JP2017101692A - 車輪支持用転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】車両走行時に、ハブ本体の回転側フランジに加わる衝撃荷重に基づいて、軌道面に圧痕が形成される事を有効に防止できる構造を実現する。
【解決手段】外側内輪軌道面８及び内側内輪軌道面１１は、真円形状に形成され、転動体である各玉４は、玉径が等しい真球形状に形成される。外側外輪軌道面１４ａ及び内側外輪軌道面１５ａは、使用状態で荷重が作用する上下方向に長軸を有する楕円形状であり、上端部及び下端部にそれぞれ頂点２０を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する為に使用する、車輪支持用転がり軸受ユニットに関する。

従来から、自動車の車輪及び制動用回転部材を懸架装置に対して回転自在に支持する為に、車輪支持用転がり軸受ユニットが使用されている。この様な車輪支持用転がり軸受ユニットの従来構造の１例（特許文献１参照）として、図４に示した車輪支持用転がり軸受ユニット１は、ハブ２と、外輪３と、転動体である複数個の玉４とを備えている。

ハブ２は、ハブ本体５と内輪６とを組み合わせて構成されている。ハブ本体５の外周面には、アウトボード側部分に回転フランジ７が、軸方向中間部に外側内輪軌道面８が、インボード側部分に小径段部９が、それぞれ形成されている。尚、軸（回転軸）方向に関して、自動車への組み付け状態で車両の幅方向外側をアウトボード（又は外）と言い、図４の左側となる。反対に、車両の幅方向中央側を、軸方向に関してインボード（又は内）と言い、図４の右側となる。

回転フランジ７には、複数本のスタッド１３の基端部が固定されており、回転フランジ７に、ブレーキディスクやブレーキドラム等の制動用回転部材や、車輪を構成するホイールを支持固定できる様にしている。
内輪６の外周面には、内側内輪軌道面１１が形成されている。内輪６は、小径段部９に締り嵌めで外嵌固定されると共に、内輪６のアウトボード側端面を段差面１０に当接した状態で、ハブ本体５のインボード側端部に形成したかしめ部１２により抑え付けられている。

外輪３の内周面には、軸方向に離隔した位置に、外側外輪軌道面１４と内側外輪軌道面１５とが形成されている。外輪３の外周面には、懸架装置を構成するナックル１８に密着した状態で結合固定される固定フランジ１６が設けられている。
各玉４は、外側内輪軌道面８と外側外輪軌道面１４との間、及び内側内輪軌道面１１と内側外輪軌道面１５との間に、背面組み合わせ型の接触角により規定の予圧を付与された状態で、それぞれ複数個ずつ転動自在に配置されている。

車輪支持用転がり軸受ユニット１を自動車に組み付ける場合には、ナックル１８の貫通孔にインボード側から挿通したボルト１９を、固定フランジ１６に形成した取付孔１７に螺合する事により、外輪３をナックル１８に結合固定している。

ところで、近年、扁平率が低いタイヤの普及により、例えば街路や駐車場のハンプ（段差）を乗り越える際、或いは、縁石に乗り上げた際等に、タイヤではなく、ホイールのリム部が、段差や縁石等に直接衝突し、衝撃荷重（跳ね上げ荷重）が入力される事態が生じ易くなっている。この様な衝撃荷重が入力されると、外輪軌道面１４，１５や内輪軌道面８，１１に転動体（玉４）による圧痕が生じ、車両走行時に異音が発生する可能性がある。特にこの様な圧痕は、ハブ２に比べて径方向に関する肉厚が小さい外輪３の内周面に設けられた外輪軌道面１４，１５で生じ易い。又、中炭素鋼に鍛造加工を施して所定の形状とし、軌道面に高周波焼入れを施す事で造られるハブ本体５や外輪３は、中炭素鋼に比べて炭素量が多く、組織中に球状セメンタイトを含む軸受鋼にずぶ焼き入れを施して造られる内輪６と比較して、圧痕が大きくなり易い。

又、転がり軸受に大きな荷重が入力された場合、負荷を受ける転動体及び転動体と接触する軌道面が変形して、外輪３の中心軸とハブ２の中心軸の位置がずれる（偏心する）。この結果、転がり軸受の負荷率が低下して（負荷圏が縮小して）、荷重を支承する転動体の数が減少する（１つの転動体が支承する荷重が増大する）ので、ますます転動体荷重が大きくなり、圧痕が生じやすくなる。

