JP2014008510A - 車輪用軸受装置の製造方法及び車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重量増大を招くことなく耐久性を向上させることができるフランジ付き軸部材を備えた車輪用軸受装置の製造方法を提供する。
【解決手段】軸方向の一端側に設けられ、転がり軸受１３が組み付けられる軸部１１と、軸方向の他端側に設けられ、車輪の中心孔に嵌合される嵌合軸部２４と、この嵌合軸部２４の軸心Ｏ上において軸方向他端面に形成された鍛造凹部２５と、軸部１１と嵌合軸部２４との間の外周面から径方向外方へ延び、かつ周方向に間隔をあけて設けられた複数のフランジ部２７と、を有するフランジ付き軸部材１２を備えた車輪用軸受装置１０の製造方法であって、冷間鍛造を行うための鍛造型装置によって、鍛造凹部２５を成形しながら、フランジ部２７を側方押出加工によって成形する工程と、この工程によって肉ひけが生じ得る鍛造凹部２５の内面の特定部位に対して、部分的に表面除去加工を行う工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両に車輪を装着するために用いられる車輪用軸受装置の製造方法及び車輪用軸受装置に関するものである。

従来、車輪用軸受装置として、車輪やブレーキディスクが取り付けられるフランジ付き軸部材（ハブホイール）を転がり軸受によって回転自在に支持したものがある。このフランジ付き軸部材は、軸方向の一端側に設けられた軸部と、軸方向の他端側に設けられた嵌合軸部と、軸部と嵌合軸部との間から径方向外方に延びるフランジ部とを備えている。フランジ付き軸部材の軸部には転がり軸受が組み付けられ、この転がり軸受の外輪が車体側に取り付けられる。フランジ部にはハブボルトが取り付けられ、このハブボルトを用いて車輪やブレーキディスクが装着される。嵌合軸部は、軸部よりも大径に形成され、フランジ部に装着された車輪等の中心孔に嵌め込まれる。

また、下記特許文献１には、上記構成のフランジ付き軸部材を冷間鍛造により成形する製造方法が開示されている。この製造方法は、軸部と嵌合軸部とを有する中間素材（一次成形品）を鍛造型装置に装填し、中間素材における嵌合軸部の軸方向外端面に対してパンチを用いて鍛造凹部を成形しながら、軸部と嵌合軸部との間の外周面に複数のフランジ部を側方押出加工により成形するものとなっている。

特開２０１０−１８８８３０号公報

上記特許文献１に記載されているように、フランジ付き軸部材を冷間鍛造により成形することで、重量の軽減を図りながら製造コストを低減できるという利点がある。
一方、フランジ付き軸部材は、フランジ部に装着された車輪やブレーキディスクから荷重を受けるため、強度をより高めることが望まれる。しかし、強度を高めるためにフランジ付き軸部材の各部の肉厚を増大したのでは重量軽減という利点が相殺される。したがって、フランジ付き軸部材の重量を増大することなく強度を高め、耐久性を向上させる方法が嘱望されている。

本発明は、以上のような実情に鑑み、重量増大を招くことなく耐久性を向上させることができる車輪用軸受装置の製造方法及び車輪用軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、車輪用軸受装置におけるフランジ付き軸部材の強度を高めるために鋭意研究を重ね、次のような知見を得るに至った。すなわち、本発明の発明者は、フランジ付き軸部材のフランジ部を側方押出加工により成形するとき、嵌合軸部の軸方向外端面側からフランジ部へ流れる鍛流線と、軸部と嵌合軸部との略中間位置からフランジ部に向けて径方向外方へ流れる鍛流線とが突き当たることによって、鍛造凹部の内面の一部、特に嵌合軸部の付け根部の近傍に「肉ひけ」が生じる場合があることを見出した。更に、この肉ひけの部分に生じた微細なクラックを起点として疲労破壊が生じる可能性があることを見出した。そして、発明者は、これらの知見のもと、次のような製造方法を完成するに至った。

