JP5644881B2 - 車輪支持用転がり軸受装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受装置の製造方法に関する。

自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受装置は、一般には以下のような構成である。すなわち、車輪が取り付けられ一体に回転する円筒状のハブホイールと、このハブホイールの外方に配されハブホイールの外周面に形成された軌道面に対向する軌道面を内周面に有する外輪と、両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、ハブホイールが転動体の転動を介して外輪に回転自在に支持された構成である。そして、ハブホイールの外周面には、車輪を取り付けるためのフランジが設けられ（すなわち、ハブホイールは円筒部とフランジ部とからなる）、外輪の外周面には、懸架装置を取り付けるためのフランジが設けられている。

このような従来の車輪支持用転がり軸受装置においては、ハブホイールや外輪が、中炭素鋼材（例えばＳ５０〜Ｓ５５Ｃに相当する鋼材やＳＡＥ１０７０）からなる素材を熱間鍛造した後に所定の形状に切削加工することにより形成されているため、ハブホイールや外輪の製造に多くの手間と時間を要するという難点があった。そこで、炭素鋼板を所定の形状にプレス成形することによってハブホイールや外輪を製造した車輪支持用転がり軸受装置が提案されている（特許文献１〜５を参照）。

特開２００３−２５８０３号公報 特許第３３５２２２６号公報 特開平９−１５１９５０号公報 特開平７−３１７７７７号公報 特開２００６−６４０３６号公報

しかしながら、炭素鋼板をプレス成形することによってハブホイールを製造する場合には、鋼板に絞り加工を施すことにより円筒状に形成する必要があるため、円筒部が小径のハブホイールを製造する場合には強い絞り加工が必要であった。よって、ハブホイールを製造する方法としてより容易で良好な方法が望まれていた。

一方、近年においては自動車の使用条件は厳しくなっており、ハブホイールや外輪には大きな荷重が負荷される場合がある。例えば、車輪が縁石等に乗り上げた際には、ハブホイールの円筒部にフランジを介して大きな荷重が負荷される。そのため、車輪支持用転がり軸受装置には、大きな荷重に耐える強度が要求されている。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、大きな荷重が負荷されても損傷が生じにくい車輪支持用転がり軸受装置を容易に製造することができる方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の態様は次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係る車輪支持用転がり軸受装置の製造方法は、車輪が取り付けられ一体に回転するハブホイールと、前記ハブホイールの外方に配され前記ハブホイールの外周面に形成された軌道面に対向する軌道面を内周面に有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記ハブホイールが前記転動体の転動を介して前記外輪に回転自在に支持された車輪支持用転がり軸受装置を製造する方法であって、以下の５つの条件を満たしていることを特徴とする。

条件Ａ）０．４５質量％以上０．７５質量％以下の炭素を含有するＪＩＳ又はＳＡＥに規定された機械構造用炭素鋼からなり軟化焼鈍しが施されてフェライト、球状化セメンタイト、及び針状セメンタイトを含有する組織を有する円柱状素材を、熱間鍛造を行うことなく冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、前記軌道面に高周波焼入れを施して前記ハブホイールを得る。
条件Ｂ）前記ハブホイールの軌道面には、前記高周波焼入れにより硬化層が形成されている。

条件Ｃ）前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分は、ビッカース硬さＨｖが６５０以上である。
条件Ｄ）前記硬化層のうちビッカース硬さＨｖが３００以上６００以下の部分について、ビッカース硬さＨと深さＤ（ｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａが−７００以上−１２０以下である。
条件Ｅ）前記ハブホイールは、前記車輪を取り付けるためのフランジを備えており、前記冷間鍛造が、前記フランジを形成するための側方押出しを含む。

車輪支持用転がり軸受装置のハブホイールには大きな荷重が負荷される場合があるが、上記のような構成の硬化層が形成されていれば、ハブホイールの強度が優れているため、大きな荷重が負荷されても損傷が生じにくい。つまり、高周波焼入れを施すと、焼入れ部と非焼入れ部との界面において引張残留応力が発生し、この引張残留応力が大きい場合には、ハブホイールに大きな荷重が負荷された際に、表面ではなく内部（前記界面）を起点とした破壊が発生しやすくなるが、上記のような構成の硬化層が形成されていれば、前述の引張残留応力の発生が緩和されるので、内部を起点とした破壊が発生しにくくなり、ハブホイールに大きな荷重が負荷されても損傷が生じにくい。

また、軟化焼鈍しが施された素材を冷間鍛造で所定の形状に成形した後に高周波焼入れを施せば、上記のような構成の硬化層を容易に形成することができる。また、熱間鍛造，切削加工，絞り加工等が不要であるため、車輪支持用転がり軸受装置を容易に製造することができる。

