JP2011149478A - 車輪支持用転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化しつつ、適切な転がり軸受寿命を確保することが可能な車輪支持用転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】外周面に軌道面を有し、車輪部に取付けられる内輪部材と、内周面に軌道面６ａ，６ｂを有し、外面に懸架装置に取付けられるフランジ部５ａを有する外輪部材３と、前記内輪部材の前記軌道面と前記外輪部材３の前記軌道面６ａ，６ｂとの間に転動自在に配置された複数の転動体とを備える車輪支持用転がり軸受装置であって、前記外輪部材３は、内周面に前記軌道面６ａ，６ｂが形成された軌道面部材６と、該軌道面部材６の外側に配置され、外面に前記フランジ部５ａが形成された取付部材５とを有してなり、前記軌道面部材６の軌道面６ａ，６ｂが形成されている部分における最小肉厚Ｗは、前記転動体の直径に対して１０％以上４０％以下に選定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等の車輪部を回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受装置に関する。

一般的に、自動車の車輪部は、車輪支持用転がり軸受装置を介して、車体の懸架装置に回転自在に支持される。
近年、自動車部品については、燃費向上のため軽量化が進んでいる。そして、車輪支持用転がり軸受装置についても軽量化が求められている。
従来、車輪支持用転がり軸受装置の軽量化を図る技術として、例えば、特許文献１の転がり軸受の取り付け構造が知られている。この転がり軸受の取り付け構造では、ナックルをアルミ二ウム等の軽金属で形成することにより、軽量化を可能としている。

また、車輪支持用転がり軸受装置の軽量化を図る他の技術として、例えば、特許文献２の車輪用軸受装置が知られている。この車輪用軸受装置では、外輪をフランジ部材と軌道面部材とから構成している。そして、フランジ部材を軽量な鋳物で形成することにより、軽量化を可能としている。
さらに、車輪支持用転がり軸受装置の軽量化を図る他の技術として、例えば、特許文献３の車輪支持用転がり軸受ユニットが知られている。この車輪支持用転がり軸受ユニットでは、各部材の強度を増大させることにより、結果として、軽量化を可能としている。

特開２００３−２１４４５１号公報 特開２００３−７４５７０号公報 特開２００５−２４０８７９号公報

しかしながら、上記従来技術においては、車輪支持用転がり軸受装置について、軽量化は可能であるが、適切な転がり疲労寿命を確保することができない場合がある。
本発明は、軽量化しつつ、適切な転がり疲労寿命を確保することが可能な車輪支持用転がり軸受装置を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る車輪支持用転がり軸受装置は、外周面に軌道面を有し、車輪部に取付けられる内輪部材と、内周面に軌道面を有し、外面に懸架装置に取付けられるフランジ部を有する外輪部材と、前記内輪部材の前記軌道面と前記外輪部材の前記軌道面との間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える車輪支持用転がり軸受装置であって、前記外輪部材は、内周面に前記軌道面が形成された軌道面部材と、該軌道面部材の外側に配置され、外面に前記フランジ部が形成された取付部材とを有してなり、前記軌道面部材の軌道面が形成されている部分における最小肉厚は、前記転動体の直径の１０％以上４０％以下に選定されていることを特徴としている。

請求項１に係る車輪支持用転がり軸受装置では、外輪部材が軌道面部材と取付部材とによって形成されている。また、軌道面部材の軌道面が形成されている部分における最小肉厚が転動体の直径に対して１０％以上４０％以下に選定されている。これにより、軌道面部材について、軽量化しつつ、適切な転がり疲労寿命を確保できる。
したがって、請求項１に係る車輪支持用転がり軸受装置によれば、軽量化しつつ、適切な転がり疲労寿命を確保することが可能となる。

また、請求項２に係る車輪支持用転がり軸受装置は、請求項１に係る発明において、前記軌道面部材は、軸受鋼、高炭素鋼、中炭素鋼又は肌焼き鋼により形成され、前記軌道面部材の少なくとも一部には、硬化処理が施されていることを特徴としている。
請求項２に係る車輪支持用転がり軸受装置では、軌道面部材が軸受鋼、高炭素鋼、中炭素鋼又は肌焼き鋼により形成され、軌道面部材に硬化処理が施されている。これにより、軌道面部材について、さらに適切な転がり疲労寿命を確保することが可能となる。

