WO2010067586A1 - 車輪用軸受装置 - Google Patents

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NTN Corp
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Definitions

  • the present invention relates to a wheel bearing device for rotatably supporting a wheel of an automobile or the like with respect to a suspension device, and in particular, to ensure an appropriate bearing preload and bearing rigidity according to the traveling state of the vehicle, thereby improving durability.
  • the present invention relates to a wheel bearing device.
  • the wheel bearing device that supports the wheel rotatably with respect to the suspension system of the automobile is going to be lighter and more compact for improving fuel efficiency, not to mention cost reduction.
  • These wheel bearing devices are configured by unitizing a hub wheel and a double row rolling bearing.
  • both the inner member and the outer member have a flange integrally.
  • a third generation in which one inner rolling surface of the rolling bearing is formed directly on the hub wheel and the other inner rolling surface is formed on a separate inner ring press-fitted into the hub wheel. Bearing devices are known.
  • FIG. 14 shows a third-generation wheel bearing device on the drive wheel side, which is an inner member 51 and an outer member 60, and a double row accommodated in a freely rolling manner between both members 51, 60. Balls 56 and 56 are provided.
  • the inner member 51 includes a hub ring 52 and a separate inner ring 53 that is externally fitted to the hub ring 52.
  • the hub wheel 52 integrally has a wheel mounting flange 54 at an end portion on the outboard side, and a hub bolt 55 for fixing the wheel is implanted at a circumferentially equidistant position of the wheel mounting flange 54.
  • an inner rolling surface 52a and a cylindrical small diameter step portion 52b extending in the axial direction from the inner rolling surface 52a are formed on the outer periphery of the hub wheel 52.
  • An inner ring 53 having an inner raceway surface 53a formed on the outer periphery is press-fitted into the small-diameter stepped portion 52b, and a crimped portion 52c formed by plastically deforming an end portion of the small-diameter stepped portion 52b radially outward. This prevents the inner ring 53 from coming off in the axial direction with respect to the hub ring 52.
  • the outer member 60 integrally has a vehicle body mounting flange 60b on the outer periphery, and double rows of outer rolling surfaces 60a and 60a are formed on the inner periphery. Then, the double-row balls 56, 56 are accommodated so as to be rollable via the cages 57, 57 in a state where a predetermined contact angle ⁇ is given between the respective rolling surfaces 60a, 52a and 60a, 53a. Yes. Sealing devices 58 and 59 are mounted on the end of the outer member 60 to prevent leakage of lubricating grease sealed inside the bearing and prevent rainwater and dust from entering the bearing from the outside. is doing.
  • the constant velocity universal joint 61 includes an outer joint member 65 integrally including a cup-shaped mouth portion 62, a shoulder portion 63 forming the bottom portion of the mouth portion 62, and a shaft portion 64 extending in the axial direction from the shoulder portion 63.
  • the outer joint member 65 is fitted into the side member 51 so that torque can be transmitted.
  • the shaft portion 64 of the outer joint member 65 is fitted into the hub wheel 52 until the shoulder portion 63 is abutted against the caulking portion 52c of the hub wheel 52, and is fixed to the male screw 66 formed at the end of the shaft portion 64.
  • the nut 67 is fastened with a predetermined tightening torque, and the hub wheel 52 and the outer joint member 65 are coupled so as to be axially separable.
  • the inner rolling surface 53a of the inner ring 53 is formed in an arc shape having two radii of curvature. That is, the inner raceway surface 53a of the inner ring 53 has a radius of curvature r formed from the vicinity of the contact point P in contact with the ball 56 at the initial contact angle ⁇ to the groove bottom, and from the vicinity of the contact point P. It is comprised with the curvature radius r1 formed over the large outer diameter 53b.
  • the radius of curvature r is set to be larger than the radius of curvature r1, and is set in a range of 1.05d ⁇ 2r ⁇ 1.10d with respect to the diameter d of the ball 6,
  • the radius of curvature r1 is set in a range of 1.01d ⁇ 2r1 ⁇ 1.05d with respect to the diameter d of the ball 6.
  • the outer rolling surface 60a of the outer member 60 is also formed in an arc shape composed of two curvature radii r2 and r3. That is, the outer rolling surface 60a of the outer member 60 has a radius of curvature r2 formed from the vicinity of the contact point Q in contact with the ball 6 at the initial contact angle ⁇ to the groove bottom, and the contact point Q.
  • the radius of curvature r3 is formed from the vicinity to the inner diameter 60c.
  • the curvature radius r2 is set to be larger than the curvature radius r3, and is set in a range of 1.07d ⁇ 2r2 ⁇ 1.12d with respect to the diameter d of the ball 6,
  • the curvature radius r3 is set to a range of 1.03d ⁇ 2r3 ⁇ 1.07d with respect to the diameter d of the ball 6.
  • the preload applied in the initial stage is ensured, and excessive preload can be suppressed to prevent an increase in rolling resistance, and at the time of turning of the vehicle loaded with moment load, Accordingly, the preload amount can be increased, and the bearing rigidity can be increased and the durability can be improved without adding any parts.
  • Such a wheel bearing device is configured to come into contact with a ball with a predetermined amount of preload corresponding to a contact angle that changes depending on the running condition of the vehicle.
  • a moment load is applied to the bearing when the vehicle turns.
  • the initial contact angle ⁇ gradually increases and is displaced to ⁇ 1.
  • specific inflection points (joint portions) of these two different curvature radii r and r1 are clearly set. Therefore, there is a possibility that an excessive preload is generated during steady running of the vehicle, or that the preload is insufficient during turning, and an appropriate inflection point needs to be set.
  • the inner rolling surface 53a is configured with two radii of curvature r and r1, and therefore grinding must be performed with a grinding wheel previously formed into the shape of the inner rolling surface 53a. Don't be.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and ensures an appropriate preload during straight running and an appropriate bearing rigidity during turning to improve durability and flexibly respond to each bearing specification.
  • An object of the present invention is to provide a wheel bearing device capable of reducing the cost.
  • the present invention includes an outer member in which a double row outer rolling surface is integrally formed on an inner periphery, and a double row inward rolling that faces the outer rolling surface of these double rows on an outer periphery.
  • a wheel bearing device comprising: an inner member having a running surface; and a double-row ball that is rotatably accommodated between the rolling surfaces and provided with a predetermined contact angle. At least the inner rolling surface of the running surface is formed in an arc shape having two radii of curvature, and the inner rolling surface is formed from the vicinity of the contact point in contact with the ball at the initial contact angle ⁇ to the groove bottom.
  • a radius of curvature r formed over a radius of curvature r and a radius of curvature r1 smaller than the radius of curvature r and formed from the inflection point contacting the ball at the contact angle ⁇ 1 to the outer diameter side.
  • a wheel bearing device having an angular ball bearing comprising a side member and a double row of balls accommodated between both members, at least an inner rolling surface of both rolling surfaces has an arcuate shape having two radii of curvature.
  • a radius of curvature r formed from the vicinity of the contact point in contact with the ball at the initial contact angle ⁇ to the groove bottom and smaller than the radius of curvature r.
  • the curvature radius r1 is formed from the inflection point that contacts the ball at the angle ⁇ 1 to the outer diameter side, and the curvature radii r and r1 are 1.05d ⁇ 2r with respect to the diameter d of the ball. ⁇ 1.10d and 1.01d ⁇ 2r1 ⁇ 1.05d.
  • ⁇ is set in the range of 2 to 8 °.
  • the bearing space can be effectively used. It is possible to increase the bearing rigidity of the outer side portion as compared with the inner side, and to extend the life of the bearing while reducing the weight and size by utilizing the above.
  • the outer rolling surface is formed in an arc shape having two radii of curvature, and the outer rolling surface is in the vicinity of a contact point that contacts the ball at an initial contact angle ⁇ .
  • a curvature radius r2 formed over the groove bottom and a curvature smaller than the curvature radius r2 and formed over the inner diameter of the outer member from an inflection point that contacts the ball at a contact angle ⁇ 1.
  • a radius r3, and the curvature radii r2 and r3 are set in a range of 1.07d ⁇ 2r2 ⁇ 1.12d and 1.03d ⁇ 2r3 ⁇ 1.07d with respect to the diameter d of the ball.
  • the amount of preload is set in the range of 0 to 10 ⁇ m when the vehicle is traveling straight and 10 to 50 ⁇ m when the vehicle is turning. An increase in resistance can be prevented, and an appropriate amount of preload can be provided when a moment load is applied, and a desired bearing life can be obtained.
  • the difference in diameter between the large-diameter ball and the small-diameter ball is set in the range of 5 to 10 ⁇ m, only the large-diameter ball is used when the vehicle is driven only with a radial load. In this case, the radial load is applied, the rolling resistance is reduced and the rotational torque can be reduced.In addition to the radial load, when the vehicle is turning, when an axial load is applied, Each rolling contact surface that contacts the large-diameter ball is elastically deformed, the load is also applied to the small-diameter ball, and all the balls in one row are loaded. Can provide a lifetime. Claim 7
  • the balls in the double row of ball rows may be alternately arranged with ceramic balls and steel balls with regularity.
  • the balls of the double row of rows are arranged such that the large diameter balls and the small diameter balls are alternately arranged with regularity, and the large diameter balls are composed of ceramic balls Further, it is possible to further reduce the torque and improve the bearing life.
  • the ceramic ball is composed of ⁇ sialon represented by a composition formula of Si 6 -zAlzOzN 8 -z, 0.1 ⁇ z ⁇ 3.5 as a main component, and remaining impurities.
  • ⁇ sialon represented by a composition formula of Si 6 -zAlzOzN 8 -z, 0.1 ⁇ z ⁇ 3.5 as a main component, and remaining impurities.
  • the ceramic ball is mainly composed of ⁇ sialon represented by the composition formula of Si 6 -zAlzOzN 8 -z and satisfying 0.1 ⁇ z ⁇ 3.5, and the remaining sintering aid. If it is made up of a sintered body consisting of an agent and irreversible impurities, it will reduce rolling resistance when the vehicle is traveling straight and increase rigidity at high loads such as when turning, thereby improving bearing life.
  • the wheel bearing device can be provided, and by adopting such a sintered body as a ceramic ball, the porosity of the sintered body can be easily reduced, and sufficient durability can be obtained. It becomes possible to secure stably. Claim 13
  • the wheel bearing device includes an outer member in which a double row outer rolling surface is integrally formed on the inner periphery, and a double row inner rolling that faces the outer rolling surface of these double rows on the outer periphery.
  • an inner member having a surface formed therein; and a double row ball that is rotatably accommodated between the two rolling surfaces and provided with a predetermined contact angle.
  • At least the inner rolling surface of the surface is formed in an arc shape having two radii of curvature, and the inner rolling surface is formed on the groove bottom from the vicinity of the contact point in contact with the ball at the initial contact angle ⁇ .
  • a radius of curvature r formed smaller than the radius of curvature r and from the inflection point contacting the ball at the contact angle ⁇ 1 to the outer diameter side.
  • the radii of curvature r and r1 are 1.05d ⁇ 2r ⁇ 1.10d and
  • ⁇ is Since it is set in the range of 2 to 8 °, during the steady running of the vehicle, an excessive preload is suppressed to ensure the preload applied at the initial stage, and it is possible to prevent an increase in rolling resistance and a moment load.
  • the amount of preload is increased correspondingly without a shortage of preload, and bearing rigidity can be increased and durability can be improved without adding any parts.
  • FIG. 1 It is a longitudinal section showing a 1st embodiment of a bearing device for wheels concerning the present invention.
  • (A) is explanatory drawing which shows the contact state of the inner ring
  • (b) is explanatory drawing which shows the contact state of the outward member and ball
  • (A) is explanatory drawing which shows the effect
  • (b) is explanatory drawing which shows the effect
  • FIG. 10 is binarized by a luminance threshold value using image processing software. It is a longitudinal cross-sectional view which shows 4th Embodiment of the wheel bearing apparatus which concerns on this invention. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the conventional wheel bearing apparatus.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram enlarging a main part of FIG. 14, in which (a) shows when the vehicle is traveling straight, and (b) shows when the vehicle is turning.
  • a vehicle body mounting flange to be attached to the vehicle body on the outer periphery, an outer member integrally formed with a double row outer rolling surface on the inner periphery, and a wheel mounting flange on one end.
  • a hub wheel having one inner rolling surface facing the outer rolling surface of the double row on the outer periphery, a small-diameter step portion extending in the axial direction from the inner rolling surface, and a small-diameter step portion of the hub ring;
  • An inner member composed of an inner ring that is press-fitted through a predetermined scissors and has the other inner rolling surface facing the double-row outer rolling surface on the outer periphery, and can freely roll between both rolling surfaces.
  • a plurality of rows of balls provided with a predetermined contact angle, and a predetermined bearing preload is applied by a crimped portion formed by plastically deforming an end portion of the small diameter step portion radially outward.
  • the inner rolling surface is formed in an arc shape having two radii of curvature, and the inner rolling surface is formed from the vicinity of the contact point in contact with the ball at the initial contact angle ⁇ to the groove bottom.
  • a radius r1, and the curvature radii r and r1 are set in a range of 1.05d ⁇ 2r ⁇ 1.10d and 1.01d ⁇ 2r1 ⁇ 1.05d with respect to the diameter d of the ball.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a wheel bearing device according to the present invention
  • FIG. 2A is an explanatory view showing a contact state between an inner ring and a ball in FIG. 1, and FIG. It is explanatory drawing which shows the contact state of the outward member of FIG. 1, and a ball
  • the side closer to the outside of the vehicle in the state assembled to the vehicle is referred to as an outer side (left side in FIG. 1), and the side closer to the center is referred to as an inner side (right side in FIG.
  • This wheel bearing device is called a third generation on the driven wheel side, and includes an inner member 1 and an outer member 10, and double-row balls 6 and 6 accommodated so as to roll between both members 1 and 10. It has.
