JP2008223990A - 車輪支持用転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた疲労強度を有し大きな荷重が負荷されても損傷が生じにくく、且つ、製造時に損傷が生じにくい車輪支持用転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２と、ハブ輪２に一体的に固定された内輪３と、外輪４と、二列の転動体５，５と、を備えている。ハブ輪２の外周面及び内輪３の外周面に形成された軌道面と、外輪４の内周面に形成された軌道面とは対向しており、対向する両軌道面間に複数の転動体５が転動自在に配されている。また、ハブ輪２の外周面と外輪４の内周面とには、高周波焼入れによる硬化層２２が形成されている。ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、炭素の含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下である鋼で構成されている。そして、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、上記鋼からなる円柱状素材に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造を施すことにより成形されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等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装置に関する。

自動車等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装置は、一般には以下のような構成である。すなわち、車輪が取り付けられ一体に回転するハブホイールと、このハブホイールの外方に配されハブホイールの外周面に形成された軌道面に対向する軌道面を内周面に有する外輪と、両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、ハブホイールが転動体の転動を介して外輪に回転自在に支持された構成である。そして、ハブホイールの外周面には、車輪を取り付けるためのフランジが設けられ、外輪の外周面には、懸架装置を取り付けるためのフランジが設けられている。

このような従来の車輪支持用転がり軸受装置においては、ハブホイールや外輪が、高炭素鋼材（例えばＳ５０〜Ｓ５５Ｃに相当する鋼材やＳＡＥ１０７０）を熱間鍛造した後に所定の形状に切削加工することにより形成されているため、ハブホイールや外輪の製造に多くの手間と時間を要するという難点があった。そこで、炭素鋼板を所定の形状にプレス成形することによってハブホイールや外輪を製造した車輪支持用転がり軸受装置が提案されている（特許文献１〜５を参照）。
特開２００３−２５８０３号公報 特許第３３５２２２６号公報 特開平９−１５１９５０号公報 特開平７−３１７７７７号公報 特開２００６−６４０３６号公報

しかしながら、炭素鋼板をプレス成形することによってハブホイールや外輪を製造する場合には、鋼板に絞り加工を施すことによりシャフト（軸）を形成する必要があるため、小径のシャフトを製造する場合には強い絞り加工が必要であった。よって、ハブホイールや外輪を製造する方法としてより良好な方法が望まれていた。
また、プレス成形のような塑性加工においては、焼鈍しの後の硬さが低いほど加工性が良好になるが、ハブホイールのような複雑な形状を有する部材を塑性加工により製造する場合には、素材の硬さだけでなく炭化物組織の状態，大きさ，分布が関係するため、炭化物組織を制御した素材を用いる必要がある。

一方、近年における自動車の燃費向上及び走行性能向上の要求に伴って、車輪支持用転がり軸受装置のフランジの薄肉化が検討されている。しかしながら、フランジを薄肉化するということはフランジに加わる応力が大きくなるということを意味するので、フランジの強度が不十分となって不具合が生じやすくなることが懸念される。
例えば、ハブホイールの外周面に設けられたフランジには、車軸と車輪との間に加わるラジアル荷重が伝わるため、フランジの強度が不十分である場合には、長期間にわたる使用に伴って、フランジの根元部に亀裂等の損傷が発生するおそれがある。

そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決するものであり、優れた疲労強度を有していて大きな荷重が負荷されても変形や損傷が生じにくく、且つ、加工性に優れるため製造時に損傷が生じにくい車輪支持用転がり軸受装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、車輪支持用転がり軸受装置のハブホイール及び外輪の少なくとも一方を塑性加工で製造する場合において、素材の硬さと成形性との関係だけでなく前組織と成形性との関係について鋭意研究を行い、良好な成形性が得られる素材の組織状態に関する知見を得て、本発明を完成するに至った。
すなわち、前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。本発明に係る請求項１の車輪支持用転がり軸受装置は、車輪が取り付けられ一体に回転するハブホイールと、前記ハブホイールの外方に配され前記ハブホイールの外周面に形成された軌道面に対向する軌道面を内周面に有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記ハブホイールが前記転動体の転動を介して前記外輪に回転自在に支持された車輪支持用転がり軸受装置において、前記ハブホイール及び前記外輪の少なくとも一方は、０．４５質量％以上０．７５質量％以下の炭素を含有する鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された円柱状素材を、冷間鍛造で成形して得られたものであるとともに、前記ハブホイールの軌道面には高周波焼入れが施されていることを特徴とする。

