JP6895286B2 - 車輪用軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、車輪用軸受装置に関する。詳しくは、円すいころ軸受であって、内方部材に耐久性を向上したぬすみ部を備える車輪用軸受装置に関する。

従来、自動車等の懸架装置において車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置が知られている。例えば、大型のピックアップトラックやバンなど比較的車体重量の大きい車両の軸受には、その負荷荷重に耐えうるように転動体が円すいころであるテーパベアリング（円すいころ軸受）と呼ばれる軸受装置が使用される。テーパベアリングにおいても、ユニット化の要求があり、第２世代型、第３世代型の車輪用軸受装置がある。

例えば、特許文献１には、複列円すいころ軸受形式で、第３世代型の車輪用軸受装置が記載されている。この車輪用軸受装置は、車輪取付け用のフランジ部を有する内方部材と、内方部材に外挿した外方部材と、内方部材および外方部材間に介装された複列の円すいころとで構成される。この車輪用軸受装置は、２つの円すいころ軸受をユニット化してコンパクト化を図ったものである。

また、特許文献２に記載の円すいころ軸受は、テーパ状の内方軌道面を有する外輪と、テーパ状の外方軌道面を有し、この外方軌道面の大径側端部にころ係止大鍔部が形成された第１内輪及び第２内輪と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の円錐ころとを備える。円錐ころ軸受は、玉軸受に比べて動摩擦係数が大きい。これは玉軸受の摩擦が転がり抵抗のみによって発生するのに対し、円錐ころ軸受はころ転走面と軌道面との間の転がり抵抗に加え、ころ頭部と大鍔部との間に滑り摩擦損失が存在するためである。そして、軸受の摩擦損失は熱に変わるため、円錐ころ軸受ではころ頭部と大鍔部との間で焼付きを発生するおそれがある。そのため、ころ係止大鍔部及び円錐ころのころ頭部の少なくとも一方に、非鉄のショット材を用いたショットピーニングによる金属皮膜を形成することで、円すいころ軸受のころ頭部と大鍔部との間の滑り摩擦損失を低減する技術が提案されている。

特開２０００−２１１３１０号公報 特開２００８−５１１８０号公報

特許文献１に記載の複列円すいころ軸受形式における第３世代型の車輪用軸受装置では、内方部材が有する車輪取付け用のフランジ部のインナー側根元部に設けられたぬすみ部（特許文献１の図３において大鍔部１ａ４の根元部に形成された符号１４で示された部分）に応力が集中し、引張応力が高くなる。対策としては、ぬすみ部の曲率半径Ｒを大きくすることが考えられるが、その場合、ぬすみ部が大きくなり、軌道面や大鍔部が狭くなってしまい面圧が高くなるなどの別の問題に繋がってしまうため、対策として好ましくない。そのため、要求性能に対して過大性能（例えば寿命等が過大）となるサイズの大きな軸受を選定し、ぬすみ部の曲率半径Ｒを相対的に大きくして該部分の応力を下げる必要があった。

本発明は、以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、ぬすみ部の曲率半径Ｒ等の形状を変更せずに、内方部材に形成されるぬすみ部の耐久性の向上を図った車輪用軸受装置の提供を目的とする。

即ち、本発明は、内周に外向きに開いたテーパ状の複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、少なくとも一つの内輪からなり、外周に前記複列の外側転走面に対向するテーパ状の内側転走面が形成された内方部材と、前記外方部材と前記内方部材のそれぞれの転走面間に転動自在に収容された複列の円すいころと、を備えた車輪用軸受装置において、前記内方部材は、前記内側転走面の大径側に設けられた大鍔部と、前記内側転走面と前記大鍔部との間に設けられたぬすみ部を有し、少なくともアウター側の前記ぬすみ部は、表層に圧縮残留応力を付与するレーザーピーニングによる表面処理が施された表面処理層を有する、ものである。

