JP5793931B2 - 車両用ハブユニットの加工具及び車両用ハブユニット - Google Patents

Description

本発明は車両用ハブユニットの加工具及び車両用ハブユニットに関する。さらに詳しくは、車輪が取り付けられるハブホイールの軸方向内側の端面にスプライン歯を形成するための加工具と、当該スプライン歯が形成された車両用ハブユニットに関する。

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にハブユニットが用いられている。また、この種のハブユニットとして、駆動輪が取り付けられるハブホイールの軸方向内側（車両インナ側）の端面に、等速ジョイントの外輪に形成された歯と噛み合うスプライン歯（サイドフェーススプライン）を形成したものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

ハブホイールのスプライン歯は、通常、歯型を有するパンチ（加工具）を用いて塑性加工される。このパンチは、略円柱形状に形成されるともに、軸方向の一端面に多数の歯型が円環状に並べて形成されている。そして、パンチの歯型をハブホイールの軸方向端面に押し付けてその形状を転写することでスプライン歯が形成される。

特表２００８−５３６７３７号公報 特開２００８−１７４１７８号公報

スプライン歯を塑性加工するためにハブホイールの軸方向端面にパンチの歯型が押し付けられると、歯型には大きな応力が発生する。そして、このような応力が繰り返し発生すると、疲労によって歯型が破損に到ることになる。しかし、歯型が早期に破損してしまうと、当然に製造コストが上昇しこれが製品価格にも反映される。そのため、歯型に生じる応力を低減してパンチの耐久性を高めることが望まれている。

パンチの歯型の耐久性を高めるには、歯型の形状を応力集中し難い形状に変更することが考えられるが、歯型の形状はスプライン歯にそのまま転写されるため、歯型の形状の変更はスプライン歯にも直接影響する。したがって、スプライン歯の強度や耐久性を考慮しつつ歯型に生じる応力が低減されるように、歯型の形状を設計することが極めて重要である。

本発明は、パンチ（加工具）の歯型と、これによって加工されるスプライン歯との双方の耐久性をバランス良く確保することが可能な車両用ハブユニットの加工具及び車両用ハブユニットを提供することを目的とする。

本発明は、車両用ハブユニットの車両インナ側の軸方向端面にスプライン歯を塑性加工するための複数の歯型が中心軸の回りに円環状に並べて形成されている加工具であって、
前記歯型の付け根部には、前記スプライン歯の側面と頂面との間のアール部を転写するための円弧状のアール転写部が設けられており、
前記アール転写部の半径が、前記中心軸を中心とする径方向に関して外側ほど小さくなるように徐々に変化していることを特徴とする。

本発明の発明者は、加工具の歯型の耐久性を向上させるため、まず加工具の歯型に対する応力の発生状況について解析を行った。その結果、加工具の歯型には、その付け根部において応力が集中し、この応力が繰り返し生じることによって歯型が破損に到ることを知得した。そして、この応力の集中を避けるには、車両用ハブユニットのスプライン歯の側面と頂面との間のアール部を転写するために歯型の付け根部に形成されたアール転写部の半径をより大きくすることが有効であることを見出した。しかし、その一方で、歯型のアール転写部の半径をより大きくすると、これが転写されるスプライン歯のアール部の範囲が広くなり、相対してスプライン歯の側面の面積が減少するとともに、等速ジョイント側の歯との噛み合いでスプライン歯の側面に生じる面圧が高くなり、スプライン歯の耐久性が低下するという弊害が生じることもわかった。

以上のことから本発明では、歯型のアール転写部の半径を径方向全体で大きくするのではなく、径方向で変化させることとした。これによって、歯型の付け根部に発生する応力集中を抑制して、加工具の耐久性を適度に高めながらも、歯型によって塑性加工されるスプライン歯の側面の面積減少を抑制し、スプライン歯の耐久性をも確保することを可能としている。

