JP4063985B2 - Wheel bearing device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車輪を円錐ころ軸受で車軸に支持する車輪用軸受装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
円錐ころ軸受は、ラジアル荷重とアキシャル荷重、およびそれらの合成荷重を負荷するのに適した軸受で、負荷容量も大きいため、自動車等の車輪支持用に多く用いられている。
【0003】
図3は、トラックの従動輪用軸受装置の例を示す。この車輪用軸受装置は、車軸21に複列円錐ころ軸受22の内輪23が嵌合され、外輪24の一端に設けられた外向きのフランジ25に、ハブ26とブレーキロータ27がボルト28で固定されている。内輪23はナット29で抜け留めされ、ハブ26にはホイール取り付け用のボルト30が装着されている。
【0004】
前記外輪24の内径側には2列の軌道面31が形成され、これらの各軌道面31に対向して、対称配置された一対の内輪23に、それぞれ1列ずつの軌道面32が形成されている。これらの対向する各軌道面31、32の間に複数の円錐ころ33が2列に配列され、各円錐ころ33は、その大端面34を一対の内輪23の両端部に設けられた大鍔35に当接させて転動する。したがって、外輪24に固定されたハブ26とブレーキロータ27は、車軸21に対して回転自在に支持される。
【0005】
前記円錐ころ33が2列に配列された環状空間の、車軸21中央側のインナ側端部には接触式のゴム製シール36が装着され、車軸21端のアウタ側は、前記ナット29が取り付けられた車軸21端とともにキャップ37で覆われており、軸受内の潤滑用グリースの飛散と、外部からのダストや水の侵入が防止されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような車輪用軸受装置の軸受部は、定期的にグリースアップされてメインテナンスされている。近年、自動車等の車両の馬力や積載能力が大きくなり、これに伴って、車輪用軸受装置も高荷重と、高速走行での温度上昇に耐えられることが要求されている。さらに、長期間メインテナンスフリーであることへの要求も高まりつつある。車輪用軸受装置の軸受部は、高荷重、高温下では封入グリースの劣化が早いため、耐熱性に優れた長寿命グリースの開発が望まれる一方、軸受部材の高荷重、高温下での長寿命確保が求められている。
【0007】
前述したように、円錐ころ軸受では、円錐ころの大端面が内輪の大鍔面に当接されて転動するので、この大端面と大鍔面の摺動部で発熱し、負荷荷重が高いほど大端面と大鍔面間の接触圧力が高くなるため、この発熱量は大きくなる。
【0008】
そこで、この発明の課題は、高荷重、高温下でも長寿命を確保できる車輪用軸受装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、車輪が円錐ころ軸受により車軸に回転自在に支持された車輪用軸受装置であって、前記円錐ころ軸受が、内径側に軌道面が形成された外輪と、この軌道面に対向して外径側に軌道面が形成された内輪と、これらの対向する軌道面の間に配列された複数の円錐ころとを備えたものにおいて、少なくとも前記内輪と円錐ころの表面に、炭素含有量0.80重量%以上で、かつロックウェル硬さHRC58以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を25〜35体積%とした構成を採用したのである。
【0010】
前記内輪および円錐ころの表面に浸炭窒化層を形成したのは次の理由による。通常の浸炭焼入れにより得られる浸炭層の残留オーステナイトは、高い靱性と加工硬化特性を有し、これを適度に含ませることにより、浸炭層の硬度を確保した上で、亀裂の発生や進展を抑える働きをするが、熱に対して不安定な難点がある。これに対して、適切な条件で浸窒処理を施すと、窒素原子が残留オーステナイト中に固溶し、残留オーステナイトを熱に対して安定化する役割をする。この浸窒処理で得られた浸炭窒化層には、通常の浸炭層よりも大きな圧縮の残留応力が形成されるため、疲労強度をさらに高めることもできる。
