JP4603304B2 - 密封型転がり軸受 - Google Patents

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Description

本発明は、軸受空間をシールで密封した密封型転がり軸受に関する。
外部からの異物の侵入と、内部に封入されたグリース等の潤滑剤の漏洩を防止するために軸受空間をシールで密封した密封型転がり軸受には、外輪または内輪のいずれか一方の軌道輪にシール部材を固定し、このシール部材に設けたシールリップを対向する他方の軌道輪の金属面、またはこの他方の軌道輪に取り付けたスリンガ等の部材の金属面に摺接させるようにしたものがある。
この種の密封型転がり軸受でシール性能を確保するためには、ゴム等で形成されたシールリップを十分に高い接触圧力で金属面に摺接させる必要がある。シールリップを内側リップ、外側リップおよび先端を２方向に分岐させた中間リップの複数のリップを有するものとし、シールリップが摺接するシール部位を増加させてシール性能を確保するようにしたものもある（例えば、特許文献１参照）。
近年、密封型転がり軸受を用いる自動車の車輪軸受装置を始めとする各種機器装置では、省燃費等の省エネルギ化の要求がますます強くなっており、シール性能を確保した上で、軸受のトルクロスを小さくすることが望まれている。しかしながら、上述したように、シール性能を確保するために、シールリップの接触圧力を高くしたり、リップの数を増やしたりすると、シールリップの金属面への摺接に伴う摩擦トルクが大きくなって、軸受のトルクロスが大きくなる問題がある。
この問題に対して、シール部材の最外周に位置するシールリップが摺接する金属面に、硬化処理または耐食性や防錆性のある硬質皮膜を施して、この金属面における耐アブレッシブ摩耗性や耐腐食摩耗性を向上させ、金属面の摩耗量を低減して、シール性能を確保するとともに、シールリップの初期締め代を小さくして、シールリップの金属面への摺接に伴う摩擦トルクを低減することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載されたものは、特に寒冷地を走行する自動車の車輪軸受装置のように、泥水や融雪剤等の塩分を含む水に曝される泥塩水環境下で使用される密封型転がり軸受で、シールリップが摺接する金属面の摩耗量を低減できるとしている。
特開昭５５−６３０１０号公報（第２−３頁、第１−７図） 特開２００３−２６２２３１号公報（第３−６頁、第１−１６図）
特許文献２に記載されたシールリップが摺接する金属面に硬化処理または硬質皮膜を施して、金属面の摩耗量を低減する方法は、軌道輪やスリンガ等は、シールリップが摺接する金属面を硬化されて用いられるのが一般的であり、これらの金属面の摩耗量は元々少ないので、シールリップの初期締め代を小さくできることにはならない。例えば、特許文献２で推奨されている硬化処理としての硬質クロムメッキの表面硬さはＨｖ８００〜９００程度、無電解ニッケルめっきの表面硬さはＨｖ５００〜８００程度であり、一般的な軸受軌道輪の表面硬さとあまり変わらない。
また、シールリップを形成するゴム等と金属との摩擦係数は、金属の表面硬さとは無関係である。したがって、特許文献２に記載された方法では、シールリップの金属面への摺接に伴う摩擦トルクを効果的に低減することはできない。
そこで、本発明の課題は、シール性能の確保とトルクロスの低減を両立できる密封型転がり軸受を提供することである。
上記の課題を解決するために、本発明は、外輪または内輪のいずれか一方の軌道輪にシール部材を固定し、このシール部材に設けたシールリップを対向する他方の軌道輪の金属面、または他方の軌道輪に取り付けた部材の金属面に摺接させて軸受空間を密封した密封型転がり軸受において、前記シールリップが摺接する金属面に、この金属面と同等以上の硬度を有する粒径が２０〜２００μｍの微小ショットを噴射速度５０ｍ／秒以上で噴射する微小ショットピーニング処理を施し、前記微小ショットの素材を二硫化モリブデンとした構成を採用した。
