JP4752420B2 - 転がり軸受装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受装置及びその製造方法に関する。

従来より、転がり軸受装置においては、軽量化への取り組みが盛んに行われている。特に、軌道輪部材にフランジ部を有する転がり軸受装置については、フランジ部により重量が増加するため、より一層の軽量化が求められる。また、フランジ部は、転がり軸受装置と他の部材とを連結するために設けられるのが通例であるため、高い強度が要求される。
上記のような転がり軸受装置としての、例えば車両用ハブユニットは、自動車の軽量化が強力に推進されるのに伴って、より一層の軽量化が求められている。この車両用ハブユニットは、自動車の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持するためのもので、ホイールやディスクロータなどが取り付けられるフランジ部を有するハブホイールと、このハブホイールを支持する転がり軸受とを有している。
上記の車両用ハブユニットにおいて、軽量化を図るために、フランジ部を含んだハブホイール全体を合成樹脂によって形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１００６０４号公報

ところが、特許文献１に記載のハブユニットは、ハブホイールに芯金などの補強部材が適宜埋め込まれてはいるものの、ハブホイール全体が樹脂によって形成されているので、過度の応力が作用した場合を考慮すると、その強度が必ずしも十分とは言い難い場合があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、強度を確保しつつ軽量化することができるフランジ部付きの転がり軸受装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置であって、前記フランジ部は、圧延比（圧延前の厚さ／圧延後の厚さ）が１５０％以上となるように冷間鍛造加工されていることを特徴とする。
上記のように構成された転がり軸受装置では、フランジ部の圧延比が１５０％以上となるように冷間鍛造加工されるので、加工硬化によって、フランジ部の強度を熱間鍛造加工した場合と比べて１．５倍以上にすることができる。従って、フランジ部の強度を同一に設定した場合には、フランジ部の軸方向厚さを熱間鍛造加工した場合と比べて２／３以下にすることができる。また、上記の圧延比が１５０％未満では、充分な加工硬化を得ることができない。

また、上記の転がり軸受装置において、前記冷間鍛造加工は、冷間揺動鍛造加工であるのが好ましい。
この場合には、冷間揺動鍛造加工によってフランジ部に加えられる応力が高くなるので、当該フランジ部の強度をより一層向上させることができる。また、冷間揺動鍛造加工によって圧延比を大きくすることができるので、粗形品のフランジ部を大きく変形させることができる。従って、鍛造プレス加工によって成形される粗形品のフランジ部の径を、比較的小さくすることが可能となり、その鍛造プレス加工を単発で行うことができる。

また、前記転がり軸受装置は、前記フランジ部に車輪が取り付けられる車両用ハブユニットであるのが好ましい。
この場合には、車輪が取り付けられることから高い強度が求められるフランジ部の強度を向上させることができる。このフランジ部の強度が向上することで、当該フランジ部の重量を軽減させることができるので、ハブユニットを軽量化することが可能となる。従って、自動車の懸架装置におけるばね下重量が軽くなり、走行安定性、乗り心地及び燃費を向上させることができる。

また、本発明の転がり軸受装置の製造方法は、鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置の製造方法であって、前記軌道輪部材の粗形品を鍛造プレス加工によって成形し、前記フランジ部の圧延比が１５０％以上となるように当該粗形品のフランジ部に冷間揺動鍛造加工することを特徴とする。

また、本発明は、鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置であって、前記フランジ部は、加工温度が当該フランジ部を構成する材質のＡ１変態温度以下でかつ、圧延比（圧延前の厚さ／圧延後の厚さ）が１５０％以上となるように鍛造加工されていることを特徴としている。
上記のように構成された転がり軸受装置においても、フランジ部は、鍛造加工されることで、加工硬化が生じ、フランジ部の強度を熱間鍛造加工した場合と比べて１．５倍以上にすることができる。従って、フランジ部の強度を同一に設定した場合には、フランジ部の軸方向厚さを熱間鍛造加工した場合と比べて２／３以下にすることができる。

