JP5549386B2 - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、車体の支持部材へ取付けるための外輪フランジを外輪に有する車輪用軸受装置に関する。

自動車の車輪用軸受装置は、内輪に車輪やブレーキロータを取り付けるためのフランジを有し、外輪にナックル等の車体支持部材に車輪用軸受装置を取り付けるためのフランジを有し、内輪外周と外輪内周にはそれぞれ複列の軌道面が形成され、軌道面間に玉やころなどの転動体を背面（ＤＢ）組み合わせ、且つ、予圧付与状態で配することで、車輪を高モーメント剛性、且つ、回転自在に車体に支持させている。外輪フランジにはネジ穴が形成され、ナックルの車体内側方向から挿入され、ナックルを貫通するボルトで固定されている。

従来から、このボルトの締結により外輪の真円度が悪化し、軸受装置の寿命低下の原因として問題になっていた。真円度の悪化には以下４つの要因がある。
（Ａ）ナックルの軸受取付面及び外輪フランジ面の加工上不可避な平面度不良により、取付後の外輪フランジにゆがみが発生し、そのゆがみが外輪軌道に伝播し、軌道面の真円度を悪化させる。
（Ｂ）ボルトの軸力により、ネジ穴周辺が引っ張られることで変形し、外輪フランジにゆがみが発生し、そのゆがみが外輪軌道に伝播し、軌道面の真円度を悪化させる。
（Ｃ）ネジ穴が４点で、４点同時に締め付ける場合、実際には締め付け完了に時間差がでる。言い換えると、最後に締結されるボルトは、既に外輪が３点で固定された状態で締結される。このとき、ナックルのボルト穴とネジ穴との位相差が大きいとネジ部に軸方向でない力が発生し、外輪フランジにゆがみが発生し、そのゆがみが外輪軌道に伝播し、軌道面の真円度を悪化させる。
（Ｄ）車輪に路面反力がかかり、外輪フランジが変形し、そのゆがみが外輪軌道に伝播し、軌道面の真円度を悪化させる。

正すきまで使用される軸受装置にあっては、真円度の悪化は荷重負荷圏の分布の変化としてあらわれるだけで、真円度の悪化が軽微な場合は寿命への影響は比較的軽微であるが、車輪用軸受装置は上述の様に、予圧付与状態で使用されるため、真円度の悪化量はそのまま、その位置での負すきま量が軌道面や転動体の変形荷重として加算されることによる転動体荷重の増加につながり、寿命への影響は大きい。

上記（Ａ）、（Ｂ）に対し、特許文献１はフランジ根元剛性を下げて対策し、特許文献２は、フランジに制御可能な一様の変形を与えることで、制御不可能な変形の影響を抑制している。

上記（Ｃ）に対し、特許文献３に記載の車輪用軸受装置では、図４に示すように、外輪１０２に設けられた複数の外輪フランジ１０２ａのうち、少なくとも１つの外輪フランジ１０２ａの根元部に肉盗み部１０２ｈを形成し、肉盗み部１０２ｈが形成された外輪フランジ１０２ａのラジアル剛性を肉盗み部１０２ｈが形成されていない外輪フランジ１０２ａのラジアル剛性と比べて低くすることにより、車体取り付け時における外輪軌道面の真円度の悪化を抑制している。

上記（Ｄ）に対し、特許文献４に記載の車輪用軸受装置では、図５に示すように、外輪２０２に設けられた複数の外輪フランジ２０２ａのうち、反路面側の周縁部の肉厚Ａ１を路面側の肉厚Ｂ１より厚くし、モーメント荷重が負荷された場合の外輪２０２の変形を抑制して車輪用軸受装置の長寿命化を図っている。

特開２００６−７８２０号公報 特開２００６−７８２２号公報 特開２００９−１６６６５１号公報 特開２００９−２９２３７０号公報

しかしながら、特許文献１の車輪用軸受装置では、フランジ根元を薄くすることで真円度悪化の抑制効果が上がるが、その反面、フランジ強度や軸受のモーメント剛性の低下に繋がる。軸受のモーメント剛性が低下すると操縦安定性が低下する。

特許文献２の車輪用軸受装置では、フランジ根元の車体内側方向に、常に引張り応力が発生するので、フランジ強度が低下する。言い換えれば、フランジ根元部を厚くする必要があるため、軸受装置の質量増に繋がり、コストが上昇する。また、軸受装置はバネ下荷重であるため、軸受装置の質量が増加すると乗り心地の悪化に繋がる。