【0011】
前記浸炭窒化層を炭素含有量0.80重量%以上で、かつロックウェル硬さHRC58以上としたのは、前記円錐ころの大端面と内輪の大鍔面の摺動部での摩耗を低減するためであり、残留オーステナイト量を25〜35体積%としたのは、浸炭窒化層に適度の靱性を付与し、前記摺動部等から生じてグリースに介在する摩耗粉の噛み込みによる過大な応力増加を緩和するためである。すなわち、残留オーステナイト量が25体積%未満では靱性が不足し、残留オーステナイト量が35体積%を越えると、硬度が低下し過ぎて塑性変形による表面粗さの劣化を招く。
【0012】
上記のような浸炭窒化層の組織は、次のような処理工程で形成することができる。すなわち、浸炭雰囲気中の炭素ポテンシャルを0.8%以上にして所定時間加熱保持した後、油中で冷却して浸炭焼入れを行い、この後、アンモニアガス中で所定時間加熱保持して窒化処理を行う。浸炭工程中に同時に窒化処理も行う方法を採用することもできる。なお、残留オーステナイト量を調整するために、サブゼロ処理や焼戻し処理を行ってもよい。
【0013】
前記円錐ころ軸受としては、前記外輪の内径側に複列の軌道面が形成され、これらの各軌道面に対向して前記内輪の外径側に複列の軌道面が形成され、これらの対向する各軌道面の間に複数の円錐ころが複列に配列された複列円錐ころ軸受を採用することができる。
【0014】
前記外輪は、車輪取り付け用のフランジを一体に形成したものとすることもできる。
【0015】
前記円錐ころが複列に配列された外輪と内輪の間の環状空間の両側端部に、この環状空間をシールするシール部材を設けることにより、環状空間で形成される軸受内部をコンパクトにシールし、封入されたグリースの流出を防止して、グリースの封入量を安定して確保することができる。車軸中央側に設けられるインナ側シール部材としては接触式ゴム製シールを、車軸端側に設けられるアウタ側シール部材としては非接触式鋼板製シールドを採用することができる。
【0016】
上述した車輪を円錐ころ軸受で支持する車輪用軸受装置は、従動輪用車軸に適用すると好適である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。図1は、トラックの従動輪用車軸1に装着した車輪用軸受装置の実施形態を示す。この車輪用軸受装置は、車軸1に複列円錐ころ軸受2の内輪3が嵌合され、外輪4の一端に設けられた外向きのフランジ5に、ハブ6とブレーキロータ7がボルト8で固定されている。内輪3はナット9で抜け留めされ、ハブ6にはホイール取り付け用のボルト10が装着されている。
【0018】
図2(a)に示すように、前記外輪4の内径側には2列の軌道面11が形成され、これらの各軌道面11に対向して、対称配置された一対の内輪3に、それぞれ1列ずつの軌道面12が形成されている。これらの対向する各軌道面11、12の間に複数の円錐ころ13が2列に配列され、各円錐ころ13は、その大端面14を一対の内輪3の両端部に設けられた大鍔15に当接させて転動する。
【0019】
前記円錐ころ13が2列に配列された環状空間の、車軸1中央側のインナ側端部には接触式のゴム製シール16が、車軸1端側のアウタ側端部には非接触式の鋼板製シールド17が装着されており、環状空間で形成される軸受内部をコンパクトにシールし、封入されたグリースの流出を防止して、グリースの封入量を安定して確保できるようになっている。
【0020】
また、前記内輪3と円錐ころ13は肌焼き鋼SCr435を用いて製造され、図2(b)に拡大して示すように、これらの表面には、炭素含有量0.80重量%以上、ロックウェル硬さHRC58以上で、かつ残留オーステナイト量が25〜35体積%の浸炭窒化層3a、13aが形成されている。なお、外輪4には構造用炭素鋼S53Cを高周波焼入れしたものを用いた。
【0021】
この実施形態では、前記内輪と円錐ころの素材としてSCr435を用いたが、この他にSCM420、SCM430、SCM435、SCr420、SCr430、SAE5130、SAE8620等の軸受用鋼を用いることもできる。また、本発明は単列の円錐ころ軸受や2列よりも多い複列の円錐ころ軸受を用いた車輪用軸受装置にも適用可能である。
【0022】
