JP2015124847A - 車輪支持用転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】外輪軌道面に加わる荷重（モーメント荷重或いは衝撃荷重）により、外輪軌道面に圧痕が発生する事を抑制し、耐久性に優れた車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する。
【解決手段】外輪２ａの内周面のうち、軸方向外側の外輪軌道面５ａ部分から軸方向内側の外輪軌道面５ｂ部分に亙り、高周波焼入れにより全周に熱処理硬化層２０が形成されている。熱処理硬化層２０は、外側硬化層２１と、内側硬化層２２と、中間硬化層２３とにより構成され、外側、内側各硬化層２１，２２の大径側部分の厚さ寸法Ｔ１は、外側、内側各硬化層２１，２２の小径側部分の厚さ寸法Ｔ２よりも大きい（Ｔ１＞Ｔ２）。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の車輪及びブレーキディスク等の制動用部材を懸架装置に対して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に関し、特に、転動体として円すいころを使用した車輪支持用転がり軸受ユニットに関する。

自動車の車輪及び制動用部材は、車輪支持用転がり軸受ユニットにより、懸架装置に対して回転自在に支持される。この様な車輪支持用転がり軸受ユニットには、自動車が旋回走行する際に大きなモーメント荷重が加わるので、旋回走行時の安定性を確保する為には、大きなモーメント剛性を確保する必要がある。この為、従来から、車輪支持用転がり軸受ユニットとして、転動体を複列に配置すると共に、各列の転動体に予圧並びに背面組み合わせ型の接触角を付与した構造が一般的に使用されている。図３は、従来構造の車輪支持用転がり軸受ユニットの１例として、特許文献１に記載されたものを示している。この車輪支持用転がり軸受ユニット１は、外輪２と、ハブ３と、複数個の転動体４とを備えている。

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を介して回転自在に支持している。外輪２は、中炭素鋼製で、内周面に複列の外輪軌道面５ａ，５ｂを、外周面に静止側フランジ６を、それぞれ有している。外輪２は、静止側フランジ６が懸架装置を構成するナックル（不図示）に結合固定される。ハブ３は、外周面に複列の内輪軌道面７ａ，７ｂと回転側フランジ８とを有し、回転側フランジ８に結合固定した車輪及び制動用部材（不図示）と共に回転する。各転動体４は、両外輪軌道面５ａ，５ｂと両内輪軌道面７ａ，７ｂとの間に、両列毎に複数個ずつ、保持器１４に保持された状態で転動自在に設けられている。

ハブ３は、ハブ本体９と一対の内輪１０ａ，１０ｂとを結合固定して成る。ハブ本体９は、中炭素鋼製で、軸方向外端寄り部分の外周面に回転側フランジ８を、軸方向中間部外周面に円筒面１１を、それぞれ有している。尚、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い、各図の左側となる。一方、軸方向に関して内とは、車体の幅方向中央側となる側を言い、各図の右側となる。

内輪１０ａ，１０ｂは、軸受鋼製で、内輪１０ａの外周面に軸方向外側の内輪軌道面７ａを、内輪１０ｂの外周面に軸方向内側の内輪軌道面７ｂを、それぞれ形成している。各内輪１０ａ，１０ｂは、ハブ本体９の軸方向中間部分に形成された円筒部１１に、それぞれの小径側端面を突き合わせた状態で外嵌固定される。この状態で、ハブ本体９の軸方向内端部に形成した加締め部１２により抑え付けられて、内輪１０ａ，１０ｂはハブ本体９に対し結合固定される。

外輪２の軸方向両端部には密封装置１３ａ，１３ｂが装着されており、この密封装置１３ａ，１３ｂにより、転動体４を設けた内部空間１５の軸方向両側開口部を密封している。これにより、内部空間１５に封入したグリース等の潤滑剤が外部に漏洩するのを防止すると共に、外部から内部空間１５に泥水等の異物が浸入するのを防止している。尚、図示の例では、転動体４として円すいころを使用しているが、比較的重量の軽い自動車用の車輪支持用転がり軸受ユニットの場合には、転動体として玉を使用する事もできる。

