JP2019019893A - 後輪用ハブユニット軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】回転トルクの低い後輪用ハブユニット軸受を提供する。
【解決手段】後輪用ハブユニット軸受１は、内周面に外輪軌道７ａ（７ｂ）を有する外輪２と、外周面に内輪軌道９ａ（９ｂ）を有するハブ輪３と、外輪軌道７ａ（７ｂ）と内輪軌道９ａ（９ｂ）との間に転動自在に配置された複数個の転動体である玉４，４ａ（５，５ａ）とを備えている。ゲージが大きい玉４（５）とゲージが小さい玉４ａ（５ａ）とを周方向に関して交互に組み込んで、転動体が、周方向に荷重の支承状態が規則的に変化するように配置している。

【選択図】図２

Description

本発明は、自動車の車輪を回転自在に支持する為のハブユニット軸受に関し、特に、自動車の後輪を回転支持する後輪用ハブユニット軸受に関する。

ハブユニット軸受は、静止輪である外輪と回転輪であるハブ輪とを、相対回転可能に対向配置しており、転動体である複数の玉が、外輪の内周面に形成された外輪軌道とハブ輪の外周面に形成された内輪軌道との間に組み込まれている。各玉は、保持器により転動自在に保持されている。
このような構成のハブユニット軸受は、自動車の停止中及び走行中において、自動車の重量を継続的に支持しており、自動車の走行中には、ハブユニット軸受に対してラジアル荷重及びアキシアル荷重が作用する。特に、自動車の旋回動作中にあっては、ラジアル荷重及びアキシアル荷重に加えて、大きなモーメント荷重が作用する。

ところで、乗用車の場合、トランクや荷室に多くの荷物を積載したり、後部座席に定員乗車したりする事は少ない。また、この様な状態では、さらに前輪側への荷重移動も起きるので、通常、後輪支持に使用される後輪用ハブユニット軸受は、設計荷重に対して大幅に低い負荷（ラジアル荷重）状態で使用されている。一方、車両の操縦安定性を確保する要求から、後輪用のハブユニット軸受は、高剛性が求められる為、比較的高い予圧を付与した設定となっている。

一般的に、転がり軸受の回転トルクは、軸受材料のヒステリヒスに起因する純粋な転がり摩擦と、転がり接触面内の微小滑りによる摩擦と、滑り接触部の滑り摩擦と、潤滑剤の粘性抵抗と、を合算したものである。しかしながら、自動車の車輪を支持するハブユニット軸受の様に、低速回転で使用される転がり軸受の回転トルクは、上述した、転がり接触面内の微小滑りによる摩擦が、回転トルクに対して支配的になる。
従って、ＦＦ車（前輪駆動車）の後輪用ハブユニット軸受の様に、予圧が大きく、ラジアル荷重が小さい状態で使用される転がり軸受の場合、負荷率εが大きくなり（多くの場合、負荷率ε＞１の状態になる）、全ての玉（転動体）に微小滑りによる摩擦が発生して、回転トルクが増大する。尚、負荷率εは、転がり軸受に於いて、軌道上の負荷圏の広さを表している（ＮＳＫテクニカルレポート、１１０頁）

特許文献１には、複列構成のハブユニット軸受に対して、転動体として、外側軌道にセラミック製の玉を、内側軌道に鋼製の玉を組み込んだ構成が開示されている。セラミック材は、鋼材(例えば、軸受鋼材など)と比べて縦弾性係数が大きいため、セラミック製の玉を使用することで、予圧量を高めることなく高剛性化できる。従って、ハブユニット軸受の回転トルクの上昇を抑制しながら、剛性を高めることができる。
ただし、セラミック材は鋼材と比べて高価であり、転動体としてセラミック製の玉を用いた場合、ハブユニット軸受の製造コストは必然的に上昇してしまう。

特開２００８−００８４３６号公報 「ＮＳＫテクニカルレポート」、日本精工株式会社、２００９年

本発明は、上述した様な課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転トルクの低い後輪用ハブユニット軸受を提供することにある。

本発明の後輪用ハブユニット軸受は、周面に静止側軌道を有する静止輪と、周面に前記静止側軌道と対向する回転側軌道を有する回転輪と、前記静止側軌道と前記回転側軌道との間に転動自在に配置された複数個の転動体と、を備えている。

特に、本発明の後輪用ハブユニット軸受は、前記転動体は、周方向に関して、荷重の支承状態が規則的に変化するように配置されている。
さらに、前記転動体は、周方向に関して、転動体のゲージを規則的に変化させた状態で配置されている。
或いは、前記転動体は、周方向に関して、表面粗さを規則的に変化させた状態で配置されている。
さらに、前記転動体は、周方向に関して、転動体のグレードを規則的に変化させた状態で配置されている。