以下に実施例および比較例を挙げる。
【0023】
【実施例】
図2(a)に示した、内輪と円錐ころが肌焼き鋼SCr435製で、その表面に炭素含有量0.80重量%以上、ロックウェル硬さHRC58以上で、残留オーステナイト量が25〜35体積%の範囲にある浸炭窒化層が形成された複列円錐ころ軸受(表1中の実施例1〜3)を用意した。軸受の寸法は、いずれも内径65mm、幅130mmである。
【0024】
【比較例】
実施例と同様に、内輪と円錐ころが肌焼き鋼SCr435製で、その表面に炭素含有量0.80重量%以上、ロックウェル硬さHRC58以上の浸炭窒化層が形成され、残留オーステナイト量のみが本発明の範囲を外れる複列円錐ころ軸受(表1中の比較例1〜2)、残留オーステナイト量は本願の範囲に入るが、内輪と円錐ころの表面に浸炭層のみが形成された複列円錐ころ軸受(表1中の比較例3)、および浸炭層のみで残留オーステナイト量も本願の範囲を外れる複列円錐ころ軸受(表1中の比較例4)を用意した。各軸受の寸法は実施例と同じである。
【0025】
上記実施例および比較例の複列円錐ころ軸受を、耐久試験器の軸に取り付け、耐久寿命試験を実施した。
試験条件は以下の通りである。
(耐久寿命試験)
ラジアル荷重:63kN
スラスト荷重:25kN
回転数 :400rpm
【0026】
【表1】
【0027】
試験結果を表1に示す。表中の耐久寿命は、L10寿命(90%の軸受が破損しないで使える時間)までの回転回数で評価した。また、寿命比は比較例4の耐久寿命を基準値とした。
【0028】
実施例の複列円錐ころ軸受は、いずれも優れた耐久寿命を示し、比較例4に対する寿命比が3倍以上になっている。一方、浸炭窒化層は形成されているが、その残留オーステナイト量が本願の範囲を外れる比較例1〜2は、寿命比が30〜40%増に止まっている。残留オーステナイト量は本願の範囲に入るが、浸炭層のみの比較例3は、殆ど改善効果が認められない。
【0029】
【発明の効果】
以上のように、この発明の車輪用軸受装置は、車輪を支持する円錐ころ軸受の内輪と円錐ころの表面に、炭素含有量0.80重量%以上で、かつロックウェル硬さHRC58以上の浸炭窒化層を形成し、この浸炭窒化層の残留オーステナイト量を25〜35体積%としたので、これらの部品の機械的性質と疲労特性を高めるとともに、部品表面層を適度な靱性を有する材質に安定して保ち、高荷重、高温下での耐久寿命を著しく改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態の車輪用軸受装置を示す一部省略縦断面図
【図2】aは図1の円錐ころ軸受を示す縦断面図、bはaの要部拡大断面図
【図3】従来の車輪用軸受装置を示す一部省略縦断面図
【符号の説明】
1 車軸
2 円錐ころ軸受
3 内輪
3a 浸炭窒化層
4 外輪
5 フランジ
6 ハブ
7 ブレーキロータ
8 ボルト
9 ナット
10 ボルト
11、12 軌道面
13 円錐ころ
13a 浸炭窒化層
14 大端面
15 大鍔
16 ゴム製シール
17 鋼板製シールド
21 車軸
22 円錐ころ軸受
23 内輪
24 外輪
25 フランジ
26 ハブ
27 ブレーキロータ
28 ボルト
29 ナット
30 ボルト
31、32 軌道面
33 円錐ころ
34 大端面
35 大鍔
36 ゴム製シール
37 キャップ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wheel bearing device in which a wheel is supported on an axle by a tapered roller bearing.
[0002]
[Prior art]
A tapered roller bearing is a bearing suitable for applying a radial load, an axial load, and a combined load thereof, and has a large load capacity, and is therefore widely used for supporting wheels of automobiles and the like.
