KR20160031965A - 허브 유닛 제조 장치 - Google Patents

Abstract

펀치를 장착하는 주축의, 축부의 외주면과 펀치 홀더의 외주면이 연속하는 연속부의 축 방향 단면의 형상이, 상기 축부의 외주면과 연결되는 제1 원호와, 상기 펀치 홀더의 외주면과 연결되는 제2 원호로 형성되어 있고, 상기 제1 원호와 상기 제2 원호가 서로 접하고 있고, 상기 제2 원호의 곡률 반경은, 상기 제1 원호의 곡률 반경보다 작다.

Description

허브 유닛 제조 장치{HUB UNIT MANUFACTURING APPARATUS}

2014년 9월 15일에 출원된 일본 특허 출원 제2014-187166의 명세서, 도면 및 요약서를 포함한 개시 내용은, 그 전체가 본 명세서에 참조에 의해 합체된다.

본 발명은 허브 유닛을 제조하는 제조 장치이며, 내축의 축 단부에 내륜 부재를 압입한 후, 그 축 단부를 코킹하는 공정에서 사용되는 제조 장치에 관한 것이다. 특히, 코킹의 펀치를 지지하는 주축의 강도를 향상시킨 제조 장치에 관한 것이다.

차량의 차륜을 회전 지지하는 베어링 장치로서, 허브 유닛이 사용되고 있다. 허브 유닛의 내축은, 허브 샤프트의 축 단부에 내륜 부재가 내장되어 있다. 허브 유닛을 제조하는 공정에서는, 조립한 내륜 부재의 빠짐을 방지하기 위해, 허브 샤프트의 축 단부를 코킹하고 있다. 이 코킹 가공에는, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2000-38005호 공보의 요동 코킹 장치가 사용된다.

도 8에, 요동 코킹 장치(100)를 사용한 코킹 방법의 개요를 나타낸다. 허브 샤프트(101)는, 축 단부에 원통 형상의 축 단부(106)를 갖고 있다. 축 단부(106)에는 내륜 부재(102)가 압입되어 있다. 이때 축 단부(106)의 일부가, 내륜 부재(102)의 단부면으로부터 돌출되어 있다. 요동 코킹 장치(100)에서는, 이 돌출된 부분에 펀치(104)를 가압하여, 직경 방향 외측으로 확장시키고 있다. 도 8에서는, 소성 변형하기 전의 축 단부(106)의 형상을 이점 쇄선으로 나타내고 있다.

펀치(104)는, 주축(105)의 선단부에 장착되어 있다. 주축(105)은, 요동 코킹 장치(100)의 축선에 대해 소정의 각도 θ만큼 경사져 있다. 이로 인해, 펀치(104)와 축 단부(106)는, 축 단부(106)의 둘레 상의 한점에서 접촉한다. 펀치(104)를 축 단부(106)에 가압함으로써, 그 접촉하는 부분이 직경 방향 외측으로 소성 변형한다. 주축(105)을 허브 샤프트(101)의 축선의 주위로 선회시키면서, 허브 샤프트 측으로 강하시킴으로써, 축 단부(106)가 전체 둘레에 걸쳐 직경 방향 외측으로 소성 변형한다. 이와 같이, 요동 코킹 장치(100)에서는, 축 단부(106)를 부분적으로 소성 변형시키고 있으므로, 전체 둘레를 동시에 소성 변형시키는 공법에 비해, 비교적 작은 코킹 하중으로 축 단부(106)를 가공할 수 있다.

이와 같이 하여, 허브 샤프트(101)의 축 단부에, 코킹부(103)가 형성되어 있다. 이 코킹부(103)에 의해, 내륜 부재(102)의 움직임이 축 방향으로 구속되므로, 내륜 부재(102)의 빠짐이 방지되어 있다.

