JP2008002499A - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保持器剛性・強度を低下させることなくころ収容本数を増大可能であって、しかも引きずりトルクの増大を可及的に抑制可能な車輪用軸受装置を提供すること。
【解決手段】内方部材３と、外方部材４と、前記内方部材３と外方部材４との間に転動自在に配された複数の円すいころ５と、円すいころ５を円周所定間隔に保持する保持器６とを備えた車輪用軸受装置１において、ころ係数γを０．９４以上、ポケットの窓押し角を５５°以上９０°以下とする。必要に応じて、保持器６を、機械的強度、耐油性および耐熱性に優れた、エンジニアリング・プラスチックで構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は自動車の車輪用軸受装置に関する。

自動車の車輪を支持する車輪用軸受装置は、懸架装置を構成するナックルと、車輪を取り付けるハブとの間に配設される。この車輪用軸受装置は、複列の軌道面を有する軸受からなる車輪用軸受を嵌合させた「第一世代」と称される構造や、外方部材の外周に直接車体取付フランジまたは車輪取付フランジが形成された「第二世代」構造、また、ハブの外周に一方の内側軌道面が直接形成されてなるハブ輪を有する「第三世代」構造、あるいは、ハブ輪と等速自在継手の外側継手部材の外周にそれぞれ内側軌道面が直接形成された「第四世代」構造とに大別される。

乗用車など比較的軽量な車両には、軸受の転動体が鋼球（ボール）である複列アンギュラ玉軸受が使われ、大型のＳＵＶ車（スポーツ多目的車）やトラックでは、転動体が円すいころである複列円すいころ軸受が使われることが多い。図６は円すいころ軸受を左右一対で使用した「第二世代」構造の車輪用軸受装置の一例である。同図で３０はハブ輪、３１はナックルに取り付けられる外方部材、３１ａは複列の外側円すい状軌道面、３２は左右一対の内方部材、３２ａは内側円すい状軌道面、３３は複列の円すいころ、３４は保持器である。円すいころ３３は図７および図８のように保持器３４のポケットＰ内に収容される。従来の保持器３４では図８のようにポケットＰの窓押し角θ₂が通常２５°以上５
０°以下に設定される。ここで「窓押し角」とは、一つのころの周面に当接する保持器柱部の案内面のなす角度をいう。

最近は環境への影響低減のため、自動車の低燃費化、その達成のための自動車の軽量化が要求されている。車輪用軸受においても軽量化が求められており、自動車の車重を以前より小型軽量の軸受で支えることが要求されている。言い換えると、以前のサイズの軸受でより大きな車重を支えることが要求されている。

しかし、車両に対して相対的に軸受を小型化することで、１）軸受の転がり寿命の低下、２）軸受剛性の低下につながる。この２つの課題に対しては最大面圧低減が有効な解決策である。最大面圧低減のためには、軸受寸法を変更するか、軸受寸法を変えない場合は軸受のころ直径を減少させずにころ本数を増大させる。ころ直径を減少させずにころ本数を増大させるためには、保持器のポケット間隔を狭くしなければならないが、そのためは保持器のピッチ円を大きくして外方部材側にできるだけ寄せる必要がある。

保持器３４を外方部材内径面に接するまで寄せた例として、例えば特許文献１に記載の円すいころ軸受がある。この円すいころ軸受は保持器の小径側環状部の外周面と大径側環状部の外周面を外方部材内径面と摺接させて保持器をガイドしている。また、保持器の柱部の外径面に引きずりトルクを抑制するための凹所を形成し、柱部の外径面と外方部材の軌道面の非接触状態を維持するようにしている。保持器は、小径側環状部と、大径側環状部と、小径側環状部と大径側環状部とを軸方向に繋ぎ外径面に凹所が形成された複数の柱部とを有する。そして柱部相互間に円すいころを転動自在に収容するための複数のポケットが設けられている。小径側環状部には、内径側に一体に延びた鍔部が設けられている。特許文献１の円すいころ軸受は、保持器と外方部材とが接触しない従来タイプに比べ、ころの充填率を多くすることが可能なため、軌道面の面圧過大による早期破損を防止する上で有利な構造とされる。
特開２００３−２８１６５号公報

特許文献１記載の円すいころ軸受では、保持器の柱部に凹所があるので板厚が必然的に薄くなって保持器の剛性が低下し、軸受の組立て時の応力によって保持器が変形したり、軸受の回転中に保持器が変形する等の課題がある。保持器の剛性を高めようとすると保持器の径寸法が大きくなるため、外方部材接触部での摺接によるトルク増大を引き起こす可能性がある。