すなわち、本発明は、軸方向の一端側に設けられ、転がり軸受が組み付けられる軸部と、軸方向の他端側に設けられ、車輪の中心孔に嵌合される嵌合軸部と、この嵌合軸部の軸心上において軸方向他端面に形成された鍛造凹部と、前記軸部と前記嵌合軸部との間の外周面から径方向外方へ延び、かつ周方向に間隔をあけて設けられた複数のフランジ部と、を有するフランジ付き軸部材を備えた車輪用軸受装置の製造方法であって、冷間鍛造を行うための鍛造型装置によって、前記鍛造凹部を成形しながら、前記フランジ部を側方押出加工によって成形する工程と、この工程によって肉ひけが生じ得る前記鍛造凹部の内面の特定部位に対して、部分的に表面除去加工を行う工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明の製造方法によれば、「肉ひけ」を生じる可能性がある鍛造凹部の内面の特定部位に対して、切削や研削等による表面除去加工を行うことによって肉ひけを取り除く。これにより、肉ひけの部分を起点とした疲労破壊を防止し、フランジ付き軸部材の耐久性を向上させることができる。したがって、フランジ付き軸部材の重量を増大することなく強度を高め、耐久性を向上させることができる。

なお、鍛造凹部の内面に生じた肉ひけを取り除くには、当該内面全体に対して表面除去加工を行うことも考えられる。しかし、鍛造凹部の内面全体に表面除去加工を行うと、加工範囲が広くなり加工に要する工数が増大する。上述のように、肉ひけが生じ得る部位は鍛流線から特定することができるため、本発明においては、肉ひけが生じ得る部位に限定して表面除去加工を行うことによって加工に要する工数を低減することができる。

本発明に係る車輪用軸受装置は、上記製造方法によって製造されたフランジ付き軸部材と、このフランジ付き軸部材の軸部に組み付けられた転がり軸受と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、フランジ付き軸部材の重量増大を招くことなく耐久性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る車輪用軸受装置の縦断面図である。 車輪用軸受部材のハブホイール（フランジ付き軸部材）を示す縦断面図である。 ハブホイールを嵌合軸部側から示す平面図である。 ハブホイールの製造工程を示す説明図である。 冷間鍛造の成形型にハブホイールの一次成形品をセットした状態を示す縦断面図である。 冷間鍛造の成形型にセットした一次成形品に対してフランジ部を側方押出加工により成形する状態を示す縦断面図である。 成形型内のハブホイールを拡大して示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る車輪用軸受装置の縦断面図である。
車輪用軸受装置１０は、自動車の車輪（本実施形態では従動輪）を懸架装置に対して回転自在に支持するものである。本実施形態の車輪用軸受装置１０は、軸部１１を有するハブホイール（フランジ付き軸部材）１２と、軸部１１に組み込まれる転がり軸受１３とを備えている。転がり軸受１３は、内輪部材１４と、外輪部材１５と、転動体１８とを備えている。内輪部材１４は、軸部１１の車両インナ側の端部（図１における左側端部）に固定されている。軸部１１と内輪部材１４との外周面には内輪軌道１７ａ，１７ｂが形成されている。外輪部材１５は、軸部１１の径方向外側に配設されている。外輪部材１５の内周面には、外輪軌道１６ａ，１６ｂが形成されている。転動体１８は、外輪軌道１６ａ，１６ｂと内輪軌道１７ａ，１７ｂとの間に転動自在に複列に配設されている。

本実施形態の転動体１８は玉によって構成されている。各列の複数の玉１８は保持器２０によって周方向に所定の間隔で保持されている。また、軸部１１及び内輪部材１４と外輪部材１５との間に形成される環状空間には、当該環状空間を軸方向両端から封止するシール部材２１ａ，２１ｂが設けられている。
外輪部材１５の外周面の軸方向中央部には取付フランジ３８が一体に形成されている。取付フランジ３８は、車体側の部材、例えば、車両の懸架装置（図示しない）に支持されたナックル又はキャリアの取付面にボルトによって連結される。

ハブホイール１２の車両アウタ側の端部（図１における右側端部）には、嵌合軸部２４が形成されている。この嵌合軸部２４は軸部１１よりも大径の筒形状に形成されている。嵌合軸部２４の軸心Ｏ上には、鍛造凹部２５が形成されている。鍛造凹部２５は、ハブホイール１２の車両アウタ側の端面から車両インナ側へ向けて形成されている。嵌合軸部２４は、ハブホイール１２に装着されたブレーキディスク３１や車輪ホイール３２の中心孔に嵌合される。

