JP5429394B2 - シェル型ラジアルニードル軸受用外輪およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、カルダン継手と呼ばれる十字軸式の自在継手の回転支持部などに組み込まれる、シェル型ラジアルニードル軸受を構成する外輪およびその製造方法の改良に関する。

自動車のステアリング装置やプロペラシャフトを構成する、互いに同一直線上に存在しない１対の回転軸の端部同士を、回転力（トルク）の伝達を可能に結合するために、従来から、カルダン継手と呼ばれる十字軸式の自在継手が使用されている。この十字軸式の自在継手は、図６に示すように、前記回転軸の両方の端部に固定される、それぞれの先端部を二股にした１対のヨーク１ａ、１ｂと、十字軸２を備える。ヨーク１ａ、１ｂに設けられた、それぞれ１対ずつの先端部には、それぞれ互いに同心である１対の円孔３を設けている。そして、これらの円孔３内に、十字軸２を構成する軸部４のそれぞれの先端部を、シェル型ラジアルニードル軸受５を介して、いずれも回動可能に支持している。

これらのシェル型ラジアルニードル軸受５は、図７に示すように、外輪６および複数のニードル７を備える。外輪６は、たとえば、素材となる金属板にプレスなどによる絞り加工を施すことにより、全体を有底円筒状に形成されており、円孔３に内嵌固定された円筒部８と、この円筒部８の一端（図７における左端）開口を塞ぐ状態で設けられた底板部９と、円筒部８の他端縁（図７における右端縁）から径方向内方に折れ曲がる状態で設けられた、円輪状の内向鍔部１０とを備える。そして、円筒部８の内周面を、円筒凹面状の外輪軌道１１としている。また、底板部９の内側面の中央部に、球状凸面状の凸曲面部１２を設けている。また、ニードル７は、十字軸２の軸部４の先端部外周面に設けた円筒凸面状の内輪軌道１３と、外輪軌道１１との間に、転動自在に設けられている。

また、この状態で、凸曲面部１２の先端面に軸部４の先端面の中央部を接触させている。すなわち、図示の例では、軸部４の先端面の全体を底板部９の内側面に接触させるのではなく、軸部４の先端面の中央部のみを凸曲面部１２の先端面に接触させることにより、この接触部に作用する摩擦力を十分に低減している。これにより、運転時に、この接触部で異常摩耗や焼き付きなどの不具合が発生することを防止するとともに、ヨーク１ａ、１ｂを十字軸２に対して揺動させるのに必要なトルクである、折り曲げトルクを低減することで、前記自在継手の回転抵抗を低減している。また、軸部４の先端面と凸曲面部１２の先端部との接触部に適度な予圧を付与することにより、軸部４がシェル型ラジアルニードル軸受５の内側で軸方向にがたつくことを防止して、ヨーク１ａ、１ｂと十字軸２との結合部でがたつきが生じることを防止している。

さらに、図示の例では、軸部４の基端縁に存在する段部１４と、外輪６を構成する内向鍔部１０との間で、円環状のシール部材１５を圧縮挟持することにより、シェル型ラジアルニードル軸受５の内部空間を密封している。

ところで、前記自在継手を介して結合した前記回転軸の両方が回転する際に、外輪６を構成する底板部９には、軸部４の先端面からアキシャル荷重が、繰り返し加わる。また、このアキシャル荷重は、前記自在継手を介して伝達される回転力の大きさに比例して大きくなる。一方、前記自在継手を使用する装置の１例である、自動車のステアリング装置の分野では、近年、電動式パワーステアリング装置の普及が進んでいる。この電動式パワーステアリング装置のうち、補助動力源である電動モータなどを、操舵時の回転力の伝達方向に関して、前記自在継手の設置位置よりも上流側部分（ステアリングホイール側）に設置する、コラム型のものでは、前記自在継手を介して伝達される回転力が大きくなる。この結果、底板部９に繰り返し加わるアキシャル荷重も大きくなるため、外輪６の疲労強度を十分に確保しないと、図８に示すように、底板部９の中央部や、この底板部９と円筒部８との連続部に、亀裂などの損傷が発生する可能性がある。

外輪６の疲労強度は、外輪６の肉厚を全体的に大きくすることによって向上させることができる。ただし、この方法を採用する場合には、外輪６が全体的に大型化して重量が増大し、これに伴って、前記自在継手も大型化し、重量が増大する。また、上述のような自在継手には、多くの場合、小型化および軽量化の要求がある。したがって、上述のようなコラム型の電動式パワーステアリング装置と組み合わされる自在継手の分野では、外輪６の肉厚を増大せずに、その耐久性を確保できるようにすることが、他の分野では、外輪６の肉厚を薄くしても十分な耐久性を確保できるようにすることが、それぞれ望まれている。

このような要望に応えられる構造として従来から、図９に示すように、外輪６ａを構成する底板部９ａの断面形状を多段形状にする構造が知られている（特許文献１〜３参照）。図９に示すような構造を採用すれば、外輪６ａの肉厚を増大させることなく、底板部９ａ、および、この底板部９ａと円筒部８との連続部の疲労強度を向上させることができる。ただし、図９に示したような構造を採用すると、底板部９ａの形状が複雑になる分、製造に用いる金型の設計が難しくなるとともに、この金型の調整が面倒になって、生産性が低下し、製造コストが増大するといった問題が生じる。

