JP4229335B2 - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Description

この発明は自動車等における車輪用軸受装置に関し、特にアウトボード側のシール構造に関する。

自動車等の車両に用いられる軸受装置は、路面等に曝される厳しい環境下にあるため、外部からの塵埃や泥水の確実な侵入防止が求められ、また保守の不要化の面から、グリース漏れの防止についても高い効果が求められる。
このため、例えば図６に示すようなシール構造が採用されている（例えば特許文献１）。同図の軸受装置は、外方部材３１と内方部材３２の複列の軌道面３４，３５に、ボール３３を介在させたものであり、内外の部材３２，３１間に形成される環状空間のアウトボード側およびインボード側の各端部が密封手段３７，３８でそれぞれ密封されている。内方部材３２は、車輪取付用のハブフランジ４５を有するハブ輪４３と、このハブ輪４３の軸部４３ａのインボード側端の外周に嵌合した内輪４４とでなる。

図７に拡大して示すように、アウトボード側の密封手段３７のシール構造は、外方部材３１に取付けられハブ輪４３の前記軸部端面５１に摺接する接触シール４８と、この接触シール４８のアウトボード側に位置し、ハブ輪４３と外方部材３１のアウトボード側端面との間で形成されるラビリンスシール隙間５８とでなる。

この場合のラビリンスシール隙間５８の断面形状としてはいくつかの種類があるが、この例では、ラビリンスシール隙間５８を、軸部端面５１から根元円弧面５３に向けて単一に拡径変化する断面円弧状とする。
この他に、図８に示すように、ラビリンスシール隙間５８をＬ字状の断面形状としたものがある。
特開２００５−１４７２９８号公報

上記ラビリンスシール隙間５８の形状として、最もシール性が高いのは、図８のようなＬ字状の断面形状である。しかし、この形状の場合、モーメント荷重が作用すると、ハブ輪４３のラビリンスシール隙間５８を形成する円筒面部４３ａとハブフランジ側面４３ｂとの間の角部４３ｃに応力が集中し、ハブ輪４３の破損に繋がる可能性がある。
図７のように、ラビリンスシール隙間５８を、軸部端面５１から根元円弧面５３に向けて単一に拡径変化する断面円弧状とした場合、上記応力集中の問題が軽減される。しかし、このような断面形状であるとシール性能が低下するため、この設計も最適なものとは言えない。

この発明の目的は、ハブフランジの根元部において、発生応力の緩和およびシール性能の確保が可能な車輪用軸受装置を提供することである。

この発明の車輪用軸受装置は、内周に複列の軌道面を有し車体に取付けられる外方部材と、前記軌道面に対向する複列の軌道面を外周に有しアウトボード側端の外周に車輪取付用のハブフランジを有する内方部材と、これら外方部材と内方部材の軌道面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と内方部材間の軸受空間のアウトボード側端およびインボード側端をそれぞれ密封する密封手段とを備え、前記内方部材が、前記ハブフランジを有するハブ輪とこのハブ輪の軸部のインボード側端の外周に嵌合した内輪とでなる車輪用軸受装置に適用される。
この車輪用軸受装置において、前記外方部材の内径面における、アウトボード側端から前記接触シールが嵌合する位置の近傍までの部分を、接触シール嵌合面より大径の段部に形成し、前記アウトボード側端の密封手段が、前記外方部材に取付けられて先端が前記ハブ輪に接触する接触シールと、この接触シールよりも軸受空間の外側で前記外方部材とハブ輪との間に形成されたラビリンスシール隙間とでなり、前記ハブ輪の軸部のアウトボード側端からハブフランジの側面に続く外面部分が、アウトボード側に至るに従って大径となる軸部端面と、この軸部端面に続く断面円弧状の隅部円弧面と、この隅部円弧面からハブフランジの側面に続く断面円弧状の根元円弧面とでなり、前記ハブ輪の軸部端面を、断面円弧状とし且つ前記接触シールの接触するシール面とし、前記外方部材のアウトボード側の内周面および端面が前記隅部円弧面に近接してこの隅部円弧面と前記外方部材との間で前記外方部材の内径面における前記段部と前記隅部円弧面とが径方向に対向して、径方向のラビリンスシール隙間と、前記外方部材のアウトボード側の端面と前記隅部円弧面とが軸方向に対向して、軸方向のラビリンスシール隙間からなる断面Ｌ字状の隙間を形成する。