また、前記アール転写部の半径は、前記径方向の外側ほど小さく形成されている。
本発明の発明者は、等速ジョイント側の歯との噛み合いでスプライン歯の側面のどの領域で面圧が高くなるかを解析した。その結果、当該側面における径方向外側寄り領域で面圧が高くなることを知得した。そのため、本発明においては、径方向外側ほど歯型のアール転写部の半径を小さくすることによって、スプライン歯における径方向外側寄りの側面の面積をより大きくし、等速ジョイントとの噛み合いによる面圧を可及的に抑制できるようにしている。これによって、スプライン歯の耐久性を効果的に高めることが可能となる。

上記の加工具において、前記歯型の前記径方向の外端部における前記アール転写部の半径Ｒｏと、前記径方向の内端部における前記アール転写部の半径Ｒｉとは、１．７Ｒｏ＜Ｒｉ＜３．０Ｒｏ の関係に設定されていることが好ましい。
このような構成によって、加工具の耐久性とスプライン歯の耐久性とをよりバランス良く確保することができる。

本発明は、車輪が装着されるハブホイールの車両インナ側の軸方向端面に、等速ジョイント側の歯と噛み合う複数のスプライン歯が軸心回りに円環状に並べて形成されている車両用ハブユニットにおいて、
前記スプライン歯の側面と頂面との間に形成されるアール部の半径が、前記軸心を中心とする径方向に関して外側ほど小さくなるように徐々に変化していることを特徴とする。

本発明の車両用ハブユニットによれば、上述したようにスプライン歯の耐久性を確保しつつも、当該スプライン歯を加工するための加工具の歯型の耐久性を向上することができる。

また、前記アール部の半径は、径方向の外側ほど小さく形成されている。
これによって、スプライン歯の耐久性を効果的に高めることが可能となる。

また、上記車両用ハブユニットにおいて、前記スプライン歯の前記径方向の外端部における前記アール部の半径Ｒｏと、前記径方向の内端部における前記アール部の半径Ｒｉとは、１．７Ｒｏ＜Ｒｉ＜３．０Ｒｏ の関係に設定されていることが好ましい。
このような構成によって、加工具の歯型の耐久性とスプライン歯の耐久性とをよりバランス良く確保することができる。

本発明によれば、加工具の歯型と、これによって加工されるスプライン歯との双方の耐久性をバランス良く確保することができる。

本発明の実施の形態に係る車両用ハブユニットの一例の断面説明図である。 図１に示される車両用ハブユニットのかしめ部端部の拡大説明図である。 車両用ハブユニットの製造方法を示す断面説明図である。 パンチの一例の説明図である。 パンチの一例を示す斜視図である。 パンチの一部を拡大して示す斜視図である。 歯型の付け根部を概略的に示す説明図である。 スプライン歯の一例を概略的に示す斜視図である。 第１，第２比較例に係るパンチの歯型の付け根部を概略的に示す説明図である。 第１比較例におけるスプライン歯を概略的に示す斜視図である。 第２比較例におけるスプライン歯を概略的に示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の車両用ハブユニットの製造方法の実施の形態を詳細に説明する。

［車両用ハブユニットの構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る車両用ハブユニットの一例の断面説明図であり、図２は、同車両用ハブユニットのかしめ部端部の拡大説明図である。
車両用ハブユニット１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ものであり、円筒状のハブ軸２を有するハブホイール３と、前記ハブ軸２の車両インナ側の端部（図１において右側端部）にかしめ固定された内輪構成部材４と、前記ハブ軸２の径方向外方に配設された外輪５と、この外輪５の内周面の外輪軌道５ａ、５ｂと、前記ハブ軸２又は内輪構成部材４の外周面の内輪軌道２ａ、４ａとの間に転動自在に配設された複数の転動体６とを備えている。複数の転動体６は、保持器２０によって周方向に所定の間隔で保持されている。また、外輪５とハブホイール３との間に形成される環状空間には、当該環状空間を軸方向両端から封止するシール部材２１が設けられている。

前記ハブホイール３の車両アウタ側端部（図１において左側端部）にはフランジ部７が形成されており、このフランジ部７には、図示しないボルトが嵌合される孔７ａが形成され、タイヤのホイールやブレーキディスクなどがボルトにより取り付けられる。また、外輪５の外周面には、ハブユニット１を、車両の懸架装置に支持された車体側部材（図示せず）に取り付けるための固定フランジ８が形成されている。

