JP2022045034A - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合技術を用いずにハブ輪を軽量化することができる車輪用軸受装置を提供する。【解決手段】内周に複列の外側軌道面２ｃ、２ｄを有する外輪２と、外周に軸方向に延びる小径段部３ａを有したハブ輪３、及びハブ輪３の小径段部３ａに圧入された内輪４からなり、複列の外側軌道面２ｃ、２ｄに対向する複列の内側軌道面３ｃ、４ａを有する内方部材と、外輪２と内方部材との両軌道面間に転動自在に収容された複列のボール７と、外輪２と内方部材とによって形成された環状空間のアウター側開口端に嵌合されるアウター側シール部材９とを備えた車輪用軸受装置であって、ハブ輪３は、金属焼結体で形成され、塑性加工面を有する。【選択図】図１

Description

本発明は車輪用軸受装置に関する。

エネルギー消費量の削減や二酸化炭素排出量の削減は国際的な共通課題となっている。その中で、自動車から排出される二酸化炭素を削減することは、この課題解決に大きく貢献する。自動車における二酸化炭素排出量削減には燃費向上が欠かせないが、その方法の一つとして車両の軽量化が挙げられ、自動車を取り巻く企業の大きな技術課題の一つである。

その中で、サスペンションからタイヤにかけてのいわゆる「足回り部品」は、軽量化による燃費向上の効果が大きいと言われている。このため、「足回り部品」の一つである車輪用軸受装置についてもこれまで多数の軽量化に関する提案がなされてきた。

例えば特許文献１では、複列の転動体を転動自在に収容する複列の内側軌道面の一つがハブ輪の外周に直接形成された第３世代構造のハブ輪について、転動体が転送する軌道面やシールが摺動する摺動面を金属部材とする一方で、その他の部位を炭素繊維複合材料とすることで軽量化を図っている。

特許第６２５５１９４号公報

しかしながら、特許文献１では、金属部材と炭素繊維複合材料との具体的な接合方法は開示されていない。通常、接合部は曲げや捩じりに耐え得るため、面接合する必要があり、例えば、接着剤や熱融着など、樹脂による接着が有効である。ところが、車輪用軸受装置に求められる接着力を得るには高度な技術が必要となる。

そこで、本発明においては、接合技術を用いずにハブ輪を軽量化することができる車輪用軸受装置を提供する。

本発明の車輪用軸受装置は、内周に複列の外側軌道面を有する外方部材と、外周に軸方向に延びる小径段部を有したハブ輪、及び前記ハブ輪の小径段部に圧入された内輪からなり、前記複列の外側軌道面に対向する複列の内側軌道面を有する内方部材と、前記外方部材と前記内方部材との両軌道面間に転動自在に収容された複列の転動体と、前記外方部材と前記内方部材とによって形成された環状空間のアウター側開口端に嵌合されるシール部材と、を備えた車輪用軸受装置であって、前記ハブ輪は、金属焼結体で形成され、塑性加工面を有することを特徴とする。

本発明によれば、車輪用軸受装置において、主として粉末冶金法を用いてハブ輪を製造することにより、接合技術を用いずにハブ輪を軽量化することができ、その結果、車輪用軸受装置を軽量化することができる。

一実施形態の車輪用軸受装置を示す側面断面図である。 車輪用軸受装置における各部材の組付け工程を説明する図である。 車輪用軸受装置における各部材の組付け工程を説明する図である。 車輪用軸受装置における各部材の組付け工程を説明する図である。 ハブ輪の製造工程のフローを示す図である。 ハブ輪の製造工程における混合工程、プレス成形工程及び焼結工程を説明する図である。 ハブ輪のバニシング加工又は転造加工による緻密化工程を説明する図である。 ハブ輪のバニシング加工又は転造加工による緻密化工程後のハブ輪を示す図である。 ハブ輪の鍛造加工による緻密化工程を説明する図である。 ハブ輪の鍛造加工による緻密化工程後のハブ輪を示す図である。

