JP2010111133A - 車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハブ本体９の中間部外周面に高周波焼き入れにより硬化層を形成するのに伴って、この硬化層よりも径方向内側に存在する内径側部分に発生する残留引っ張り応力の値を小さく抑えられる製造方法を実現する。
【解決手段】高周波焼き入れにより上記硬化層を形成した後、上記ハブ９本体の外端面中央部に設けた凹部１２の内面を、この凹部１２内に配置した高周波誘導加熱コイル１７への通電により加熱し、焼鈍する。この焼鈍の為の温度上昇に伴って上記内径側部分が軟化し、残留引っ張り応力に基づいて上記内径側部分の金属組織が移動する。この結果、この内径側部分の残留引っ張り応力が緩和する。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持する為の、車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法の改良に関し、軽量でしかも十分な耐久性を有する車輪支持用転がり軸受ユニットを得られる製造方法の実現を図るものである。

自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持する為に、図４に示す様な車輪支持用転がり軸受ユニット１が使用されている。この車輪支持用転がり軸受ユニット１は、外輪２の内径側にハブ３を、複数個の転動体４、４を介して、回転自在に支持している。このうちの外輪２は、中炭素鋼製で、内周面に複列の外輪軌道５、５を、外周面に静止側フランジ６を、それぞれ有する。この様な外輪２は、使用時にはこの静止側フランジ６を上記懸架装置を構成するナックルに結合固定し、回転する事はない。又、上記ハブ３は、外周面に複列の内輪軌道７、７と回転側フランジ８とを有し、使用時に、この回転側フランジ８に結合固定した車輪と共に回転する。上記各転動体４、４は、軸受鋼或いはセラミック製で、上記両外輪軌道５、５と上記両内輪軌道７、７との間に、両列毎に複数個ずつ、転動自在に設けられている。又、上記回転側フランジ８には、使用状態で、車輪、及び、ディスクロータ等の制動用回転体を支持固定する。

又、上記ハブ３は、ハブ本体９と内輪１０とを結合固定して成る。このうちのハブ本体９は、中炭素鋼製で、軸方向外端寄り部分（軸方向に関して外とは、懸架装置に組み付けた状態で車体の幅方向外側となる側を言う。本明細書及び特許請求の範囲全体で同じ。）の外周面に上記回転側フランジ８を、軸方向中間部外周面に、上記複列の内輪軌道７、７のうち軸方向外側の内輪軌道７を、それぞれ直接形成している。又、上記ハブ本体９の軸方向外端部には、上記車輪及び上記制動用回転体を外嵌位置決めする為の、パイロット部と呼ばれる円筒部１１を設けている。そして、この円筒部１１の内径側を含め、上記ハブ本体９の軸方向外端部に、このハブ本体９の軸方向外端面の中央部に開口する凹部１２を形成している。

一方、上記内輪１０は、軸受鋼製で、外周面に、上記複列の内輪軌道７、７のうち軸方向内側（軸方向に関して内とは、懸架装置に組み付けた状態で車体の幅方向中央側となる側を言う。本明細書及び特許請求の範囲全体で同じ。）の内輪軌道７を形成している。この様な内輪１０は、上記ハブ本体９の軸方向内端寄り部分に形成された小径段部１３に外嵌固定した状態で、このハブ本体９の軸方向内端部に形成したかしめ部１４により抑え付けて、このハブ本体９に対し結合固定している。尚、このハブ本体９に上記内輪１０を結合固定する為に、このハブ本体９の軸方向内端部に設けた雄ねじ部にナットを螺合させる構造も、広く知られている。