  • the inner member 1 includes a hub ring 2 and a separate inner ring 3 that is externally fitted to the hub ring 2.
  • the hub wheel 2 integrally has a wheel mounting flange 4 for mounting a wheel (not shown) at an end on the outer side, and the wheel mounting flange 4 is for fixing the wheel at a circumferentially equidistant position.
  • Hub bolts 5 are planted.
  • a circular hole 4 a is formed between the hub bolts 5 of the wheel mounting flange 4.
  • the hub wheel 2 can be reduced in weight by the circular hole 4a, and in the assembly process of the wheel bearing device, for example, with the brake rotor (not shown) fixed to the hub wheel 2, the brake rotor and the wheel mounting flange 4
  • the knuckle bolt (not shown) can be easily fastened with a tool without being obstructed by the tool, and the outer member 10 can be easily fixed to the knuckle (not shown) to improve the assembly workability. Can do.
  • an outer side (one) inner rolling surface 2a and a small-diameter step portion 2b extending in the axial direction from the inner rolling surface 2a are formed on the outer periphery of the hub wheel 2.
  • the inner ring 3 having the inner raceway surface 3a formed on the outer periphery is press-fitted into the small-diameter step portion 2b via a predetermined shimeiro, and the end portion of the small-diameter step portion 2b is plastically deformed radially outward.
  • the inner ring 3 is fixed to the hub ring 2 in the axial direction in a state where a predetermined bearing preload is applied by the caulking portion 2c.
  • the outer member 10 integrally has a vehicle body mounting flange 10b for mounting to a vehicle body (not shown) on the outer periphery, and a double row outer rolling surface 10a facing the inner rolling surfaces 2a and 3a on the inner periphery. 10a are integrally formed. And the double-row balls 6 and 6 are accommodated so as to be able to roll through the cages 7 and 7 with the initial contact angle ⁇ between the respective rolling surfaces 10a, 2a and 10a and 3a. Yes. Seals 8 and 9 are attached to the opening of the annular space formed between the inner member 1 and the outer member 10 to prevent leakage of the lubricating grease sealed inside the bearing and from the outside. It prevents rainwater and dust from entering the bearing.
  • the wheel hub 2 is made of medium and high carbon steel containing 0.40 to 0.80% by weight of carbon, such as S53C, and is mounted on a wheel that forms a seal land portion in which the seal 8 comes into sliding contact with the inner rolling surface 2a on the outer side
  • the surface hardness is set in the range of 58 to 64 HRC by induction hardening from the base portion 4b on the inner side of the flange 4 to the small diameter step portion 2b.
  • the caulking portion 2c is an unquenched portion having a surface hardness of 25HRC or less after forging.
  • the inner ring 3 is made of high carbon chrome bearing steel such as SUJ2, and is hardened in the range of 58 to 64 HRC to the core part by quenching.
  • the outer member 10 is made of medium-high carbon steel containing 0.40 to 0.80% by weight of carbon such as S53C, and the double row outer rolling surfaces 10a and 10a have a surface hardness of 58 to 64 HRC by induction hardening. It has been cured to the extent of.
  • the wheel bearing device referred to as the third generation in which the inner raceway surface 2a is formed directly on the outer periphery of the hub wheel 2 is illustrated, but the wheel bearing device according to the present invention is limited to such a structure.
  • a first generation or second generation structure in which a pair of inner rings are press-fitted into a small-diameter step portion of a hub ring, or an inner rolling surface on the outer periphery of an outer joint member of a hub ring and a constant velocity universal joint, respectively. May be a wheel bearing device of the fourth generation structure in which is directly formed.
  • the inner raceway surface 3a of the inner ring 3 is formed in an arc shape having two curvature radii. That is, the inner raceway surface 3a of the inner ring 3 has a radius of curvature r formed from the vicinity of the contact point P in contact with the ball 6 at the initial contact angle ⁇ to the groove bottom, and from the vicinity of the contact point P. It is comprised with the curvature radius r1 formed over the large outer diameter 3b.
  • the initial contact angle ⁇ is appropriately set in the range of 30 to 45 ° depending on the load condition of the vehicle and the bearing space.
  • the radius of curvature r is set to be larger than the radius of curvature r1, and 1.05d ⁇ 2r ⁇ 1.10d, preferably 1.05d ⁇
  • the range is set to 2r ⁇ 1.08d.
  • the radius of curvature r1 is set to a range of 1.01d ⁇ 2r1 ⁇ 1.05d, preferably 1.03d ⁇ 2r1 ⁇ 1.05d with respect to the diameter d of the ball 6.
  • the outer rolling surface 10a of the outer member 10 is also formed in an arc shape composed of two curvature radii r2 and r3. That is, the outer rolling surface 10a of the outer member 10 has a radius of curvature r2 formed from the vicinity of the contact point Q that contacts the ball 6 at the initial contact angle ⁇ to the groove bottom, and the contact point Q.
  • the radius of curvature r3 is formed from the vicinity to the inner diameter 10c.
  • the curvature radius r2 is set to be larger than the curvature radius r3, and 1.07d ⁇ 2r2 ⁇ 1.12d, preferably 1.07d ⁇
  • the range is set to 2r2 ⁇ 1.10d.
  • the radius of curvature r3 is set to a range of 1.03d ⁇ 2r3 ⁇ 1.07d, preferably 1.05d ⁇ 2r3 ⁇ 1.07d with respect to the diameter d of the ball 6.
  • the respective preload amounts are set in a range of 0 to 10 ⁇ m when traveling straight (contact points P and Q) and 10 to 50 ⁇ m when turning (contact points P0 and Q0).
  • the preload applied in the initial stage is ensured, and excessive preload can be suppressed to prevent an increase in rolling resistance, and at the time of turning of the vehicle loaded with moment load, Accordingly, the preload amount can be increased, and the bearing rigidity can be increased and the durability can be improved without adding any parts.
  • the thing which comprised the rolling surface of both the double row inner side rolling surfaces 2a and 3a of the inner member 1 and the double row outer side rolling surfaces 10a and 10a of the outer member 10 with two curvature radii, respectively is illustrated.
  • the double row inner raceway surfaces 2a and 3a side of the inner member 1 having a strong influence on the bearing rigidity and life at least be configured with these two curvature radii r and r1.
  • the inner rolling surface 2a is formed in an arc shape having two curvature radii, and these two different curvature radii r.
  • the processing method will be described by taking the inner raceway surface 3a of the inner ring 3 as an example.
  • the inner rolling surface 3a is composed of a plurality of radii of curvature r and r1
  • grinding has been performed by a grinding wheel previously formed into the shape of the inner rolling surface 3a.
  • a plurality of forming grindstones must be prepared.
  • after heat treatment turning is performed (hardened steel cutting) with a carbide tip (not shown).
  • the carbide tip is supported so as to be movable forward and backward in the radial direction and movable in the axial direction, and its position is determined by NC control. Thereby, manufacturing cost including management cost can be reduced, and cost reduction can be achieved.
  • FIG. 3 is a front view showing one bearing row in a second embodiment of the wheel bearing device according to the present invention
  • FIG. 4 is a front view showing a modification of FIG. 3
  • FIG. It is a front view which shows another modification. Note that this embodiment is basically different from the first embodiment described above only in the configuration of the balls, and other parts and parts having the same parts or parts having the same functions are denoted by the same reference numerals. The detailed explanation is omitted.
  • the balls 6 and 6 in each row of the wheel bearing device are accommodated in a state where the large-diameter balls 6a and the small-diameter balls 6b are mixed. That is, the large-diameter balls 6a and the small-diameter balls 6b are alternately arranged with regularity.
  • the radial load is loaded only with the large-diameter ball 6a, and thus the rolling resistance is reduced and the rotational torque can be reduced.
  • each rolling surface is formed in an arc shape having two radii of curvature
  • the preload applied in the initial stage is ensured, and an excessive preload can be suppressed to prevent an increase in rolling resistance, and the moment When turning a vehicle with a load on it, the amount of preload is increased accordingly, and it is not affected by variations in processing, etc., so that the torque during straight running of the vehicle can be reduced and the bearing life during turning is improved. It is possible to provide a wheel bearing device that achieves the above.
  • the large-diameter balls 6a and the small-diameter balls 6b are alternately arranged is illustrated, but not limited thereto, for example, as shown in FIG. 4, the large-diameter balls 6a, the small-diameter balls 6b, 6b, and the large-diameter As shown in FIG. 5, it is also possible to arrange large balls 6a, 6a, small balls 6b, large balls 6a, 6a,. . As a result, it is possible to deal with the frequency of straight travel and turning of the vehicle, or the relationship between the load condition and the load capacity of the bearing, and the degree of freedom in design is expanded.
  • the contact ellipse of the ceramic ball is smaller because it is more rigid than the steel ball. Accordingly, the torque can be reduced by making all the balls 6 and 6 in the double row ceramic balls, but the ceramic balls are more expensive than the steel balls, which is not preferable because the cost increases. For this reason, for example, of the double row balls 6 and 6, the inner side ball row to which a large load is applied when a moment load is applied during turning of the vehicle is a ceramic ball, and the outer side ball row By using a steel ball, torque can be reduced and bearing life can be improved without significant cost increase.
  • each ball 6 in one row has a low torque even if ceramic balls are mixed instead of the large-diameter balls 6a in the same manner as the configuration in which the large-diameter balls 6a and the small-diameter balls 6b are mixed. And improvement of bearing life.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing one of the bearing rows in a third embodiment of the wheel bearing device according to the present invention
  • FIG. 7A is an explanatory view showing an action during straight traveling and turning of the vehicle
  • (B) is an explanatory view showing the action of the vehicle when traveling straight at low speed and when traveling straight at high speed
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a method for producing a ceramic ball according to the present invention
  • FIG. FIG. 10 is a schematic view showing a cross section of a ball
  • FIG. 10 is a photograph of a cross section for observation of a test piece of a ceramic ball according to the present invention taken by oblique light of an optical microscope
  • FIG. 11 is an image of the photograph of FIG. FIG.
  • FIG. 12 illustrates an example of a state in which binarization processing is performed using a luminance threshold using processing software.
  • FIG. 12 illustrates image processing when the image of the photograph in FIG. 10 is binarized using luminance threshold using image processing software. It is a figure which shows the area
  • a steel ball 6 made of high carbon chrome steel such as SUJ2 and a ceramic ball 6c (cross hatching in the figure).
  • the ceramic ball 6c is composed of a ⁇ sialon sintered body. Ceramics made of silicon nitride, sialon, and the like are higher in manufacturing cost than steel, and in recent years, ⁇ sialon sintered bodies have attracted attention as components of rolling bearings (for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2004-91272 and 2005). -75652, JP-A-2005-194154).
  • this ⁇ sialon sintered body is represented by a composition formula of Si 6 -zAlzOzN 8 -z, and a sintered body comprising ⁇ sialon as a main component satisfying 0.1 ⁇ z ⁇ 3.5 and the remaining impurities. Consists of union.
  • the impurities include irreversible impurities including those derived from raw materials or those mixed in the manufacturing process.
  • the ceramic ball 6c is composed of ⁇ sialon represented by a composition formula of Si 6 -zAlzOzN 8 -z and satisfying 0.1 ⁇ z ⁇ 3.5 as a main component, and from the remaining sintering aid and irreversible impurities. You may be comprised with the sintered compact which becomes.
  • a sintering aid it is possible to select at least one of magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), titanium (Ti), rare earth element oxide, nitride and oxynitride. it can. Further, the sintering aid is desirably 20% by mass or less in the sintered body.
  • This sintered body can be manufactured with various compositions in which the above-described z value (hereinafter referred to as z value) is 0.1 or more, but generally has a great influence on the rolling fatigue life.
  • the surface hardness that gives the same hardly changes in the range of the z value of 4.0 or less which is easy to manufacture.
  • the ceramic made of a sintered body containing ⁇ sialon as a main component which will be described later. In the ball 6c, it was found that when the z value exceeds 3.5, the rolling fatigue life is significantly reduced.
  • the rolling fatigue life is almost the same, and if the rolling bearing operating time exceeds a predetermined time, it peels off on the surface of the ceramic ball 6c. Will occur and lead to damage.
  • the z value exceeds 3.5 the ceramic balls 6c are likely to be worn, and the rolling fatigue life is significantly reduced due to this. That is, it has been clarified that when the z value exceeds 3.5, the rolling fatigue life is significantly reduced.
  • Table 1 shows a comparison of the characteristics of silicon nitride, high carbon chromium steel (SUJ2), and ⁇ sialon sintered bodies that are the raw materials of the double row balls 6 and 6c.
  • the silicon nitride and ⁇ sialon sintered body have higher Young's modulus and surface hardness than the high carbon chromium steel, and the linear expansion coefficient is remarkably small. That is, when it is adopted as a material for the double-row balls 6 and 6, high rigidity can be obtained and a dimensional change amount when the temperature of the bearing is raised can be suppressed.
  • ceramic balls have different characteristics including a linear expansion coefficient compared to ordinary steel balls, and the balls 6 and 6 of at least one of the left and right bearing rows are By arranging the steel balls 6 and the ceramic balls 6c in a mixed state, in addition to the effect that each rolling surface is formed in an arc shape having two radii of curvature, the rolling resistance when the vehicle is traveling straight ahead is reduced. It is possible to provide a wheel bearing device that suppresses and achieves improved bearing life by increasing rigidity at high loads such as turning.
  • the diameter difference between the steel ball 6 and the ceramic ball 6c is different.
  • D ⁇ d3 in the initial state and the load is applied only by the ceramic balls 6c. Since the ceramic ball 6c has a smaller amount of elastic deformation when a load is applied than the steel ball 6, the rolling resistance can be suppressed and the bearing torque can be reduced while securing the initial bearing preload.
  • the temperature rise of the bearing can be suppressed, and deterioration of the grease can be suppressed and the bearing life can be improved.