本発明は、前記表面処理層に研削加工が施された、ものである。

本発明は、前記レーザーピーニングによる表面処理が少なくとも前記内側転走面と前記大鍔部をマスキングした状態で施された、ものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

即ち、本発明に係る車輪用軸受装置は、ぬすみ部がレーザーピーニング処理により表層に圧縮残留応力を付与する処理がされた表面処理層を有している。かかる発明により、ぬすみ部の曲率半径Ｒ等の形状を変更せずに、ぬすみ部表面に発生する応力を緩和して、ぬすみ部の耐久性を向上することができる。

本発明に係る車輪用軸受装置は、前記表面処理層に研削加工が施されたものである。かかる発明により、ぬすみ部の表面にレーザーピーニング処理により形成される微小な凹凸を平滑化して、金属磨耗粉が発生することを防ぐことができる。

本発明に係る車輪用軸受装置は、前記レーザーピーニングによる表面処理が少なくとも前記アウター側の内側転走面と前記大鍔部をマスキングした状態で施されたものである。かかる発明により、表面処理したい部分だけ表面処理を施すことができる。

本発明の一実施形態に係る車輪用軸受装置の全体構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る車輪用軸受装置の全体構成を示す断面図。 図２のＡ部分を拡大して示す拡大断面図。 ぬすみ部に施されるレーザーピーニング処理と従来のショットピーニング処理との加工深さの差異を表すグラフを示す図。 ぬすみ部周囲をマスキングした状態で行われるレーザーピーニング処理を示す断面図。 ぬすみ部に生じている引張応力と残留圧縮応力の態様を示す拡大部分断面図。

以下に、図１から図６を用いて、本発明の一実施形態に係る車輪用軸受装置１について説明する。

図１と図２に示すように、車輪用軸受装置１は、自動車等の車両の懸架装置において車輪を回転自在に支持するものである。車輪用軸受装置１は、複列円すいころ軸受形式で、第３世代型の駆動輪支持用の車輪用軸受装置である。車輪用軸受装置１は、外方部材である外輪２、内方部材であるハブ輪３、内輪４、外輪２と内輪４の間に介装されるインナー側の円すいころ５ａ、外輪２とハブ輪３の間に介装されるアウター側の円すいころ５ｂ、インナー側シール部材６、アウター側シール部材９を具備する。なお、本明細書において、インナー側とは、車輪用軸受装置１を車体に取り付けた際の車輪用軸受装置１の車体側を表し、アウター側とは、車輪用軸受装置１を車体に取り付けた際の車輪用軸受装置１の車輪側を表す。

外方部材である外輪２は、内方部材であるハブ輪３と内輪４とを支持するものである。外輪２は、略円筒状に形成されている。外輪２において、車載時に車体側に配置される外輪２のインナー側端部には、インナー側シール部材６が嵌合可能なインナー側開口部２ａが形成されている。外輪２において、車載時に車輪側に配置されるアウター側端部には、アウター側シール部材９が嵌合可能なアウター側開口部２ｂが形成されている。

外輪２の内周面には、外向きに開いたテーパ状に形成されているインナー側の外側転走面２ｃとアウター側の外側転走面２ｄとが周方向に互いに平行になるように形成されている。アウター側の外側転走面２ｄとインナー側の外側転走面２ｃとは、ころピッチ円直径が同等になるように形成されている。外輪２の外周面には、図示しない懸架装置のナックルに取り付けるための車体取り付けフランジ２ｅが一体に形成されている。

内方部材は、ハブ輪３と内輪４とによって構成されている。内方部材を構成するハブ輪３は、図示しない車両の車輪を回転自在に支持するものである。ハブ輪３は、略円筒状に形成され、例えば、Ｓ５３Ｃ等の炭素０．４０〜０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼で構成されている。ハブ輪３において、車載時に車体側に配置されるインナー側端部には、外周面に縮径された小径段部３ａが形成されている。ハブ輪３において、車載時に車輪側に配置されるアウター側端部には、車輪を取り付けるための車輪取り付けフランジ３ｂが一体的に形成されている。車輪取り付けフランジ３ｂには、円周等配位置にハブボルト３ｄが設けられている。また、ハブ輪３のアウター側の外周面には、周方向に環状でテーパ状の内側転走面３ｃが外輪２のアウター側の外側転走面２ｄに対向するように配置されている。