何れの構造の場合も、上記ハブ３の一部を焼き入れ硬化している。先ず、上記内輪１０に関しては、全体を加熱後に焼き入れ油中に浸漬する、所謂ズブ焼き入れにより、全体を硬化させている。一方、上記ハブ本体９に関しては、図５に斜格子で示した部分を、高周波熱処理により焼き入れ硬化させる事で、当該部分に硬化層１５を形成している。この硬化層１５は、上記ハブ本体９の中間部外径寄り部分（外周面を含む表面層部分）で、前記回転側フランジ８の軸方向内側面側の基端部から、上記小径段部１３の軸方向外半部に掛けての部分に形成している。この様な部分に硬化層１５を形成する事で、上記回転側フランジ８のモーメント剛性の確保と、前記軸方向外側の内輪軌道７の転がり疲れ寿命の確保と、上記小径段部１３のフレッチング摩耗の防止と、上記ハブ本体９全体としての曲げ剛性の確保とを図る。このハブ本体９の軸方向外端面に開口した上記凹部１２は、このハブ本体９の軽量化に寄与する。

上述の様なハブ本体９を含む車輪支持用転がり軸受ユニット１の使用時に上記ハブ３には、大きな力（荷重）が加わる。特に、旋回走行時に上記回転側フランジ８には、この回転側フランジ８に支持固定した車輪と路面との接触部から、大きなモーメントが加わる。この様なモーメントは、上記回転側フランジ８の基端部（内径側端部）と上記ハブ本体９の本体部分との連続部１６で支承する。この連続部１６の厚さは、上記凹部１２の存在により元々小さいだけでなく、上記硬化層１５の存在に基づき、靱性を確保し易い、未焼き入れの（所謂生のままの）部分の厚さが小さい。この為、何らの対策も施さないと、上記凹部１２の容積を大きくする事による軽量化と、上記連続部１６の強度及び剛性の確保とを両立させる事ができない。

この為従来から、例えば特許文献１〜４に記載された様な手段により、ハブ本体の強度、剛性、耐久性の向上を図る事が考えられている。このうちの特許文献１には、ハブ本体を調質処理する事により、このハブ本体の強度を確保する技術が記載されている。又、特許文献２には、凹部の内面の脱炭層を除去してこの内面を滑らかにし、更にこの内面にショット・ピーニング又はターニング加工により残留圧縮応力を発生させて、上記内面を起点とする亀裂等の損傷が発生しにくくする技術が記載されている。又、特許文献３には、凹部の内周面部分に、径方向内方に突出する突起を形成して、この凹部の周囲部分の強度及び剛性を向上させる技術が記載されている。更に、特許文献４には、ハブ本体を造る為の鍛造加工の最後に凹部の内面部分を冷却して、この部分に微細フェライト・パーライト組織等の非標準組織の層を形成し、上記ハブ本体の強度及び疲れ寿命を向上させる技術が記載されている。

上述の様な特許文献１〜４に記載された従来技術の場合、それなりの効果を得られるが、コストを抑えつつ、ハブ本体９の耐久性を確保し、しかも、より軽量化を図る面からは、改良の余地がある事が、本発明者等の研究により分かった。即ち、上記特許文献１〜４に記載された従来技術では、コスト低減を考慮すると、前記硬化層１５の加工に伴って、上記ハブ本体９のうちで前記連続部１６に亀裂が発生し易くなるのを防止できない。即ち、本発明者等の研究により、この連続部１６を含む、上記硬化層１５の径方向内側に存在する内径側部分に、この硬化層１５の加工に伴って大きな残留引っ張り応力が発生し、上記亀裂が発生し易くなる事が分かった。この点に就いて、図５を参照しつつ説明する。

上記硬化層１５を形成すべく、上記ハブ本体９の外周面の軸方向中間部を高周波焼き入れした後に急冷すると、上記硬化層１５となるべき部分が、熱膨張後に急激に熱収縮する。この結果、この硬化層１５部分には、図５に示す様に、残留圧縮応力が加わる。一方、上記ハブ本体９のうちでこの硬化層１５の径方向内側に存在する内径側部分には、残留引っ張り応力が加わる。即ち、この内径側部分は、上記高周波焼き入れの為の加熱時に、熱伝導に伴って温度上昇する一方で、上記急冷時の温度低下は、上記硬化層１５となるべき部分に比べて遅れる。そして、上記内径側部分が温度低下に伴って収縮する際には、既に上記硬化層１５が形成されており、この硬化層１５が、上記内径側部分が熱収縮する事に対する抵抗となる。この内径側部分は、この様な硬化層１５による抵抗に抗して熱収縮する事になり、その結果、この内径側部分に残留引っ張り応力が加わる。これら各応力のうち、残留圧縮応力は、亀裂損傷を抑える力として作用するが、残留引っ張り応力は、この損傷を助長する力として作用する。