펀치(104)는, 허브 유닛(107)의 크기에 따라 적절히 바꾸어 사용된다. 그로 인해, 주축(105)의 축 단부에는, 펀치(104)를 설치하는 펀치 홀더(108)가 형성되어 있다. 펀치 홀더(108)의 외형 치수는, 펀치(104)의 외형 치수와 동등하며, 비교적 대직경이다. 한편, 주축(105)에 있어서 펀치 홀더(108) 이외의 축부(109)는, 비교적 작은 코킹 하중을 지지할 뿐이므로, 그 직경 치수는 작아도 된다. 직경 치수를 작게 한 축부(109)의 형상의 예를, 도 8에 파선으로 나타냈다. 축부(109)의 직경 치수를 작게 함으로써, 요동 코킹 장치(100)를 콤팩트하게 할 수 있다.

이와 같이 하여, 요동 코킹 장치(100)의 주축(105)은, 축부(109)를 소직경의 원통 형상으로 하여, 그 축 단부에 대직경의 펀치 홀더(108)를 설치한 구성으로 하고 있다.

그러나, 상기한 형상으로 함으로써, 주축(105)에는, 펀치 홀더(108)와 축부(109)의 연결되는 부분에 「이음부」(K)가 형성된다. 이 주축(105)을 내장한 요동 코킹 장치(100)를 양산 설비로서 사용하여 대량의 허브 유닛을 제조하면, 「이음부」(K)가 비교적 조기에 파손된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적 중의 하나는, 허브 샤프트의 축 단부를 코킹하는 공정에서 사용되는 허브 유닛 제조 장치에 있어서, 축부를 소직경으로 한 주축의 축 단부에 축부보다도 직경이 큰 펀치 홀더를 구비한 주축의 조기 파손을 피하여, 허브 유닛 제조 장치의 내구성을 향상시키는 것이다.

본 발명의 일 형태의 허브 유닛 제조 장치의 구성상의 특징은, 허브 유닛의 허브 샤프트에 내륜 부재를 장착한 후, 상기 허브 샤프트의 축 단부에 펀치를 접촉시켜, 상기 축 단부를 소성 변형시키면서 확장시켜, 상기 내륜 부재를 상기 허브 샤프트에 의해 구속하는 허브 유닛 제조 장치이며, 상기 펀치를 장착하는 주축이, 원통 형상의 축부와, 상기 축부와 일체로 형성되어 상기 축부보다 대직경의 펀치 홀더를 갖고 있고, 상기 축부의 외주면과, 상기 펀치 홀더의 외주면이 연결되는 연속부의 축 방향 단면의 형상이, 상기 축부의 외주면과 연결되는 제1 원호와, 상기 펀치 홀더의 외주면과 연결되는 제2 원호로 형성되어 있고, 상기 제1 원호와 상기 제2 원호가 서로 접하고 있고, 상기 제2 원호의 곡률 반경은, 상기 제1 원호의 곡률 반경보다 작다.

본 발명의 상기한 특징 및 이점은 물론 추가적인 특징 및 이점은, 유사한 도면 부호가 유사한 구성 요소를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이후의 예시적인 실시예로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 주축의 주요부 확대도.
도 2는 본 발명의 허브 유닛 제조 장치를 사용하여 코킹 가공을 할 때의, 허브 유닛과 요동 코킹 장치의 배치를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연속부에 발생하는 응력 분포를 설명하는 도면.
도 4는 코킹 가공 시의 하중의 발생 상황을 설명하는 도면.
도 5는 비교예 1에 있어서의 연속부에 발생하는 응력 분포를 설명하는 도면.
도 6은 비교예 2에 있어서의 연속부에 발생하는 응력 분포를 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 연속부에 발생하는 응력 분포를 설명하는 도면.
도 8은 종래의 허브 유닛 제조 장치를 설명하는 단면도.

도 2를 사용하여, 본 발명에 관한 허브 유닛 제조 장치의 일 실시 형태인 요동 코킹 장치(34)의 구조와, 그 요동 코킹 장치(34)를 사용한 코킹 가공 방법을 설명한다. 도 2는 도면의 상하 방향이 연직 방향이다. 허브 유닛(10)의 연직 방향 상방에 요동 코킹 장치(34)를 배치하여, 허브 샤프트의 축 단부에 코킹 가공을 하는 상태를 나타내고 있다. 또한, 코킹 가공 상태를 이해하기 쉽게 하기 위해, 도 2에서는, 요동 코킹 장치(34)의 헤드부(35)만을 표시하고 있다. 또한, 실제로 가공할 때에는, 헤드부(35)의 하방 단부와 허브 유닛(10)의 상방 단부가 접촉하고 있다. 그러나, 도면이 번잡해지므로, 헤드부(35)와 허브 유닛(10)이, 상하로 이격되어 표시되어 있다.