ところで、車両が走行する際、車輪支持用転がり軸受ユニットに加わるモーメント荷重により、外輪軌道面の表層下には、ＬｕｎｄｂｕｒｇとＰａｌｍｇｒｅｎの理論に基づき転動体の転がりによって発生する動的せん断応力と、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論に基づく静的せん断応力と呼ばれる２種類のせん断応力が発生する。動的せん断応力は、外輪軌道面の表層部から浅い位置に発生し、絶対値は小さいが振幅が大きい応力である為、転がり疲れ寿命に影響するものである。
一方、静的せん断応力は、動的せん断応力の最大値（動的最大せん断応力）が発生する位置よりも深い位置に発生し、絶対値が大きいが振幅が小さい応力である為、転がり疲れ寿命への影響は少ないが、外輪軌道面に圧痕が発生する原因となる事が知られている。
従来、車輪支持用転がり軸受ユニットの負荷容量は、車両の通常走行時に発生するモーメント荷重に基づく動的せん断応力が軸受の耐久性（転がり疲れ寿命）に対して支配的になる領域で設定されてきた。

又、図３に示した様な、転動体４として円すいころを使用した転がり軸受ユニットの場合、円すいころの転動面と軌道面とが所謂線接触であり高負荷容量であるが、モーメント荷重に基づき外輪と内輪との間に相対傾きが発生すると、円すいころの端部と軌道面との間にエッジロードが発生する。このエッジロードを軽減する為に、従来より、軌道面や円すいころの転動面にはクラウニングと呼ばれる加工が、例えば特許文献２に記載されている様な方法により、施されている。クラウニング加工により、軌道面が円すいころの転動面に対して軸方向両端部に逃げを形成して、外内輪の相対傾きに伴う接触圧力の上昇を緩和している。

クラウニング量は、設計荷重が負荷され、外内輪の相対傾きが発生した時に軌道面や円すいころの転動面にエッジロードが発生しない様に決められており、例えば、カタログ標準品のクラウニング量は、外内輪間に０．０００９ラジアンの相対傾きが発生しても、エッジロードが発生しない様に決められている。設計荷重を大きく設定しすぎた場合、想定される相対傾きが大きくなり、その結果クラウニング量が過大となると、円すいころと軌道面との接触長さが小さくなって点接触に近い状態になる為、軸受の負荷容量が実質的に減る事になる。従って、軽荷重条件では逆に寿命が短い軸受となってしまうので、設計荷重は通常の荷重条件をベースに余裕分を加えた値が用いられ、動的せん断応力が材料の疲労限界を越えない様に、軸受のサイズとクラウニング量が設計される。

一方、近年、扁平率が低いタイヤの普及により、車輪支持用転がり軸受ユニットには、例えば街路や駐車場のハンプ（段差）の乗り越えの際、駐車場の車止めにタイヤを当てる、或いは、縁石に乗り上げる際等に、ホイールのリム部が直接対象物と当たる事で、衝撃モーメント荷重が入力される事が多くなった。この衝撃モーメント荷重に基づいて、外輪軌道面の表層化には静的せん断応力の最大値（静的最大せん断応力）が瞬間的に発生し、圧痕発生の原因となる。この様に、外輪軌道面に圧痕が発生すると異音の原因となるばかりでなく、軸受に圧痕起点の剥離を発生させる可能性がある。

通常走行の荷重条件を設計荷重のベースとした標準的なクラウニング量を持つ、転動体が円すいころである車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、衝撃モーメント荷重入力時の外内輪の相対傾きが抑制される為、軌道面の大径側と円すいころの大径部が強く当たってエッジロードが発生して、軌道面の大径側と円すいころの大径部に圧痕が発生する可能性がある。
上述した様に、衝撃荷重を設計荷重として採用すると、軸受のサイズが大きく（重く）なりすぎて車両の乗り心地や燃費が悪化したり、クラウニング量が過大となって寿命の短い軸受となってしまう。

この部分の改善の先行技術として、特許文献３には、外輪軌道の転がり接触域に、高周波焼き入れによる硬化層を形成し、その硬化層の軸方向両端部から１ｍｍ内方位置での硬化層深さＨを１．５〜１．９ｍｍとして、軸受寿命を保持しつつ、製品コストを削減することができる転がり軸受ユニットが記載されている。

特開２００９−０７８６０３号公報 特開平０２−１０７８１０号公報 特開２００９−１８０２６４号公報

しかしながら、この先行技術では、硬化層厚さが大径側と小径側とで同じ大きさである為、前述の様に衝撃荷重入力時のエッジロードが軌道面の大径側や円すいころの大径部に発生した場合、圧痕の発生を抑制できないという問題があった。

