JP4076798B2 - 車輪軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車等の車輪を支持するための車輪軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車輪軸受装置は、従動輪用と駆動輪とに大別される。このうちで例えば駆動輪用の車輪軸受装置は、ハブ輪と、複列の軸受とからなるもので、さらにこれらと等速自在継手とをユニット化したものも存在する。
【０００３】
この駆動輪用の車輪軸受装置の一つに、軸受の複列のインナレースのうち、一方をハブ輪の外周に、他方を等速自在継手の外側継手部材の外周に形成したものがある。この種の軸受装置では、複列のインナレースの位置決め行うと共に、軸受内部に付与された予圧を保持するため、ハブ輪と等速自在継手とを結合する必要がある。近年では、軸方向スペースの有効活用や結合部での剛性向上等の観点から、外側継手部材のステム部を拡径方向に塑性変形させ、これをハブ輪内周の凹凸部に食い込ませることで両者を結合する方法（「拡径加締め」と呼ばれる）が提案されている（例えば特開２００１−１８６０５号公報等）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように拡径加締めする場合には、拡径加締め時の加工性および結合強度の確保等の観点から塑性変形量には適正範囲が存在すると考えられる。しかしながら、従来、この種の適正範囲は何ら明らかにされていない。
【０００５】
そこで、本発明は、拡径加締めする際の適正な塑性変形量を見出し、これにより拡径加締め時の加工性と接合強度とを両立することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる車輪軸受装置は、内周に複列のアウタレースが形成された外方部材と、車輪取付けフランジを有するハブ輪、およびハブ輪の内周に嵌合した等速自在継手の外側継手部材を備え、ハブ輪および外側継手部材の各外周にインナレースが形成された内方部材と、アウタレースとインナレースとの間に介装された複列の転動体とを備え、ハブ輪と外側継手部材の嵌合部に、外側継手部材を拡径方向に塑性変形させてハブ輪の内周面に形成した凹凸部に食い込ませることにより、両者を結合した部分と、外側継手部材の円筒状外周面とハブ輪の円筒状内周面とを嵌合させた部分とを設けた車輪軸受装置において、外側継手部材の塑性変形部における塑性変形前の内径寸法φｄ１と、塑性変形後の内径寸法φｄ２との比（Δ＝φｄ２／φｄ１）を１．０５以上とし、ハブ輪のうち、凹凸部を熱処理で硬化させると共に、円筒状内周面を未熱処理とし、外側継手部材のうち、円筒状外周面を熱処理で硬化させると共に、塑性変形部を未熱処理としたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明にかかる車輪軸受装置は、内周に複列のアウタレースが形成された外方部材と、車輪取付けフランジを有するハブ輪、およびハブ輪の外周に嵌合した内輪を備え、外周に複列のインナレースが形成された内方部材と、アウタレースとインナレースとの間に介装された複列の転動体とを備え、ハブ輪を拡径方向に塑性変形させて内輪の内周面に形成した凹凸部に食い込ませることにより、両者を結合した車輪軸受装置において、ハブ輪の塑性変形部における塑性変形前の内径寸法φｄ１と、塑性変形後の内径寸法φｄ２との比（Δ＝φｄ２／φｄ１）を１．０５以上とし、内輪の凹凸部を熱処理で硬化させると共に、ハブ輪の塑性変形部を未熱処理としたことを特徴とする。
この場合、複列のインナレースは、ハブ輪および内輪の各外周に形成することができ（図５参照）、あるいはハブ輪外周に嵌合した二つの内輪の各外周に形成することもできる（図６参照）。
【０００８】