また、上述のように、自在継手に入力される回転力の増大に伴い、最悪の場合、前記円孔３内に圧入したシェル型ラジアルニードル軸受５がヨークから抜け出して、前記回転軸の回転などの位置ずれが発生する場合もある。これに対して、シェル型ラジアルニードル軸受５の外輪６の外周面にシボ加工などの表面加工を施すことが行われている。しかしながら、プレス加工によっては、このような表面加工を施すことは困難であることから、別工程で表面加工を行う必要があり、多大な労力と大幅なコストアップにつながるという問題がある。

一方、外輪６が金属製であることから、このシェル型ラジアルニードル軸受５には防錆性能が求められる。特に、自在継手が自動車などの用途に用いられる場合、このシェル型ラジアルニードル軸受５が風雨に晒される環境に置かれることから、外輪６には、特に厳しい防錆性能が要求され、この外輪６に防錆塗装を施す場合がある。しかしながら、このような場合でも、シェル型ラジアルニードル軸受５に通常用いられている外輪６では、防錆塗装との十分な密着性が得られないという問題がある。

さらに、金属製の外輪６には、組み付け前において、非常に微小な酸化物や非常に薄い染み状の酸化物がすでに存在している場合がある。これらの存在は、その発見が非常に困難であるとともに、そのままでは、軸受圧入時の抵抗の増加や使用時に酸化物成分が軸受内部に混入するなどの問題が生ずるため、ごく微小なものも含めて酸化物をあらかじめ除去することが行われている。しかしながら、このような発見の困難な微小な酸化物を個々に選別作業することには、大きな労力と時間を必要とし、コストもかかってしまうという問題がある。

特開平３−６２２３２号公報 実開平４−１４８１９号公報 特開２００６−１２５５１３号公報 特開２００８−１８８６１０号公報

本発明は、上述のような事情に鑑み、有底円筒状のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪に関して、少なくとも外径寸法や肉厚の増大に伴う大型化や、底板部の形状の複雑化を伴うことなく、この底板部およびこの底板部と円筒部との連続部の疲労強度を向上させることができる構造を提供することを目的としている。

加えて、本発明は、このシェル型ラジアルニードル軸受用の外輪に関して、コストをいたずらにアップさせることなく、軸受の抜け出しおよびこれに伴う回転軸の回転などの位置ずれを防止できる構造を提供すること、また、防錆性能が付与された構造を提供すること、さらには組み付け性の改善された構造を提供することも目的としている。

本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪は、金属材料により全体を一体の有底円筒状に形成されており、内周面に外輪軌道を設けた円筒部と、この円筒部の一端開口を塞ぐ底板部とを備える。そして、この円筒部を外側部材に設けた円孔に、たとえば締り嵌めで内嵌固定するとともに、前記外輪軌道と円柱状の内側部材の端部外周面に設けた内輪軌道との間に複数本のニードルを転動自在に設け、かつ、前記内側部材の端面を前記底板部の内面中央部に当接させた状態で使用する。なお、本発明は、これら内側部材の端面を前記底板部の内面中央部にのみ当接させる構造のものに好適に適用される。

特に、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪においては、前記円筒部および底板部の外面側に、残留圧縮応力を発生させるための手段を施すことにより発生させた残留圧縮応力を存在させている。また、前記円筒部および底部の内面側の残留圧縮応力の値を、前記残留圧縮応力を発生させるための手段を施す以前のこれら円筒部および底板部の外面側の残留圧縮応力の値と同程度としている。そして、これら円筒部および底板部の外面側の表層部の残留圧縮応力の値を、これら円筒部および底板部の内面側の表層部の残留圧縮応力の値よりも大きくしている。さらに、これら円筒部および底板部の外面側の表層部のうち、表面から０．０３ｍｍまでの深さの表層部分における残留圧縮応力の大きさを１１００ＭＰａより大きく１６００ＭＰａ以下としている。なお、本発明において、表層部は、表面と前記表層部分との両方から構成される。

好ましくは、前記底板部の厚さ寸法Ｔを、前記円筒部の厚さ寸法ｔよりも大きくする。具体的には、前記底板部の厚さ寸法Ｔを、好ましくは前記円筒部の厚さ寸法ｔの１０５〜２００％｛Ｔ＝（１．０５〜２）ｔ｝、より好ましくは１２０〜１５０％｛Ｔ＝（１．２〜１．５）ｔ｝とする。さらに具体的には、前記底板部の厚さ寸法Ｔを、１．２〜３ｍｍとする。なお、本発明は、ラジアルニードル軸受用外輪の径方向寸法が、５〜５０ｍｍの範囲、好ましくは、５〜３０ｍｍの範囲にある場合に、適用することが可能である。

また、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法の発明は、前記金属材料からなる円板状の素板を円筒状に絞り加工を施すことにより、もしくは、前記金属材料からなる円柱状の素材を円筒状に塑性加工を施すことにより、前記円筒部および底板部を有する中間素材とした後、この中間素材の円筒部および底板部の外面側にショットピーニングを施して、これら円筒部および底板部の外面側の表層部に残留圧縮応力を発生させると共に、これら円筒部および底板部の内面側の残留圧縮応力の値を、ショットピーニングを施す以前のこれら円筒部および底板部の外面側の残留圧縮応力の値と同程度とすることを特徴とする。なお、本発明では、このショットピーニングには、ショットブラストが含まれる。

