JP2008207589A - 車輪用軸受装置およびその製造方法 - Google Patents

車輪用軸受装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 車輪取付フランジの形状・寸法を変更することなく、また、その面振れを劣化させることなく、軽量化を図りつつ、回転曲げ条件下でのハブ輪の強度、耐久性をより向上させた車輪用軸受装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 少なくとも車輪取付フランジ１０を有する外方部材５または内方部材を、鍛造後空冷または調質処理し、外方部材５および内方部材のそれぞれの転走面を所定の表面硬さに焼入れ硬化し、ハブ輪１のセレーション９における溝底の断面形状を成す溝底円弧の輪断面の歯元半径寸法を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車等の車両の車輪を車体に対して回転自在に支承した車輪用軸受装置およびその製造方法に関し、特に回転曲げ条件下でのハブ輪の強度、耐久性を向上させた車輪用軸受装置およびその製造方法に関するものである。
自動車の車輪用軸受装置には、従動輪用と駆動輪用とがあり、それぞれの用途に応じて種々の形式のものがあるが、例えば、図５に示す従来の駆動輪用の車輪用軸受装置では、ハブ輪５１と内輪５２とを備えた内方部材５０と、複列の転動体５３、５４と、外方部材５５と、そして、エンジン動力をハブ輪５１に伝達する等速自在継手５６を主要な構成要素としている。こうした駆動車輪用軸受装置において、車輪（図示せず）およびブレーキロータ５７を支持するハブ輪５１には、鍛造の容易性、切削性、熱処理性、または経済性の面からＳ５３Ｃ等の機械構造用の中炭素鋼が採用されている。このハブ輪５１をはじめこの種の車輪用軸受装置の小型・軽量化を図ることは、自動車の燃費向上と走行安定性の向上に大きく寄与するため、ハブ輪５１の車輪取付フランジ５８のリブ化や薄肉化が進んでいる。一方、高性能化が進み軸受装置にかかる負荷も増大している。しかし、このハブ輪５１自体の機械的強度が、素材である中炭素鋼の疲労限に近付きつつあり、これ以上の小型・軽量化及び耐久性の向上を図ることは難しくなってきている。
特に、ハブ輪５１においては、軽量化のために車輪取付フランジ５８を薄肉化する場合、そのアウトボード側の付け根部、すなわち、ブレーキロータ取付面５９から円筒状のパイロット部６０に延びる隅部６１に回転曲げの応力が集中し、対策が必要である。したがって、この隅部６１の寸法、つまり曲率半径を大きくすることによって発生応力を緩和することも考えられるが、今度は車輪取付フランジ５８に取り付けられるブレーキロータ５７の干渉が問題となるために限界がある。また、駆動輪用ハブ輪は内周面に形成されたセレーション部６４を設けた貫通穴で構成され、等速自在継手５６のステムに設けたセレーションと嵌合しており、内輪６が突き合される小径段部と内周面に形成されたセレーション部６４の間にも回転曲げの応力が集中し、高周波硬化処理を行っていないセレーション部６４に耐久性を高める対策が必要な場合がある。
このような背景において、本出願人は、車輪取付フランジ５８の形状・寸法を変更することなく、軽量化を図り、かつハブ輪５１の強度アップを図ることができる車輪用軸受装置を既に提案している。この車輪用軸受装置は、図４に示すように、ハブ輪５１の車輪取付フランジ５８の隅部６１に表面硬化層６２を高周波焼入れ等によって形成している。これにより、回転曲げ疲労の最弱部となる車輪取付フランジ５８の隅部６１を高強度化することができ、ハブ輪５１の耐久性を図ることができる。
また、これ以外の部位、すなわち、図示しない外方部材５５のアウトボード側端部に装着されたシールのシールリップが摺接するシールランド部をはじめ、軌道面から小径段部の各部位ａ〜ｄに亙って、高周波焼入れ等によって表面硬化層６３を形成している。さらには、ハブ輪５１の内周面に形成されたセレーション部６４にも表面硬化層６５を形成している。こうした表面硬化層６３、６５により、各部位ａ〜ｄにおいて要求される回転曲げ疲労強度、耐摩耗性、転がり疲労寿命等を向上させることができる（例えば、特許文献１）。
特開２００２−８７００８号公報（第４、５頁、第２図） 特開２００５−３０６１号公報
しかしながら、こうした従来の車輪用軸受装置において、ハブ輪５１の車輪取付フランジ５８の隅部６１に表面硬化層６２を形成することにより、車輪取付フランジ５８の形状・寸法を変更することなく、軽量化を図りつつハブ輪５１の強度アップを図ることができるが、高周波焼入れ工程で車輪取付フランジ５８に熱処理変形が生じ、ブレーキロータ取付面５９の面振れが大きくなるという新たな問題が発生した。この傾向は車輪取付フランジ５８の薄肉化にも起因している。この面振れは、ブレーキロータ５７の振れに影響してブレーキジャダーを招来することになり、自動車の操縦安定性やドライブフィーリングが低下する。ここで、ハブ輪５１の熱処理後にこのブレーキロータ取付面５９をさらに旋削加工し、変形分を修正して面振れを改善する方法も考えられるが、隅部６１と未焼入れ部であるブレーキロータ取付面５９とに硬度差があるため、隅部６１の表面硬化層６２との境界部に僅かな段差が発生するという相反する問題が内在していた。また、ハブ輪５１の内周面に形成されたセレーション部６４にも表面硬化層６５を形成することは、セレーション部６４が熱処理変形をおこして、等速自在継手のステムのセレーションと適切なクリアランス（締まり嵌め乃至すきま嵌め）を確保出来ない問題があった。