この様に、上記内径側部分に残留引っ張り応力が作用した状態で、前記モーメントに伴ってこの部分に引っ張り方向の応力が加わると、この内径側部分を起点として上記ハブ本体９に、亀裂損傷が発生し易くなる。図６は、この様に残留引っ張り応力が作用する事で、亀裂損傷が発生し易くなる状況を、修正グッドマン線図に表したものである。この図６中、実線αはグッドマン線を、破線βは降伏線を、それぞれ表している。応力振幅が所定値（一定）であると仮定し、平均応力が０であるイ点を起点として、平均応力が引っ張り応力になると、この平均応力と応力振幅との組み合わせが、グッドマン線αの上側に移動し、特に、図６のロ点で示す様に著しい場合には、降伏点を越え、上記亀裂損傷が発生する可能性が高くなる。又、この様な原因での亀裂損傷は、前記ハブ本体９の軽量化をより進めるべく、前記凹部１２の容積を増大させた（軸方向に関する深さを大きくした）場合に著しくなる。

前述の特許文献１〜４のうちの特許文献１、３、４に記載された従来技術は、この様な原因による亀裂損傷を抑えられるものではない。これに対して、特許文献２に記載された従来技術は、この様な原因による亀裂損傷を抑えられるが、ショット・ピーニング又はターニング加工の工程を新たに追加する必要がある。これらショット・ピーニング又はターニング加工を行う為には、熱処理の為の設備とは全く異なる設備が必要となり、設備投資に要するコストが上昇して、車輪支持用転がり軸受ユニットの製造コストが上昇すると言った問題を生じる。

特開２００５−３０６１号公報 特開２００５−１４５３１３号公報 特開２００６−１４３０６９号公報 特開２００７−３８８０４号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑み、低コストで実施でき、ハブ本体の中間部外周面に高周波焼き入れにより硬化層を形成するのに伴って、この硬化層よりも径方向内側に存在する内径側部分に発生する残留引っ張り応力の値を小さく抑えられる、車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法を実現すべく発明したものである。

本発明の製造方法の対象となる車輪支持用転がり軸受ユニットは、外輪と、ハブと、複数の転動体とを備える。
このうちの外輪は、内周面に複列の外輪軌道を有し、使用時にも回転しない。
又、上記ハブは、外周面に複列の内輪軌道を有し、使用時に車輪と共に回転するもので、ハブ本体と内輪とを結合固定して成る。このうちのハブ本体は、軸方向外端寄り部分の外周面に上記車輪を支持固定する為の回転側フランジを、軸方向中間部外周面に軸方向外側の内輪軌道を、それぞれ直接形成すると共に、軸方向外端面の中央部に凹部を形成している。又、上記内輪は、外周面に軸方向内側の内輪軌道を形成したもので、上記ハブ本体の軸方向内端寄り部分に形成された小径段部に外嵌固定されている。そして、このハブ本体の中間部外周面で少なくとも上記軸方向外側の内輪軌道を含む部分に、高周波焼き入れにより硬化層を形成している。
更に、上記各転動体は、上記両外輪軌道と上記両内輪軌道との間に、両列毎に複数個ずつ、転動自在に設けられている。

この様な車輪支持用転がり軸受ユニットを造る為に、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法は、上記ハブ本体の加工工程を工夫する。そして、上記硬化層よりも径方向内側に存在する内径側部分に発生する残留引っ張り応力の値を小さく抑える。 即ち、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法の発明の場合には、上記硬化層を形成した後、上記凹部の内面を高周波加熱により焼鈍する。この際の加熱温度は、例えば、ハブ本体が中炭素鋼である場合で、６００〜６５０℃程度とする。