本発明によれば、製造コストの上昇を抑えながら、回転トルクの低い後輪用ハブユニット軸受を提供することができる。

第１実施形態を示す、後輪用ハブユニット軸受の断面図。 図１の、玉の配列の説明図。 第２実施形態を示す、玉の配列の説明図

［第１実施形態］
図１，２は、本発明の第１実施形態を示している。本実施形態のハブユニット軸受１は、内輪回転型であり、ＦＦ車（前置きエンジン、前輪駆動方式）の後輪（従動輪）用として使用される。ハブユニット軸受１は、静止輪である外輪２と、回転輪であるハブ輪３と、それぞれが転動体である複数個の玉４，４ａ，５，５ａとを備えている。
使用状態に於いて、後述する静止側フランジ８の位相を除き、図１の上部側が車重によるラジアル荷重の負荷側となり、下部側が車重によるラジアル荷重の反負荷側となっている。

外輪２は、中炭素鋼製で、内周面に複列の外輪軌道７ａ，７ｂを有し、インボード側寄りの外周面に静止側フランジ８を有している。静止側フランジ８は、車両の懸架装置を構成するナックル（不図示）に外輪２を固定するための部位である。また、静止側軌道である外輪軌道７ａ，７ｂは、アウトボード側の外輪軌道７ａと、インボード側の外輪軌道７ｂとにより構成されている。なお、ハブユニット軸受１の軸方向に関して、車両への組み付け状態で車両の幅方向外側をアウトボードと言い、図１の左側に相当する。一方、車両への組み付け状態で車両の幅方向内側、すなわち幅方向中央側をインボードと言い、図１の右側に相当する。

ハブ輪３は、外周面に複列の内輪軌道９ａ、９ｂを有し、アウトボード側の外周面に、径方向外側に向けて突出する回転側フランジ１０を有している。回転側フランジ１０は、車輪および制動用回転部材を固定するための部位である。また、回転側軌道である内輪軌道９ａ，９ｂは、アウトボード側の内輪軌道９ａと、インボード側の内輪軌道９ｂとにより構成されている。ハブ輪３は、ハブ本体１１と内輪１２とを組み合わせることにより構成されている。

ハブ本体１１は、中炭素鋼製で、略円柱状の中実体である。回転側フランジ１０は、ハブ本体１１のアウトボード側の外周面に備えられており、アウトボード側の内輪軌道９ａは、ハブ本体１１の軸方向中間部の外周面に備えられている。ハブ本体１１は、インボード側の外周面に、小径段部１３を有している。

内輪１２は、軸受鋼製で、円筒状に構成されている。インボード側の内輪軌道９ｂは、内輪１２の外周面に備えられている。内輪１２は、ハブ本体１１の小径段部１３に締り嵌めにより外嵌され、内輪１２のインボード端部を、ハブ本体１１のインボード端部に設けられた抑え部１４により抑え付けられて、ハブ本体１１に固定されている。なお、抑え部１４は、ハブ本体１１のインボード端部を塑性加工により径方向外方に折り曲げることにより形成されている。

各玉４，４ａ，５，５ａは、軸受鋼製である。アウトボード側の外輪軌道７ａ及び内輪軌道９ａとの間には、複数の玉４と玉４ａとが、円周方向に関して交互に、保持器６により保持された状態で、転動自在に配置されている。一方、インボード側の外輪軌道７ｂ及び内輪軌道９ｂとの間には、複数個の玉５と玉５ａとが、円周方向に関して交互に、保持器６により保持された状態で、転動自在に配置されている。アウトボード側の玉列を構成する玉４，４ａと、インボード側の玉列を構成する玉５，５ａとには、背面組合せ形の接触角αと共に、所定の予圧が付与されている。

ハブユニット軸受１には、その内部空間を密封するための密封装置として、シールリング１５とカバー１６とを備えている。シールリング１５は、外輪２のアウトボード側端部内周面とハブ３の外周面との間に設けられて、前記内部空間のアウトボード側開口を塞いでいる。カバー１６は、外輪２のインボード側端部内周面に装着されて、外輪２のインボード側開口部を塞いでいる。シールリング１５とカバー１６とにより、外部空間から異物(泥水、塵埃)が内部空間に侵入することを防止すると共に、内部空間に封入された潤滑剤(グリース)が外部空間へ漏洩することを防止している。