[0003]
FIG. 3 shows an example of a bearing device for a driven wheel of a truck. In this wheel bearing device, an
[0004]
Two rows of
[0005]
A contact-
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The bearing portion of the wheel bearing device as described above is regularly greased and maintained. In recent years, the horsepower and loading capacity of vehicles such as automobiles have increased, and accordingly, wheel bearing devices are required to withstand high loads and temperature rises at high speeds. Furthermore, there is an increasing demand for long-term maintenance-free operation. Bearing parts of wheel bearing devices are subject to rapid deterioration of the encapsulated grease under high loads and high temperatures, so it is desirable to develop long-life greases with excellent heat resistance. On the other hand, bearing members have long life under high loads and high temperatures. Securement is required.
[0007]
As described above, in the tapered roller bearing, the large end surface of the tapered roller comes into contact with the large collar surface of the inner ring and rolls, so heat is generated at the sliding portion between the large end surface and the large collar surface, and the load load is high. As the contact pressure between the large end face and the large collar surface increases, the amount of heat generation increases.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a wheel bearing device that can ensure a long life even under a high load and high temperature.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a wheel bearing device in which a wheel is rotatably supported on an axle by a tapered roller bearing, wherein the tapered roller bearing has a raceway surface on an inner diameter side. An outer ring, an inner ring having a raceway surface formed on the outer diameter side facing the raceway surface, and a plurality of tapered rollers arranged between the opposed raceway surfaces, at least the inner ring and A carbonitriding layer having a carbon content of 0.80% by weight or more and a Rockwell hardness of HRC58 or more is formed on the surface of the tapered roller, and the amount of retained austenite of the carbonitriding layer is 25 to 35% by volume. Adopted.
[0010]
The reason why the carbonitriding layer is formed on the surfaces of the inner ring and the tapered roller is as follows. Residual austenite in the carburized layer obtained by normal carburizing and quenching has high toughness and work-hardening properties. By appropriately including this, the hardness of the carburized layer is ensured and crack generation and progress are suppressed. Although it works, it has the disadvantage of being unstable to heat. On the other hand, when the nitriding treatment is performed under appropriate conditions, nitrogen atoms are dissolved in the retained austenite and serve to stabilize the retained austenite against heat. In the carbonitrided layer obtained by this nitriding treatment, a compressive residual stress larger than that of a normal carburized layer is formed, so that the fatigue strength can be further increased.
[0011]
The carbonitriding layer having a carbon content of 0.80% by weight or more and Rockwell hardness of HRC58 or more reduces wear at the sliding portion between the large end surface of the tapered roller and the large collar surface of the inner ring. This is because the amount of retained austenite is set to 25 to 35% by volume because it imparts appropriate toughness to the carbonitrided layer and is caused by excessive stress caused by the wear powder intervening in the grease generated from the sliding portion and the like. This is to mitigate the increase. That is, if the amount of retained austenite is less than 25% by volume, the toughness is insufficient, and if the amount of retained austenite exceeds 35% by volume, the hardness is excessively lowered and the surface roughness is deteriorated due to plastic deformation.
[0012]
The structure of the carbonitriding layer as described above can be formed by the following processing steps. That is, after maintaining the carbon potential in the carburizing atmosphere at 0.8% or more for a predetermined time, cooling in oil and performing carburizing and quenching, and then heating and holding in ammonia gas for a predetermined time to perform nitriding treatment Do. A method of performing nitriding treatment simultaneously during the carburizing process can also be adopted. In order to adjust the amount of retained austenite, sub-zero treatment or tempering treatment may be performed.
[0013]
As the tapered roller bearing, double row raceway surfaces are formed on the inner diameter side of the outer ring, and double row raceway surfaces are formed on the outer diameter side of the inner ring so as to face each of these raceway surfaces. It is possible to employ a double-row tapered roller bearing in which a plurality of tapered rollers are arranged in double rows between the raceway surfaces.
[0014]
The outer ring may be integrally formed with a wheel mounting flange.
[0015]
By providing seal members for sealing the annular space at both ends of the annular space between the outer ring and the inner ring in which the tapered rollers are arranged in a double row, the inside of the bearing formed by the annular space can be compactly sealed. It is possible to prevent the outflow of the encapsulated grease and to stably ensure the encapsulated amount of grease. A contact rubber seal can be used as the inner seal member provided on the axle center side, and a non-contact steel plate shield can be used as the outer seal member provided on the axle end side.
