JP2011240831A

JP2011240831A - 車両用車軸軸受

Info

Publication number: JP2011240831A
Application number: JP2010115096A
Authority: JP
Inventors: Takanori Sawano; 貴紀澤野; Hiromitsu Asai; 拡光浅井; Shigero Iwazawa; 茂郎岩澤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】ブレーキング時の発熱の伝熱を抑え、耐久性に優れ、回転センサを備える場合には検出精度の低下の無い車両用車軸軸受を提供する。
【解決手段】内方環状部材、外方環状部材及び転動体を備え、前記内方環状部材に車輪取付用フランジ及び前記外方環状部材に車体のナックル取付用フランジがそれぞれ接合され、前記内方環状部材に車軸が嵌合される車両用車軸軸受において、前記内方環状部材及び前記外方環状部材が金属製であり、前記車輪取付用フランジ及び前記ナックル取付用フランジの少なくとも車輪取付用フランジが、炭素繊維強化樹脂からなり、車輪またはナックル取付用のボルトを挿通するためのボルト挿通孔を有する環状部材であり、前記内方環状部材の外周面に突出する環状立片または前記外方環状部材の外周面に突出する環状立片に、複数箇所にて締結手段により接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のハブユニット軸受に代表される車両用車軸軸受に関し、特に熱伝導による影響を排除する技術に関する。

自動車のハブユニット軸受では、内輪及び外輪を軸受鋼等の金属製で形成していたが、重量が大きく、燃費上不利であるとともに、高価になることから、内輪や外輪の転送面及びフランジ部を金属薄板からなるベース部で形成し、更にベース部を合成樹脂に補強繊維を配合した複合材料で補強したものが提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、これら従来のハブユニット軸受は、熱伝導について考慮されていない。また、ハブユニット軸受には、フランジ部を介してブレーキロータが締結されるため、ブレーキング時に発生する摩擦熱がフランジ部を通じて伝熱し、回転に伴うハブユット全体の温度上昇を促進する。そして、このような温度上昇に伴い、封入グリースが劣化し、それにより回転トルクが増大したり、異音や振動が発生するなどして軸受性能が低下し、最終的には焼付きが発生して軸受機能が失われることが、過酷な耐久試験で見受けられる。特許文献１では、ブレーキロータと軸受部との間に金属の経路があり、伝熱しやすく、軸受温度が上昇しやすいことから、軸受性能が低下することが、短い間隔で連続してブレーキを繰り返すような過酷な耐久試験で見受けられる。

また、ハブユニット軸受の中には、車軸の回転数を検知するための回転センサを備えるものがある。回転センサは、内輪に取り付けられた金属製のスリンガの外周面に磁気エンコーダを取り付け、磁気エンコーダと対向するように磁気センサを配置して構成されたものが一般的である（図１参照）。そのため、磁気エンコーダの取り付け位置の精度が要求されるが、上記のようにブレーキング時の摩擦熱が伝熱して内輪や外輪の温度が上昇すると、内輪に取り付けられているスリンガが熱膨張を起こして磁気エンコーダの取り付け位置が微妙に変化して検出精度に影響を与えるおそれもある。

実公平７−５４６５８号公報

本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、ブレーキング時の発熱の伝熱を抑え、耐久性に優れ、回転センサを備える場合には検出精度の低下の無い車両用車軸軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の車両用車軸軸受を提供する。
（１）内方環状部材、外方環状部材及び転動体を備え、前記内方環状部材に車輪取付用フランジ及び前記外方環状部材に車体のナックル取付用フランジがそれぞれ接合され、前記内方環状部材に車軸が嵌合される車両用車軸軸受において、
前記内方環状部材及び前記外方環状部材が金属製であり、
前記車輪取付用フランジ及び前記ナックル取付用フランジの少なくとも車輪取付用フランジが、炭素繊維強化樹脂からなり、車輪またはナックル取付用のボルトを挿通するためのボルト挿通孔を有する環状部材であり、前記内方環状部材の外周面に突出する環状立片または前記外方環状部材の外周面に突出する環状立片に、複数箇所にて締結手段により接合されていることを特徴とする車両用車軸軸受。
（２）車輪取付用フランジ及びナックル取付用フランジの少なくとも車輪取付用フランジと、環状立片がそれぞれ、自身を貫通する複数の接合用貫通孔を有しており、前記接合用貫通孔を通じてねじまたはリベットにより接合されていることを特徴とする上記（１）記載の車両用車軸軸受。
（３）ボルト挿通孔と接合用貫通孔とが、位相をずらして配置されていることを特徴とする上記（１）または（２）記載の車両用車軸軸受。
（４）炭素繊維強化樹脂が、炭素繊維を平面状に、一方向に配向させて樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを、隣接する炭素繊維プリプレグ間で交差するように積層し、前記樹脂を硬化させたものであり、かつ、炭素繊維が、ボルト挿通孔に対して垂直になるように配向されていることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（５）炭素繊維強化樹脂が、炭素繊維を平面状に編組して樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを積層し、前記樹脂を加熱硬化させたものであり、かつ、炭素繊維が、ボルト挿通孔に対して垂直になるように配向されていることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（６）炭素繊維プリプレグにおける炭素繊維含有量が１０〜８０質量％であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（７）炭素繊維の引張強度が３〜８．５ＧＰａ、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が０．５〜２．２％であることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（８）炭素繊維プリプレグに使用される樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂またはポリプロピレン樹脂であることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
（９）車軸の回転数を検出ためのセンサを備えることを特徴とする上記（１）〜（８）の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。