本発明は、外輪軌道面に加わる荷重（モーメント荷重或いは衝撃荷重）に基づき発生する応力の最大値（動的最大せん断応力或いは静的最大せん断応力）が発生する深さに基づいて、熱処理硬化層の厚さ寸法を規定する事により、外輪軌道面の圧痕の発生を抑制して、耐久性に優れた車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する事を目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、 内周面に複列の外輪軌道面を有する外輪と、外周面に複列の内輪軌道面を有するハブと、前記各外輪軌道面と前記各内輪軌道面との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた円すいころとを備え、部分円錐形状である前記各外輪軌道面にはそれぞれ熱処理硬化層が形成されている。
特に、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、前記熱処理硬化層の大径側の厚さ寸法が、前記熱処理硬化層の小径側の厚さ寸法よりも大きい。

更に、前記熱処理硬化層の大径側の厚さ寸法が、前記熱処理硬化層の小径側の厚さ寸法の１．５倍以上大きい。
或いは、前記各外輪軌道面に設けられた各熱処理硬化層が繋がっている。
或いは、前記熱処理硬化層の径方向外方部分に存在する非硬化層部分の硬度がＨＲＣ２５〜３０である。

本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットによれば、各外輪軌道面に形成された熱処理硬化層の大径側の厚さ寸法を、熱処理硬化層の小径側の厚さ寸法よりも大きくしている。この為、車両旋回時のモーメント荷重、或いは瞬間的に発生する衝撃モーメント荷重に基づいて発生するエッジロードに対する外輪軌道面の耐久性の向上を図る事ができる。
即ち、モーメント荷重及び衝撃モーメント荷重に基づくエッジロードを支承する為、外輪軌道面の耐久性（熱処理硬化層の厚さ寸法）は、このエッジロードの静的せん断応力を考慮して規定する。そして、静的せん断応力の最大値は、動的せん断応力の最大値に比べて深い位置に発生する。この為、静的せん断応力に対する耐久性を確保する場合、静的最大せん断応力が発生する（エッジロードを支承する）大径側の熱処理硬化層の厚さ寸法を、動的せん断応力を考慮して規定した小径側の熱処理硬化層の厚さ寸法よりも大きくしている。

そして、熱処理硬化層の厚さ寸法を全長（軸方向に関する全幅）に亙って大きくする事なく、外輪軌道面の耐久性を十分に確保する事ができる。又、熱処理硬化層の厚さ寸法が徒に大きくならない為、熱処理硬化層の外径側に存在する非硬化層部分を大きく確保して、熱処理硬化層部分への残留圧縮応力を確保し易くしている。
この結果、外輪軌道面に圧痕が形成され難くして、車両走行時に発生する振動や騒音を低く抑え、しかも耐久性に優れた車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する事ができる。

実施形態を示す、車輪支持用転がり軸受ユニットの半部断面図。 実施形態を示す、外輪軌道面の部分拡大断面図。 従来構造の１例を示す、車輪支持用転がり軸受ユニットの断面図。

図１〜２は、本発明の実施形態の１例を示している。尚、本実施形態の特徴は、車輪支持用転がり軸受ユニット１ａを構成する外輪２ａの内周面に形成した熱処理硬化層２０（図１〜２に斜格子で示した部分）の構造を工夫した点にある。この特徴部分以外の構造は、前述した図３に示した従来の車輪支持用転がり軸受ユニット１の構造とほぼ同様である。従って、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略若しくは接略にし、以下、本実施形態の特徴部分を中心に説明する。

本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニット１ａは、外輪２ａと、ハブ３ａと、転動体４とを備えている。外輪２ａは、中炭素鋼製で、前述の従来構造と同様に内周面の軸方向に離隔した位置に、断面形状（母線形状）が部分円錐形状である外輪軌道面５ａ，５ｂがそれぞれ形成されている。バブ３ａは、外周面に複列の内輪軌道面７ａ，７ｂを備えている。円すいころである転動体４は、両内輪軌道面７ａ，７ｂと両外輪軌道面５ａ，５ｂとの間に、各列毎に複数個ずつ保持器１４により保持された状態で転動自在に設けられている。