ハブホイール１２における軸部１１と嵌合軸部２４との間の外周面には、径方向外方へ延びる複数のフランジ部２７が形成されている。具体的に、ハブホイール１２には、図３に示されるように、４個のフランジ部２７が形成されている。４個のフランジ部２７は、周方向に等間隔（９０°の間隔）をあけて配置されている。

各フランジ部２７の先端側には、ボルト固定孔２９が貫通して形成されている。各ボルト固定孔２９には、図１に示されるように、ハブボルト２８が嵌合により固定されている。フランジ部２７の車両アウタ側の側面（ディスク支持面）２７ａには、ブレーキディスク３１と車輪ホイール３２とがハブボルト２８やホイールナット３９を用いて装着される。

図２は、車輪用軸受部材のハブホイールを示す縦断面図である。図３は、ハブホイールを嵌合軸部側から示す平面図である。
ハブホイール１２の軸部１１は、大径部３３と、段差部３４と、小径部３５とを一体に有している。大径部３３は、軸部１１のフランジ部２７側に形成されている。小径部３５は、大径部３３よりも小径である。小径部３５は、段差部３４を介して大径部３３に連続している。大径部３３の外周面には、外輪部材１５の外輪軌道１６ａ（図１参照）に対応する内輪軌道１７ａが形成されている。

ハブホイール１２の軸部１１は、大径部３３の内輪軌道１７ａよりも車両アウタ側に、シール摺動面３６ａを有している。このシール摺動面３６ａは、大径部３３よりも大径の円筒面に形成されている。シール部材２１ａ（図１参照）は、このシール摺動面３６ａ上を摺動する。
軸部１１の小径部３５の外周面には、内輪部材１４（図１参照）が嵌合される。そして、小径部３５の車両インナ側の端部をかしめることによって内輪部材１４が固定される。内輪部材１４の外周面には、内輪軌道１７ｂと、シール摺動面３６ｂとが形成されている。内輪軌道１７ｂは、外輪軌道１６ｂに対応して形成されている。シール摺動面３６ｂは、内輪軌道１７ｂよりも大径の円筒面よりなる。シール部材２１ｂはシール摺動面３６ｂ上を摺動する。

図２及び図３に示されるように、ハブホイール１２の複数のフランジ部２７は、後述するように冷間鍛造によって嵌合軸部２４の中心部（軸心Ｏ上）の端面に鍛造凹部２５を形成する際の側方押出加工によって形成される。また、フランジ部２７の根元部には、車両インナ側へ軸方向に膨出する厚肉部４０が形成されている。この厚肉部４０の径方向外端部は、漸次、肉厚が減少するように傾斜状に形成されている。

鍛造凹部２５の内面には、アール部２５ａ、テーパー部２５ｂ、及び平坦部２５ｃが形成されている。アール部２５ａは、嵌合軸部２４の付け根部付近に円弧状に形成されている。テーパー部２５ｂは、アール部２５ａに続いて形成され、車両インナ側へ向けて漸次内径が傾斜状に減少している。平坦部２５ｃは、鍛造凹部２５の中心部に形成され、軸心Ｏに略直交している。

本実施形態の車輪用軸受装置１０において、ハブホイール１２は、冷間鍛造による側方押出加工によって、軸部１１と嵌合軸部２４との間の外周面に複数のフランジ部２７を放射状に形成することによって製造される。これによって、重量軽減を図りながら製造コストの低減を図っている。以下、冷間鍛造によるハブホイール１２の製造方法について説明する。

この製造方法は、第１工程〜第４工程に大別することができる。図４に示されるように第１工程は、ハブホイール１２の素材６０を形成する工程である。第２工程は、素材６０から一次成形品６１を形成する工程である。第３工程は、一次成形品６１から二次成形品６２を形成する工程である。第４工程は、二次成形品６２からハブホイール１２を完成させる工程である。第１工程において、ハブホイール１２の素材６０は、構造用炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃ、Ｓ５０Ｃ、Ｓ５５Ｃ等の炭素量０．５％前後の炭素鋼が望ましい）の丸棒材を所要長さに切断することによって形成される。そして、素材６０は、例えば８００℃前後に加熱された後、冷却され、焼鈍される。

第２工程では、冷間鍛造の前方押出加工の鍛造型装置（図示しない）を用いて素材６０が前方押出加工される。これによって、軸部１１と嵌合軸部２４との概ねの形状が形成される。この前方押出加工後の成形品が一次成形品（中間素材）６１となる。