ここで、前記各条件における各数値の臨界的意義について説明する。
〔条件Ａについて〕
炭素の含有量が０．４５質量％未満であると、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分のビッカース硬さＨｖを６５０以上とすることが困難となる場合がある。一方、０．７５質量％超過であると、鋼の加工性が不十分となるおそれがある。

〔条件Ｃについて〕
車輪支持用転がり軸受装置が十分な転がり寿命を有するためには、ハブホイールの軌道面に、十分な硬さ及び厚さの硬化層が形成されている必要がある。そして、十分な転がり寿命を得るためには、表面から深さ１ｍｍまでの部分のビッカース硬さＨｖを６５０以上とする必要がある。なお、車輪支持用転がり軸受装置の転がり寿命をより長寿命とするためには、硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分のビッカース硬さＨｖは７２０以上であることが好ましい。

〔条件Ｄについて〕
前記式の係数ａが−７００未満であると、大きな荷重が負荷された際にハブホイールに損傷が生じやすくなるおそれがある。一方、−１２０超過であると、高周波焼入れに長時間を要したり、結晶粒等が粗大化するおそれがある。

本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の製造方法は、大きな荷重が負荷されても損傷が生じにくい車輪支持用転がり軸受装置を容易に製造することができる。

本発明の一実施形態に係る車輪支持用転がり軸受装置の構造を示す断面図である。 円柱状素材に冷間鍛造を施してハブ輪を製造する工程を説明する工程図である。 ハブ輪の硬化層のビッカース硬さと深さとの関係を示すグラフである。 係数ａを求める方法を説明する図である。 静的強度試験装置の構造を示す図である。 ハブ輪の静的強度と係数ａとの関係を示すグラフである。

本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る車輪支持用転がり軸受装置の構造を示す断面図である。なお、本実施形態においては、車輪支持用転がり軸受装置を自動車等の車両に取り付けた状態において、車両の幅方向外側を向いた部分を外端側部分と称し、幅方向中央側を向いた部分を内端側部分と称する。すなわち、図１においては、左側が外端側となり、右側が内端側となる。

図１の車輪支持用転がり軸受装置１は、略円筒状のハブ輪２と、ハブ輪２に一体的に固定された内輪３と、ハブ輪２の外方に同軸に配された略円筒状の外輪４と、二列の転動体５，５と、転動体５を保持する保持器６，６と、を備えている。また、外輪４の内端側部分の内周面と内輪３の内端側部分の外周面との間、並びに、外輪４の外端側部分の内周面とハブ輪２の中間部の外周面との間には、それぞれシール装置７ａ，７ｂが設けられている。

さらに、外輪４の内方に配されたハブ輪２のうち外輪４から突出している外端側部分の外周面には、図示しない車輪を支持するための車輪取り付け用フランジ１０が設けられている。そして、外輪４の外周面には、車輪取り付け用フランジ１０から離間する側の端部に、懸架装置取り付け用フランジ１３が設けられている。
ハブ輪２の内端側部分には外径の小さい小径部１１が形成されており、該小径部１１に内輪３が圧入され、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されている。なお、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが、本発明の構成要件であるハブホイールに相当し、外輪４が本発明の構成要件である外輪に相当する。

ハブ輪２の外周面の軸方向中間部及び内輪３の外周面には、それぞれ軌道面が形成されており、ハブ輪２の軌道面は第一内側軌道面２０ａ、内輪３の軌道面は第二内側軌道面２０ｂとされている。また、外輪４の内周面には、前記両内側軌道面２０ａ，２０ｂに対向する軌道面が形成されており、第一内側軌道面２０ａに対向する軌道面は第一外側軌道面２１ａ、第二内側軌道面２０ｂに対向する軌道面は第二外側軌道面２１ｂとされている。さらに、第一内側軌道面２０ａと第一外側軌道面２１ａとの間、及び、第二内側軌道面２０ｂと第二外側軌道面２１ｂとの間には、それぞれ複数の転動体５が転動自在に配置されている。なお、図示の例では、転動体として玉を使用しているが、車輪支持用転がり軸受装置１の用途等に応じて、ころを使用してもよい。

また、ハブ輪２の外周面と外輪４の内周面とには、高周波焼入れによる硬化層２２が形成されている。これにより、第一内側軌道面２０ａ，第一外側軌道面２１ａ，及び第二外側軌道面２１ｂには、高周波焼入れによる硬化層２２が形成されている。ハブ輪２及び外輪４のうち硬化層２２以外の部分には焼入れは施されていない（以降は、このような部分を非焼入れ部と記す）。そして、内輪３には、例えば焼入れと焼戻しとが施され、第二内側軌道面２０ｂは焼入れ焼戻しより硬化されている。

