JP5365831B2 - 車輪用転がり軸受装置の熱処理方法と内軸の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の懸架装置に車輪を回転自在に支持するための、車輪用転がり軸受装置の、軌道面に対する熱処理方法と、前記熱処理方法に用いる内軸の冷却装置に関するものである。

図１は、近年普及しつつある車輪用転がり軸受装置１の一例を示す断面図である。図１を参照して、この例の車輪用転がり軸受装置１は、筒状の外輪２と、前記筒に挿通されて外輪２と同軸に配置された内軸３と、前記外輪２と内軸３との間に介在された複数個の転動体４とを備えている。
外輪２の筒の内周には、転動体４を転動可能に支持する複列（図では２列）の軌道面５、６が形成されている。また筒の外周には、その周方向の複数箇所（図では１箇所のみ記載している）から筒の径方向外方へ向けて突設された、懸架装置への取り付けのための複数個の突出部７を有するフランジ８が、前記筒と一体に形成されている。

内軸３の外周面には、軌道面５と対向し、前記軌道面５との間に転動体４を転動可能に支持する軌道面１３が形成されている。内軸３の外周の、軌道面６と対向する位置には軌道輪１４が嵌め合わされており、前記軌道輪１４の外周に、軌道面６と対向し、前記軌道面６との間に転動体４を転動可能に支持する軌道面１５が形成されている。
内軸３には、前記内軸３の径方向外方へ向けて突設された、車輪やブレーキディスク等を取り付けるためのフランジ１９が一体に形成されている。またフランジ１９の、軌道面１３が形成された側と反対側の側面には、前記側面から内軸３の軸方向に突設させて、ブレーキディスクを嵌め合わせるための筒状のいんろう部２１が一体に形成されている。

前記内軸３は、鋼材を熱間鍛造加工等してそのもとになるワークを形成し、前記ワークの軌道面１３を熱処理して、前記軌道面１３を含む領域に所定の厚みを有する硬化層を形成した後、必要に応じて表面を研磨して製造される。熱処理としては、やはり高周波焼入れが広く採用される。
前記内軸３には、いんろう部２１をブレーキディスクに嵌め合わせた状態で、フランジ１９の、図において左側の側面に、前記ブレーキディスクと車輪とが取り付けられるため、前記側面ができる限り平面であると共に、いんろう部２１に歪みがないことが求められる。ところが、前記軌道面１３を熱処理すると、フランジ１９に歪みを生じて、前記側面の平面性が低下したり、いんろう部２１が歪んだりするおそれがある。

すなわち熱処理の熱は、フランジ１９の、軌道面１３に近い基部から周縁部へ向けて徐々に伝達されるため、前記基部側と周縁部側とで不均一な膨張を生じて内部応力が発生し、水をシャワー状に吹き付けて冷却をした際に異状変形して歪みを生じると共に、側面の平面性が低下するおそれがある。また、フランジ１９が歪むことで、前記フランジ１９と一体に形成されたいんろう部２１も歪みを生じる。

そこで従来は、内軸３のフランジ１９の、側面の平面性を向上したり、いんろう部２１の歪みを是正したりするために、熱処理後、研磨前のワークを旋削して歪みを修正することが行われる。しかしこの方法では、前記旋削工程を必要とする分、工程数が増加するため、内軸３の、ひいては車輪用転がり軸受装置１の生産性が低下するという問題がある。また熱処理後の旋削分を考慮すると共に、熱処理によって歪みが発生するのをできるだけ抑制するために、ワークを厚めに形成する必要があり、内軸３の製造に要する鋼材の量、輸送に要するエネルギー、保管に要するスペース等が嵩むという問題もある。

また、熱処理の熱がワークの非加熱領域に不均一に伝導されたり、ワークが不均一に冷却されたりすると、焼入れのムラが発生するおそれもある。すなわち、熱処理によって形成される硬化層の、深さ方向の厚みや面方向の拡がりがばらついたりする場合がある。
外輪の筒の開口に嵌め合わされる嵌め合い部を有するコンセントリングを２つ用意し、それぞれのコンセントリングの嵌め合い部を、外輪の筒の両側の開口に嵌め合わせた状態で熱処理をして、ワークの歪みを抑制することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、コンセントリングによる変形防止の効果は未だ十分でなく、依然としてワークは、熱処理によって変形を生じやすいため、前記ワークを旋削して歪みを是正する工程を全く省略してしまうまでには至っていない。また冷却は、従来同様にワークに水を噴きつける等して行われるため、焼入れのムラが発生するのを抑制することもできない。しかも内軸のフランジの歪みを防止することは、前記特許文献１では一切考慮されていない。