ハブ軸２は、フランジ部７側に形成された大径部９と、この大径部９よりも小径であり且つ当該大径部９と段差部１０を介して連続して形成された小径部１１とを一体的に有している。そして、大径部９の外周面に外輪５の外輪軌道５ａに対応する内輪軌道２ａが形成されている。

内輪構成部材４は、ハブ軸２の小径部１１の外周面に嵌め込まれた後、後述するように、当該小径部１１の端部がかしめられてかしめ部１２が形成されることによって、段差部１０とかしめ部１２との間に固定される。

ハブユニット１には等速ジョイント３０を介して駆動軸３１の駆動力が伝達される。図示されている等速ジョイント３０は、バーフィールド型の等速ジョイントであり、駆動軸３１の一端に一体的に連結された内輪３２と、この内輪３２の外方に配設された外輪３３と、内輪３２と外輪３３との間に配設された複数のボール３４と、これら複数のボール３４を保持する保持器３５とを備えている。

等速ジョイント３０の外輪３３は、椀形状の外輪筒部３３ａと、この外輪筒部３３ａの端面の中心部から突設された外輪軸部３３ｂとを備えており、この外輪軸部３３ｂには、軸方向に沿って孔部３６が形成されている。そして、この孔部３６の内周面には雌ねじが形成されている。先端部に雄ねじ３７が形成されたキャップボルト３８によってハブユニット１と等速ジョイント３０が接続される。

図２に示されるように、ハブ軸２の車両インナ側の軸方向端部のかしめ部１２の端面には複数のスプライン歯１３が軸心Ｏを中心に円環状に並べて形成されており、前記かしめ部１２と対向する外輪筒部３３ａの端面にも複数の歯１４が円環状に並べて形成されている。そして、スプライン歯１３と歯１４との噛み合いにより、駆動軸３１の回転駆動力が等速ジョイント３０を介してハブユニット１に伝達される。なお、図２において、スプライン歯１３と外輪筒部３３ａの歯１４との噛み合い部１６には斜線を付して示している。

スプライン歯１３の数は、例えば３７個とされ、歯１４はスプライン歯１３と同数とされている。このスプライン歯１３の歯底１３ｂと、これに対向する外輪筒部３３ａの歯１４の上面１４ｃとの間にはクリアランスＣ１が設けられている。また、スプライン歯１３の上面（頂面）１３ｃと、これに対向する外輪筒部３３ａの歯１４の歯底１４ｂとの間にも所定のクリアランスＣ２が設けられている。

スプライン歯１３及び外輪筒部３３ａの歯１４はいずれも型鍛造により形成されるが、これら型鍛造における公差を吸収して、組み付け時に歯と歯が干渉しないように前記所定のクリアランスＣ１、Ｃ２が設けられている。

〔車両用ハブユニットの製造方法〕
スプライン歯１３は、内輪構成部材４をハブ軸２の小径部１１の外周面に嵌めこんだ後、当該小径部１１の端部を型鍛造することにより、かしめ部１２と同時に形成される。
このような型鍛造は「かしめ具」を用いて行うことができる。図４は、かしめ具４０の一例を示しており、このかしめ具４０は、ハブ軸２の小径部１１の端部内に挿入可能であり当該端部の内径に対して所定の傾斜角をもって前記端部に当接し得るガイド部４１を有するパンチ（加工具）４２と、このパンチ４２が回転不可に装着される揺動軸４３とを備えている。

図５は、パンチ４２の一例を示す斜視図である。パンチ４２は工具鋼等の金属によって中心軸Ｘを中心とする略円筒形状に形成されている。パンチ４２の軸方向一端面の中央部には、略円錐台形状に突出するガイド部４１が形成されている。また、パンチ４２の軸方向一端面には、スプライン歯１３を塑性加工するための複数の歯型５０が形成されている。この歯型５０は、ガイド部４１の径方向外側に円環状に配列されている。