前記ショットピーニングの条件を適切に規制することにより、前記円筒部および底板部の外面側の表面の表面粗さを管理して、この表面の防錆塗装との密着性を改善することが好ましい。また、同様に、前記円筒部の外面側の表面の表面粗さを管理することにより、この外輪の前記外側部材に設けた前記円孔からの抜け止めを図ることが好ましい。さらに、同様に、組み付け前の外輪において、前記円筒部および底板部の外面側の表面に存在する酸化物を除去して、この外輪の組み付け性を改善することが好ましい。

本発明は、円板状の素板から絞り加工を施して中間素材を得る場合に好適に適用される。この場合、上述したようなシェル型ラジアルニードル軸受用外輪を製造するために、まず、造るべきシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の底板部の厚さ寸法と同等以上の厚さ寸法を有する、素材である金属板を打ち抜いて、円板状の素板とする。次いで、この素板の径方向外寄り部分を、円筒状凹面であるダイスの内周面と、円筒状凸面であるパンチの外周面との間で、厚さ寸法を減少させつつ、円筒状に塑性変形させる絞り加工を施すことにより、前記円筒部および底板部を有する中間素材とする。その後、この中間素材にショットピーニングを施して、これら円筒部および底板部の表層部に残留圧縮応力を発生させる。

本発明により、内側部材の端面と底板部の内面との当接部での摩擦損失を少なく抑えられる構造のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪において、外径寸法や肉厚の増大に伴う大型化や、この底板部の形状の複雑化を伴うことなく、その底板部および円筒部の外面側の表層部に残留圧縮応力を付与することで、その底板部およびこの底板部と前記円筒部との連続部の疲労強度を向上させることができる。

また、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪を、中間素材の形成後に、ショットピーニングを施すことにより得ることで、特別な工程を追加することなく、外輪の底板部の外側面および／または円筒部の外周面を、防錆塗装との密着性を良好としたり、組み付け前の外輪のこれらの面から酸化物を除去して、この外輪の組み付け性を改善したり、さらには、円筒部の外周面の表面性状を改善して、この軸受の抜け出しおよびこれに伴う回転軸の回転などの位置ずれの防止を図ることができる。

さらに、円板状の素板を円筒状に絞り加工を施して中間素材を得る方法では、円筒部の厚さ寸法よりも底板部の厚さ寸法を大きくして、前記アキシャル荷重に対するこの底板部の剛性を十分に大きくできる、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪を、低コストで得られる金属材料の素板を使用して、精度よく製造することができる。

図１は、本発明の実施の形態の１例を、使用箇所に組み付けた状態で示す、図６のＸ部に相当する拡大図である。 図２は、外輪の形状を得るための絞り加工を工程順に示す断面図である。 図３は、本発明の効果を確認するために行った実験に使用した実験装置の断面図である。 図４は、外輪の底板部の厚さ寸法がこの外輪の耐久性に及ぼす影響を知るために行った実験の結果を示すグラフである。 図５は、外輪の外面側の表層部に存在する残留圧縮応力がこの外輪の耐久性に及ぼす影響を知るために行った実験の結果を示すグラフである。 図６が、従来から知られているシェル型ラジアルニードル軸受を組み込んだ自在継手の部分断面図である。 図７は、図６のＸ部拡大図である。 図８は、外輪の底板部に十字軸の軸部から軸方向の繰返し応力が加わることによって、この底板部が破損した状態を示す、図７と同様の図である。 図９は、底板部の断面形状を多段形状とした外輪の１例を示す部分断面図である。

以下、図１および図２を参照しつつ、本発明の実施の形態の１例をもとにして、本発明についての説明を行う。なお、本例の特徴は、円筒部８ａと底板部９ａとからなる有底円筒状の外輪６ａに所定の分布で残留圧縮応力を存在させるとともに、この外輪６ａのうちの底板部９ａの厚さ寸法Ｔを前記円筒部８ａの厚さ寸法ｔよりも大きく（Ｔ＞ｔ）した点と、外輪６ａの製造方法を工夫した点にある。その他の部分の構造および作用は、図６および図７に示した従来構造の場合と同様であるから、重複する図示並びに説明は省略もしくは簡略にし、以下、本例の特徴部分を中心に説明する。なお、下記の説明は、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪が、自動車用の十字軸式の自在継ぎ手に組み込まれる場合を前提としているが、本発明はその用途に限定されることはない。

