JP2012030652A - 車両用車軸軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキング時の発熱の伝熱を抑え、耐久性に優れ、回転センサを備える場合には検出精度の低下の少ない車両用車軸軸受を、ハブボルトの固定強度を低下させることなく提供する。
【解決手段】内輪、外輪及び転動体を備え、フランジ部が前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方と一体化され、前記内輪に車軸が嵌合される車両用車軸軸受において、
転走面を金属製にするとともに、少なくとも前記フランジ部の一部を炭素繊維プリプレグの積層体から成る炭素繊維強化樹脂で形成し、前記フランジ部に直接ハブボルトが固定されるようにしたことを特徴とする車両用車軸軸受。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のハブユニット軸受に代表される車両用車軸軸受に関し、特に熱伝導による影響低減及びハブボルトの固定に関する。

自動車の従来のハブユニット軸受では、内輪，外輪及びフランジを軸受鋼等の金属製で形成していたが、重量が大きく、燃費上不利であるとともに、高価になることから、内輪や外輪の転走面及びフランジ部を金属薄板からなるベース部で形成し、更にベース部を合成樹脂に補強繊維を配合した複合材料で補強したものが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１のようなハブユニット軸受においても、ブレーキロータと締結されるフランジ部を含むベース部が金属製であり、熱伝導率が比較的高いため、ブレーキング時に発生する摩擦熱がフランジ部を通じて伝熱し、内輪や外輪の転走面の温度上昇を抑えることが難しい。そして、このような温度上昇が発生すると、封入グリースの種類によっては劣化が促進され、それにより回転トルクが増大したり、異音や振動が発生するなどして軸受性能が低下することが、過酷な試験を行うことにより分かってきた。

また、ハブユニット軸受の中には、車軸の回転数または車軸にかかる荷重を検知するための回転センサを備えるものがある（図１参照）。回転センサは、内輪に取り付けられた金属製のスリンガの外周面に磁気エンコーダを取り付け、磁気エンコーダと対向するように磁気センサを配置して構成されたものが一般的である（図１参照）。そのため、磁気エンコーダの取り付け位置の精度が要求されるが、上記のようにブレーキング時の摩擦熱が伝熱して内輪や外輪の温度が上昇すると、内輪に取り付けられているスリンガが熱膨張を起こして磁気エンコーダの取り付け位置が微妙に変化して検出精度に影響を与える。

また、ブレーキディスクやホイールの取り付けの際に使用するハブボルトは、フランジに十分な強度で固定される必要がある。従来の金属製フランジにおいては十分な実績があるが、フランジを繊維強化樹脂製とした場合に十分な固定強度が得られるかは分かっていない。

実公平７−５４６５８号公報

本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、ブレーキング時に発生する熱の伝導を抑え耐久性に優れた車両用車軸軸受、また回転センサを備える場合には検出精度の低下を低減した車両用車軸軸受を、十分なハブボルトの固定強度を保ちつつ提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の車両用車軸軸受を提供する。
（１）内輪、外輪及び転動体を備え、フランジ部が前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方と一体化され、前記内輪に車軸が嵌合される車両用車軸軸受において、
転走面を金属製にするとともに、少なくとも前記フランジ部の一部を炭素繊維プリプレグの積層体から成る炭素繊維強化樹脂で形成し、前記フランジ部に直接ハブボルトが固定されるようにしたことを特徴とする車両用車軸軸受。（２）前記フランジ部には予め雌ねじ加工が施され、その加工部に前記ハブボルトがねじ締結されるようにしたことを特徴とする（１）記載の車両用車軸軸受。
（３）前記フランジ部には予め穴あけ加工が施され、その加工部に前記ハブボルトのセレーションが圧入されるようにしたことを特徴とする（１）記載の車両用車軸軸受。
（４）前記炭素繊維プリプレグが、炭素繊維を平面状に、一方向に配向させて樹脂で結束されたものであり、かつ、前記炭素繊維の配向が、前記フランジ部に固定される前記ハブボルトの軸線に対して略垂直で、隣接する前記炭素繊維プリプレグ間は、前記炭素繊維の繊維配向が異なる角度になるように積層されていることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。（５）前記炭素繊維プリプレグが、炭素繊維を平面状に編組して樹脂で結束されたものであり、かつ、前記炭素繊維の配向が、前記フランジ部に固定される前記ハブボルトの軸線に対して略垂直になるように積層されていることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（６）前記炭素繊維強化樹脂における樹脂の含有量が２３〜５０質量％であることを特徴とする（１）〜（５）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（７）前記炭素繊維強化樹脂における炭素繊維の引張強度が３〜８．５ＧＰａ、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が０．５〜２．２％であることを特徴とする（１）〜（６）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（８）前記炭素繊維強化樹脂における樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはポリプロピレン樹脂の何れかを含むことを特徴とする（１）〜（７）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（９）前記車軸の回転数または前記車軸にかかる荷重を検出するためのセンサを備えることを特徴とする（１）〜（８）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。