特許文献３の車輪用軸受装置では、外輪フランジの平面方向の剛性を低下させた構造で、ボルトの締結力による外輪軌道面の真円度の悪化には寄与しない。

特許文献４の車輪用軸受装置では、路面反力の影響を主に考慮したものであるが、フランジを厚くすることは、上記（Ａ）及び（Ｂ）の問題をかえって悪化させる虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車体取り付け時のボルトの締結力による外輪軌道面の真円度の悪化、特に上記（Ａ）及び（Ｂ）に起因する外輪軌道面の真円度の悪化を抑制することができる車輪用軸受装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、以下の構成により達成される。
（１）外周部には車体の支持部材への取付け用のボルト固定孔を有する複数の外輪フランジを設け、内周部には複列の外輪軌道面を有する外輪と、
前記複列の外輪軌道面と対向する複列の内輪軌道面を有する内輪と、
前記外輪と前記内輪との間に介装され前記外輪と前記内輪との相対回転を可能とする転動体と、を有する車輪用軸受装置であって、
前記外輪フランジが設けられていない部分の前記外輪の半径方向の肉厚Ｒ１と前記転動体のピッチ円直径Ｄ１との関係が、全周に亘ってＲ１≧α１×Ｄ１、且つ、前記ボルト固定孔周辺部における前記外輪フランジの半径方向の肉厚Ｒ２とボルト固定孔直径Ｄ２との関係がＲ２≧α２×Ｄ２であって、０．１１９≦α１≦０．１２７、且つ、０．５３３≦α２≦０．５８０を満たすことを特徴とする車輪用軸受装置。
（２）α１＝０．１２、α２＝０．５８であることを特徴とする（１）に記載の車輪用軸受装置。
（３）前記転動体が玉であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の車輪用軸受装置。
（４）前記転動体がころであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の車輪用軸受装置。

本発明の車輪用軸受装置によれば、外輪フランジのラジアル剛性を十分確保することができるので、車輪用軸受装置を車体に取り付ける際にボルトの締結力により外輪軌道面の真円度が悪化することを抑制することができる。しかも、軸受装置の質量増加やモーメント剛性の低下を招くことがない。

本発明の一実施形態の車輪用軸受装置の断面図である。 （ａ）図１の外輪の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｏ−Ｂ線断面図である。 （ａ）はＦＥＭ解析によるα１、α２と外輪軌道面の真円度との関係を示す表であり、（ｂ）は（ａ）をグラフ化したものである。 特許文献３に記載の車輪用軸受装置の断面図である。 特許文献４に記載の車輪用軸受装置の正面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態の車輪用軸受装置について説明する。図１は本発明の一実施形態の車輪用軸受装置の断面図であり、図２（ａ）は図１の外輪の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｏ−Ｂ線断面図である。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本実施形態の車輪用軸受装置１は、車体支持部材に固定されて常時非回転状態に維持される外輪２と、外輪２の内側に対向して設けられ且つ車輪を取付けるための内輪４と、外輪２と内輪４との間に複列(例えば２列)で転動自在に組み込まれた複数の転動体６,８とを備えている。

なお、外輪２は中空円筒状を成し、内輪４の外周を覆うように配置されており、外輪２と内輪４との間には、軸受内部を軸受外部から密封するためのシール部材９が設けられている。また、転動体６,８として図面では、玉を例示しているが、車両の種類等や使用環境に応じて、ころを適用してもよい。

更に、外輪２には、その外周部から外方に向って突出した３つの外輪フランジ２ａ１、２ａ２が一体的に設けられている。より具体的に説明すると、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、反路面側（車体上側）に１点の外輪フランジ２ａ１と、路面側（車体下側）に２点の外輪フランジ２ａ２とが環状外周面２ｅの接線で滑らかに接続するように略三角形状に一体形成されており、各外輪フランジ２ａ１、２ａ２には、雌ネジが形成されたボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２が穿設されている。

従って、外輪２には、上下方向に鉛直に延びる鉛直線Ｐの上方に１つのボルト固定孔２ｂ１が穿設され、さらに鉛直線Ｐを中心として左右対称位置に外輪軌道面２ｃより下方に２つのボルト固定孔２ｂ２が穿設されている。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｏ−Ｂの断面図であるが、図２（ａ）のＢ−Ｏ−Ｂ´の断面図も同じ図となる。このボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２を介して車体内側方向から固定ボルトを締結することで、外輪２を車体側支持部材に固定することができる。

このようにボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２を全部で３つとすることで、上記（Ｃ）による軌道面の真円度の悪化が抑制される。また、３つのボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２は、加工のしやすさを考慮して同一ＰＣＤ上に配置される。これら３つのボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２は、具体的には、外輪２の円筒部分をチャックして、チャックをインデックスすることで、順次、穿孔されている。