前記微小ショットピーニング処理は金属成品の表面改質手段として注目されており、金属成品と同等以上の硬度を有する粒径が２０〜２００μｍの微小ショットを噴射速度５０ｍ／秒以上で噴射することにより、比熱の小さい金属成品の表面温度を、鉄系の金属成品の場合はＡ３変態点以上に、非鉄系の金属成品の場合は再結晶温度以上に、瞬時に急熱、急冷することを繰り返し、ピーニングによる加工硬化とともに、溶体化、再結晶化、結晶粒の微細化等を行なえることが知られている。また、金属面と同等以上の硬度を有する微小ショットを高速で金属面に噴射すれば、金属面に微細な凹凸が形成される。
本発明者は、このような微小ショットピーニング処理の特性に鑑みて、微小ショットピーニング処理を密封型転がり軸受のシールリップが摺接する金属面に施せば、上述した表面改質効果によって微細な凹凸が摩耗することなく保持され、この微細な凹凸による潤滑剤の保持効果によって、シール性能を確保できる十分な接触圧力でシールリップを金属面に摺接させても、摺接に伴う摩擦トルクを低減できると推察した。この推察に基づいて、後述するように、外径面に微小ショットピーニング処理を施した筒状試験片を回転軸に取り付け、この筒状試験片の外径面へのゴム製リップの摺接に伴う摩擦トルクの変化を測定することにより、上記推察の正しいことが確認されたので、密封型転がり軸受のシール性能の確保とトルクロスの低減を両立する手段として、上述した構成を採用した。
前記微小ショットの素材を二硫化モリブデンとすることにより、固体潤滑作用のある二硫化モリブデンを金属面に付着させて、シールリップの摺接に伴う摩擦トルクをより低減することができる。
前記シールリップと摺接する側の他方の軌道輪の軌道面を、前記金属面に微小ショットピーニング処理が施された後で研磨仕上げすることにより、微小ショットが反射等によって軌道面に衝突しても、軌道面を適正な仕上げ面とすることができる。
上述した各密封型転がり軸受は、内周に複列の軌道面を有する外輪としての外方部材と、これらの複列の軌道面と対向する軌道面を有する内輪としての内方部材を備え、前記外方部材と内方部材のいずれか一方に車輪取り付けフランジが設けられた車輪軸受装置に用いられるものに好適である。
本発明の密封型転がり軸受は、シールリップが摺接する金属面に、この金属面と同等以上の硬度を有する粒径が２０〜２００μｍの微小ショットを噴射速度５０ｍ／秒以上で噴射する微小ショットピーニング処理を施し、シールリップの摺接に伴う摩擦トルクを低減できるようにしたので、シール性能の確保とトルクロスの低減を両立することができる。
前記微小ショットの素材を二硫化モリブデンとすることにより、固体潤滑作用のある二硫化モリブデンを金属面に付着させて、シールリップの摺接に伴う摩擦トルクをより低減することができる。
前記シールリップと摺接する側の他方の軌道輪の軌道面を、金属面に微小ショットピーニング処理が施された後で研磨仕上げすることにより、微小ショットが反射等によって軌道面に衝突しても、軌道面を適正な仕上げ面とすることができる。
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態を示す。この密封型転がり軸受は、外輪１と内輪２の軌道面１ａ、２ａ間に複数のボール３が保持器４で保持された深溝玉軸受であり、外輪１の内径面両端部に形成された各溝１ｂに、合成ゴムで形成された芯金５ａ付きのシール部材５が嵌め込まれて固定され、シール部材５の先端に設けられた２つのシールリップ５ｂが、内輪２の外径面両端部に形成された各溝２ｂの両側縁部に摺接されて、グリースが充填された軸受空間が密封されている。
前記外輪１と内輪２は軸受鋼ＳＵＪ２で形成され、それぞれの各溝１ｂ、２ｂは旋削仕上げされているが、各シールリップ５ｂが摺接される内輪２の各溝２ｂが形成された外径面両端部は、旋削仕上げの後で、粒径が２０〜２００μｍの二硫化モリブデンの微小ショットを噴射速度５０ｍ／秒以上で噴射する微小ショットピーニング処理を施されている。また、内輪２の軌道面２ａは、この微小ショットピーニング処理の後で、スーパ加工により研磨仕上げされている。