更に、モーメント荷重により、外輪３及びハブ２の各中心軸に相対傾きが生じた場合、荷重方向が短軸となる楕円形状に軌道面が変形するのと同じ効果を生む為、ますます転がり軸受の負荷率が低下し、転動体荷重の増加と圧痕の発生につながる。
例えば、図４に示す様に、自動車が高速で段差を乗り越えた場合、矢印Ｒで示す大きなＲ方向の荷重が入力される。このＲ方向荷重は、外側内輪軌道面８から玉４を介して外側外輪軌道面１４へと向かう上方向のＲｏ荷重と、内側内輪軌道面１１から玉４を介して内側外輪軌道面１５へと向かう下方向のＲｉ荷重になる。一方、縁石に接触（衝突）した場合、大きなＴ方向の荷重が入力され、このＴ方向荷重は、外側内輪軌道面８から玉４を介して外側外輪軌道面１４へと向かう下方向のＴｏ荷重と、内側内輪軌道面１１から玉４を介して内側外輪軌道面１５へと向かう上方向のＴｉ荷重となる。

特開２０１２−２２８９０９号公報

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、車両走行時に加わる衝撃荷重にかかわらず、軌道面に圧痕が形成される事を有効に防止できる車輪支持用転がり軸受ユニットを実現する事を目的とする。

上記目的を達成する為に、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、前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを備え、前記ハブが、外周面のアウトボード側部分に回転フランジを有している。
特に、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、前記外輪軌道面が、荷重の作用方向に頂点を有する非円形状である。
更に、前記外輪軌道面が、荷重の作用方向に長軸を有する楕円形状である。
又は、前記外輪軌道面が、荷重の作用方向に角部を有する三角形状である。
又は、前記外輪軌道面の前記頂点部分の溝Ｒ寸法が、前記頂点以外の部分の溝Ｒ寸法よりも大きい。

上述の様な本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの場合、車両走行時に、段差を乗り越えたり、縁石に乗り上げる事で、ハブの回転側フランジに加わる衝撃荷重に基づいて、軌道面（特に、アウトボード側の軌道面）に圧痕が形成される事を防止する事ができる。

本発明の第１実施形態を示す、軌道面の断面図。 外輪軌道面の加工方法の説明図。 本発明の第２実施形態を示す、軌道面の断面図。 従来構造の例を示す、車輪支持用転がり軸受ユニットの断面図。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係わる車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する軌道面の、中心軸に直行する平面における断面を示している。尚、本実施形態の特徴は、車輪支持用転がり軸受ユニットの各外輪軌道面１４ａ，１５ａの構成を工夫した点にある。この特徴部分以外の構成は、前述した図４に示した従来構造の車輪支持用転がり軸受ユニット１の構成とほぼ同様である。従って、同等部分には同一符号を付し、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は、内周面に複列の外輪軌道面１４ａ，１５ａを有する外輪３ａと、外周面に複列の内輪軌道面８，１１を有するハブ２と、各外輪軌道面１４ａ，１５ａと各内輪軌道面８，１１との間に転動自在に設けられた複数個の転動体である玉４とを備えている。
ハブ本体５と内輪６とを組み合わせて構成されるハブ２は、外周面のアウトボード側部分に回転フランジ７を有している。

内輪６は、使用時に回転曲げ応力が作用しないので、素材としてＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼が使用され、ズブ焼きにより芯部まで熱処理が施されている。軸受鋼には球状セメンタイトが含まれており、大きな衝撃荷重が負荷された場合、球状セメンタイトの働きにより圧縮応力が分散されるので、内輪６に大きな圧痕が発生する可能性は低い。
ハブ本体５は、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼に鍛造加工を施すことで形成されており、外側内輪軌道面８を含み、回転フランジ７のインボード側面の根元部分から小径段部９に亘る外周面に、高周波焼入れ後に焼き戻しを施す事によって熱処理硬化層（不図示）が形成されている。

外輪３ａは、ハブ本体５と同様に、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼に鍛造加工を施すことで形成されており、各外輪軌道面１４ａ，１５ａを含んだ内周面に、高周波焼入れ後に焼き戻しを施す事によって熱処理硬化層（不図示）が形成されている。外輪３ａは、外周面に固定フランジ１６が一体に成形されており、懸架装置に対して位相を決められた状態（上下方向が決められた状態）で組み付けられる。