우선, 허브 유닛(10)에 대해 설명한다. 허브 유닛(10)은, 차량에 설치하였을 때에 도 2의 하측이 차량의 외측으로 되므로, 이하의 설명에 있어서, 하측을 아우터측, 상측을 이너측으로 하여 설명한다. 또한, 이하의 허브 유닛(10)에 관한 설명에 있어서, 「축 방향」이라 함은, 허브 유닛(10)의 축선(37)의 방향을 말하고, 이것에 직교하는 방향을 「직경 방향」이라 한다.

허브 유닛(10)은, 외륜(11)과, 내축(12)과, 볼(13, 13)과, 보유 지지기(14, 14)를 갖고 있다.

외륜(11)은, S55C 등의 탄소강으로 제작되어 있다. 외륜(11)의 외주에 플랜지부(15)가 일체로 형성되어 있다. 외륜(11)의 내주에는, 2열의 외측 궤도면(16a, 16b)이 형성되어 있다. 외측 궤도면(16a, 16b)의 축 방향의 단면은, 원호 형상이다.

내축(12)은, 허브 샤프트(17)와, 그 이너측의 축 단부에 압입된 내륜 부재(18)로 구성되어 있다. 허브 샤프트(17)는, S55C 등의 탄소강으로 제작되어 있다. 허브 샤프트(17)에는, 샤프트부(19)와 플랜지부(20)가 일체로서 형성되어 있다.

샤프트부(19)의 외주에는, 앵귤러형의 내측 궤도면(21b)이 전체 둘레에 형성되어 있다. 내측 궤도면(21b)은, 축 방향의 단면이 원호 형상이다. 내측 궤도면(21b)의 이너측의 부분에, 원통면(22)이 형성되어 있다. 원통면(22)은, 내측 궤도면(21b)과 동축의 원통 형상이며, 그 외경 치수는 내측 궤도면(21b)의 최소 직경과 거의 동등하다. 내측 궤도면(21b)의 아우터측의 부분에, 견부(28)가 형성되어 있다. 견부(28)는, 내측 궤도면(21b)과 동축에 형성된 원통 형상이다.

샤프트부(19)의 이너측 축 단부의 외주에는, 내륜 끼워 맞춤면(23)이 형성되어 있다. 내륜 끼워 맞춤면(23)은, 원통면(22)과 동축의 원통 형상이며, 외경 치수는 원통면(22)보다 소직경이다. 원통면(22)과 내륜 끼워 맞춤면(23)은, 직경 방향으로 넓어지는 평면인 측면(24)으로 연결되어 있다. 내륜 끼워 맞춤면(23)의 축 방향 길이는, 내륜 부재(18)의 축 방향 길이보다 길다. 이로 인해, 내륜 끼워 맞춤면(23)에 내륜 부재(18)를 끼워 맞추었을 때에는, 내륜 끼워 맞춤면(23)의 일부가, 내륜 부재(18)의 단부면으로부터 돌출된다.

내륜 끼워 맞춤면(23)의 이너측에는, 직경 방향으로 넓어지는 평면인 단부면(25)이 형성되어 있다. 단부면(25)에는, 내륜 끼워 맞춤면(23)과 동축의 구멍(26)이 형성되어 있다. 구멍(26)의, 단부면(25)으로부터의 깊이는, 내륜 부재(18)가 내륜 끼워 맞춤면(23)에 끼워 맞추어졌을 때에, 단부면(25)으로부터 내륜 부재(18)의 이너측 단부면까지의 길이보다 깊다. 이와 같이 하여, 샤프트부(19)의 이너측 축 단부에는, 내륜 부재(18)로부터 축 방향으로 돌출되는 원통부(43)가 형성되어 있다. 원통부(43)는, 코킹 가공 후에는 소성 변형하여 코킹부(27)로 된다. 도 2에서는, 코킹 가공 전에 있어서의 원통부(43)의 형상을 이점 쇄선으로 나타내고 있다.