さらに、請求項３に係る車輪支持用転がり軸受装置は、請求項１又は２に係る発明において、前記取付部材は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金により形成されていることを特徴としている。
請求項３に係る車輪支持用転がり軸受装置では、取付部材がアルミニウム合金又はマグネシウム合金により形成されている。これにより、外輪部材について、さらに軽量化することが可能となる。

さらにまた、請求項４に係る車輪支持用転がり軸受装置は、請求項１乃至３の何れか１項に係る発明において、前記軌道面部材と前記取付部材とを固定する固定部材を有することを特徴としている。
請求項４に係る車輪支持用転がり軸受装置では、軌道面部材と取付部材とを固定する固定部材を有している。これにより、軌道面部材とフランジ部材と間にクリープ現象が発生することを抑制することが可能となる。

本発明によれば、軽量化しつつ、適切な転がり疲労寿命を確保することが可能になる。

本発明の実施の形態に係る車輪支持用転がり軸受装置の断面図である。 図１に示す車輪支持用転がり軸受装置に備えられる外輪部材の断面図である。 図２の部分断面図である。 図２に示す外輪部材の外面側を示す斜視図である。 図２に示す外輪部材に備えられる取付部材と軌道面部材との固定状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の実施形態に係る車輪支持用転がり軸受装置について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る車輪支持用転がり軸受装置の断面図である。図２は、図１に示す車輪支持用転がり軸受装置に備えられる外輪部材の断面図である。図３は、図２の部分断面図である。図４は、図２に示す外輪部材の外面側を示す斜視図である。図５は、図２に示す外輪部材に備えられる取付部材と軌道面部材との固定状態を示す断面図である。
なお、本実施形態においては、車輪支持用転がり軸受装置を自動車等の車輪部に組付けた状態で、車幅方向外寄りとなる側を外側とし、車幅方向中央寄りとなる側を内側とする。

車輪支持用転がり軸受装置１は、図１に示すように、内輪部材２と、外輪部材３と、複数の転動体４とを備えている。
内輪部材２は、略円筒状に形成されている。内輪部材２の外周面には、フランジ部２ａと、軌道面２ｂと、段部２ｃとが形成されている。また、内輪部材２は、軌道面部材２ｄを備えている。
フランジ部２ａは、内輪部材２の軸方向の外側の端部に設けられている。そして、フランジ部２ａは、軸方向と直交する方向に所定長さ突出するように円環状に形成されている。そして、フランジ部２ａの外側には、図示しない車両の車輪部が取付けられる。

軌道面２ｂは、内輪部材２の軸方向の中央部に形成されている。
段部２ｃは、内輪部材２の軸方向の内側の端部に形成されている。段部２ｃは、円環状に形成されている。そして、段部２ｃには、軌道面部材２ｄが圧入されることによって固定されている。
軌道面部材２ｄは、円環状に形成されている。軌道面部材２ｄの外周面には、軌道面２ｅが形成されている。そして、軌道面部材２ｄが段部２ｃに固定されることにより、内輪部材２の外周面には、２列の軌道面２ｂ及び２ｅが形成される。

外輪部材３は、図１〜図６に示すように、内輪部材２の外方に配置されている。そして、外輪部材３は、取付部材５と、軌道面部材６と、固定部材７とを備えている。
取付部材５は、略円筒状に形成されている。ここで、取付部材５は、鋼以外の軽量な材料により形成されている。本実施形態では、取付部材５は、アルミ二ウム合金又はマグネシウム合金により形成されている。これにより、外輪部材３を軽量化することが可能となる。ここで、取付部材５は、必要な強度を有していれば、金属以外の材料により形成することができる。例えば、取付部材５は、エポキシ系をはじめとした樹脂、樹脂に炭素繊維やガラス繊維を混合させたＦＲＰ材等により形成することができる。