  • the steel ball 6 is made of the ceramic ball 6c due to the difference in coefficient of linear expansion between the steel ball 6 and the ceramic ball 6c. Compared to the above, the initial diameter difference disappears and d ⁇ d3. Therefore, the load is applied by both the steel ball 6 and the ceramic ball 6c, and the high rigidity of the bearing can be achieved.
  • the difference ⁇ d between the outer diameters of the steel ball 6 and the ceramic ball 6c is, for example, an expansion of about 1 ⁇ m / 10 ° C. between the steel ball 6 and the ceramic ball 6c when the nominal size of the ball 6 is 1/2 inch.
  • a temperature increase range of 50 to 100 ° C. can be allowed. If the diameter difference is less than 5 ⁇ m, it is difficult to achieve the effect, and if it exceeds 10 ⁇ m, there is a possibility that only the ceramic balls 6 c are loaded in any mode, which is not preferable.
  • the ratio of the mixed loading of the steel balls 6 and the ceramic balls 6c varies depending on the mode of the vehicle and the specifications of the bearing, for example, the odd number and the even number, but includes 1: 1 to 3: 7 to 7: 3.
  • the range of is preferable. This is because if the ratio of the steel ball 6 and the ceramic ball 6c is 2: 8 or less, the cost is increased, and if it is 8: 2 or more, it is not possible to reduce the torque and improve the rigidity of the bearing.
  • the load conditions are severe.
  • the inner-side balls 6 row is 3: 7 and the outer-side balls 6 row is 7: 3.
  • the applicant of the present invention can manufacture a sintered body of ⁇ sialon by sintering it under a pressure of 1 MPa or less, thereby making it possible to stably ensure sufficient durability.
  • ⁇ sialon powder preparation step for example, ⁇ sialon powder can be produced at low cost by a production step employing a sintering synthesis method.
  • a mixing step is performed in which the ⁇ sialon powder prepared in the ⁇ sialon powder preparation step and the sintering aid are added and mixed. This mixing step can be omitted when no sintering aid is added.
  • a molding step is performed in which a mixture of the ⁇ sialon powder and the sintering aid is molded into the general shape of the ceramic ball 6c.
  • a molding technique such as press molding, casting molding, extrusion molding, rolling granulation, etc.
  • the shape of the ceramic ball 6c is approximated.
  • a molded product is produced.
  • a pre-sintering processing step is performed in which the surface of the formed body is processed to form a shape close to a desired ball shape after sintering. Specifically, by applying a processing method such as green body processing, the green body is shaped so as to be closer to the ball shape. This pre-sintering processing step can be omitted if a shape closer to the desired ball shape is obtained after sintering at the stage where the formed body is formed in the forming step.
  • a sintering process is performed in which the compact is sintered under a pressure of 1 MPa or less.
  • the compact is heated and sintered by a heating method such as heater heating, electromagnetic wave heating using microwaves or millimeter waves, etc., so that a substantially spherical sintered body is produced.
  • Sintering is performed by heating the compact to a temperature range of 1550 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower in an inert gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen.
  • the step of sintering the molded body made of ⁇ sialon it is performed in a temperature range of 1550 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower.
  • the temperature at which bonding is performed is preferably 1550 ° C. or higher.
  • the temperature exceeds 1800 ° C. there is a concern that the mechanical properties of the sintered body may be deteriorated due to the coarsening of ⁇ -sialon crystal grains.
  • the inert gas helium, neon, argon, nitrogen, or the like can be employed, but nitrogen is preferably employed from the viewpoint of reducing manufacturing costs.
  • the surface of the sintered body produced in the sintering process is processed, and a finishing process for removing the region including the surface is performed, whereby a finishing process for completing the ceramic ball 6c is performed.
  • the surface of the sintered body produced in the sintering process is finished into a desired shape / dimension or surface roughness by grinding and lapping.
  • a region having a thickness of about 500 ⁇ m from the surface of the sintered body is denser than the inside 6c0, as shown schematically in FIG.
  • a dense layer 6c1 in which the area ratio of the white region observed as a white region is 7% or less is formed. That is, a low porosity (high density) layer is formed in the sintered body.
  • the region having a thickness of about 150 ⁇ m from the surface of the sintered body has a higher density than the other regions in the dense layer, and is observed as a white region when the cross section is observed with an oblique light of an optical microscope.
  • a highly dense layer 6c2 in which the area ratio of the white region is 3.5% or less is formed. Therefore, in the finishing step, it is preferable that the thickness of the sintered body to be removed is 150 ⁇ m or less particularly in the region to be the rolling surface. Thereby, the highly dense layer 6c2 can remain, and the rolling fatigue life of the ceramic balls 6c can be improved.
  • the present applicant produces a deep groove ball bearing having ceramic balls when it is made of a ⁇ sialon sintered body having various values among the z values described above, and shows the relationship between the z value and the rolling fatigue life (durability).
  • a test to verify was conducted. The test procedure is as follows.
  • ⁇ sialon powder prepared by a sintering synthesis method with a z value in the range of 0.1 to 4.0 was prepared, and the same method as the ceramic ball manufacturing method described above with reference to FIG. 8 was used. Ceramic balls having a z value of 0.1 to 4.0 were produced. Specifically, first, ⁇ sialon powder refined to submicron, aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck, Yttrium oxide) as sintering aids. grade C) was mixed by wet mixing using a ball mill.
  • granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder.
  • the granulated powder was molded into a sphere with a mold, and further pressed by cold isostatic pressing (CIP) to obtain a spherical molded body.
  • CIP cold isostatic pressing
  • test conditions will be described.
  • maximum contact surface pressure Pmax 3.2 GPa
  • bearing rotation speed 2000 rpm
  • lubrication circulating oil supply of turbine oil VG68 (clean oil)
  • test temperature A fatigue test was carried out under the condition of room temperature. Then, the vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when each ball is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as bearing life. In addition, after the test was stopped, the bearings were disassembled and the damaged state of each ball was confirmed. The results are shown in Table 2.
  • the life in each Example and Comparative Example is expressed as a life ratio with the life in Comparative Example A (silicon nitride) as 1. Further, the failure mode is described as “peeling” when peeling occurs on the surface of the ball, and “wearing” when the surface is worn without peeling and the test is stopped.
  • Examples A to H of the present invention in which the z value is 0.1 or more and 3.5 or less have a life comparable to that of Comparative Example A. Further, the form of breakage is “peeling” as in the case of silicon nitride.
  • Comparative Example B in which the z value exceeds 3.5 and is outside the scope of the present invention, the life is significantly reduced and wear is observed on the ball. That is, it is considered that the life of the ball is greatly reduced due to the wear of the ball.
  • Comparative Example C where the z value is 4.0 it can be seen that the wear of the ball proceeds in a very short time, and the durability of the bearing is significantly reduced.
  • the durability of the rolling bearing provided with the ball made of ⁇ sialon sintered body is provided with the ball made of sintered silicon nitride. It can be seen that it is almost equivalent to a rolling bearing.
  • the z value exceeds 3.5 the ball is likely to be worn, and the rolling fatigue life is significantly reduced due to this.
  • the cause of breakage of the ball made of ⁇ sialon changes from “peeling” to “wear”, and the rolling fatigue life is significantly reduced. That is, by setting the z value to 0.1 or more and 3.5 or less, it is possible to stably ensure sufficient durability while being inexpensive.
  • Example H in which the z value exceeds 3.5, the ball is slightly worn, and the life is also reduced compared to Examples A to G. Yes. From this, it can be said that the z value is desirably 3 or less in order to ensure sufficient durability stably.
  • the z value is preferably 2 or less, and more preferably 1.5 or less.
  • test procedure is as follows.
  • a ⁇ sialon powder product name: Meramix, manufactured by Isman Jay Co., Ltd.
  • a composition produced by the sintering synthesis method is Si 5 AlzON 7
  • a cubic test piece having a side of approximately 10 mm was produced.
  • a specific manufacturing method is as follows.
  • ⁇ sialon powder refined to submicron aluminum oxide (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., AKP30) and yttrium oxide (manufactured by HC Starck, Yttrium oxide grade C) as sintering aids.
  • Mixing was performed by wet mixing using a ball mill.
  • granulation was performed with a spray dryer to produce granulated powder.
  • the granulated powder was molded into a sphere with a mold, and further pressurized with CIP to obtain a spherical molded body.
  • the molded body was heated and sintered at 1650 ° C. in a nitrogen atmosphere at a pressure of 4 MPa to prepare a cubic test piece. Thereafter, the test piece was cut, and the cut surface was lapped with a diamond lapping machine, and then mirror lapping with a chromium oxide lapping machine was performed to form a cross section for observation including the center of the cube. Then, the cross section was observed with an oblique light of an optical microscope (Nikon Corporation, Micro Photo-FXA), and an instant photograph (FP-100B, Fuji Film Co., Ltd.) with a magnification of 50 times was taken. Thereafter, the obtained photographic image was taken into a personal computer using a scanner (resolution: 300 DPI). And the binarization process by a brightness
  • FIG. 10 is a photograph of a cross section for observing the test piece taken with oblique light from an optical microscope.
  • FIG. 11 is an example showing a state in which the image of the photograph of FIG. 10 is binarized using a luminance threshold using image processing software.
  • FIG. 12 is a diagram showing an area (evaluation area) where image processing is performed when the image of the photograph of FIG. 10 is binarized using a luminance threshold using image processing software.
  • the upper side of the photograph is the surface side of the test piece, and the upper end is the surface.
  • the test piece produced by the same manufacturing method as the sphere of the present invention has a layer with less white area than the inside in the area including the surface.
  • the photographed photograph image is divided into three regions according to the distance from the outermost surface of the test piece (the region having a distance from the outermost surface of 150 ⁇ m or less, the region exceeding 150 ⁇ m and within 500 ⁇ m,
  • the area ratio of the white region was calculated by performing image analysis for each region, the results shown in Table 3 were obtained.
  • Table 3 shows the average value and the maximum value of the area ratio of the white area in five fields of view obtained from five photographs taken at random with each field shown in FIG. 12 as one field of view. Yes.
  • the area ratio of the white region was 18.5% inside, whereas the region where the depth from the surface was 500 ⁇ m or less was 3.7%, the depth from the surface. was 1.2% in the region of 150 ⁇ m or less. From this, it was confirmed that in the test piece, a dense layer and a highly dense layer having a white region less than the inside were formed in the region including the surface.
  • the area ratio of the white region was 18.5% inside, whereas the region where the depth from the surface was 500 ⁇ m or less was 3.7%, the depth from the surface. was 1.2% in the region of 150 ⁇ m or less. From this, it was confirmed that in the test piece, a dense layer and a highly dense layer having a white region less than the inside were formed in the region including the surface.
  • Granulation was carried out with a lay drier to produce granulated powder. The granulated powder was molded into a sphere with a mold, and further pressurized with CIP to obtain a spherical molded body.
  • the green body is green processed so that the processing allowance after sintering becomes a predetermined dimension, and the green body is subsequently heated to 1650 ° C. in a nitrogen atmosphere at a pressure of 0.4 MPa to be sintered.
  • sintered spheres were produced.
  • lapping processing was performed on the sintered sphere to obtain a 3/8 inch ceramic sphere (JIS grade G5).
  • the deep groove ball bearing of JIS standard 6206 model number was produced in combination with the bearing ring made from bearing steel (JIS standard SUJ2) prepared separately.
  • the thickness (processing allowance) of the sintered sphere removed by the lapping process on the sintered sphere was changed in eight stages, and eight types of bearings were produced (Examples A to H).
  • test conditions will be described.
  • the maximum contact surface pressure Pmax 3.2 GPa
  • the bearing rotation speed 2000 rpm
  • lubrication circulating oil supply of turbine oil VG68 (clean oil)
  • test temperature A fatigue test was carried out under the condition of room temperature. Then, the vibration of the bearing during operation is monitored by the vibration detection device, and the test is stopped when each ball is damaged and the vibration of the bearing exceeds a predetermined value. Recorded as bearing life. The number of tests was 15 in each of the examples and comparative examples, and the L 10 life was calculated, and the durability was evaluated by the life ratio with respect to comparative example A. Table 4 shows the test results.
  • the L 10 life individually when operating under the same conditions a group of identical bearings, total number of revolutions of 90% of the bearings of which can be rotated without causing damage due to rolling fatigue of materials, or constant rotational Speed refers to the total rotation time.
  • the bearing life of each example is good in view of its manufacturing cost. Further, by setting the machining allowance to 0.5 mm or less, the bearing life of Examples D to G in which the dense layer remains on the surface of the ball is about 1.5 to 2 times the bearing life of Comparative Example A. It was. Further, by setting the machining allowance to 0.15 mm or less, the bearing life of Examples A to C in which the highly dense layer remained on the surface of the ball was about three times that of Comparative Example A. From this, it was confirmed that the bearing provided with the ball of the present invention is excellent in durability.
  • the life is improved by leaving the dense layer on the surface with the ball machining allowance of 0.5 mm or less, and the life is improved by leaving the high dense layer on the surface with the ball machining allowance of 0.15 mm or less. It was found that it improved further.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the wheel bearing device according to the present invention. It should be noted that the same reference numerals are used for the same parts of the same parts or parts having the same function, except that the pitch circle diameter of the double row of balls is basically different from the first embodiment (FIG. 1). The detailed description is omitted.
  • This wheel bearing device is for a driven wheel called a third generation, and includes an inner member 11 and an outer member 12, and a double row of balls 13 accommodated so as to roll between the members 11 and 12. , 14 groups.
  • the inner member 11 includes a hub ring 15 and an inner ring 16 press-fitted into the hub ring 15 via a predetermined shimiro.
  • the hub wheel 15 integrally has a wheel mounting flange 17 for attaching a wheel (not shown) to an end portion on the outer side, one (outer side) inner rolling surface 15a on the outer periphery, and this inner rolling.
  • a small-diameter step portion 15b is formed via a shaft-like portion 18 extending in the axial direction from the surface 15a.
  • Hub bolts 5 are implanted in the wheel mounting flange 17 at equal intervals in the circumferential direction, and circular holes 4 a are formed between the hub bolts 5.