このような問題を解決するため、本件出願人は、外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付フランジを一体に形成した車輪用軸受装置において、少なくとも前記車輪取付フランジを有する外方部材または内方部材を調質処理した技術を提案している（特許文献２）が、回転曲げ条件下でのハブ輪の強度、耐久性をより確実に向上させたものが求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、車輪取付フランジの形状・寸法を変更することなく、また、その面振れを劣化させることなく、軽量化を図りつつ、回転曲げ条件下でのハブ輪の強度、耐久性をより向上させた車輪用軸受装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
この発明の車輪用軸受装置は、内周に複列の外側転走面を有する外方部材と、前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面を有する内方部材と、前記外方部材および内方部材のそれぞれの転走面間に転動自在に収容した複列の転動体とを備え、前記外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付フランジを一体に形成した車輪用軸受装置において、少なくとも前記車輪取付フランジを有する外方部材または内方部材が鍛造後空冷または調質処理されており、それぞれの転走面が所定の表面硬さに焼入れ硬化され、前記内方部材はハブ輪を備え、このハブ輪は内径部にトルク伝達用のセレーションであって歯溝の溝底の断面形状が円弧状のセレーションが形成され、このセレーションの前記溝底の断面形状を成す溝底円弧の曲率半径を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制したことを特徴とする。
この構成によると、少なくとも前記車輪取付フランジを有する外方部材または内方部材を、鍛造後空冷または調質処理し、外方部材および内方部材のそれぞれの転走面を所定の表面硬さに焼入れ硬化し、特に、セレーションの前記溝底の断面形状を成す溝底円弧の曲率半径、つまり隅Ｒを０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制した。車輪から車輪軸受装置の車輪取付フランジにモーメント荷重が負荷される。このため車輪取付フランジのブレーキロータ取付面も隅部および内径部にセレーションを形成する軸部は繰返し弾性変形する。特に内径部にセレーションを形成する軸部は軸方向に円弧状に弾性変形するとともに、回転方向には楕円状に弾性変形する。このためハブ輪軸部の内径面に断面が略台形をした凸状のセレーション歯が軸方向に２５歯から３５歯形成され、円周方向に連なっており、それぞれの歯の繋ぎ部つまり溝底は内径面が楕円状に弾性変形することにより、円周方向に引張、圧縮の応力が作用する。この繋ぎ部つまり溝底の隅Ｒの半径寸法が０．２ｍｍより小さいと、内径部の弾性変形により、この隅Ｒに応力が集中し、不具合を生じるおそれがある。逆に、隅Ｒの半径寸法が０．８ｍｍより大きいと、係合させる等速自在継手のステム部に設けたセレーション部の外径が隅Ｒつまり溝底に不所望に干渉してしまい、ハブ輪のセレーションと前記セレーション部とを好適に面接触させることができない。これにより、ハブ輪のセレーションに前記セレーション部を円滑に挿入することができないだけでなく圧痕が発生する。また前記セレーション部を挿入できたとしても駆動中にセレーション部の外径が隅Ｒに干渉して圧痕が発生する。この圧痕に応力が集中し、不具合を生じるおそれがある。
換言すれば、ハブ輪のセレーションのうち隅Ｒの半径寸法を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制したので、内径部の弾性変形によって、セレーションのそれぞれの歯の繋ぎ部つまり溝底に集中する応力を緩和することができる。このように隅Ｒに応力が集中することを緩和することができると共に、係合させる等速自在継手のセレーション部の外径が隅Ｒに不所望に干渉することを確実に防止し、ハブ輪のセレーションと前記セレーション部とを好適に面接触させることが可能となる。したがって、ハブ輪のセレーションに前記セレーション部を円滑に挿入することが可能となり、挿入時および駆動時の圧痕発生を防止することができる。それ故、このような圧痕に起因する応力集中を未然に防止することができる。したがって、所望の軸受寿命を確保すると共に、車輪取付フランジの形状・寸法や軸部の肉厚を変更することなく、現行の加工方法や既存設備のままで、回転曲げ疲労に対する強度、耐久性を高めることができる。