外輪３ａ及びハブ本体５は、素材として引張り応力を低下させる球状セメンタイトを持たない中炭素鋼を使用しているので、回転曲げに強く、特に、回転フランジ７に作用する回転曲げ応力に対して、必要な機械的強度を確保している。一方、外輪３ａ及びハブ本体５は、球状セメンタイトの働きによる圧縮応力の分散作用がないので、内輪６と比較して、衝撃荷重により軌道面に圧痕が発生しやすい。

外側外輪軌道面１４ａ及び内側外輪軌道面１５ａは、使用状態で荷重が作用する方向である図１の上下方向に対して、半径が極大となる頂点２０を有する非円形状に形成されている。具体的には、外側外輪軌道面１４ａ及び内側外輪軌道面１５ａは、荷重の作用方向に長軸を有する楕円形状であり（長径ｄ２＞短径ｄ１）、上端部及び下端部にそれぞれ頂点２０を有している。尚、外側内輪軌道面８及び内側内輪軌道面１１は、真円形状に形成され、転動体である各玉４は、玉径が等しい真球形状に形成されている（但し、真円及び真球に於いて、製造上の誤差は除く）。

各外輪軌道面１４ａ，１５ａを楕円形状に形成する方法としては、ＮＣ装置等により、外輪３ａの回転位相と砥石の切り込みとを同期させて、任意の内径形状を加工可能な内面研削盤を用いる方法、或いは、後述の様に、同じくＮＣ装置等により、外輪３ａの回転位相に同期して砥石の回転軸を揺動させる加工方法が適用できる。更に、円周方向の位相により締め付け力が異なる偏肉リングを、外輪３ａの外周面に圧入する事により、外輪軌道面を楕円形状に変形させる方法もある。

図２は、ＮＣ装置等により、外輪３ａの回転位相に同期して砥石２１の回転軸を揺動させる研削方法を誇張して示した説明図であり、図の奥行き方向が砥石２１の切り込み方向である。 砥石２１の回転軸は、外輪軌道面１４ａ，１５ａの頂点２０となる長軸方向を研削する時に、外輪軌道面１４，１５ａの中心軸に対して揺動角αが与えられる。一方、頂点２０から外れた短軸方向を研削する時に、砥石２１の回転軸は、前記中心軸と平行となる。 図３（Ａ）は、軌道面と接触角の交点Ａからオフセットβだけ軸方向に離れた位置を揺動中心ＯＳとして、砥石２１に揺動角αを与えている。砥石２１に揺動角αを与えた状態になると、外輪軌道面１４ａ，１５ａと砥石２１との接触点（研削点）は上下方向にずれ、外輪軌道面１４ａ，１５ａは多く研削されて楕円の長径となる（長径と短径の差は、オフセットβでコントロールされる）。この場合、研削点が傾く為、外輪軌道面１４ａ，１５ａの溝Ｒ寸法が大きくなる（厳密には、軸方向が長径である楕円の一部となる）。溝Ｒ寸法の変化の度合いは、揺動角αでコントロールされる。尚、図３（Ｂ）に示す様に、軌道面と接触角の交点Ａ上を揺動中心ＯＳとして（オフセットβが零）砥石２１に揺動角αを与える場合、接触角の交点Ａ位置の軌道面は真円となり、外輪軌道面１４ａ，１５ａに対して溝Ｒ寸法の変化のみを与える事ができる。

本実施形態の場合、各外輪軌道面１４ａ，１５ａを上下方向が長軸となる楕円形状に形成しているので、大きな荷重が入力されても、転がり軸受の負荷率は低下せず、且つ負荷圏側の転動体荷重を平均化して、圧痕の発生を防止する事ができる。即ち、荷重が作用する方向（長軸方向）である頂点２０近傍の転動体荷重を、短軸方向の転動体荷重よりも減少させているので、通常の荷重は、頂点２０の両側位相部分により分散して支承されている。大きな荷重が入力された場合、頂点２０付近の転動体荷重が増加して、頂点２０の両側位相部分の転動体荷重と同等となり、負荷圏側の転動体荷重は平均化され、各転動体４は荷重を均等に支承する事ができる。
尚、各外輪軌道面１４ａ，１５ａと各内輪軌道面８，１１には全周に亙り予圧が付与されており、通常の荷重に於いて、頂点２０付近の転動体荷重が零（無負荷状態）になる事は無い。