  • the inner ring 16 is formed with the other (inner side) inner rolling surface 16a on the outer periphery and is press-fitted into the small-diameter stepped portion 15b of the hub wheel 15 to form a back-to-back type double row angular contact ball bearing.
  • the end portion of 15b is fixed in the axial direction with a predetermined bearing preload applied by a caulking portion 2c formed by plastic deformation, thereby forming a so-called self-retain structure.
  • the inner ring 16 and the rolling elements 13 and 14 are made of high carbon chrome steel such as SUJ2, and are hardened in the range of 58 to 64 HRC to the core portion by quenching.
  • the hub wheel 15 is made of medium and high carbon steel containing 0.40 to 0.80 wt% of carbon such as S53C, and includes an inner rolling surface 15a and a base 4b on the inner side of the wheel mounting flange 17 to a small diameter step portion 15b.
  • a predetermined curing process is performed in a surface hardness range of 58 to 64 HRC by induction hardening.
  • the outer member 12 integrally has a vehicle body mounting flange 10b to be attached to a knuckle (not shown) on the outer periphery, and the outer side outer rolling facing the inner rolling surface 15a of the hub wheel 15 on the inner circumference.
  • the surface 12a and the inner side outer rolling surface 12b facing the inner rolling surface 16a of the inner ring 16 are integrally formed. Double rows of balls 13 and 14 are accommodated between these rolling surfaces, and are held by the cages 19 and 20 so as to roll freely.
  • a seal 21 and a slinger 22 are attached to the opening of the annular space formed between the outer member 12 and the inner member 11, and leakage of grease sealed inside the bearing to the outside Prevents rainwater and dust from entering the bearing.
  • the outer member 12 is formed of medium and high carbon steel containing 0.40 to 0.80 wt% of carbon such as S53C, and the double row outer rolling surfaces 12a and 12b have a surface hardness of 58 to 64 HRC by induction hardening described later.
  • a predetermined hardened layer is formed in the range.
  • the wheel bearing device referred to as the third generation on the driven wheel side in which the inner rolling surface 15a is directly formed on the outer periphery of the hub wheel 15 is illustrated, but the wheel bearing device according to the present invention is It is not limited to such a structure, for example, a first generation or second generation structure in which a pair of inner rings is press-fitted into a small-diameter step portion of a hub ring, or an outer joint member of a hub ring and a constant velocity universal joint, respectively. It may be a fourth-generation wheel bearing device in which the inner rolling surface is directly formed.
  • the pitch circle diameter PCDo of the outer side balls 13 group is set larger than the pitch circle diameter PCDi of the inner side balls 14 group (PCDo> PCDi).
  • the number of the outer side balls 13 is set larger than the number of the inner side balls 14. Accordingly, the bearing space can be effectively utilized to reduce the weight and size, and the bearing rigidity of the outer side portion can be increased compared to the inner side, so that the life of the bearing can be extended.
  • the outer ring of the hub wheel 15 has a counter part 23 from the groove bottom part of the inner rolling surface 15a, and a shoulder part 18b against which the inner ring 16 is abutted from the counter part 23 via a shaft-like part 18 and a tapered step part 18a. And it is formed in a shape following the small diameter step portion 15b. Further, a mortar-shaped recess 24 extending in the axial direction is formed at the outer side end of the hub wheel 15. This recess 24 is formed along the outer shape of the hub wheel 15 by forging, and its depth is at least near the groove bottom of the inner side rolling surface 15a on the outer side. The thickness is formed to be substantially uniform.
  • the outer member 12 is formed such that the outer rolling surface 12a on the outer side has a larger diameter than the outer rolling surface 12b on the inner side due to the difference in pitch circle diameters PCDo and PCDi.
  • An annular recess 27 for weight reduction is formed between the shoulder portion 25 of the running surface 12a and the shoulder portion 26 of the inner side outer rolling surface 12b which is the small diameter side.
  • the inner raceway surface 16a and the outer raceway surface 12b of the inner ring 16 are formed in an arc shape composed of two curvature radii r, r1, r2, r3.
  • the respective preload amounts are set in a range of 0 to 10 ⁇ m when traveling straight (contact points P and Q) and 10 to 50 ⁇ m when turning (contact points P0 and Q0).
  • the preload applied in the initial stage is ensured, and excessive preload can be suppressed to prevent an increase in rolling resistance, and at the time of turning of the vehicle loaded with moment load, Accordingly, the preload amount can be increased, and the bearing rigidity can be increased and the durability can be improved without adding any parts.
  • the same configuration as in the second or fourth embodiment may be adopted.
  • the wheel bearing device according to the present invention can be applied to a wheel bearing device having a first generation to a fourth generation structure constituted by a double row angular ball bearing.

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Abstract

【課題】直進時の適正な予圧と、旋回時における適正な軸受剛性を確保して耐久性の向上を図ると共に、軸受仕様毎に柔軟に対応できて低コスト化を図った車輪用軸受装置を提供する。 【解決手段】複列のボール６を備えたアンギュラ玉軸受を有する車輪用軸受装置において、内輪３の内側転走面３ａが、初期の接触角αにてボール６と接触する接触点Ｐの近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、この曲率半径ｒよりも小さく、接触角α１にてボール６と接触する変曲点Ｐ１から内輪３の大外径３ｂに亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成され、ボールの直径ｄに対して、曲率半径ｒ、ｒ１が、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄおよび１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されると共に、２つの曲率半径ｒ、ｒ１の変曲点Ｐ１を、α＝３０～４５°で、α１＝α＋Δαとした時、Δαが、２～８°の範囲に設定されている。

Description

車輪用軸受装置
　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承する車輪用軸受装置、特に、車両の走行状況に応じて適切な軸受予圧と軸受剛性を確保して耐久性の向上を図った車輪用軸受装置に関するものである。
　自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支承する車輪用軸受装置は、低コスト化は言うまでもなく、燃費向上のための軽量・コンパクト化が進んでいる。これらの車輪用軸受装置は、ハブ輪と複列の転がり軸受とがユニット化して構成されており、その代表的なものとして、内方部材と外方部材共にフランジを一体に有し、複列の転がり軸受における一方の内側転走面がハブ輪に直接形成され、他方の内側転走面がハブ輪に圧入された別体の内輪に形成された、所謂第３世代と称される車輪用軸受装置が知られている。
　こうした車輪用軸受装置において、直進時の適正予圧を確保すると共に、旋回時における軸受剛性を確保して耐久性の向上を図ったものが知られている。図１４に示すものは駆動輪側における第３世代の車輪用軸受装置であって、内方部材５１と外方部材６０、および両部材５１、６０間に転動自在に収容された複列のボール５６、５６とを備えている。内方部材５１は、ハブ輪５２と、このハブ輪５２に外嵌された別体の内輪５３とからなる。ハブ輪５２は、アウトボード側の端部に車輪取付フランジ５４を一体に有し、この車輪取付フランジ５４の円周等配位置には車輪を固定するためのハブボルト５５が植設されている。
　また、ハブ輪５２の外周には内側転走面５２ａと、この内側転走面５２ａから軸方向に延びる円筒状の小径段部５２ｂが形成されている。そして、外周に内側転走面５３ａが形成された内輪５３がこの小径段部５２ｂに圧入され、さらに、小径段部５２ｂの端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部５２ｃにより、ハブ輪５２に対して内輪５３が軸方向へ抜けるのを防止している。
　外方部材６０は、外周に車体取付フランジ６０ｂを一体に有し、内周には複列の外側転走面６０ａ、６０ａが形成されている。そして、それぞれの転走面６０ａ、５２ａと６０ａ、５３ａ間に複列のボール５６、５６が所定の接触角αが付与された状態で保持器５７、５７を介して転動自在に収容されている。また、外方部材６０の端部にはシール装置５８、５９が装着され、軸受内部に封入された潤滑グリースの漏洩を防止すると共に、外部から軸受内部に雨水やダスト等が侵入するのを防止している。
　等速自在継手６１は、カップ状のマウス部６２とこのマウス部６２の底部をなす肩部６３および肩部６３から軸方向に延びる軸部６４とを一体に有する外側継手部材６５を備え、内方部材５１にこの外側継手部材６５がトルク伝達可能に内嵌されている。そして、ハブ輪５２の加締部５２ｃに肩部６３が突き合わされるまで外側継手部材６５の軸部６４がハブ輪５２に内嵌され、軸部６４の端部に形成された雄ねじ６６に固定ナット６７が所定の締め付けトルクで締結され、ハブ輪５２と外側継手部材６５とが軸方向分離可能に結合されている。
　図１５（ａ）に示すように、内輪５３の内側転走面５３ａが２つの曲率半径からなる円弧状に形成されている。すなわち、内輪５３の内側転走面５３ａは、初期の接触角αにてボール５６と接触する接触点Ｐの近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、接触点Ｐの近傍から大外径５３ｂに亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成されている。