また、車輪用軸受装置の場合には、車両旋回走行時にタイヤからホイールを介してハブフランジにモーメント荷重が負荷されるため、軸受の内方部材と外方部材の軸にずれ（傾き）が生じ、また保持器も軸に対し傾くため、保持器が外方部材に強く接触し、保持器の摩耗大、摺接抵抗大による発熱大となる可能性がある。また軸の傾きによって保持器が外方部材に接触するため、保持器ところ、外方部材間で力がかかり、保持器が破損する可能性もある。

一方、特許文献１記載の円すいころ軸受以外の従来の典型的な保持器付き円すいころ軸受は、外方部材と保持器との接触を避けた上で、保持器の柱幅を確保し、適切な保持器の柱強度と円滑な回転を得るために、次式で定義されるころ係数γ（ころの充填率）を、通常０．９４未満にして設計している。
ころ係数γ＝（Ｚ・ＤＡ）／（π・ＰＣＤ）
ここで、Ｚ：ころ本数、ＤＡ：ころ平均径、ＰＣＤ：ころピッチ円径

保持器のポケット寸法をそのままにして単純にころ充填率を高めようとすると、保持器の柱が細くなり、充分な柱強度を確保することができない。保持器剛性・強度を低下させること無く、ころ収容本数を増加させ、さらに保持器引きずりトルクの増大を抑制可能な円すいころ軸受ができるとよい。

この発明の目的は、保持器剛性・強度を低下させることなくころ収容本数を増大可能であって、しかも引きずりトルクの増大を可及的に抑制可能な車輪用軸受装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１の発明は、ホイールハブを固定するための第１フランジ部を有するハブ輪に連結される内方部材と、車体側ナックルに連結される第２フランジ部を有する外方部材と、前記内方部材と外方部材との間に複列で転動自在に配された複数の円すいころと、前記ハブ輪の筒部のインボード側端部に形成され前記内方部材のインボード側端面に圧着した拡径端部と、前記円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とを備えた車輪用軸受装置において、ころ係数γを０．９４以上、ポケットの窓押し角を５５°以上９０°以下としたことを特徴とする。

「窓押し角」とは一つのころの周面に当接する柱部の案内面のなす角度をいう。この窓押し角を５５°以上９０°以下の範囲とすることにより、ころ係数が０．９４以上を可能にした。

窓押し角を５５°以上としたのは、ころとの良好な接触状態を確保するためであり、９Ｏ°以下としたのは、これ以上大きくなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材であっても円滑な回転が得られなくなる危険性が生じるからである。なお、通常の保持器では窓押し角は２５°以上５０°以下となっている。

窓押し角は、組立時のころの位置のずれを考慮すると、隣合うころが最も接近したときにころ同士が接触する直前の角度に設定するのがよい。ころ同士が接触すると回転抵抗大や異常発熱などの不具合が発生するからである。

保持器柱の断面積は、保持器のピッチ円を大きくして外方部材側にできるだけ寄せることで、従来の通常の車輪用円すいころ軸受の保持器の柱断面積とほぼ同等とすることができる。これにより保持器強度を確保することができる。

外方部材に形成したフランジを車体側ナックルに連結可能にした構成は、いわゆる「第二世代」構造と称するものである。

請求項２の発明は、アウトボード側の内方部材をハブ輪の外周面に一体形成したことを特徴とする。いわゆる「第三世代」構造と称するものである。

ドライブシャフトに取り付けられる等速自在継手の外輪ステム部がハブ輪に連結されると共に、インボード側の内方部材を等速自在継手の外輪の一部に一体形成した構成は、いわゆる「第四世代」構造と称するものである。

請求項３の発明は、前記保持器を、機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで構成したことを特徴とする。

保持器に樹脂材としてのエンジニアリング・プラスチックを使用することにより、鉄板製保持器に比べ、保持器重量が軽く、自己潤滑性があり、摩擦係数が小さいという特徴があるため、軸受内に介在する潤滑油の効果と相俟って、外方部材との接触による摩耗の発生を抑えることが可能になる。エンジニアリング・プラスチックは鋼板と比べると重量が軽く摩擦係数が小さいため、軸受起動時のトルク損失や保持器摩耗の低減に好適である。このエンジニアリング・プラスチックは、汎用エンジニアリング・プラスチックとスーパー・エンジニアリング・プラスチックを含む。以下に代表的なものを掲げるが、これらはエンジニアリング・プラスチックの例示であって、エンジニアリング・プラスチックが以下のものに限定されるものではない。