この構成によると、ハブ輪の軸部のアウトボード側端からハブフランジの側面に続く外面部分が、アウトボード側に至るに従って大径となる軸部端面と、この軸部端面に続く断面円弧状の隅部円弧面と、この隅部円弧面からハブフランジの側面に続く断面円弧状の根元円弧面とでなり、前記外方部材のアウトボード側の内周面および端面が前記隅部円弧面に近接してこの隅部円弧面と前記外方部材との間で前記ラビリンスシール隙間となる断面Ｌ字状の隙間を形成しており、ラビリンスシール隙間が断面Ｌ字状となるため、優れたシール性能が得られる。すなわち、断面Ｌ字状であると、屈曲点ができるため、浸入しようとする泥水は、上記屈曲点の部分で流れが一度止められるような作用が発生する。そのため、泥水がアウトボードの接触シールに封止部分に浸入し難くなると考えられる。
また、ハブ輪は、軸部のアウトボード側端からハブフランジの側面に続く外面部分が、アウトボード側に至るに従って大径となる軸部端面と、この軸部端面に続く断面円弧状の隅部円弧面と、この隅部円弧面からハブフランジの側面に続く断面円弧状の根元円弧面とでなるため、車輪用軸受装置にモーメント荷重が作用した場合に、ハブフランジの根元部における応力の集中が緩和され、強度、耐久性に優れたものとなる。

この発明において、アウトボード側の転動体列のピッチ円直径を、インボード側の転動体列のピッチ円直径よりも大きくし、かつアウトボード側の転動体列の転動体個数を、インボード側の転動体列の転動体個数よりも多くしても良い。
車輪用軸受で、曲線路の走行時等にアウトボード側に大きな負荷が作用する。この構成では、アウトボード側の転動体列のピッチ円直径を大きくし、またアウトボード側の転動体個数を多くしたため、アウトボード側の軸受剛性や負荷容量が増大する。そのため、シール性、重量、強度、剛性の全てにおいてバランスの取れた最適設計が可能となる。

この発明の車輪用軸受装置は、外方部材と内方部材間のアウトボード側端の密封手段を接触シールとラビリンスシール隙間とで構成し、ハブ輪の軸部のアウトボード側端からハブフランジの側面に続く外面部分が、アウトボード側に至るに従って大径となる軸部端面と、この軸部端面に続く断面円弧状の隅部円弧面と、この隅部円弧面からハブフランジの側面に続く断面円弧状の根元円弧面とでなり、外方部材のアウトボード側の内周面および端面が前記隅部円弧面に近接してこの隅部円弧面と前記外方部材との間で前記ラビリンスシール隙間となる断面Ｌ字状の隙間を形成したため、ハブフランジの根元部における発生応力が緩和され、かつアウトボード側端におけるシール性能が確保される。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この実施形態は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ従動輪支持用の車輪用軸受装置に適用したものである。なお、この明細書において、車両に取付けた状態で車両の車幅方向外側寄りとなる側をアウトボード側と言い、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

この車輪用軸受装置は、内周に複列の軌道面３，４を形成した外方部材１と、これら各軌道面３，４に対向する軌道面５，６を外周に形成した内方部材２と、これら外方部材１および内方部材２の対向する軌道輪３，５間および軌道面４，６間に介在した複列の転動体７，８とで構成される。この車輪用軸受装置は、複列のアンギュラ玉軸受とされ、転動体７，８はボールからなり、各列毎に保持器９，１０で保持されている。上記各軌道面３〜６は断面円弧状であり、これら軌道面３〜６は接触角が背面合わせとなるように形成されている。外方部材１と内方部材２との間の軸受空間のアウトボード側端およびインボード側端は、それぞれ密封手段１１，１２で密封されている。