本発明が適用されるシェル型ラジアルニードル軸受用外輪６ａは、金属材料により全体を一体の有底円筒状に形成されている。金属材料としては、ＳＣＭ４１５などのクロムモリブデン鋼、ＳＰＣＣなどの冷間圧延鋼、肌焼鋼などの熱処理用鋼、ＳＡＥ１０１０などの磨き特殊帯鋼のように、少なくとも表面を熱処理により硬化可能な、鉄系合金製の金属板が使用されている。この外輪６ａでは、内側部材である軸部４の端面と外輪６ａの底板部９ａの内面とは、中央部のみで当接して、これらの面の径方向外寄り部分では当接しないようになっている。この構成により、内側部材である軸部４と外側部材であるヨーク１ａ、１ｂとの軸方向に関する相対変位に伴うアキシャル荷重と、軸部４とヨーク１ａ、１ｂとの相対回転とに基づいて、これら両面の当接部に作用する摩擦力（摩擦モーメント）を小さく抑えている。そして、これら両面の当接部での摩擦損失を低減して、十字軸式の自在継手など、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪を組み込んだ各種機械装置の伝達効率の向上を図ることを可能としている。なお、本例では、この底板部の内面中央部に、相手面である軸部４の端面に向けて突出する突曲面部が形成されているが、軸部４の端面中央部に、相手面である底板部の内面に向けて突出する凸曲面部を形成してもよい。

このように、摩擦損失の低減を図るために、内側部材である軸部４の端面と外輪６ａの底板部９ａの内面とを中央部でのみ当接させた結果、軸部４がシェル型ラジアルニードル軸受用外輪６ａに対し、押し込まれる方向に軸方向変位し、軸部４が底板部９ａの内面中央部を押圧すると、この底板部９ａが、外面側が凸面となる方向に弾性変形する傾向になる。そして、この底板部９ａの外面に引っ張り応力が、この底板部９ａと円筒部８ａとの連続部である折れ曲がり部１６に曲げモーメントが、それぞれ加わる。

本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪では、円筒部８ａおよび底板部９ａの外面側の表層部（表面および表面から所定深さの表層部分）の残留圧縮応力を、同じく内面側の表層部よりも大きくしているため、この残留圧縮応力が、前記引っ張り応力により底板部９ａに、また、前記曲げモーメントにより折れ曲がり部１６に、それぞれ亀裂などの損傷が発生することを抑止する力として作用する。すなわち、底板部９ａの外面に残留圧縮応力が存在すると、この残留圧縮応力が、軸部４の端面中央部が底板部９ａの内面中央部を押圧した場合でも、この底板部９ａがその外面側が凸面となる方向に弾性変形（外面側が伸張）することに対抗する力として作用する。言い換えれば、底板部９ａの剛性のうち、この底板部９ａの外面側を凸面とする方向の力に対する剛性が高くなる。

また、この底板部の剛性は、前記残留圧縮応力を発生させるための手段としてショットピーニングを採用した場合、これに伴う加工硬化によっても高くなる。このため、軸部４の端面が底板部９ａの内面を押圧した場合にも、この底板部９ａが弾性変形しないか、弾性変形した場合でもその程度を小さく抑えられる。この結果、底板部９ａおよび折れ曲がり部１６に、亀裂などの損傷が発生し難くなる。また、この底板部９ａの外面側の表層部に存在する残留圧縮応力は、この底板部に亀裂が発生する傾向になった場合に、この亀裂を塞ぐ方向に作用するため、この面からも損傷防止効果を得られる。

このように、本発明では、折れ曲がり部１６の曲がり方向外側を介して互いに連続する、外輪６ａの外面のうちの円筒部８ａの外周面および底板部９ａの外側面の表層部に、残留圧縮応力を存在させている。本例では、これら円筒部８ａの外周面および底板部９ａの外側面に、粒状の投射材を叩き付ける、ショットピーニングを施している。そして、円筒部８ａおよび底板部９ａの外面側の表層部に残留圧縮応力を発生させている。

本発明では、この残留圧縮応力の大きさを、この外面側の表層部のうち、表面から０．０３ｍｍまでの深さの表層部分で７００〜１６００ＭＰａとしている。本発明が適用されるシェル型ラジアルニードル軸受用外輪６ａの径方向寸法に関しては、一般的なステアリング装置用の自在継手に組み込まれるものを含めて、５〜５０ｍｍの範囲、より具体的には、５〜３０ｍｍの範囲となっている。この範囲の大きさの場合には、円筒部８ａおよび底板部９ａの外面側の表層部のうち、上記表層部分における残留圧縮応力の値を上記範囲に規制することにより、底板部９ａの剛性を十分に高くして、亀裂などの損傷防止効果を十分に得ることができる。この表層部分の残留圧縮応力はこの範囲で高い方がよく、好ましくは１０００ＭＰａ以上、さらに好ましくは１２００ＭＰａ以上である。ただし、この表層部分の残留圧縮応力を、１６００ＭＰａを超えて大きくしても、この残留圧縮応力の値を大きくするためのコストがいたずらに嵩むのみで、それ以上の耐久性向上効果を期待できないため、その上限は１６００ＭＰａ程度とすべきである。

また、本例では、円筒部８ａおよび底板部９ａの外面側の表層部のうち、表面における残留圧縮応力の大きさを、１１００〜１５００ＭＰａとしている。これにより、底板部９ａの剛性をより大きくして、亀裂などの損傷防止効果をさらに十分に得られる。同様の理由により、好ましくは１２００ＭＰａ以上、さらに好ましくは、１３００ＭＰａ以上とするが、その上限は１５００ＭＰａ程度に制限される。