本発明は、かかる背景のもとでなされたもので、熱処理後のワークをさらに旋削加工等したり、焼入れのムラを生じさせたりせずに、要求される寸法精度を有する内軸を形成できる車輪用転がり軸受装置の熱処理方法を提供することを目的とする。また本発明は、前記熱処理方法に用いる内軸の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、筒状をし、その内周に軌道面が形成された外輪と、
軌道面（１３）を有する外周面および車輪を取り付けるフランジ（１９）が一体に形成され、前記外輪と同軸に配置される内軸（３）とを備える車輪用転がり軸受装置の、前記内軸の軌道面に対する熱処理方法であって、
前記軌道面を加熱して硬化層を形成するべく、誘導加熱のための高周波コイル（４１）を前記内軸の軌道面に対向させ、前記内軸をその軸を中心として前記高周波コイルに対して周方向に相対回転させると共に、前記内軸のフランジを水と接触させて冷却しながら、前記高周波コイルに通電して前記軌道面を加熱し、加熱終了後も前記水によって一定時間冷却を行うことを特徴とする車輪用転がり軸受装置の熱処理方法を提供するものである（請求項１）。なお、カッコ内の英数字は、後述の実施の形態における対応構成要素等を表す。

本発明によれば、内軸のフランジを水と接触させて冷却しながら軌道面を加熱すると共に、加熱終了後も前記水によって一定時間冷却を行うことによって、前記フランジを均一に冷却して、内部応力によるフランジの歪みと、それに伴ういんろう部の歪みとが発生するのを抑制できる。そのため、熱処理後のフランジの側面やいんろう部をさらに旋削して歪みを是正する工程を省略しても、前記側面に要求される平面性を出すと共に、いんろう部の寸法精度を出すことが可能となる。
したがって、旋削の工程を省略できる分、内軸の、ひいては車輪用転がり軸受装置の生産性を向上できる。また内軸のもとになるワークを、熱処理後の旋削分等を考慮して少し大きめに形成する必要もなくなるため、前記内軸の製造に要する鋼材の量、輸送に要するエネルギー、保管に要するスペース等を、いずれも低減できる。
しかも焼入れのムラが発生するのを抑制して、前記熱処理によって形成される硬化層の厚みや拡がりを均一にできる。

本発明は、軌道面を有する外周面および車輪を取り付けるフランジが一体に形成された車輪用転がり軸受装置の内軸を、軌道面を有する外周面を上、フランジを下にした状態で保持すると共に、保持した内軸の軸を中心として周方向に回転可能な保持部（３２）を含み、前記保持部は、保持したフランジの下方の側面に水を供給し、前記側面に接触させてフランジを冷却した後、外部に流出させる水の流路を有することを特徴とする内軸の冷却装置（３１）を提供するものである（請求項２）。

本発明によれば、保持部に内軸を保持させて、前記保持部を、保持した内軸の軸を中心として回転させると共に、前記流路に水を循環させてフランジを冷却しならが、軌道面を、例えば誘導加熱によって加熱したのち冷却することで、前記フランジやいんろう部の変形を抑制しながら軌道面を熱処理することができる。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、先に説明したように車輪用転がり軸受装置１の一例を示す断面図である。図１を参照して、この例の車輪用転がり軸受装置１は、筒状の外輪２と、前記筒に挿通されて外輪２と軸Ａを中心として同軸に配置された内軸３と、前記外輪２と内軸３との間に介在された複数個の転動体４とを備えている。

外輪２の筒の内周には、転動体４を転動可能に支持する複列（図では２列）の軌道面５、６が形成されている。また筒の外周には、その周方向の複数箇所（図では１箇所のみ記載している）から筒の径方向外方へ向けて突設された、懸架装置への取り付けのための複数個の突出部７を有するフランジ８が、前記筒と一体に形成されている。フランジ８には、前記懸架装置への取り付けのための図示しないボルトが螺合されるネジ穴９が、筒の軸方向に貫通させて形成されている。

内軸３は、軸Ａ方向の一端側（図において左側）から他端側（右側）に向けて順に同軸となるように一体に形成された外径の大きい大径部１０、前記大径部１０より外径の小さい中径部１１、および前記中径部１１より外径の小さい小径部１２を備えており、前記大径部１０と中径部１１との段差部分に、軌道面５に対向する軌道面１３が形成されている。また小径部１２には軌道輪１４が嵌め合わされており、前記軌道輪１４の外周に、軌道面６に対向する軌道面１５が形成されている。

軌道輪１４は、内径が小径部１２の外径と一致する筒状で、かつ軸Ａ方向の一端側から他端側に向けて順に同軸となるように一体に形成された外径の小さい小径部１６、および前記小径部１６より外径の大きい大径部１７を備えており、前記小径部１６と大径部１７との段差部分に、前記軌道面１３と向かい合わせて軌道面１５が形成されている。
内軸３の小径部１２の端部１８は、車輪用転がり軸受装置１の組み立て前には、図中に破線で示すように小径部１２と同径の筒状に形成されている。

