｄよりどのくらい大きくすれば、旋削加工後の軌道の旋削面１０がメタルフロー９を切断することなく形成でき、転動疲労寿命が延びるかを、旋削軌道の先端位置Ｄとダイス側の押し込み高さＣ間の差の大きさを換えて実験し、この結果を表１に示す。

表１において、○は、旋削加工後の２列のボール溝いずれもが、鍛造メタルフローに沿う鍛造品が９５％以上であり、△は、旋削加工後の２列のボール溝いずれもが、鍛造メタルフローに沿う鍛造品が５０％以上で９５％未満であり、×は、旋削加工後の２列のボール溝いずれもが、鍛造メタルフローに沿う鍛造品が５０％未満であることを示す。

この表１の結果から、第３段階として、上記の型鍛造の第３工程における中心打ち抜き部の大きさを定めるダイとパンチの押し込み量の大きさを鍛造時の破断面の先端位置であるダイス側の押し込み高さＣが旋削軌道の先端位置Ｄより２．０ｍｍから３．０ｍｍの大きさになるよう設定する。

上記のハブ軸受ユニットの外輪を製造するために使用する鋼素材は、素材の鋼に含有されている鋼中酸素が質量割合で１１ＰＰＭにまで精錬により低減されており、さらに炭素含有量が０．４〜０．６５％以下であるＪＩＳ規格のＳ４３Ｃ〜Ｓ５８Ｃなどの高清浄度に精錬した軸受用として使用される炭素鋼からなる素材からなる。従って、この鋼材を使用することで、鍛造加工時の割れ発生が極めて少なく、疲労強度、疲労寿命特性に優れたハブ軸受ユニットの外輪を製造することができる。

本発明の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪を成形する工程を示し、上段は平面図で、下段は断面図である。 第３工程における外輪素形の鍛造によるメタルフローと、旋削によるボール溝の仕上げ面を示す断面図である。 第３工程における外輪素形の鍛造時のパンチ側打ち抜き高さＡと旋削軌道位置Ｂ及びダイス側の押し込み高さＣと旋削軌道の先端位置Ｄの各大きさを示す部分断面図である。 図４の（ａ）はパンチ押し込み高さＥとダイス押し込み高さＦの大きさを示し、（ｂ）はダイス側の打ち抜き高さＣとパンチ打ち抜き高さＡを示す断面図である。

符号の説明

１ 素材
２ 円形台
３ 凹陥部
４ 直状部
５ 平板
６ バリ
７ 外輪素形
８ 外輪
９ メタルフロー
１０ 旋削面
１１ ボール溝
１２ 打ち抜き位置
Ａ パンチ側打ち抜き高さ
Ｂ 旋削軌道位置
Ｃ ダイス側打ち抜き高さ
Ｄ 旋削軌道の先端位置
Ｅ パンチ押し込み高さ
Ｆ ダイス押し込み高さ

Claims (4)

1. 複列ボール軌道を有するハブ軸受ユニットの外輪において、該外輪は鍛造による鋼組織のメタルフローに沿ってボール溝形状が旋削加工により形成されていることを特徴とする第３世代のハブ軸受ユニットの外輪。
2. ハブ軸受ユニットの外輪は、質量割合で鋼中酸素が１１ＰＰＭ以下に低減されかつ炭素含有量が０．４〜０．６５％であるベアリング用の炭素鋼からなることを特徴とする請求項１に記載の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪。
3. 複列のボール軌道を有するハブ軸受ユニットの外輪の熱間鍛造および旋削加工による製造工程における熱間鍛造の第１工程で鋼素材を据え込み加工により拡径し、第２工程で片面側に凹部とその周囲の直状部からなる皿状窪み形状を押し込みにより型鍛造し、第３工程で片面の皿状窪み形状と他面の平面をそれぞれ押し込みによる型鍛造により中央部のポンかす平板と外周のバリを有するハブ軸受ユニットの外輪素形を形成し、第４工程で中央部のポンかす平板をポンかす抜きし、第５工程で外周のバリ抜きにより鍛造製品を仕上げる方法において、第３工程の型鍛造で旋削加工後のボール軌道のボール溝断面形状に沿って内在するメタルフローを有するハブ軸受ユニットの外輪素形に型鍛造することを特徴とする第３世代のハブ軸受ユニットの外輪の製造方法。
4. ボール溝断面形状に沿って内在するメタルフローは、予め実験により下金型および上金型による中心型打ち高さを求め、この求めた中心型打ち高さに下金型および上金型により型鍛造して形成することを特徴とする請求項３に記載の第３世代のハブ軸受ユニットの外輪の製造方法。

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