図３は、車両用ハブユニットの製造方法を示す断面説明図である。
かしめ具４０を用いて車両用ハブユニット１にかしめ部１２及びスプライン歯１３を形成するには、まず、図３に示されるように、ハブホイール３を基台４６上に固定する。具体的には、ハブホイール３のフランジ部７の車両アウタ側（車両に取り付けた状態で車両の外側寄りとなる側）の側面を基台４６の上面に載置しつつ、基台４６上に立設されたノックピン４５を前記フランジ部７の孔７ａに挿入することにより、ハブホイール３を基台４６に固定する。

次いで、基台４６上のハブホイール３に対して、かしめ具４０のパンチ４２のガイド部４１をハブホイール３のハブ軸２の小径部１１内に進入させ、当該パンチ４２を小径部１１の端部に所定の加圧力で押し当てるとともに、ハブ軸２の軸心Ｏに一致した主軸（図示せず）を回転させることにより、かしめ具４０に揺動運動を発生させる。この揺動かしめによって、小径部１１が外径側に塑性変形されてかしめ部１２が形成され、同時に当該かしめ部１２の端面にパンチ４２の歯型５０によってスプライン歯１３が形成される。なお、内輪構成部材４の外径側には環状の拘束部材７０が配設されており、この拘束部材７０は、揺動かしめ時に内輪構成部材４がパンチ４２からの加圧によって外径側に変形するのを防止している。

次にパンチ４２の歯型５０の構造をより詳細に説明する。
図５に示されるように、複数の歯型５０は、中心軸Ｘを中心とする径方向（放射方向）に沿って形成されている。また、周方向に隣接する歯型５０の間には凹溝５１が形成されている。

図６は、パンチ４２の一部を拡大して示す斜視図、図７は、歯型５０の付け根部を概略的に示す説明図である。また、図８は、スプライン歯１３の一例を概略的に示す斜視図である。
スプライン歯１３は、パンチ４２の歯型５０の形状が転写されることによって形成される。具体的には、各スプライン歯１３は、周方向に隣接する歯型５０の間に形成される。凹溝５１の底面と歯型５０の側面との間には、アール転写部５２が形成されている。図６に、アール転写部５２の範囲をハッチングを付して示す。このアール転写部５２は、円弧状の曲面からなり、図８に示されるように、スプライン歯１３の側面と頂面との間に形成されるアール部６２を転写する。

図６及び図７に示されるように、歯型５０のアール転写部５２は、中心軸Ｘ（図５参照）を中心とする径方向に関して半径（曲率半径）が徐々に変化している。具体的には、径方向外端部におけるアール転写部５２の半径Ｒｏは、径方向内端部におけるアール転写部５２の半径Ｒｉよりも小さく、径方向外端部と径方向内端部との間でアール転写部５２の半径は徐々に変化している。

一方、図８に示されるように、スプライン歯１３のアール部６２は、歯型５０のアール転写部５２が転写されるため、アール部６２の半径は、アール転写部５２の半径Ｒｉ，Ｒｏと同一と考えることができる。したがって、アール部６２も径方向外側ほど半径Ｒｏが小さく、径方向内側ほど半径Ｒｉが大きくなっている。

上述のように、ハブホイール３の車両インナ側の軸方向端面（かしめ部１２の端面）にスプライン歯１３を形成する場合、パンチ４２の歯型５０は揺動運度を行いながら所定の加圧力でかしめ部１２に押し付けられる。このときの歯型５０に対する応力の発生状況をＦＥＭ解析によって調べたところ、歯型５０には、アール転写部５２（図６及び図７にＡで示す部分）において最も応力が集中することが分かった。したがって、疲労破壊もこの部分Ａにおいて発生すると考えられる。

本実施の形態では、アール転写部５２の半径が径方向に関して徐々に変化しており、特に径方向内側においてアール転写部５２の半径Ｒｉが大きくなっている。そのため、アール転写部５２の半径がＲｏよりも小さい値で径方向全体に亘って一定とされている場合に比べ、本実施の形態では応力の集中がより緩和され、耐久性が高められると考えられる。