外輪２ａの内周面のうち、軸方向外側の外輪軌道面５ａ部分から軸方向内側の外輪軌道面５ｂ部分に亙り、高周波焼入れにより熱処理硬化層２０が形成されている。熱処理硬化層２０は、外側硬化層２１と、内側硬化層２２と、中間硬化層２３とにより構成されている。
外側硬化層２１は、外輪２ａの内周面のうち、軸方向外側の外輪軌道面５ａ部分に、全周に亙り形成されている。又、内側硬化層２２は、外輪２ａの内周面のうち、軸方向内側の外輪軌道面５ｂ部分に、全周に亙り形成されている。更に、中間硬化層２３は、外輪２ａの内周面のうち、軸方向に関して外側、内側各硬化層２１，２２同士の間部分に、外側、内側各硬化層２１，２２同士を軸方向に連続させた状態で、全周に亙り形成されている。

又、内側硬化層２２の大径側部分の厚さ寸法Ｔ１（図２に記号Ｔ１で示す位置の厚さ寸法）を、内側硬化層２２の小径側部分の厚さ寸法Ｔ２（図２に記号Ｔ２で示す位置の厚さ寸法）よりも大きくしている（Ｔ１＞Ｔ２）。
尚、ＬｕｎｄｂｕｒｇとＰａｌｍｇｒｅｎの理論によれば、ころ軸受の場合、モーメント荷重により転がり疲れ寿命の原因となる、動的最大せん断応力が発生する外輪軌道面の表層部からの深さ位置は、概ね外輪軌道面と円すいころとの周方向接触幅の０．２５倍の位置となる。一方、Ｈｅｒｔｚの弾性接触理論によれば、衝撃荷重により圧痕の原因となる、静的最大せん断応力が発生する外輪軌道面の表層部からの深さ位置は、概ね外輪軌道面と円すいころとの周方向接触幅の０．３９倍の位置となる。従って、静的最大せん断応力が発生する深さ位置の方が、動的最大せん断応力が発生する深さ位置よりも約１．５倍程度深くなる。この様な観点から、内側硬化層２２は、小径側から大径側に向かう（図２の右側方向）に従って厚さ寸法が暫増する様に形成されており、大径側の厚さ寸法Ｔ１は、小径側の厚さ寸法Ｔ２よりも１．５倍以上大きく（Ｔ１＞１．５Ｔ２）するのが好ましい。

外側硬化層２１も同様に、小径側から大径側に向かう（図１の左側方向）に従って厚さ寸法が暫増する様に形成されており、大径側の厚さ寸法を、小径側の厚さ寸法よりも１．５倍以上大きくするのが好ましい。

又、外側、内側各硬化層２１，２２の大径側における硬化層厚さ寸法を大きくすると、外輪軌道面５ａ，５ｂ自体が部分円錐形状である事もあり、外輪２ａの外周面と外側、内側各硬化層２１，２２の大径側部分との間の距離（非硬化層２４の厚さ寸法）が小さくなる。このため、外側、内側各硬化層２１，２２の大径側部分には、非硬化層２４からの残留圧縮応力が作用しにくくなる。本実施形態では、外側、内側両硬化層２１，２２を中間硬化層２３により繋げて、熱処理硬化層２０を断面略Ｖ字形としている。そして、外側、内側両硬化層２１，２２で中間硬化層２３の径方向外方に存在する非硬化層２４を挟み込む様に変形をさせる事により、残留圧縮応力が外側、内側各硬化層２１，２２の大径側部分に有効に作用する様にしている。

本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニット１ａを構成する外輪２ａは、炭素含有量が０．３〜０．７質量％の中炭素鋼製である円柱状の金属素材に熱間鍛造加工を施して概略形状に成形した後、切削加工及び高周波熱処理、外輪軌道面５ａ，５ｂ等に研削加工を施す事によって造られる。外輪軌道面５ａ，５ｂは、通常走行時の荷重条件をベースに余裕分を加えた設計荷重で設定されたクラウニング量を有する形状に、研削加工されている。これにより、本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニット１ａは、通常走行条件では長寿命である。