外方部材１は、固定側の部材となるものであって、車体取付フランジ１ａを有する一体の部材であり、前記車体取付フランジ１ａを介して車体側のナックル（図示せず）にボルト２５で締結される。
内方部材２は、回転側の部材となるものであって、ハブ輪１３と内輪１４とでなり、ハブ輪１３にアウトボード側の軌道面５が、内輪１４にインボード側の軌道面６がそれぞれ形成されている。ハブ輪１３は、その軸部１３ａのアウトボード側端の外周に車輪取付用のハブフランジ１５を有し、軸部１３ａのインボード側端の外周に段差部状に小径となる内輪嵌合面１６を有している。内輪１４は、ハブ輪１３の内輪嵌合面１６に嵌合し、ハブ輪１３の加締部１７によってハブ輪１３に固定されている。加締部１７は、ハブ輪１３のインボード側端に延出させた円筒状部分を外径側へローリング加締等で加締めることで形成される。

図１のＡ部を拡大して図２に示す。同図のように、アウトボード側端の密封手段１１は、外方部材１に取付けられて先端が前記ハブ輪１３に接触する接触シール１８と、この接触シール１８よりも軸受空間の外側にあって、前記外方部材１とハブ輪１３の間に形成されたラビリンスシール隙間２８とでなる。

上記接触シール１８は、円周部１９ａと立板部１９ｂとでなる断面概形がＬ字状の芯金１９と、この芯金１９に固着された弾性部材２０とで構成される。この接触シール１８は、芯金１９の円周部１９ａを外方部材１の内径面に嵌合することで、外方部材１に取付けられている。

外方部材１の内径面における、アウトボード側端から前記接触シール１８が嵌合する位置の近傍までの部分を、接触シール嵌合面より大径の段部１ｂに形成する。
ハブ輪１３の軸部１３ａのアウトボード側端からハブフランジ１５の側面に続く外面部分は、アウトボード側に至るに従って大径となる断面円弧状の軸部端面２１と、この軸部端面２１に続く断面円弧状の隅部円弧面２２と、この隅部円弧面２２からハブフランジ１５の平面状の側面に続く断面円弧状の根元円弧面２３とでなる。

上記接触シール１８の弾性部材２０には、前記ハブ輪１３の軸部端面２１をシール面として、この軸部端面２１に先端が向かう３つのシールリップ２０ａ，２０ｂ，２０ｃが形成されている。そのうち、外方部材１とハブ輪１３の間の軸受空間に対する最内側のシールリップ２０ａを除く各シールリップ２０ｂ，２０ｃは、塵埃，泥水の侵入を防止するダストリップであり、それぞれ先端が軸受空間の外側へ延びるように形成されている。これらダストリップ２０ｂ，２０ｃは、上記軸部端面２１に対して締代を持った状態で接触している。最内側のシールリップ２０ａは、封入グリースの流出を防止するグリースリップであり、その先端が軸受空間の内側に延びるように形成され、上記軸受端面２１に対して締代を持って接触している。

上記ラビリンスシール隙間２８は、外方部材１のアウトボード側の内周面および端面がハブ輪１３の隅部円弧面２２に近接して、この隅部円弧面２２と外方部材１との間で形成される断面Ｌ字状の隙間である。

ハブ輪１３の隅部円弧面２２の最小径部分の径である前記ラビリンス隅円弧開始径Ｒ１と、前記根元円弧面２３の最小径部分の径である根元円弧開始径Ｒ２との半径差（Ｒ２−Ｒ１）は、前記隅部円弧面２２の曲率半径ｒの大きさに対する比（Ｒ２−Ｒ１）／ｒが、０．７５〜１．２５となる寸法関係、つまり次式を満たすように設定されている。
０．７５≦（Ｒ２−Ｒ１）／ｒ≦１．２５……（１）