また、上記の転がり軸受装置において、前記鍛造加工は、揺動鍛造加工であることが好ましく、この場合、上記と同様、揺動鍛造加工によってフランジ部に加えられる応力が高くなるので、当該フランジ部の強度をより一層向上させることができる。また、揺動鍛造加工によって圧延比を大きくすることができるので、鍛造加工前の粗形品におけるフランジ部となる部分を大きく変形させることができる。従って、この粗形品におけるフランジ部となる部分の径を比較的小さくすることが可能となり、粗形品の成形加工を容易にできる。

また、前記転がり軸受装置は、前記フランジ部に車輪が取り付けられる車両用ハブユニットであるのが好ましく、この場合、上記同様、フランジ部の強度を向上させることができ、当該フランジ部の重量を軽減させることができるので、ハブユニットを軽量化することが可能となる。従って、自動車の懸架装置におけるバネ下重量が軽くなり、走行安定性、乗り心地及び燃費を向上させることができる。

また、本発明は、鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置の製造方法であって、前記軌道輪部材の粗形品に対して、加工温度が当該粗形品を構成する材質のＡ１変態温度以下でかつ、圧延比が１５０％以上となるように鍛造加工することで、前記粗形品に前記フランジ部を形成する工程を有していることを特徴としている。
本発明に係る転がり軸受の製造方法によれば、上述したように、フランジ部の強度を同一に設定した場合には、熱間鍛造加工した場合と比べて、フランジ部の軸方向厚さを２／３以下にすることができる。

本発明の転がり軸受装置及びその製造方法によれば、その強度を確保しつつフランジ部の軸方向厚さを薄くすることができるので、当該転がり軸受装置の軽量化を図ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の転がり軸受装置の一実施形態であるハブユニット１が組み込まれた自動車の車輪部Ｗの断面図を示しており、図２は、ハブユニット１の断面を示している。
なお、図１の左右方向がハブユニット１の軸方向であり、図の左側を軸方向内側、右側を軸方向外側という。

図１に示すように、このハブユニット１は、自動車の車輪本体６を懸架装置（図示せず）に対して回転自在に支持するためのもので、転がり軸受３と、転がり軸受３の軌道輪部材となるハブホイール２と、ハブホイール２に一体に設けられた円環状のフランジ部４とを備えている。フランジ部４の軸方向外側の外面４ａには、ディスクブレーキ装置のディスクロータ５と、車輪本体６のホイール６ａとが取り付けられている。

図２を参照して、ハブホイール２は、炭素鋼（例えば、Ｓ５５Ｃ）や軸受用鋼などで構成されたもので、軸方向内側に設けられる小径部７と、小径部７の軸方向内側の端部が径方向外側に屈曲変形されたかしめ部８と、小径部７より径が大きく当該小径部７から軸方向外側に向かって連続して設けられた大径部９とを具備している。また、ハブホイール２における大径部９には、その外周面から径方向外側に延びる上記のフランジ部４が設けられている。このフランジ部４は、冷間揺動鍛造加工されており、大径部９と一体に設けられている。大径部９の軸方向外側端部には、軸方向内側に凹むくりぬき部９１が形成されている。

転がり軸受３は、例えば複列玉軸受で、一対の外輪軌道面１１ａ，１１ｂを有する外輪１２と、内周面がハブホイール２の小径部７の外周面７ａに密接するように挿嵌された内輪部材１３とを備えている。そして、内輪部材１３には、軸方向内側の外輪軌道面１１ａに対向する内輪軌道面１４ａが径方向外側に設けられており、ハブホイール２の大径部１０の外周面１０ａには、軸方向外側の外輪軌道面１１ｂに対向する内輪軌道面１４ｂが設けられている。

また、転がり軸受３には、互いに対向する内外輪軌道面に転動自在に配列された転動体である一対の玉１５と、これらの玉１５をそれぞれ周方向に所定の間隔で保持する一対の保持器１６とが設けられている。
さらに、転がり軸受３は、外輪１２の外周面１２ａから径方向外側に延設されて操舵機構のナックル１７が固定される軸受フランジ１８と、ハブホイール２と外輪１２との間に形成される環状空間Ｂを軸方向両端から密封するシール部材１９とを有している。