そして、取付部材５外周面には、フランジ部５ａが形成されている。フランジ部５ａは、取付部材５の軸方向の略中央部に形成されている。
フランジ部５ａは、基部５ｂと、ナックル取付部５ｃとを有している。
基部５ｂは、取付部材５の外周面に円環状に形成されている。そして、図５に示すように、基部５ｂの軸方向の略中央位置には、取付部材５を軸方向と直交する方向に貫通する挿通孔５ｄが形成されている。
ナックル取付部５ｃは、基部５ｂの外周面に等間隔で複数個形成されている。そして、ナックル取付部５ｃには、図示しない車両の懸架装置（ナックル）が取付けられる。

軌道面部材６は、軌道面部材６の外周面と取付部材５の内周面とが接触した状態で、取付部材５の内方に配置されている。
軌道面部材６は、軸受鋼、高炭素鋼、中炭素鋼又は肌焼き鋼により形成されている。軌道面部材６は、少なくとも一部に硬化処理が施されている。本実施形態では、軌道面部材６の全体に硬化処理が施されている。例えば、軌道面部材６は、汎用軸受に用いられる軸受鋼を材料として、通常の焼入れによって硬化処理を施すことにより形成することができる。また、軌道面部材６は、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼を材料として、高周波焼入れによって硬化処理を施すことにより形成することができる。さらに、軌道面部材６は、高炭素鋼又は肌焼き鋼を材料として、浸炭処理、浸炭窒化処理によって硬化処理を施すことにより形成することができる。ここで、軌道面部材６の硬度は、転がり疲労寿命に必要な硬度として６５０Ｈｖ（ビッカース硬さ）以上に選定されている。

そして、図３に示すように、軌道面部材６の軌道面６ａ，６ｂが形成されている部分における最小肉厚Ｗ（以下、最小肉厚Ｗとする）は、転動体４の直径の１０％以上４０％以下に選定されている。好ましくは、最小肉厚Ｗは、転動体４の直径の２０％以上３０％以下に選定される。これにより、軌道面部材６について、軽量化しつつ、適切な転がり疲労寿命を確保することが可能となる。
すなわち、外輪部材３では、軌道面部材６の最小肉厚Ｗを転動体４の直径の１０％未満とした場合、急激に転がり疲労寿命が低下してしまう。

また、外輪部材３では、軌道面部材６の最小肉厚Ｗを転動体４の直径の１０％以上２０％以下とした場合、転がり疲労寿命が緩やかに低下する。したがって、この条件は、使用環境に伴う負荷が比較的少ないときに適用が可能である。
さらに、外輪部材３では、軌道面部材６の最小肉厚Ｗを転動体４の直径の２０％以上とした場合、取付部材５を形成する材料に関わらず、転がり疲労寿命を一体成形タイプの外輪部材の転がり疲労寿命と略等しくすることが可能となる。ここで、一体成形タイプの外輪部材とは、取付部材と軌道面部材とが一体成形され、全体が鋼によって形成され、厚みが本発明の外輪部材３の厚みと略等しく選定されている外輪部材と意味する。

一方、外輪部材３では、軌道面部材６の最小肉厚Ｗを厚く形成した分だけ取付部材５の肉厚が薄く形成した場合、取付部材５の強度が低下してしまう。この場合、取付部材５の強度を確保するために、取付部材５の肉厚を厚く形成することも可能であるが、軽量化の効果が薄れてしまう。したがって、外輪部材３では、軌道面部材６の最小肉厚Ｗは、転動体４の直径の４０％以下、好ましくは、転動体４の直径の３０％以下であることが望ましい。

また、軌道面部材６の内周面には、２列の軌道面６ａ，６ｂと、厚肉部６ｃとが形成されている。
軌道面６ａ，６ｂは、円環状に形成されている。軌道面６ａ，６ｂは、外輪部材３と内輪部材２とが組み合わされた状態で、軌道面６ａが軌道面２ｂと一対となり、軌道面６ｂが軌道面２ｅと一対となるように形成されている。

厚肉部６ｃは、両軌道面６ａ，６ｂの間に形成されている。厚肉部６ｃは、円環状に形成されている。図５に示すように、厚肉部６ｃの軸方向の略中央位置には、取付部材５と軌道面部材６とが組み合わされた状態で、挿通孔５ｄと一連となる雌ねじ穴６ｄが形成されている。ここで、厚肉部６ｃの軸方向の略中央位置は、比較的小さな応力しか負荷されない位置であり、局所的に雌ねじ穴６ｄを形成することができる。