플랜지부(20)는, 원반 형상이며, 샤프트부(19)의 아우터측에 연속하여 형성되어 있다. 플랜지부(20)에는, 휠(도시 생략)을 설치하기 위해, 축 방향으로 관통하는 볼트(29)가 복수개 설치되어 있다. 플랜지부(20)의 아우터측 측면에는, 원통 형상의 휠용 스피곳이음(30)이 동축에 설치되어 있다.

내륜 부재(18)는, 베어링강으로 제작되어 있다. 내륜 부재(18)의 외주에는, 내측 궤도면(21a)이 형성되어 있고, 그 축 방향의 양측에, 견부(31a)와 견부(31b)가 형성되어 있다. 내측 궤도면(21a)의 축 방향의 단면은, 원호 형상이다. 견부(31a, 31b)는, 각각 내측 궤도면(21a)과 동축의 원통면이며, 축 방향 이너측의 견부(31a)의 직경 치수는, 아우터측의 견부(31b)의 직경 치수보다 크다. 내륜 부재(18)의 내주는, 내측 궤도면(21a)과 동축의 원통면이다. 내륜 부재(18)의 축 방향 양단부에는, 각각 소단부면(32)과 대단부면(33)이 형성되어 있다. 소단부면(32)과 대단부면(33)은 직경 방향으로 넓어지는 평면이며, 서로 평행하다.

내륜 부재(18)는, 소단부면(32)을 아우터측을 향해 내륜 끼워 맞춤면(23)에 끼워 맞추어져 있고, 소단부면(32)이 측면(24)과 접촉할 때까지 압입되어 있다. 내륜 부재(18)를 내륜 끼워 맞춤면(23)에 끼워 맞출 때에, 서로 직경 방향으로 대향하는 외측 궤도면(16a)과 내측 궤도면(21a) 사이, 및 외측 궤도면(16b)과 내측 궤도면(21b) 사이에, 각각 복수개의 볼(13)이 내장된다. 볼(13)은, 보유 지지기(14)에 의해, 각 궤도면을 따라 소정의 간격으로 보유 지지되어 있다. 이와 같이 하여 허브 샤프트(17)와 외륜(11)이 동축에 조립된다.

그 후, 후술하는 요동 코킹 장치(34)에 의해, 원통부(43)를 직경 방향 외측으로 소성 변형시켜, 코킹부(27)를 형성한다. 코킹부(27)에 의해, 내륜 부재(18)의 빠짐이 방지되어, 허브 유닛(10)이 조립되어 있다.

다음으로, 동일하게 도 2에 의해, 요동 코킹 장치(34)의 헤드부(35)의 구조를 설명한다. 헤드부(35)는, 그 축선(이하 「헤드 축선」이라 함)(36)이 허브 유닛의 축선(이하 「허브 축선」이라 함)(37)과 동축에 배치되어 있다. 도시를 생략하였지만, 헤드부(35)는, 구름 베어링으로 회전 가능하게 지지되어 있고, 축선(36)의 주위로 회전할 수 있다. 헤드 축선(36) 주위의 회전력은, 도시하지 않은 전동 모터 등에 의해 부여되어 있다. 헤드부(35)는, 연직 방향으로 이동할 수 있도록, 도시하지 않은 직동 베어링 등으로 지지되어 있다. 그리고, 연직 방향의 이동은, 도시하지 않은 볼 나사나 유압 실린더 등에 의해 행해진다.

헤드부(35)에는, 주축(38)이 내장되어 있다. 주축(38)은, 헤드 축선(36)에 대해 소정 각도 θ만큼 경사진 축선(42)[이하 「주축 축선(42)」이라 함]의 주위로, 회전 가능하게 지지되어 있다. 주축 축선(42)은, 주축(38)의 축 단부에 실질적으로 코킹 형성부(52) 내에 있는 동일한 위치에서, 헤드 축선(36)과 교차하고 있다.