このような円柱状素材は、フェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有していて塑性加工性に優れているため、冷間鍛造で成形してハブホイールや外輪とする際に割れ等の損傷が生じにくい。また、ハブホイールや外輪が優れた疲労強度を有しているため、大きな荷重が負荷されても変形や損傷が生じにくい。
炭素は鋼に強度及び焼入れ性を付与するために必要な元素であり、車輪支持用転がり軸受装置に必要な性能を付与するためには、鋼中の含有量を０．４５質量％以上とする必要がある。ただし、含有量が０．７５質量％を超えると、鋼の加工性が低下して生産性が悪化するおそれがある。

また、本発明に係る請求項２の車輪支持用転がり軸受装置は、請求項１に記載の車輪支持用転がり軸受装置において、前記円柱状素材は、前記軟化焼鈍しによって、球状化セメンタイトの最大粒径が１μｍ以上７μｍ以下とされているとともに、硬さがＨｖ１８０以下とされていることを特徴とする。
このような円柱状素材は塑性加工性がより優れているため、冷間鍛造で成形してハブホイールや外輪とする際に割れ等の損傷がより生じにくく、ハブホイールや外輪の製造が容易である。

円柱状素材を冷間鍛造で成形する前に軟化焼鈍しを施すことにより、硬さが低下して塑性加工性の向上が図られるとともに、加工時の損傷が抑制される。十分な塑性加工性が得るためには、軟化焼鈍しが施された円柱状素材の硬さはＨｖ１８０以下であることが好ましいが、硬さがより低い方が塑性加工性が高まるので、硬さはＨｖ１７０以下であることがより好ましい。

また、鋼中の炭化物の大きさによっても塑性加工性が変化する。すなわち、軟化焼鈍しを施した際に炭化物の粒径が大きくなるほど、基地組織であるフェライト中の炭素濃度が低下して、塑性加工性が向上する。したがって、球状化セメンタイトの粒径が大きいほど、塑性加工性が向上する。球状化セメンタイトの最大粒径が１μｍ未満であると、塑性加工性が不十分となり、円柱状素材を冷間鍛造で成形する際に割れ等の損傷が生じるおそれがある。

ただし、球状化セメンタイトの粒径が大き過ぎると、冷間鍛造で成形する際に球状化セメンタイト自身において損傷が発生したり、粗大なセメンタイトとフェライトとの界面が歪みの集中源となってボイドが形成され破断が発生したりしやすくなる。さらに、成形後には、転動体が転動する軌道面に高周波焼入れが施されて硬化層が形成されるが、球状化セメンタイトの粒径が大き過ぎると、高周波焼入れのような短時間の加熱ではセメンタイトが基地組織に溶け込みにくくなり、十分な硬さが得られないおそれがある。このような理由から、球状化セメンタイトの最大粒径は７μｍ以下であることが好ましい。

さらに、本発明に係る請求項３の車輪支持用転がり軸受装置は、請求項１又は請求項２に記載の車輪支持用転がり軸受装置において、前記ハブホイール及び前記外輪は焼入れが施されていない非焼入れ部を有しており、前記非焼入れ部の硬さは、前記冷間鍛造での加工硬化によりＨｖ２００以上３５０以下とされていることを特徴とする。
非焼入れ部の硬さがＨｖ２００未満であると、ハブホイールや外輪の疲労強度が不十分となるおそれがある。一方、Ｈｖ３５０超過であると、衝撃的な荷重が負荷された場合に破損するおそれがある。