　ここで、図中ハッチングで示すように、曲率半径ｒは曲率半径ｒ１よりも大きく設定され、ボール６の直径ｄに対して、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄの範囲に設定されると共に、曲率半径ｒ１は、ボール６の直径ｄに対して、１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されている。これにより、図１５（ｂ）に示すように、車両の定常走行（直進）時においては、初期の接触角αにてボール６と接触点Ｐで所定の予圧量をもって接触し、また、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、接触角α１にてボール６と接触点Ｐ１で所定の予圧量でもって接触する。
　一方、図１５（ａ）に示すように、外方部材６０の外側転走面６０ａも２つの曲率半径ｒ２、ｒ３からなる円弧状に形成されている。すなわち、外方部材６０の外側転走面６０ａは、初期の接触角αにてボール６と接触する接触点Ｑの近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒ２と、接触点Ｑの近傍から内径６０ｃに亙って形成された曲率半径ｒ３とで構成されている。
　ここで、図中ハッチングで示すように、曲率半径ｒ２は曲率半径ｒ３よりも大きく設定され、ボール６の直径ｄに対して、１．０７ｄ＜２ｒ２≦１．１２ｄの範囲に設定されると共に、曲率半径ｒ３は、ボール６の直径ｄに対して、１．０３ｄ≦２ｒ３≦１．０７ｄの範囲に設定されている。これにより、図１５（ｂ）に示すように、車両の定常走行時においては、初期の接触角αにてボール６と接触点Ｑで所定の予圧量でもって接触し、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、接触角α１にてボール６と接触点Ｑ１で所定の予圧量でもって接触する。
　これにより、車両の定常走行時においては、初期に付与された予圧が確保され、過度な予圧を抑制して転がり抵抗の増加を防止できると共に、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、それに応じて予圧量を増加させ、何ら部品を付加せずに軸受剛性を高め耐久性の向上を図ることができる。
特開２００６－００９８９５号公報
　こうした車輪用軸受装置では、車両の走行条件によって変化する接触角に対応してボールと所定の予圧量をもって接触するように構成されているが、通常、車両の旋回時等では、軸受にモーメント荷重が負荷され、この初期の接触角αが徐々に増大してα１に変位して行く。然しながら、例えば、２つの曲率半径ｒ、ｒ１で構成された内輪５３の内側転走面５３ａでは、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１の具体的な変曲点（繋ぎ部）が明確に設定されていないため、車両の定常走行時において過度な予圧が生じたり、また、旋回時において予圧が不足すると言った事態が生じる恐れがあり、適正な変曲点の設定が必要であった。
　また、こうした車輪用軸受装置では、内側転走面５３ａは２つの曲率半径ｒ、ｒ１で構成されているため、研削加工は予め内側転走面５３ａの形状に成形された研削砥石によって行なわなければならない。これでは、軸受サイズが異なった仕様に対応するために成形砥石を複数個準備しなければならず、管理コストを含め製造コストが高騰する問題があった。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、直進時の適正な予圧と、旋回時における適正な軸受剛性を確保して耐久性の向上を図ると共に、軸受仕様毎に柔軟に対応できて低コスト化を図った車輪用軸受装置を提供することを目的としている。
　係る目的を達成すべく、本発明は、内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、外周にこれら複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、前記両転走面間に転動自在に収容され、所定の接触角が付与された複列のボールとを備えた車輪用軸受装置において、前記両転走面のうち少なくとも前記内側転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、当該内側転走面が、初期の接触角αにて前記ボールと接触する接触点の近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、この曲率半径ｒよりも小さく、接触角α１にて前記ボールと接触する変曲点から外径側に亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成され、前記ボールの直径ｄに対して、前記曲率半径ｒ、ｒ１が、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄおよび１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されると共に、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１の前記変曲点を、α＝３０～４５°で、α１＝α＋Δαとした時、Δαが、２～８°の範囲に設定されている。請求項１
　このように、内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、外周にこれら複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、両部材間に収容された複列のボールとを備えたアンギュラ玉軸受を有する車輪用軸受装置において、両転走面のうち少なくとも内側転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、当該内側転走面が、初期の接触角αにてボールと接触する接触点の近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、この曲率半径ｒよりも小さく、接触角α１にてボールと接触する変曲点から外径側に亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成され、ボールの直径ｄに対して、曲率半径ｒ、ｒ１が、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄおよび１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されると共に、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１の変曲点を、α＝３０～４５°で、α１＝α＋Δαとした時、Δαが、２～８°の範囲に設定されているので、車両の定常走行時においては、過度な予圧を抑制して初期に付与された予圧が確保され、転がり抵抗の増加を防止できると共に、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、予圧が不足することなくそれに応じて予圧量を増加させ、何ら部品を付加せずに軸受剛性を高め耐久性の向上を図ることができる。
　また、本発明のように、前記複列のボール群のうちアウター側のボール群のピッチ円直径がインナー側のボール群のピッチ円直径よりも大径に設定されていれば、有効に軸受スペースを活用して軽量・コンパクト化を図りつつ、インナー側に比べアウター側部分の軸受剛性を増大させることができ、軸受の長寿命化を図ることができる。請求項２
　また、本発明のように、前記外側転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、当該外側転走面が、初期の接触角αにて前記ボールと接触する接触点の近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒ２と、この曲率半径ｒ２よりも小さく、接触角α１にて前記ボールと接触する変曲点から前記外方部材の内径に亙って形成された曲率半径ｒ３とで構成され、前記ボールの直径ｄに対して、前記曲率半径ｒ２、ｒ３が、１．０７ｄ＜２ｒ２≦１．１２ｄおよび１．０３ｄ≦２ｒ３≦１．０７ｄの範囲に設定されていれば、軸受剛性を高め耐久性の向上を一層図ることができる。請求項３
　また、本発明のように、前記転走面が、熱処理後に焼入れ鋼切削によって所定の仕上げ形状に形成されていれば、管理コストを含め製造コストを低減することができ、低コスト化を図ることができる。請求項４
　また、本発明は、前記予圧量が、車両の直進時において０～１０μｍ、旋回時において１０～５０μｍの範囲に設定されているので、車両の定常走行時においては過度な予圧を抑制して転がり抵抗の増加を防止できると共に、モーメント荷重が負荷された場合に適切な予圧量を与えることができ、所望の軸受寿命を得ることができる。請求項５
　また、本発明のように、前記複列のボール列のボールが、大径ボールと小径ボールとが交互に規則性を持って配列されていれば、加工上のバラツキや軸受内部すきまに左右されず、車両の直進走行時におけるトルクを低減でき、かつ、旋回走行時の軸受寿命向上を図った車輪用軸受装置を提供することができる。請求項６
　また、本発明のように、前記大径ボールと小径ボールとの径差が５～１０μｍの範囲に設定されていれば、主にラジアル荷重のみが負荷される車両の直進時には、大径ボールのみでラジアル荷重を負荷することになり、転がり抵抗が小さくなって回転トルクを低減させることができると共に、車両の旋回時に、ラジアル荷重に加え、アキシアル荷重が負荷された場合、大径ボールと、この大径ボールに接触する各転走面が弾性変形し、小径ボールにも荷重が負荷され、１列総てのボールが負荷されて軸受寿命は従来の軸受に比べ大きく低下することはなく、同等の寿命を提供することができる。請求項７
　また、本発明のように、前記複列のボール列のボールがセラミック製ボールと鋼球とで構成されていれば、低トルク化と軸受寿命の向上を図ることができる。請求項８
　また、本発明のように、前記複列のボール列のうち、車両の旋回時、モーメント荷重が負荷された時に大きな荷重が負荷されるボール列のみがセラミック製ボールとされ、他方のボール列が鋼球とされていれば、大幅なコストアップを伴うことなく、低トルク化と軸受寿命の向上を図ることができる。請求項９
　また、本発明のように、前記複列のボール列のボールが、セラミック製ボールと鋼球とが交互に規則性を持って配列されていても良い。請求項１０
　また、本発明のように、前記複列のボール列のボールが、大径ボールと小径ボールとが交互に規則性を持って配列され、前記大径ボールがセラミック製ボールで構成されていれば、一層の低トルク化と軸受寿命の向上を図ることができる。請求項１１
　また、本発明のように、前記セラミック製ボールが、Ｓｉ６－ｚＡｌｚＯｚＮ８－ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体で構成されていれば、車両の直進走行時における転がり抵抗を抑え、かつ、旋回走行時等の高負荷時における高剛性化を図って軸受寿命向上を達成した車輪用軸受装置を提供することができると共に、セラミック製ボールとしてこのような焼結体を採用することにより、充分な耐久性を安定して確保することが可能となる。請求項１２
　また、本発明のように、前記セラミック製ボールが、Ｓｉ６－ｚＡｌｚＯｚＮ８－ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不可逆的不純物からなる焼結体で構成されていれば、車両の直進走行時における転がり抵抗を抑え、かつ、旋回走行時等の高負荷時における高剛性化を図って軸受寿命向上を達成した車輪用軸受装置を提供することができると共に、セラミック製ボールとしてこのような焼結体を採用することにより、容易に焼結体の気孔率を低下させることが可能となり、充分な耐久性を安定して確保することが可能となる。請求項１３
　また、本発明のように、前記鋼球とセラミック製ボールの混載の割合が１：１を含む３：７～７：３までの範囲に設定されていれば、コストアップを抑えると共に、軸受の低トルク化と剛性の向上の両立を図ることができる。請求項１４
　また、本発明のように、前記セラミック製ボールの表面に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されていれば、セラミック製ボールの転動疲労寿命を向上させることができる。請求項１５
　また、本発明のように、前記緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下に設定されていれば、緻密性が高く、転動疲労寿命が向上する。請求項１６
　また、本発明のように、前記緻密層の表面を含む領域に、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されていれば、転動疲労寿命がより一層向上する。請求項１７
　また、本発明のように、前記高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下に設定されていれば、転動疲労寿命がより一層向上する。請求項１８
　本発明に係る車輪用軸受装置は、内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、外周にこれら複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、前記両転走面間に転動自在に収容され、所定の接触角が付与された複列のボールとを備えた車輪用軸受装置において、前記両転走面のうち少なくとも前記内側転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、当該内側転走面が、初期の接触角αにて前記ボールと接触する接触点の近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、この曲率半径ｒよりも小さく、接触角α１にて前記ボールと接触する変曲点から外径側に亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成され、前記ボールの直径ｄに対して、前記曲率半径ｒ、ｒ１が、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄおよび１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されると共に、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１の前記変曲点を、α＝３０～４５°で、α１＝α＋Δαとした時、Δαが、２～８°の範囲に設定されているので、車両の定常走行時においては、過度な予圧を抑制して初期に付与された予圧が確保され、転がり抵抗の増加を防止できると共に、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、予圧が不足することなくそれに応じて予圧量を増加させ、何ら部品を付加せずに軸受剛性を高め耐久性の向上を図ることができる。
本発明に係る車輪用軸受装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。 （ａ）は、図１の内輪とボールの接触状態を示す説明図、（ｂ）は、図１の外方部材とボールの接触状態を示す説明図である。 本発明に係る車輪用軸受装置の第２の実施形態で、一方の軸受列を示す正面図である。 図３の変形例を示す正面図である。 図３の他の変形例を示す正面図である。 本発明に係る車輪用軸受装置の第３の実施形態で、一方の軸受列を示す模式図である。 （ａ）は、車両の直進時と旋回時における作用を示す説明図、（ｂ）は、車両の低速直進時と高速直進時における作用を示す説明図である。 本発明に係るセラミック製ボールの製造方法を示す概略図である。 本発明に係るセラミック製ボールの断面を示す模式図である。 本発明に係るセラミック製ボールの試験片の観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。 図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理する際に、画像処理を行う領域を示す図である。 本発明に係る車輪用軸受装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。 従来の車輪用軸受装置を示す縦断面図である。 図１４の要部を拡大した説明図で、（ａ）は車両の直進時、（ｂ）は車両の旋回時を示している。
　外周に車体に取り付けられるための車体取付フランジを一体に有し、内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、一端部に車輪取付フランジを一体に有し、外周に前記複列の外側転走面に対向する一方の内側転走面と、この内側転走面から軸方向に延びる小径段部が形成されたハブ輪、およびこのハブ輪の小径段部に所定のシメシロを介して圧入され、外周に前記複列の外側転走面に対向する他方の内側転走面が形成された内輪からなる内方部材と、前記両転走面間に転動自在に収容され、所定の接触角が付与された複列のボールとを備え、前記小径段部の端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部により所定の軸受予圧が付与された状態で前記内輪が軸方向に固定された車輪用軸受装置において、前記両転走面のうち少なくとも前記内側転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、当該内側転走面が、初期の接触角αにて前記ボールと接触する接触点の近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、この曲率半径ｒよりも小さく、接触角α１にて前記ボールと接触する変曲点から前記内輪の大外径または前記車輪取付フランジの基部に亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成され、前記ボールの直径ｄに対して、前記曲率半径ｒ、ｒ１が、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄおよび１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されると共に、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１の前記変曲点を、α＝３０～４５°で、α１＝α＋Δαとした時、Δαが、２～８°の範囲に設定されている。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