なお、円筒部８ａおよび底板部９ａには絞り加工に起因する残留応力が存在する。この内面側に残留圧縮応力が存在する場合、この内面側の残留圧縮応力の値は小さく抑えて、その値が、前記外面側の残留圧縮応力の値よりも十分に小さな値に留まるようにする。すなわち、本発明では、円筒部８ａおよび底板部９ａの内面側の残留応力が、亀裂発生に結び付く可能性のある引っ張り応力ではなく、亀裂発生を抑える方向に作用する圧縮応力である限り、その残留圧縮応力の値は問題とならない。したがって、これらの内面側の残留圧縮応力の値は僅少で足りる。むしろ、これらの内面側に大きな残留圧縮応力が存在すると、この残留圧縮応力が、底板部９ａがその外面側が凸面となる方向に弾性変形することを助長することになるため、好ましくない。このため、円筒部８ａおよび底板部９ａの内面側に関しては、残留圧縮応力を発生させるための処理は施さないか、仮に施す場合でも、軽い処理にとどめる。したがって、前記外面側の表層部に残留圧縮応力を発生させるためのショットピーニングを行う際には、前記投射材が、外輪６ａの内側に勢いよく入り込まないようにする。

また、円筒部８ａの外周面およびその表層部分に関しても、耐久性向上の面からは、大きな残留圧縮応力を存在させる必要性は乏しい。ただし、ショットピーニングの条件によっては、円筒部８ａの外周面およびその表層部分についても、底板部９ａの外側面およびその表層部分に残留圧縮応力を付与する際に、同時に残留圧縮応力が発生する場合があり、かつ、この部分の大きな残留圧縮応力が存在することは、特に不都合にならない。

さらに、本例の場合には、底板部９ａの厚さ寸法Ｔを、円筒部８ａの厚さ寸法ｔよりも大きく（Ｔ＞ｔ）している。これにより、底板部９ａの剛性をより高くして、亀裂などの損傷防止効果をより高くできる。大きくする程度は、この底板部９ａの厚さ寸法Ｔをこの円筒部８ａの厚さ寸法ｔの１０５％以上（Ｔ≧１．０５ｔ）、好ましくは１２０％以上（Ｔ≧１．２ｔ）とする。なお、底板部９ａの厚さ寸法Ｔと円筒部８ａの厚さ寸法ｔが同じ（Ｔ＝ｔ）場合でも、上記の円筒部８ａおよび底板部９ａの外面側の表層部に残留圧縮応力を付与することによる効果は十分に得られるが、この寸法の規制と合わせることで、この底板部９ａと、底板部９ａと円筒部８ａとの連続部の剛性をさらに向上させることができる。

この底板部９ａの厚さ寸法を大きくする程度の上限は、底板部９ａの強度確保の面と、加工の容易性を担保する面とから規制する。すなわち、円筒部８ａは、ラジアルニードル軸受の外輪として機能する。したがって、外側部材であるヨーク１ａ、１ｂの円孔３に締り嵌めで内嵌固定することにより、この円孔３の内周面でバックアップされるにしても、外輪軌道である内周面の転がり疲れ寿命を確保する面からは、必要最低限の厚さｔ（たとえば１〜１．２ｍｍ程度）は必要であり、用途によっては１．５〜２ｍｍ程度確保する場合もある。一方、底板部９ａの厚さ寸法Ｔを必要以上に大きくしても、この底板部９ａおよび折れ曲がり部１６の疲労強度を向上させる効果が飽和するだけでなく、加工が面倒になり、さらには、ラジアルニードル軸受用外輪６ａの重量がいたずらに嵩んでしまう。このため、底板部９ａの厚さ寸法Ｔを、円筒部８ａの厚さ寸法ｔの２００％を超えて大きくすることは好ましくない。好ましくは、１５０％以内に収めるべきである。

これらのことを考慮すれば、底板部９ａの厚さ寸法Ｔを、円筒部８ａの厚さ寸法ｔの１０５〜２００％｛Ｔ＝（１．０５〜２）ｔ｝とし、好ましくは１２０〜１５０％｛Ｔ＝（１．２〜１．５）ｔ｝とする。具体的には、この円筒部８ａの厚さ寸法ｔを１〜１．２ｍｍ、場合によっては１．５〜２ｍｍとし、底板部９ａの厚さ寸法Ｔを１．２〜３ｍｍとしている。

なお、円筒部８ａの開口端部は薄肉とし、この薄肉部分を径方向内方に折り曲げて形成した内向鍔部１０により、円筒部８ａの内周面（外輪軌道）と、内側部材である軸部４の外周面（内輪軌道）との間に配置した、複数本のニードル７の抜け止めを図っている。内向鍔部１０の外面側の表層部に関しては、特に残留圧縮応力を存在させる必要はない。ただし、同様に、円筒部８ａおよび底板部９ａの外面側に対するショットピーニングの際に、投射材が内向鍔部１０に衝突し、この内向鍔部１０の表層部分に残留圧縮応力が発生することは差し支えない。なお、投射材の投射方向を工夫さえすれば、この投射材が外輪６ａの内部に勢いよく入り込むことは、内向鍔部１０により防止される。したがって、このショットピーニングの際に、外輪６ａの開口部を塞ぐ手間は、特に必要とされない。