この構成車輪用軸受装置によると、ハブ輪１３の軸部１３ａのアウトボード側端からハブフランジ１５の側面に続く外面部分が、アウトボード側に至るに従って大径となる軸部端面２１と、この軸部端面２１に続く断面円弧状の隅部円弧面２２と、この隅部円弧面２２からハブフランジ１５の側面に続く断面円弧状の根元円弧面２３とでなり、外方部材１のアウトボード側の内周面および端面が前記隅部円弧面２２に近接してこの隅部円弧面２２と外方部材１との間で前記ラビリンスシール隙間２８となる断面Ｌ字状の隙間を形成しており、ラビリンスシール隙間２８が断面Ｌ字状となるため、優れたシール性能が得られる。すなわち、断面Ｌ字状であると、屈曲点ができるため、浸入しようとする泥水は、上記屈曲点の部分で流れが一度止められるような作用が発生する。そのため、泥水がアウトボードの接触シールによる封止部分に浸入し難くなると考えられる。泥水は、図２の上側に掛かった後、ラビリンスシール隙間２８内を伝わりながら下側に流れて行くため、Ｌ字状であると上記流れを止める作用が生じると考えられる。
また、ハブ輪１３は、軸部１３ａのアウトボード側端からハブフランジ１５の側面に続く外面部分が、アウトボード側に至るに従って大径となる軸部端面２１と、この軸部端面２１に続く断面円弧状の隅部円弧面２２と、この隅部円弧面２２からハブフランジ１５の側面に続く断面円弧状の根元円弧面２３とでなるため、車輪用軸受装置にモーント荷重が作用した場合に、ハブフランジ１５の根元部における応力の集中が緩和され、強度、耐久性に優れたものとなる。

また、この実施形態では、ハブ輪１３の軸部１３ａにおける隅部円弧面２２の最小径部分の径であるラビリンス隅円弧開始径Ｒ１と、根元円弧面２３の最小径部分の径である根元円弧開始径Ｒ２との半径差（Ｒ２−Ｒ１）を、前記隅部円弧面２２の曲率半径ｒの大きさに対して、曲率半径の比率（Ｒ２−Ｒ１）／ｒが、所定の範囲、つまり０．７５〜１．２５の範囲となる寸法関係としたので、アウトボード側端におけるシール性能が確保され、かつハブフランジ１５の根元部における発生応力が緩和される。

すなわち、ラビリンスシール隙間２８が断面Ｌ字状であっても、径方向の外方部材１との対向面が短くなると、入口が広くなり、泥水が入り易くなるため、曲率半径の比率、つまり（Ｒ２−Ｒ１）／ｒを、０．７５以上とすることが好ましい。
隅部円弧面２２の曲率半径ｒが大きくなった場合、隅部円弧面２２と外方部材１の端部内径面との隙間が減り、干渉する可能性があるため、これを回避するために、ラビリンス隅円弧開始径Ｒ１を小さく変更すると、ラビリンスシール隙間２８が大きくなり、シール性が低下すると考えられる。

上記の曲率半径の比率は、根元円弧開始径Ｒ２を変えることなく、ラビリンス隅円弧開始径Ｒ１のみを大きくし、ラビリンス隅円弧開始径Ｒ１と根元開始径Ｒ２との半径差（Ｒ２−Ｒ１）を小さくすることで得られる。これによって、ラビリンス隅部円弧面２２に作用する応力を根元円弧面に分散させ、応力緩和が図れる。つまり、ラビリンス隅円弧開始径Ｒ１を大きくすることで、その部位の強度が向上するため、根元円弧面２３との強度差が縮まり、結果としてラビリンス隅部円弧面２２に集中していた応力が根元円弧面２３に分散し、ラビリンス隅部円弧面２２は応力緩和、強度に余裕のある根元円弧面２３は応力増加する。根元円弧開始径Ｒ２は大きくしないので、車輪用軸受装置の全体の重量増加は最小限に抑えられる。

有限要素法による解析例を表１および図５と共に説明する。

表１は、根元円弧開始径Ｒ２および隅部円弧面２２の曲率半径ｒを一定として、ラビリンス隅円弧開始径Ｒ１を種々変えた場合の隅部円弧面の応力状態につき、比較した例である。
この解析結果によると、（Ｒ２−Ｒ１）／ｒの値が、１．７１の例（解析例１）の発生応力を１（基準）とした場合、（Ｒ２−Ｒ１）／ｒの値がそれぞれ１．２９、１．０８、０．５である解析例２〜４は、それぞれ０．８８、０．７５、０、５３と小さくなっており、（Ｒ２−Ｒ１）／ｒの値が小さくなるに従って発生応力比が小さくなっている。これより、上記曲率半径の比率が１．２５以下であることが、応力比の点で優れていると言える。

