JP2022128219A - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく軌道面への圧痕発生を抑制することで、信頼性を向上させた車輪用軸受装置を提供する。【解決手段】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、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、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た複数の転動体を有する複列の転動列とを備える。少なくとも一つの転動列において、転動体は中空ボール７１及び中実ボール７２で構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は車輪用軸受装置に関する。

通常、複列アンギュラ玉軸受を構成する車輪用軸受装置においては、局部的に荷重を受ける転動体の強度を確保するため、転動体の弾性疲労限が軌道面の弾性疲労限よりも高くなるように、転動体の硬度は軌道面より高く設定されている。そのため、車両の急旋回や縁石への乗り上げ等の過大荷重の入力により、転動体が軌道面の肩に乗り上げ、接触楕円の領域が軌道面からはみ出し、接触面圧が急激に上昇する応力スパイクが生じ、軌道面の肩に圧痕が付く可能性がある。圧痕は異音の原因になり、応力集中による軌道面の早期剥離に繋がるため、車輪用軸受装置の信頼性が低下する。

この対策として、例えば特許文献１には、軌道面の肩高さを高くする技術が開示されている。これにより、転動体が軌道面の肩に乗り上がることを抑制している。

特開２０１５―２２４６５５号公報

しかしながら、車両の高出力化や大型化をはじめ、タイヤのロープロファイル化に加え、セルフスタンドの一般化による管理不足でタイヤ空気圧低下状態での走行が増える等、縁石への乗り上げ等の不測の事態だけでなく車両の通常走行においても、タイヤの撓み量だけでは、路面からのホイールへの衝撃荷重を吸収できない機会が増えている。この場合、ホイールから軸受装置へ想定以上の過大荷重が直接的に作用する。過大荷重が作用して軌道面の弾性限度を超えた場合、軌道面に圧痕が生じ、異音の発生や圧痕に伴う軌道面の早期剥離による軸受装置の故障に繋がる可能性がある。

そこで、過大荷重による軌道面への圧痕発生を抑制するには、軸受装置自体を過大荷重に応じたサイズに大型化する方法が考えられるが、昨今の車両の軽量化、低燃費化の流れに逆行することになり、車両側のレイアウトの制約から採用することは困難である。

本発明は、大型化することなく軌道面への圧痕発生を抑制することで、信頼性を向上させた車輪用軸受装置を提供することを目的とする。

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、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数の転動体を有する複列の転動列と、を備え、少なくとも一つの前記転動列において、前記転動体は中空ボール及び中実ボールで構成されていることを特徴とする。

また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、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数の転動体を有する複列の転動列と、を備え、少なくとも一つの前記転動列において、前記転動体は中空ボールで構成されてい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転動体に、中実ボールに対し、表面硬度を同じくした上で、見かけ上のヤング率を減じることが可能な中空ボールを用いることにより、大型化することなく軌道面への圧痕発生を効果的に抑制することで、信頼性を向上させることができる。

一実施形態の車輪用軸受装置の断面図である。 インナー側ボール列におけるボールの断面図である。 中空ボール及び中実ボールのサイズを説明する図であり、（ａ）は中空ボールの断面図、（ｂ）は中実ボールの断面図である。 他の例のインナー側ボール列におけるボールの断面図である。

［車輪用軸受装置の全体構成］
図１を用いて、車輪用軸受装置１の全体構成について説明する。なお、以下の説明において、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。軸方向とは、車輪用軸受装置１の回転軸Ａに沿った方向を表す。

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とを備えている。

外輪２は、ハブ輪３と内輪４とを支持している。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とが周方向に形成されている。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が形成されている。

ハブ輪３は、図示しない車両の車輪及びブレーキロータ（あるいは、ブレーキドラム）を回転自在に支持する。ハブ輪３の外周面におけるインナー側端部には、軸方向に延びる縮径された小径段部３ａが設けられている。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が形成されている。

ハブ輪３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。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のリップが摺接するシールランド３ｄが形成されている。