次に、上記のハブユニット１の製造方法が有する複数の工程の内の一工程である、ハブホイール２に一体に設けられたフランジ部４を形成する工程について説明する。このフランジ部４は、上述のように冷間揺動鍛造加工によって形成されている。

図３（ａ）は、揺動鍛造加工が完了したハブホイール２（完成品）の断面を示しており、（ｂ）は、揺動鍛造加工する前の粗形品２Ａの断面を示している。
この粗形品２Ａは、熱間鍛造プレス加工が施されたもので、別ラインの油圧式の鍛造プレス機（図示せず）によって、単発（１回のプレス鍛造）で成形されている。なお、図３における上下方向がハブユニット１の軸方向であり、図３の上側が図１，２における軸方向外側、図３の下側が図１，２における軸方向内側に該当する。また、図３（ａ）の完成品２は、かしめ部８の加工が行われていない状態を示している。

図３（ｂ）に示すように、粗形品２Ａは、軸方向下側に設けられる小径部２１と、小径部２１より径が大きく当該小径部２１から軸方向上側に向かって連続して設けられた大径部２２と、大径部２２の軸方向上側の外周面２２ａから径方向外側かつ軸方向上側へ延びる粗形品フランジ部２３とを有している。粗形品フランジ部２３は、完成品２のフランジ部４に対して径が小さく、軸方向厚さｔ２が完成品２の軸方向厚さｔ１より厚く形成されている。
なお、図３（ｂ）に示す粗形品２Ａの時点において、当該粗形品２Ａの小径部２１及び大径部２２は、図３（ａ）に示す完成品２の小径部７及び大径部９と一致した形状に形成されている。

図４（ａ），（ｂ）は、粗形品２Ａの粗形品フランジ部２３が、冷間揺動鍛造加工によって完成品２のフランジ部４に成形される過程を示している。なお、図４における揺動鍛造機２４は、上下型２５，２６のみを示すに留めており、その他の構成機器は図示を省略している。
図４に示すように、冷間揺動鍛造加工には、揺動鍛造機２４が用いられており、この揺動鍛造機２４には、粗形品２Ａの軸方向上側で揺動運動する上型２５と、粗形品フランジ部２３を支持すべく上型２５と軸方向に対向して配置された下型２６とが設けられている。下型２６は、油圧によって軸方向上下に移動可能であり、上型２５との間で粗形品２Ａを加圧できるようになっている。

上型２５は、その軸方向下側にすり鉢状のノーズ部２７が設けられており、そのノーズ部２７の軸方向下側の成形面２７ａには、成形しようとする形状が転写されている。
ノーズ部２７を有する上型２５は、その軸（揺動軸）Ｙが鉛直軸Ｚに対して所定の角度θで傾斜しており、この角度θを維持した状態で鉛直軸Ｚ周りに回転して揺動運動するようになっている。この揺動運動の揺動モーションは、円モーションであり、揺動中心点は、任意の位置となる。

下型２６は、粗形品２Ａの大径部２２を挿通可能な貫通孔２８が形成されており、この貫通孔２８を形成する下型縁部２６ａが、粗形品フランジ部２３を軸方向下側から支持している。そして、下型２６は、粗形品２Ａを支持しつつ上型２５に向かって所定の圧力で加圧している。
上記のように、粗形品フランジ部２３が、上型２５のノーズ部２７と下型２６との間で加圧された状態で、ノーズ部２７が鉛直軸Ｚを中心に円モーションの揺動運動を行う。この揺動運動によって、粗形品フランジ部２３の軸方向上側の鍛造面２３ａと、ノーズ２７の成形面２７ａとが局部的に接触し、この接触部分が周方向に連続的に移動する。このようにして、粗形品フランジ部２３に、円周方向の局部的な鍛造加工が連続して施される。そして、粗形品フランジ部２３は、揺動運動が周回するごとに外径が徐々に大きくなるとともに、軸方向厚さが徐々に薄くなるように変形する。この工程は、粗形品フランジ部２３の軸方向厚さｔ１（図３参照）を完成品２のフランジ部４の軸方向厚さｔ２（図３参照）で除した値で表される圧延比が１５０％以上となるように繰り返し連続して行われ、粗形品フランジ部２３が、完成品２のフランジ部４へと成形される。上記の圧延比を１５０％以上とするのは、圧延比が１５０％未満では充分な加工硬化を得ることができないからである。また、その圧延比は、２５０％以下であるのが好ましい。圧延比が２５０％を超えると、フランジ部４の厚さが小さくなり過ぎて圧延割れが生じるからである。