この点について、本願の発明者は、上記ＦＥＭ解析によってアール転写部５２の半径が径方向で徐々に変化している本実施の形態のケースと、図９に示されるように、アール転写部１５２の半径がＲｏよりも小さい値Ｒ１（図９に実線で示す）で一定とされている第１比較例のケースについて応力の発生状況を解析した。具体的な条件として、本実施の形態のケースではアール転写部５２の半径Ｒｉ，ＲｏをそれぞれＲｉ＝０．８０ｍｍ、Ｒｏ＝０．４５ｍｍとし、第１比較例のケースではアール転写部１５２の半径Ｒ１をＲ１＝０．３０ｍｍとした。また、パンチ４２の素材は、ヤング率２１０ＧＰａ、ポアソン比０．３の工具鋼とした。その結果、本実施の形態では、アール転写部５２に発生する最大主応力が、第１比較例よりも約１３％低減されることが分かった。

一方、アール転写部５２の半径が例えばＲｉよりも大きい値で径方向全体に亘って一定とされている場合、本実施の形態よりも更に応力の集中を低減することができると考えられる。しかし、この場合、歯型５０によって形成されたスプライン歯１３の耐久性が低下するという不都合がある。以下、この点について本実施の形態と上記第１比較例及び他の比較例（第２比較例）とを比較しながら詳細に説明する。

図９は、第１，第２比較例に係るパンチの歯型の付け根部を概略的に示す説明図、図１０は、第１比較例に係るスプライン歯を概略的に示す斜視図、図１１は、第２比較例に係るスプライン歯を概略的に示す斜視図である。
図９において、第１比較例に係るパンチの歯型１５０は、アール転写部１５２の半径Ｒ１が実線で示され、第２比較例に係るパンチの歯型１５０は、アール転写部１５２の半径Ｒ２が２点鎖線で示されている。また、第１比較例では、図１０に示されるようにスプライン歯１１３のアール部１６２の半径Ｒ１が小さい値（Ｒ１＜Ｒｏ）で一定とされ、第２比較例では、図１１に示されるようにスプライン歯１１３のアール部１６２の半径Ｒ２が大きい値（Ｒ２＞Ｒｉ）で一定とされている。

第１比較例（図１０参照）のように、スプライン歯１１３のアール部１６２の半径Ｒ１が小さい場合、相対してスプライン歯１１３の側面１１３ｄの面積が大きくなる。逆に、第２比較例（図１１参照）のように、スプライン歯１１３のアール部１６２の半径Ｒ２が大きい場合、相対してスプライン歯１１３の側面１１３ｄの面積が小さくなる。図１０及び図１１には、スプライン歯１１３の側面１１３ｄの領域に実線のハッチングを付している。

また、スプライン歯１１３は、等速ジョイント３０の外輪筒部３３ａの端面に形成された歯１４に噛み合い、当該歯１４から軸心回りの回転力が付与される。したがって、スプライン歯１１３の側面には、当該側面に直交する力が主に作用する。図１０及び図１１には、歯１４から力を受ける領域１１３ｅを点線のハッチングで示している。

図１０に示される第１比較例のスプライン歯１１３と、図１１に示される第２比較例のスプライン歯１１３とでは、側面１１３ｄの面積が第２比較例の方が小さく、等速ジョイント３０側の歯１４から力を受ける領域１１３ｅの面積も第２比較例の方が小さいことがわかる。したがって、アール部１６２が大きいほどスプライン歯１１３が受ける面圧が高くなり、耐久性の点で不利であると言える。

これに対して、図８に示す本実施の形態の場合、スプライン歯１３の側面１３ｄ（実線のハッチングで示す）の面積や、等速ジョイント３０側の歯１４から力を受ける領域１３ｅ（点線のハッチングで示す）は、第１比較例と第２比較例との中間となる。したがって、本実施の形態は、図１１に示される第２比較例よりも耐久性の点で有利となっている。