本発明の車両用車軸軸受は、転走面を金属製にするとともに、少なくともフランジ部の一部を炭素繊維プリプレグの積層体からなる炭素繊維強化樹脂で形成したため、回転特性に影響することなく、フランジ部を通じての伝熱が抑えられて長寿命となる。また、回転センサを備える構成とした場合には、熱変形による検出精度の低下も少ない。また、フランジ部に直接ハブボルトが固定されるようにしたので、ハブボルトを十分な強度で固定することができる。

本発明に係る車両用車軸軸受の一例であり、回転センサ付きハブユニットを示す断面図である。 炭素繊維プリプレグの積層様式の一例を示す模式図である。 炭素繊維強化樹脂における炭素繊維配向と、取り付けボルトとの相対位置を説明するための模式図である。 本発明の実施例２ａに係る車両用車軸軸受における引き抜き試験の模式図である。 本発明の実施例２ｂに係る車両用車軸軸受における引き抜き試験の模式図である。 比較例の車両用車軸軸受における引き抜き試験の模式図である。

以下、本発明に関して回転センサ付きハブユニット軸受を例示して詳細に説明する。

図１に示す本実施形態のハブユニット軸受Ｏは、駆動輪用とされており、固定輪である外輪１及び回転輪であるハブ３と、外輪１とハブ３間の環状空間１３に転動自在に配置される複数の転動体１０と、環状空間１３を密封する密封装置１２ａ，１２ｂと、ハブ３と共に回転する磁気エンコーダ２０とを備えている。また、磁気エンコーダ２０と対向して、図示しない磁気センサが配設されており、車輪の回転と共に磁気エンコーダ２０を回転させ、車輪の回転に同期した磁場変化を検出する。そして、検出された磁場変化をもとに車軸の回転数または車軸にかかる荷重を得ることができる

ハブ３は、中空状のハブ輪４を備えており、ハブ輪４は、その外周面のアウトボード側端部（自動車への組み付け状態で車幅方向外側の端部：図１の左端部）に径方向外方に延びる車輪取り付けフランジ７を有している。車輪取り付けフランジ７には、そのアウトボード側の側面に車輪を構成する図示しないホイール及びブレーキロータ等を取り付けるためのハブボルト７ａが周方向に略等間隔で複数植設されている。

ハブ輪４のインボード側端部（自動車への組み付け状態で車幅方向内側の端部：図１の右端部）には小径段部４ａが形成されており、該小径段部４ａには内輪５が嵌め込まれている。内輪５の外周面には内輪軌道面９が形成され、また、ハブ輪４の軸方向の中間部外周面にも内輪軌道面９が形成されている。

外輪１の内周面にはハブ輪４の内輪軌道面９に対応する外輪軌道面８及び内輪５の内輪軌道面９に対応する外輪軌道面８が形成されている。また、車輪取り付けフランジ７から離間する側の外輪１の端部には径方向外方に延びる懸架装置取り付けフランジ２が設けられている。図示は省略するが、この懸架装置取り付けフランジ２には、取り付けボルトによりナックルが取り付けられる。