このような車輪支持用転がり軸受装置１を自動車に組み付けるには、懸架装置取り付け用フランジ１３を懸架装置に固定し、車輪を車輪取り付け用フランジ１０に固定する。その結果、車輪支持用転がり軸受装置１によって車輪が懸架装置に対し回転自在に支持される。すなわち、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたハブホイールが、車輪と一体に回転する回転輪となり、外輪４が、転動体５の転動を介してハブホイールを回転自在に支持する固定輪（非回転輪）となる。

この車輪支持用転がり軸受装置１においては、ハブ輪２は、炭素の含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下である鋼で構成されている。このような鋼としては、ＪＩＳやＳＡＥに規定された機械構造用炭素鋼のうち、炭素の含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下であるものがあげられる。そして、ハブ輪２は、上記のような鋼からなる円柱状素材（ビレット）に軟化焼鈍しを施した後に冷間鍛造で所定の形状に成形し、さらに外周面に高周波焼入れを施して硬化層２２を形成することにより製造されている。なお、内輪３及び外輪４についても、ハブ輪２と同様の方法で製造されたものでもよい。

このようにして製造されたハブ輪２に形成された硬化層２２は、以下のような構成となっている。すなわち、硬化層２２のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分は、ビッカース硬さＨｖが６５０以上である。また、硬化層２２のうちビッカース硬さＨｖが３００以上６００以下の部分について、ビッカース硬さＨと深さＤ（ｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａが−７００以上−１２０以下である。軟化焼鈍しによって鋼中の炭化物が球状化されているため、その後の高周波焼入れによって上記のような構成の硬化層２２が形成される。

このような車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２が優れた静的強度を有しているので、大きな荷重が負荷されても損傷が生じにくい。また、軟化焼鈍しが施されたことにより円柱状素材が塑性加工性に優れているため、冷間鍛造で成形してハブ輪２とする際に割れ等の損傷が生じにくい。さらに、この車輪支持用転がり軸受装置１は、熱間鍛造，切削加工，絞り加工等が不要であるため、容易に製造することができる。

以下に、ハブ輪２の製造方法の一例を説明する。まず、炭素の含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下である鋼で構成された円柱状素材に、軟化焼鈍しを施す。軟化焼鈍しの条件の一例を示す。円柱状素材をＡ１変態点以上の７４０〜８６０℃で０．１時間以上保持した後に、２０〜７０℃／ｈの冷却速度で６８０〜７２０℃へ冷却し、１〜５時間保持する。続いて、１０〜１００℃／ｈの冷却速度で６２０〜６８０℃へ冷却し、さらに、１０〜１５０℃／ｈの冷却速度で５００〜５６０℃へ冷却する。このような軟化焼鈍しにより、鋼はフェライト，球状化セメンタイト，及び針状セメンタイトを含有する組織となる。

次に、軟化焼鈍しを施した円柱状素材に冷間鍛造を施し、前方押出しを２段階行う。さらに、冷間鍛造を施して段付けを行った後に、側方押出しを行いフランジを形成する（図２を参照）。
得られたハブ輪２の軌道面を含む外周面に高周波焼入れ及び焼戻しを施して、硬化層２２を形成した後、研削仕上げや超仕上げを施して、ハブ輪２を完成した。
内輪３及び外輪４もハブ輪２と同様に製造して、これらを組み立てれば、車輪支持用転がり軸受装置１が得られる。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。ＪＩＳ Ｓ４５Ｃ，Ｓ５５Ｃ，又はＳ７５Ｃで構成された直径６０ｍｍの円柱状素材に、軟化焼鈍しを施した後に、図２のような冷間鍛造により成形を行った。そして、その外周面に高周波焼入れを施して硬化層を形成した後に、１７０℃で２時間焼戻しを行った。

形成された硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分は、ビッカース硬さＨｖが６５０以上となっている。また、硬化層のうちビッカース硬さＨｖが３００以上６００以下の部分について、ビッカース硬さＨと深さＤ（ｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａは−７００以上−１２０以下である。高周波焼入れの条件は、出力８５〜９０ｋＷ、周波数１０ｋＨｚ、加熱時間６．５〜８．０秒、冷却時間１０〜１５秒であるが、これらの条件を変更することにより、前記係数ａが種々異なる硬化層を有するハブ輪を製造した。