本発明の車輪支持用転がり軸受装置は、優れた疲労強度を有していて大きな荷重が負荷されても変形や損傷が生じにくい。また、加工性に優れるため、製造時に損傷が生じにくい。

本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の一実施形態の構造を示す断面図である。なお、本実施形態においては、車輪支持用転がり軸受装置を自動車等の車両に取り付けた状態において、車両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。

図１の車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２と、ハブ輪２に一体的に固定された内輪３と、ハブ輪２の外方に同軸に配された略円筒状の外輪４と、二列の転動体５，５と、転動体５を保持する保持器６，６と、を備えている。また、外輪４の内端側部分の内周面と内輪３の内端側部分の外周面との間、並びに、外輪４の外端側部分の内周面とハブ輪２の中間部の外周面との間には、それぞれシール装置７ａ，７ｂが設けられている。

さらに、外輪４の内方に配されたハブ輪２のうち外輪４から突出している外端側部分の外周面には、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。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１３が設けられている。
ハブ輪２の内端側部分には外径の小さい円筒部１１が形成されており、該円筒部１１に内輪３が圧入され、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ハブホイールに相当し、外輪４が本発明の構成要件である外輪に相当する。

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ており、ハブ輪２の軌道面は第一内側軌道面２０ａ、内輪３の軌道面は第二内側軌道面２０ｂとされている。また、外輪４の内周面には、前記両内側軌道面２０ａ，２０ｂに対向する軌道面が形成されており、第一内側軌道面２０ａに対向する軌道面は第一外側軌道面２１ａ、第二内側軌道面２０ｂに対向する軌道面は第二外側軌道面２１ｂとされている。さらに、第一内側軌道面２０ａと第一外側軌道面２１ａとの間、及び、第二内側軌道面２０ｂと第二外側軌道面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。なお、図示の例では、転動体として玉を使用しているが、車輪支持用転がり軸受装置１の用途等に応じて、ころを使用してもよい。

また、ハブ輪２の外周面と外輪４の内周面とには、高周波焼入れによる硬化層２２が形成されている。これにより、第一内側軌道面２０ａ，第一外側軌道面２１ａ，及び第二外側軌道面２１ｂには、高周波焼入れによる硬化層２２が形成されている。ハブ輪２及び外輪４のうち硬化層２２以外の部分には焼入れは施されていない（以降は、このような部分を非焼入れ部と記す）。そして、内輪３には、例えば浸炭処理又は浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施され、第二内側軌道面２０ｂには浸炭処理又は浸炭窒化処理による硬化層（図示せず）が形成されている。

このような車輪支持用転がり軸受装置１を自動車に組み付けるには、懸架装置取り付け用フランジ１３を懸架装置に固定し、車輪を車輪取り付け用フランジ１０に固定する。その結果、車輪支持用転がり軸受装置１によって車輪が懸架装置に対し回転自在に支持される。すなわち、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたハブホイールが、車輪と一体に回転する回転輪となり、外輪４が、転動体５の転動を介してハブホイールを回転自在に支持する固定輪（非回転輪）となる。

この車輪支持用転がり軸受装置１においては、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、炭素の含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下である鋼で構成されている。そして、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、上記のような鋼からなる円柱状素材（ビレット）に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造を施すことにより成形されたものである。
この円柱状素材は、軟化焼鈍しによって硬さがＨｖ１８０以下とされていることが好ましい。また、円柱状素材はフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有しているが（図２の組織図を参照）、球状化セメンタイトの最大粒径は軟化焼鈍しによって１μｍ以上７μｍ以下とされていることが好ましい。