本発明の車両用車軸軸受は、車輪取付用フランジを炭素繊維強化樹脂で形成して、内方環状部材に一体に接合したため、車輪取付用フランジを通じての伝熱が抑えられて長寿命となる。また、内方環状部材及び外方環状部材は金属製で、転送面も金属製であるため、回転特性に影響することもない。更に、回転センサを備える構成とした場合には、検出精度の低下も無い。更には、軽量化も図れる。

本発明に係る車両用車軸軸受の一例であり、回転センサ付きハブユニットを示す断面図である。図１のＡＡ矢視図であり、接合用貫通孔とボルト挿通孔との配置の一例を示す図である。図１のＡＡ矢視図であり、接合用貫通孔とボルト挿通孔との配置の他の例を示す図である。炭素繊維プリプレグの積層様式の一例を示す模式図である。炭素繊維強化樹脂における炭素繊維と、ボルト挿通孔との相対位置を説明するための模式図である。ボルト挿通孔の一例を示す断面図である。ボルト挿通孔の他の例を示す断面図（Ａ）及びＢＢ矢視図（Ｂ）である。ボルト挿通孔の他の例を示す断面図（Ａ）及びＢＢ矢視図（Ｂ）である。

以下、本発明に関して回転センサ付きハブユニット軸受を例示して詳細に説明する。

本実施形態のハブユニット軸受Ｏは、駆動輪用とされており、外方環状部材である外輪１及び内方環状部材であるハブ３と、外輪１とハブ３間の環状空間１３に転動自在に配置される複数の転動体１０と、環状空間１３を密封する密封装置１２ａ，１２ｂと、ハブ３と共に回転する磁気エンコーダ２０とを備えている。車軸（図示せず）は、ハブ輪４の中心の車軸挿通孔２００に嵌合する。また、磁気エンコーダ２０と対向して、図示しない磁気センサが配設されており、車輪の回転と共に磁気エンコーダ２０を回転させ、車輪の回転に同期した磁場変化を検出する。

ハブ３は、中空状のハブ輪４を備えており、ハブ輪４は、その外周面のアウトボード側端部（自動車への組み付け状態で車幅方向外側の端部：図１の左端部）に径方向外方に延びる車輪取付用フランジ７を有している。車輪取付用フランジ７には、そのアウトボード側の側面に車輪を構成する図示しないホイール及びブレーキロータ等を取り付けるためのボルト３０を挿通するためのボルト挿通孔７ａが、周方向に略等間隔で複数植設されている。

ハブ輪４のインボード側端部（自動車への組み付け状態で車幅方向内側の端部：図１の右端部）には小径段部４Ａが形成されており、該小径段部４Ａには内輪５が嵌め込まれている。内輪５の外周面には内輪軌道面９が形成され、また、ハブ輪４の軸方向の中間部外周面にも内輪軌道面９が形成されている。

外輪１の内周面にはハブ輪４の内輪軌道面９に対応する外輪軌道面８及び内輪５の内輪軌道面９に対応する外輪軌道面８が形成されており、また、車輪取付用フランジ７から離間する側の外輪１の端部には径方向外方に延びるナックル取付用フランジ２が設けられている。図示は省略するが、このナックル取付用フランジ２には、ナックル取付用のボルト（図示せず）を挿通するためのボルト挿通孔２ａが形成されている。