図２および図３は、第２の実施形態を示す。この密封型転がり軸受は、内周に複列の軌道面１１ａを有する外輪としての外方部材１１と、これらの複列の軌道面１１ａと対向する軌道面１２ａを有する２つの内輪１２で形成された内方部材を備え、外方部材１１に車輪取り付けフランジ１７が設けられた車輪軸受装置に用いられたものであり、各軌道面１１ａ、１２ａ間に複列のボール１３が保持器１４で保持され、軸受空間のインナー側とアウター側がそれぞれシール１５、１６で密封されている。なお、ここでインナー側とは車輪軸受装置を自動車に取り付けた状態で車体中央側を言い、アウター側とは車体外側を言う。
前記車輪軸受装置は従動輪用のものであり、各内輪１２が外嵌された車軸１８のフランジ１９がボルト２０で車体側との連結部材２１に固定され、外方部材１１の車輪取り付けフランジ１７に車輪２２がボルト２３で取り付けられている。また、フランジ１７にはドラムブレーキ用ブレーキロータ２４も取り付けられ、フランジ１９には、軸受部の外周側を覆うカバー部材２５が取り付けられている。フランジ１７と一緒に回転するブレーキロータ２４の先端部には２つの凹部２４ａ、２４ｂが設けられ、フランジ１９に固定されたカバー部材２５の先端部に設けられた２つの張り出し部２５ａ、２５ｂが各凹部２４ａ、２４ｂに差し込まれて、軸受部のインナー側に泥水等が侵入しないように、軸受部の外周側が密閉されている。また、外方部材１１のアウター側にはキャップ２６が取り付けられ、軸受部のアウター側からも泥水等が侵入しないようになっている。
図３は、前記軸受空間のインナー側を密封するシール１５を拡大して示す。このシール１５は、外方部材１１の内径面のインナー側端部に内嵌され、合成ゴムで形成された芯金２７ａ付きのシール部材２７と、インナー側内輪１２の外径面端部に外嵌された断面Ｌ字状の環状スリンガ２８とから成り、シール部材２７に設けられた３つのシールリップ２７ｂが、スリンガ２８の側板部２８ａの１箇所と円筒部２８ｂの２箇所で摺接されて、シール部が３重に形成されるようになっている。図示は省略するが、軸受空間のアウター側を密封するシール１６も同様の構成となっている。
前記スリンガ２８はステンレス鋼板ＳＵＳ３０４をプレス加工して形成され、各シールリップ２７ｂが摺接する側板部２８ａの内面と円筒部２８ｂの外径面は、粒径が２０〜２００μｍの二硫化モリブデンの微小ショットを噴射速度５０ｍ／秒以上で噴射する微小ショットピーニング処理を施されている。
図４は、第３の実施形態を示す。この密封型転がり軸受も、第２の実施形態のものと同様に、車輪軸受装置に用いられたものであり、内周に複列の軌道面３１ａを有する外方部材３１と、アウター側の軌道面３１ａと対向する軌道面３２ａを有するハブ輪３２と、ハブ輪３２に外嵌され、インナー側の軌道面３１ａと対向する軌道面３３ａを有する内輪３３とを備え、複列のボール３４が保持器３５で保持された軸受空間のインナー側とアウター側が、それぞれシール３６、３７で密封されている。この車輪軸受装置は駆動輪用のものであり、ハブ輪３２に車輪取り付けフランジ３８が設けられ、外方部材３１に車体側への取り付けフランジ３９が設けられている。なお、この実施形態では、ハブ輪３２と内輪３３とで内方部材を形成している。
前記インナー側のシール３６は、外方部材３１の内径面に設けられた溝３１ｂに嵌め込まれた芯金４０ａ付きのシール部材４０と、内輪３３の外径面に設けられた溝３３ｂに嵌め込まれた芯金４１ａ付きのシール部材４１とから成り、シール部材４０に設けられた３つのシールリップ４０ｂのうちの外側の１つがシール部材４１の芯金４１ａに摺接され、内側の２つが内輪３３の外径面に摺接されるとともに、シール部材４１に設けられた１つのシールリップ４１ｂが外方部材３１の内径面に摺接されるようになっている。なお、各シール部材４０、４１は合成ゴムで形成され、各芯金４０ａ、４１ａは鋼板で形成されている。
前記アウター側のシール３７は、外方部材３１に内嵌された芯金４２ａ付きのシール部材４２と、ハブ輪３２に外嵌された断面フ字状の環状スリンガ４３とから成り、シール部材４２に設けられた３つのシールリップ４２ｂが、スリンガ４３の傾斜側板部４３ａの２箇所と円筒部４３ｂの１箇所で摺接されている。このシール部材４２も合成ゴムで形成され、スリンガ４３はステンレス鋼板ＳＵＳ３０４で形成されている。