車輪用転がり軸受装置１を組み立てるには、軌道面５と軌道面１３との間、および軌道面６と軌道面１５との間に、それぞれ所定個の転動体４を保持させた状態で、小径部１２に軌道輪１４を嵌め合わせて、その一端側を中径部１１と小径部１２との段差に当接させる。
次いで図中に実線で示すように端部１８をかしめることで、軌道輪１４を内軸３に固定して車輪用転がり軸受装置１を組み立てると、前記転動体４、軌道面５、６および軌道面１３、１５によって複列スラストアンギュラ玉軸受が構成されて、内軸３が外輪２に対して、軸Ａを中心として回転自在に支持される。

内軸３の、大径部１０の一端側の外周には、前記外周から径方向外方へ向けて突設させて、車輪やブレーキディスク等を固定するためのフランジ１９が一体に形成されている。フランジ１９の、周方向の複数箇所（図では１箇所のみ記載している）には、図示しない車輪やブレーキディスクを取り付けるボルト２０が設けられている。またフランジ１９の一端側の側面には、前記側面から一端側に突設させて、ブレーキディスクを嵌め合わせるための筒状のいんろう部２１が一体に形成されている。

前記各部のうち外輪２は、従来同様に、例えば軸受鋼、機械構造用炭素鋼等の鋼材を熱間鍛造加工等して図１に示す形状に形成し、次いで軌道面５、６を熱処理して、前記軌道面５、６を含む領域に所定の厚みを有する硬化層を形成した後、必要に応じて表面を研磨して製造される。
また内軸３は、やはり従来同様に、前記鋼材を熱間鍛造加工等して図１に示す形状に形成し、次いで軌道面１３を熱処理して、前記軌道面１３を含む領域に所定の厚みを有する硬化層を形成した後、必要に応じて表面を研磨して製造される。

この際、本発明の車輪用転がり軸受装置の熱処理方法では、前記内軸３の熱処理に際し、加熱している軌道面１３の近傍領域を、加熱中から加熱後までの所定時間に亘って水で冷却し続ける点が、従来と相違している。

図２は、本発明の車輪用転がり軸受装置の熱処理方法により、本発明の冷却装置の一例を用いて、内軸３を熱処理する工程の一例を示す断面図である。図２を参照して、この例で用いる冷却装置３１は、内軸３の、軌道面１３を有する外周面を上、フランジ１９を下にした状態で保持すると共に、保持した内軸３の軸Ａを中心として周方向に回転可能な保持部３２を含んでいる。

保持部３２は、底板３３と、前記底板３３の上面から上方に突設され、フランジ１９の、図において下側の側面に当接して、前記フランジ１９を、底板３３との間に隙間をあけて支持する筒状の受部３４を備えている。前記受部３４は、筒の内径がいんろう部２１の外径より大径とされ、底板３３の上面からの突出高さが、いんろう部２１の軸Ａ方向の高さより高く設定されている。そのため受部３４によってフランジ１９を支持した状態では、いんろう部２１は、受部３４の筒内に内挿されて、底板３３との間に隙間を設けた状態で支持される。

また保持部３２は、前記底板３３の周縁に一体に形成され、受部３４によって支持されたフランジ１９の外周に当接されて、前記フランジ１９と底板３３との間の隙間を外部から仕切る筒状の突出部３５と、前記底板３３の下面に取り付けられた回転軸３６とを備えている。
突出部３５および回転軸３６は、前記突出部３５をフランジ１９の外周に当接させた状態で、内軸３の軸Ａが回転軸３６の中心軸と一致するように同軸に設けられている。また受部３４の基部には筒の内外を繋ぐ通孔３７が形成され、回転軸３６内には、図示しない水の供給手段と、底板３３の上面との間を繋ぐ通孔３８が形成されている。これにより、図中に破線の矢印で示すように通孔３８、受部３４の筒内、いんろう部２１と底板３３との隙間、通孔３７、および受部３４の筒外を通して、フランジ１９の、ボルト２０が取り付けられるスプライン孔３９に達する水２７の流路が構成されている。

前記保持部３２によって保持した内軸３の、上方に突出した端部１８に、前記端部１８に嵌め合わされた状態で軸Ａを中心として回転する軸振れ防止のための受具４０を装着すると共に、内軸３に誘導加熱のための高周波コイル４１を外挿する。高周波コイル４１としては、巻き径が、内軸３に外挿可能で、かつ軌道面１３にできるだけ近接可能な径に設定されていると共に、軸Ａ方向の巻き数が、軌道面１３の列数（１列）に合わせて１重巻きとされたものを用いる。前記高周波コイル４１は、図示しない高周波電源に接続される。