図３，図４は、この発明における他の実施形態を示す。この実施形態は、図１，図２と共に前述した第１の実施形態において、アウトボード側の転動体列３ｏのピッチ円直径ＰＣＤｏを、インボード側の転動体列３ｉのピッチ円直径ＰＣＤｉよりも大きくし、かつアウトボード側の転動体列３ｏの転動体７の個数を、インボード側の転動体列３ｉの転動体８の個数よりも多くしたものである。

車輪用軸受では、曲線路の走行時等にアウトボード側に大きな負荷が作用する。この構成では、アウトボード側の転動体列３ｏのピッチ円直径を大きくし、またアウトボード側の転動体７の個数を多くしたため、アウトボード側の軸受剛性や負荷容量が増大する。そのため、シール性、重量、強度、剛性の全てにおいてバランスの取れた最適設計が可能となる。その他の構成，効果は第１の実施実施形態と同様である。

この発明の第１の実施形態にかかる車輪用軸受装置の断面図である。 図１におけるＡ部の拡大断面図である。 この発明の他の実施形態にかかる車輪用軸受装置の断面図である。 図３におけるＢ部の拡大断面図である。 ラビリンス隅Ｒ比と発生応力比の関係を示すグラフである。 従来の車輪用軸受装置の一例の断面図である。 図６におけるＥ部の拡大断面図である。 他の従来例の部分拡大断面図である。

符号の説明

１…外方部材
２…内方部材
３，４…外方部材の軌道面
５，６…内方部材の軌道面
７，８…転動体
１１，１２…密封手段
１３…ハブ輪
１３ａ…ハブ輪軸部
１４…内輪
１５…ハブフランジ
１８…接触シール
２１…軸部端面
２２…隅部円弧面
２３…根元円弧面
２８…ラビリンスシール隙間
ｒ…隅部円弧面２２の曲率半径
Ｒ１…ラビリンス隅円弧開始径
Ｒ２…根元円弧開始径

Claims (2)

1. 内周に複列の軌道面を有し車体に取付けられる外方部材と、前記軌道面に対向する複列の軌道面を外周に有しアウトボード側端の外周に車輪取付用のハブフランジを有する内方部材と、これら外方部材と内方部材の軌道面間に介在した複列の転動体と、前記外方部材と内方部材間の軸受空間のアウトボード側端およびインボード側端をそれぞれ密封する密封手段とを備え、前記内方部材が、前記ハブフランジを有するハブ輪とこのハブ輪の軸部のインボード側端の外周に嵌合した内輪とでなる車輪用軸受装置において、
   前記アウトボード側端の密封手段が、前記外方部材に取付けられて先端が前記ハブ輪に接触する接触シールと、この接触シールよりも軸受空間の外側で前記外方部材とハブ輪との間に形成されたラビリンスシール隙間とでなり、
   前記外方部材の内径面における、アウトボード側端から前記接触シールが嵌合する位置の近傍までの部分を、接触シール嵌合面より大径の段部に形成し、
   前記ハブ輪の軸部のアウトボード側端からハブフランジの側面に続く外面部分が、アウトボード側に至るに従って大径となる軸部端面と、この軸部端面に続く断面円弧状の隅部円弧面と、この隅部円弧面からハブフランジの側面に続く断面円弧状の根元円弧面とでなり、前記ハブ輪の軸部端面を、断面円弧状とし且つ前記接触シールの接触するシール面とし、前記外方部材のアウトボード側の内周面および端面が前記隅部円弧面に近接してこの隅部円弧面と前記外方部材との間で前記外方部材の内径面における前記段部と前記隅部円弧面とが径方向に対向して、径方向のラビリンスシール隙間と、前記外方部材のアウトボード側の端面と前記隅部円弧面とが軸方向に対向して、軸方向のラビリンスシール隙間からなる断面Ｌ字状の隙間を形成したことを特徴とする車輪用軸受装置。
2. 請求項１において、アウトボード側の転動体列のピッチ円直径を、インボード側の転動体列のピッチ円直径よりも大きくし、かつアウトボード側の転動体列の転動体個数を、インボード側の転動体列の転動体個数よりも多くした車輪用軸受装置。

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