JP3989168B2 - 車輪軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車輪軸受装置に関し、詳しくは、駆動車輪または従動車輪を車体に回転自在に支持する車輪軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の車輪軸受装置には、従動輪用と駆動輪用とがあり、それぞれの用途に応じて種々の形式のものが提案されている。例えば、図４は駆動輪用の車輪軸受装置で、内方部材であるハブ輪１および内輪２、複列の転動体３，４、外方部材である外輪５、等速自在継手６を主要な構成要素としている。
【０００３】
前記ハブ輪１は、その外周面にアウトボード側の軌道面７が形成されると共に、車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ９を備えている。この車輪取付フランジ９の円周方向等間隔に、ホイールディスクを固定するためのハブボルト１０が植設されている。また、車輪取付フランジ９にはブレーキロータ１１が取り付けられている。このハブ輪１の外周面に形成された小径段部１２に内輪２を嵌合させ、この内輪２の外周面にインボード側の軌道面８が形成されている。
【０００４】
内輪２は、クリープを防ぐために適当な締め代をもって圧入されている。ハブ輪１の外周面に形成されたアウトボード側の軌道面７と、内輪２の外周面に形成されたインボード側の軌道面８とで複列の軌道面を構成する。この内輪２をハブ輪１の小径段部１２に圧入し、ハブ輪１のインボード側軸方向から挿入される等速自在継手６の継手外輪１５をハブ輪１に締着することにより、その継手外輪１５の肩部１６により内輪２の抜け止めと予圧の付与を行っている。
【０００５】
外輪５は、内周面に前記ハブ輪１および内輪２の軌道面７，８と対向する軌道面１３，１４が形成され、車体（図示せず）に取り付けるための車体取付フランジ１７を備えている。この車体取付フランジ１７は、車体の懸架装置（図示せず）から延びるナックル１８にナックルボルト１９で固定されている。
【０００６】
軸受部２０は、複列のアンギュラ玉軸受構造で、ハブ輪１および内輪２の外周面に形成された軌道面７，８と外輪５の内周面に形成された軌道面１３，１４との間に転動体３，４を介在させ、各列の転動体３，４を保持器２１，２２により円周方向等間隔に支持した構造を有する。軸受部２０の両端開口部には、内輪２の外径に圧入嵌合されたスリンガ３９に摺接するシールリップを備え、外輪５とハブ輪１および内輪２との環状空間を密封する一対のシール２３，２４が外輪５の端部内径に嵌合され、内部に充填されたグリースの漏洩ならびに外部からの水や異物の侵入を防止するようになっている。
【０００７】
等速自在継手６は、ドライブシャフト（図示せず）の一端に設けられ、内周面にトラック溝が形成された継手外輪１５と、その継手外輪１５のトラック溝と対向するトラック溝が外周面に形成された継手内輪（図示せず）と、前記継手外輪１５のトラック溝と継手内輪のトラック溝との間に組み込まれたボール（図示せず）とからなる。
【０００８】
前記継手外輪１５は、継手内輪およびボールを収容したマウス部２５と、そのマウス部２５から軸方向に一体的に延び、外周面にセレーション部２６が形成されたステム部２７を有する。このステム部２７をハブ輪１の貫通孔に挿入し、前記ステム部２７の外周面および貫通孔の内周面に形成されたセレーション部２６，２８により両者を嵌合させ、その軸端に形成された雄ねじ部２９にナット３０を締め付けることによって、等速自在継手６をハブ輪１に固定している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来の車輪軸受装置では、ブレーキロータ１１およびホイールディスクの支持部材であるハブ輪１には、通常、鍛造の容易性、冷間加工性、切削性あるいは経済性の面から、機械構造用の中炭素鋼（例えばＳ５３Ｃ等）が未熱処理のまま用いられている。
【００１０】
この種の車輪軸受装置の小型、軽量化を図ることは、自動車の走行安定性の向上に大きく寄与するため、ハブ輪１の車輪取付フランジ９のリブ化や薄肉化を進めることで、ハブ輪自体の機械的強度が素材である機械構造用中炭素鋼の疲労限に近づきつつあり、これ以上の軽量化が難しくなりつつある。特に、図４に示すタイプの車輪軸受装置では、軽量化のため、ハブ輪１の車輪取付フランジ９を薄肉化する場合、そのアウトボード側付け根部、つまり、ブレーキロータ取付面３１から円筒状のパイロット部３２に延びる隅部３３に、回転曲げの応力が集中して破損の起点となる可能性が高い。