　図１は、本発明に係る車輪用軸受装置の第１の実施形態を示す縦断面図、図２（ａ）は、図１の内輪とボールの接触状態を示す説明図、（ｂ）は、図１の外方部材とボールの接触状態を示す説明図である。なお、以下の説明では、車両に組み付けた状態で車両の外側寄りとなる側をアウター側（図１の左側）、中央寄り側をインナー側（図１の右側）という。
　この車輪用軸受装置は従動輪側の第３世代と称され、内方部材１と外方部材１０、および両部材１、１０間に転動自在に収容された複列のボール６、６とを備えている。内方部材１は、ハブ輪２と、このハブ輪２に外嵌された別体の内輪３とからなる。
　ハブ輪２は、アウター側の端部に車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ４を一体に有し、この車輪取付フランジ４の円周等配位置には車輪を固定するためのハブボルト５が植設されている。また、車輪取付フランジ４のハブボルト５間には円孔４ａが形成されている。この円孔４ａによってハブ輪２の軽量化を図ることができると共に、車輪用軸受装置の組立工程において、例えば、図示しないブレーキロータをハブ輪２に固定した状態で、ブレーキロータや車輪取付フランジ４に邪魔されることなく、工具にて容易にナックルボルト（図示せず）を締結することができ、外方部材１０をナックル（図示せず）に簡便に固定できて組立作業性を向上することができる。
　また、ハブ輪２の外周にはアウター側（一方）の内側転走面２ａと、この内側転走面２ａから軸方向に延びる小径段部２ｂが形成されている。そして、外周に内側転走面３ａが形成された内輪３がこの小径段部２ｂに所定のシメシロを介して圧入され、小径段部２ｂの端部を径方向外方に塑性変形させて形成した加締部２ｃにより、所定の軸受予圧が付与された状態で、ハブ輪２に対して内輪３が軸方向に固定されている。
　外方部材１０は、外周に車体（図示せず）に取り付けるための車体取付フランジ１０ｂを一体に有し、内周に前記内側転走面２ａ、３ａに対向する複列の外側転走面１０ａ、１０ａが一体に形成されている。そして、それぞれの転走面１０ａ、２ａと１０ａ、３ａ間に複列のボール６、６が初期の接触角αが付与された状態で保持器７、７を介して転動自在に収容されている。また、内方部材１と外方部材１０との間に形成される環状空間の開口部にはシール８、９が装着され、軸受内部に封入された潤滑グリースの漏洩を防止すると共に、外部から軸受内部に雨水やダスト等が侵入するのを防止している。
　ハブ輪２はＳ５３Ｃ等の炭素０．４０～０．８０重量％を含む中高炭素鋼で形成され、アウター側の内側転走面２ａをはじめ、シール８が摺接してシールランド部となる車輪取付フランジ４のインナー側の基部４ｂから小径段部２ｂに亙って高周波焼入れにより表面硬さが５８～６４ＨＲＣの範囲に硬化処理が施されている。なお、加締部２ｃは、鍛造後の素材表面硬さ２５ＨＲＣ以下の未焼入れ部とされている。
　一方、内輪３は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。また、外方部材１０はＳ５３Ｃ等の炭素０．４０～０．８０重量％を含む中高炭素鋼で形成され、複列の外側転走面１０ａ、１０ａが高周波焼入れによって表面硬さを５８～６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。
　なお、ここでは、ハブ輪２の外周に直接内側転走面２ａが形成された第３世代と呼称される車輪用軸受装置を例示したが、本発明に係る車輪用軸受装置はこうした構造に限定されず、例えば、ハブ輪の小径段部に一対の内輪が圧入された、第１世代や第２世代構造、あるいは、ハブ輪と等速自在継手の外側継手部材の外周にそれぞれ内側転走面が直接形成された第４世代構造の車輪用軸受装置であっても良い。
　ここで、本実施形態では、図２（ａ）に拡大して示すように、内輪３の内側転走面３ａが２つの曲率半径からなる円弧状に形成されている。すなわち、内輪３の内側転走面３ａは、初期の接触角αにてボール６と接触する接触点Ｐの近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、接触点Ｐの近傍から大外径３ｂに亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成されている。初期の接触角αは車両の荷重条件や軸受スペースによって適宜３０～４５°の範囲に設定される。
　ここで、図中ハッチングで示すように、曲率半径ｒは曲率半径ｒ１よりも大きく設定され、ボール６の直径ｄに対して、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄ、好ましくは、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．０８ｄの範囲に設定されている。また、曲率半径ｒ１は、ボール６の直径ｄに対して、１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄ、好ましくは、１．０３ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されている。具体的には、車両の定常走行（直進）時においては、初期の接触角αにてボール６と接触点Ｐで所定の予圧量をもって接触すると共に、車両の旋回時においては、モーメント荷重が負荷される位置である変曲点Ｐ０で、接触角α１にてボール６と所定の予圧量でもって接触する。
　通常、車両の旋回時等では、軸受にモーメント荷重が負荷され、この初期の接触角αが徐々に増大してα１に変位して行く。この車両の旋回時の接触角α１は、α１＝α＋Δαとすると、軸受の設定予圧量やボール６の直径ｄ等によって多少異なるが、初期の接触角αが３０～４５°の場合、Δα＝２～８°となる。
　一方、図２（ｂ）に示すように、外方部材１０の外側転走面１０ａも２つの曲率半径ｒ２、ｒ３からなる円弧状に形成されている。すなわち、外方部材１０の外側転走面１０ａは、初期の接触角αにてボール６と接触する接触点Ｑの近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒ２と、接触点Ｑの近傍から内径１０ｃに亙って形成された曲率半径ｒ３とで構成されている。
　ここで、図中ハッチングで示すように、曲率半径ｒ２は曲率半径ｒ３よりも大きく設定され、ボール６の直径ｄに対して、１．０７ｄ＜２ｒ２≦１．１２ｄ、好ましくは、１．０７ｄ＜２ｒ２≦１．１０ｄの範囲に設定されている。また、曲率半径ｒ３は、ボール６の直径ｄに対して、１．０３ｄ≦２ｒ３≦１．０７ｄ、好ましくは、１．０５ｄ≦２ｒ３≦１．０７ｄの範囲に設定されている。具体的には、車両の定常走行時においては、初期の接触角αにてボール６と接触点Ｑで所定の予圧量でもって接触し、車両の旋回時においては、モーメント荷重が負荷される位置である変曲点Ｑ０で、接触角α１にてボール６と所定の予圧量でもって接触する。
　本実施形態では、内側転走面３ａと外側転走面１０ａが２つの曲率半径ｒ、ｒ１およびｒ２、ｒ３からなる円弧状に形成されると共に、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１、ｒ２、ｒ３の変曲点Ｐ０、Ｑ０が、α１＝α＋Δαに設定されているので、車両の定常走行時において過度な予圧が生じたり、また、旋回時において予圧が不足することがなくなり、適正な予圧が付与される。それぞれの予圧量は、直進時（接触点Ｐ、Ｑ）で０～１０μｍ、旋回時（接触点Ｐ０、Ｑ０）で１０～５０μｍの範囲に設定されている。これにより、車両の定常走行時においては、初期に付与された予圧が確保され、過度な予圧を抑制して転がり抵抗の増加を防止できると共に、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、それに応じて予圧量を増加させ、何ら部品を付加せずに軸受剛性を高め耐久性の向上を図ることができる。
　なお、内方部材１の複列の内側転走面２ａ、３ａおよび外方部材１０の複列の外側転走面１０ａ、１０ａ双方の転走面をそれぞれ２つの曲率半径で構成したものを例示したが、少なくとも軸受剛性や寿命への影響が強い内方部材１の複列の内側転走面２ａ、３ａ側をこうした２つの曲率半径ｒ、ｒ１で構成するのが好ましい。また、図示はしないが、内輪３と同様、内方部材１を構成するハブ輪２においても、内側転走面２ａが２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１の変曲点Ｐ０が、α１＝α＋Δαに設定されている。
　次に、内輪３の内側転走面３ａを例に挙げてその加工方法について説明する。この内側転走面３ａは複数の曲率半径ｒ、ｒ１で構成されているため、従来、研削加工は予め内側転走面３ａの形状に成形された研削砥石によって行なわれていたが、軸受サイズが異なった仕様に対応するために成形砥石を複数個準備しなければならないため、本実施形態では、熱処理後に、超硬チップ（図示せず）によって旋削加工（焼入れ鋼切削）される。この超硬チップは、径方向に進退自在に、かつ軸方向に移動自在に支持され、ＮＣ制御により位置が決められている。これにより、管理コストを含め製造コストを低減することができ、低コスト化を図ることができる。
　また、超仕上げ（スーパー）加工においては、従来のような砥石を単にオスシレーション（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）加工して対応できないため、ここでは、ゴム等のエラストマに砥粒を混入させ、表面に砥粒を露出させて構成した、所謂弾性砥石によって加工されている。このような弾性砥石を内側転走面３ａの形状に沿ってオスシレーション加工することにより、複数の曲率半径ｒ、ｒ１からなる内側転走面３ａの形状に対応して弾性砥石が適度に変形し、内側転走面３ａの形状を崩さず所望の仕上げ表面に形成することができる。
　図３は、本発明に係る車輪用軸受装置の第２の実施形態で、一方の軸受列を示す正面図、図４は、図３の変形例を示す正面図、図５は、図３の他の変形例を示す正面図である。なお、この実施形態は、前述した第１の実施形態と基本的にはボールの構成が異なるだけで、その他同一部品同一部位あるいは同様の機能を有する部品や部位には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
　本実施形態では、車輪用軸受装置の各列のボール６、６が、大径ボール６ａと小径ボール６ｂとが混在した状態で収容されている。すなわち、大径ボール６ａと小径ボール６ｂとが交互に規則性を持って配列されている。これにより、主にラジアル荷重のみが負荷される車両の直進時には、大径ボール６ａのみでラジアル荷重を負荷することになり、転がり抵抗が小さくなって回転トルクを低減させることができる。
　一方、車両の旋回時には、ラジアル荷重に加えアキシアル荷重が負荷されるため、大径ボール６ａと、この大径ボール６ａに接触する各転走面が弾性変形し、小径ボール６ｂにも荷重が負荷され、１列総てのボール６（６ａ、６ｂ）が負荷され、軸受寿命は従来の軸受に比べ大きく低下することはなく、同等の寿命を提供することができる。したがって、各転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成された効果に加え、初期に付与された予圧が確保され、過度な予圧を抑制して転がり抵抗の増加を防止できると共に、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、それに応じて予圧量を増加させ加工上のバラツキ等に左右されず、車両の直進走行時におけるトルクを低減でき、かつ、旋回走行時の軸受寿命向上を図った車輪用軸受装置を提供することができる。
　大径ボール６ａと小径ボール６ｂとの径差Δｄ＝ｄ１－ｄ２は、Δｄ≧５μｍ、好ましくは、Δｄ＝５～１０μｍの範囲に設定されている。Δｄが５μｍ未満では、車両の直進時に、大径ボール６ａと各転走面の弾性変形により小径ボール６ｂにも荷重が負荷される恐れがあり、大幅なトルク低減が期待できない。また、Δｄが１０μｍを超えると、車両の旋回時に、大径ボール６ａと各転走面の弾性変形があっても小径ボール６ｂに荷重が負荷されない可能性があり、軸受寿命が低下する恐れがある。
　ここでは、大径ボール６ａと小径ボール６ｂが交互に配列されたものを例示したが、これに限らず、例えば、図４に示すように、大径ボール６ａと小径ボール６ｂ、６ｂと大径ボール６ａ・・というような配列にしても良いし、また、図５に示すように、大径ボール６ａ、６ａと小径ボール６ｂと大径ボール６ａ、６ａ・・というような配列にしても良い。これにより、車両の直進および旋回の頻度、あるいは、荷重条件と軸受の負荷容量との関係に対応することができ、設計自由度が拡大する。
　次に、複列のボール６、６の材質をセラミックとした場合、セラミックボールの接触楕円は鋼球よりも剛性が高いため小さくなる。したがって、複列の総てのボール６、６をセラミックボールにすることにより低トルク化を図ることができるが、セラミックボールは鋼球よりも高価なためコストアップとなって好ましくない。このため、例えば、複列のボール６、６列のうち、車両の旋回時、モーメント荷重が負荷された時に大きな荷重が負荷されるインナー側のボール列のみをセラミックボールとし、アウター側のボール列を鋼球とすることにより、大幅なコストアップを伴うことなく、低トルク化と軸受寿命の向上を図ることができる。
　また、複列のボール６、６列で、同サイズのセラミックボールと鋼球を混在させて規則性を持って配列させても低トルク化を図ることができる。さらには、前述したように、１列中の各ボール６を、大径ボール６ａと小径ボール６ｂとが混在した構成と同様、この大径ボール６ａに変えてセラミックボールを混在させても低トルク化と軸受寿命の向上を図ることができる。
　図６は、本発明に係る車輪用軸受装置の第３の実施形態で、一方の軸受列を示す模式図、図７（ａ）は、車両の直進時と旋回時における作用を示す説明図、（ｂ）は、車両の低速直進時と高速直進時における作用を示す説明図、図８は、本発明に係るセラミック製ボールの製造方法を示す概略図、図９は、本発明に係るセラミック製ボールの断面を示す模式図、図１０は、本発明に係るセラミック製ボールの試験片の観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真、図１１は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例、図１２は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理する際に、画像処理を行う領域を示す図である。なお、前述した第１の実施形態（図１）と基本的にはボールの構成が異なるだけで、その他同一部品同一部位あるいは同様の機能を有する部品や部位には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
　本実施形態では、図６に模式的に示すように、複列のボール６、６のうち、ＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼製等からなる鋼球６と、セラミック製ボール６ｃ（図中クロスハッチングにて示す）とが混載された状態で配列されている。本実施形態では、セラミック製ボール６ｃがβサイアロン焼結体で構成されている。窒化ケイ素やサイアロン等からなるセラミックスは、鋼に比べ製造コストが高いため、近年、転がり軸受の構成部品としてβサイアロン焼結体が注目されている（例えば、特開２００４－９１２７２号、特開２００５－７５６５２号、特開２００５－１９４１５４号参照）。
　本実施形態では、このβサイアロン焼結体が、Ｓｉ６－ｚＡｌｚＯｚＮ８－ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体で構成されている。前記不純物は、原料に由来するもの、あるいは製造工程において混入するものを含む不可逆的不純物を含んでいる。
　なお、セラミック製ボール６ｃが、Ｓｉ６－ｚＡｌｚＯｚＮ８－ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不可逆的不純物からなる焼結体で構成されていても良い。焼結助剤としては、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、希土類元素の酸化物、窒化物、酸窒化物のうち少なくとも一種類以上を選択することができる。また、焼結助剤は、焼結体のうち２０質量％以下とすることが望ましい。
　この焼結体は、前述したｚの値（以下、ｚ値という）が、０．１以上となる種々の組成を有するものが製造可能であるが、一般的に、転動疲労寿命に大きな影響を与える表面硬さは、製造の容易なｚ値４．０以下の範囲において殆ど変化しない。然しながら、βサイアロンを主成分とするセラミック製ボール６ｃの転動疲労寿命と、βサイアロンの組成との関係を詳細に調査した結果、後述するβサイアロンを主成分とする焼結体からなるセラミック製ボール６ｃにおいては、ｚ値が３．５を超えると転動疲労寿命が大幅に低下することが判った。