次に、高周波コイル４１が軸Ａを中心として回転したり、上下方向に移動したりしないように固定した状態で、図示しない供給手段から水２７を、前記流路を通して連続的に供給してフランジ１９を冷却し、スプライン孔３９を通して外部にオーバーフローさせると共に、保持部３２を、図中に実線の矢印で示すように一方向に回転させながら、高周波コイル４１に高周波電流を入力する。そうすると、保持部３２上に保持された内軸３のうち、高周波コイル４１が対向する軌道面１３とその近傍の領域が誘導加熱される。

誘導加熱の温度は、内軸３の前記領域を形成する鋼材がオーステナイト相を呈する温度に設定し、前記温度に達して一定時間経過した後に冷却すると、前記領域を形成する鋼材がマルテンサイト変態して焼入れされる。
この際、図の例では、内軸３のフランジ１９といんろう部２１とを、共に流路を通して連続的に供給される水２７によって継続的に冷却しているため、内部応力によるフランジ１９の歪みと、それに伴ういんろう部２１の歪みとが発生するのを抑制できる。そのため、熱処理後のフランジ１９の側面やいんろう部２１をさらに旋削して歪みを是正する工程を省略しても、前記側面に要求される平面性を出すと共に、いんろう部２１の寸法精度を出すことが可能となる。

したがって、前記工程を省略できる分、内軸３の、ひいては車輪用転がり軸受装置１の生産性を向上できる。また内軸３のもとになるワークを、熱処理後の旋削分等を考慮して少し大きめに形成する必要もなくなるため、前記内軸３の製造に要する鋼材の量、輸送に要するエネルギー、保管に要するスペース等を、いずれも低減できる。しかも焼入れのムラが発生するのを抑制して、前記熱処理によって形成される硬化層の厚みや拡がりを均一にすることもできる。

熱処理後は内軸３を必要に応じて乾燥させた後、先に説明した手順で転動体４、外輪２、および軌道輪１４と組み合わせて組み立てると、図１に示す車輪用転がり軸受装置１が製造される。この際、同様の熱処理をした外輪２と、図２の熱処理をした内軸３とを組み合わせてもよい。その場合には、車輪用転がり軸受装置１の生産性をさらに向上できる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば図２では、高周波コイル４１を固定し、内軸３を回転させて熱処理をしていたが、逆に内軸３を固定し、高周波コイル４１を回転させて熱処理をしてもよいし、内軸３と高周波コイル４１を共に回転させて熱処理をしてもよい。
また、本発明によって製造される車輪用転がり軸受装置は、図１のものには限定されず、従来の、２列の軌道面が共に、内軸３とは別体の軌道輪に形成されたものであってもよいし、現在、開発が進められている、２列の軌道面が共に、内軸３の外周面に直接に形成されたものであってもよい。前記軌道面の配置に合わせて軌道面を任意の配置とした外輪を水に浸漬した状態で、前記軌道面を熱処理することができる。

本発明の熱処理方法を経て製造される車輪用転がり軸受装置の一例を示す断面図である。 本発明の熱処理方法による、内軸の熱処理の工程の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：軸受装置、２：外輪、３：内軸、５、６：軌道面、１３：軌道面、１９：フランジ、２７：水、４１：高周波コイル、３１：冷却装置、３２：保持部、Ａ：軸

Claims (2)

1. 筒状をし、その内周に軌道面が形成された外輪と、
   軌道面を有する外周面および車輪を取り付けるフランジが一体に形成され、前記外輪と同軸に配置される内軸とを備える車輪用転がり軸受装置の、前記内軸の軌道面に対する熱処理方法であって、
   前記軌道面を加熱して硬化層を形成するべく、誘導加熱のための高周波コイルを前記内軸の軌道面に対向させ、前記内軸をその軸を中心として前記高周波コイルに対して周方向に相対回転させると共に、前記内軸のフランジを水と接触させて冷却しながら、前記高周波コイルに通電して前記軌道面を加熱し、加熱終了後も前記水によって一定時間冷却を行うことを特徴とする車輪用転がり軸受装置の熱処理方法。
2. 軌道面を有する外周面および車輪を取り付けるフランジが一体に形成された車輪用転がり軸受装置の内軸を、軌道面を有する外周面を上、フランジを下にした状態で保持すると共に、保持した内軸の軸を中心として周方向に回転可能な保持部を含み、前記保持部は、保持したフランジの下方の側面に水を供給し、前記側面に接触させてフランジを冷却した後、外部に流出させる水の流路を有することを特徴とする内軸の冷却装置。

Images