ハブ輪３は、インナー側の小径段部３ａからアウター側の内側転走面３ｃまでを高周波焼入れにより表面硬さを５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されている。これにより、ハブ輪３は、車輪取り付けフランジ３ｂに付加される回転曲げ荷重に対して充分な機械的強度を有し、ハブ輪３の耐久性が向上する。ハブ輪３のインナー側端部の小径段部３ａには、内方部材の一部である内輪４が圧入されている。ハブ輪３は、インナー側端部の内輪４の外周面に形成されている内側転走面４ａが外輪２のインナー側の外側転走面２ｃに対向し、アウター側に形成されている内側転走面３ｃが外輪２のアウター側の外側転走面２ｄに対向するように配置されている。ハブ輪３の内周は、トルク伝達用のセレーション（またはスプライン）が形成されている連結孔３ｅとして構成されている。

図３に示すように、ハブ輪３の内側転走面３ｃの大径側端部には大鍔部３ｆが形成され、円すいころ５ｂを案内している。ハブ輪３は、車輪取り付けフランジ３ｂのインナー側の根元部にぬすみ部１３を有している。すなわち、ぬすみ部１３は、断面視凹状であって、内側転走面３ｃと大鍔部３ｆの間に隅部に形成されている。ぬすみ部１３は、断面視円弧状のぬすみ本体部１３ａと、このぬすみ本体部１３ａに連設されるテーパ面部１３ｂと、ぬすみ部１３の少なくとも一部の表層に圧縮残留応力を付与するレーザーピーニングによる表面処理が施された表面処理層１３ｃとから構成される。
なお、本実施形態では、アウター側の内側転走面である内側転走面３ｃのアウター側に隣接するぬすみ部１３がレーザーピーニングによる表面処理が施された表面処理層１３ｃを有する構成としているが、特に限定するものではない。例えば、インナー側の内側転走面である内側転走面４ａのインナー側に隣接するぬすみ部にレーザーピーニングによる表面処理が施された表面処理層を有する構成としてもよい。

内輪４は、略円筒状に形成されている。内輪４は、例えば、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼からなり、ズブ焼入れにより芯部まで５８〜６４ＨＲＣの範囲で硬化処理されている。これにより、内輪４は、車体取り付けフランジ２ｅに付加される回転曲げ荷重に対して十分な機械的強度と耐久性を有している。内輪４の外周面には、周方向に環状で外向きに開いたテーパ状の内側転走面４ａが形成されている。内輪４は、圧入によりハブ輪３のインナー側端部に固定されている。つまり、内輪４は、ハブ輪３の小径段部３ａに圧入嵌合され、ハブ輪３のインナー側には、内輪４によって内側転走面４ａが構成されている。

二列の転動体であるインナー側の円すいころ５ａとアウター側の円すいころ５ｂとは、ハブ輪３と内輪４を回転自在に支持するものである。複数のインナー側の円すいころ５ａとアウター側の円すいころ５ｂとは、保持器によって環状に保持されている。インナー側の円すいころ５ａは、内輪４の内側転走面４ａと、外輪２のインナー側の外側転走面２ｃとの間に転動自在に挟まれている。アウター側の円すいころ５ｂは、ハブ輪３の内側転走面３ｃと、外輪２のアウター側の外側転走面２ｄとの間に転動自在に挟まれている。つまり、インナー側の円すいころ５ａとアウター側の円すいころ５ｂとは、外輪２に対してハブ輪３と内輪４とを回転自在に支持している。