この発明において、前記内方部材が、車輪取付フランジを有する前記ハブ輪と、このハブ輪に圧入された内輪とを備え、前記外方部材の複列の外側転走面のうち一方の外側転走面に対向する内側転走面が前記ハブ輪の外周面に直接形成され、他方の外側転走面に対向する内側転走面が前記内輪の外周面に形成されていても良い。この場合、車輪用軸受装置の小型・軽量化を図ることができると共に、ハブ輪の強度、耐久性を従来のものより高めることができる。
この発明において、前記車輪取付フランジのアウトボード側付け根部の表面硬さおよびセレーションを含む内径部を２０ＨＲＣ以上３５ＨＲＣ以下に設定することが好ましい。この場合、切削等の加工性が向上すると共に、熱処理変形を抑制することができ、熱処理変形による車輪取付フランジのブレーキロータ取付面の面振れ精度の劣化を防止することができる。また、ハブボルトが圧入されるボルト孔の表面硬さがそのハブボルトの表面硬さに近付き、ハブボルトのセレーションが潰れて固着力が低下するのを防止することができる。
この発明において、前記ハブ輪のインボード側端部を径方向外方に塑性変形させて加締部を形成し、この加締部で前記内輪を前記ハブ輪に対して軸方向に固定した、所謂セルフリテイン構造としても良い。この場合、従来のようにナット等で強固に緊締して予圧量を管理する必要がないため、車両への組込性を簡便にすることができると共に、かつ長期間その予圧量を維持することができる。
この発明において、前記加締部を焼戻しによりその表面硬さを２０ＨＲＣ以上２５ＨＲＣ以下に設定することが好ましい。この場合、従来のような鍛造後のままの未熱処理部に比べ、加締部の硬さバラツキを抑制することができ、加工性を低下させず、また塑性加工によって表面に微小クラックが発生する恐れがなくなり、一層品質面でその信頼性が向上する。
この発明において、前記外方部材の両端部にシールを装着し、そのアウトボード側のシールのシールリップが摺接するシールランド部を、前記車輪取付フランジのインボード側付け根部に形成すると共に、前記シールランド部の表面硬さを５４ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下とすることが好ましい。この場合、耐摩耗性が向上するばかりでなく、車輪取付フランジに負荷される回転曲げ荷重に対して充分な機械的強度を増し、さらにハブ輪の強度、耐久性が向上する。
この発明において、前記内方部材または外方部材は、炭素０．４０ｗｔ％以上０．８０ｗｔ％以下を含む中炭素鋼からなるものとすることが好ましい。この場合、鍛造の容易性、切削性、熱処理性、または経済性の面から有利であると共に、特に、高周波焼入れ等に好適である。
また、この発明の車輪用軸受装置の製造方法は、内周に複列の外側転走面を有する外方部材と、前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面を有する内方部材と、前記外方部材および内方部材のそれぞれの転走面間に転動自在に収容した複列の転動体とを備え、前記外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付フランジを一体に形成した車輪用軸受装置の製造方法において、少なくとも前記車輪取付フランジを有する外方部材または内方部材が鍛造後空冷または調質処理し、それぞれの転走面を所定の表面硬さに焼入れ硬化し、前記内方部材はハブ輪を備え、このハブ輪は内径部にトルク伝達用のセレーションであって歯溝の溝底の断面形状が円弧状のセレーションが形成され、このセレーションの前記溝底の断面形状を成す溝底円弧の曲率半径を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制したことを特徴とする。
この製造方法では、ハブ輪のうちセレーションの溝底円弧の曲率半径つまり隅Ｒの半径寸法を０．２ｍｍ以上に規制したので、内径部の弾性変形によって、セレーションのそれぞれの歯の繋ぎ部つまり溝底に集中する応力を緩和することができる。これと共に、セレーションの隅Ｒの半径寸法を０．８ｍｍ以下に規制したので、係合させる等速自在継手のセレーション部の外径が隅Ｒに不所望に干渉することを確実に防止し、ハブ輪のセレーションと前記セレーション部とを好適に面接触させることが可能となる。これにより、ハブ輪のセレーションに前記セレーション部を円滑に挿入することが可能となり、挿入時および駆動時の圧痕発生を防止することができる。それ故、このような圧痕に起因する応力集中を未然に防止することができる。