前記各シールリップ４０ｂ、４１ｂ、４２ｂが摺接される芯金４１ａの表面、内輪３３の外径面、外方部材３１の内径面およびスリンガ４３の表面は、第２の実施形態のものと同様の微小ショットピーニング処理を施されている。また、軸受鋼ＳＵＪ２で形成された外方部材３１と内輪３３の各軌道面３１ａ、３３ａは、この微小ショットピーニング処理の後で、スーパ加工により研磨仕上げされている。
図５は、第４の実施形態を示す。この密封型転がり軸受も、第３の実施形態のものと同様に、駆動輪用の車輪軸受装置に用いられたものであり、内周に複列の軌道面５１ａを有する外方部材５１と、アウター側の軌道面５１ａと対向する軌道面５２ａを有するハブ輪５２と、ハブ輪５２に外嵌され、インナー側の軌道面５１ａと対向する軌道面５３ａを有する内輪５３とを備え、複列のボール５４が保持器５５で保持された軸受空間のインナー側とアウター側が、それぞれシール５６、５７で密封されている。この実施形態では、内方部材としてのハブ輪５２と内輪５３が等速自在継手の外輪５８に外嵌され、ハブ輪５２に車輪取り付けフランジ５９が、外方部材５１に車体側への取り付けフランジ６０が設けられている。
前記インナー側のシール５６は、第２の実施形態の各シール１５、１６と同様に、芯金６１ａ付きのシール部材６１と断面Ｌ字状の環状スリンガ６２とから成り、シール部材６１の３つのシールリップ６１ｂがスリンガ６２に３箇所で摺接されている。また、アウター側のシール５７は、外方部材５１に内嵌された芯金６３ａ付きのシール部材６３から成り、シール部材６３に設けられた３つのシールリップ６３ｂが、ハブ輪５２の車輪取り付けフランジ５９が設けられたコーナＲ部に摺接されている。各シール部材６１、６３は合成ゴムで形成され、スリンガ６２はステンレス鋼板ＳＵＳ３０４で形成されている。
前記各シールリップ６１ｂ、６３ｂが摺接されるスリンガ６２の表面と、軸受鋼ＳＵＪ２で形成されたハブ輪５２のコーナＲ部は、第２の実施形態のものと同様の微小ショットピーニング処理を施されている。この実施形態では、コーナＲ部に微小ショットピーニング処理を施されたハブ輪５２の軌道面５２ａが、後でスーパ加工により研磨仕上げされている。なお、ハブ輪５２のコーナＲ部から軌道面５２ａを含めて、内輪５３が外嵌された円筒面に亘る領域には高周波焼入れが施され、その表面がＨＲＣ６０〜６２に硬化されている。
上述した各実施形態では、微小ショットピーニング処理に用いる微小ショットの素材を二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）としたが、微小ショットは処理される軌道輪やスリンガ等の金属面と同等以上の硬度を有するものであればよく、二硫化タングステン（ＷＳ2）や窒化ボロン（ＢＮ）等の素材のものを用いることもできる。また、本発明に係る密封型転がり軸受は玉軸受に限定されることはなく、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受等の他の種類の転がり軸受にも適用することができる。さらに、車輪軸受装置に用いられるものも、第２乃至第４の実施形態のものに限定されることはない。
実施例として、ステンレス鋼板ＳＵＳ３０４で形成され、外径面に粒径が２０〜２００μｍの二硫化モリブデンの微小ショットを噴射速度５０ｍ／秒以上で噴射する微小ショットピーニング処理を施された筒状試験片を用意した。また、比較例として、ステンレス鋼板ＳＵＳ３０４で形成され微小ショットピーニング処理を施さない筒状試験片も用意した。これらの実施例と比較例の筒状試験片を回転試験機の回転軸に外嵌し、その外径面に合成ゴムで形成されたリップを一定の接触圧力で摺接させて、摩擦トルクの変化を測定する摩擦トルク測定試験を行った。回転軸の回転速度は低速の３００ｒｐｍと高速の１５００ｒｐｍに切り替え、摺接面の潤滑条件も筒状試験片の外径面にグリースを塗布したグリース有とグリース無とに切り替えた。