これまで説明した事項を総合すると、本実施の形態の場合、第１比較例よりもスプライン歯１３の耐久性が劣るものの、パンチ４２の歯型５０の耐久性は高くなり、第２比較例よりもパンチ４２の歯型５０の耐久性が劣るものの、スプライン歯１３の耐久性は高くなる。したがって、本実施の形態によれば、パンチ４２の耐久性とスプライン歯１３の耐久性とをバランス良く確保することが可能である。

また、パンチ４２の耐久性とスプライン歯１３の耐久性とをバランス良く確保するためには、スプライン歯１３のアール部６２の半径（すなわち、アール転写部５２の半径）を径方向外側ほど大きくしてもよいことが分かる。
しかし、図８に示されるように、スプライン歯１３の側面１３ｄは、径方向外側に偏った領域１３ｅで等速ジョイント３０の歯１４から力を受けているので、アール部６２の半径は、径方向外側ほど小さくなるように形成することが、側面１３ｄにおける面圧を低減するうえで効果的であるということができる。

アール転写部５２又はアール部６２の径方向内側の半径Ｒｉと径方向外側の半径Ｒｏとは、次の式（１）の関係に設定されていることが好ましい。
１．７Ｒｏ＜Ｒｉ≦３．０Ｒｏ ・・・（１）

上記範囲に設定したのは次の理由による。すなわち、径方向内側の半径Ｒｉと径方向外側の半径ＲｏとがＲｉ≦１．７Ｒｏの関係にあったとすると、歯型５０の付け根部における応力を低減する効果が小さくなり、径方向内側の半径Ｒｉと径方向外側の半径ＲｏとがＲｉ＞３．０Ｒｏの関係にあったとすると、スプライン歯１３の側面１３ｄに生じる面圧が高くなり、スプライン歯１３の耐久性を高める効果が小さくなるからである。

本発明は前述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において種々の変形及び変更が可能である。
例えば、上述した実施の形態では、歯型５０のアール転写部５２やスプライン歯１３のアール部６２は、径方向に関して半径が直線的（線形的）に変化しているが、曲線的（非線形的）に変化していても良い。
また、スプライン歯１３以外の車両用ハブユニットの詳細な構成については、上記実施の形態に限定されるものではなく、公知の構成を採用することができる。

１：ハブユニット、３：ハブホイール、１３：スプライン歯、１４：歯、３０：等速ジョイント、４２：パンチ（加工具）、５０：歯型、５２：アール転写部、６２：アール部

Claims (4)

1. 車両用ハブユニットの車両インナ側の軸方向端面にスプライン歯を塑性加工するための複数の歯型が中心軸回りに円環状に並べて形成されている加工具であって、
   前記歯型の付け根部には、前記スプライン歯の側面と頂面との間のアール部を転写するための円弧状のアール転写部が設けられており、
   前記アール転写部の半径が、前記中心軸を中心とする径方向に関して外側ほど小さくなるように徐々に変化していることを特徴とする車両用ハブユニットの加工具。
2. 前記歯型の前記径方向の外端部における前記アール転写部の半径Ｒｏと、前記径方向の内端部における前記アール転写部の半径Ｒｉとが、１．７Ｒｏ＜Ｒｉ≦３．０Ｒｏの関係に設定されている請求項１に記載の車両用ハブユニットの加工具。
3. 車輪が装着されるハブホイールの車両インナ側の軸方向端面に、等速ジョイント側の歯と噛み合う複数のスプライン歯が軸心回りに円環状に並べて形成されている車両用ハブユニットにおいて、
   前記スプライン歯の側面と頂面との間に形成されるアール部の半径が、前記軸心を中心とする径方向に関して外側ほど小さくなるように徐々に変化していることを特徴とする車両用ハブユニット。
4. 前記スプライン歯の前記径方向の外端部における前記アール部の半径Ｒｏと、前記径方向の内端部における前記アール部の半径Ｒｉとが、１．７Ｒｏ＜Ｒｉ≦３．０Ｒｏの関係に設定されている請求項３に記載の車両用ハブユニット。

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