そして、複列の内輪軌道面９と複列の外輪軌道面８との間には、それぞれ複数の転動体１０が保持器１１を介して周方向に転動可能に配設されている。尚、図示の例では、転動体１０として玉を使用しているが、重量の嵩む車輪支持用ハブユニット軸受の場合には、転動体１０としてテーパころを使用する場合もある。

また、外輪１のアウトボード側の端部とハブ輪４との間、及び外輪１のインボード側の端部と内輪５との間には、密封装置１２ａ，１２ｂがそれぞれ設けられている。密封装置１２ａは、外輪１のアウトボード側の端部内周面に嵌合されたスリンガ１４と、スリンガ１４に接着固定されてハブ輪４に摺接するシール部１５とを備えている。

一方、密封装置１２ｂは、内輪５の外周面に嵌合される第１のスリンガ１６と、外輪１のインボード側の端部内周面に嵌合される第２のスリンガ１７と、第１のスリンガ１６に接着固定されて第２のスリンガ１７と摺接するシール部１８とを有する。シール部１８は、ゴム材料によって形成されており、封入グリースの漏洩を防止するとともに、外部からの塵埃、水、泥水等の環状空間１３への侵入を防止する。

本発明では、転走面、すなわち外輪軌道面８及び内輪軌道面９をＳＵＪ２等の通常軸受に使用される鋼材製にするとともに、少なくともフランジ部の一部、即ちハブ輪４の車輪取り付けフランジ７及び外輪１の懸架装置取り付けフランジ２（図中、クロスハッチで示す部分）の一部を炭素繊維プリプレグの積層体から成る炭素繊維強化樹脂で形成する。

炭素繊維プリプレグは、炭素繊維を平面状に、一方向に配向させて樹脂で結束したシート状のもの（一方向プリプレグ）である。これを積層する際、図２に模式的に示すように、隣接する（図の例では上下の）炭素繊維プリプレグ間で、炭素繊維１００の配向が、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）のように所定の角度（例えば４５°）で交差するように積層される。すなわち、繊維配向が異なるように積層される。尚、積層後、熱プレスあるいはオートクレーブにより一体となった炭素繊維強化樹脂を得ることができる。

また、炭素繊維プリプレグは、炭素繊維を織物のように平面状に縦横等に編組して樹脂で結束したシート状物（編組プリプレグ）を積層したものでもよい。
また、一方向プリプレグを積層したものの表面のみを編組プリプレグとしてもよい。この場合、得られた炭素繊維強化樹脂に穴あけ加工をしても表面の繊維が散けることが少ない。

炭素繊維の種類や直径には制限はないが、得られた炭素繊維強化樹脂の実用的な強度を考慮すると、引張強度が３〜８．５ＧＰａで、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａで、伸度が０．５〜２．２％であるものが好ましい。
また、炭素繊維強化樹脂における樹脂の含有量は、２３〜５０質量％が好ましい。樹脂の含有量が２３質量％未満では、相対的に樹脂量が少なくなりすぎてプリプレグ同士の接着性が低下する。一方、樹脂の含有量が５０質量％を超えると、炭素繊維強化樹脂が必要な強度とならない。より好ましい樹脂の含有量は、２５〜４０質量％である。

尚、炭素繊維を結束するための樹脂の種類には制限はなく、エポキシ樹脂，フェノール樹脂及びポリイミド樹脂のような熱硬化性樹脂、ポリアミド樹脂やポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。少なくともこれらのうち何れかを含むことが好ましい。