[0016]
The wheel bearing device for supporting the above-described wheel with a tapered roller bearing is preferably applied to a driven wheel axle.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a wheel bearing device mounted on a driven wheel axle 1 of a truck. In this wheel bearing device, an
[0018]
As shown in FIG. 2 (a), two rows of raceway surfaces 11 are formed on the inner diameter side of the
[0019]
In the annular space in which the tapered
[0020]
Further, the
[0021]
In this embodiment, SCr435 is used as the material for the inner ring and the tapered roller, but other bearing steels such as SCM420, SCM430, SCM435, SCr420, SCr430, SAE5130, SAE8620 can also be used. The present invention can also be applied to a wheel bearing device using a single-row tapered roller bearing or a double-row tapered roller bearing having more than two rows.
[0022]
Examples and comparative examples are given below.
[0023]
【Example】
The inner ring and the tapered roller shown in FIG. 2 (a) are made of case-hardened steel SCr435, and the surface has a carbon content of 0.80% by weight or more, Rockwell hardness of HRC58 or more, and a retained austenite amount of 25 to 35 volumes. %, A double row tapered roller bearing (Examples 1 to 3 in Table 1) in which a carbonitriding layer in the range of% was formed was prepared. The bearings have an inner diameter of 65 mm and a width of 130 mm.
[0024]
[Comparative example]
Similar to the example, the inner ring and the tapered roller are made of case-hardened steel SCr435, and a carbonitriding layer having a carbon content of 0.80% by weight or more and a Rockwell hardness of HRC58 or more is formed on the surface, and only the retained austenite amount is formed. Double row tapered roller bearings outside of the scope of the present invention (Comparative Examples 1 and 2 in Table 1), the amount of retained austenite falls within the scope of the present application, but a double row in which only the carburized layer is formed on the surfaces of the inner ring and the tapered roller. A tapered roller bearing (Comparative Example 3 in Table 1) and a double-row tapered roller bearing (Comparative Example 4 in Table 1) having a retained austenite amount outside the scope of the present application with only a carburized layer were prepared. The dimensions of each bearing are the same as in the example.
[0025]
The double row tapered roller bearings of the above examples and comparative examples were attached to the shaft of an endurance tester, and an endurance life test was performed.
The test conditions are as follows.
(Durability test)
Radial load: 63kN
Thrust load: 25kN
Rotation speed: 400rpm
[0026]
[Table 1]
[0027]
The test results are shown in Table 1. The endurance life in the table was evaluated by the number of rotations up to L10 life (time in which 90% of bearings can be used without being damaged). Further, the life ratio was determined based on the durable life of Comparative Example 4.
[0028]
The double row tapered roller bearings of the examples all have an excellent durability life, and the life ratio with respect to the comparative example 4 is three times or more. On the other hand, although the carbonitrided layer is formed, in Comparative Examples 1 and 2 in which the amount of retained austenite falls outside the scope of the present application, the life ratio is only increased by 30 to 40%. Although the amount of retained austenite falls within the scope of the present application, Comparative Example 3 with only the carburized layer shows almost no improvement effect.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, the wheel bearing device of the present invention has a carbon content of 0.80% by weight or more and a Rockwell hardness of HRC58 or more on the inner ring and the surface of the tapered roller of the tapered roller bearing that supports the wheel. A nitrided layer is formed, and the amount of retained austenite of the carbonitrided layer is 25 to 35% by volume, so that the mechanical properties and fatigue characteristics of these parts are enhanced and the surface layer of the parts is stabilized to a material having appropriate toughness. The durability life under high load and high temperature can be remarkably improved.
[Brief description of the drawings]
1 is a partially omitted longitudinal sectional view showing a wheel bearing device of an embodiment. FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a tapered roller bearing of FIG. 1, and b is an enlarged sectional view of a main part of a. Partially omitted vertical sectional view showing a conventional wheel bearing device [Explanation of symbols]
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