　具体的には、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、転動疲労寿命はほぼ同等で、転がり軸受の運転時間が所定時間を越えると、セラミック製ボール６ｃの表面に剥離が発生して破損に至る。これに対し、ｚ値が３．５を超えるとセラミック製ボール６ｃが摩耗し易くなり、これに起因して転動疲労寿命が大幅に低下する。すなわち、ｚ値が３．５を超えると転動疲労寿命が大幅に低下するという現象が明らかとなった。
　次に、複列のボール６、６ｃの素材となる窒化ケイ素、高炭素クロム鋼（ＳＵＪ２）、およびβサイアロン焼結体の特性を比較したものを表１に示す。この表から判るように、窒化ケイ素およびβサイアロン焼結体は、高炭素クロム鋼に比べヤング率、表面硬さが高く、また、線膨張係数が著しく小さい。すなわち、複列のボール６、６の素材として採用した場合、高い剛性が得られると共に、軸受昇温時の寸法変化量を抑えることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本出願人は、通常の鋼球と比べてセラミック製ボールが、線膨張係数をはじめこれらの特性が異なることに着目し、左右軸受列のうち、少なくとも一方の軸受列のボール６、６を、鋼球６とセラミック製ボール６ｃとが混載された状態で配列することにより、各転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成された効果に加え、車両の直進走行時における転がり抵抗を抑えると共に、旋回走行時等の高負荷時における高剛性化を図って軸受寿命向上を達成した車輪用軸受装置を提供することができる。
　具体的には、鋼球６の直径をｄ、セラミック製ボール６ｃの直径をｄ３とした場合、初期の径差Δｄ＝ｄ３－ｄ＝５～１０μｍの範囲に設定することにより、図７（ａ）に示すように、車両の停止状態から直進時（～１００ｋｍ／ｈ）、すなわち、軸受に負荷される荷重が小さく、温度上昇が小さい時には、鋼球６とセラミック製ボール６ｃの直径の径差は初期の状態のままのｄ＜ｄ３となり、荷重はセラミック製ボール６ｃのみで負荷されることになる。セラミック製ボール６ｃは、荷重が負荷された時に生じる弾性変形量が鋼球６に比べて小さいため、初期の軸受予圧を確保しながら、転がり抵抗を抑えて軸受の低トルク化を達成することができると共に、軸受の温度上昇を抑制することができ、グリースの劣化を抑えて軸受寿命を向上させることができる。
　一方、車両の旋回時、すなわち、大きなモーメント荷重が軸受に負荷され、温度上昇が大きくなる時には、鋼球６とセラミック製ボール６ｃの線膨張係数の差によって鋼球６の方がセラミック製ボール６ｃに比べて大きく膨張し、初期の径差がなくなってｄ≒ｄ３の状態となる。したがって、荷重は鋼球６とセラミック製ボール６ｃの両方で負荷されることになり、軸受の高剛性化を達成することができる。
　鋼球６とセラミック製ボール６ｃの外径の径差Δｄは、例えば、ボール６の称呼サイズが１／２インチの場合、鋼球６とセラミック製ボール６ｃとで、略１μｍ／１０℃の膨張量の差が生じることになる。すなわち、径差をΔｄ＝ｄ３－ｄ＝５～１０μｍの範囲に設定することにより、５０～１００℃の昇温範囲を許容することができる。なお、径差が５μｍ未満では、その効果が発揮され難く、また、１０μｍを超えると、あらゆるモードでセラミック製ボール６ｃのみの負荷状態となる恐れがあるから好ましくない。
　また、鋼球６とセラミック製ボール６ｃの混載の割合は、車両のモードや軸受の仕様、例えば、奇数個と偶数個によっても異なるが、１：１を含む、３：７～７：３までの範囲が好ましい。この鋼球６とセラミック製ボール６ｃの混載の割合が２：８以下では、コストアップになり、また、８：２以上では、軸受の低トルク化と剛性の向上が望めないからである。なお、複列のボール６、６列のうち、負荷条件が厳しい、例えば、インナー側のボール６列を３：７、アウター側のボール６列を７：３というように、混載割合を異ならせることにより、負荷条件に対応して最適な耐久性を得ることができる。
　なお、図７（ｂ）に示すように、鋼球６とセラミック製ボール６ｃの初期の径差がないように設定すれば、車両の停止状態から直進時の軸受常温時には、鋼球６とセラミック製ボール６ｃの直系の径差はなく（ｄ≒ｄ３）、初期の状態のままで、荷重は鋼球６とセラミック製ボール６ｃの両方で負荷されることになるが、車両の高速直進時（１００ｋｍ／ｈ～）には、鋼球６とセラミック製ボール６ｃの線膨張係数の差によってｄ＞ｄ３の状態となり、荷重は鋼球６のみで負荷されることになり、初期の軸受予圧を確保しながら、転がり抵抗を抑えて軸受の低トルク化を図ることもできる。
　次に、このセラミック製ボール６ｃの製造方法について説明する。セラミック製ボール６ｃの製造方法においては、転動疲労寿命を低下させる欠陥の発生を抑制する目的で、熱間静水圧焼結法（Ｈｏｔ　Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓ；ＨＩＰ）やガス圧焼結法（Ｇａｓ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ＧＰＳ）等の加圧焼結法（通常１０ＭＰａ以上の圧力下で焼結を行う方法）による焼結が採用されるのが一般的であるが、加圧焼結法を採用した製造方法では、製造コストの上昇が懸念されると共に、セラミック製ボール６ｃの表層部に材質が変質した異常層が形成される恐れがある。そのため、セラミック製ボール６ｃの仕上げ加工において、当該異常層を除去する必要が生じ、製造コストが上昇する。一方、加圧焼結法を採用しない場合、セラミック製ボール６ｃの気孔率が増加して欠陥が発生し、転動疲労寿命が低下するという問題点があった。
　こうした問題に対し、本出願人は、βサイアロンからなる成形体を１ＭＰａ以下の圧力下で焼結して製造することにより、充分な耐久性を安定して確保することが可能なセラミック製ボール８ｂを安価に製造することができる。すなわち、図８に示すように、まず、βサイアロンの粉末を準備するβサイアロン粉末準備工程が実施される。このβサイアロン粉末準備工程においては、例えば、焼結合成法を採用した製造工程により、安価にβサイアロンの粉末を製造することができる。
　次に、βサイアロン粉末準備工程において準備されたβサイアロンの粉末と焼結助剤を添加して混合する混合工程が実施される。この混合工程は、焼結助剤を添加しない場合は省略することができる。
　そして、βサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物を、セラミック製ボール６ｃの概略形状に成形する成形工程が実施される。具体的には、βサイアロンの粉末と焼結助剤との混合物に、プレス成形、鋳込み成形、押出し成形、転動造粒等の成形手法を適用することにより、セラミック製ボール６ｃの概略形状に成形された成形体が作製される。
　その後、成形体の表面が加工されることにより、焼結後に所望のボール形状に近い形状になるよう成形される焼結前加工工程が実施される。具体的には、グリーン体加工等の加工手法を適用することにより、ボール形状により近い形状になるよう成形される。この焼結前加工工程は、成形工程において、成形体が形成された段階で、焼結後に所望のボール形状により近い形状が得られる状態である場合には省略することができる。
　次に、成形体が、１ＭＰａ以下の圧力下で焼結される焼結工程が実施される。具体的には、成形体が、ヒータ加熱、マイクロ波やミリ波による電磁波加熱等の加熱方法により加熱されて焼結されることにより、略球形の焼結体が作製される。焼結は、不活性ガス雰囲気中または窒素と酸素との混合ガス雰囲気中において、１５５０℃以上１８００℃以下の温度領域に成形体が加熱されることにより実施される。これにより、βサイアロンの分解や組織変化を抑制することができる。また、このβサイアロンからなる成形体が焼結される工程では、１５５０℃以上１８００℃以下の温度領域で行われるが、１５５０℃未満では、焼結による緻密化が進み難いため、成形体が焼結される温度は１５５０℃以上が好ましい。一方、１８００℃を超えると、βサイアロン結晶粒の粗大化による焼結体の機械的特性の低下が懸念されるため、１８００℃以下が好ましい。なお、不活性ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、窒素等が採用可能であるが、製造コスト低減の観点から、窒素が採用されることが好ましい。
　次に、焼結工程において作製された焼結体の表面が加工され、当該表面を含む領域が除去される仕上げ加工が実施されることにより、セラミック製ボール６ｃを完成させる仕上げ工程が実施される。具体的には、焼結工程において作製された焼結体の表面を研削およびラッピング等によって所望の形状・寸法あるいは表面粗さに仕上げ加工される。
　ここで、焼結工程における焼結により、焼結体の表面から厚み５００μｍ程度の領域には、図９に模式的に示すように、内部６ｃ０よりも緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下である緻密層６ｃ１が形成される。すなわち、焼結体において、気孔率の低い（密度の高い）層が形成される。さらに、焼結体の表面から厚み１５０μｍ程度の領域には、緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性が高く、断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下である高緻密層６ｃ２が形成されている。したがって、仕上げ工程においては、除去される焼結体の厚みは、特に、転動面となるべき領域において１５０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、高緻密層６ｃ２を残存させ、セラミック製ボール６ｃの転動疲労寿命を向上させることができる。
　本出願人は、前述したｚ値のうち種々の値を有するβサイアロン焼結体からなるとセラミック製ボールを有する深溝玉軸受を作製し、ｚ値と転動疲労寿命（耐久性）との関係を検証する試験を行った。試験の手順は以下の通りである。
　まず、試験の対象となる試験軸受の作製方法について説明する。はじめに、焼結合成法でｚ値を０．１～４．０の範囲で作製したβサイアロンの粉末を準備し、前述の図８に基づいて説明したセラミック製ボールの製造方法と同様の方法で、ｚ値が０．１～４．０であるセラミック製ボールを作製した。具体的には、まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔｒａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍ　ｏｘｉｄｅ　ｇｒａｄｅ　Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施して造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらに冷間静水圧成形（ＣＩＰ）で加圧を行って球体の成形体を得た。
　引き続き当該成形体に対して一次焼結として常圧焼結を行った後、圧力２００ＭＰａの窒素雰囲気中でＨＩＰ処理することで焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行い、３／８インチセラミック球（ＪＩＳ等級　Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪との組み合わせで、ＪＩＳ規格６２０６型番の深溝玉軸受を作製した。すなわち、ｚ値が０である鋼球もβサイアロンからなるセラミック球と同様の方法で作製し、同様に深溝玉軸受として組み立てた（比較例Ａ）。
　次に、試験条件について説明する。前述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の深溝玉軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８（清浄油）の循環給油、試験温度：室温の条件下で運転する疲労試験を行った。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、各ボールに破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止すると共に、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。また、試験中止後、軸受を分解して各ボールの破損状態を確認した。その結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２においては、各実施例および比較例における寿命が、比較例Ａ（窒化ケイ素）における寿命を１とした寿命比で表されている。また、破損形態は、ボールの表面に剥離が発生した場合「剥離」、剥離が発生することなく表面が摩耗して試験が中止された場合「摩耗」と記載されている。
　表２を参照して、ｚ値が０．１以上３．５以下となっている本発明の実施例Ａ～Ｈでは、比較例Ａと比較して遜色ない寿命を有している。また、破損形態も窒化ケイ素の場合と同様に、「剥離」となっている。これに対し、ｚ値が３．５を超え、本発明の範囲外となっている比較例Ｂでは、寿命が大幅に低下すると共に、ボールに摩耗が観察される。すなわち、ボールにおける摩耗が影響し、寿命が大幅に低下したものと考えられる。さらに、ｚ値が４．０である比較例Ｃにおいては、極めて短時間にボールの摩耗が進行し、軸受の耐久性が著しく低下しているのが判る。
　このように、ｚ値が０．１以上３．５以下の範囲においては、βサイアロン焼結体からなるボールを備えた転がり軸受の耐久性は、窒化ケイ素の焼結体からなるボールを備えた転がり軸受とほぼ同等であることが判る。これに対し、ｚ値が３．５を超えるとボールが摩耗し易くなり、これに起因して転動疲労寿命が大幅に低下する。さらに、ｚ値が大きくなると、βサイアロンからなるボールの破損原因が「剥離」から「摩耗」に変化し、転動疲労寿命が著しく低下することが明らかとなった。すなわち、ｚ値を０．１以上３．５以下とすることにより、安価でありながら、充分な耐久性を安定して確保することができる。
　なお、表２を参照して、ｚ値が３を超える３．５の実施例Ｈにおいては、ボールには僅かな摩耗が発生しており、寿命も実施例Ａ～Ｇに比べて低下している。このことから、充分な耐久性を安定して確保するためには、ｚ値は３以下とすることが望ましいと言える。
　また、前述した試験結果から、窒化ケイ素からなるボールと同等以上の耐久性を得るには、ｚ値は２以下とすることが好ましく、１．５以下とすることがより好ましい。一方、焼結合成を採用した製造工程による、βサイアロン粉体の作製の容易性を考慮すると、充分に自己発熱による反応が期待できるｚ値である０．５以上とすることが好ましい。
　次に、本発明のボールの断面における緻密層および高緻密層の形成状態を調査する試験を行なった。試験の手順は以下の通りである。
　はじめに、焼結合成法で作製した組成が、Ｓｉ５ＡｌｚＯＮ７であるβサイアロンの粉末（株式会社イスマンジェイ製、商品名メラミックス）を準備し、図８に基づいて説明した製造方法と同様の方法で、一辺が略１０ｍｍの立方体試験片を作製した。具体的な製造方法は以下の通りである。
　まず、サブミクロンに微細化されたβサイアロン粉末と、焼結助剤としての酸化アルミニウム（住友化学株式会社製、ＡＫＰ３０）および酸化イットリウム（Ｈ．Ｃ．Ｓｔｒａｒｃｋ社製、Ｙｔｔｒｉｕｍ　ｏｘｉｄｅ　ｇｒａｄｅ　Ｃ）とをボールミルを用いて湿式混合により混合した。その後、スプレードライヤーにて造粒を実施して造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらにＣＩＰで加圧を行って球体の成形体を得た。
　引き続き当該成形体を圧力４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで立方体試験片を作製した。その後、当該試験片を切断し、この切断された面をダイヤモンドラップ盤でラッピングした後、酸化クロムラップ盤による鏡面ラッピングを実施することにより、立方体の中心を含む観察用の断面を形成した。そして、当該断面を光学顕微鏡（株式会社ニコン製、マイクロフォト－ＦＸＡ）の斜光で観察し、倍率５０倍のインスタント写真（フジフィルム株式会社製　ＦＰ－１００Ｂ）を撮影した。その後、得られた写真の画像を、スキャナーを用いて（解像度３００ＤＰＩ）パーソナルコンピューターに取り込んだ。そして、画像処理ソフト（三谷商事株式会社製　ＷｉｎＲＯＯＦ）を用いて輝度閾値による２値化処理を行って白色領域の面積率を測定した（２値化分離閾値：１４０）。
　次に、試験結果について説明する。図１０は、試験片の観察用の断面を光学顕微鏡の斜光で撮影した写真である。また、図１１は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理した状態を示す一例である。また、図１２は、図１０の写真の画像を、画像処理ソフトを用いて輝度閾値により２値化処理する際に、画像処理を行う領域（評価領域）を示す図である。図１０において、写真上側が試験片の表面側であり、上端が表面である。