そして、複列の内輪軌道面９と複列の外輪軌道面８との間には、それぞれ複数の転動体１０が保持器１１を介して周方向に転動可能に配設されている。尚、図示の例では、転動体１０として玉を使用しているが、重量の嵩む車輪支持用ハブユニット軸受の場合には、転動体１０としてテーパころを使用する場合もある。

また、外輪１のアウトボード側の端部とハブ輪４との間、及び外輪１のインボード側の端部と内輪５との間には、密封装置１２ａ，１２ｂがそれぞれ設けられている。密封装置１２ａは、外輪１のアウトボード側の端部内周面に嵌合されたスリンガ１４と、スリンガ１４に接着固定されてハブ輪４に摺接するシール部１５とを備えている。

一方、密封装置１２ｂは、内輪５の外周面に嵌合される第１のスリンガ１６と、外輪１のインボード側の端部内周面に嵌合される第２のスリンガ１７と、第１のスリンガ１６に接着固定されて第２のスリンガ１７と摺接するシール部１８とを有する。シール部１８は、ゴム材料によって形成されており、封入グリースの漏洩を防止するとともに、外部からの塵埃、水、泥水等の環状空間１３への侵入を防止する。

本発明では、外輪１及びハブ輪４をＳＵＪ２等の通常軸受に使用される鋼材製してそれぞれの軌道面８，９を金属製にするとともに、車輪取付用フランジ７及びナックル取付用フランジ２（図中、クロスハッチで示す部分）の少なくとも車輪取付用フランジ７を、後述するように炭素繊維強化樹脂で形成し、ナックル取付用フランジ２を外輪１に、車輪取付用フランジ７をハブ輪４に接合する。ナックル取付用フランジ２も炭素繊維強化繊維で形成することにより、更なる軽量化を図ることができるが、本実施形態では、車輪取付用フランジ７及びナックル取付用フランジ２の両方を、炭素繊維強化樹脂で形成した例を示す。

ハブ輪４と車輪取付用フランジ７との接合に際し、ハブ輪４を加工してその外周面に円環状の立片４ａを設けるとともに、この立片４ａを貫通する接合用貫通孔４ｂを形成する。一方、車輪取付用フランジ７に、立片４ａと係合する段部７ｂを設けるとともに、段部７ｂを貫通する接合用貫通孔７ｃを形成する。そして、立片４ａの接合用貫通孔４ｂと、段部７ｂの接合用貫通孔７ｃとを貫通してねじやリベット（図示せず）を挿通し、締結すればよい。尚、立片４ａと段部７ｂとを接着剤で接着してねじやリベットで締結することにおり、接合強度をより高めることができる。接着には、炭素繊維プリプレグに用いた樹脂に合わせて金属と接着が可能な接着剤を用いる。

その際、図２（図１のＡＡ矢視図）に示すように、ハブ輪４の立片４ａの接合用貫通孔４ｃ及び車輪取付用フランジ７の接合用貫通孔７ｃと、車輪取付用フランジ７のボルト挿通孔７ａとが位相を一致させて、即ち同一の半径ｒ上に並ぶように配置してもよいし、あるいは図３に示すように、接合用貫通孔４ｂ，７ｃと、ボルト挿通孔７ａとを位相をずらして、即ち同一の半径ｒ上に並ばないように配置してもよい。車輪取付用フランジ７の接合用貫通孔７ｃ及びボルト挿通孔７ａは、炭素繊維強化樹脂にそれらの孔を開けて形成されるが、孔開けの際に炭素繊維が切れる。そのため、位相をずらして配置することにより、炭素繊維が切れる部分も離れるため強度的に有利となる。

一方、外輪１とナックル取付用フランジ２との接合は、外輪１を加工してその外周面に円環状の立片１ａを設けるとともに、この立片１ａを貫通する接合用貫通孔１ｂを形成する。ナックル取付用フランジ２には、立片１ａと係合する段部２ｂを設けるとともに、段部２ｂを貫通する接合用貫通孔２ｃを形成する。そして、立片１ａの接合用貫通孔１ｂと、段部２ｂの接合用貫通孔２ｃとを貫通してねじやリベット（図示せず）を挿通し、締結する。尚、外輪１とナックル取付用フランジ２との接合においても、接合用貫通孔１ｂ，２ｃと、ボルト挿通孔２ａとを位相をずらして配置することが好ましい。

炭素繊維強化樹脂は、炭素繊維を平面状に、一方向に配向させて樹脂を含浸させたシート状の炭素繊維プリプレグ（一方向プリプレグ）を積層し、樹脂を硬化させたものである。その際、図４に模式的に示すように、隣接する（図の例では上下の）炭素繊維プリプレグ間で、炭素繊維１００が、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）のように所定の角度（例えば４５°）で交差するように積層される。尚、硬化は、熱プレスあるいはオートクレーブにより行うことができる。