さらに、この円柱状素材に冷間鍛造を施すことにより成形されたハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、前述の非焼入れ部を有しているが、この非焼入れ部のビッカース硬さＨｖは、冷間鍛造での加工硬化により２００以上３５０以下とされていることが好ましい。
このような車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４が優れた疲労強度を有しているので、大きな荷重が負荷されても変形や損傷が生じにくい。また、円柱状素材がフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有していて塑性加工性に優れているため、冷間鍛造で成形してハブ輪２，内輪３，及び外輪４とする際に割れ等の損傷が生じにくい。

以下に、ハブ輪２の製造方法の一例を説明する。まず、炭素の含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下である鋼で構成された円柱状素材に、軟化焼鈍しを施す。焼鈍し条件の一例を示す。円柱状素材をＡ１変態点以上の７４０〜８６０℃で０．１ｈ以上保持した後に、２０〜７０℃／ｈの冷却速度で６８０〜７２０℃へ冷却し、１〜５ｈ保持する。続いて、１０〜１００℃／ｈの冷却速度で６２０〜６８０℃へ冷却し、さらに、１０〜１５０℃／ｈの冷却速度で５００〜５６０℃へ冷却する。このような軟化焼鈍しにより、鋼はフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有する組織となる。

次に、軟化焼鈍しを施した円柱状素材に冷間鍛造を施し、前方押出しを２段階行う。さらに、冷間鍛造を施して段付けを行った後に、側方押出しを行いフランジを形成する（図３を参照）。
得られたハブ輪２の軌道面を含む外周面に高周波焼入れ及び焼戻しを施して、硬化層２２を形成した後、研削仕上げや超仕上げを施して、ハブ輪２を完成した。
内輪３及び外輪４もハブ輪２と同様に製造して、これらを組み立てれば、車輪支持用転がり軸受装置１が得られる。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。まず、円柱状素材に冷間鍛造を施した際の割れ発生率と、円柱状素材を構成する鋼が含有する球状化セメンタイトの最大粒径との関係を調査した。
ＪＩＳ Ｓ５５Ｃに相当する鋼（炭素の含有量は０．５５質量％）で構成された直径６０ｍｍの円柱状素材に、軟化焼鈍しを施して、フェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有する組織とした。その際には、軟化焼鈍しの条件を後述のように種々変更することにより、球状化セメンタイトの最大粒径及び硬さが異なるものを製造した（表１を参照）。

このような円柱状素材に図３に示したような冷間鍛造を施して、フランジを有するハブ輪を製造し、フランジの外周部にマイクロクラックが発生しているか否かを顕微鏡にて確認した。球状化セメンタイトの最大粒径が同一の円柱状素材をそれぞれ１００個用意して冷間鍛造を施し、マイクロクラックの発生率（割れ発生率）を算出した。

軟化焼鈍しの条件は、以下の通りである。
条件１：７８０℃で０．５ｈ保持した後に、２０℃／ｈの冷却速度で７００℃まで冷却して１ｈ保持した。続いて、５０℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却し、さらに７０℃／ｈの冷却速度で５２０℃まで冷却した。
条件２：７８０℃で０．５ｈ保持した後に、２０℃／ｈの冷却速度で７００℃まで冷却して２ｈ保持した。続いて、５０℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却し、さらに７０℃／ｈの冷却速度で５２０℃まで冷却した。

条件３：７８０℃で０．５ｈ保持した後に、２０℃／ｈの冷却速度で７００℃まで冷却して３ｈ保持した。続いて、５０℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却し、さらに７０℃／ｈの冷却速度で５２０℃まで冷却した。
条件４：７８０℃で０．５ｈ保持した後に、２０℃／ｈの冷却速度で７００℃まで冷却して５ｈ保持した。続いて、５０℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却し、さらに７０℃／ｈの冷却速度で５２０℃まで冷却した。