さらに、熱間鍛造後の空冷速度をコントロールする事により、高周波熱処理前の外輪２ａの硬度をＨＲＣ２５〜３０の範囲に調整している。これにより、熱処理硬化層２０の径方向外方部分に存在する非硬化層２４の強度を高めて（硬度ＨＲＣ２５〜３０）、外輪軌道面５ａ，５ｂの耐圧痕性を向上している。
又、鍛造材は低温での靭性が低いことが知られており、寒冷地で使用される車両に搭載される車輪支持用転がり軸受ユニットの場合は、熱間鍛造後の高周波熱処理前に調質処理（焼入後に高温焼戻し）を施して、組織を微細パーライト化すると共に硬度をＨＲＣ２５〜３０に高めておく事もできる。

上述の様に、本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニット１ａは、各外輪軌道面５ａ，５ｂに形成された熱処理硬化層２０（各硬化層２１，２２）の大径側の厚さ寸法Ｔ１を、熱処理硬化層の小径側の厚さ寸法Ｔ２よりも大きくしている。この為、車両旋回時のモーメント荷重、或いは瞬間的に発生する衝撃荷重に基づいて発生するエッジロードに対する外輪軌道面５ａ，５ｂの耐久性の向上を図る事ができる。
即ち、外輪２ａの各外輪軌道面５ａ，５ｂは、通常走行時の荷重条件に余裕分を加えた設計荷重で設定されたクラウニング量が与えられているので、外輪軌道面５ａ，５ｂと円すいころ（転動体４）との接触長さを確保して負荷容量を大きくしている。この為、車輪支持用転がり軸受は、通常走行条件において長寿命である。一方、衝撃荷重が入力された場合には、外輪軌道面５ａ,５ｂの大径側部分及び円すいころの大径端部にエッジロードが発生するが、外側、内側各硬化層２１，２２の大径側の硬化層厚さ寸法を小径側の硬化層厚さ寸法よりも１．５倍以上大きくする事で、外輪軌道面５ａ，５ｂの大径側部分に圧痕が発生する事を抑制している。

さらに、外側、内側両硬化層２１，２２を中間硬化層２３で繋げて、熱処理硬化層２０を断面略Ｖ字形とする事により、外側、内側両硬化層２１，２２により中間硬化層２３の外径側に存在する非硬化層２４を挟み込む様にしている。これにより、非硬化層２４からの残留圧縮応力が外側、内側各硬化層２１，２２の大径側部分に有効に作用する様にしている。
又、非硬化層２４の硬度をＨＲＣ２５〜３０の範囲に調整する事により、強度を高めた非硬化層２４により熱処理硬化層２０を背後から支える構成として、外輪軌道面５ａ，５ｂの耐圧痕性を向上させている。

１，１ａ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２、２ａ 外輪
３，３ａ ハブ
４ 転動体
５ａ，５ｂ 外輪軌道面
６ 静止側フランジ
７ａ，７ｂ 内輪軌道面
８ 回転側フランジ
９，９ａ ハブ本体
１０ａ、１０ｂ 内輪
１１ 円筒部
１２ 加締め部
１３ａ，１３ｂ 密封装置
１４ 保持器
１５ 内部空間
１６ スプライン孔
２０ 熱処理硬化層
２１ 外側硬化層
２２ 内側硬化層
２３ 中間硬化層
２４ 非硬化層

Claims (4)

1. 内周面に複列の外輪軌道面を有する外輪と、外周面に複列の内輪軌道面を有するハブと、前記各外輪軌道面と前記各内輪軌道面との間にそれぞれ複数個ずつ転動自在に設けられた円すいころとを備え、部分円錐形状である前記各外輪軌道面にはそれぞれ熱処理硬化層が形成されている車輪支持用転がり軸受ユニットに於いて、
   前記熱処理硬化層の大径側の厚さ寸法が、前記熱処理硬化層の小径側の厚さ寸法よりも大きい事を特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニット。
2. 前記熱処理硬化層の大径側の厚さ寸法が、前記熱処理硬化層の小径側の厚さ寸法の１．５倍以上大きい、請求項１に記載した車輪支持用転がり軸受ユニット。
3. 前記各外輪軌道面に設けられた各熱処理硬化層が繋がっている、請求項１又は２に記載した車輪支持用転がり軸受ユニット。
4. 前記熱処理硬化層の径方向外方部分に存在する非硬化層部分の硬度がＨＲＣ２５〜３０である、請求項１〜３の何れかに記載した車輪支持用転がり軸受ユニット。

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