［車輪用軸受装置の構成］
以下に、図１を用いて、本発明が実施される車輪用軸受装置の一実施形態である車輪用軸受装置１の構成について説明する。

図１に示す車輪用軸受装置１は、自動車等の車両の懸架装置において車輪を回転自在に支持するものである。車輪用軸受装置１は第３世代と称呼される構成を備えており、外方部材である外輪２と、内方部材であるハブ輪３及び内輪４と、転動列である二列のインナー側ボール列５及びアウター側ボール列６と、インナー側シール部材９及びアウター側シール部材１０とを具備する。ここで、インナー側とは、車体に取り付けた際の車輪用軸受装置１の車体側を表し、アウター側とは、車体に取り付けた際の車輪用軸受装置１の車輪側を表す。また、軸方向とは、車輪用軸受装置１の回転軸に沿った方向を表す。

外輪２のインナー側端部には、インナー側シール部材９が嵌合可能なインナー側開口部２ａが形成されている。外輪２のアウター側端部には、アウター側シール部材１０が嵌合可能なアウター側開口部２ｂが形成されている。外輪２の内周面には、インナー側の外側軌道面２ｃと、アウター側の外側軌道面２ｄとが形成されている。外輪２の外周面には、外輪２を車体側部材に取り付けるための車体取り付けフランジ２ｅが一体的に形成されている。車体取り付けフランジ２ｅには、車体側部材と外輪２とを締結する締結部材（ここでは、ボルト）が挿入されるボルト孔２ｇが設けられている。

ハブ輪３のインナー側端部には、外周面にアウター側端部よりも縮径された小径段部３ａが形成されている。ハブ輪３における小径段部３ａのアウター側端部には肩部３ｅが形成されている。ハブ輪３のアウター側端部には、車輪を取り付けるための車輪取り付けフランジ３ｂが一体的に形成されている。車輪取り付けフランジ３ｂには、ハブ輪３と車輪又はブレーキ部品とを締結するためのハブボルトが圧入されるボルト孔３ｆが設けられている。

ハブ輪３の外周面には、外輪２のアウター側の外側軌道面２ｄに対向するようにアウター側の内側軌道面３ｃが設けられている。つまり、内方部材のアウター側には、ハブ輪３によって内側軌道面３ｃが構成されている。ハブ輪３における車輪取り付けフランジ３ｂの基部側には、アウター側シール部材１０が摺接する摺接面３ｄが形成されている。アウター側シール部材１０は、外輪２とハブ輪３とによって形成された環状空間のアウター側開口端に嵌合されている。ハブ輪３は、車輪取り付けフランジ３ｂよりもアウター側の端部にアウター側端面３ｇを有している。

本発明に係るハブ輪は、金属焼結体で形成されるものであるため、転造加工などの塑性加工を追加することにより、所定精度のハブ輪を容易に所定精度に成形することができ、しかも塑性加工が施された部位は加工前に比べ表面（表層部）の多孔質組織が緻密化されるため、ハブ輪の機械的強度、特に繰り返し疲労強度を高めることができる。従って、必要とされる機能を備えたハブ輪を加工性良く量産することができると共に、複雑形状のハブ輪であっても材料の無駄なく製作することができる。これにより、車輪用軸受装置の低コスト化を図ることができる。

金属焼結体は、鉄系合金を主成分とし、これに少なくとも０．５～２０ｍａｓｓ％のクロム（Ｃｒ）および３ｍａｓｓ％以下のモリブデン（Ｍｏ）を含む合金化粉を主体とした金属粉末の圧粉体を焼結して得ることができる。具体的には、例えば、１．５ｍａｓｓ％のクロムおよび０．２ｍａｓｓ％のモリブデンを含み、残部を鉄系合金および不可避的不純物とした合金化粉の圧粉体を焼結することで成形することができる。なお、ここでいう合金化粉は、完全合金化粉と部分合金化粉の双方を含む概念である。

ハブ輪３の小径段部３ａには、内輪４が設けられている。内輪４は、圧入及び加締加工によりハブ輪３の小径段部３ａに固定されている。内輪４は、転動列であるインナー側ボール列５及びアウター側ボール列６に予圧を付与している。内輪４は、インナー側端部にインナー側端面４ｂを有しており、アウター側端部にアウター側端面４ｃを有している。ハブ輪３のインナー側端部には、内輪４のインナー側端面４ｂに加締められた加締部３ｈが形成されている。

内輪４の外周面には、外輪２のインナー側の外側軌道面２ｃと対向するようにインナー側の内側軌道面４ａが設けられている。つまり、内方部材のインナー側には、内輪４によって内側軌道面４ａが構成されている。