なお、本発明において、前記外面側の表層部に残留圧縮応力を発生させるためにショットピーニングを施す場合、公知のショットピーニング装置を用いることができる。求める残留圧縮応力の値や外輪６ａの形状や大きさなどに応じて、投射材の材質、粒径、投射時間などについて、適正値を設定する。これらの条件は、個々のケースによって異なるため、必要に応じて実験などを行うことにより、上記適正値を求める。

本発明においては、外輪６ａの外面側の表面に対して防錆塗装を施す場合、上述の所望の残留圧縮応力の値などに応じてショットピーニングの条件を設定するに際して、同時に防錆塗装との密着性を考慮して、前記投射材の材質などの条件を最適化することにより、防錆塗装の種類に応じた、密着性の良好な外面側の表面を得ることができる。これにより、外輪６の防錆性能を同時に向上させうる。なお、密着性については、円筒部８ａおよび底板部９ａの外面側の表面の表面粗さを管理することにより、調整することが可能である。

同様に、組み付け前の外輪６について、その表面の酸化物の存在状況などに応じて、ショットピーニングの条件を最適化して、ショットピーニングにより、残留圧縮応力の値を調整するのと同時に、酸化物を除去することも可能である。これにより、外輪６の組み付け性を同時に改善することが可能となる。

さらに、軸受６ａの外側部材であるヨーク１ａ、１ｂの円孔３からの抜け止めを図る観点からも、このショットピーニングの条件を最適化して、残留圧縮応力の値を調整するのと同時に、外輪６ａの円筒部８ａに抜け止めを図ることができる外周面を付与することが可能となる。この場合も、その性能については、外輪６ａの円筒部８ａの外周面における表面粗さを管理することにより、調整することが可能である。

上述のような観点からは、剛性を向上させることが必要とされる、底板部９ａの外側面と、底板部９ａと円筒部８ａとの連続部である折れ曲がり部１６以外の部分である、円筒部８ａの外周面についても、このショットピーニングによる処理を積極的に行うことが、好ましいといえる。

また、外輪の底板部の外側面および円筒部の外周面について、その表面性状を改質するための下地処理などの表面加工については、シボ加工などのエッチングにより行うこともできるが、これらを単独で行うことは、表面加工工程の追加となり、多大な労力と大幅なコストアップを招くものであり、かつ、これらの表面加工によっては、本発明で要求される残留圧縮応力をこれらの外面側の表層部に付与することはできない。一方、前述のような表面改質を行う際に、その効果を十分に上げるためには、従来のショットブラスト条件では十分でない場合があり、複数回の処理を繰り返さざるを得ないのが実情である。しかしながら、本発明における条件を用いることにより、原則として１回の処理で、要求される残留圧縮応力の付与と表面改質の両方の効果を同時に得ることが可能となる。

次に、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法のうち、円筒部８ａの厚さ寸法ｔと底板部９ａの厚さ寸法Ｔとを異ならせた外輪６ａの製造方法の１例について、図２を参照しながら説明する。まず、造るべき外輪６ａの底板部９ａの厚さ寸法と同等以上の厚さ寸法を有する、素材となる金属材料の板を、（Ａ）に示したコイル１８から引き出し、この金属板を打ち抜いて、（Ｂ）に示すような円板状の素板１９とする。次いで、この素板１９を、（Ｃ）に示した第１パンチ２０の外周面と第１ダイス２１の内周面との間で有底円筒状に塑性変形させる絞り加工を施して、有底円筒状の第１中間素材２２に加工する。第１パンチ２０の外径と第１ダイス２１の内径との差の１／２（半径差）は、素板１９の厚さ寸法よりも小さく、円筒部８ａの厚さ寸法ｔと、スプリングバック分を除いて、ほぼ一致している。したがって、前記絞り加工により、素板１９の厚さ寸法を低減しつつ、円筒部８ａとなるべき部分が形成される。これに対して、底板部９となるべき部分の厚さ寸法は、ほぼ素板１９の厚さ寸法のままである。なお、このような絞り加工は、複数段にわたって行う。したがって、第１パンチ２０と第１ダイス２１とは、形状が少しずつ異なるものが、複数組存在する。

次に、（Ｄ）に示すように、第１中間素材２２のうちで、円筒部８ａとなるべき部分の先端部を、第２パンチ２３と第２ダイス２４との間で押し潰して、内向鍔部１０となるべき薄肉部を有する第２中間素材２５とする。

次いで、（Ｅ）に示すように、この第２中間素材２５を第３ダイス２６により抑え付けた状態で、この第２中間素材２５のうちで底板部９ａとなるべき部分を、第３パンチ２７の先端面と、図示しないカウンタパンチの先端面との間で押し潰し、底板部９ａとなるべき部分の内面中央部に、部分球面状の凸曲面部１２を形成して、第３中間素材２８とする。

次いで、（Ｆ）に示すように、前記第３中間素材２８を、第４パンチ２９と第４ダイス３０との間で抑え付けて、内向鍔部１７となるべき薄肉部の先端部に存在する余剰部分を除去（トリミング）して、第４中間素材３１とする。