固定部材７は、図４及び図５に示すように、取付部材５と軌道面部材６とを固定する。本実施の形態では、固定部材７として、ボルトを用いている。
固定部材７によって取付部材５と軌道面部材６とを固定するには、図５に示すように、挿通孔５ｄ及び雌ねじ穴６ｄを一連とした状態で、該一連となった挿通孔５ｄ及び雌ねじ穴６ｄに固定部材７（ボルト）の雄ねじ部７ｂを螺合する。これにより、取付部材５と軌道面部材６との間にクリープ現象が発生することを抑制することが可能となる。

車輪支持用転がり軸受装置１は、内輪部材２の外方に外輪部材３を配置し、内輪部材２と外輪部材３との間に複数の転動体４を転動自在に配置することにより構成される。具体的には、複数の転動体４は、対向する内輪部材２の軌道面２ｂと外輪部材３の軌道面６ａとの間に配置されるとともに、対向する内輪部材２の軌道面２ｅと外輪部材３の軌道面６ｂとの間に配置される。
そして、車輪支持用転がり軸受装置１を自動車に組付けるには、外輪部材３のフランジ部５ａのナックル取付部５ｃを車両の懸架装置に固定し、内輪部材２のフランジ部２ａを車両の車輪部に固定する。これにより、外輪部材３が固定され、内輪部材２が外輪部材３に対して回転自在となり、懸架装置に対して車輪部が回転自在に支持される。

以下、実験結果に基づいて本発明の効果について説明する。
本実施例では、車輪支持用転がり軸受装置１の軌道面部材６の軌道面６ａ，６ｂが形成されている部分における最小肉厚ｄ（以下、最小肉厚ｄとする）が転がり疲労寿命に与える影響を確認する目的で、車輪支持用転がり軸受装置の耐久寿命試験を行った。
すなわち、本発明の実施例に係る車輪支持用転がり軸受装置１として、軌道面部材６の最小肉厚ｄが異なる６つの車輪支持用転がり軸受装置１（実施例１から実施例５）を構成した。また、比較例として、軌道面部材６の最小肉厚ｄが異なる４つの車輪支持用転がり軸受装置（比較例１から比較例４）を構成した。なお、全ての車輪支持用転がり軸受装置は、軌道面部材６の最小肉厚ｄが異なる以外は、同一の構成となっている。また、全ての車輪支持用転がり軸受装置の外輪部材３の肉厚は、一定としている。

この際、内輪部材２、複数の転動体４及び軌道面部材６は、軸受鋼（ＳＵＪ２）により形成した。また、軌道面部材６、内輪２及び転動体４については、全体に硬化処理（油焼入れ：８３０℃〜８５０℃、焼戻し：１６０〜２００℃）を施した。また、取付部材５は、アルミ二ウム合金により形成した。さらに、軌道面部材６の最小肉厚ｄは、転動体４の直径Ｄの５〜５０％に選定した。
試験機は、耐久寿命試験機を用いた。耐久寿命試験機は、外輪部材３のフランジ部５ａを受け部材に固定した状態で、内輪部材２を駆動モータによって回転自在にするように構成されている。すなわち、耐久寿命試験機では、車輪支持用転がり軸受装置を自動車に組付けた状態と略等しい状態とすることができる。

本試験の条件は、下記の通りである。
内輪部材２の回転速度：１０００ｍｉｎ^−１
ラジカル荷重Ｆｒ：６０００Ｎ
アキシアル荷重Ｆａ：３６００Ｎ
本試験では、それぞれの車輪支持用転がり軸受装置について、内輪部材２、複数の転動体４、取付部材５及び軌道面部材６の何れか一つの部材に破損が生じるまで上記条件にて内輪部材２を回転させ、破損が生じるまでの累積応力繰り返し回数（時間）を算出した。そして、算出した各結果からワイブル分布関数に基づく疲労寿命Ｌを算出した。さらに、最も短い疲労寿命Ｌ_０（比較例１）を１．０として、それぞれの車輪支持用転がり軸受装置の疲労寿命Ｌと、疲労寿命Ｌ_０との比を算出した。
また、本試験では、それぞれの車輪支持用転がり軸受装置について、外輪部材３の重量Ｍを算出した。そして、軌道面部材６及び取付部材５を鋼で形成した外輪部材の重量Ｍ_０を１．０として、それぞれの車輪支持用転がり軸受装置の外輪部材３の重量Ｍと、重量Ｍ_０との比を算出した。