反路面側の外輪フランジ２ａ１のボルト固定孔外周面２ｄ１は、ボルト固定孔２ｂ１中心を中心とする円弧面で形成され、外輪フランジ２ａ１は、該円弧面と、外輪２の外周面のうち外輪フランジ２ａ１、２ａ２が設けられていない部分をなす環状外周面２ｅと該円弧面とを結ぶ接線を含む面とで画成される。これにより、旋回外側荷重に対しては、軸受中心からボルトまでの距離を長くすることでボルトの負荷を軽減し、旋回内側荷重に対しては、外輪フランジ２ａ１の受圧面を増加させ、面圧を下げることで、外輪フランジ２ａ１のゆがみも軽減し、上記（Ｄ）の真円度の悪化を抑制している。

また、路面側の外輪フランジ２ａ２のボルト固定孔外周面２ｄ２も同様に、ボルト固定孔２ｂ２中心を中心とする円弧面で形成され、外輪フランジ２ａ２は、該円弧面と、外輪フランジ２ａ２外側に位置する環状外周面２ｅと該円弧面とを結ぶ接線を含む面と、外輪フランジ２ａ２間に位置する環状外周面２ｅに接する円弧面と、該円弧面同士を結ぶ接線を含む面とで画成される。

２つのボルト固定孔２ｂ２の開き角θは、概６０°以下とし、外輪フランジ２ａ２外側形状をなす２つの接線は環状外周面２ｅの最大幅をなす部分より内側にあり、言い換えれば、２つの接線は上に開いたＶ字上となっている。このような配置をとることで、旋回外側荷重に対しては、外輪フランジ２ａ２の受圧面を増加させ、面圧を下げることで、外輪フランジ２ａ２のゆがみを軽減し、旋回内側荷重に対しては、軸受中心からボルトまでの距離が短い分、２本のボルトで負荷を軽減している。また、外輪フランジ２ａ２外側の２つの接線は軸受外径面２ｄの最大幅をなす部分より内側にすることで、ナックルの幅を小さく出来、軽量化できる。また、外輪２の回転アンバランスを減らし、外輪軌道面２ｃの加工精度を向上できる。さらに、外輪２を熱間鍛造するときのラップ（フランジを張り出す際、内径面が引き込まれ、クラックのようになる不具合現象）を防止することができる。

さらに、反路面側の外輪フランジ２ａ２は左右対称に配置されるので、穿孔時、孔位置決めにも使いやすい。すなわち、径方向から、Ｖ字型或はＵ字型の位相決め冶具を押し付けることで、反路面側の外輪フランジ２ａ２は容易かつ正確に位相を決めることができる。

一方、内輪４には、ディスクホイールを支持しつつ共に回転する略円筒形状のハブ１２が設けられており、ハブ１２には、ディスクホイールが固定されるハブフランジ１２ａが突設されている。

ハブフランジ１２ａは、外輪２を越えて外方に向って延出しており、その延出縁付近には、周方向に沿って所定間隔で配置された複数のハブボルト１４が設けられている。この場合、各ハブボルト１４をディスクホイールに形成されたボルト孔(不図示)に差し込んでハブナット(不図示)で締付けることにより、当該ディスクホイールをハブフランジ１２ａに対して位置決めして固定することができる。

また、ハブ１２には、その車体側に環状の内輪部材１６が外嵌されている。この場合、例えば外輪２と内輪４との間に複数の転動体６,８を組み込んだ状態で、内輪部材１６をハブ１２に形成された段部１２ｂに外嵌した後、ハブ１２の車体側端部の加締め領域１２ｃを塑性変形させて、当該加締め領域１２ｃを内輪部材１６の周端部１６ｓに沿って加締めることで、当該内輪部材１６をハブ１２に固定することができる。ハブ１２の加締め領域１２ｃを加締める代わりに、ナット締めとして内輪部材１６を固定してもよい。

これにより車輪用軸受装置１には所定の予圧が付与された状態となり、この状態において、各転動体６,８は、互いに所定の接触角を成して外輪２の内周部に複列に形成された外輪軌道面２ｃ及び内輪４の外周部に複列に形成された内輪軌道面４ａ間に沿って接触しつつ回転可能に組み込まれる。