本実施形態では、転動体として、鋼（軸受鋼）製の玉４，４ａ，５，５ａが用いられており、アウトボード側の玉列を構成する玉４と玉４ａのゲージ（玉径サイズ）を異ならせると共に、インボード側の玉列を構成する玉５と玉５ａのゲージを異ならせている。
本実施形態の場合、玉４のゲージを０μｍとし、玉４ａのゲージを−３μｍとして、玉４（６個）と玉４ａ（６個）とを（合計１２個）、周方向に関して等間隔で交互に配置することにより、周方向に関して転動体が荷重を支承する状態を規則的に変化させている。一方、玉５のゲージを０μｍとし、玉５ａのゲージを−３μｍとして、玉５（６個）と玉５ａ（６個）とを（合計１２個）、周方向に関して等間隔で交互に配置することにより、周方向に関して転動体が荷重を支承する状態を規則的に変化させている。尚、ゲージの具体的な寸法は、ＪＩＳＢ１５０１（ＩＳＯ３２９０）に規定されている。

トランクや荷室が空の状態、或は後部座席に乗員がいない状態により、車両の後輪荷重が小さい場合、転動体である玉４と４ａ（５と５ａ）のゲージ（玉径サイズ）を全周に亘り規則的に変えているので、主としてゲージの大きい（玉径サイズが大きい）玉４（５）が荷重を負荷し、ゲージの小さい玉４ａ（５ａ）は無負荷、或は軽負荷となる。従って、ゲージが小さい玉４ａでは、転がり接触面内の微小滑りによる摩擦が無くなる、或は軽減するので、回転トルクが小さくなる。

つぎに、本実施形態のハブユニット軸受１において、回転トルクが小さくなる原理について、接触角αのアンギュラ玉軸受を例に、具体的に説明する。
予圧が付与されたアンギュラ玉軸受では、玉１個当たりの微小滑りによる摩擦（スピントルク）Ｍｓは、たとえばＮＳＫテクニカルレポートの１６２頁に記載されている様に、次の（１）式で表される。ここで、μｓは接触面の滑り摩擦係数、Ｑは転動体荷重［Ｎ］、ａは接触楕円の長半径［ｍｍ］、Ｅ（ｋ）は第２種完全楕円微分で、ａＥ（ｋ）が接触楕円の周の長さである。

すなわち、玉軸受の構造が決まれば、転動体荷重Ｑにより、接触楕円の長半径ａ（及び短半径ｂ）は決まるので、各玉が発生するスピントルクＭｓは転動体荷重Ｑで決まることになる。

また、たとえばＮＳＫテクニカルレポートの１１６頁には、接触楕円の長半径ａが次の（２）式により示されている。ここで、Ａ_２は定数、μは玉軸受の構造により決まる定数、Σρは主曲率の聡和である。

すなわち、接触楕円の長半径ａは、転動体荷重Ｑの１／３乗に比例して大きくなる。従って、（１）式のスピントルクＭｓは、転動体荷重Ｑの増分よりも若干大きくなる。

これらの式より、負荷率εが同じである前提では、転動体として同一ゲージ（同径）の玉を用いた軸受と比べると、転動体荷重Ｑが増加した本実施形態の玉４では、長半径ａが若干大きくなる分、軸受の回転トルクが増加する。しかしながら、本実施形態では、実質的に玉数が減った（半減した）のと同様の状態となるので、玉４では負荷圏側の転動体荷重Ｑが増して負荷率εが小さくなり、反負荷圏側の長半径ａが減少する。
さらに、負荷率が１未満（ε＜１）の状態になると、反負荷圏側ではゲージの大きい玉４（５）であっても無負荷となり、微小滑りによる摩擦が発生しなくなるので、回転トルクが低減される。

なお、転動体である玉のゲージを周方向で規則的に変える場合、ゲージの大きい玉４（５）とゲージの小さい玉４ａ（５ａ）のゲージ差を大きくしすぎると、軌道面を損傷する虞がある。即ち、ゲージ差が大きいと、ゲージの大きい玉４のみが荷重を支承し続けて疲労の進行を早めたり、ゲージの小さな玉４ａが軌道面との間にスキッディングを起こしたりする可能性がある、従って、ゲージの大きい玉４（５）とゲージの小さい玉４ａ（５ａ）とのゲージ差は、ＪＩＳＢ１５０１（ＩＳＯ３２９０）の１〜２区分程度の差とする事が望ましい（例えば、グレードＧ２０の場合、２〜４μｍ程度の玉径差）。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態を示している。本実施形態では、転動体として、鋼（軸受鋼）製の玉４ｂ，４ｃ，５ｂ，５ｃが用いられており、アウトボード側の玉列を構成する玉４ｂと玉４ｃのグレード（玉の精度等級）を異ならせると共に、インボード側の玉列を構成する玉５ｂと玉５ｃのグレードを異ならせている。
具体的には、玉４ｂのグレードをＧ１０とし、玉４ｃのグレードをＧ４０として、玉４ｂと玉４ｃとを、周方向に関して等間隔で交互に配置する事により、周方向に関しいて転動体が荷重を支承する状態を規則的に変化させている。一方、玉５ｂのグレードをＧ１０とし、玉５ｃのグレードをＧ４０として、玉５ｂと玉５ｃとを、周方向に関して等間隔で交互に配置することにより、周方向に関して転動体が荷重を支承する状態を規則的に変化させている。尚、各玉４ｂ，４ｃ，５ｂ，５ｃのゲージは全て０μｍであり、それぞれ６個ずつ（各玉列に合計１２個ずつ）配置している。尚、グレードの具体的な内容（寸法、形状、表面粗さ、等）は、ＪＩＳＢ１５０１に規定されている。