주축(38)의 구조를 상세하게 설명한다. 주축(38)은, 탄소강으로 제작되어 있고, 축부(39)와, 펀치 홀더(40)가 일체로서 형성되어 있다. 또한, 이하의, 주축(38) 및 펀치(41)에 관한 설명에 있어서는, 「축 방향」이라 함은 주축 축선(42)의 방향을 말하고, 「직경 방향」이라 함은 주축 축선(42)에 직교하는 방향을 말한다.

축부(39)는, 원통 형상이다. 그 외주면(44)은, 주축 축선(42)과 동축의 원통면이며, 연삭 가공이 실시되어 있다. 외주면(44)과, 헤드부(35)의 하우징 내주면(46) 사이에는, 복열의 침상 롤러 베어링이 내장되어 있다. 펀치 홀더에 가까운 측에 침상 롤러 베어링(45b)이 내장되어 있고, 축 방향으로 이격되어 침상 롤러 베어링(45a)이 내장되어 있다. 침상 롤러 베어링(45a, 45b)은, 각각, 롤러와 보유 지지기가 조합된 케이지 & 롤러 타입의 베어링이다. 외주면(44)과 하우징 내주면(46)은, 각각 침상 롤러 베어링(45a, 45b)의 궤도면이다. 주축(38)의 연직 방향 상측의 축 단부에는, 스러스트 받침대(47)가 내장되어 있다. 스러스트 받침대(47)와 하우징(48) 사이에는, 스러스트 볼베어링(53)이 내장되어 있다. 이와 같이 하여, 주축(38)은, 하우징(48)에 대해, 회전 가능하게 지지됨과 함께 축 방향으로 움직이는 일이 없도록 지지되어 있다.

펀치 홀더(40)는, 원통 형상이다. 그 외주면은, 원통면(54)과, 측면(49)과, 펀치 장착면(50)으로 형성되어 있다. 원통면(54)은, 주축 축선(42)과 동축의 원통 형상이며, 그 직경 치수는 축부(39)의 직경 치수보다 크다. 측면(49)은, 주축 축선(42)과 직교하는 평면으로 형성되어 있고, 원통면(54)의 축부(39)측의 일단부와, 축부(39)의 외주면(44)을 연결하고 있다. 펀치 장착면(50)은, 펀치(41)를 설치하는 면이다. 펀치 장착면(50)은, 주축 축선(42)과 직교하는 평면으로 형성되어 있고, 원통면(54)의 축 방향의 타단부와 연결되어 있다.

펀치(41)는, 대략 원통 형상이며, 주축 축선(42)과 동축에 설치한 볼트(도시를 생략)에 의해, 펀치 장착면(50)에 고정되어 있다. 펀치(41)는, 고속도 공구강 등의 재료로 제작되어 있다. 펀치(41)의 외주에는, 주축 축선(42)과 동축의 원통면(66)이 형성되어 있다. 펀치(41)의 축 방향의 한쪽의 측에는, 주축 축선(42)과 직교하는 평면(55)이 형성되어 있다. 펀치(41)의 축 방향의 다른 쪽의 측에는, 주축 축선(42)과 동축에 축 방향으로 돌출된 볼록부(58)가 형성되어 있다. 볼록부(58)는, 평면으로 형성된 단부면(59)과, 테이퍼면(60)으로 형성되어 있다. 단부면(59)은 주축 축선(42)과 직교한다. 테이퍼면(60)은 단부면(59)의 외주연으로부터 축 방향을 향함에 따라 직경 확장한다. 볼록부(58)의 직경 방향의 외측에, 원환상의 코킹 형성부(52)가 동축에 형성되어 있다. 코킹 형성부(52)는, 축 방향 단면이 축 방향으로 오목해진 대략 원호 형상이며, 그 원호의 주축 축선(42)측이 테이퍼면(60)과 연결되어 있다.

다음으로, 도 1에 의해, 주축(38)에 대해, 축부(39)의 외주면(44)과 펀치 홀더(40)의 측면(49)이 연결되는 부분의 형상을 상세하게 설명한다. 도 1은 주축(38)의 축 방향 단면의 주요부 확대도이다.