また、炭素繊維プリプレグは、炭素繊維を平面状に編組して樹脂を含浸させたシート状物（編組プリプレグ）を用いてもよい。

炭素繊維には制限はないが、炭素繊維強化樹脂の実用的な強度を考慮すると、引張強度が３〜８．５ＧＰａで、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａで、伸度が０．５〜２．２％であるものが好ましい。また、炭素繊維は、平均繊維径が５〜２１μｍのものが好ましく、７〜１５μｍのものがより好ましい。平均繊維径が５μｍ未満の炭素繊維では、繊維が細すぎて一本当たりの強度が低いため、安定した製造が困難になり、大幅なコストアップになるので実現性が低い。一方、平均繊維径が２１μｍを超える炭素繊維では、一本当たりの強度は増すものの、繊維が太くなることで成形時の変形に対応し難くなり、好ましくない。更に、炭素繊維プリプレグにおける炭素繊維の含有量は、１０〜８０質量％が好ましい。炭素繊維の含有量が１０質量％未満では、炭素繊維強化樹脂が必要な強度を発揮できない。一方、炭素繊維の含有量が８０質量％を超えると、相対的に樹脂量が少なくなりすぎて樹脂未含浸部（空隙）が生じ、内部から破壊が生じる恐れがある。好ましい炭素繊維の含有量は、６０〜７５質量％である。

尚、炭素繊維プリプレグに使用される樹脂には制限はなく、エポキシ樹脂やフェノール樹脂のような熱硬化性樹脂、ポリアミド樹脂やポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。

また、炭素繊維プリプレグは、図５に模式的に示すように、炭素繊維１００がボルト挿通孔７ａに対して垂直になるように積層される。

更に、図６に示すように、車輪取付用フランジ７のボルト挿通孔７ａの内周面には、ボルト３０のネジ部と螺合するネジ溝４０が形成されている。ネジ溝４０を形成するには、金属製で内周面にネジ溝４０が形成されたスリーブ４５を、炭素繊維強化樹脂に設けた貫通孔に挿入し、炭素繊維強化樹脂との隙間に金属製のくさび４６を差し入れてスリーブ４５を炭素繊維強化樹脂内に固定する。尚、金属としてはアルミニウムやステンレス鋼等が適当である。

また、図７に示すように、スリーブ４５の端部に、フランジ７の周方向を長径とする楕円状の拡径段部４７を設けることにより、スリーブ自体及びフランジ全体としての強度を高めることができる。

また、図８に示すように、立片４ａの一部を外方に突出させ、この突出部４ｃにボルト挿通孔７ａを形成することもできる。そして、突出部４ｃ及び炭素繊維強化樹脂を連通する挿通孔にスリーブ４５を挿通し、他端を円環状の外ネジ４８で固定する。外ネジ４８の代わりに上記のようなくさび４６を用いてもよい。このような突出部４ｃによっても、スリーブ自体及びフランジ全体としての強度を高めることができる。

上記ハブユニット軸受Ｏは、転送面が金属製であるため軸受回転特性は従来と同等に維持される。また、ナックル取付用フランジ２や車輪取付用フランジ７が炭素繊維強化樹脂で形成されるため、高強度で軽量化を図ることができるとともに、炭素繊維強化樹脂は熱伝導率が金属に比べて大幅に低いため、ブレーキング時の発熱が車輪取付用フランジ７を通じてハブ輪４に伝熱することがなく、軸受温度の上昇を抑えることができる。そのため、封入グリースの熱劣化もなく、更には第１のスリンガ１６の熱膨張もなく、磁気エンコーダ２０の位置ズレもなくなり、回転精度の低下を防ぐこともできる。

以下、実施例及び比較例を挙げて更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
炭素繊維（引張強度５ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、伸度１．９％）を平面状に並べ、エポキシ樹脂で結束して一方向プリプレグを作製した。この一方向プリプレグにおける炭素繊維の含有量は７５質量％であり、エポキシ樹脂の含有量は２５質量％である。そして、この炭素繊維プリプレグを、図４に示すように、炭素繊維が４５°で交差するように積層して熱プレスを行い、炭素繊維強化樹脂を作製した。そして、図３に示すように、炭素繊維強化樹脂に、段部を形成し、更に接合用貫通孔及びボルト挿通孔を位相がずれるように形成して車輪取付用フラン及びナックル取付用フランジを用意した。