転動列であるインナー側ボール列５とアウター側ボール列６とは、転動体である複数のボール７が保持器８によって保持されることにより構成されている。インナー側ボール列５は、内輪４の内側軌道面４ａと、外輪２のインナー側の外側軌道面２ｃとの間に転動自在に挟まれている。アウター側ボール列６は、ハブ輪３の内側軌道面３ｃと、外輪２のアウター側の外側軌道面２ｄとの間に転動自在に挟まれている。つまり、インナー側ボール列５とアウター側ボール列６とは、外方部材と内方部材との両軌道面間に転動自在に収容されている。

車輪用軸受装置１においては、外輪２と、ハブ輪３及び内輪４と、インナー側ボール列５と、アウター側ボール列６とによって複列アンギュラ玉軸受が構成されている。なお、車輪用軸受装置１は複列アンギュラ玉軸受に替えて複列円錐ころ軸受を構成していてもよい。

［車輪用軸受装置の製造方法］
次に、車輪用軸受装置１の製造方法について説明する。車輪用軸受装置１の製造方法は、各部材の製造工程と、各部材の組付け工程とを含んでいる。各部材の製造工程においては、外輪２と、ハブ輪３と、内輪４と、インナー側ボール列５と、アウター側ボール列６と、インナー側シール部材９と、アウター側シール部材１０とを各部材に適した材料及び製造方法を用いて製造する。

各部材の組付け工程においては、図２に示すように、ハブ輪３を、軸方向が垂直方向となり、アウター側端面３ｇが下方に位置する姿勢で、支持台１１に載置する。続いて、インナー側ボール列５、アウター側ボール列６及びアウター側シール部材１０が組み付けられた外輪２を、上方からハブ輪３に装着する。このとき、ハブ輪３と外輪２との間にはグリースが充填される。続いて、ハブ輪３の小径段部３ａに、内輪４を圧入する。続いて、内輪４が圧入されたハブ輪３と、外輪２とを相対的に回転させることにより、ハブ輪３と外輪２との間に充填されているグリースをインナー側ボール列５及びアウター側ボール列６のボール７になじませる。

次に、図３に示すように、ハブ輪３における小径段部３ａのインナー側端部を内輪４のインナー側端面４ｂに加締める。そして、図４に示すように、外輪２のインナー側開口部２ａにインナー側シール部材９を嵌合することにより、外輪２のインナー側端部と内輪４のインナー側端部との間にインナー側シール部材９を装着する。以上により、車輪用軸受装置１の組付け工程が完了する。

［ハブ輪の製造工程］
次に、ハブ輪３の製造工程について詳しく説明する。ハブ輪３の製造工程では、主として粉末冶金法を用いる。図５に示すように、ハブ輪３の製造工程は、工程順に、混合工程（Ｓ０１）、プレス成形工程（Ｓ０２）、焼結工程（Ｓ０３）、緻密化工程（Ｓ０４）、熱処理工程（Ｓ０５）、研削工程（Ｓ０６）を含んでいる。なお、緻密化工程（Ｓ０４）、熱処理工程（Ｓ０５）、研削工程（Ｓ０６）は必須の工程ではない。ハブ輪３の各製造工程について、以下に説明する。

（混合工程）
混合工程（Ｓ０１）は、ハブ輪３の原料紛を混合する工程である。図６に示すように、混合工程（Ｓ０１）においては、種々の金属粉末及び添加剤を所定の割合で配合し、混合機１２で均一に混合して原料紛１３を得る。

金属粉末としては、例えば純鉄粉を用いることで塑性変形しやすくすることができる。金属粉末は、例えば、鉄（Ｆｅ）粉末を主成分粉末とし、これに少なくとも０．５～２０ｍａｓｓ％のクロム（Ｃｒ）および３ｍａｓｓ％以下のモリブデン（Ｍｏ）を含む部分合金粉又は完全合金粉とすることができる。ここでは、１．５ｍａｓｓ％のクロムおよび０．２ｍａｓｓ％のモリブデンに加え、さらに０．３ｍａｓｓ％の炭素（Ｃ）を含み、残部を鉄とした完全合金粉とされる。