외주면(44)과, 측면(49)이 연결되는 부분에서는, 축 방향 단면의 형상은, 외주면(44)과 연결되는 제1 원호(56)와, 측면(49)과 연결되는 제2 원호(57)로 형성되어 있다. 이하의 설명에 있어서, 외주면(44)과 측면(49)을 연결하는 영역을 「연속부」라 한다. 제1 실시 형태에서는, 제1 원호(56)와 제2 원호(57)로 형성된 영역을, 연속부 X1로 한다.

제1 원호(56)는, 직경 방향 내측으로 볼록해지는 형상이다. 그 곡률 중심 C1은, 외주면(44)보다 직경 방향 외측이며, 또한 측면(49)보다 외주면(44)의 측에 있다. 제1 원호(56)는, 외주면(44)과 교차하거나, 또는 접하고 있고, 그 연장선 상에서 측면(49)과 교차하고 있다. 즉, 제1 원호(56)의 곡률 반경을 R1로 하면, 제1 원호(56)의 곡률 중심 C1의 위치는, 외주면(44)으로부터의 직경 방향 치수 L11이 R1보다 작거나, 또는 동등(L11≤R1)하며, 측면(49)으로부터의 축 방향 치수 L12가 R1보다 작다(L12＜R1). 제1 원호(56)와 외주면(44)이 교차하는 점을, 점 P1로 한다.

제2 원호(57)는, 직경 방향 내측으로 볼록해지는 형상이다. 그 곡률 중심 C2는, 제1 원호(56)보다 직경 방향 외측이며, 또한 측면(49)보다 외주면(44)의 측에 있다. 제2 원호(57)의 곡률 반경 R2는, 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1보다 작다. 제2 원호(57)는, 측면(49)과 교차하거나, 또는 접하고 있고, 제1 원호(56)와 제2 원호(57)는, 서로 접하고 있다. 제2 원호(57)와 측면(49)이 교차하는 점을, 점 T로 하고, 제1 원호(56)와 제2 원호(57)가 교차하는 점을, 점 Q로 한다. 제2 원호(57)의 곡률 중심 C2의 위치는, 제1 원호(56)의 곡률 중심 C1과 점 Q를 연결하는 직선 상에 있고, 측면(49)으로부터의 축 방향 치수 L22가 R2보다 작거나, 또는 동등(L22≤R2)하다.

점 P1의 축 방향의 위치는, 침상 롤러 베어링(45b)과 겹치지 않는다. 가령, 점 P1의 축 방향의 위치가 침상 롤러 베어링(45b)과 겹치도록 설정한 경우에는, 점 P1보다 점 Q의 측에서는 직경 치수가 서서히 확대된다. 이에 의해, 침상 롤러 베어링(45b)의 축부(39)측의 궤도면이, 원통 형상으로 되지 않는다. 이로 인해, 이 가상의 사례에 있어서는, 롤러가 스큐하거나, 롤러와 궤도면 사이에 국소적으로 강한 접촉을 발생시키거나 하여, 궤도면이 손상된다고 하는 문제를 발생시킨다.

이로 인해, 제1 실시 형태에서는, 점 P1과 측면(49)의 축 방향의 치수 L32는, 침상 롤러 베어링(45b)의 궤도면과 측면(49)의 축 방향의 치수 L42보다 작다. 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1과 곡률 중심 C1을 적절히 선택할 수 있다. 이에 의해, 점 P1의 축 방향 위치가, 침상 롤러 베어링(45b)의 궤도면과 겹치지 않도록 설정할 수 있다.

도 4에 의해, 요동 코킹 장치(34)를 사용하여, 허브 샤프트(17)의 원통부(43)를 코킹하는 가공 방법에 대해 설명한다. 적절히, 도 2를 참조한다. 헤드부(35)는, 허브 샤프트(17)보다 연직 방향 상측에 배치된다(도 2 참조). 헤드 축선(36)과, 허브 축선(37)이 동축으로 되도록 배치되어 있다. 코킹 가공을 할 때에는, 헤드부(35)를 강하시켜, 펀치(41)를 원통부(43)에 가압한다. 이때, 헤드부(35)는 헤드 축선(36)의 주위로 회전하고 있으므로, 주축(38)은, 헤드 축선(36)의 주위를 선회하고 있다.