したがって、所望の軸受寿命を確保すると共に、車輪取付フランジの形状・寸法や軸部の肉厚を変更することなく、現行の加工方法や既存設備のままで、回転曲げ疲労に対する強度、耐久性を高めることができる。このような車輪用軸受装置の製造方法を実現することができる。
この発明の車輪用軸受装置は、少なくとも前記車輪取付フランジを有する外方部材または内方部材を、鍛造後空冷または調質処理し、外方部材および内方部材のそれぞれの転走面を所定の表面硬さに焼入れ硬化し、特に、セレーションの溝底円弧の曲率半径つまり隅Ｒの半径寸法つまり隅Ｒの半径寸法を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制した。
これにより、ハブ輪内径部の弾性変形によって、セレーションのそれぞれの歯の繋ぎ部つまり溝底に集中する応力を緩和することができると共に、係合させる等速自在継手のセレーション部の外径が隅Ｒに不所望に干渉することを確実に防止し、ハブ輪のセレーションと前記セレーション部とを好適に面接触させることが可能となる。したがって、ハブ輪のセレーションに前記セレーション部を円滑に挿入することが可能となり、挿入時および駆動時の圧痕発生を防止することができる。それ故、このような圧痕に起因する応力集中を未然に防止することができる。
したがって、所望の軸受寿命を確保すると共に、車輪取付フランジの形状・寸法や軸部の肉厚を変更することなく、現行の加工方法や既存設備のままで、回転曲げ疲労に対する強度、耐久性を高めることができる。したがって、車輪取付フランジの形状・寸法を変更することなく、また、その面振れを劣化させることなく、軽量化を図りつつ、回転曲げ条件下でのハブ輪の強度、耐久性を従来のものより、より確実に向上させた車輪用軸受装置を得ることが可能となる。
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、本発明の第１の実施形態に係る車輪用軸受装置の断面図である。図２は、同車輪用軸受装置の要部の拡大断面図であり、図２（ａ）は、内輪の面取りと隅Ｒ部との関係を表す拡大断面図、図２（ｂ）は、ハブ輪のセレーションの一部を表す拡大断面図である。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トボード側（図面左側）、中央寄り側をインボード側（図面右側）という。以下の説明は、車輪用軸受装置の製造方法についての説明をも含む。
この車輪用軸受装置は、駆動輪用であって、ハブ輪１と複列の転がり軸受２とをユニット化し、ハブ輪１の内周に等速自在継手３の外側継手部材４を、セレーションを介してトルク伝達可能に嵌合した構造を備えている。
複列の転がり軸受２は、内周に複列の外側転走面５ａ、５ａが形成され、外周には車体（図示せず）に固定される車体取付フランジ５ｂを一体に有する外方部材５と、この外側転走面５ａ、５ａに対向する複列の内側転走面のうち、一方の内側転走面１ａが外周に直接形成されたハブ輪１と、ハブ輪１の小径段部１ｂに圧入され、他方の内側転走面６ａが外周に形成された内輪６と、前記外側転走面５ａ、５ａと内側転走面１ａ、６ａ間に収容された複列の転動体７、７とで主要部が構成されている。複列の転動体７、７は、図示しない保持器によって転動自在に保持されている。また、複列の転がり軸受２の端部にはシール８、８が装着され、軸受内部に封入した潤滑グリースの漏洩と、外部からの雨水やダスト等の侵入を防止している。
ハブ輪１は、内周にトルク伝達用のセレーション９が形成されると共に、アウトボード側の端部外周には、図示外の車輪を取付けるための車輪取付フランジ１０を一体に有している。前記ハブ輪１のセレーション９は、図２（ｂ）に示すように、歯溝の溝底ＨＳの断面形状が円弧状つまり隅Ｒに形成されている。このセレーション９の前記溝底ＨＳの断面形状を成す溝底円弧つまり隅Ｒの曲率半径Ｈｍｒを０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制している。また、前記車輪取付フランジ１０の円周方向等配には車輪を締結するためのハブボルト１１が植設されている。
この車輪用軸受装置では、別体の内輪６をハブ輪１の小径段部１ｂに圧入させた後、その小径段部１ｂの端部を径方向外方に塑性変形させることにより加締部１２が形成され、この加締部１２でハブ輪１に対して内輪６を軸方向に固定し、複列の転がり軸受２をユニット化している。このようなユニット化により、固定ナット等の締結手段を使用せずとも複列の転がり軸受２の予圧管理を行なうことができる、所謂セルフリテイン構造の第３世代の車輪用軸受装置を提供することができる。ここでは転動体７、７をボールとした複列アンギュラ玉軸受を例示したが、これに限らず転動体に円すいころを使用した複列円すいころ軸受であっても良い。
等速自在継手３は、外側継手部材４と、図示しない内側継手部材と、この内側継手部材と外側継手部材４間に収容されたトルク伝達ボールと、このトルク伝達ボールを円周方向等配に保持するケージとを備えている。外側継手部材４は、カップ状のマウス部１３と、このマウス部１３の底部をなす肩部１４と、この肩部１４から軸方向に延びるステム部１５を一体に有している。このステム部１５の外周面にはセレーション部１６が形成され、端部には雄ねじ１７が形成されている。
