JP2021076137A

JP2021076137A - ハブベアリング

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Publication number: JP2021076137A
Application number: JP2019200962A
Authority: JP
Inventors: 坂口　智也; Tomoya Sakaguchi; 智也坂口; 直人澁谷; Naoto Shibuya; 誠関; Makoto Seki
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-05-20
Also published as: WO2021090805A1; US20220403874A1; DE112020005447T5; CN114651138A

Abstract

【課題】ハブベアリング自体が持つ応答遅れを小さくでき、車両の操縦安定性を向上できるハブベアリングを提供する。【解決手段】ハブベアリング１は、静止側軌道輪である外輪２と、回転側軌道輪であるハブ輪３および内輪５と、静止側軌道輪の軌道面と回転側軌道輪の軌道面との間に設けられた複数個の転動体である玉４とを備え、それぞれの軌道面と転動体との転がり接触部をグリースにより潤滑するものであり、転がり接触部において、静止側軌道輪の軌道面、および、回転側軌道輪の軌道面から選ばれた少なくとも一方の軌道面の表面粗さが、０．０３μｍＲａ以下である。また、上記グリースは、転がり接触部におけるトラクション係数が４０℃で自動車の車速２０ｋｍ／ｈ以上において０．０４以下となるグリースである。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の車輪を回転自在に支持するためのハブベアリングに関する。

自動車の自動運転技術が発展し、コンピュータが操舵まで制御するようになったとしても、車両の操縦安定性（単に車両操安性ともいう）は引き続き重要な特性である。コンピュータがどんなに高性能であっても、操舵信号に対する車両の反応が遅すぎると、操舵した後の車両の旋回運動において操舵に対する車両の応答遅れが生じ、狙った軌跡を走行させることが難しいためである。この車両操安性に影響する要因として、車輪を支えるハブベアリングの曲げ剛性が挙げられる（非特許文献１）。ハブベアリングは、自動車の車輪を回転自在に支持する車輪用軸受であり、軸受の周辺部品であるハブ輪やハウジングとユニット化することで、部品点数の削減と軽量化を図ったものである。

非特許文献１には、ホイールのディスク部の剛性が車両の応答性に大きく影響し、これを高めることが有効であると報告されている。なお、足回り全体のサスペンションキャンバーコンプライアンス（剛性の逆数であり、ｄｅｇｒｅｅ／Ｎｍの次元）において、ハブベアリングのコンプライアンスは全体の１８％であり、ホイールのそれの２倍もあることが記載されている。このことから、車両操安性に及ぼすハブベアリングの剛性の影響が無視できないことが想像できる。

車両操安性をハブベアリング自体で対策する技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、ハブフランジの形状を工夫することで、同じ重さでもより剛性を高めたハブベアリングが提案されている。このような工夫により、ハブベアリングに起因するコンプライアンスを小さくすることで、車両の応答性を高める効果が期待できる。

また、車両操安性をサスペンションで対策する技術として、例えば、特許文献２が挙げられる。特許文献２には、車両の挙動の応答性、特に旋回初期の応答性を向上させるために、車両の旋回開始を検出した際にハブベアリングのマウントの剛性を一時的に高める機構を備えたものが提案されている。

それぞれの特許文献に示すように、車両の応答性を高める上では、ハブベアリングはサスペンション全体の剛性の一部を受け持つものと考えられ、より軽量で、より高剛性なハブベアリングの開発が行われている。一方で、サスペンション側では、旋回初期の応答性を高めるための特別な可変機構を備えたものが開発されている。

特開平１１−３０３８６１号公報特開２０１３−２０３３１８号公報

自動車技術会論文集（Ｖｏｌ．４６．Ｎｏ．２，Ｍａｒｃｈ２０１５、３９３−３９８頁、平野）

これまでの車両操安性の向上に対する技術開発において、ハブベアリングは、剛性すなわちばね要素とみなされ、その剛性を高めることが行われてきた。ただし、これも限界があるため、さらに車両操安性を向上させる場合は、特別な可変機構をサスペンションなどに付け加えることが行われてきた。

しかしながら、本発明者らがハブベアリングの剛性を動的に解析していくと、静的なばね要素としての働きだけでなく、モーメント荷重に対するキャンバー角の変化には、そもそも応答遅れが存在しうることがわかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ハブベアリング自体が持つ応答遅れを小さくでき、車両の操縦安定性を向上できるハブベアリングを提供することを目的とする。

本発明のハブベアリングは、静止側軌道輪と、回転側軌道輪と、上記静止側軌道輪の軌道面と上記回転側軌道輪の軌道面との間に設けられた複数個の転動体とを備え、それぞれの軌道面と上記転動体との転がり接触部をグリースにより潤滑する自動車のハブベアリングであって、上記転がり接触部において、上記静止側軌道輪の軌道面、および、上記回転側軌道輪の軌道面から選ばれた少なくとも一方の軌道面の表面粗さが、０．０３μｍＲａ以下であることを特徴とする。