表１に示すように、実施例１から６（ｄ／Ｄ＝１０％以上の場合）においては、比較例１の疲労寿命Ｌ_０と比較して疲労寿命Ｌの著しい延長を測定することができた。さらに、実施例１から６においては、外輪部材３の重量Ｍを外輪部材が一体形成されたものの重量Ｍ_０より５０％以上に軽量化することができた。
実施例６（ｄ／Ｄ＝４０％）においては、外輪部材３の重量Ｍを重量Ｍ_０の８０％に軽量化することができた。また、実施例６においては、疲労寿命Ｌを比較例１の疲労寿命Ｌ_０と比較して５．２倍も延長することができた。
比較例１及び２（ｄ／Ｄ＝１０％以下の場合）においては、外輪部材３の重量Ｍを重量Ｍ_０の約５０％に軽量化することができた。しかしながら、比較例１及び２においては、疲労寿命Ｌ_０と比較して著しい疲労寿命Ｌの延長はなかった。

比較例３及び４（ｄ／Ｄ＝４０％以上の場合）においては、疲労寿命Ｌが実施例６の疲労寿命Ｌと比較して低下している。これは、取付部材５の肉厚が薄くなり、取付部材５の強度の著しい低下が生じ、取付部材５の破損が生じたことが原因である。
以上の試験結果から、軌道面部材６の最小肉厚ｄをｄ／Ｄ＝１０％以上に選定することにより、疲労寿命Ｌが著しく向上することが確認された。また、軌道面部材６の最小肉厚ｄをｄ／Ｄ＝４０％以下に選定することにより、取付部材５の破損による疲労寿命の低下がなく軽量化することができることが確認された。好ましくは、軌道面部材６の最小肉厚ｄをｄ／Ｄ＝２０％以上３０％以下に選定することにより、さらに、取付部材５の破損による疲労寿命の低下がなく軽量化することができることが確認された。

そして、軌道面部材６の最小肉厚ｄを転動体４の直径に対して１０％以上４０％以下、好ましくは、転動体４の直径に対して２０％以上３０％以下に選定することにより、取付部材５をアルニミウム合金やマグネシウム合金等の軽量な材料により形成することができる。
これにより、車輪支持用転がり軸受装置１において、軽量化しつつ、適切な転がり疲労寿命を確保することが可能となる。

１…車輪支持用転がり軸受装置、２…内輪部材、２ａ…フランジ部、２ｂ，２ｅ…軌道面、２ｄ…軌道面部材、３…外輪部材、４…複数の転動体、５…取付部材、５ａ…フランジ部、５ｂ…基部、５ｃ…ナックル取付部、５ｄ…挿通孔、６…軌道面部材、６ａ，６ｂ…軌道面、６ｃ…厚肉部、６ｄ…雌ねじ穴、７…固定部材

Claims (4)

1. 外周面に軌道面を有し、車輪部に取付けられる内輪部材と、
   内周面に軌道面を有し、外面に懸架装置に取付けられるフランジ部を有する外輪部材と、
   前記内輪部材の前記軌道面と前記外輪部材の前記軌道面との間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える車輪支持用転がり軸受装置であって、
   前記外輪部材は、内周面に前記軌道面が形成された軌道面部材と、該軌道面部材の外側に配置され、外面に前記フランジ部が形成された取付部材と、を有してなり、
   前記軌道面部材の軌道面が形成されている部分における最小肉厚は、前記転動体の直径の１０％以上４０％以下に選定されていることを特徴とする車輪支持用転がり軸受装置。
2. 前記軌道面部材は、軸受鋼、高炭素鋼、中炭素鋼又は肌焼き鋼により形成され、
   前記軌道面部材の少なくとも一部には、硬化処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の車輪支持用転がり軸受装置。
3. 前記フランジ部材は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車輪支持用転がり軸受装置。
4. 前記軌道面部材と前記フランジ部材とを固定する固定部材を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の車輪支持用転がり軸受装置。

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