上記のように製造されたハブユニット１のフランジ部４は、冷間鍛造加工による加工硬化によってその強度を向上させることができる。具体的には、冷間鍛造加工によって成形されたフランジ部４は、繊維状組織が切断されることなく組織が微細化されるので、フランジ部４の強度を熱間鍛造加工する場合と比べて１．５倍以上にすることができる。
本願発明者による試験結果では、フランジ部４を熱間鍛造加工で形成した場合には、フランジ部４の硬さが１５〜２３ＨＲＣであったのに対して、フランジ部４を冷間鍛造加工で形成した場合には、フランジ部４の硬さが３３ＨＲＣ以上となった。つまり、冷間鍛造加工で形成したフランジ部４は、熱間鍛造加工で形成したフランジ部４に比べてその硬さが１．５倍以上に向上する。すなわち、フランジ部４の強度が１．５倍以上に向上する。

また、強度が向上することで、フランジ部４の厚さを薄くすることが可能となり、熱間鍛造加工する場合に比べて２／３以下の厚さにすることができる。そして、フランジ部４の厚さを薄くすることで、ハブユニット１の材料コストを削減することができる。すなわち、ハブユニット１の構造強度を確保しつつ、軽量化を図ることができるので、懸架装置におけるばね下重量が軽くなり、自動車の走行安定性、乗り心地及び燃費を向上させることができる。

また、冷間揺動鍛造加工によってフランジ部４に加えられる応力がより一層大きくなるので、フランジ部４の加工硬化による強度の向上がより一層大きくなる。従って、フランジ部４の厚さを薄くしてもハブユニット１の構造強度を充分に確保することができる。さらに、冷間揺動鍛造加工を採用することによって圧延比を大きくすることができるので、粗形品２Ａのフランジ部２３を大きく変形させることができる。従って、鍛造プレス加工によって成形される粗形品２Ａのフランジ部２３の径を、比較的小さくすることが可能となり、粗形品２Ａの鍛造プレス加工を単発で行うことができる。さらに、粗形品フランジ部２３を成形するためのプレス圧力も、より小さくすることが可能となり、粗形品２Ａを成形する鍛造プレス機を小型化することができる。従って、設備費を大幅に削減することができるとともに、コスト削減に大きく貢献することができる。

また、本実施形態におけるフランジ部４の鍛造加工は、上述のように、常温域で行われる冷間鍛造によって行ったので、鍛造加工に伴う加工硬化が顕著に得られ、フランジ部４の強度をより一層向上させることができる。
なお、フランジ部４を成形するための揺動鍛造加工は、その加工温度を粗形品２Ａの材質におけるＡ１変態温度（炭素鋼の場合、７２３℃）以下に設定して行えばよく、この加工温度の範囲で、鍛造加工すれば加工硬化によってその強度を向上させることができる。強度が向上することで、フランジ部４の強度を同一に設定した場合には、フランジ部４の厚さを薄くすることが可能となり、熱間鍛造加工する場合に比べて２／３以下の厚さにすることができる。このように、強度を確保しつつフランジ部４の厚さを薄くすることができるので、上記実施形態にて示した冷間鍛造加工の場合と同様、ハブユニット１全体として軽量化を図ることができる。また、フランジ部４の厚さを薄くすることで、ハブユニット１の材料コストを削減することもできる。