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、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。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、内側軌道面４ａが形成されている。つまり、ハブ輪３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。内側軌道面４ａは、外輪２のインナー側の外側軌道面２ｃと対向している。内輪４のインナー側端部における外周面には、インナー側シール部材９が嵌合可能な嵌合面４ｂが形成されている。

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。

インナー側シール部材９及びアウター側シール部材１０は、外方部材と内方部材とによって形成された環状空間Ｓの開口端を塞ぐシール部材である。インナー側シール部材９は、環状空間Ｓのうち外輪２と内輪４との間に形成されたインナー側開口端に装着されている。一方、アウター側シール部材１０は、環状空間Ｓのうち外輪２とハブ輪３との間に形成されたアウター側開口端に装着されている。

［転動体］
図２は、インナー側ボール列５におけるボール７の断面図である。インナー側ボール列５において、ボール７は中空ボール７１及び中実ボール７２で構成されている。

中空ボール７１及び中実ボール７２は、軸受用鋼で構成されている。軸受用鋼は、例えば、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼で構成され、ズブ焼入れにより６２～６７ＨＲＣの範囲で硬化処理されている。なお、中空ボール７１及び中実ボール７２は、セラミックス製でもよいが、鋼製とする方がセラミックス製よりも安価である。中空ボール７１の製造方法には特に限定はなく、例えば、特開２０１１―５８０６５号公報に記載の製造方法などを用い、高炭素クロム軸受鋼のズブ焼入れではなく、浸炭処理を施したものを用いることもできる。

中空ボール７１及び中実ボール７２が同材料で構成される場合、中空ボール７１は中実ボール７２に対し、表面硬度を同じくした上で、見かけ上のヤング率が小さくなる。すなわち、中空ボール７１及び中実ボール７２が外方部材と内方部材との両軌道面間に配置された状態では、中空ボール７１が中実ボール７２よりも弾性変形しやすく、軌道面との接触楕円が大きくなる。したがって、従来のようにインナー側ボール列５の全てのボール７を中実ボール７２で構成する場合よりも、中空ボール７１を用いた分だけ外側軌道面２ｃ及び内側軌道面４ａとの接触面圧が低くなり、ボール７の外径を大きくした場合と同等の効果、つまり車輪用軸受装置１の長寿命化を図ることができる。

そして、過大荷重が作用した場合でも、中実ボール７２よりも撓みやすい中空ボール７１を用いることにより、外側軌道面２ｃ及び内側軌道面４ａに弾性限度を超えた面圧が作用することを抑制できる。よって、外側軌道面２ｃ及び内側軌道面４ａへの圧痕の発生を抑制することができる。その結果、異音の発生や圧痕に伴う軌道面の早期剥離による車輪用軸受装置１の故障を抑制することができ、車輪用軸受装置１の信頼性が向上する。

図３は中空ボール７１及び中実ボール７２のサイズを説明する図であり、（ａ）は中空ボール７１の断面図、（ｂ）は中実ボール７２の断面図である。予圧荷重を掛けたときに中空ボール７１及び中実ボール７２に均等に荷重が掛かるようにするため、従来のボールの外径と同じ範囲内で、中空ボール７１の外径Ｄ１を中実ボール７２の外径Ｄ３よりも大きくしている。また、過大荷重が作用した場合には、外径の大きな中空ボール７１が先に荷重を受けるため、中空ボール７１が緩衝材のような役割を果たし、圧痕が抑制されやすい。

具体的には、中空ボール７１の外径Ｄ１及び中実ボール７２の外径Ｄ３が５～１５ｍｍのとき、中空ボール７１の外径Ｄ１は、中実ボール７２の外径Ｄ３よりも１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲で大きいことが好ましい。中空ボール７１の外径Ｄ１が中実ボール７２の外径Ｄ３よりも１０μｍ未満だけ大きい場合には、中空ボール７１の外径Ｄ１を中実ボール７２の外径Ｄ３より大きくする効果が小さい。一方、中空ボール７１の外径Ｄ１が中実ボール７２の外径Ｄ３よりも３０μｍを超えて大きい場合には、中空ボール７１の軌道面との接触楕円が大きくなり、スピン滑りの増加等により、回転トルクが増大し好ましくない。