特に、上記静止側軌道輪の軌道面の表面粗さが、０．０３０μｍＲａ以下であることを特徴とする。

上記グリースは、上記転がり接触部におけるトラクション係数が４０℃で自動車の車速２０ｋｍ／ｈ以上において０．０４以下となるグリースであることを特徴とする。また、上記グリースの基油の４０℃における動粘度が、３０ｍｍ^２／ｓ未満であることを特徴とする。

上記選ばれた軌道面の表面粗さが、０．０１４μｍＲａ以上０．０３０μｍＲａ以下であることを特徴とする。

本発明のハブベアリングは、静止側軌道輪と、回転側軌道輪と、静止側軌道輪の軌道面と回転側軌道輪の軌道面との間に設けられた複数個の転動体とを備え、それぞれの軌道面と転動体との転がり接触部をグリースにより潤滑し、転がり接触部において、静止側軌道輪の軌道面、および、回転側軌道輪の軌道面から選ばれた少なくとも一方の軌道面の表面粗さが、０．０３μｍＲａ以下であるので、ハブベアリング自体が持つ応答遅れを小さくでき、車両の操縦安定性を向上できる。これは、ハブベアリング内の転がり接触部におけるトラクション係数を小さくできるためである。

また、静止側軌道輪の軌道面の表面粗さが、０．０３０μｍＲａ以下であるので、トラクション係数の低減の効果が得られやすくなる。

上記グリースは、転がり接触部におけるトラクション係数が４０℃で自動車の車速２０ｋｍ／ｈ以上において０．０４以下となるグリースであるので、車両の高い応答性が要求される範囲において、優れた操縦安定性を発揮できる。

上記グリースの基油の４０℃における動粘度が、３０ｍｍ^２／ｓ未満であるので、ハブベアリングの低トルク化に加えて、トラクション係数を低減できる。

上記選ばれた軌道面の表面粗さが、０．０１４μｍＲａ以上０．０３０μｍＲａ以下であるので、十分な操縦安定性を発揮させつつ、加工コストを抑えることができる。

本発明のハブベアリングの一実施例を示す断面図である。ハブベアリングの油膜厚さの計算結果である。トラクション係数の計算結果である。荷重作用位置および解析の座標系を示す図である。玉と外輪の接触部の計算モデルを示す図である。各車速でのモーメント荷重に対する内輪の傾き角の計算結果である。各荷重変動周波数でのモーメント荷重に対する内輪の傾き角の計算結果である。反時計回りに内輪が傾く最中に軌道から玉に作用する垂直力およびトラクションの全体イメージを示す図である。反時計回りに内輪が傾く最中に軌道から玉に作用する垂直力およびトラクションを示す図である。時計回りに内輪が傾く最中に軌道から玉に作用する垂直力およびトラクションを示す図である。

本発明のハブベアリングを図１に基づいて説明する。図１は、本発明のハブベアリングの一実施例に係る自動車のハブベアリングとして、外輪を静止側軌道輪とし、ハブ輪と内輪を回転側軌道輪とする構成のハブベアリングの断面図である。
図１に示すように、ハブベアリング１は、静止側軌道輪である外輪２の内径側に、回転側軌道輪であるハブ輪３と内輪５を、転動体である複数の玉４を介して、回転自在に支持している。内輪５は、ハブ輪３に固定されている。この構成により、外輪２の内周面にそれぞれが静止側となる複列の外輪軌道面２ａ、２ｂを、ハブ輪３と内輪５の外周面にそれぞれが回転側となる第一、第二の内輪軌道面３ａ、５ａを、それぞれ設けている。ハブ輪３の外周面の外端部に車輪を支持するためのハブボルト６を、同じく中間部に第一の内輪軌道面３ａを、同じく中間部内端寄り部分にこの第一の内輪軌道面３ａを形成した部分よりも小径である小径段部３ｂを、それぞれ設けている。この小径段部３ｂに、外周面に断面円弧状である第二の内輪軌道面５ａを設けた内輪５を外嵌している。ハブ輪３の内端部を径方向外方に塑性変形させてなるかしめ部３ｃにより内輪５の内端面を抑え付けて、この内輪５をハブ輪３に対して固定している。