【００１１】
なお、車輪取付フランジ９のインボード側付け根部については、シール２３のシールリップが摺接するシールランド部となっていることから、そのシールランド部の曲率半径が大きく、かつ、耐摩耗性を持たせる目的で焼入れ焼戻し処理が施され、すなわち、未処理の隅部に対して高強度であるため、回転曲げ応力による破損の起点となる可能性は少ない。
【００１２】
これを解消する手段としては、車輪取付フランジ９を厚肉にすることが考えられるが、軽量化に逆行する。また、車輪取付フランジ９の付け根部（隅部３３）の寸法、つまり曲率半径を大きくすることによって発生応力を緩和させることも考えられるが、その車輪取付フランジ９に取り付けられるブレーキロータ１１との干渉が問題となるために限界がある。
【００１３】
また、素材のハイカーボン化や強化元素のＳｉ（珪素）やＶ（バナジウム）等の添加、あるいは、焼準処理などの調質を行うことにより組織を高強度化することができるが、その反面、素材硬度の上昇により加工性が低下するため、従来からの加工方法や既存設備の使用が困難になると共に、多量の強化元素の添加は、素材のコストアップを招来する。
【００１４】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、車輪取付フランジの形状・寸法を変更することなく、また、素材のハイカーボン化や強化元素の添加を行うことなく、軽量化を図りつつ、ハブ輪の強度アップを図り得る車輪軸受装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、請求項１に係る発明は、複列の軌道面を内周面に形成した外方部材と、その外方部材の軌道面と対向する軌道面を外周面に形成した内方部材と、前記外方部材と内方部材のそれぞれの軌道面間に介装された複列の転動体とからなる車輪軸受装置において、前記内方部材は、その外周面に車輪取付フランジを有し、かつ、前記複列の軌道面のうち、アウトボード側の軌道面と、インボード側の軌道面が形成された内輪を圧入した小径段部とを有し、車輪取付フランジのブレーキロータ取付面から円筒状のパイロット部に延びる隅部に表面硬化層を形成し、その表面硬化層と離隔して、シールランド部から軌道面を経て小径段部に及ぶ領域に表面硬化層を形成したことを特徴とする。なお、表面硬化層は、高周波焼き入れで形成することが望ましい（請求項５）。
【００１６】
請求項１の発明のように表面硬化層を形成したことにより、車輪取付フランジの形状・寸法を変更することなく、また、素材のハイカーボン化や強化元素の添加などの素材の改良を行うことなく、現行の加工方法や既存設備のままで、回転曲げ疲労の最弱部であるアウトボード側付け根部を高強度化することが容易となる。
【００１７】
請求項２の発明は、前記表面硬化層の表面硬さがＨＲＣ４０〜６３、好ましくはＨＲＣ５８〜６３で、その深さを０．３〜２ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍの範囲としたことを特徴とする。
【００１８】
この請求項２の発明のように表面硬化層の表面硬さをＨＲＣ４０〜６３、好ましくはＨＲＣ５８〜６３とすれば、回転曲げ疲労が基本的に硬さに依存することから、前記範囲であれば、回転曲げ疲労による破損を防止する効果を十分に発揮する。ここで、回転曲げ疲労による破損を防止することは、素材表面に発生する亀裂を抑制することであり、この回転曲げによる発生応力は、表面で最大となり、内部に向かって減衰する。従って、表面硬化層の深さは、それほど深くする必要はなく、０．３〜２ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍの範囲であればよい。
【００１９】
請求項３に記載したように前記内方部材は、Ｃが０．５〜０．８ｗｔ％の炭素鋼からなることが望ましい。Ｃが０．５〜０．８ｗｔ％の炭素鋼であれば、軸受用高炭素クロム鋼であるＳＵＪ２（Ｃ：０．９５〜１．１０ｗｔ％）よりも炭素量が少ない分、加工性が向上する。
【００２２】