外側継手部材４のステム部１５をハブ輪１に内嵌し、ハブ輪１に形成されたセレーション９とステム部１５のセレーション部１６を係合させることにより、トルク伝達可能としている。そして、肩部１４の端面をハブ輪１の加締部１２に衝合させた状態で、ステム部１５の端部を固定ナット１８により締結することにより、等速自在継手３は複列の転がり軸受２に対して分離可能に固定されている。
この車輪用軸受装置において、ハブ輪１は、日本工業規格、略称ＪＩＳ：Japanese Industrial Standardsで規定される、例えばＳ５３Ｃ等の炭素０．４０ｗｔ％以上０．８０ｗｔ％以下を含む中炭素鋼を熱間鍛造後、後述する結晶粒度を８番以上にする調質処理または空冷が施され、その後旋削加工によって所望の形状・寸法に形成されている。車輪取付フランジ１０におけるアウトボード側の付け根部、すなわち、ブレーキロータ取付面１９から図示外のブレーキロータの支持面となる円筒状のパイロット部２０に延びる隅部２１は、ブレーキロータが干渉しない程度の曲率半径を有する円弧面またはヌスミに形成されている。また、図２（ａ）に示すように、内輪６が突き合される軸部の小径段部１ｂには、シールランド部２２、内側転走面１ａ、小径段部１ｂの外径と同時研削された内輪６の面取り６ｂと干渉しない隅Ｒ部１ｂａが形成されている。
本実施形態において、ハブ輪１は、例えば、１０５０℃以上１３００℃以下の温度範囲で熱間鍛造された後に、一旦常温まで放冷された後、４００℃以上の高温焼戻し（好ましくは８００℃以上９００℃以下の温度範囲で１時間以上３時間以下の保持時間で焼入れ→冷却→４００℃以上７００以下で１時間以上３時間以下の保持時間で焼戻しを行う。）をして、トルースタイト組織またはソルバイト組織にする、所謂調質処理が施されている。この調質処理により、組織は結晶粒度８番以上に粒状化し、引張、曲げ、衝撃値等の機械的性質が上昇して延性や靭性が高まる。前記結晶粒度とは、顕微鏡観察断面で表された結晶粒の大きさと同義であり、これを比較法または切断法によって求めた結晶粒度番号Ｎで表している。ここで結晶粒度番号Ｎとは、対象物を倍率１００倍で観察したときに断面積１ｍｍ２あたりの結晶粒の数ｍを用いて、ｍ＝８×２Ｎから定義される。
前述の表面硬さを上げることにより機械的強度は向上するが、ここでは調質処理後の表面硬さを２０ＨＲＣ以上３５ＨＲＣ以下に設定している。何故なら、表面硬さを３５ＨＲＣを超えて設定すると、硬さアップによって切削性が低下してバイトやブローチの寿命が短くなると共に切削加工において車輪取付フランジ１０のブレーキロータ取付面１９の面振れ精度およびセレーションの精度が劣化するからである。また、ハブボルト１１が圧入されるボルト孔１１ａの表面硬さがそのハブボルト１１の表面硬さに近付き、ハブボルト１１のセレーション１１ｂが潰れて固着力が著しく低下する恐れがあるからである。
さらに、前述した加締部１２を形成する際、ハブ輪１のインボード側端部の表面硬さが３５ＨＲＣを超えると、加工性が低下するばかりでなく、塑性加工によって表面に微小クラックが発生する恐れがあり、品質面でその信頼性が低下する。塑性加工の面からは表面硬さが低い方が好ましく、この加締部１２において、その表面硬さを２０ＨＲＣ以上２５ＨＲＣ以下に設定することにより信頼性が向上する。
このように、ハブ輪１を鍛造後に結晶粒度を８番以上にする例えば、調質処理を施し、所望の表面硬さに設定することと、図２（ｂ）に示すように、特に、ハブ輪１のセレーション９の溝底ＨＳの断面形状を成す溝底円弧の歯元半径寸法（ＪＩＳ Ｂ １６０３「インボリュートスプライン 歯面合わせ、一般事項、諸元及び検査」等参照）、つまり曲率半径Ｈｍｒを０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制することにより、以下のような作用、効果を奏する。
この隅Ｒの曲率半径Ｈｍｒが０．２ｍｍより小さいと、ハブ輪内径部の弾性変形によって、それぞれの歯の繋ぎ部つまり溝底に集中するし、不具合を生じるおそれがある。逆に、隅Ｒの半径寸法が０．８ｍｍより大きいと、係合させる等速自在継手１３のセレーション部１６の外径が隅Ｒつまり溝底ＨＳに不所望に干渉してしまい、ハブ輪１のセレーション９と前記セレーション部１６とを好適に面接触させることができない。これにより、ハブ輪１のセレーション９に前記セレーション部１６を円滑に挿入することができないだけでなく圧痕が付く。この圧痕に応力が集中し、不具合を生じるおそれがある。