第３工程では、図５及び図６に示されるように、冷間鍛造による側方押出加工を行うための鍛造型装置７０が用いられる。この鍛造型装置７０によって、一次成形品６１の嵌合軸部２４の中心部端面に鍛造凹部２５が形成され、同時に、軸部１１と嵌合軸部２４との間に複数のフランジ部２７が放射状に形成される。この加工により二次成形品６２が作製される。

より具体的に、図５に示されるように、鍛造型装置７０は、上下一対の成形型７１，７２を備えている。一次成形品６１は、下側の成形型７２に装入された後、上側の成形型７１を閉じることによって鍛造型装置７０にセットされる。一対の成形型７１，７２には、二次成形品６２を成形するためのキャビティ７３が形成されている。特に、軸部１１と嵌合軸部２４との間に相当する部分には、フランジ部２７を成形するためのキャビティ７３ａが放射状に形成されている。フランジ部２７用のキャビティ７３ａは、一対の成形型７１，７２の突き合わせ面に形成された溝部により構成されている。

その後、図５及び図６に示されるように、パンチ７４が一次成形品６１の嵌合軸部２４の中心部端面に向けて下方へ駆動され、パンチ７４の先端部によって嵌合軸部２４の中心部端面に鍛造凹部２５が形成される。このとき、主に嵌合軸部２４の金属組織が、キャビティ７３ａ側へ押し出され、キャビティ７３ａ内に流入することによってフランジ部２７が形成される。また、同時に、軸部１１における大径部３３、段差部３４、小径部３５、及びシール摺動面３６ａ等も形成される。

第４工程では、二次成形品６２に対して旋削等が必要な各部位にそれぞれ加工が行われる。例えば、各フランジ部２７にボルト固定孔２９が形成され、軸部１１の端面に軸端凹部１９が形成される。
更に、鍛造凹部２５の内面に対して「表面除去加工」が行われる。この表面除去加工は、鍛造凹部２５の内面を切削（旋削）や研削によって削る加工をいう。この表面除去加工は、ハブホイール１２の耐久性を向上させるために実施される。詳しくは、後で説明する。

その後、二次成形品６２の所定の領域、例えば、図２に１点鎖線のハッチングを付した領域Ｚ１，Ｚ２に高周波焼き入れ等の熱処理が施される。その後、軸部１１の内輪軌道１７ａやフランジ部２７のディスク支持面２７ａ等が旋削加工又は研磨加工される。以上により、ハブホイール１２が完成する。

以下、第４工程で実施された鍛造凹部２５の内面に対する「表面除去加工」について詳しく説明する。
本実施形態のような車輪用軸受装置１０は、ハブホイール１２に装着した車輪ホイール３２やブレーキディスク３１から荷重を繰り返し受けるため、強度（特に、疲労強度）を高めることが要求される。この場合に、ハブホイール１２の各部の肉厚を増大させることによって強度を高めることは可能であるが、これではハブホイール１２の重量が増大してしまうため、好ましくない。

そこで、本発明の発明者は、ハブホイール１２の製造段階で強度的に弱くなる部分を排除することによって、ハブホイール１２の強度を高めることを考えた。そして、発明者は、冷間鍛造によるハブホイール１２の金属組織の流れである鍛流線を精査したところ、強度的に弱くなる部分を特定することができた。
具体的に、本発明の発明者は、図７に示されるように、ハブホイール１２のフランジ部２７を形成する際に、成形型７１，７２のキャビティ７３ａ内へ一次成形品６１の金属組織が流入すると、矢印ａ、ｂで示されるような鍛流線が生じることを知得した。この鍛流線は、嵌合軸部２４の素材が軸方向及び径方向に屈曲しながらフランジ部２７用のキャビティ７３ａに流れる鍛流線ａと、軸部１１と嵌合軸部２４との中間部における素材が径方向外方へ流れる鍛流線ｂに大別される。

そして、本発明の発明者は、このような２種類の鍛流線ａ，ｂが互いに突き当たると、その付近に位置する鍛造凹部２５の内面、特に、アール部２５ａとテーパー部２５ｂの部分（２点鎖線で囲った領域Ｘ）に「肉ひけ」が生じ易くなることを見出した。「肉ひけ」とは、成形品の表面に生じるわずかな凹みのことをいう。一般には、単に「ひけ」という場合もある。この肉ひけが生じた部分には微細なクラックが発生することがあるため、このクラックが疲労破壊の起点となり、図２に示されるような割れＷの原因となる可能性がある。