また、炭素繊維プリプレグは、図３に模式的に示すように、炭素繊維１００の配向がハブボルト７ａの軸線Ｃに対して略垂直になるように積層される。

そして、炭素繊維強化樹脂は、ハブボルト７ａを挿通させるためのボルト孔が開けられて車輪取り付けフランジ７に相当するフランジ部材とされる。すなわち、少なくともフランジ部の一部は炭素繊維強化樹脂で形成され、そのフランジ部には予め雌ねじ加工が施され、その加工部にハブボルト７ａが直接ねじ締結される。また、直接ハブボルトを固定する別の方法として、フランジ部に予め穴あけ加工が施され、その加工部にハブボルトが直接セレーション圧入される方法がある。

フランジ部材はハブ輪４の外周面に固定され、同様に、炭素繊維強化樹脂で懸架装置取り付けフランジ２に相当するフランジ部材を形成することもできる。フランジ部材とハブ輪４または外輪１との固着方法は、炭素繊維プリプレグに用いた樹脂に合わせて金属と接着が可能な接着剤を用いて接着することができる。また、図示しないセンターナットを用いてハブ輪４に固定することもできる。更には、接着剤とセンターナットとを併用してもよい。また、より固着強度を高めるためには、ハブ輪４の固着面に、ローレット加工やセレーション加工を施してもよい。

上記ハブユニット軸受Ｏは、転走面が金属製であるため軸受回転特性は従来と同等に維持される。また、懸架装置取り付けフランジ２や車輪取り付けフランジ７が炭素繊維強化樹脂で形成されるため、強度を保ちつつ軽量化を図ることができる。また、炭素繊維強化樹脂は熱伝導率が金属に比べて大幅に低いため、ブレーキング時の発熱が車輪取り付けフランジ７を通じてハブ輪４に伝熱しにくくなり、軸受温度の上昇を抑えることができる。そのため、封入グリースの熱劣化も抑えられ、更にはスリンガ１６の熱膨張も抑えられ、磁気エンコーダ２０の位置ズレも抑えられ、回転精度の低下を防ぐこともできる。

以下、実施例及び比較例を挙げて更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
炭素繊維（引張強度５ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、伸度１．９％）を平面状に並べ、エポキシ樹脂で結束して一方向プリプレグを作製した。この一方向プリプレグにおける炭素繊維の含有量は７５質量％であり、エポキシ樹脂の含有量は２５質量％である。そして、この炭素繊維プリプレグを、図２に示すように、炭素繊維の配向が４５°の角度をもって重なるように積層して熱プレスを行い、炭素繊維強化樹脂を作製した。

日本精工（株）製車輪支持用転がり軸受「呼び番号２８ＢＷＫ１９」を改良し、車輪取り付けフランジとして上記の炭素繊維強化樹脂からなるフランジ部材を接着剤及びセンターナットを用いてハブ輪に固着した。尚、内輪及び玉はＳＵＪ２製であり、外輪はＳ５３ＣＧ（炭素鋼）製である。

そして、フランジ部材に、ブレーキシステムのブレーキロータをボルト締めして実施例１とした。尚、ボルト締めに際し、エポキシ系接着剤にて接着して固定力を高めた。

（比較例１）
日本精工（株）製車輪支持用転がり軸受「呼び番号２８ＢＷＫ１９」をそのまま用い、車輪取り付けフランジにブレーキロータを締結して比較例１とした。

（寿命試験）
実施例１及び比較例１に車軸を嵌入し、更にブレーキディスクを１３０℃に調温し、アキシアル荷重８８２０Ｎを付与した状態で車軸を１００ｍｉｎ^−１にて回転させ、回転時の振動を振動計で常時計測し、測定値が一定値を超えるまでの回転時間を回転寿命とみなし、ワイブル分布関数に基づくＬ_１０寿命を求めた。結果を表１に示す。