続いて、本発明の特徴部分である外輪２の構成について引き続き図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照してより具体的に説明する。
転動体６、８のピッチ円直径をＤ１とし、環状外周面２ｅが存在する部分、言い換えれば、外輪フランジ２ａ１、２ａ２の存在しない部分の外輪２の半径方向の肉厚Ｒ１とした時、肉厚Ｒ１は、外輪フランジ２ａ１、２ａ２の存在する部分を除いて全周に亘って、
Ｒ１≧α１×Ｄ１（０．１１９≦α１≦０．１２７）
に設定される。なお、外輪フランジ２ａ１、２ａ２の存在しない部分の外輪２の半径方向の肉厚Ｒ１とは、環状外周面２ｅと外輪軌道面２ｃの溝底との半径方向の肉厚であり、上式で最小値を規定している。

また、これに加えて、ボルト固定孔外周面２ｄ１、２ｄ２の直径をＤ２とし、ボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２周辺部における外輪フランジ２ａ１、２ａ２の半径方向の肉厚をＲ２とした時、肉厚Ｒ２は、
Ｒ２≧α２×Ｄ２（０．５３３≦α２≦０．５８０）
に設定される。なお、ボルト固定孔外周面２ｄ１、２ｄ２の直径Ｄ２とは、ボルトの谷の径＝雌ネジの山の径を意味し、ボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２周辺部における外輪フランジ２ａ１、２ａ２の半径方向の肉厚Ｒ２とは、ボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２のボルト固定孔外周面２ｄ１、２ｄ２と雌ネジの山との間の半径方向の肉厚であり、上式で最小値を規定している。

ここで、雌ネジの山とフランジ根元のニゲ部２ｆとの径方向幅をＲ３とした時、ボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２周囲のボルト軸力による面圧分布をボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２まわりで一様とするため、Ｒ３≧Ｒ２に設定され、Ｒ３＝Ｒ２であることが最も好ましい。

Ｄ２、Ｒ２、Ｒ３寸法にボルトの谷の径＝雌ネジの山の径を用いているのは、締結によるボルトの延びやネジ山の部分的な変形により、軸力の負荷部分がボルトの谷の径＝雌ネジの山側に偏る傾向があり、計算結果の傾向がより顕著に現れるためである。

図３（ａ）はＦＥＭ解析によるα１、α２と外輪軌道面の真円度（外輪軌道面真円度）との関係を示す表であり、図３（ｂ）は図３（ａ）をグラフ化したものである。
ＦＥＭ解析は、図２に示す外輪２において、Ｄ１、Ｄ２を一定として、外輪フランジ２ａ１、２ａ２の存在しない部分の外輪２の半径方向の肉厚Ｒ１（以下、肉厚Ｒ１とも呼ぶ。）、ボルト固定孔周辺部における外輪フランジ２ａ１、２ａ２の半径方向の肉厚Ｒ２（以下、肉厚Ｒ２とも呼ぶ。）を変えて、それぞれの条件下で、外輪２を締結力５８ｋＮにてナックルに組み付けたときの外輪軌道面２ｃの真円度を算出したものである。なお、Ｄ１＝６２．０ｍｍ、Ｄ２＝１０．６４７ｍｍに設定した。ここで、Ｄ２の１０．６４７は、Ｍ１２×１．２５のボルトの谷の径＝雌ネジの山の径であり、締結力５８ｋＮはこのネジに一般的に用いられる軸力値である。

また、Ｒ２＝Ｒ３とし、Ｒ２の増加に伴い、外輪フランジ２ａ１、２ａ２が大きくなるようにし、肉厚がＲ１となる変形しやすい部分との関係から真円度の変化量を計算した。外輪フランジ２ａ１、２ａ２の厚さは、雌ネジの車体内側の面取りと、雌ネジの車体外側のバリやＲ部への係りなどにより精度の悪い部分を嵌合させないボルト長さ（つまり、ボルトはネジ孔を貫通しない）と、ボルトの面取りを考慮してもネジの呼び径以上の嵌合が得られる寸法とし、今回は１５ｍｍとしている。また、両外輪軌道面２ｃの溝底は、外輪フランジ２ａ１、２ａ２と径方向に重なる位置として、フランジ変形の影響が、外輪軌道面へ増幅して伝播することを避けている。

さらに、軸受剛性を保つため両列の接触角は３０°〜４５°とし、軌道面の剛性を保つため、両列の接触角は、外径より小径位置（全周にわたって肉のある部分）で交差するようにしている。なお、本計算では締結前の外輪軌道面２ｃを真円としており、図３（ａ）（ｂ）の外輪軌道面真円度は真円度の変化量と同義である。

図３（ａ）及び（ｂ）から、外輪軌道面２ｃの真円度は、α１、α２を大きくする、即ち固定されたＤ１、Ｄ２に対し肉厚Ｒ１、Ｒ２を大きくすることで次第に小さくなり、（４）のα１＝０．１２７、α２＝０．５８０で最小値を示し、さらに肉厚Ｒ１、Ｒ２を増やしてα１、α２を大きくしてもそれ以上小さくならないことが確認できる。