〔汎用エンジニアリング・プラスチック〕ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＧＦ強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ−ＰＥＴ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）

〔スーパー・エンジニアリング・プラスチック〕ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリメチルベンテン（ＴＰＸ）、ポリ１，４−シクロヘキサンジメチレンテレフタレート（ＰＣＴ）、ポリアミド４６（ＰＡ４６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、ポリアミド１１，１２ （ＰＡ１１，１２）、フッ素樹脂、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）

なお、比較的車重の大きい車両用にはＰＡ４６のガラス繊維（ＧＦ）強化材を使用し、車重の小さい車両用にはＰＡ６６のＧＦ強化材を使用するとよい。

円すいころ軸受のころ係数γを０．９４以上にすることにより、ころ本数を増大させて軌道面の最大面圧を低下させることができると共に軸受剛性を高めることができ、軌道面の面圧過大による早期破損を防止することができて軸受の長寿命化を図ることができる。

以下にこの発明の車輪用軸受装置の一実施形態を図１〜図５Ｂに基づいて説明する。図１の実施形態の車輪用軸受装置１は、大型ＳＵＶ車用の車輪用軸受装置であって、外方部材の外周に直接車体取付フランジまたは車輪取付フランジが形成された「第二世代」構造である。軸受装置１は、ハブ輪２と、一対の内方部材３と、外方部材４と、円すいころ５と、保持器６で構成される。

ハブ輪２の第１フランジ部２ａに対して図示しないホイールハブが複数のボルト７によって固定される。ハブ輪２の筒部２ｂ外周に、一対の内方部材３が互いの端面を当接させた状態で嵌合される。ハブ輪２の筒部２ｂの拡径端部２ｃは揺動加締めによるもので、インボード側の内方部材３の端面に圧着する。ハブ輪２の筒部２ｂ内周に図示しないドライブシャフトのアウトボード側端部がセレーション嵌合される。内方部材３はそれぞれ円すい状の軌道面３ａを有する。軌道面３ａの小径側に小鍔部３ｂ、大径側に大鍔部３ｃが形成される。

外方部材４はナックルにボルト止めされる第２フランジ部４ｂを有する。外方部材４はその内周に２列の円すい状軌道面４ａを有する。内方部材３の軌道面３ａと外方部材４の軌道面４ａとの間に複数の円すいころ５が転動自在に配設される。円すいころ５は保持器６によって円周等間隔に保持される。外方部材４と内方部材３の端部相互間の隙間にシール８が嵌合される。

保持器６は、ころ直径を減少させないでころ本数を増やすため、ピッチ円を大きくして外方部材側にできるだけ寄せている。この保持器６は、例えばＰＡ４６、ＰＡ６６、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等のエンジニアリング・プラスチックで一体成形されたもので、小径側環状部６ａと、大径側環状部６ｂと、小径側環状部６ａと大径側環状部６ｂとを軸方向に繋ぐ複数の柱部６ｃとを備える。

図３に示す柱面６ｄの窓押し角θ₁は、下限窓押し角θminが５５°であり、上限窓押し角θmaxが９０°である。窓押し角は、保持器が外方部材から離間している典型的な保持
器付き円すいころ軸受では、５０°以下である。この発明では窓押し角を大きめに設定することにより、ころ係数γを０．９４以上にすることが可能になった。下限窓押し角θminを５５°以上としたのは、ころとの良好な接触状態を確保するためであり、窓押し角５
５°未満ではころとの接触状態が悪くなる。すなわち、保持器強度を確保した上でころ係数γを０．９４以上とするためには、窓押し角を５５°以上としないと良好な接触状態を確保できないのである。また上限窓押し角θmaxを９０°以下としたのは、これ以上大き
くなると半径方向への押し付け力が大きくなり、自己潤滑性の樹脂材であっても円滑な回転が得られなくなる危険性が生じるからである。