請求項４に記載したように前記内方部材の内周面にセレーション部を形成し、そのセレーション部に表面硬化層を形成することが望ましい。このようにセレーション部に表面硬化層を形成すれば、耐摩耗性が向上し、その強度アップが図れ、さらに、この強度アップによるセレーションの有効長さを短くすることができる。 ここで、セレーション部というときはセレーション部またはスプライン部を意味するものとする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る車輪軸受装置の実施形態を以下に詳述する。なお、図４と同一部分には同一参照符号を付す。
【００２４】
図１に示す実施形態の車輪軸受装置は、例えば駆動輪用のもので、内方部材であるハブ輪１および内輪２、複列の転動体３，４、外方部材である外輪５、等速自在継手６を主要な構成要素とする。
【００２５】
前記ハブ輪１は、その外周面にアウトボード側の軌道面７が形成されると共に、車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ９を備えている。この車輪取付フランジ９の円周方向等間隔に、ホイールディスクを固定するためのハブボルト１０が植設されている。また、車輪取付フランジ９にはブレーキロータ１１が取り付けられる。このハブ輪１の外周面に形成された小径段部１２に内輪２を嵌合させ、この内輪２の外周面にインボード側の軌道面８が形成されている。
【００２６】
内輪２は、クリープを防ぐために適当な締め代をもって圧入されている。ハブ輪１の外周面に形成されたアウトボード側の軌道面７と、内輪２の外周面に形成されたインボード側の軌道面８とで複列の軌道面を構成する。この内輪２をハブ輪１の小径段部１２に圧入し、ハブ輪１のインボード側軸方向から挿入される等速自在継手６の継手外輪１５をハブ輪１に締着することにより、その継手外輪１５の肩部１６により内輪２の抜け止めと予圧の付与を行っている。
【００２７】
外輪５は、内周面に前記ハブ輪１および内輪２の軌道面７，８と対向する軌道面１３，１４が形成され、車体（図示せず）に取り付けるための車体取付フランジ１７を備えている。この車体取付フランジ１７は、車体の懸架装置（図示せず）から延びるナックル１８にナックルボルト１９で固定されている。
【００２８】
軸受部２０は、複列のアンギュラ玉軸受構造で、ハブ輪１および内輪２の外周面に形成された軌道面７，８と外輪５の内周面に形成された軌道面１３，１４との間に転動体３，４を介在させ、各列の転動体３，４を保持器２１，２２により円周方向等間隔に支持した構造を有する。ここでは、転動体３，４としてボールを使用した場合を例示してあるが、重量の嵩む自動車用の車輪軸受装置の場合には、円すいころを使用することも可能である。
【００２９】
軸受部２０の両端開口部には、内輪２の外径に圧入嵌合されたスリンガ３９に摺接するシールリップを備え、外輪５とハブ輪１および内輪２との環状空間を密封する一対のシール２３，２４が外輪５の端部内径に嵌合され、内部に充填されたグリースの漏洩ならびに外部からの水や異物の侵入を防止するようになっている。
【００３０】
等速自在継手６は、ドライブシャフト（図示せず）の一端に設けられ、内周面にトラック溝が形成された継手外輪１５と、その継手外輪１５のトラック溝と対向するトラック溝が外周面に形成された継手内輪（図示せず）と、前記継手外輪１５のトラック溝と継手内輪のトラック溝との間に組み込まれたボール（図示せず）とからなる。
【００３１】
前記継手外輪１５は、継手内輪およびボールを収容したマウス部２５と、そのマウス部２５から軸方向に一体的に延び、外周面にセレーション部２６が形成されたステム部２７を有する。このステム部２７をハブ輪１の貫通孔に挿入し、前記ステム部２７の外周面および貫通孔の内周面に形成されたセレーション部２８により両者を嵌合させ、その軸端に形成された雄ねじ部２９にナット３０を締め付けることによって、等速自在継手６をハブ輪１に固定している。
【００３２】
この実施形態の車輪軸受装置において、車輪取付フランジ９のアウトボード側付け根部、つまり、ブレーキロータ取付面３１から円筒状のパイロット部３２に延びる隅部３３に表面硬化層３４を例えば高周波焼き入れにより形成する。このように表面硬化層３４を形成したことにより、車輪取付フランジ９の形状・寸法を変更することなく、また、素材のハイカーボン化や強化元素の添加などの素材の改良を行うことなく、現行の加工方法や既存設備のままで、回転曲げ疲労の最弱部であるアウトボード側付け根部を高強度化することが容易となる。