上述の様な構成を有する本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法によれば、ハブ本体の中間部外周面に高周波焼き入れにより硬化層を形成するのに伴ってこの硬化層の内径側に存在する内径側部分に発生した、残留引っ張り応力の値を小さくできる。この結果、この内径側部分を起点とする、上記ハブ本体の亀裂損傷を発生しにくくできる。

即ち、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法の場合には、高周波加熱による温度上昇に伴って上記内径側部分が軟化し、残留引っ張り応力に基づいてこの内径側部分の金属組織が移動（この内径側部分が変形）する。この結果、この内径側部分の残留引っ張り応力が緩和（値が低下）する。

図１は、本発明の実施の形態の１例を示している。本例の場合には、先ず、ハブ本体９の軸方向中間部で外周面を含む外径寄り部分に硬化層１５（図５参照）を、高周波焼き入れにより形成する。この硬化層１５の形成では、先ず、上記ハブ本体９の軸方向中間部周囲に配置した高周波誘導加熱コイルへの通電（図示せず）に伴って、このハブ本体９の軸方向中間部のうち、外周面を含む外径寄り部分を加熱する。次いで、このハブ本体９を急冷して、この外径寄り部分に上記硬化層１５を形成する。この様な、硬化層１５を形成する為の高周波焼き入れ処理に関しては、従来から広く知られている高周波焼き入れ処理の方法と同じであるから、図示並びに詳しい説明は省略する。

この様な高周波焼き入れ処理に伴って、前述した様に、上記硬化層１５の径方向内側に存在する、連続部１６を含む内径側部分に大きな残留引っ張り応力が発生する。そこで、上記硬化層１５を形成する作業に続き、図１に示す様に、凹部１２の内側に配置した高周波誘導加熱コイル１７への通電に基づいて、上記ハブ本体９の一部で、回転側フランジ８の基端部とこのハブ本体９の本体部分との連続部１６を含む内径側部分を、６００〜６５０℃程度にまで加熱した後、徐々に冷却してこの内径側部分を焼鈍する。

この様に上記連続部１６を含む内径側部分を焼鈍する事により、この内径側部分の残留引っ張り応力が緩和（値が低下）する。即ち、上記高周波誘導加熱コイル１７への通電に基づく高周波加熱による温度上昇に伴って上記内径側部分が軟化し、残留引っ張り応力に基づいてこの内径側部分の金属組織が移動（この内径側部分が変形）する。要するに、この内径側部分の金属組織が、上記残留引っ張り応力に基づいて移動し、この移動に伴ってこの残留引っ張り応力の値が低下する。この結果、上記ハブ本体９の中間部外周面に高周波焼き入れにより硬化層１５を形成するのに伴って、この硬化層１５の内径側に存在する内径側部分に発生した、残留引っ張り応力の値を小さく抑え、この内径側部分を起点とする、上記ハブ本体９の亀裂損傷を発生しにくくできる。

更に、本例の場合には、このハブ本体９の亀裂損傷の発生を抑える為の設備として、上記凹部１２の内面を加熱する為に必要な高周波誘導加熱コイル１７があれば足りる。この高周波誘導加熱コイル１７は、小型のもので足り、しかも、電源設備等は、上記硬化層１５を形成する為の高周波誘導加熱コイルと共用する事も可能である。この為、上記残留引っ張り応力を低減する為に要する設備を低コストで得られ、前述した特許文献２に記載された従来技術の場合に比べて、製造コストの上昇を抑えられる。