次いで、（Ｇ）から（Ｈ）に示すように、この第４中間素材３１を第５ダイス３２により抑え付けた状態で、第４中間素材３１のうちの薄肉部分を、予備曲げ加工パンチ３３と仕上加工パンチ３４とにより順次折り曲げて、この薄肉部を内向鍔部１０とし、（Ｈ）に示した最終中間素材３５とする。この最終中間素材３５が、本発明における円筒部および底板部を有する中間素材に相当する。

次いで、外輪軌道として機能する円筒部８ａの内周面を必要な高度に高めるための熱処理を施す。最後に、この最終中間素材３５にショットピーニングを施して、円筒部８ａおよび底板部９ａの表面および表層部分に残留圧縮応力を発生させる。

上述のようにして造られる、本発明による構成を備える外輪６ａは、自在継手を構成する十字軸２の軸部４の端面と、底板部９ａの内面との当接部での摩擦損失を少なく抑えられる構造で、外径寸法の大型化や厚肉化、さらには、底板部９ａの形状の複雑化を伴うことなく、この底板部９ａ、および、この底板部９ａと円筒部８ａとの連続部の疲労強度を向上させることができる。さらには、防錆塗装との密着性の向上や酸化物の影響を排除することにより、外輪６ａの防錆性についても向上させることができる。さらには、外輪６ａの円筒部８ａの外周面の表面性状を調整することにより、この外輪６ａの抜け止めを図り、自在継手の回転などの位置ずれを生じることのない外輪６ａが提供される。

上述の例では、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪を、熱処理により少なくとも表面を硬化可能な、金属材料（鉄系合金製）の素板に絞り加工を施すことにより製造する場合について説明した。これに対して、本発明のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪を、特許文献４に記載されているように、円柱状の素材に、塑性加工の一種である冷間鍛造加工を施すことにより製造することもできる。この場合にも、円筒部の厚さ寸法に比べて底板部の厚さ寸法が大きい、有底円筒状の中間素材を造り、この中間素材に、表面硬化のための熱処理、および、外面に残留圧縮応力を発生させるためのショットピーニングを施す。このような冷間鍛造加工によりシェル型ラジアルニードル軸受用外輪を製造する場合、素板に絞り加工を施す場合に比べて、金型の強度を大きくするとともにプレス装置の容量を大きくする必要があるなど、設備コストが嵩む代わりに、材料の歩留まりを向上させることができる。このため、大量生産の場合、前記絞り加工の場合に比べて、製造コストを低く抑えられる可能性がある。

本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。実験では、図３に示すように、供試片である外輪６ａの円筒部８ａをホルダ３６の保持孔３７に締り嵌めで内嵌固定した。この保持孔３７は貫通孔とし、外輪６ａの底板部９ａはバックアップしなかった。この状態で外輪６ａ内に、複数本のニードル７とともに十字軸２の軸部４を挿入し、この軸部４の先端面を底板部９ａの内面に当接させた。そして、押圧杆３８によりこの軸部４の先端面を底板部９ａの内面に、５００〜１５００Ｎの範囲で変動する、変動荷重により押し付け、供試片である外輪６ａに、亀裂などの損傷が発生するまでの回数を測定した。

供試片としては、底板部の厚さＴを０．８４ｍｍ、１ｍｍ、１．２ｍｍの３種類に異ならせたものを、それぞれ３個ずつ合計９個、外輪６ａを構成する円筒部および底板部の外面側の表層部の残留圧縮応力の値をそれぞれ異ならせたものを１６種類、１６個用意した。底板部の厚さを異ならせた９個の供試片に関しては、表層部の残留圧縮応力の値を１０００〜１２００ＭＰａとした。また、残留圧縮応力を異ならせた１６個の供試片に関しては、底板部の厚さＴを１．２５ｍｍとした。また、外輪の外径は、いずれも１６ｍｍとし、円筒部の厚さｔは、いずれも１ｍｍとし、材質については、いずれもＳＣＭ４１５とした。また、外輪の内面に関しては、残留圧縮応力を発生させるためのショットピーニングは施さず、絞り加工に伴って発生する残留圧縮応力のみとした。このため、上記外輪の内面の残留圧縮応力の値に関しては、ショットピーニングを施す以前の状態の、外面側と同程度である。このような条件で行った実験の結果を、図４および図５に示す。

図４は、底板部の厚さＴが耐久性（破損までに要するアキシャル荷重の繰り返し回数）に及ぼす影響について示している。図４から理解されるように、厚さＴが０．８４ｍｍの場合には１２万〜２０万回の繰り返し荷重で、外輪が破損したが、この厚さＴを１ｍｍにすると、外輪の破損に至るまでの荷重の繰り返し回数が７４万〜１００万回となり、さらに厚さＴを１．２ｍｍにすると、破損に至るまでの荷重の繰り返し回数が１０００万〜１１００万回と、飛躍的に増大した。

一方、図５は、表層部の残留圧縮応力の値が耐久性（破損までに要するアキシャル荷重の繰り返し回数）に及ぼす影響について示している。図５から理解されるように、残留圧縮応力が４６０〜５６０ＭＰａ程度の場合には１８万〜９４万回の繰り返し荷重で破損したのが、残留圧縮応力が８３０〜１２９０ＭＰａ程度にすると、破損に至るまでの荷重の繰り返し回数が３１５万〜１０００万回となり、飛躍的に増大した。