このように本発明者は、鋭意検討の結果、転動体６,８のピッチ円直径Ｄ１に対する外輪フランジ２ａ１、２ａ２の存在しない部分の外輪２の半径方向の肉厚Ｒ１と、ボルト固定孔直径Ｄ２に対するボルト固定孔周辺部における外輪フランジ２ａ１、２ａ２の半径方向の肉厚Ｒ２とを適切に設定することにより、外輪軌道面２ｃの真円度が臨界値を持つことを見出したものである。

さらに、肉厚Ｒ１、Ｒ２が大きくなると外輪２の重量が増加するが、図３（ａ）及び（ｂ）から、α１≦０．１２７、α２≦０．５８０とすることにより、重量の増加を抑制できる。

以上の結果から、本発明では、ラジアル剛性の確保と重量増加の抑制を両立させることができる０．１１９≦α１≦０．１２７、且つ、０．５３３≦α２≦０．５８０をα１、α２のとりうる値として規定し、さらにα１＝０．１２、α２＝０．５８を最適値として規定した。そして、α１、α２をこの範囲内に設定することで、外輪フランジ２ａ１、２ａ２のラジアル剛性を確保でき、車体支持部材に取り付け時の締結力による外輪軌道面２ｃの真円度の悪化を抑制できることを確認した。

以上説明したように、本実施形態の車輪用軸受装置１によれば、外輪フランジ２ａ１、２ａ２の存在しない部分の外輪２の半径方向の肉厚Ｒ１と転動体６、８のピッチ円直径Ｄ１との関係が、全周に亘ってＲ１≧α１×Ｄ１、且つ、ボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２の周辺部における外輪フランジ２ａ１、２ａ２の半径方向の肉厚Ｒ２とボルト固定孔直径Ｄ２との関係がＲ２≧α２×Ｄ２であって、０．１１９≦α１≦０．１２７、且つ、０．５３３≦α２≦０．５８０を満たすことにより、車体取り付け時のボルトの締結力による外輪軌道面２ｃの真円度が悪化するのを抑制することができる。特に、Ｄ２＝８〜１１ｍｍ、Ｄ１＝４０ｍｍ以上、より好ましくは４０〜８０ｍｍの範囲の車輪用軸受装置に好適である。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、ボルト固定孔２ｂ１、２ｂ２の数は合計で３つとしたが外輪２をナックルなどの車体支持部材に固定できる限り、これに限定されるものではない。また、その位置も適宜変更することができる。

１ 車輪用軸受装置
２ 外輪
２ａ１、２ａ２ 外輪フランジ
２ｂ１、２ｂ２ ボルト固定孔
２ｃ 外輪軌道面
２ｄ１、２ｄ２ ボルト固定孔外周面
２ｅ 環状外周面
４ 内輪
４ａ 内輪軌道面
６、８ 転動体
Ｒ１ 外輪フランジの存在しない部分の外輪の半径方向の肉厚
Ｒ２ ボルト固定孔周辺部における外輪フランジの半径方向の肉厚
Ｄ１ 転動体のピッチ円直径
Ｄ２ ボルト固定孔直径

Claims (4)

1. 外周部には車体の支持部材への取付け用のボルト固定孔を有する複数の外輪フランジを設け、内周部には複列の外輪軌道面を有する外輪と、
   前記複列の外輪軌道面と対向する複列の内輪軌道面を有する内輪と、
   前記外輪と前記内輪との間に介装され前記外輪と前記内輪との相対回転を可能とする転動体と、を有する車輪用軸受装置であって、
   前記外輪フランジが設けられていない部分の前記外輪の半径方向の肉厚Ｒ１と前記転動体のピッチ円直径Ｄ１との関係が、全周に亘ってＲ１≧α１×Ｄ１、且つ、前記ボルト固定孔周辺部における前記外輪フランジの半径方向の肉厚Ｒ２とボルト固定孔直径Ｄ２との関係がＲ２≧α２×Ｄ２であって、０．１１９≦α１≦０．１２７、且つ、０．５３３≦α２≦０．５８０を満たすことを特徴とする車輪用軸受装置。
2. α１＝０．１２、α２＝０．５８であることを特徴とする請求項１に記載の車輪用軸受装置。
3. 前記転動体が玉であることを特徴とする請求項１又は２に記載の車輪用軸受装置。
4. 前記転動体がころであることを特徴とする請求項１又は２に記載の車輪用軸受装置。

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