そのため、本実施形態の製造方法においては、肉ひけが生じる可能性のある特定の部位に対して、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度表面を削ることによって面一とするような除去加工を行う。これによって、当該部位を起点とする疲労破壊を好適に防止することができる。

以上のような「表面除去加工」は、鍛造凹部２５の内面全体に対して行うことによっても、肉ひけを取り除くことが可能となる。しかし、鍛造凹部２５の内面全体に表面除去加工を行うと加工範囲が大きくなり、加工に要する工数も増大する。上述したように、肉ひけが生じ得る領域Ｘは、鍛流線から予め特定することができるので、本実施形態の製造方法では、鍛造凹部２５の特定部位のみを対象として表面除去加工を行っている。これにより、鍛造凹部２５の内面全体に対して表面除去加工を行わなくても肉ひけを確実に除去することができ、加工に要する工数も抑制することができる。

なお、フランジ部２７の側方押出加工に伴う鍛造凹部２５の肉ひけは、必ず生じるものではないが、「表面除去加工」は全ての成形品について行うことが推奨される。表面除去加工を行う領域Ｘは予め定められた狭い領域であるため、全ての成形品に対して表面除去加工を行ったとしてもそれほどの工数増大にはならない。その一方で、全ての成形品に対して表面除去加工を行うことで、肉ひけが生じているか否かを調べるための検査を不要とし、工数の増大を最低限に抑えることができるからである。また、表面除去加工は、領域Ｘにおける鍛造凹部２５の全周に対して行ってもよいし、フランジ部２７が形成された周方向の複数箇所のみに対して行ってもよい。後者の方が、より工数の増大を抑制することができる。

また、ハブホイール１２の所定の領域Ｚ１，Ｚ２に焼き入れを施した場合、当該領域Ｚ１，Ｚ２においては焼き入れ後の冷却に伴う熱収縮によって圧縮応力が残留するが、その周囲では逆に引っ張り応力が残留する。この場合に、鍛造凹部２５の内面に肉ひけがあったとすると、特に領域Ｚ１の焼き入れに伴う引っ張り応力によって当該肉ヒケが助長され、疲労強度の低下に繋がる可能性がある。本実施形態では、ハブホイール１２の所定の領域Ｚ１，Ｚ２に焼き入れを施す前に、鍛造凹部２５の内面に表面除去加工を行うことによって、このような不都合を回避することができる。

本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変更することが可能である。
例えば、本発明は、転がり軸受１３が円すいころ軸受とされた車輪用軸受装置にも適用することができる。

１０：車輪用軸受装置、１１：軸部、１２：ハブホイール（フランジ付き軸部材）、１３：転がり軸受、２４：嵌合軸部、２５：鍛造凹部、２７：フランジ部、６０：素材、６１：一次成形品（中間素材）、６２：二次成形品、７０：鍛造型装置、Ｏ：軸心、Ｘ：肉ひけの領域、Ｚ１：焼き入れ箇所、ａ：鍛流線、ｂ：鍛流線

Claims (3)

1. 軸方向の一端側に設けられ、転がり軸受が組み付けられる軸部と、軸方向の他端側に設けられ、車輪の中心孔に嵌合される嵌合軸部と、この嵌合軸部の軸心上において軸方向他端面に形成された鍛造凹部と、前記軸部と前記嵌合軸部との間の外周面から径方向外方へ延び、かつ周方向に間隔をあけて設けられた複数のフランジ部と、を有するフランジ付き軸部材を備えた車輪用軸受装置の製造方法であって、
   冷間鍛造を行うための鍛造型装置によって、前記鍛造凹部を成形しながら、前記フランジ部を側方押出加工によって成形する工程と、
   この工程によって肉ひけが生じ得る前記鍛造凹部の内面の特定部位に対して、部分的に表面除去加工を行う工程と、を含む車輪用軸受装置の製造方法。
2. 前記鍛造凹部の内面に表面除去加工を行った後、前記軸部の外周面に焼き入れ処理を行う工程を含む、請求項１記載の車輪用軸受装置の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法によって製造されたフランジ付き軸部材と、このフランジ付き軸部材の軸部の外周面に組み付けられた転がり軸受と、を備えていることを特徴とする車輪用軸受装置。

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