比較例として、以下のようにして製造したハブ輪を用意した。実施例と同様の円柱状素材を熱間鍛造により成形し、実施例と同様の高周波焼入れ及び焼戻しを行うことにより、硬化層を有するハブ輪を製造した。
これらのハブ輪について、硬化層の種々の深さ位置におけるビッカース硬さＨｖを測定した。ビッカース硬さＨｖの測定は、ビッカース硬度計（負荷荷重９．８Ｎ）により行った。

ビッカース硬さと深さとの関係の一例を、図３のグラフに示す。このグラフから分かるように、冷間鍛造により成形を行った実施例と、熱間鍛造により成形を行った比較例とでは、硬化層の構成が異なっている。そして、このグラフから、ビッカース硬さＨと深さＤ（ｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときの、係数ａを求めることができる。図３のグラフの比較例（熱間鍛造品）のプロットについて、係数ａを求める方法を示したものが、図４のグラフである。図４のグラフのようにして各ハブ輪の係数ａを求めた結果を、表１にまとめて示す。

次に、これらのハブ輪を用いて、前述の車輪支持用転がり軸受装置１と同様の構成の転がり軸受装置を製造した。そして、図５に示すような静的強度試験装置に装着して大きな荷重を負荷し、ハブ輪に損傷が生じる静的強度を測定した。
転がり軸受装置の静的強度試験装置への装着は、以下のようにして行った。転がり軸受装置の外端側を上方に向けて静的強度試験装置の基台上に設置し、外輪をナックル又はキャリア締結部で固定した。そして、ハブ輪のフランジと静的強度試験装置の治具とをインローで固定した。なお、ハブ輪の円筒部と外輪との干渉が生じないように、外輪の外端側端部を切断して軸方向長さを短くしてある。

静的強度試験装置の前記治具から延びる把手を押し下げると、梃子の原理により、転がり軸受装置に下方（内端側）に向く荷重が負荷される。把手を押し下げる際に加える力の力点と、転がり軸受装置に負荷される荷重の作用点との間の距離は、２３３．５ｍｍである。

ハブ輪に損傷が生じた静的強度の結果を、表１及び図６のグラフに示す。なお、表１及び図６のグラフの静的強度の数値は、実施例１〜４については比較例１の静的強度を１．０とした場合の相対値で示してある。また、実施例５〜８については比較例２の静的強度、実施例９〜１２については比較例３の静的強度をそれぞれ１．０とした場合の相対値で示してある。
図６のグラフから、前記係数ａが−７００以上であると、ハブ輪の静的強度が高いことが分かる。

１ 車輪支持用転がり軸受装置
２ ハブ輪
３ 内輪
４ 外輪
５ 転動体
１０ 車輪取り付け用フランジ
１３ 懸架装置取り付け用フランジ
２０ａ 第一内側軌道面
２０ｂ 第二内側軌道面
２１ａ 第一外側軌道面
２１ｂ 第二外側軌道面
２２ 硬化層

Claims (1)

1. 車輪が取り付けられ一体に回転するハブホイールと、前記ハブホイールの外方に配され前記ハブホイールの外周面に形成された軌道面に対向する軌道面を内周面に有する外輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、前記ハブホイールが前記転動体の転動を介して前記外輪に回転自在に支持された車輪支持用転がり軸受装置を製造する方法であって、以下の５つの条件を満たしていることを特徴とする車輪支持用転がり軸受装置の製造方法。
   条件Ａ）０．４５質量％以上０．７５質量％以下の炭素を含有するＪＩＳ又はＳＡＥに規定された機械構造用炭素鋼からなり軟化焼鈍しが施されてフェライト、球状化セメンタイト、及び針状セメンタイトを含有する組織を有する円柱状素材を、熱間鍛造を行うことなく冷間鍛造で所定の形状に成形した後に、前記軌道面に高周波焼入れを施して前記ハブホイールを得る。
   条件Ｂ）前記ハブホイールの軌道面には、前記高周波焼入れにより硬化層が形成されている。
   条件Ｃ）前記硬化層のうち表面から深さ１ｍｍまでの部分は、ビッカース硬さＨｖが６５０以上である。
   条件Ｄ）前記硬化層のうちビッカース硬さＨｖが３００以上６００以下の部分について、ビッカース硬さＨと深さＤ（ｍｍ）との関係をＨ＝ａＤ＋ｂなる式で表したときに、該式の係数ａが−７００以上−１２０以下である。
   条件Ｅ）前記ハブホイールは、前記車輪を取り付けるためのフランジを備えており、前記冷間鍛造が、前記フランジを形成するための側方押出しを含む。

Images