このように、通常１００万回程度をＯＫレベルとするシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の耐久性の実験において、残留圧縮応力が７００ＭＰａを超えると、３００万回以上の繰り返しが可能となり、１１００ＭＰａを超えると、１０００万回を超える回数まで繰り返しが可能となることが確認された。なお、１０００万回の繰り返し荷重でも破損しなかった場合には、ＯＫストップとして、実験を終了した。

本発明は、自動車用途の十字軸式の自在継手の回転支持部に組み込まれるシェル型ラジアルニードル軸受用外輪に好適に適用されるが、これに限られず、特に底板強度性能や防錆性能が要求されるような各種機械装置に組み込まれる有底円筒状のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪にも広くかつ好適に適用される。

１ａ、１ｂ ヨーク
２ 十字軸
３ 円孔
４ 軸部
５ シェル型ラジアルニードル
６、６ａ 外輪
７ ニードル
８、８ａ 円筒部
９、９ａ 底板部
１０ 内向鍔部
１１ 外輪軌道
１２ 凸曲面部
１３ 内輪軌道
１４ 段部
１５ シール部材
１６ 折れ曲がり部
１８ コイル
１９ 素板
２０ 第１パンチ
２１ 第１ダイス
２２ 第１中間素材
２３ 第２パンチ
２４ 第２ダイス
２５ 第２中間素材
２６ 第３ダイス
２７ 第３パンチ
２８ 第３中間素材
２９ 第４パンチ
３０ 第４ダイス
３１ 第４中間素材
３２ 第５ダイス
３３ 予備曲げ加工パンチ
３４ 仕上曲げ加工パンチ
３５ 最終中間素材
３６ ホルダ
３７ 保持孔
３８ 押圧杆

Claims (9)

1. 金属材料により全体を一体の有底円筒状に形成されており、内周面に外輪軌道を設けた円筒部と、この円筒部の一端開口を塞ぐ底板部とを備え、この円筒部を外側部材に設けた円孔に内嵌固定するとともに、前記外輪軌道と円柱状の内側部材の端部外周面に設けた内輪軌道との間に複数本のニードルを転動自在に設け、かつ、前記内側部材の端面を前記底板部の内面中央部に当接させた状態で使用するシェル型ラジアルニードル軸受用外輪において、
   前記円筒部および底板部の外面側に、残留圧縮応力を発生させるための手段により発生させた残留圧縮応力が存在しており、前記円筒部および底部の内面側の残留圧縮応力の値は、前記残留圧縮応力を発生させるための手段を施す以前のこれら円筒部および底板部の外面側の残留圧縮応力の値と同程度であり、これら円筒部および底板部の外面側の表層部の残留圧縮応力の値が、これら円筒部および底板部の内面側の表層部の残留圧縮応力の値よりも大きくなっており、かつ、これら円筒部および底板部の外面側の表層部のうち、表面から０．０３ｍｍまでの深さの表層部分における残留圧縮応力の大きさが１１００ＭＰａより大きく１６００ＭＰａ以下であることを特徴とする、
   シェル型ラジアルニードル軸受用外輪。
2. 前記底板部の厚さ寸法の、前記円筒部の厚さ寸法に対する比が、１．０５〜２の範囲にある、請求項１に記載したシェル型ラジアルニードル軸受用外輪。
3. 前記底板部の厚さ寸法が１．２〜３ｍｍである、請求項２に記載したシェル型ラジアルニードル軸受用外輪。
4. 前記円筒部および底板部の外面側の表面に酸化物が存在しない、請求項１に記載のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪。
5. 請求項１に記載したシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法であって、前記金属材料からなる円板状の素板を円筒状に絞り加工を施すことにより、もしくは、前記金属材料からなる円柱状の素材を円筒状に塑性加工を施すことにより、前記円筒部および底板部を有する中間素材とした後、この中間素材の円筒部および底板部の外面側にショットピーニングを施して、これら円筒部および底板部の外面側の表面および表層部分に残留圧縮応力を発生させると共に、これら円筒部および底板部の内面側の残留圧縮応力の値を、ショットピーニングを施す以前のこれら円筒部および底板部の外面側の残留圧縮応力の値と同程度とするシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法。
6. 造るべきシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の底板部の厚さ寸法と同等以上の厚さ寸法を有する、前記金属材料の金属板を打ち抜いて、前記円板状の素板とし、次に、この素板の径方向外寄り部分を、円筒状凹面であるダイスの内周面と、円筒状凸面であるパンチの外周面との間で、厚さ寸法を減少させつつ円筒状に塑性変形させる絞り加工を施すことにより、前記円筒部および底板部を有する中間素材とする、請求項５に記載のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法。
7. 前記ショットピーニングを施すことにより、前記円筒部および底板部の外面側の表面の防錆塗装との密着性を改善する、請求項５に記載のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法。
8. 前記円筒部の外面側の表面に前記ショットピーニングを施すことにより、この外輪の前記外側部材に設けた前記円孔からの抜け止めを図る、請求項５に記載のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法。
9. 前記ショットピーニングを施すことにより、前記円筒部および底板部の外面側の表面に存在する酸化物を除去する、請求項５に記載のシェル型ラジアルニードル軸受用外輪の製造方法。
   

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