外輪軌道面２ａ、２ｂと、内輪軌道面３ａ、５ａとの間には、玉４を複数個ずつ、それぞれ保持器７により保持した状態で転動自在に設けている。各構成部材をこの様に組み合わせることにより、背面組み合わせである複列アンギュラ型の玉軸受を構成している。図中右側がインボード側、図中左側がアウトボード側となる。また、外輪２の両端部内周面と、ハブ輪３の中間部外周面および内輪５の内端部外周面との間には、それぞれシール８、９を設けて、外輪２の内周面とハブ輪３の外周面との間で、各玉４を設けた内部空間１０と、外部空間とを遮断している。この内部空間１０内にグリース（図示省略）を封入して、外輪軌道面２ａ、２ｂと、内輪軌道面３ａ、５ａと、各玉４の転動面との間の転がり接触部を潤滑している。

本発明のハブベアリングに用いる、静止側軌道輪、回転側軌道輪、転動体、保持器などの部材は周知の軸受用金属材料からなる。具体例として、軌道輪用材料としては、軸受鋼（高炭素クロム軸受鋼ＪＩＳＧ４８０５）、肌焼鋼（ＪＩＳＧ４１０４など）、高速度鋼（ＡＭＳ６４９０）、ステンレス鋼（ＪＩＳＧ４３０３）、高周波焼入鋼（ＪＩＳＧ４０５１など）、機械構造用炭素鋼（Ｓ５３Ｃなど）などが挙げられる。また、保持器材料としては、打ち抜き保持器用冷間圧延鋼板(ＪＩＳＧ３１４１など)、もみ抜き保持器用炭素鋼(ＪＩＳＧ４０５１)、もみ抜き保持器用高力黄銅鋳物(ＪＩＳＨ５１０２など)などが挙げられる。また、他の軸受合金を採用することもできる。これらの中で、静止側軌道輪である外輪と、回転側軌道輪であるハブ輪の材料としては、鍛造性が良く安価なＳ５３Ｃなどの機械構造用炭素鋼を用いることが好ましい。該炭素鋼は一般に高周波熱処理を施すことで、軸受部の転がり疲労強度を確保した上で用いられる。

本発明のハブベアリングの転がり接触部において、静止側軌道輪の軌道面、および、回転側軌道輪の軌道面から選ばれた少なくとも一方の軌道面の表面粗さが、平均算術粗さで０．０３０μｍ以下（０．０３０μｍＲａ以下）であることを特徴とする。下限については特に限定されないが、加工コストなどを考慮して、０．０１０μｍＲａ以上が好ましく、０．０１４μｍＲａ以上がより好ましい。この軌道面の表面粗さ範囲の根拠については、後述の検討結果において詳細に示す。なお、通常、ハブベアリングにおける軌道輪の軌道面の表面粗さは、例えば０．０５０μｍ程度であり、本発明ではこれよりも低い範囲としている。また、本発明において算術平均粗さＲａは、ＪＩＳＢ０６０１に準拠して算出される数値であり、接触式または非接触式の表面粗さ計などを用いて測定される。表面粗さを小さくする方法としては、ラッピング、タンブラ、エアロラッピングなどを採用できる。

本発明に用いるグリースは、基油と増ちょう剤とを含み、必要に応じて各種添加剤を添加したものである。グリースの基油としては、例えば、高度精製油、鉱油、エステル油、エーテル油、合成炭化水素油（ＰＡＯ油）、シリコーン油、フッ素油およびこれらの混合油などを使用できる。

鉱油としては、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油のいずれも使用できるが、高温時の粘度変化が小さいため、パラフィン系鉱油を用いることが好ましい。ＰＡＯ油は、α−オレフィンまたは異性化されたα−オレフィンのオリゴマーまたはポリマーの混合物である。α−オレフィンの具体例としては、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン、１−ドデセン、１−トリデセン、１−テトラデセン、１−ペンタデセン、１−ヘキサデセン、１−ヘプタデセン、１−オクタデセン、１−ノナデセン、１−エイコセン、１−ドコセン、１−テトラドコセンなどが挙げられ、通常はこれらの混合物が使用される。

上記基油の中でも、低粘度である場合においても油膜厚さを減少させにくいことから、合成炭化水素油を主成分とする基油が好ましい。この場合、合成炭化水素油の含有量は、基油（混合油）全体に対して５０質量％以上とすることが好ましい。性能とコストとのバランスから、鉱油と合成炭化水素油との混合油であることが好ましい。鉱油と合成炭化水素油との混合油とし、合成炭化水素油の含有量を基油（混合油）全体に対して５０質量％以上とすることで、合成炭化水素油１００質量％の場合と概ね同様の低いトラクション係数を維持できる。なお、鉱油や合成炭化水素油は、それぞれ、２種以上の油の混合油（混合鉱油や混合合成油）であってもよい。