本実施形態の場合、トランクや荷室が空の状態、或は後部座席に乗員がおらず、車両の後輪荷重が小さい状態の時は、主としてグレードの高い（Ｇ番号の数値が小さい）玉４ｂ（５ｂ）が荷重を負荷し、グレードの低い玉４ｃ（５ｃ）は軽負荷として、転がり接触面内の微小滑りによる摩擦を軽減している。
即ち、グレードが高いＧ１０の玉４ｂ（５ｂ）の表面粗さは０．０２５μｍＲａであるのに対して、グレードが低いＧ４０の玉４ｃ（５ｃ）の表面粗さは０．０８μｍＲａである。この為、軌道面と転動面との実際の接触面積は、グレードが高いＧ１０の玉４ｂ（５ｂ）方が大きくなるので、グレードが高い玉４ｂ（５ｂ）は、グレードが低い玉４ｃ（５ｃ）に対して、より大きな荷重を支承することになる。グレードが低い転動体である玉４ｃ（５ｃ）は、接触楕円中の微視的な実際の接触面積が少なく、その転動体荷重は、グレードが高い玉４ｂ（５ｂ）より小さくなる為、発生するスピントルクが小さくなり、軸受としての回転トルクが低減される。

本実施形態では、ゲージの異なる玉を使用した第１実施形態と比べて、グレードが異なる玉４ｂ（５ｂ）と玉４ｃ（５ｃ）の間での荷重の変動が小さい為、グレードが高い玉４ｂ（５ｂ）が支承する転動体荷重が著しく高くなり、玉４ｂ（５ｂ）の疲労の進行が早くなることはない。また、全ての玉４ｂ，４ｃ，５ｂ，５ｃが同じゲージ（玉径が同等）である為、スキッディングによる軌道面の損傷も発生しない。

なお、上述した実施形態では、転動体である玉のグレード（精度等級）を変えた構成を例示しているが、本願の効果は、転動面の表面粗さに差を付けた玉を規則的に配置する事でもたらされている。従って、直径不同や真球度及び真円度などの精度を同等としながら、表面粗さのみに差をつけた玉の組み合わせとしてもよい。この様な構成においても、転動体荷重が大きい（表面粗さが良い）玉が減少するので、軸受の負荷率εが小さくなり、大きな回転トルクを発生する転動体の数が減り、軸受としては低トルクとなる。
その他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。

図１に示す構成において、ハブユニット軸受１は、外輪２を静止輪、ハブ輪３を回転輪として構成しているが、外輪を回転輪とし、内輪を静止輪とした、外輪回転型のハブユニット軸受に適用することもできる。

１，１ａ ハブユニット軸受
２ 外輪（静止輪）
３ ハブ輪（回転輪）
４，４ａ〜４ｃ 玉（転動体）
５，５ａ〜５ｃ 玉（転動体）
６ 保持器
７ａ，７ｂ 外輪軌道（静止側軌道）
８ 静止側フランジ
９あ、９ｂ 内輪軌道（回転側軌道）
１０ 回転側フランジ
１１ ハブ本体
１２ 内輪
１３ 小径段部
１４ 抑え部
１５ シールリング
１６ カバー

Claims (4)

1. 周面に静止側軌道を有する静止輪と、
   周面に前記静止側軌道と対向する回転側軌道を有する回転輪と、
   前記静止側軌道と前記回転側軌道との間に転動自在に配置された複数個の転動体と、
   を備えた後輪用ハブユニット軸受であって、
   前記転動体は、周方向に関して、荷重の支承状態が規則的に変化するように配置されていることを特徴とする後輪用ハブユニット軸受。
2. 前記転動体は、周方向に関して、転動体のゲージを規則的に変化させた状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の後輪用ハブユニット軸受。
3. 前記転動体は、周方向に関して、表面粗さを規則的に変化させた状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の後輪用ハブユニット軸受。
4. 前記転動体は、周方向に関して、転動体のグレードを規則的に変化させた状態で配置されていることを特徴とする請求項３に記載の後輪用ハブユニット軸受。
   

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