本実施形態では、ハブ輪１のうちセレーション９の隅Ｒの曲率半径Ｈｍｒを０．２ｍｍ以上に規制したので、ハブ輪内径部の弾性変形によって、セレーションのそれぞれの歯の繋ぎ部つまり溝底に集中する応力を緩和することができる。これと共に、セレーション９の隅Ｒの半径寸法を０．８ｍｍ以下に規制したので、係合させる等速自在継手１３のセレーション部１６の外径が隅Ｒつまり溝底ＨＳに不所望に干渉することを確実に防止し、ハブ輪１のセレーション９と前記セレーション部１６とを好適に面接触させることが可能となる。これにより、ハブ輪１のセレーション９に前記セレーション部１６を円滑に挿入することが可能となり、挿入時および駆動時の圧痕発生を防止することができる。それ故、このような圧痕に起因する応力集中を未然に防止することができる。
したがって、車輪取付フランジ１０の形状・寸法や軸部の肉厚を変更することなく、現行の加工方法や既存設備のままで、回転曲げ疲労の最弱部となる隅部２１の強度や軸部の強度を高めることができる。また、鍛造、調質後に旋削加工を行なうことにより、車輪取付フランジ１０のブレーキロータ取付面１９の面振れ精度を、従来のものに比べ一層向上させることができる。さらに、加締部１２においては、塑性加工時の加工性を低下させることなく、クラック発生を抑制することができ、品質面の信頼性を維持することができる。
前記ハブ輪１の鍛造後の調質処理は、調質炉に入れて行なう全面調質について説明したが、これに限らず、切削加工後に例えば、車輪取付フランジ１０の隅部２１、内径セレーション部および加締部１２に相当するハブ輪１のインボード側端部のみを高周波によって加熱し、所望の表面硬さが得られる部分調質処理を施しても良い。この場合、切削等の加工性を考慮する必要はなく、例えば、車輪取付フランジ１０の隅部２１とセレーション９を含む内径部の表面硬さを２０ＨＲＣ以上４０ＨＲＣ以下、加締部１２の表面硬さを２０ＨＲＣ以上２５ＨＲＣ以下というように、所定の部位を適宜所望の表面硬さに設定することができる。
また、ハブ輪１は、アウトボード側の内側転走面１ａをはじめ、シール８が摺接するシールランド部２２、および小径段部１ｂに、高周波焼入れによって表面硬さを５４ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下の範囲に硬化層２３（図中クロスハッチングで示す）が形成されている。これにより、シールランド部２２は、耐摩耗性が向上するばかりでなく、車輪取付フランジ１０に負荷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１の耐久性が向上する。小径段部１ｂに圧入される内輪６は、ＪＩＳで規定される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５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下の範囲で硬化処理されている。
一方、外方部材５は、ハブ輪１と同様にＳ５３Ｃ等の炭素０．４０ｗｔ％以上０．８０ｗｔ％以下を含む中炭素鋼で形成され、複列の外側転走面５ａ、５ａをはじめ、シール８、８が嵌合する端部内径面は、高周波焼入れによって表面硬さを５４ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下の範囲に硬化処理されている。
以上、ここでは、ハブ輪１の製造工程を、熱間鍛造→調質→１次旋削（仕上がり形状に近い輪郭形状に旋削する工程）・ボルト穴加工→高周波焼入れ→２次旋削（車輪取付フランジ１０のブレーキロータ取付面１９と内径部等を仕上げ旋削する工程）→ブローチ加工を有する工程として説明したが、これに限らず、熱間鍛造→調質→旋削・ボルト穴加工→高周波焼入れ→ブローチ加工または熱間鍛造→旋削・ボルト穴加工→ブローチ加工→高周波焼入れを有する工程としても良く、製造ラインの構成に適宜合わせて作業の効率化を図ることができる。例えば、ハブ輪１を鍛造後に調質処理を施し、所望の表面硬さに設定するのに代えて、ハブ輪１を鍛造後空冷し、所望の表面硬さに設定し、さらに、ハブ輪１のセレーション９における溝底ＨＳの断面形状を成す溝底円弧の曲率半径Ｈｍｒを０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制するようにしても良い。この場合にも、本実施形態と同様の作用、効果を奏する。
さらに耐久性を高めるため前述の加工後にブレーキロータ取付面５９の隅部６１とセレーション９を含む内径部にショットピーニング処理ＳＰを行うこととしてもよい。
ショットピーニング処理ＳＰとはショットと呼ばれる粒径数10μｍから1.3ｍｍ程度の硬質な小球を、投射装置により加速噴射させ、被加工部品または部位に高速で衝突させる冷間加工方法であり、被加工部品または部位の表層部は加工硬化され、残留圧縮応力が生成される。最近ではＷＰＣ（Ｗｉｄｅ Ｐｅｅｎｉｎｇ Ｃｌｅａｎｉｎｇ）処理、微粒子ピーニング（Ｆｉｎｅ Ｐａｔｉｃｌｅ Ｐｅｅｎｉｎｇ：ＦＰＰ）があり、ショットピーニング処理とは区別されているが、広義な意味ではショットピーニング処理に相当するものであり、ショットピーニング処理とこの様な加工方法を用いるものとする。