上記基油の動粘度（混合油の場合は、混合油の動粘度）は、例えば、４０℃において３０ｍｍ^２／ｓ未満が好ましい。下限は、例えば５ｍｍ^２／ｓ以上である。より好ましくは、５ｍｍ^２／ｓ以上２５ｍｍ^２／ｓ未満、さらに好ましくは、５ｍｍ^２／ｓ以上２０ｍｍ^２／ｓ未満である。本発明では、軌道輪の表面粗さを通常よりも小さく設定しているため、突起間干渉によるトラクションの増加の懸念が少ない状態で、基油の動粘度を低粘度化でき、ハブベアリングの低トルク化に加えて、トラクション係数を低減が図れる。

グリースの増ちょう剤としては、特に限定されず、通常グリースの分野で使用される一般的なものを使用できる。例えば、金属石けん、複合金属石けんなどの石けん系増ちょう剤、ベントン、シリカゲル、ウレア化合物、ウレア・ウレタン化合物などの非石けん系増ちょう剤を使用できる。金属石けんとしては、ナトリウム石けん、カルシウム石けん、アルミニウム石けん、リチウム石けんなどが、ウレア化合物およびウレア・ウレタン化合物としては、ジウレア化合物、トリウレア化合物、テトラウレア化合物、他のポリウレア化合物、ジウレタン化合物などが挙げられる。

グリース全体に占める増ちょう剤の配合割合は、例えば５質量％〜４０質量％であり、好ましくは１０質量％〜３０質量％であり、より好ましくは１０質量％〜２０質量％である。増ちょう剤の含有量が５質量％未満では、増ちょう効果が少なくなり、グリース化が困難となる。また、４０質量％をこえると得られたベースグリースが硬くなりすぎる。

また、グリースには、必要に応じて公知の添加剤を添加できる。添加剤としては、例えば、有機亜鉛化合物、有機モリブデン化合物などの極圧剤、アミン系、フェノール系、イオウ系化合物などの酸化防止剤、イオウ系、リン系化合物などの摩耗防止剤、多価アルコールエステルなどの防錆剤、二硫化モリブデン、グラファイトなどの摩擦低減剤、エステル、アルコールなどの油性剤などが挙げられる。

グリースの混和ちょう度（ＪＩＳＫ２２２０）は、２００〜３５０の範囲にあることが好ましい。ちょう度が２００未満である場合は、油分離が小さく潤滑不良となるおそれがある。一方、ちょう度が３５０をこえる場合は、グリースが軟質でハブベアリング外に流出しやすくなり好ましくない。

上述したとおり、自動車車両の車輪（タイヤ）を支えるハブベアリングの曲げ剛性は、車両の操縦安定性に影響する要因であり、ハブベアリングの曲げ剛性を適切に設計することは重要な課題である。一般的にハブベアリングの曲げ剛性の測定は、軸を回転させない状態で行っている。軸が回転した場合の曲げ剛性は、静止した場合と比べ、大きな変化はないと予想されるものの明らかになっていない。本発明者らは、統合動力学解析システムを用いて、軸の回転速度とハブベアリングの曲げ剛性の関係の動解析を行ったところ、静的なばね要素としての働きだけでなく、モーメント荷重に対するキャンバー角の変化には、そもそも応答遅れ（ヒステリシス）が存在すること、および、このヒステリシスの大きさは、玉と軌道の接触楕円の長軸方向に作用するトラクションに起因することがわかった。本発明はこのような点に鑑みて、上記トラクションを低減すべくトラクション係数に着目し、上記の軌道面の表面粗さ（必要に応じて基油粘度や基油種類）を調整することで、これを低く抑えたことを特徴としている。

以下に、上記動解析の手順を示す。
運転中のハブベアリングにおけるモーメント荷重下の傾き角の時間波形を、自社（ＮＴＮ株式会社）で独自に開発した転がり軸受の統合動力学解析システム「ＩＢＤＡＳ」を用いて計算する。図１に示すような複列アンギュラ玉軸受に対して、図４に示す荷重の作用位置および解析の座標系を用いる。解析モデルに設定する運動の自由度および拘束条件は下記表１のとおりである。

軸受の外輪は空間内で固定され、内輪は自転を除いた運動の自由度を持つ。内輪にはハブ輪の質量および慣性モーメントを付与する。また、玉および保持器は３並進と３回転の自由度を持つ。ＩＢＤＡＳはモード合成法により保持器の弾性変形を考慮でき、この解析では計５６個の変形モードを各保持器に与える。上記の自由度を有する玉軸受系の運動を動解析するためには、玉／軌道輪間および玉／保持器間の接触部の垂直方向および接線方向の力を適切に計算に導入する必要がある。以下に、それぞれの計算方法を記す。なお、各種の力によって生じる玉のモーメントも、適宜計算に導入する。