添加剤としては、例えば黒鉛を用いることで強度を向上させることができる。原料紛１３がプレス成形工程（Ｓ０２）で用いる金型へ凝着することを防止するために、固体潤滑剤を添加してもよい。添加剤として、銅、二硫化モリブデン、黒鉛等の固体潤滑剤や、成形を容易にするために金属系潤滑剤であるステアリン酸亜鉛や非金属系潤滑剤であるエチレンビスステアルアミド等の潤滑剤を混合してもよい。また、強度や焼入れ性などの機械的性質を向上させるために、各種粉末を添加してもよい。

（プレス成形工程）
プレス成形工程（Ｓ０２）は、混合工程（Ｓ０１）において調整された原料紛１３を金型でプレス成形する工程である。図６に示すように、プレス成形工程（Ｓ０２）においては、所定形状の金型１５を有するプレス機１４に原料紛１３を投入し、冷間プレス成形することで、圧紛体１６を得る。冷間プレス成形は、室温～２００℃程度の範囲で行われる。成形温度を上げることで原料紛１３が軟化し、固体潤滑剤が液化するために成形性が向上し、圧粉体１６の密度の向上や、プレス圧力の低下などの利点がある。プレス成形時の圧力は金型の耐久性などを考慮して４～１２ＭＰａの範囲とすることが好ましい。

（焼結工程）
焼結工程（Ｓ０３）は、プレス成形工程（Ｓ０２）において作製された圧紛体１６を固相接合（焼結）する工程である。図６に示すように、焼結工程（Ｓ０３）においては、圧紛体１６を焼結炉１７内へ送り、融点以下の温度のガス雰囲気中で加熱して焼結することで、金属焼結体１８を得る。焼結炉１７のガス雰囲気は不活性雰囲気又は還元雰囲気とする。これにより、金属粉末同士が一体化し、金属粉末間に存在する気孔が低減する。

（緻密化工程）
緻密化工程（Ｓ０４）は、焼結工程（Ｓ０３）において作製された金属焼結体１８を再圧縮して緻密化する工程である。図７に示すように、緻密化工程（Ｓ０４）においては、金属焼結体１８における内側軌道面３ｃと摺接面３ｄとを、バニシング加工又は転造加工によって緻密化処理する。

バニシング加工及び転造加工は、内側軌道面３ｃと摺接面３ｄとにそれぞれ半球状の側面を有する円柱状のローラ１９を回転させながら押し付け、押しならすことで滑らかな仕上げ面を得る加工である。図８に示すように、バニシング加工又は転造加工による緻密化工程（Ｓ０４）後のハブ輪２０によれば、緻密化された領域（緻密化領域）が形成され、内側軌道面３ｃと摺接面３ｄとの気孔存在量が限りなく０に近づくため、強度などの機械的性質が向上する。バニシング加工又は転造加工等の塑性加工により緻密化された領域（緻密化領域）は、その他の領域（塑性加工が施されていない領域）よりも多孔質組織が緻密化された緻密面に成形される。塑性加工面が緻密面に成形されれば、応力集中源となる気孔が少なくなり、それを起点としたクラックも発生し難くなることから、ハブ輪の信頼性や耐久寿命が向上する。

図９に示すように、緻密化工程（Ｓ０４）においては、金属焼結体１８全体を鍛造加工によって緻密化処理してもよい。鍛造加工は、金属焼結体１８における車輪取り付けフランジ３ｂからアウター側の部分を圧縮する金型２１と、金属焼結体１８における車輪取り付けフランジ３ｂよりもインナー側の部分を圧縮する金型２２とで金属焼結体１８全体を圧縮する加工である。図１０に示すように、鍛造加工による緻密化工程（Ｓ０４）後のハブ輪２３によれば、緻密化されたハブ輪２３全体の気孔存在量が限りなく０に近づくため、強度などの機械的性質が向上する。鍛造加工等の塑性加工により、他領域（塑性加工が施されていない領域）よりも多孔質組織が緻密化された緻密面に成形される。塑性加工面が緻密面に成形されれば、応力集中源となる気孔が少なくなり、それを起点としたクラックも発生し難くなることから、ハブ輪の信頼性や耐久寿命が向上する。

上述したバニシング加工又は転造加工による緻密化工程（Ｓ０４）と、鍛造加工による緻密化工程（Ｓ０４）とにおいて、緻密化される領域（緻密化領域）が少なくとも表面から最大せん断深さ（最大せん断応力の発生位置）までの領域であれば、気孔を起因とする剥離を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。換言すれば、ハブ輪３の内側軌道面３ｃ及び摺接面３ｄをバニシング加工又は転造加工、もしくはハブ輪３全体を転造加工によって緻密化領域を形成することで、加工を施した箇所の、表面から最大せん断深さまでの領域の相対密度が緻密化処理前の同じ領域（他の領域）の相対密度よりも高いことで、少なくとも内側軌道面３ｃ及び摺接面３ｄの耐久性を向上させることができる。