インナー側シール部材６は、外輪２のインナー側開口部２ａと内輪４との隙間を塞ぐものである。インナー側シール部材６は、円環状のシールリング７と円環状のスリンガ８で構成されている。インナー側シール部材６は、シールリング７とスリンガ８とが対向するように配置される。シールリング７は、外方部材の外輪２のインナー側開口部２ａに嵌合されて外輪２と一体的に構成される。スリンガ８は、内方部材の外周（内輪４の外周）に嵌合されて内輪４と一体的に構成される。このようにして、インナー側シール部材６は、砂塵等の侵入やグリースの漏出を防止している。

アウター側シール部材９は、外輪２のアウター側開口部２ｂとハブ輪３との隙間を塞ぐものである。アウター側シール部材９は、円環状のシールリング１０で構成されている。アウター側シール部材９は、シールリング１０とハブ輪４とが対向するように配置される。アウター側シール部材９は、外輪２のアウター側開口部２ｂに嵌合されて外輪２と一体的に構成される。このようにして、アウター側シール部材９は、砂塵等の侵入やグリースの漏出を防止している。

このように構成される車輪用軸受装置１は、ハブ輪３と内輪４とがインナー側の円すいころ５ａとアウター側の円すいころ５ｂとを介して外輪２に回転自在に支持されている。また、車輪用軸受装置１は、外輪２のインナー側開口部２ａと内輪４との隙間をインナー側シール部材６で塞がれ、外輪２のアウター側開口部２ｂとハブ輪３との隙間をアウター側シール部材９で塞がれている。これにより、車輪用軸受装置１は、内部からのグリースの漏れおよび外部からの雨水や粉塵等の入り込みを防止しつつ外輪２に支持されているハブ輪３と内輪４とが回転可能に構成されている。

次に、図３から図６を用いて、ハブ輪３のぬすみ部１３及びぬすみ部１３へのレーザーピーニング処理について詳細に説明する。

図３に示すように、ハブ輪３には、アウター側の円すいころ５ｂとの干渉を回避するため、円すいころ５ｂの大端面５ｂ１を受けて案内する大鍔部３ｆが設けられ、この大鍔部３ｆと、アウター側の内側転走面３ｃとの隅部に周方向に沿って凹湾曲状のぬすみ部１３が形成されている。

ぬすみ部１３は、円すいころ５ｂの外周縁部５ｂ２と接触しないように所定の隙間１４を設けるように形成することによって、ハブ輪３が円すいころ５ｂの外周縁部５ｂ２と干渉しないようにしている。ここで、ぬすみ部１３とは、その底面（ぬすみ本体部１３ａの底面）が所定曲率半径の円弧面を有するものである。

ぬすみ部１３は、ぬすみ部１３（ぬすみ本体部１３ａ）の底面と、円すいころ５ｂの外周縁部５ｂ２との間に隙間１４が形成されるように、ぬすみ本体部１３ａが所定の曲率半径となるように形成される。この場合、ぬすみ本体部１３ａの曲率半径Ｒは０．８ｍｍから３ｍｍの範囲内とするのが好ましいが、より好ましくは１．２ｍｍから２ｍｍの範囲内とするのが好ましい。具体的には、円すいころ５ｂの外周縁部５ｂ２のアールの曲率半径よりも大きい曲率半径とすることが好ましい。
なお、ぬすみ部１３の断面形状は、ぬすみ部１３が円すいころ５ｂの外周縁部５ｂ２と接触しないように所定の隙間１４を設けられる形状であればよく、本実施形態のように断面円弧状に限らず、例えば、断面三角形状や断面矩形状であってもよい。また、ぬすみ部１３は、ぬすみ本体部１３ａに連設するテーパ面部１３ｂを設けない構成であってもよい。

ぬすみ部１３は、その少なくとも一部の表層に形成される表面処理層１３ｃ（図３の薄墨部分）を有している。図３に示す表面処理層１３ｃは、ぬすみ部１３（ぬすみ本体部１３ａ、テーパ面部１３ｂ）の表層全体に亘って形成されている。