［玉／軌道輪間の接触部］
接触圧力はヘルツ理論に従うと仮定して垂直方向の力を求める。接線方向の力の計算では、３次元的な玉の運動を適切に表現するために、接触楕円内の長軸方向の接触圧力およびすべり速度の分布を図５のように考慮する。具体的な計算方法を以下に示す。
ヘルツ圧下の接触楕円を長軸方向に対してｎ個に分割したスライス片の垂直方向の荷重は、短軸方向に接触圧力を積分した後に長軸方向のスライス片領域で積分することで得られ、以下の式（２）のように書き表すことができる。

ここで、Ｆ_Njはｊ番のスライスに作用する垂直力、Ｆ_Nは、接触部全体の垂直力、ｊはスライス番号（０〜ｎ−１）である。接線方向の力には、油潤滑下の接触部で想定される３種の力要素として、トラクション、転がり粘性抵抗力、転がり方向の油膜力を考慮する。ハブベアリングは、グリース潤滑であり、グリースの基油のみで上記の３種の力要素が決まると仮定して解析する。

トラクションについて説明する。トラクションは、転がり／すべり接触する２物体において、高速側では転がり方向と逆方向、低速側では転がり方向に作用する接線方向の力である。図５において、各スライスに作用するトラクションは、軌道面に対する玉表面のすべり速度ベクトルｕ_slidejの逆方向に作用すると仮定して以下の式（３）で求められる。

ここで、Ｆ_Tjは玉に作用するトラクション、φ_jはトラクション係数、下付き添え字のｊは、ｊ番のスライスに関することを表す。上付きの矢印はベクトルを意味する。トラクション係数は、トラクション係数と膜厚比との既知の関係から算出することができる（後述の式（１））。

式（３）における軌道面に対する玉表面のすべり速度ベクトルｕ_slidejは、以下の式（４）で求められる。

ここで、ｖ_bは玉中心の並進速度ベクトル、ω_bは玉の角速度ベクトル、ｒ_bcjは玉中心からｊ番のスライス表面への位置ベクトル、ｖ_raceは軌道中心の並進速度ベクトル、ω_raceは軌道の角速度ベクトル、ｒ_racejは軌道中心からｊ番のスライス表面への位置ベクトルである。接触楕円内のスライス表面の位置の求め方は公知の方法に基づく。玉表面のスライスのすべり速度ベクトルｕ_slidejは、転がり方向だけでなく、軸方向の成分も有する。そのため、トラクションも接触楕円の長軸方向に作用する成分を有する。

玉／軌道面間の接触部に生じる残りの力要素として、転がり粘性抵抗力Ｆ_Rおよび転がり方向の油膜力Ｆ_Pを考慮する。転がり粘性抵抗力Ｆ_Rは、潤滑膜の粘性により生じる力であり、玉および軌道面に対して、転がり方向の逆向きに作用する。潤滑膜により生じる力であるため、潤滑膜が形成される流体潤滑下でのみ生じると仮定する。この転がり粘性抵抗力の大きさは、高圧粘度弾性体領域（ＰＥ）および高圧粘度剛体領域（ＰＲ）の場合ならびに等圧粘度剛体領域（ＩＲ）の場合に用いられる２つの公知の式を、領域判定結果に応じて選択し、そこから求められる。また、転がり方向の油膜力Ｆ_Pは、潤滑膜の圧力により生じる力であり、玉および内輪軌道に対しては接触点への各表面の移動方向に、外輪軌道に対しては接触点への表面の移動方向と逆方向に作用する。転がり方向の油膜力の大きさは、転がり粘性抵抗力および軌道輪・玉の形状から求められる。

［玉／保持器間の接触部］
保持器の表面を有限要素で分割した際の節点が玉に幾何学的に干渉する場合、この干渉量δ_Cに応じた垂直力Ｆ_NCがヘルツ理論に従って生じると仮定すると、以下の式（５）が得られる。

ここで、k_HertzCはヘルツ理論の非線形ばね定数である。

接線方向の力の計算に関して、玉と保持器の間では純すべりになることから、すべり摩擦による力のみを考慮することとした。すべり摩擦力は以下の式（６）で求められる。

ここで、μ_sは摩擦係数、ｕ_cは保持器ポケットに対する玉表面のすべり速度ベクトルである。

以上の動解析手順に沿って、所定の軸受諸元（各寸法や与圧）と所定の運転条件（車速（３段階）、モーメント荷重、アキシアル荷重、ラジアル荷重、荷重作用位置、荷重変動周波数）を与えた解析結果の一例として、各車速において、負荷したモーメント荷重に対する内輪の傾き角の計算結果を図６に示す。荷重の変動周波数は、５０Ｈｚとしている。

図６に示すように、モーメント荷重に対する内輪の傾き角の波形にはヒステリシスがあることがわかる。また、ヒステリシスを有するものの各車速の線郡の傾き（コンプライアンス）は互いに等しいことがわかる。このことから、コンプライアンスの逆数であるハブベアリングの剛性も、車速に依存せず、互いに等しいことがわかる。