【００３３】
車輪取付フランジ９の隅部３３に形成された表面硬化層３４は、その表面硬さをＨＲＣ４０〜６３、好ましくはＨＲＣ５８〜６３の範囲とし、その深さを０．３〜２ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍの範囲とする。
【００３４】
このように表面硬化層３４の表面硬さをＨＲＣ４０〜６３、好ましくはＨＲＣ５８〜６３とすれば、回転曲げ疲労が基本的に硬さに依存することから、前記範囲であれば、回転曲げ疲労による破損を防止する効果を十分に発揮する。なお、表面硬さがＨＲＣ４０より小さいと、回転曲げ疲労に対して所望の強度が得られない。
【００３５】
ここで、回転曲げ疲労による破損を防止することは、素材表面に発生する亀裂を抑制することであり、この回転曲げによる発生応力は、表面で最大となり、内部に向かって減衰する。従って、表面硬化層３４の深さは、それほど深くする必要はなく、０．３〜２ｍｍ、好ましくは０．５〜２ｍｍの範囲であればよい。つまり、深さが０．５ｍｍより小さいと、回転曲げ疲労に対して所望の強度が得られず、逆に、２ｍｍより大きくしても、回転曲げによる発生応力が減衰しているので深くする必要性がない。
【００３６】
ハブ輪１および内輪２は、Ｃが０．５〜０．８ｗｔ％の炭素鋼からなる。Ｃが０．５〜０．８ｗｔ％の炭素鋼であれば、軸受用高炭素クロム鋼であるＳＵＪ２（Ｃ：０．９５〜１．１０ｗｔ％）よりも炭素量が少ない分、加工性が向上する。Ｃは、強度、耐摩耗性および転動疲労寿命を向上させる上で、０．５ｗｔ％以上必要であり、０．８ｗｔ％より多くなると、加工性、被削性および靭性が低下する点でこれを上限とする。
【００３７】
また、図１の実施形態において、外輪５のアウトボード側端部に装着されたシール２３のシールリップが摺接するハブ輪１の外周面、つまり、シールランド部から軌道面７を経て小径段部１２に及ぶ領域に表面硬化層３５を形成する。
【００３８】
この表面硬化層３５の各部をａ〜ｄで示すと、ａ部はシール２３のシールリップが摺接するシールランド部であるため、耐摩耗性が要求される。また、このシールランド部に表面硬化層３５を形成すれば、車輪取付フランジ９の強度アップがより一層実現できる。ｂ部は転動体３が転動する軌道面７であるため、耐寿命性が要求される。ｃ部は内輪２と当接する部分であり、ｄ部は内輪２またはハブ輪１と嵌合する部分であるため、耐クリープ性、耐フレッティング性が要求される。
【００３９】
また、図２に示すようにハブ輪１の内周面に形成されたセレーション部２８に表面硬化層３６を設けている。このようにセレーション部２８に表面硬化層３６を形成すれば、耐摩耗性が向上し、その強度アップが図れ、さらに、この強度アップによるセレーション部２８の有効長さを短くすることができる。ここで、セレーション部２８に代えてスプライン部を採用することが可能であるため、セレーション部２８というときはセレーション部またはスプライン部を意味するものとする。
【００４０】
図３は、本発明に係る車輪軸受装置の参考例を示す。なお、図１と同一または相当部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。また、図３では、ブレーキロータ１１およびナックル１８（図１参照）を図示していない。同図に示す実施形態の車輪軸受装置は、アウトボード側の軌道面７をハブ輪１に直接的に形成した図１の実施形態と異なり、インボード側の軌道面８と同様、ハブ輪１の小径段部１２に内輪２’を圧入し、その別体の内輪２’の外周面にアウトボード側の軌道面７を形成した構造を具備する。
【００４１】
この実施形態の車輪軸受装置においては、車輪取付フランジ９のアウトボード側付け根部である隅部３３だけでなく、前記車輪取付フランジ９のインボード側付け根部、つまり隅部３８の付近にも表面硬化層３７を形成している。このように車輪取付フランジ９の付け根部の両側、つまり、隅部３３，３８に表面硬化層３４，３７を形成すれば、車輪取付フランジ９の強度アップがより一層実現される。
【００４２】