各外輪軌道面１４ａ，１５ａは、上下方向にそれぞれ頂点２０を有する楕円形状である為、荷重方向が上向きでも下向きでも圧痕の防止効果が得られる。従って、図１に示す様に、段差乗り越え等による大きなＲ方向荷重の入力があった場合、及び縁石乗り上げ等による大きなＴ方向荷重の入力があった場合のいずれの場合でも、圧痕発生の防止効果が得られる。
又、上述した様な、砥石の回転軸を揺動させる研削方法、及び偏肉リングを圧入する方法の場合、外輪軌道面１４ａ，１５ａの頂点２０となる部分（長軸方向）の溝Ｒ寸法が、頂点２０以外の部分（短軸方向）の溝Ｒ寸法よりも大きくなる（上下方向の溝Ｒ寸法が、水平方向の溝Ｒ寸法よりも大きくなる）。従って、上下方向の溝Ｒ寸法は、路面反力に基づく玉の溝肩への乗り上げを考慮した最適な寸法に設定しながら、路面反力の負荷が少ない水平方向の溝Ｒ寸法を上下方向の溝Ｒ寸法よりも小さくして、車輪のトー方向の剛性を向上させ、車両の直進性や操縦安定性を向上する事ができる。
尚、外側外輪軌道面１４ａと内側内輪軌道面１５ａとで、楕円率（短径ｄ１と長径ｄ２の比）を異なる値にする、或いは、いずれか一方の外輪軌道面を真円形状に形成する事もできる。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係わる車輪支持用転がり軸受ユニットの軌道面の断面形状を示している。本実施形態の各外輪軌道面１４ｂ、１５ｂは、荷重が作用する方向である上端部に頂点２０ａを有する非円形状に形成されている。具体的には、外側外輪軌道面１４ａ及び内側外輪軌道面１５ａは、荷重の作用方向である上端部に角部を有する三角形状であり、上端部と、上端部の両側に位相が１２０度ずれた部分に、それぞれ頂点２０ａを有している。又、各内輪軌道面８，１１は真円形状であり、各玉４は玉径が等しい真球形状である。

本実施形態の場合、第１実施形態の楕円形状と比較して、転がり軸受の負荷率を大きくできるので、より効果的に圧痕発生を防止できる。転がり軸受の各軌道列の位置と、車輪のホイールセンタの位置との関係により、Ｒ方向荷重とＴ方向荷重のどちらか一方だけに圧痕対策を施せばよい場合、本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニットの構成は特に有効である。
尚、外輪軌道面を三角形状に形成する方法は、第１実施形態と同様の方法が適用可能である。その他の部分の構成及び作用効果は、前述した第１実施形態と同様である。

本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、自動車の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する為に使用する事ができる。

１ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２ ハブ
３、３ａ、３ｂ 外輪
４ 玉
５ ハブ本体
６ 内輪
７ 回転フランジ
８ 外側内輪軌道面
９ 小径段部
１０ 段差面
１１ 内側内輪軌道面
１２ かしめ部
１３ スタッド
１４，１４ａ，１４ｂ 外側外輪軌道面
１５，１５ａ，１５ｂ 内側外輪軌道面
１６ 固定フランジ
１７ 取付孔
１８ ナックル
１９ ボルト
２０，２０ａ 頂点
２１ 砥石

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、前記外輪軌道面と前記内輪軌道面との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを備え、前記ハブが、外周面のアウトボード側部分に回転フランジを有している、車輪支持用転がり軸受ユニットであって、
   前記外輪軌道面が、荷重の作用方向に頂点を有する非円形状である事を特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニット。
2. 前記外輪軌道面が、荷重の作用方向に長軸を有する楕円形状である、請求項１に記載した車輪支持用転がり軸受ユニット。
3. 前記外輪軌道面が、荷重の作用方向に角部を有する三角形状である、請求項１に記載した車輪支持用転がり軸受ユニット。
4. 前記外輪軌道面の前記頂点部分の溝Ｒ寸法が、前記頂点以外の部分の溝Ｒ寸法よりも大きい、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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