次に、車速１０ｋｍ／ｈで荷重変動周波数を３水準に変化させた場合（他の条件は図６と同じ）における、負荷したモーメント荷重に対する内輪の傾き角の計算結果を図７に示す。図７からも、モーメント荷重に対する内輪の傾き角の線郡の傾きは変わらず、ハブベアリングの剛性は荷重変動周波数に依存しないことがわかる。

モーメント荷重に対する内輪の傾き角の波形に変動幅（これを「Ｗ_H」とする）が生じるメカニズムについて説明する。この変動幅Ｗ_Hが、ヒステリシスの大きさである。変動幅Ｗ_Hが生じる理由は、図８に示すように、玉と軌道面の間で生じる接触楕円の長軸方向のトラクションが玉のラジアル平面内の移動を阻害するためである。図８において、右上の玉に作用する力に着目してこのメカニズムを説明する。図８内の右上の玉に作用する力の代表的な状態を図９に示す。まず、図９（ａ）は内輪の傾き角が一定のまま、内輪が回転し続けている状態である。この場合、内輪の傾き角が不変のまま内輪が回転しているため、玉の中心は内外輪の溝中心点を結ぶ線上に位置し、内・外輪から玉に作用する垂直力Ｆ_NiおよびＦ_Noは同一線上に並び、互いに釣合う（説明の簡略化のため、遠心力は無視）。内・外軌道から玉に作用するトラクションは転がり方向にのみ作用し、図の面内成分を持たない。図９（ｂ）は内輪の傾き角が反時計回り方向に増した直後で、まだ玉の移動が十分でない状態である。この場合、内輪からの垂直力Ｆ_Niは図のように向きを変える（説明の簡略化のため、内輪から玉に作用するトラクションＦ_Tiはないものとする）。そして、軌道から玉に作用する力の合力は図の左上方向になる。図９（ｂ）の直後に玉がこのラジアル面内で移動し、玉に作用する力とモーメントが釣合った状態が図９（ｃ）である。玉の移動によりＦ_NiおよびＦ_Noの大きさと向きが変化するとともに、内・外輪から玉に作用するトラクションＦ_TiおよびＦ_Tоが接触楕円長軸方向に生じ始め、図の右上の方向に働く。これらのトラクションのため、玉の中心は内・外軌道溝の中心点を結ぶ線上までは移動できず、図９（ａ）のようにはならない。

次に、内輪の傾き角は図９（ｃ）と同じであるが、モーメント荷重が減少途上で、内輪の傾き角が時計回り方向に変化していく場合を考える。時計回りに内輪が傾く最中に軌道から玉に作用する垂直力およびトラクションは、図１０のように描ける。内・外輪から玉に作用するトラクションは、図の左下方向に作用するため、玉は内・外軌道溝の中心点を結ぶ線よりも図中の左下に位置し、さらにＦ_Niの角度も小さくなる。その結果、玉が内輪に与えるモーメントの大きさは図９（ｃ）よりも減少する。トラクションが接触楕円長軸方向に作用することにより、内輪の傾き角が変化している最中の玉の中心位置は、内輪の傾き角が一定の場合の玉の位置に到達できない。そして、このトラクションが内輪傾き角の変動幅Ｗ_Hを生じさせているといえる。

以上のように、時間に対して周期的に変化するモーメント荷重をハブベアリングに負荷して、内外輪間の傾き角の変化を動解析で計算すると、ヒステリシスが存在することがわかる。このヒステリシスは、モーメント荷重に対する傾き角の応答遅れを表すものである。さらに上記解析により、ヒステリシスの大きさＷ_Hは玉と軌道の接触楕円の長軸方向に作用するトラクションに起因するものといえる。

ハブベアリングのＷ_Hを減らすためには、トラクション係数（式（３）参照）を小さくするとよい。一般的なハブベアリングはグリースを用いている。トラクション係数は、軌道面と玉の表面粗さがグリースの基油により形成される油膜よりも十分に小さい場合は、基油のトラクション特性で決まる。表面粗さが十分に小さくない場合は、表面の突起同士の直接接触（突起間干渉）が生じ、油膜によるトラクションに加え、突起間干渉によるトラクションが併存し、トラクション係数が決まる。このような状況のもと、トラクション係数を小さくするためには、グリースの基油のトラクション特性を改善すること、具体的には、低粘度の基油（鉱油）の使用や、高価であるものの低トラクション特性を示す合成油（ＰＡＯ油など）の使用が効果的である。そして、低粘度の基油または低トラクションの合成油の使用は、油膜厚さが低下し、突起間干渉が生じやすくなるため、表面粗さを小さくすることが重要である。