　図１０および図１１を参照して、本発明の球体と同様の製造方法により作製された試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない層が形成されていることが判る。そして、図１２に示すように、撮影された写真の画像を試験片の最表面からの距離に応じて３つの領域（最表面からの距離が１５０μｍ以内の領域、１５０μｍを超え５００μｍ以内の領域、５００μｍを超え８００μｍ以内の領域）に分け、領域毎に画像解析を行って白色領域の面積率を算出したところ、表３に示すような結果が得られた。表３においては、図１２に示した各領域を１視野として、無作為に撮影された５枚の写真から得られる５視野における白色領域の面積率の、平均値と最大値とが示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３を参照して、白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。
　表３を参照して、白色領域の面積率は、内部において１８．５％であったのに対し、表面からの深さが５００μｍ以下である領域においては３．７％、表面からの深さが１５０μｍ以下の領域においては１．２％となっていた。このことから、試験片は、表面を含む領域に内部よりも白色領域の少ない緻密層および高緻密層が形成されていることが確認された。レードライヤーにて造粒を実施して造粒粉を製造した。当該造粒粉を金型で球体に成形し、さらにＣＩＰで加圧を行って球体の成形体を得た。
　次に、当該成形体に対して焼結後の加工代が所定の寸法となるようにグリーン加工を行い、引き続き当該成形体を圧力０．４ＭＰａの窒素雰囲気中で１６５０℃に加熱して焼結することで焼結球体を製造した。次に、当該焼結球体にラッピング加工を行い、３／８インチセラミック球（ＪＩＳ等級　Ｇ５）とした。そして、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪との組み合わせで、ＪＩＳ規格６２０６型番の深溝玉軸受を作製した。ここで、焼結球体に対するラッピング加工により除去される焼結球体の厚み（加工代）を８段階に変化させ、８種類の軸受を作製した（実施例Ａ～Ｈ）。一方、比較のため、窒化ケイ素および焼結助剤からなる原料粉末を用いて、前述した方法と同様、ラッピング加工を行い、別途準備した軸受鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＪ２）製の軌道輪と組み合わせて、ＪＩＳ規格６２０６型番の深溝玉軸受を作製した（比較例Ａ）。なお、ラッピング加工による加工代は０．２５ｍｍとした。
　次に、試験条件について説明する。前述のように作製されたＪＩＳ規格６２０６型番の深溝玉軸受に対し、最大接触面圧Ｐｍａｘ：３．２ＧＰａ、軸受回転数：２０００ｒｐｍ、潤滑：タービン油ＶＧ６８（清浄油）の循環給油、試験温度：室温、の条件下で運転する疲労試験を行った。そして、振動検出装置により運転中の軸受の振動を監視し、各ボールに破損が発生して軸受の振動が所定値を超えた時点で試験を中止すると共に、運転開始から中止までの時間を当該軸受の寿命として記録した。なお、試験数は実施例、比較例ともに１５個ずつとし、そのＬ１０寿命を算出した上で、比較例Ａに対する寿命比で耐久性を評価した。表４にその試験結果を示す。ここで、Ｌ１０寿命とは、一群の同じ軸受を同じ条件で個々に運転したとき、そのうちの９０％の軸受が材料の転がり疲れによる損傷を起こさずに回転できる総回転数、あるいは、一定回転速度では総回転時間をいう。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４から判るように、実施例の軸受寿命は、その製造コスト等を考慮するといずれも良好であると言える。そして、加工代を０．５ｍｍ以下とすることにより、ボールの表面に緻密層を残存させた実施例Ｄ～Ｇの軸受寿命は、比較例Ａの軸受寿命の１．５～２倍程度となっていた。さらに、加工代を０．１５ｍｍ以下とすることにより、ボールの表面に高緻密層を残存させた実施例Ａ～Ｃの軸受寿命は、比較例Ａの３倍程度となっていた。このことから、本発明のボールを備えた軸受は、耐久性において優れていることが確認された。そして、ボールの加工代を０．５ｍｍ以下として、表面に緻密層を残存させることによって寿命が向上し、ボールの加工代を０．１５ｍｍ以下として、表面に高緻密層を残存させることによって寿命がさらに向上することが判った。
　図１３は、本発明に係る車輪用軸受装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。なお、前述した第１の実施形態（図１）と基本的には複列のボール列のピッチ円直径が異なるだけで、その他同一部品同一部位あるいは同様の機能を有する部品や部位には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
　この車輪用軸受装置は第３世代と呼称される従動輪用であって、内方部材１１と外方部材１２、および両部材１１、１２間に転動自在に収容された複列のボール１３、１４群とを備えている。内方部材１１は、ハブ輪１５と、このハブ輪１５に所定のシメシロを介して圧入された内輪１６とからなる。
　ハブ輪１５は、アウター側の端部に車輪（図示せず）を取り付けるための車輪取付フランジ１７を一体に有し、外周に一方（アウター側）の内側転走面１５ａと、この内側転走面１５ａから軸方向に延びる軸状部１８を介して小径段部１５ｂが形成されている。車輪取付フランジ１７にはハブボルト５が周方向等配に植設されると共に、これらハブボルト５間には円孔４ａが形成されている。
　内輪１６は、外周に他方（インナー側）の内側転走面１６ａが形成され、ハブ輪１５の小径段部１５ｂに圧入されて背面合せタイプの複列アンギュラ玉軸受を構成すると共に、小径段部１５ｂの端部を塑性変形させて形成した加締部２ｃによって所定の軸受予圧が付与された状態で軸方向に固定され、所謂セルフリテイン構造を構成している。なお、内輪１６および転動体１３、１４はＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼で形成され、ズブ焼入れによって芯部まで５８～６４ＨＲＣの範囲に硬化処理されている。
　ハブ輪１５はＳ５３Ｃ等の炭素０．４０～０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼で形成され、内側転走面１５ａをはじめ、車輪取付フランジ１７のインナー側の基部４ｂから小径段部１５ｂに亙って高周波焼入れによって表面硬さを５８～６４ＨＲＣの範囲に所定の硬化処理が施されている。
　外方部材１２は、外周にナックル（図示せず）に取り付けられるための車体取付フランジ１０ｂを一体に有し、内周にハブ輪１５の内側転走面１５ａに対向するアウター側の外側転走面１２ａと、内輪１６の内側転走面１６ａに対向するインナー側の外側転走面１２ｂが一体に形成されている。これら両転走面間に複列のボール１３、１４が収容され、保持器１９、２０によって転動自在に保持されている。そして、外方部材１２と内方部材１１との間に形成される環状空間の開口部にはシール２１およびスリンガ２２がそれぞれ装着され、軸受内部に封入されたグリースの外部への漏洩と、外部から雨水やダスト等が軸受内部に侵入するのを防止している。
　外方部材１２はＳ５３Ｃ等の炭素０．４０～０．８０ｗｔ％を含む中高炭素鋼で形成され、複列の外側転走面１２ａ、１２ｂが、後述する高周波焼入れによって表面硬さを５８～６４ＨＲＣの範囲に所定の硬化層が形成されている。なお、ここでは、ハブ輪１５の外周に直接内側転走面１５ａが形成された従動輪側の第３世代と呼称される車輪用軸受装置を例示したが、本発明に係る車輪用軸受装置はこうした構造に限定されず、例えば、ハブ輪の小径段部に一対の内輪が圧入された、第１世代や第２世代構造、あるいは、ハブ輪と等速自在継手の外側継手部材の外周にそれぞれ内側転走面が直接形成された第４世代構造の車輪用軸受装置であっても良い。
　本実施形態では、アウター側のボール１３群のピッチ円直径ＰＣＤｏがインナー側のボール１４群のピッチ円直径ＰＣＤｉよりも大径（ＰＣＤｏ＞ＰＣＤｉ）に設定されている。そして、アウター側のボール１３の個数がインナー側のボール１４の個数よりも多く設定されている。これにより、有効に軸受スペースを活用して軽量・コンパクト化を図ると共に、インナー側に比べアウター側部分の軸受剛性を増大させることができ、軸受の長寿命化を図ることができる。
　ハブ輪１５の外郭は、内側転走面１５ａの溝底部からカウンタ部２３と、このカウンタ部２３から軸状部１８、およびテーパ状の段部１８ａを介して内輪１６が突き合わされる肩部１８ｂおよび小径段部１５ｂに続く形状に形成されている。また、ハブ輪１５のアウター側端部には軸方向に延びるすり鉢状の凹所２４が形成されている。この凹所２４は鍛造加工によってハブ輪１５の外郭形状に沿って形成され、その深さは、少なくともアウター側の内側転走面１５ａの溝底付近までとされ、ハブ輪１５のアウター側の肉厚が略均一となるように形成されている。
　一方、外方部材１２において、ピッチ円直径ＰＣＤｏ、ＰＣＤｉの違いに伴い、アウター側の外側転走面１２ａがインナー側の外側転走面１２ｂよりも拡径して形成され、アウター側の外側転走面１２ａの肩部２５と、小径側となるインナー側の外側転走面１２ｂの肩部２６との間には軽量化のための環状の凹所２７が形成されている。
　本実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様、内輪１６の内側転走面１６ａと外側転走面１２ｂが２つの曲率半径ｒ、ｒ１およびｒ２、ｒ３からなる円弧状に形成されると共に、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１、ｒ２、ｒ３の変曲点Ｐ０、Ｑ０が、α１＝α＋Δαに設定されているので、車両の定常走行時において過度な予圧が生じたり、また、旋回時において予圧が不足することがなくなり、適正な予圧が付与される。それぞれの予圧量は、直進時（接触点Ｐ、Ｑ）で０～１０μｍ、旋回時（接触点Ｐ０、Ｑ０）で１０～５０μｍの範囲に設定されている。これにより、車両の定常走行時においては、初期に付与された予圧が確保され、過度な予圧を抑制して転がり抵抗の増加を防止できると共に、モーメント荷重が負荷される車両の旋回時においては、それに応じて予圧量を増加させ、何ら部品を付加せずに軸受剛性を高め耐久性の向上を図ることができる。さらに、第２あるいは第４の実施形態と同様の構成を採用しても良い。
　以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、あくまで例示であって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
　本発明に係る車輪用軸受装置は、複列アンギュラ玉軸受で構成された第１世代乃至第４世代構造の車輪用軸受装置に適用できる。
１、１１　内方部材
２、１５　ハブ輪
２ａ、３ａ、１５ａ、１６ａ　内側転走面
２ｂ、１５ｂ　小径段部
２ｃ　加締部
３、１６　内輪
３ｂ　大外径
４、１７　車輪取付フランジ
４ａ　円孔
４ｂ　基部
５　ハブボルト
６、１３、１４　ボール
６ａ　大径ボール
６ｂ　小径ボール
６ｃ　セラミック製ボール
６ｃ０　内部
６ｃ１　緻密層
６ｃ２　高緻密層
７、１９、２０　保持器
８、９、２１　シール
１０、１２　外方部材
１０ａ、１２ａ、１２ｂ　外側転走面
１０ｂ　車体取付フランジ
１０ｃ　内径
１８　軸状部
１８ａ　段部
１８ｂ、２５、２６　肩部
２２　スリンガ
２３　カウンタ部
２４、２７　凹所
５１　内方部材
５２　ハブ輪
５２ａ、５３ａ　内側転走面
５２ｂ　小径段部
５２ｃ　加締部
５３　内輪
５３ｂ　大外径
５４　車輪取付フランジ
５５　ハブボルト
５６　ボール
５７　保持器
５８、５９　シール
６０　外方部材
６０ａ　外側転走面
６０ｂ　車体取付フランジ
６０ｃ　内径
６１　等速自在継手
６２　マウス部
６３　肩部
６４　軸部
６５　外側継手部材
６６　雄ねじ
６７　固定ナット
ｄ　鋼球の直径
ｄ１　大径ボールの直径
ｄ２　小径ボールの直径
ｄ３　セラミック製ボールの直径
Δｄ　直径の径差
Ｐ、Ｐ１　内側転走面とボールの接触点
Ｐ０　内側転走面の変曲点
ＰＣＤｉ　インナー側のボール群のピッチ円直径
ＰＣＤｏ　アウター側のボール群のピッチ円直径
Ｑ、Ｑ１　外側転走面とボールの接触点
Ｑ０　外側転走面の変曲点
ｒ、ｒ１　内側転走面の曲率半径
ｒ２、ｒ３　外側転走面の曲率半径
α　初期の接触角
α１　接触角
Δα　接触角の増加量

Claims (18)

  1. 　内周に複列の外側転走面が一体に形成された外方部材と、
    　外周にこれら複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面が形成された内方部材と、
    　前記両転走面間に転動自在に収容され、所定の接触角が付与された複列のボールとを備えた車輪用軸受装置において、
    　前記両転走面のうち少なくとも前記内側転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、当該内側転走面が、初期の接触角αにて前記ボールと接触する接触点の近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒと、この曲率半径ｒよりも小さく、接触角α１にて前記ボールと接触する変曲点から外径側に亙って形成された曲率半径ｒ１とで構成され、前記ボールの直径ｄに対して、前記曲率半径ｒ、ｒ１が、１．０５ｄ＜２ｒ≦１．１０ｄおよび１．０１ｄ≦２ｒ１≦１．０５ｄの範囲に設定されると共に、これら異なる２つの曲率半径ｒ、ｒ１の前記変曲点を、α＝３０～４５°で、α１＝α＋Δαとした時、Δαが、２～８°の範囲に設定されていることを特徴とする車輪用軸受装置。
  2. 　前記複列のボール群のうちアウター側のボール群のピッチ円直径がインナー側のボール群のピッチ円直径よりも大径に設定されている請求項１に記載の車輪用軸受装置。
  3. 　前記外側転走面が２つの曲率半径からなる円弧状に形成され、当該外側転走面が、初期の接触角αにて前記ボールと接触する接触点の近傍から溝底に亙って形成された曲率半径ｒ２と、この曲率半径ｒ２よりも小さく、接触角α１にて前記ボールと接触する変曲点から前記外方部材の内径に亙って形成された曲率半径ｒ３とで構成され、前記ボールの直径ｄに対して、前記曲率半径ｒ２、ｒ３が、１．０７ｄ＜２ｒ２≦１．１２ｄおよび１．０３ｄ≦２ｒ３≦１．０７ｄの範囲に設定されている請求項１または２に記載の車輪用軸受装置。
  4. 　前記転走面が熱処理後に焼入れ鋼切削によって所定の仕上げ形状に形成されている請求項１乃至３いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  5. 　前記予圧量が、車両の直進時において０～１０μｍ、旋回時において１０～５０μｍの範囲に設定されている請求項１乃至４いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  6. 　前記複列のボール列のボールが、大径ボールと小径ボールとが交互に規則性を持って配列されている請求項１乃至５いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  7. 　前記大径ボールと小径ボールとの径差が５～１０μｍの範囲に設定されている請求項６に記載の車輪用軸受装置。
  8. 　前記複列のボール列のボールがセラミック製ボールと鋼球とで構成されている請求項１乃至５いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  9. 　前記複列のボール列のうち、車両の旋回時、モーメント荷重が負荷された時に大きな荷重が負荷されるボール列のみがセラミック製ボールとされ、他方のボール列が鋼球とされている請求項８に記載の車輪用軸受装置。
  10. 　前記複列のボール列のボールが、セラミック製ボールと鋼球とが交互に規則性を持って配列されている請求項８に記載の車輪用軸受装置。
  11. 　前記複列のボール列のボールが、大径ボールと小径ボールとが交互に規則性を持って配列され、前記大径ボールがセラミック製ボールで構成されている請求項８に記載の車輪用軸受装置。
  12. 　前記セラミック製ボールが、Ｓｉ６－ｚＡｌｚＯｚＮ８－ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部不純物からなる焼結体で構成されている請求項８乃至１１いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  13. 　前記セラミック製ボールが、Ｓｉ６－ｚＡｌｚＯｚＮ８－ｚの組成式で表され、０．１≦ｚ≦３．５を満たすβサイアロンを主成分とし、残部焼結助剤および不可逆的不純物からなる焼結体で構成されている請求項８乃至１１いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  14. 　前記鋼球とセラミック製ボールの混載の割合が１：１を含む３：７～７：３までの範囲に設定されている請求項８、１２および１３いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  15. 　前記セラミック製ボールの表面に内部よりも緻密性の高い層である緻密層が形成されている請求項８乃至１４いずれかに記載の車輪用軸受装置。
  16. 　前記緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が７％以下に設定されている請求項１５に記載の車輪用軸受装置。
  17. 　前記緻密層の表面を含む領域に、前記緻密層内の他の領域よりもさらに緻密性の高い層である高緻密層が形成されている請求項１５または１６に記載の車輪用軸受装置。
  18. 　前記高緻密層の断面を光学顕微鏡の斜光にて観察した場合、白色の領域として観察される白色領域の面積率が３．５％以下に設定されている請求項１７に記載の車輪用軸受装置。
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