また、回転中、内輪表面温度を測定した。結果を表１に併記する。

表１に示すように、フランジ部を炭素繊維強化樹脂で形成することにより、ブレーキロータを通じての伝熱が抑えられ、長寿命になる。

（実施例２）
車両用車軸軸受のフランジ部分を、炭素繊維及びエポキシ樹脂から成るプリプレグを積層することによって積層体を形成した。また、この積層体を１３０℃で２時間保持することによって樹脂を硬化させ炭素繊維強化樹脂とし、機械加工を行うことによって仕上げを行った。また、心金となる鍛造軸受鋼製内輪にローレット加工及びねじ穴加工を行い、エポキシ系接着剤を塗布の後、センターナットでねじ締結を行った。

この炭素繊維強化樹脂はエポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂を２３〜５０質量％、より好ましくは２５〜４０質量％含有している。熱硬化性樹脂の量が２３質量％を下回ると、繊維間に樹脂が十分にないため、プリプレグ同士の接着性が低下する。また、熱硬化性樹脂の量が５０質量％を超えると、繊維数が減少するため強度面で鋼を上回ることが困難となる。

上記含有率は、樹脂と強化剤の含有率を測定するのに一般的に行われている燃焼法にて測定したものである。これはまず、試験片の初期質量を測定しておき、窒素やアルゴンなど不活性ガス雰囲気中で樹脂を燃焼させる。炭素は、酸素がないと燃焼せず残るので、残った炭素の質量を測定する。そして、得られた炭素の質量と初期質量との比で含有率を算出する。

また、炭素繊維強化樹脂を構成する炭素繊維は直径７〜１３μｍの範囲にあり、引張り強度が３〜８．５ＧＰａ、引張り弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が０．５〜２．２％の範囲に入るものが望ましい。

本発明で使用されるプリプレグは、炭素繊維が一方向に配向した一方向プリプレグが主体である。そして、孔を設けても表面の炭素繊維が散けないように表面の１枚には炭素繊維を編み組みして織り込んだ編組プリプレグを用いている。

図２に示すように一方向プリプレグを繊維配向角度を４５°ずつずらしながら積層することによって作成した熱硬化性樹脂量２５質量％の炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を、少なくともフランジの一部に持つ車両用軸受（日本精工（株）製車輪支持用転がり軸受「呼び番号２８ＢＷＫ１９」の改良）は、車輪支持用転がり軸受用のＳＵＪ２製内輪及びＳＵＪ２製玉を用いて、組み立てられ、図１に示すようにフランジ部に直接ハブボルトが固定されている。

少なくとも一部が炭素繊維強化樹脂であるフランジ部には予め雌ねじ加工が施され、その加工部にハブボルトが直接ねじ締結されており、これを実施例２ａとする。
また、少なくとも一部が炭素繊維強化樹脂であるフランジ部には予め穴あけ加工が施され、その加工部にハブボルトのセレーションが圧入されており、これを実施例２ｂとする。

（比較例２）
一方、少なくとも一部が炭素繊維強化樹脂であるフランジ部には予め穴あけ加工が施され、その加工孔に、内周に雌ねじを有するアルミインサートを接着剤を介して嵌合し、これを比較例２とした。その他の部分は実施例２ａ，２ｂと同様である。

（引抜試験）
実施例２ａは図４に示すように、実施例２ｂは図５に示すように、また比較例２は図６に示すように、フランジのハブボルト装着部にハブボルトを装着し、ハブボルトの引抜試験を行った。
図４は、実施例２ａにおけるハブボルト７ａの引抜試験を模式的に示している。車輪取り付けフランジ７にねじ部７ｂを介してハブボルト７ａが直接締結されている。引張試験機にて、車輪取り付けフランジ７を固定し、ハブボルト７ａを引き抜くことによって試験を行った。
図５は、実施例２ｂにおけるハブボルト７ａｓの引抜試験を模式的に示している。車輪取り付けフランジ７にセレーション部７ｓを介してハブボルト７ａｓが直接圧入されている。引張試験機にて、車輪取り付けフランジ７を固定し、ハブボルト７ａｓを引き抜くことによって試験を行った。この場合、実施例２ａのねじ結合の場合と異なり、引抜方向はボルトの軸方向向きを逆にしている。これは、セレーション圧入結合の場合に、要求される結合力を満足することを確認されればよいためである。