ここで、従前のハブベアリングでの突起間干渉に対する考え方について説明する。過度な突起間干渉は、ピーリングや表面起点型の剥離につながる。そのため、これが生じないように、油膜の厚さと表面粗さの関係を設計してきた。具体的には、既存の転がり軸受の加工技術を用いて形成される表面粗さに対して、過度な突起間干渉が起きないような粘度の基油をグリースに与えてきた。基油を低粘度化すると、ハブベアリングをいくらか低トルク化できるはずだが、その寄与度は、シールの摩擦およびグリースの攪拌抵抗（これにはグリースのちょう度や見かけ粘度が大きく影響する。そのため、増ちょう剤の組成の影響が大きい）より小さく、トラクション係数を低減する観点において、基油は検討されていなかった。

本発明ではトラクション係数を低減する際に、突起間干渉を抑えるために軌道面の表面粗さを小さく設定することで、グリースの基油のトラクション特性の改善を可能としている。軌道面の表面粗さおよび基油の動粘度と、トラクション係数との関係について以下に詳細に説明する。

図２は、車両の速度に対するハブベアリング内の玉と軌道輪との間の油膜厚さの計算例である。外輪側に比べ、内輪側の方が１５％ほど小さいため、内輪側の最小油膜厚さｈ_minを対象とした。温度は４０℃で、基油の動粘度はＩＳＯＶＧ３２およびＩＳＯＶＧ１０の２種類とした（以降、それぞれの基油を単に「Ｐ３２」および「Ｐ１０」と記す）。なお、それぞれの数字が４０℃における動粘度（ｍｍ^２／ｓ）を表す。Ｐ３２の粘度は、ハブベアリング用のグリースで用いられる基油において、概ね下限に近い。Ｐ１０は、一部の用途では軸受用の潤滑油として使われるが、Ｐ３２よりも粘度が低く、ハブベアリングでは一般的でない。

ハブベアリング内の転がり接触部におけるトラクション係数を小さくすることで、ハブベアリングに作用するモーメント荷重が変化する際のベアリングの内外輪間の傾きの応答の遅れを小さくできる。その結果、操舵に対する車両の応答性も改善できる。トラクション係数は、グリースによる潤滑油膜の膜厚比の関数といえる。この関係式は、トラクション係数と膜厚比との既知の関係から導出することができる。膜厚比は、２物体の接触面に形成される潤滑油膜の最小膜厚ｈ_minと接触面の合成二乗平均平方根粗さσの比ｈ_min/σで表される。

例えば、既知の関係として、非特許文献２（村木・木村、潤滑油のトラクション特性に関する研究第１報、１９８３、図７）の試験結果が挙げられる。該図において、図中のプロットは、測定対象の油の種類を表す。Ｐはパラフィン系、Ｎはナフテン系の鉱油であり、数字は４０℃における動粘度（ｍｍ^２／ｓ）を表す。該図の関係より、膜厚比が１近傍よりも小さくなると、いずれの潤滑油においても、トラクション係数が大幅に増加することがわかる。実用域において、トラクション係数の増加を抑制できる表面粗さを検討するために、以下の式（１）で膜厚比Λからトラクション係数φを近似することとした。

ここで、φ_bは境界潤滑下のトラクション係数、φ_hは流体潤滑下でのトラクション係数、Λ_bは境界潤滑と混合潤滑の境目の膜厚比、Λ_hは混合潤滑と流体潤滑の境目の膜厚比である。非特許文献２の図より、φ_b＝０．１２、φ_h＝０．０３、Λ_b＝０．０５、Λ_h＝１．５とした。境界潤滑は、突起間干渉部で荷重をほぼ支持する状態であり、流体潤滑は、流体膜の圧力で荷重を支持する状態であり、混合潤滑は、この中間で突起間干渉と流体膜の両者で荷重を分担支持する状態である。一般にΛが３以上になると、完全に流体膜で荷重を受け持つといわれる。しかし、同図からは、Λが１．５程度で、トラクション係数は油膜の有する特性で支配され、突起間干渉部で受け持つ荷重がかなり低下していることがわかる。また、Λが１．５以上になると、突起間干渉による摩耗も、非常に小さく、無視できるほどであると考えられる。

式（１）を用いて、車両の速度に対するトラクション係数を検討した結果を図３に示す（温度４０℃）。参考として、現状の粗さ（軌道面の粗さを０．０５μｍＲａとした）およびＰ３２を用いた場合の計算例も示した。計算では、静止側および回転側のいずれの軌道輪の軌道面も上記表面粗さに設定している。Ｐ３２でのトラクション係数は、非特許文献２の図を参考に、φ_h＝０．０５とした。現状では、比較的粘度が高い基油のため、膜厚比が大きく、２０ｋｍ／ｈ以上では、φ_hのトラクション係数となる。それよりも低速になると、突起間干渉によりトラクション係数が上昇することがわかる。