本実施形態のインナー側ボール列５において、ボール７は１４個配置されており、中空ボール７１と中実ボール７２とが交互に７個ずつ配置されている。なお、ボール７の数には特に限定はない。インナー側ボール列５において、中空ボール７１の割合は３０％以上７０％以下であることが好ましい。中空ボール７１の割合が３０％未満の場合は、中空ボール７１を用いる効果が小さい。一方、中空ボール７１の割合が７０％以上の場合は、中空ボール７１の軌道面との接触楕円が大きくなり、スピン滑りの増加等により、回転トルクが増大し好ましくない。したがって、中空ボール７１の割合が７０％以上の場合は、中空ボール７１の内径Ｄ２を小さくしたり、ヤング率の大きな材料を用いたりすることで中空ボール７１の撓み量を調整する必要がある。

図４に示すように、インナー側ボール列５において、ボール７は全て中空ボール７１で構成されていてもよい。この場合、外径Ｄ１及び内径Ｄ２が異なる複数種の中空ボール７１を混載してもよい。

また、中空ボール７１を用いることにより、車輪用軸受装置１の重量を低減することができる。例えば、Ｄ１／Ｄ２＝１．２８とすると、中空ボール７１の重量は中実ボール７２の重量の約半分になる。車輪用軸受装置１の重量が低減されると、車両の燃費が向上するとともに、いわゆるバネ下重量が低減されることにより操縦安定性が向上する。

アウター側ボール列６におけるボール７の構成は、インナー側ボール列５におけるボール７の構成と同様であるため、説明を省略する。インナー側ボール列５とアウター側ボール列６とは、ボール７の数、ボール７の材料、ピッチ円直径、中空ボール７１の外径Ｄ１、中空ボール７１の内径Ｄ２、中実ボール７２の外径Ｄ３、中空ボール７１の割合などが異なっていてもよい。また、インナー側ボール列５又はアウター側ボール列６の少なくとも一方が、中空ボール７１を含んだ構成であればよい。

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、本発明は、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、本実施形態の車輪用軸受装置１は、ハブ輪３の外周に転動体の内側軌道面３ｃが直接形成されている内輪回転の第３世代構造の車輪用軸受装置として説明したがこれに限定されるものではなく、例えば、ハブ輪に一対の内輪が圧入固定された内輪回転の第２世代構造であってもよい。また、外輪回転の第３世代構造又は第２世代構造であってもよい。また、外輪及び内輪で構成される第１世代構造であってもよい。上記の実施形態は、本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 車輪用軸受装置
２ 外輪（外方部材）
２ｃ、２ｄ 外側軌道面
３ ハブ輪（内方部材）
３ｃ、４ａ 内側軌道面
４ 内輪（内方部材）
５ インナー側ボール列（転動列）
６ アウター側ボール列（転動列）
７ ボール（転動体）
７１ 中空ボール
７２ 中実ボール

Claims (6)

1. 内周に複列の外側軌道面を有する外方部材と、
   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数の転動体を有する複列の転動列と、を備え、
   少なくとも一つの前記転動列において、前記転動体は中空ボール及び中実ボールで構成されていることを特徴とする車輪用軸受装置。
2. 前記中空ボール及び前記中実ボールで構成された転動列において、前記中空ボールの割合が、３０％以上７０％以下であ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. 前記中空ボール及び前記中実ボールで構成された転動列において、前記中空ボールの外径は、前記中実ボールの外径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車輪用軸受装置。
4. 前記中空ボール及び前記中実ボールで構成された転動列において、前記中空ボールの外径は、前記中実ボールの外径よりも１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲で大きいことを特徴とする請求項３に記載の車輪用軸受装置。
5. 内周に複列の外側軌道面を有する外方部材と、
   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数の転動体を有する複列の転動列と、を備え、
   少なくとも一つの前記転動列において、前記転動体は中空ボールのみで構成されていることを特徴とする車輪用軸受装置。
6. 前記転動体は、軸受用鋼で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の車輪用軸受装置。

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