条件５：７８０℃で０．５ｈ保持した後に、２０℃／ｈの冷却速度で７００℃まで冷却して０．５ｈ保持した。続いて、５０℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却し、さらに７０℃／ｈの冷却速度で５２０℃まで冷却した。
条件６：７８０℃で０．５ｈ保持した後に、２０℃／ｈの冷却速度で７００℃まで冷却して０．２５ｈ保持した。続いて、５０℃／ｈの冷却速度で６５０℃まで冷却し、さらに７０℃／ｈの冷却速度で５２０℃まで冷却した。

また、球状化セメンタイトの最大粒径の測定方法は、以下の通りである。軟化焼鈍しを施した円柱状素材を破断し、その断面を研磨した後にナイタール腐食液でエッチングした。エッチングした断面を光学顕微鏡で倍率１０００倍に拡大し、５箇所について写真を撮り、球状化セメンタイトの粒径を測定した。なお、様々な形状のセメンタイトのうち、アスペクト比（長径／短径）が２．０以下のものを球状化セメンタイトと定義した。
試験結果を表１及び図４のグラフに示す。この結果から分かるように、球状化セメンタイトの最大粒径が１μｍ以上であると、冷間鍛造によるマイクロクラックの発生はなかった。

次に、下記のようにしてハブ輪の非焼入れ部の硬さと疲労寿命との関係を調査した。上記の実施例３のハブ輪を用いて、前述の車輪支持用転がり軸受装置１とほぼ同様の構成の車輪支持用転がり軸受装置を製造した。このとき、ハブ輪のフランジに種々の強さのしごきを加えることにより加工度を変え、非焼入れ部の硬さが種々異なるハブ輪を備えた車輪支持用転がり軸受装置を用意した。

車輪支持用転がり軸受装置の外輪を治具で固定し、ラジアル荷重４０００Ｎ及びアキシアル荷重３５００Ｎを負荷した状態で、ハブ輪を回転速度３００ｍｉｎ^-1で回転させた。そして、ハブ輪の外周面に形成されたフランジの根元部の外端側に、破損が発生したら回転を終了し、破損が発生するまでの回転数を疲労寿命とした。
結果を図５のグラフに示す。非焼入れ部の硬さがＨｖ２００以上であると、疲労寿命が合格ラインである１．０×１０⁷ 回に達していることが分かる。

本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の一実施形態の構造を示す断面図である。 円柱状素材が含有するフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトの組織図である。 円柱状素材に冷間鍛造を施してハブ輪を製造する工程を説明する工程図である。 球状化セメンタイトの最大粒径と円柱状素材に冷間鍛造を施した際の割れ発生率との関係を示すグラフである。 非焼入れ部の硬さと疲労寿命との関係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装置
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
１３ 懸架装置取り付け用フランジ
２０ａ 第一内側軌道面
２０ｂ 第二内側軌道面
２１ａ 第一外側軌道面
２１ｂ 第二外側軌道面
２２ 硬化層

Claims (3)

1. 車輪が取り付けられ一体に回転するハブホイールと、前記ハブホイールの外方に配され前記ハブホイールの外周面に形成された軌道面に対向する軌道面を内周面に有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記ハブホイールが前記転動体の転動を介して前記外輪に回転自在に支持された車輪支持用転がり軸受装置において、
   前記ハブホイール及び前記外輪の少なくとも一方は、０．４５質量％以上０．７５質量％以下の炭素を含有する鋼からなり且つ軟化焼鈍しが施された円柱状素材を、冷間鍛造で成形して得られたものであるとともに、前記ハブホイールの軌道面には高周波焼入れが施されていることを特徴とする車輪支持用転がり軸受装置。
2. 前記円柱状素材は、前記軟化焼鈍しによって、球状化セメンタイトの最大粒径が１μｍ以上７μｍ以下とされているとともに、硬さがＨｖ１８０以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の車輪支持用転がり軸受装置。
3. 前記ハブホイール及び前記外輪は焼入れが施されていない非焼入れ部を有しており、前記非焼入れ部の硬さは、前記冷間鍛造での加工硬化によりＨｖ２００以上３５０以下とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車輪支持用転がり軸受装置。