表面処理層１３ｃは、表面改質処理としてぬすみ部１３の少なくとも一部の表層に圧縮残留応力を付加する処理が行われることで形成することができる。圧縮残留応力を付加する処理としては、レーザーピーニング処理が挙げられる。レーザーピーニング処理は、液体（例えば、水）を付与した処理対象部分である処理前のぬすみ部１３に対してレーザービームを照射して表面に圧縮残留応力を付与する処理である。レーザーピーニング処理は、公知のレーザーピーニング装置を用いて行うことができる。具体的には、レーザーピーニング装置からの出射ビームは、レンズによって、均一な強度分布を有するトップハット状、又はビーム中央部に最大値を持つガウス分布状に、単一の集光スポットを有するように集光される。その集光されたビームＬ（図５参照）は処理対象物に照射され、その表面でそのエネルギーが吸収される。すると、その表面が瞬間的に加熱されて蒸発し、高温高圧のプラズマが発生する。このプラズマの噴出を水等の透明体が抑えそれに伴う反力として、衝撃力が処理対象物に与えられる。この衝撃力によりぬすみ部１３の表面が圧縮されることによってぬすみ部１３の表層に表面処理層１３ｃが形成され、その表層に圧縮残留応力が付与されたぬすみ部１３を得ることができる。すなわち、処理前のぬすみ部１３にレーザーピーニング処理の表面改質処理を施すことにより、ぬすみ部１３の表層に圧縮残留応力が付与された表面処理層１３ｃを形成することができる。ぬすみ部１３の表層に圧縮残留応力を付与することで耐久性を向上させることができる。
なお、上記レーザーピーニング処理の表面改質処理によって、図３に示すようにぬすみ部１３の表層の所定領域（薄墨部分）が表面改質される。表面処理層１３ｃの深さとしては０．２ｍｍ以下である。
また、図３に示すぬすみ部１３の断面図おいては表面処理層１３ｃが形成された領域を模式的に示しているため、実際の厚さとは異なる。

また、車輪用軸受装置１においては、レーザーピーニング処理によりぬすみ部１３の耐久性を向上することができるので、ぬすみ部１３の曲率半径Ｒを大きくして耐久性を向上する必要がなくなり、ぬすみ部１３の形状の最適設計ができるようになる。また、特許文献２の表面処理では、非鉄のショット材を用いたショットピーニングを用いているが本実施形態のようにレーザーピーニングによる表面処理では、以下（１）〜（３）に挙げるメリットがある。

（１）ぬすみ部１３に圧縮残留応力を付与する表面処理を施す際には、内側転走面３ｃと大鍔部３ｆが削られるため、発生する引張応力を緩和するためにも圧縮残留応力はある程度深くまで入れる必要があるが、圧縮残留応力の付与方法としてはショットピーニング処理よりレーザーピーニング処理の方が深さ管理が容易である。

すなわち、図４に示すように、レーザーピーニング処理によって金属材料に付与される圧縮残留応力の最大値は、ショットピーニング処理によって金属材料に付与される圧縮残留応力と近似している。一方、レーザーピーニング処理によって金属材料に付与される圧縮残留応力の深さは、ショットピーニング処理によって金属材料に付与される圧縮残留応力の数倍に到達する。つまり、レーザーピーニング処理は、ショットピーニング処理よりも深い位置までエネルギーが伝達されてピーニング効果を奏する。こうして、圧縮残留応力の付与方法としてはショットピーニング処理よりレーザーピーニング処理の方が深さ管理が容易となるのである。

（２）ショットピーニング処理は粒子がぬすみ部１３内にきれいに入らず、ぬすみ部１３内で表面処理されていない箇所が発生する。一方、レーザーピーニング処理はレーザー光による照射であるためぬすみ部１３内を均一に処理可能である。

（３）ショットピーニング処理では粒子がぬすみ部１３内に残ってしまう可能性があり、この粒子による不具合の懸念がある。
以上のことから、ぬすみ部１３に圧縮残留応力を付与する表面処理としては、ショットピーニング処理よりもレーザーピーニング処理が好ましい。