例えば、炭素鋼の場合、Ａ１変態温度は７２３℃であり、この温度以下の範囲で比較的高い温度領域、例えば４００〜７２３℃の範囲に加工温度を設定して鍛造加工を行ってもよい。上記のような加工温度範囲とした、いわゆる温間鍛造加工によれば、被加工材の加工硬化を得ることができるとともに、被加工材の塑性変形が容易になる等、加工性を向上させることができる。
すなわち、フランジ部４の鍛造加工を温間鍛造加工とすることで、加工硬化によってフランジ部４の強度を向上させつつ、鍛造加工時の加工性を向上させることができるので、鍛造時に加圧する際の荷重を小さくすることができる。これによって、より小型の油圧プレス器等で鍛造加工が可能となり、さらなる低コスト化が可能となる。

さらに、揺動鍛造加工によって圧延比を大きくすることができるので、粗形品２Ａの粗形品フランジ部２３を大きく変形させることができる。従って、粗形品フランジ部２３の径を比較的小さくすることが可能となり、これによって、粗形品２Ａを得る際の鍛造プレス加工を単発で行うことができる等、粗形品２Ａの成形加工を容易にできる。さらに、粗形品フランジ部２３の径を小さくできるので、粗形品２Ａを成形する鍛造プレス機を小型化することができる。従って、設備費を大幅に削減することができるとともに、コスト削減に大きく貢献することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態において、粗形品２Ａは、熱間鍛造プレス加工による成形によって得られたものを用いたが、例えば、冷間あるいは温間鍛造加工によって成形しても良いし、鋳造及び旋削等の加工によって成形しても良い。
また、本発明のハブユニット１（転がり軸受装置）は、フランジ部４を有するものであれば良く、自動車のハブユニットとして用いられるものに限定するものではない。また、フランジ部４は、外輪１２の外周面に設けられてもよい。

ハブユニットが組み込まれた自動車の車輪部の部分断面図である。 ハブユニットの部分断面図である。 （ａ）は、ハブホイールを示す断面図であり、（ｂ）は、粗形品を示す断面図である。 フランジ部の成形過程を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ ハブユニット（転がり軸受装置）
２ ハブホイール（軌道輪部材）
２Ａ （ハブホイールの）粗形品
３ 複列玉軸受（転がり軸受）
４ フランジ部
６ 車輪本体（車輪）
２３ 粗形品フランジ部

Claims (8)

1. 鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置であって、
   前記フランジ部は、圧延比（圧延前の厚さ／圧延後の厚さ）が１５０％以上となるように冷間鍛造加工されていることを特徴とする転がり軸受装置。
2. 前記冷間鍛造加工は、冷間揺動鍛造加工であることを特徴とする請求項１に記載の転がり軸受装置。
3. 前記転がり軸受装置は、前記フランジ部に車輪が取り付けられる車両用ハブユニットであることを特徴とする請求項１または２に記載の転がり軸受装置。
4. 鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置の製造方法であって、
   前記軌道輪部材の粗形品を鍛造プレス加工によって成形し、前記フランジ部の圧延比が１５０％以上となるように当該粗形品のフランジ部に冷間揺動鍛造加工することを特徴とする転がり軸受装置の製造方法。
5. 鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置であって、
   前記フランジ部は、加工温度が当該フランジ部を構成する材質のＡ１変態温度以下でかつ、圧延比（圧延前の厚さ／圧延後の厚さ）が１５０％以上となるように鍛造加工されていることを特徴とする転がり軸受装置。
6. 前記鍛造加工は、揺動鍛造加工であることを特徴とする請求項５に記載の転がり軸受装置。
7. 前記転がり軸受装置は、前記フランジ部に車輪が取り付けられる車両用ハブユニットであることを特徴とする請求項５又は６に記載の転がり軸受装置。
8. 鍛造加工によりフランジ部が一体に形成された軌道輪部材を備えている転がり軸受装置の製造方法であって、
   前記軌道輪部材の粗形品に対して、加工温度が当該粗形品を構成する材質のＡ１変態温度以下でかつ、圧延比が１５０％以上となるように鍛造加工することで、前記粗形品に前記フランジ部を形成する工程を有していることを特徴とする転がり軸受装置の製造方法。

Images