前記表面硬化層３４〜３７を形成するための熱処理は、高周波焼き入れが適している。表面硬化処理としての高周波熱処理は、誘導加熱の特色を有効に生かして表面硬化層３４〜３７を自由に選定し、耐摩耗性を与えたり疲れ強さを改善することができる。誘導加熱は、電磁誘導現象を利用して金属内で電気エネルギーを直接熱エネルギーに変えて発熱させる方法で、これを利用した高周波熱処理には多くの特徴がある。特に、局部加熱ができ、硬化層深さの選定が自由であり、また硬化層以外には著しく熱影響を与えないように制御できるので、母材の性能を保持できる。
【００４３】
なお、図１に示す実施形態では、等速自在継手６の継手外輪１５をハブ輪１にナット３０により締着した場合について説明したが、本発明はこれに限定することなく、継手外輪１５のステム部２７の端部をハブ輪１に加締めることにより継手外輪１５をハブ輪１に固定した構造でもよい。また、本発明は駆動輪用の車輪軸受装置に限らず、従動輪用の車輪軸受装置についても適用可能であり、車輪取付フランジが外方部材である外輪に設けられている外輪回転方式の場合には、その外輪における車輪取付フランジの付け根部に表面硬化層を形成することになる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、前記内方部材は、その外周面に車輪取付フランジを有し、かつ、前記複列の軌道面のうち、アウトボード側の軌道面と、インボード側の軌道面が形成された内輪を圧入した小径段部とを有し、車輪取付フランジのブレーキロータ取付面から円筒状のパイロット部に延びる隅部に表面硬化層を形成し、その表面硬化層と離隔して、シールランド部から軌道面を経て小径段部に及ぶ領域に表面硬化層を形成したことにより、車輪取付フランジの形状・寸法を変更することなく、また、素材のハイカーボン化や強化元素の添加などの素材の改良を行うことなく、現行の加工方法や既存設備のままで、回転曲げ疲労の最弱部であるアウトボード側付け根部を高強度化することが容易となり、回転曲げ疲労に対する強度アップが図れる。その結果、車輪取付フランジのリブ化や薄肉化を実現することができ、車輪軸受装置の小型、軽量化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を説明するもので、駆動輪用の車輪軸受装置の構造例を示す断面図である。
【図２】 図１のハブ輪を示す部分拡大断面図である。
【図３】 本発明の参考例を示す断面図である。
【図４】 従来の車輪軸受装置で、駆動輪用の車輪軸受装置の構造例を示す断面図である。

Claims (5)

1. 複列の軌道面１３，１４を内周面に形成した外方部材５と、その外方部材５の軌道面１３，１４と対向する軌道面７，８を外周面に形成した内方部材１，２と、前記外方部材５と内方部材１，２のそれぞれの軌道面間に介装された複列の転動体３，４とからなる車輪軸受装置において、
   前記内方部材１は、その外周面に車輪取付フランジ９を有し、かつ、前記複列の軌道面７，８のうち、アウトボード側の軌道面７と、インボード側の軌道面８が形成された内輪２を圧入した小径段部１２とを有し、車輪取付フランジ９のブレーキロータ取付面３１から円筒状のパイロット部３２に延びる隅部３３に表面硬化層３４を形成し、その表面硬化層３４と離隔して、シールランド部から軌道面７を経て小径段部１２に及ぶ領域に表面硬化層３５を形成したことを特徴とする車輪軸受装置。
2. 前記表面硬化層３４の表面硬さがＨＲＣ４０〜６３で、その深さを０．３〜２ｍｍの範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の車輪軸受装置。
3. 前記内方部材１，２は、Ｃが０．５〜０．８ｗｔ％の炭素鋼からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の車輪軸受装置。
4. 前記内方部材１の内周面にセレーション部２８を形成し、そのセレーション部２８に表面硬化層３６を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車輪軸受装置。
5. 前記表面硬化層３４〜３７を高周波焼き入れにより形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車輪軸受装置。

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