（熱処理工程）
熱処理工程（Ｓ０５）は、緻密化工程（Ｓ０４）において緻密化されたハブ輪２３を焼入れする工程である。熱処理工程（Ｓ０５））においては、ずぶ焼入れ、浸炭焼入れ、浸炭浸窒焼入れ、高周波焼入れなどの手法を用いてハブ輪２３を焼入れする。熱処理工程（Ｓ０５）後のハブ輪２３には焼入れ部が形成され、表面硬度及び強度が向上し、内側軌道面３ｃの転動疲労寿命が向上する。焼入れ部は、表面に表面硬化層が形成され、これにより、金属焼結体からなるハブ輪３に一層高い表面硬度を付与することができ、転がり軸受用の軌道面に必要とされるロックウェルＣスケール硬さ（ＨＲＣ）５８以上を確実に得ることができる。ずぶ焼入れや浸炭焼入れを採用することができる。

（研削工程）
研削工程（Ｓ０６）は、内側軌道面３ｃ及び摺接面３ｄに研削加工を施すことで表面処理する工程である。研削工程（Ｓ０６）後のハブ輪３によれば、内側軌道面３ｃ及び摺接面３ｄの平滑度が向上し、摺動抵抗を低下させることができる。

本実施形態の車輪用軸受装置１によれば、ハブ輪の製造工程に粉末冶金法によるプレス成形工程と焼結工程とを含むことにより、材料歩留りが高く、鍛造加工及び旋削加工の大部分を省略できるために低コストで大量生産ができる。また、本実施形態のハブ輪３は金属焼結体特有の気孔を有しているために、溶製材と比較して相対密度（溶製材の密度を１００％としたときの密度割合）が低くなり、軽量化することができる。

なお、本実施形態においては従動輪用の車輪用軸受装置１について説明したが、本製造方法は、駆動輪用の車輪用軸受装置にも適用することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、及び範囲内のすべての変更を含む。

１ 車輪用軸受装置
２ 外輪
２ｃ 外側軌道面
２ｄ 外側軌道面
３ ハブ輪
３ａ 小径段部
３ｃ 内側軌道面
４ 内輪
４ａ 内側軌道面
７ ボール（転動体）
９ アウター側シール部材（シール部材）
１８ 金属焼結体
Ｓ０２ プレス成形工程
Ｓ０３ 焼結工程
Ｓ０４ 緻密化工程
Ｓ０５ 熱処理工程

Claims (5)

1. 内周に複列の外側軌道面を有する外方部材と、
   外周に軸方向に延びる小径段部を有したハブ輪、及び前記ハブ輪の小径段部に圧入された内輪からなり、前記複列の外側軌道面に対向する複列の内側軌道面を有する内方部材と、
   前記外方部材と前記内方部材との両軌道面間に転動自在に収容された複列の転動体と、
   前記外方部材と前記内方部材とによって形成された環状空間のアウター側開口端に嵌合されるシール部材と、
   を備えた車輪用軸受装置であって、
   前記ハブ輪は、金属焼結体で形成され、塑性加工面を有する車輪用軸受装置。
2. 前記ハブ輪は、前記内側軌道面及び前記ハブ輪における前記シール部材が摺接する摺接面の少なくとも一部が、塑性加工面であり、当加工面に緻密化領域を有することを特徴とする請求項１に記載の車輪用軸受装置。
3. 前記ハブ輪は、塑性加工面がバニシング加工面もしくは転造加工面であって、当加工面に緻密化領域を有すると共に、焼入れ部を有することを特徴とする請求項１に記載の車輪用軸受装置。
4. 前記ハブ輪は、ハブ輪の表面の全体が、鍛造加工面を有し、当加工面に緻密化領域と共に、焼入れ部を有することを特徴とする請求項１に記載の車輪用軸受装置。
5. 前記ハブ輪の緻密化領域において、ハブ輪の表面から最大せん断深さまでの当該領域の相対密度が、他の領域よりも高いことを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の車輪用軸受装置。

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