ポケットの柱面６ｄと円すいころ外周との間には所定の隙間が形成される。この隙間の大きさは、図４のように円すいころが周方向に進退しても互いに当接しない程度とする。

本発明品は一例としてころ係数γ＝０．９５、ころ本数Ｚ＝２５本とし、これに対して従来品で例えばころ係数γ＝０．８８、ころ本数Ｚ＝２３本とする。計算値では、この発明の車輪用円すいころ軸受は従来品に対して基本動定格荷重Ｃが７％増加し、基本静定格荷重Ｃ０が９％増加する。この基本動定格荷重と基本静定格荷重の増加により、軸受の転がり寿命（計算値）は以下の実施例１で述べるように２０％のアップ、軸受剛性（計算値）は７％の向上が見込まれる。

実際に製作した本発明の軸受寿命試験、及び軸受剛性試験の結果を図５Ａ、図５Ｂに示す。
過酷走行を想定した軸受寿命試験の結果、本発明品（実施例）の運転寿命は従来例品の計算寿命に対し３．２倍であった。
従来例の運転寿命は、従来例品の計算寿命に対し２．３倍であったため、これより転がり寿命の長寿命化が確認できた（図５Ａ）。
軸受剛性試験の結果、本発明品は従来品に対し７％の剛性アップが確認できた（図５Ｂ）。
試験は軸受の車輪取付けフランジに荷重負荷アームを固定して実車タイヤ半径位置にアキシアル方向の荷重（コーナー走行時のモーメント荷重を模す）を負荷した際の、車輪取付けフランジの変位を測定し傾きに換算した。
本発明品と従来品では保持器ところ数以外は同じであり（同形状の部品を使用）、軸受予圧も同等とした。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば前記実施形態では保持器材料にＰＡ４６、ＰＡ６６、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等のエンジニアリングプラスチックを使用したが、必要に応じて、強度増強のためこれら樹脂材料またはその他のエンジニアリングプラスチックに、ガラス繊維又は炭素繊維などを配合したものを使用してもよい。また、円すいころ軸受の形状は、図に示した二世代型に限らず、フランジを持たない複列円すいころ軸受（一世代）、ハブ輪の外径にアウタ側の軌道面が直接形成された三世代型、等速ジョイント外方部材の外径にインナ側の軌道面が形成された四世代型に上記保持器が使用された形状であってもよい。

本発明の車輪用軸受装置の縦断面図。 本発明の車輪用軸受装置に使用する円すいころ軸受の部分断面図。 本発明の車輪用軸受装置に使用する円すいころ軸受の部分拡大断面図。 ポケット内での円すいころの周方向進退範囲を示す円すいころ軸受の部分拡大断面図。 軸受の寿命試験の結果を示す図。 軸受の剛性試験の結果を示す図。 従来の車輪用軸受装置の縦断面図。 従来の車輪用軸受装置に使用する円すいころ軸受の部分断面図。 従来の車輪用軸受装置に使用する円すいころ軸受の部分拡大断面図。

符号の説明

１ 車輪用軸受装置
２ ハブ輪
２ａ 第１フランジ部
２ｂ 筒部
２ｃ 拡径端部
３ 内方部材
３ａ 軌道面
３ｂ 小鍔部
３ｃ 大鍔部
４ 外方部材
４ａ 軌道面
４ｂ 第２フランジ部
５ 円すいころ
６ 保持器
６ａ 小径側環状部
６ｂ 大径側環状部
６ｃ 柱部
６ｄ 柱面
７ ボルト
８ シール
３１ 外方部材
３２ 内方部材
３３ 円すいころ
３４ 保持器

Claims (5)

1. ハブ輪に連結される内方部材と、車体側ナックルに連結される外方部材と、前記内方部材と外方部材との間に複列で転動自在に配された複数の円すいころと、前記円すいころを円周所定間隔に保持する保持器とを備えた車輪用軸受装置において、ころ係数γを０．９４以上、ポケットの窓押し角を５５°以上９０°以下としたことを特徴とする車輪用軸受装置。
2. 外方部材に形成したフランジを車体側ナックルに連結可能にしたことを特徴とする請求項１記載の車輪用軸受装置。
3. アウトボード側の内方部材をハブ輪の外周面に一体形成したことを特徴とする請求項１記載の車輪用軸受装置。
4. ドライブシャフトに取り付けられる等速自在継手の外輪ステム部がハブ輪に連結されると共に、インボード側の内方部材を等速自在継手の外輪の一部に一体形成したことを特徴とする請求項３記載の車輪用軸受装置。
5. 前記保持器を、機械的強度、耐油性および耐熱性に優れたエンジニアリング・プラスチックで構成したことを特徴とする請求項１に記載の車輪用軸受装置。

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