図６は、比較例２におけるハブボルト７ａの引抜試験を模式的に示している。車輪取り付けフランジ７にインサートねじ７ｃを介してハブボルト７ａが締結されている。インサートねじ７ｃは、円筒状のもので外周に凹凸等はなく、車輪取り付けフランジ７のストレート孔部７ｅに接着固定されている。インサートねじ７ｃの内周は、雌ねじ加工されたねじ部７ｄを介してハブボルト７ａと締結されている。引張試験機にて、車輪取り付けフランジ７を固定し、ハブボルト７ａを引き抜くことによって試験を行った。
引抜試験は、室温にて島津製作所製引張試験機を用いて、クロスヘッド送り速度：５ｍｍ／ｍｉｎにて行った。
引抜試験の結果を表２に示す。

実施例２ａ及び実施例２ｂでは、引き抜き試験の際にハブボルト７ａ，７ａｓが引張破壊を起こした。すなわち、ハブボルト７ａ，７ａｓの固定強度及び結合部の炭素繊維強化樹脂が十分に強く、ハブボルト７ａ，７ａｓの強度を上回っていることが分かった。

比較例２では、ハブボルト７ａが車輪取り付けフランジ７から引き抜ける結果となった。試験後の観察によると、車輪取り付けフランジ７とインサートねじ７ｃとの間で抜けが生じており、十分な固定強度が得られていないことが分かった。

１ 外輪
２ 懸架装置取り付けフランジ
３ ハブ
４ ハブ輪
５ 内輪
７ 車輪取り付けフランジ
７ａ，７ａｓ ハブボルト
７ｂ ねじ部
７ｃ インサートねじ
７ｄ ねじ部
７ｅ ストレート孔部
７ｓ セレーション部
１０ 転動体
１２ａ，１２ｂ 密封装置
１６ 第１のスリンガ
１７ 第２のスリンガ
１８ シール部
２０ 磁気エンコーダ
１００ 炭素繊維

Claims (9)

1. 内輪、外輪及び転動体を備え、フランジ部が前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方と一体化され、前記内輪に車軸が嵌合される車両用車軸軸受において、
   転走面を金属製にするとともに、少なくとも前記フランジ部の一部を炭素繊維プリプレグの積層体から成る炭素繊維強化樹脂で形成し、前記フランジ部に直接ハブボルトが固定されるようにしたことを特徴とする車両用車軸軸受。
2. 前記フランジ部には予め雌ねじ加工が施され、その加工部に前記ハブボルトがねじ締結されるようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両用車軸軸受。
3. 前記フランジ部には予め穴あけ加工が施され、その加工部に前記ハブボルトのセレーションが圧入されるようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両用車軸軸受。
4. 前記炭素繊維プリプレグが、炭素繊維を平面状に、一方向に配向させて樹脂で結束されたものであり、かつ、前記炭素繊維の配向が、前記フランジ部に固定される前記ハブボルトの軸線に対して略垂直で、隣接する前記炭素繊維プリプレグ間は、前記炭素繊維の繊維配向が異なる角度になるように積層されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
5. 前記炭素繊維プリプレグが、炭素繊維を平面状に編組して樹脂で結束されたものであり、かつ、前記炭素繊維の配向が、前記フランジ部に固定される前記ハブボルトの軸線に対して略垂直になるように積層されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
6. 前記炭素繊維強化樹脂における樹脂の含有量が２３〜５０質量％であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
7. 前記炭素繊維強化樹脂における炭素繊維の引張強度が３〜８．５ＧＰａ、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が０．５〜２．２％であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
8. 前記炭素繊維強化樹脂における樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはポリプロピレン樹脂の何れかを含むことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
9. 前記車軸の回転数または前記車軸にかかる荷重を検出するためのセンサを備えることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。

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