この比Δが１．０５よりも小さいと、塑性変形部の塑性変形量が小さくなり、ハブ輪および嵌合部材のうち、外径側の部材に対する塑性変形部の食い込み量が不十分となる。そのため、ハブ輪と嵌合部材との結合強度が不足し、自動車に装備する車輪軸受装置としての使用が困難となる。
【０００９】
上記比Δの上限値は、内径側の部材の素材に応じて定めることができる。具体的には、素材の炭素量の値の大きさに基づいて定めることができ、これが小さいほど上記比Δの上限値を大きくすることができる。
【００１０】
例えば、例えば、内径側の部材がＳ５３Ｃで形成されている場合、上記比の上限値はΔ≦１．１５が好ましく、これよりも炭素量の低いＳ４０Ｃで形成されている場合、Δ≦１．２０が好ましい。
【００１１】
上記のように、ハブ輪に熱処理により硬化させた凹凸部を設けると共に、凹凸部に外側継手部材の塑性変形部を食い込ませるようにしているので、ハブ輪と外側継手部材の結合強度を高めることができ、車輪軸受装置の耐久性が高まる。内輪に熱処理により硬化させた凹凸部を設けると共に、凹凸部にハブ輪の塑性変形部を食い込ませるようにしても、同様に内輪とハブ輪の結合強度が高まり、車輪軸受装置の耐久性が高まる。何れの場合でも塑性変形部を未熱処理部としているので、塑性変形部を容易に塑性変形させることができ、凹凸部に確実に食い込ませることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。
【００１５】
図１に本発明を適用した駆動輪用の車輪軸受装置を示す。この車輪軸受装置は、ハブ輪１０と、軸受２０と、等速自在継手４０とをユニット化して構成される。なお、以下の説明では、車両に組み付けた状態で車両の外側寄りとなる側をアウトボード側といい（各図において図面左側）、車両の中央寄りとなる側をインボード側という（各図において図面右側）。
【００１６】
ハブ輪１０は軸心部に軸方向の貫通孔を有する中空状に形成される。ハブ輪１０のアウトボード側の端部には、車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付けフランジ１４が形成され、このフランジ１４の円周方向等間隔位置にホイールディスクを固定するためのハブボルト１５が植え込まれている。ハブ輪１０のフランジ１４よりもインボード側の外周面にアウトボード側のインナレース２７を形成してある。
【００１７】
等速自在継手４０は、ドライブシャフトからのトルクを内側継手部材およびトルク伝達ボール（何れも図示省略）を介して外側継手部材４１に伝達する。外側継手部材４１の内周部には複数のトラック溝４１ａが形成されている。このトラック溝４１ａと内側継手部材の外周部に設けた複数のトラック溝との協働で複数のボールトラックが形成され、各ボールトラックにトルク伝達ボールが配置される。各トルク伝達ボールは、図示しないケージによって同一平面内に保持されている。
【００１８】
外側継手部材４１は、ハブ輪１０の内周に嵌合した嵌合部材であり、一体に形成されたステム部４５とマウス部４６とを備える。ステム部４５にてハブ輪１０の内周に嵌合されている。マウス部４６の肩面４７がハブ輪１０のインボード側の端面と当接し、これにより、ハブ輪１０と外側継手部材４１の軸方向の位置決めがなされ、かつ、インナレース２７，２８間の寸法が規定される。マウス部４６の肩面４７寄りの外周面にインボード側のインナレース２８を形成してある。ステム部４５は、椀状のマウス部４６の底と連通した軸方向の貫通孔４８を設けることによって中空にしてある。
【００１９】
外側継手部材４１には、鍛造による成形後、部分的に熱処理が施される。熱処理により硬化される部分は、図１に散点模様を付して表すように、肩面４７からインボード側のインナレース２８を経てシール２６のシールリップとの摺接面（シールランド）に至る領域と、マウス部４６内周の、トルク伝達ボールが転動するトラック溝４１ａの領域とであり、何れもＨＲｃ５８以上となるまで硬化される。熱処理としては、局部加熱ができ、硬化層深さの選定が自由であり、かつ硬化層以外への熱影響が少なく母材の性能を保持できる高周波焼入れが適当である。