また、日本精工（株）製車輪支持用転がり軸受「呼び番号２８ＢＷＫ１９」を改良して、ハブ輪に車輪取付用フランジと係合する立片、外輪にナックル取付用フランジと係合する立片を形成した。尚、内輪及び玉はＳＵＪ２製であり、外輪はＳ５３ＣＧ（炭素鋼）製である。

そして、ハブ輪の立片に車輪取付用フランジを、外輪の立片にナックル取付用フランジを係合し、接合用貫通孔にねじを挿通して締結した。また、車輪取付用フランジに、ブレーキシステムのブレーキロータをボルト締めして試験軸受Ａとした。尚、ボルト締めに際し、エポキシ系接着剤にて接着して固定力を高めた。

（比較例１）
日本精工（株）製車輪支持用転がり軸受「呼び番号２８ＢＷＫ１９」をそのまま用い、車輪取付用フランジにブレーキロータを締結して試験軸受Ｂとした。

（寿命試験）
試験軸受Ａ及び試験軸受Ｂに車軸を嵌入し、更にブレーキディスクを１３０℃に調温し、アキシアル荷重８８２０Ｎを付与した状態で車軸を１０００ｒｐｍにて回転させ、回転時の振動を振動計で常時計測し、測定値が一定値を超えるまでの回転時間を回転寿命とみなし、ワイブル分布関数に基づくＬ_１０寿命を求めた。結果を表１に示す。

また、回転中、内輪表面温度を測定した。結果を表１に併記する。

表１に示すように、車輪取付用フランジを炭素繊維強化樹脂で形成することにより、ブレーキロータを通じての伝熱が抑えられ、長寿命になる。

１外輪
１ａ立片
１ｂ接合用貫通孔
２ナックル取付用フランジ
２ａボルト挿通孔
２ｂ段部
２ｃ接合用貫通孔
３ハブ
４ハブ輪
４ａ立片
４ｂ接合用貫通孔
５内輪
７車輪取付用フランジ
７ａボルト挿通孔
７ｂ段部
７ｃ接合用貫通孔
１０転動体
１２ａ，１２ｂ密封装置
１６第１のスリンガ
１７第２のスリンガ
１８シール部
２０磁気エンコーダ
３０ボルト
１００炭素繊維

Claims

内方環状部材、外方環状部材及び転動体を備え、前記内方環状部材に車輪取付用フランジ及び前記外方環状部材に車体のナックル取付用フランジがそれぞれ接合され、前記内方環状部材に車軸が嵌合される車両用車軸軸受において、
前記内方環状部材及び前記外方環状部材が金属製であり、
前記車輪取付用フランジ及び前記ナックル取付用フランジの少なくとも車輪取付用フランジが、炭素繊維強化樹脂からなり、車輪またはナックル取付用のボルトを挿通するためのボルト挿通孔を有する環状部材であり、前記内方環状部材の外周面に突出する環状立片または前記外方環状部材の外周面に突出する環状立片に、複数箇所にて締結手段により接合されていることを特徴とする車両用車軸軸受。
車輪取付用フランジ及びナックル取付用フランジの少なくとも車輪取付用フランジと、環状立片がそれぞれ、自身を貫通する複数の接合用貫通孔を有しており、前記接合用貫通孔を通じてねじまたはリベットにより接合されていることを特徴とする請求項１記載の車両用車軸軸受。
ボルト挿通孔と接合用貫通孔とが、位相をずらして配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の車両用車軸軸受。
炭素繊維強化樹脂が、炭素繊維を平面状に、一方向に配向させて樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを、隣接する炭素繊維プリプレグ間で交差するように積層し、前記樹脂を硬化させたものであり、かつ、炭素繊維が、ボルト挿通孔に対して垂直になるように配向されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
炭素繊維強化樹脂が、炭素繊維を平面状に編組して樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグを積層し、前記樹脂を加熱硬化させたものであり、かつ、炭素繊維が、ボルト挿通孔に対して垂直になるように配向されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
炭素繊維プリプレグにおける炭素繊維含有量が１０〜８０質量％であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
炭素繊維の引張強度が３〜８．５ＧＰａ、引張弾性率が２２０〜７００ＧＰａ、伸度が０．５〜２．２％であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
炭素繊維プリプレグに使用される樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂またはポリプロピレン樹脂であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。
車軸の回転数を検出ためのセンサを備えることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の車両用車軸軸受。