図６のグラフは、上記摩擦トルク測定試験における摩擦トルクの測定結果を示す。縦軸は、回転速度が３００ｒｐｍでグリース有のときの比較例のものの最小摩擦トルクを基準値の１．０とする相対摩擦トルクで表した。比較例のグリース無のものは、相対摩擦トルクが２．０程度で変動も大きい。また、比較例のグリース有のものは、高速の１５００ｒｐｍになると相対摩擦トルクが１．５程度に上昇している。これに対して、実施例のものは、グリース有の場合は、低高速とも相対摩擦トルクが０．５程度と非常に低くて変動も小さく、グリース無の場合であっても相対摩擦トルクが０．８以下で、グリース有の比較例のものよりも低い。
通常、密封型転がり軸受の軸受空間にはグリース等の潤滑剤が充填されているので、実際の使用条件に近いグリース有の摺接面の潤滑条件で、実施例と比較例の摩擦トルクを低速と高速の場合について比較すると、実施例の摩擦トルクは、低速の３００ｒｐｍの場合で約１／２、高速の１５００ｒｐｍの場合で約１／３に低減されている。これらの結果より、リップが摺接する金属面に微小ショットピーニング処理を施した実施例のものは、著しい摩擦トルクの低減効果があることが確認され、シール性能の確保のためにシールリップの接触圧力を十分に高くしても、密封型転がり軸受のトルクロスを大幅に低減できるようになった。
第１の実施形態の密封型転がり軸受を示す一部省略縦断面図 第２の実施形態の密封型転がり軸受を用いた車輪軸受装置を示す一部省略縦断面図 図２の要部拡大縦断面図 第３の実施形態の密封型転がり軸受を用いた車輪軸受装置を示す一部省略縦断面図 第４の実施形態の密封型転がり軸受を用いた車輪軸受装置を示す一部省略縦断面図 摩擦トルク測定試験における摩擦トルクの測定結果を示すグラフ
符号の説明
１ 外輪
２ 内輪
１ａ、２ａ 軌道面
１ｂ、２ｂ 溝
３ ボール
４ 保持器
５ シール部材
５ａ 芯金
５ｂ シールリップ
１１ 外方部材
１２ 内輪
１１ａ、１２ａ 軌道面
１３ ボール
１４ 保持器
１５、１６ シール
１７ フランジ
１８ 車軸
１９ フランジ
２０ ボルト
２１ 連結部材
２２ 車輪
２３ ボルト
２４ ブレーキロータ
２４ａ、２４ｂ 凹部
２５ カバー部材
２５ａ、２５ｂ 張り出し部
２６ キャップ
２７ シール部材
２７ａ 芯金
２７ｂ シールリップ
２８ スリンガ
２８ａ 側板部
２８ｂ 円筒部
３１ 外方部材
３２ ハブ輪
３３ 内輪
３１ａ、３２ａ、３３ａ 軌道面
３１ｂ、３３ｂ 溝
３４ ボール
３５ 保持器
３６、３７ シール
３８、３９ フランジ
４０、４１、４２ シール部材
４０ａ、４１ａ、４２ａ 芯金
４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ シールリップ
４３ スリンガ
４３ａ 傾斜側板部
４３ｂ 円筒部
５１ 外方部材
５２ ハブ輪
５３ 内輪
５１ａ、５２ａ、５３ａ 軌道面
５４ ボール
５５ 保持器
５６、５７ シール
５８ 外輪
５９、６０ フランジ
６１、６３ シール部材
６１ａ、６３ａ 芯金
６１ｂ、６３ｂ シールリップ
６２ スリンガ

Claims (2)

  1. 外輪または内輪のいずれか一方の軌道輪にシール部材を固定し、このシール部材に設けたシールリップを対向する他方の軌道輪の金属面、または他方の軌道輪に取り付けた部材の金属面に摺接させて軸受空間を密封した密封型転がり軸受において、前記シールリップが摺接する金属面に、この金属面と同等以上の硬度を有する粒径が２０〜２００μｍの微小ショットを噴射速度５０ｍ／秒以上で噴射する微小ショットピーニング処理を施し、前記微小ショットの素材を二硫化モリブデンとするとともに、前記シールリップと摺接する側の他方の軌道輪の軌道面を、前記金属面に微小ショットピーニング処理が施された後で研磨仕上げしたことを特徴とする密封型転がり軸受。
  2. 前記密封型転がり軸受が、内周に複列の軌道面を有する外輪としての外方部材と、これらの複列の軌道面と対向する軌道面を有する内輪としての内方部材を備え、前記外方部材と内方部材のいずれか一方に車輪取り付けフランジが設けられた車輪軸受装置に用いられるものである請求項１に記載の密封型転がり軸受。
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