【００２０】
これ以外の部分、特にステム部４５のうち、後述する拡径加締めに際して外径側に塑性変形する部分（塑性変形部３４）には、鍛造後も熱処理が施されない。これら未熱処理部のうち、塑性変形部３４の硬度は、拡径加締め時の加工性を考えると低いほど好ましいが、低すぎる場合は疲労耐久性の低下を招く。従って、塑性変形部３４は、ＨＲｃ１３以上２８以下、好ましくはＨＲｃ１８以上２５以下の硬度とするのが好ましい。
【００２１】
軸受２０は外方部材２１と複列の転動体２２とを含む。外方部材２１は車体（図示せず）に取り付けるためのフランジ２３を備え、内周面に複列の転動体２２が転動する複列のアウタレース２４を形成してある。ハブ輪１０のインナレース２７および外側継手部材４１のインナレース２８と外方部材２１の複列のアウタレース２４との間に複列の転動体２２が組み込まれている。ここでは転動体２２としてボールを使用した複列アンギュラ玉軸受の場合を図示してあるが、重量の嵩む自動車用の車輪軸受装置の場合には、転動体として円すいころを使用した複列円すいころ軸受を採用する場合もある。外方部材２１の両端開口部にはシール２５，２６が装着され、軸受内部に充填し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。
【００２２】
ハブ輪１０内周の嵌合面１６のうち、外側継手部材４１の塑性変形部３４との対向部分には凹凸部３１が形成される。嵌合面１６の凹凸部３１以外の部分は、ステム部４５の円筒状外周面と密着嵌合する円筒状に形成されている。凹凸部３１の凹凸形状は任意であり、例えばねじ形状やセレーション（スプラインも含む）形状、あるいは互いに平行な複数列の溝同士を交差させたアヤメローレット形状に形成される。このようにして形成された凹凸部３１は、熱処理によってＨＲｃ５８以上まで硬化される。
【００２３】
熱処理による硬化層は、図１に散点模様で示すように、ハブ輪１０内周の凹凸部３１の領域のみならず、ハブ輪１０外周の、シール２５のシールランドからインナレース２７を経てインボード側の端面に至る領域にも形成される。これらの熱処理は、上記と同様の理由から高周波焼入れにより行うのが望ましい。なお、図示のように双方の硬化層を非連続とすることにより、ハブ輪１０の焼き割れを生じにくくすることができる。
【００２４】
内径側の部材としてのハブ輪１０と、嵌合部材としての外側継手部材４１とは、いわゆる拡径加締めにより一体に塑性結合される。すなわち、ハブ輪１０の内周に外側継手部材４１のステム部４５を嵌合した状態で、ステム部４５の塑性変形部３４を内径側から外径側に塑性変形させ、塑性変形部３４の外周を凹凸部３１に食い込ませてハブ輪１０と外側継手部材４１とを塑性的に結合する。これにより、インナレース２７，２８間の寸法が規定されて軸受２０内部に所定の予圧が付与される。塑性結合されたハブ輪１０と外側継手部材４１とは、外周に複列のインナレース２７、２８を有する内方部材２９を形成する。
【００２５】
加締めに際しては、上述のように凹凸部３１は高い硬度を備えるために潰れにくく、また、拡径側の塑性変形部３４は凹凸部３１に比べて低硬度で延性に富むために拡径代を大きくとってもステム部４５に加締め割れが生じにくい。従って、凹凸部３１を塑性変形部３４に深く食い込ませることができ、これによりハブ輪１０と外側継手部材４１の間で高い結合強度が確保される。
【００２６】
加締めは、例えば図２に示すように、外側継手部材４１のステム部４５内周の貫通孔４８に加締め治具（ポンチ）６０を挿入することによって行うことができる。加締め治具６０は、先端側（ステム部４５への挿入側）より順に小径円筒部６１、テーパ部６２、および大径円筒部６３を具備するもので、小径円筒部６１の外径寸法は加締め前の塑性変形部３４の内径寸法φｄ１（図３参照）よりも小さく、大径円筒部６３の外径寸法は当該内径寸法φｄ１よりも大きい。