本発明の効果を確認する為に行った実験に就いて説明する。実験は、図２の（Ａ）〜（Ｄ）に示した４種類の、それぞれが中炭素鋼製であるハブ本体９に関して、中間部外周面部分に高周波加熱及び急冷により硬化層１５（図５参照）を形成した後、凹部１２の内面を高周波加熱し焼鈍する事が、この凹部１２の内面に残留する応力の大きさに及ぼす影響を知る為に行った。本実験では、残留応力の測定位置を、凹部１２の内面のうちで図２中の矢印が指す部分とした。上記４種類のハブ本体９は、何れも、一般乗用車用のもので、上記凹部１２を囲む円筒部１１の開口部の内径が４８mmである。又、軸方向外端寄り部分の外周面に形成した回転側フランジ８は、図３に示す様な十字形とした。尚、上記図２の（Ａ）〜（Ｄ）では、縦横比及び曲面部の曲率半径を、実際に即して（実際のプロポーション通りに）描いてある。尚、焼鈍工程では、上記凹部１２の内面を６００〜６５０℃にまで加熱して５〜２０秒間保持した後、水冷若しくは空冷で、２０〜１００℃／ｓｅｃ程度の速度で冷却した。

この様な条件下で行った実験の結果を、下記の表１に示す。尚、この表１中で残留応力の値が「＋」であるのは引っ張り応力を表している。又、焼鈍の欄中、「無」は、硬化層１５を形成した後、焼鈍前の状態を、「有」は、硬化層１５を形成した後、更に焼鈍した後の状態を、それぞれ表している。

この表１に示した実験結果から明らかな通り、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法によれば、ハブ本体９の中間部外周面に硬化層１５を形成するのに伴ってこの硬化層１５の径方向内側に存在する内径側部分に発生した引っ張り応力を緩和乃至は解消できる。

本発明は、ハブ本体を冷間鍛造により造る場合に適用して、特に顕著な効果を得られる。この理由は、冷間鍛造は加工抵抗が大きく、冷間鍛造により造られるハブ本体の内部には、元々大きな残留応力が発生し易い為である。即ち、元々大きな残留応力が存在するハブ本体に、硬化層形成に伴って発生する残留引っ張り応力が加わると、亀裂等の損傷が発生し易くなる。従って、この様な冷間鍛造により造られたハブ本体に本発明を適用すると、損傷の発生防止を有効に図れる。但し、温間鍛造や熱間鍛造の場合も、程度の差はあるにしても、造られるハブ本体の内部に残留応力が発生する為、本発明を適用する事は有効である。

本発明の実施状況を模式的に示す断面図。 本発明の効果を確認する為に行った実験に使用した４種類のハブ本体の断面図。 図２の（Ｃ）のハブ本体を同図の右方から見た図。 本発明の製造方法の対象となる車輪支持用転がり軸受ユニットの１例を示す断面図。 硬化層形成に伴ってハブ本体内部に発生する残留応力を説明する為の半部断面図。 残留引っ張り応力の発生に伴ってハブ本体の耐久性が低下する理由を説明する為の線図。

符号の説明

１ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２ 外輪
３ ハブ
４ 転動体
５ 外輪軌道
６ 静止側フランジ
７ 内輪軌道
８ 回転側フランジ
９ ハブ本体
１０ 内輪
１１ 円筒部
１２ 凹部
１３ 小径段部
１４ かしめ部
１５ 硬化層
１６ 連続部
１７ 高周波誘導加熱コイル

Claims (1)

1. 内周面に複列の外輪軌道を有し、使用時にも回転しない外輪と、外周面に複列の内輪軌道を有し、使用時に車輪と共に回転するハブと、これら両内輪軌道と上記両外輪軌道との間に、両列毎に複数個ずつ、転動自在に設けられた転動体とを備え、上記ハブは、ハブ本体と内輪とを結合固定して成るものであって、このうちのハブ本体は、軸方向外端寄り部分の外周面に上記車輪を支持固定する為の回転側フランジを、軸方向中間部外周面に軸方向外側の内輪軌道を、それぞれ直接形成すると共に、軸方向外端面の中央部に凹部を形成したものであり、上記内輪は、外周面に軸方向内側の内輪軌道を形成したもので、上記ハブ本体の軸方向内端寄り部分に形成された小径段部に外嵌固定されており、このハブ本体の中間部外周面で少なくとも上記軸方向外側の内輪軌道を含む部分に、高周波焼き入れにより硬化層を形成している車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法であって、この硬化層を形成した後、上記凹部の内面を高周波加熱により焼鈍する事を特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニットの製造方法。

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