図３に示すように、現状と同じ表面粗さで、Ｐ１０にした場合の結果［Ｐ１０，０．０５］を見ると、２０ｋｍ／ｈ以上の速度域でトラクション係数が現状よりも低いことがわかる。低粘度であるため、φ_hが０．０３と小さくなるためである。しかし、それよりも速度が低下すると、［Ｐ１０，０．０５］のトラクション係数は、現状よりも増加してしまう。［Ｐ１０，０．０３］および［Ｐ１０，０．０１４］は、Ｐ１０の油で、表面粗さを０．０３μｍＲａおよび０．０１４μｍＲａとした場合の結果である。表面粗さを０．０３μｍＲａにまで低下させると、３０ｋｍ／ｈ以上の速度域で基油の有する低いトラクション特性を十分に引き出せることがわかる。車両の高い応答が要求されるのは、３０ｋｍ／ｈほどと考えられるので、０．０３μｍＲａ以下の粗さを確保できれば、実用上問題ないといえる。また、粗さを小さくすれば、より低速域でのトラクション係数を低めに抑えることができるが、図３の表面粗さ０．０１４μｍＲａの結果のから、１０ｋｍ／ｈの速度でも基油の有するトラクション特性を引き出せるため、これ以下の表面粗さは、加工コストを考えると、不適切といえる。

以上のように、低粘度基油のグリースを用いたハブベアリングにおいて、トラクション係数を小さくするためには、上述のとおり、軌道面の表面粗さの範囲を０．０３μｍＲａ以下にすればよいといえる。また、その下限は０．０１４μｍＲａで十分といえる。なお、一般に用いられているハブベアリング用の玉の表面粗さは、０．００１μｍＲａで、軌道面の表面粗さに比べて桁違いに小さい。よって、上記の表面粗さは、軌道面の表面粗さにそのまま適用できる。トラクション係数の具体的な範囲としては、図３に示すように、４０℃で自動車の車速２０ｋｍ／ｈ以上において０．０４以下となっている。

また、先のハブベアリングの動解析において、内輪および外輪のトラクションを確認すると、静止輪側のトラクションが回転輪側のトラクションよりも大きかった。タイヤが固定される回転輪側が、車体側に取り付けられる静止輪側に対して、旋回荷重により、揺動運動するが、その際、揺動運動側の軌道表面が移動する方向に、玉も移動していくため、静止輪側の接触部と比較すると、軸方向のすべり速度が大きくなるためと考えられる。そのため、上記の軌道面の表面粗さは、よりすべりが大きくトラクションが増加しやすい、少なくとも静止輪側の軌道面には適用することが好ましく、この静止輪側の軌道面にのみ適用する形態としてもよい。

以上の図では、外輪を静止側軌道輪とし、ハブ輪と内輪を回転側軌道輪とする構成について説明したが、本発明は、静止側と回転側を反対とする構成でも同様に適用できる。なお、この場合でも、静止輪側の軌道面の方が、よりすべりが大きくトラクションが増加しやすいため、少なくとも静止輪側の軌道面に所定の表面粗さを適用することが好ましい。

本発明のハブベアリングは、ハブベアリング自体が持つ応答遅れを小さくでき、車両の操縦安定性を向上できるので、種々の自動車の車輪を回転自在に支持するハブベアリングとして広く利用できる。また、自動車の自動運転技術が発展し、コンピュータが操舵までを制御するようになった際のハブベアリングとしても好適に利用できる。

１ハブベアリング
２外輪
３ハブ輪
４玉
５内輪
６ハブボルト
７保持器
８、９シール
１０内部空間

Claims

静止側軌道輪と、回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の軌道面と前記回転側軌道輪の軌道面との間に設けられた複数個の転動体とを備え、それぞれの軌道面と前記転動体との転がり接触部をグリースにより潤滑する自動車のハブベアリングであって、
前記転がり接触部において、前記静止側軌道輪の軌道面、および、前記回転側軌道輪の軌道面から選ばれた少なくとも一方の軌道面の表面粗さが、０．０３０μｍＲａ以下であることを特徴とするハブベアリング。
前記静止側軌道輪の軌道面の表面粗さが、０．０３０μｍＲａ以下であることを特徴とする請求項１記載のハブベアリング。
前記グリースは、前記転がり接触部におけるトラクション係数が４０℃で自動車の車速２０ｋｍ／ｈ以上において０．０４以下となるグリースであることを特徴とする請求項１または請求項２記載のハブベアリング。
前記グリースの基油の４０℃における動粘度が、３０ｍｍ^２／ｓ未満であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載のハブベアリング。
前記選ばれた軌道面の表面粗さが、０．０１０μｍＲａ以上０．０３０μｍＲａ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載のハブベアリング。