【００２７】
加締めに際しては、図２に示すように、外側継手部材４１をハブ輪１０の内周に挿入した状態で、車輪軸受装置が受け台６４上にセットされる。この時、車輪取付けフランジ１４のアウトボート側の端面が受け台６４の端面に支持される。ハブボルト１５は、受け台６４に設けたボルト穴６５に収容される。
【００２８】
この状態で加締め治具６０をインボード側から外側継手部材４１の貫通穴４８に押込む。これによりステム部４５の塑性変形部３４が加締め治具６０のテーパ面６２、さらには大径円筒部６３によって押し広げられ、拡径方向に塑性変形して外周面がハブ輪１０内周の凹凸部３１に食い込む。
【００２９】
この時、加締め治具６０の押込みに伴い、外側継手部材４１はアウトボード側に向けて押込み力を受ける。一方、受け台６４に支持されたハブ輪１０がこの押込み力に対抗するため、ハブ輪１０と外側継手部材４１との軸方向の当接部（外側継手部材４１の肩面４７とハブ輪１０のインボード側端面との当接部）には圧縮歪が生じる。これにより、アキシャル軸受隙間を負にして軸受２０に予圧を付与することができ、加締め結合の完了と同時に予圧設定を完了することが可能となる。同様の効果は、加締め結合する二部材間の当接部（軸方向の当接部）で圧縮歪を生じる方向に加締め治具６０を挿入することによって得られる。
【００３０】
ところで、塑性変形部３４の拡径加締めに際しては、拡径量の下限値が存在すると考えられる。拡径量が一定量以下であれば、凹凸部３１に対する塑性変形部３４の食い込み量が不足し、車輪軸受装置に求められる結合強度が十分に得られなくなるからである。
【００３１】
以上の考察の下、本発明者らが試験を行ったところ、図３に示す塑性変形前の塑性変形部３４の内径寸法φｄ１と、図４に示す塑性変形後の塑性変形部３４の内径寸法φｄ２との比（Δ＝φｄ２／φｄ１）、すなわち拡径率が１．０５以上であれば、図８に示すように、ハブ輪１０と外側継手部材４１との間で十分な結合強度（目標強度）が得られることが明らかになった（プロット点×は比較品、その他のプッロト点は本発明品）。
【００３２】
このΔの下限値は、塑性変形部３４の素材の種類によってはほとんで影響を受けず、各種鋼材に共通の値であると考えられる。
【００３３】
また、上記比Δが大きすぎる場合は、材料の延びが過大となって加締め割れ等の不具合を招く可能性がある。この比Δの上限値は、塑性変形部３４を形成する素材の炭素量の値によって異なり、これが小さいほど上記比の上限値も大きくなると考えられる。
【００３４】
本発明者らが試験を行ったところ、例えば外側継手部材４１の素材がＳ４０Ｃ（炭素量０．３７〜０．４３％）の場合、上記比Δが１．２０を超えると、加締め割れを生じることが明らかになった。従って、この場合、上記Δは１．２０以下（Δ≦１．２０）とする必要がある。
【００３５】
また、外側継手部材４１を、Ｓ５３Ｃ（炭素量０．５０〜０．５６％）で形成した場合、上記比Δが１．１５を超えると、加締め割れを生じることが明らかになった。従って、この場合、上記Δは１．１５以下（Δ≦１．１５）とする必要がある。
【００３６】
外側継手部材４１としては、上記Ｓ４０ＣやＳ５３Ｃに限らず、炭素量０．３０〜０．６１の間の機械構造用炭素鋼（ＪＩＳに規定）が広く使用可能である。これに適合する機械構造用炭素鋼であれば、高周波焼入れによりレース面の転動強度を高炭素クロム軸受鋼のズブ焼品や肌焼き鋼の浸炭品と遜色ないほど高めることができ、低コストに耐久寿命を確保できる一方、未熱処理状態でも塑性変形部３４の硬度を抑えて高い加締め加工性を確保することができ、さらなる低コスト化を図ることができる。
【００３７】
この他、重量％でＣを０．５〜０．７％、Ｓｉを０．６〜１．２％、Ｍｎを０．６〜１．０％含有すると共に、残部をＦｅおよび不可避的不純物とした鋼材も使用することができる。本発明者らの試験によれば、この鋼材では、上記比Δを