また、ぬすみ部１３の表面処理層１３ｃにおいては、その表面にレーザーピーニング処理により微小な凹凸が形成されるが、この凹凸は研削加工を施すことで平滑化することが好ましい。

また、図５に示すように、レーザーピーニングによる表面処理は、ぬすみ部１３周囲（少なくとも大鍔部３ｆ及び内側転走面３ｃ）をマスク部材２０によりマスキングした状態で施されることが好ましい。

以上のように、車輪用軸受装置１では、ぬすみ部１３が表層に圧縮残留応力を付与する処理がされた表面処理層１３ｃを有している。
これにより、ぬすみ部１３の曲率半径Ｒ等の形状を変更せずに、ぬすみ部１３表面に発生する応力を緩和して、ぬすみ部１３の耐久性を向上することができる。すなわち、表面処理層１３ｃの圧縮残留応力（図６の白塗り矢印参照）がぬすみ部１３の表面に発生する引張応力（ぬすみ部１３を押し広げようとする力、図６の黒塗り矢印参照）を緩和するため、例えば、ぬすみ部１３の割れや亀裂等を防ぎ、ぬすみ部１３の耐久性を向上することができる。すなわち、ぬすみ部１３にあらかじめレーザーピーニングによる表面処理を施すことでぬすみ部１３で発生する引張応力を緩和することができる。

また、車輪用軸受装置１においては、ぬすみ部１３の表面処理層１３ｃに研削加工が施されたものである。
これにより、ぬすみ部１３の表面にレーザーピーニング処理により形成される微小な凹凸を平滑化して、金属磨耗粉が発生することを防ぐことができる。

また、車輪用軸受装置１においては、ぬすみ部１３に対するレーザーピーニングによる表面処理が少なくともアウター側の内側転走面３ｃと大鍔部３ｆをマスキングした状態で施される。これにより、表面処理したい部分だけ表面処理を施すことができる。

なお、本実施形態の車輪用軸受装置１では、ハブ輪３の外周にアウター側の円すいころ５ｂの内側転走面３ｃが直接形成されている第３世代構造の車輪用軸受装置であるがこれに限定するものではなく、ハブ輪に一対の内輪が圧入固定された第２世代構造や、ハブ輪を備えずに外方部材である外輪と内方部材である内輪とから構成される第１世代構造であってもよい。また、本発明は、従動輪用や駆動輪用の車輪用軸受装置に適用することができる。

１ 車輪用軸受装置
２ 外輪（外方部材）
２ｃ インナー側外側転走面
２ｄ アウター側外側転走面
３ ハブ輪
３ｃ アウター側内側転走面
３ｆ 大鍔部
４ 内輪
４ａ インナー側内側転走面
５ａ インナー側円すいころ
５ｂ アウター側円すいころ
１３ ぬすみ部
１３ｃ 表面処理層

Claims (3)

1. 内周に外向きに開いたテーパ状の複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、
   少なくとも一つの内輪からなり、外周に前記複列の外側転走面に対向するテーパ状の内側転走面が形成された内方部材と、
   前記外方部材と前記内方部材のそれぞれの転走面間に転動自在に収容された複列の円すいころと、を備えた車輪用軸受装置において、
   前記内方部材は、前記内側転走面の大径側に設けられた大鍔部と、前記内側転走面と前記大鍔部との間に設けられたぬすみ部を有し、
   少なくともアウター側の前記ぬすみ部は、表層に圧縮残留応力を付与するレーザーピーニングによる表面処理が施された表面処理層を有する、ことを特徴とする車輪用軸受装置。
2. 前記表面処理層に研削加工が施された、ことを特徴とする請求項１に記載の車輪用軸受装置。
3. 前記レーザーピーニングによる表面処理は、少なくとも前記内側転走面と前記大鍔部をマスキングした状態で施された、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車輪用軸受装置。

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