例えば、ハブ輪１のインボード側内径面にショットノズルを配置して、ハブ輪１を回転させながら、３０μm以上８０μm以下の鋼球を圧力０．３ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲で加速噴射させ、照射時間１０秒以上３０秒以下の範囲で衝突させる、いわゆるノズル式ショットピーニング処理を行うことにより、表層部の硬さが２４ＨＲＣ以上４０ＨＲＣ以下に硬化され、表層部残留圧縮応力は４００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下が生成されるため、さらにハブ輪１の耐久性が向上する。
図３は、本発明の第２の実施形態にかかる車輪用軸受装置の断面図である。この実施形態はいわゆる第１世代の車輪用軸受装置である。以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
この車輪用軸受装置は、ブレーキロータ２４と共に図示外の車輪を固定するハブ２５と、このハブ２５を回転自在に支持し、外輪２６、一対の内輪２７、２７、および内外輪２７、２６間に転動自在に収容された複列の転動体７を有する車輪用軸受２８と、この車輪用軸受２８を車体に支持するナックル２９と、ハブ２５と連結して図示外のドライブシャフトの動力をこのハブ２５に伝達する等速自在継手３とを主要部として構成している。ここでは転動体７、７をボールとした複列アンギュラ玉軸受を例示したが、これに限らず転動体に円すいころを使用した複列円すいころ軸受であっても良い。
車輪用軸受２８の外輪２６は、ナックル２９に内嵌され、止め輪３０によって軸方向に位置決め固定されている。一方、一対の内輪２７、２７は、ハブ２５に形成された円筒状の小径段部３１に圧入され、インボード側の内輪２７の大径側端面を外側継手部材４の肩部１４に衝合させた状態で、ステム部１５の端部を固定ナット１８で締結することにより、等速自在継手３は分離可能に固定されている。
この車輪用軸受装置において、ハブ２５は、Ｓ５３Ｃ等の炭素０．４０ｗｔ％以上０．８０ｗｔ％以下を含む中炭素鋼を熱間鍛造後に結晶粒度８番以上に全面調質処理が施され、表面硬さを２０ＨＲＣ以上３５ＨＲＣ以下に設定している。このように、ハブ輪２５を鍛造後に結晶粒度８番以上に調質処理を施し、所望の表面硬さに設定すると共に、図２（ｂ）に示すように、ハブ輪２５の内径部のセレーションの溝底ＨＳの断面形状を成す溝底円弧の曲率半径Ｈｍｒを０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制することにより、車輪取付フランジ１０の形状・寸法を変更することなく、回転曲げ疲労の最弱部となる隅部２１および軸部の強度を高めることができる。
さらに、ハブ２５の車輪取付フランジ１０のインボード側付け根部３２は、その曲率半径を可能な限り大きく設定し、この付け根部３２から小径段部３１にわたって高周波焼入れによって表面硬さを５４ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下の範囲に硬化層２３（図中クロスハッチングで示す）が形成されている。この構成も加わって、車輪取付フランジ１０に負荷される回転曲げ荷重に対して充分な機械的強度を発揮し、ハブ２５の耐久性が向上する。
小径段部３１に圧入される一対の内輪２７、２７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５８ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下の範囲で硬化処理されている。この小径段部３１に所定の硬化層２３が形成されていることにより、内輪２７、２７との間の嵌合面に発生するフレッティング摩耗を最小限に抑えることができる。そのため、このフレッティング摩耗の発生により、内輪２７、２７の嵌合面に、錆、摩耗、またはかじり等が生じて内輪２７、２７を損傷するということがなくなり、耐久性を向上させることができる。
なお、ハブ２５の内周面に形成されたセレーション９の表面には図２（ｂ）に示したものと同様に車輪取付フランジ１０の形状・寸法や軸部の肉厚を変更することなく、回転曲げ疲労の最弱となる隅部２１の強度や軸部の強度を高めることができ、セレーション９の隅Ｒの曲率半径Ｈｍｒを０．２ｍｍ以上に規制したので、ハブ輪内径部の弾性変形によって、セレーション９のそれぞれの歯の繋ぎ部つまり溝底に集中する応力を緩和することができる。これと共に、セレーション９の隅Ｒの半径寸法を０．８ｍｍ以下に規制したので、係合させる等速自在継手１３のセレーション部１６の外径が隅Ｒつまり溝底ＨＳに不所望に干渉することを確実に防止し、ハブ輪１のセレーション９と前記セレーション部１６とを好適に面接触させることが可能となる。これにより、ハブ２５のセレーション９に前記セレーション部１６を円滑に挿入することが可能となり、挿入時および駆動時の圧痕発生を防止することができる。それ故、このような圧痕に起因する応力集中を未然に防止することができ、車輪取付フランジ１０の形状・寸法や軸部の肉厚を変更することなく、回転曲げ疲労の最弱となる隅部２１の強度や軸部の強度を高めることができ、ハブ２５の小型・軽量化に寄与することができる。一方、外輪２６は、内輪２７と同様、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５４ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下の範囲で硬化処理されている。以上説明した図３の車輪用軸受装置によれば、図１の車輪用軸受装置と同様の効果を奏する。