１．０５≦Δ≦１．１４
の範囲に設定するのが望ましいことが判明した。
【００３８】
なお、図１では、加締め部分において、ハブ輪１０を外径側に配置しているが、その逆に外側継手部材４１を外径側に配置することもできる（図７参照）。この場合、ハブ輪１０が内径側の部材となって塑性変形部３４が形成され、外側継手部材４１がその外周に嵌合した嵌合部材となる。この場合も、塑性変形の前後における塑性変形部３４の内径寸法の比Δが上記と同様の範囲に設定される。
【００３９】
以下、本発明を他の形式の車輪軸受装置に適用した場合の実施形態を図５および図６に基づいて説明する。なお、各図において、図１に示す部材と機能が共通する部材には、同一の参照番号を付して重複説明を省略する。
【００４０】
図５は、ハブ輪１０と、ハブ輪１０の外周に嵌合した内輪３５とで内方部材２９を形成した実施形態である。内方部材２９のインナレース２７，２８のうち、アウトボード側のインナレース２７がハブ輪１０の外周に、インボード側のインナレース２８が内輪３５の外周にそれぞれ形成されている。
【００４１】
この実施形態においては、ハブ輪１０のインボード側端部に形成した小径円筒部１９の外周に内輪３５が圧入されている。外側継手部材４１は、ハブ輪１０の内周に嵌合され、スプライン等のトルク伝達手段３７を介してハブ輪１０と結合され、かつ止め輪３８によってハブ輪１０に対して抜け止めされている。内輪３５のインボード側端面を外側継手部材４１の肩面４２と当接させ、かつアウトボード側の端面をハブ輪１０の肩面１８と当接させている。
【００４２】
この実施形態において、塑性変形部３４はハブ輪１０の小径円筒部１９に形成され、硬化させた凹凸部３１は内輪３５の内周に形成されている（凹凸部３１の形成領域を×印で示す）。ハブ輪１０の塑性変形部３４を未熱処理部とし、これを拡径方向に塑性変形させることにより、小径円筒部１９の外周が内輪３５の凹凸部３１に食い込み、ハブ輪１０と内輪３５とが塑性的に結合される。この場合、ハブ輪１０が内径側の部材となり、内輪３５がハブ輪１０の外周に嵌合した嵌合部材となる。
【００４３】
この実施形態においても、ハブ輪１０の塑性変形部３４における塑性変形前後の内径寸法の比Δが、上記範囲に設定される。
【００４４】
図６は、ハブ輪１０と、ハブ輪１０の外周に嵌合した第一内輪５１および第二内輪５２とで内方部材２９を形成した実施形態である。内方部材２９のインナレース２７，２８は、何れも内輪５１，５２の外周にそれぞれ形成されている。図示しない外側継手部材は、ハブ輪１０の内周に嵌合され、ハブ輪１０とトルク伝達可能に結合される。
【００４５】
インボード側の第一内輪５１のインボード側端部には軸方向の延在部５３が形成され、その内周に熱処理で硬化させた凹凸部３１が形成されている。ハブ輪１０のインボード側端部の塑性変形部３４を未熱処理部とし、この部分を拡径方向に塑性変形させて凹凸部３１に食い込ませることにより、ハブ輪１０と内輪５１とが塑性的に結合される。この場合、ハブ輪１０が内径側の部材となり、内輪５１，５２がハブ輪１０の外周に嵌合した嵌合部材となる。
【００４６】
この実施形態においても、ハブ輪１０の塑性変形部３４における塑性変形前後の内径寸法の比Δが、上記範囲に設定される。
【００４７】
なお、図５および図６では、車輪軸受装置としてハブ輪１０、軸受２０、および外側継手部材をユニット化した駆動車輪用の車輪軸受装置を例示しているが、外側継手部材を含まず、ハブ輪１０と軸受２０とのみをユニット化した従動輪用の車輪軸受装置にも本発明を同様に適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、塑性変形部の塑性変形量を適正量に設定しているので、外側継手部材とハブ輪との間、および内輪とハブ輪との間で十分な結合強度が得られる一方、過剰な塑性変形による加締め割れ等の塑性変形部の損傷を回避することができ、加工性が高まる。これにより、車輪軸受装置の強度向上を図ると共に、品質の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる車輪軸受装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】上記車輪軸受装置の拡径加締め工程を示す断面図である。
【図３】上記車輪軸受装置の拡径加締め前の状態を示す断面図である。
【図４】上記車輪軸受装置の拡径加締め後の状態を示す断面図である。
【図５】本発明にかかる車輪軸受装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明にかかる車輪軸受装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明にかかる車輪軸受装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明品と比較例との間の比較試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１０ ハブ輪
１４ 車輪取付けフランジ
２０ 軸受
２１ 外方部材
２２ 転動体
２４ アウタレース
２７ インナレース（アウトボード側）
２８ インナレース（インボード側）
２９ 内方部材
３１ 凹凸部
３４ 塑性変形部
３５ 内輪
４０ 等速自在継手
４１ 外側継手部材
５１ 第一内輪
５２ 第二内輪

Claims (7)

1. 内周に複列のアウタレースが形成された外方部材と、車輪取付けフランジを有するハブ輪、およびハブ輪の内周に嵌合した等速自在継手の外側継手部材を備え、ハブ輪および外側継手部材の各外周にインナレースが形成された内方部材と、アウタレースとインナレースとの間に介装された複列の転動体とを備え、ハブ輪と外側継手部材の嵌合部に、外側継手部材を拡径方向に塑性変形させてハブ輪の内周面に形成した凹凸部に食い込ませることにより、両者を結合した部分と、外側継手部材の円筒状外周面とハブ輪の円筒状内周面とを嵌合させた部分とを設けた車輪軸受装置において、
   外側継手部材の塑性変形部における塑性変形前の内径寸法φｄ１と、塑性変形後の内径寸法φｄ２との比（Δ＝φｄ２／φｄ１）を１．０５以上とし、ハブ輪のうち、凹凸部を熱処理で硬化させると共に、円筒状内周面を未熱処理とし、外側継手部材のうち、円筒状外周面を熱処理で硬化させると共に、塑性変形部を未熱処理としたことを特徴とする車輪軸受装置。
2. 内周に複列のアウタレースが形成された外方部材と、車輪取付けフランジを有するハブ輪、およびハブ輪の外周に嵌合した内輪を備え、外周に複列のインナレースが形成された内方部材と、アウタレースとインナレースとの間に介装された複列の転動体とを備え、ハブ輪を拡径方向に塑性変形させて内輪の内周面に形成した凹凸部に食い込ませることにより、両者を結合した車輪軸受装置において、
   ハブ輪の塑性変形部における塑性変形前の内径寸法φｄ１と、塑性変形後の内径寸法φｄ２との比（Δ＝φｄ２／φｄ１）を１．０５以上とし、内輪の凹凸部を熱処理で硬化させると共に、ハブ輪の塑性変形部を未熱処理としたことを特徴とする車輪軸受装置。
3. 上記比Δの上限値を、内径側の部材の素材に応じて定めた請求項１または２記載の車輪軸受装置
4. 内径側の部材がＳ４０Ｃで形成され、かつ上記比Δが１．２０以下である請求項３記載の車輪軸受装置。
5. 内径側の部材がＳ５３Ｃで形成され、かつ上記比Δが１．１５以下である請求項３記載の車輪軸受装置。
6. 複列のインナレースが、ハブ輪および内輪の各外周に形成されている請求項１記載の車輪軸受装置。
7. 複列のインナレースが、ハブ輪外周に嵌合した二つの内輪の各外周に形成されている請求項１記載の車輪軸受装置。

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