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。
この発明の第１の実施形態に係る車輪用軸受装置の断面図である。 同車輪用軸受装置の要部の拡大断面図であり、図２（ａ）は、内輪の面取りと隅Ｒ部との関係を表す拡大断面図、図２（ｂ）は、ハブ輪のセレーションの一部を表す拡大断面図である。 この発明の第２の実施形態に係る車輪用軸受装置の断面図である。 従来の車輪用軸受装置の断面図である。 従来の他の車輪用軸受装置の断面図である。
符号の説明
１…ハブ輪
２５…ハブ
１ａ，６ａ…内側転走面
５…外方部材
５ａ…外側転走面
６…内輪
７…転動体
８…シール
９…セレーション
１０…車輪取付フランジ
１２…加締部
２２…シールランド部
３２…付け根部
Ｈｍｒ…曲率半径

Claims (8)

  1. 内周に複列の外側転走面を有する外方部材と、前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面を有する内方部材と、前記外方部材および内方部材のそれぞれの転走面間に転動自在に収容した複列の転動体とを備え、前記外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付フランジを一体に形成した車輪用軸受装置において、
    少なくとも前記車輪取付フランジを有する外方部材または内方部材が鍛造後空冷または調質処理されており、それぞれの転走面が所定の表面硬さに焼入れ硬化され、前記内方部材はハブ輪を備え、このハブ輪は内径部にトルク伝達用のセレーションであって歯溝の溝底の断面形状が円弧状のセレーションが形成され、このセレーションの前記溝底の断面形状を成す溝底円弧の曲率半径を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制したことを特徴とする車輪用軸受装置。
  2. 前記内方部材が、車輪取付フランジを有する前記ハブ輪と、このハブ輪に圧入された内輪とを備え、前記外方部材の複列の外側転走面のうち一方の外側転走面に対向する内側転走面が前記ハブ輪の外周面に直接形成され、他方の外側転走面に対向する内側転走面が前記内輪の外周面に形成されている請求項１に記載の車輪用軸受装置。
  3. 前記車輪取付フランジのアウトボード側付け根部の表面硬さを２０ＨＲＣ以上３５ＨＲＣ以下に設定した請求項１または２に記載の車輪用軸受装置。
  4. 前記ハブ輪のインボード側端部を径方向外方に塑性変形させて加締部を形成し、この加締部で前記内輪を前記ハブ輪に対して軸方向に固定した請求項２または３に記載の車輪用軸受装置。
  5. 前記加締部を焼戻しによりその表面硬さを２０ＨＲＣ以上２５ＨＲＣ以下に設定した請求項４に記載の車輪用軸受装置
  6. 前記外方部材の両端部にシールを装着し、そのアウトボード側のシールのシールリップが摺接するシールランド部を、前記車輪取付フランジのインボード側付け根部に形成すると共に、前記シールランド部の表面硬さを５４ＨＲＣ以上６４ＨＲＣ以下とした請求項２乃至５のいずれか１項に記載の車輪用軸受装置。
  7. 前記内方部材または外方部材は、炭素０．４０ｗｔ％以上０．８０ｗｔ％以下を含む中炭素鋼からなる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の車輪用軸受装置。
  8. 内周に複列の外側転走面を有する外方部材と、前記複列の外側転走面に対向する複列の内側転走面を有する内方部材と、前記外方部材および内方部材のそれぞれの転走面間に転動自在に収容した複列の転動体とを備え、前記外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付フランジを一体に形成した車輪用軸受装置の製造方法において、
    少なくとも前記車輪取付フランジを有する外方部材または内方部材が鍛造後空冷または調質処理し、それぞれの転走面を所定の表面硬さに焼入れ硬化し、前記内方部材はハブ輪を備え、このハブ輪は内径部にトルク伝達用のセレーションであって歯溝の溝底の断面形状が円弧状のセレーションが形成され、このセレーションの前記溝底の断面形状を成す溝底円弧の曲率半径を０．２ｍｍ以上０．８ｍｍ以下に規制したことを特徴とする車輪用軸受装置の製造方法。
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