주축(38)은, 헤드 축선(36)에 대해 소정 각도 θ만큼 기울고 있다. 이로 인해, 원통부(43)와 펀치(41)는, 원통부(43)의 원주 상의 한점에서 접촉한다. 이 상태에서 헤드부(35)를 강하시키면, 이 접촉하는 점에 있어서, 원통부(43)가, 코킹 형성부(52)의 원호면을 따라 직경 방향 외측으로 밀어 넓혀진다.

주축(38)의 선회에 수반하여, 원통부(43)와 펀치(41)가 접촉하는 점은, 원통부(43)의 둘레를 따라 위치가 변화한다. 이 결과, 원통부(43)가 전체 둘레에 걸쳐 순차적으로 직경 방향 외측으로 확장된다. 주축(38)을, 헤드 축선(36)의 주위로 선회시키면서 연직 방향 하방으로 변위시킴으로써, 원통부(43)가 직경 방향 외측으로 소성 변형하여, 코킹부(27)가 형성된다. 코킹부(27)의 형상을, 도 4에 파선으로 나타냈다. 코킹부(27)는, 내륜 부재(18)의 대단부면(33)에 가압되어 있으므로, 내륜 부재(18)가 허브 샤프트(17)로부터 빠져나오는 것이 방지되어 있다.

도 4에 의해, 코킹 가공을 할 때에, 주축(38)에 작용하는 하중에 대해 설명한다.

도 4에서 도시되어 있는 바와 같이, 주축(38)의 연직 방향 상단부가 도면의 우측으로 경사져 있다. 이에 의해, 펀치(41)의 코킹 형성부(52)와 원통부(43)가, 허브 축선(37)보다 도면의 우측에 있어서, 서로 접근한다.

코킹 형성부(52)와 원통부(43)가 접촉하는 점에, 도 4에 도시하는 바와 같은 하중 F가 작용한다. 하중 F는, 대략 연직 방향 상향의 하중이며, 펀치(41)에 대해, 주축 축선(42)으로부터 직경 방향으로 이격된 점에 작용하고 있다. 이로 인해, 펀치(41)를 지지하는 펀치 홀더(40)에 대해, 반시계 방향의 굽힘 모멘트 M이 작용한다. 굽힘 모멘트 M이 작용하면, 주축(38)의 각 부가 탄성 변형하여, 축부(39)와 펀치 홀더(40)의 외주면에 응력이 발생한다. 도 4에 있어서, 펀치(41)와 원통부(43)가 접촉하는 점에 가까운 A의 위치에 있는 연속부 X1에는 압축 응력이 발생한다. 이 접촉하는 점으로부터 가장 이격된 B의 위치에 있는 연속부 X1에는 인장 응력이 발생한다.

주축(38)이 헤드 축선의 주위로 180° 선회하였을 때에는, 주축 축선(42)은, 헤드 축선(36)에 대해 대칭의 위치로 변위한다. 즉, 주축(38)은, 헤드 축선(36)에 대해 좌측으로 각도 θ만큼 기운 주축 축선(42a)의 주위에서 회전한다. 이 경우에는, 펀치(41)와 원통부(43)는, 도 4에 있어서 허브 축선(37)보다 좌측에서 접촉한다(도시를 생략함). 이때에는, A의 위치에 있는 연속부 X1에는 인장 응력이 발생하고, B의 위치에 있는 연속부 X1에는 압축 응력이 발생한다. 이와 같이 하여, 주축(38)의 선회에 수반하여, 연속부 X1에는, 압축 응력과 인장 응력이 반복하여 작용하고 있다. 이 결과, 연속부 X1에 있어서 주축이 피로 파손된다.

도 3을 사용하여, 코킹 가공을 할 때에, 연속부 X1에 발생하는 응력에 대해 설명한다. 도 3은 주축(38)의 축 방향 단면도이며, 연속부 X1 근방의 주요부 확대도이다. 아울러, 주축(38)의 표면에 발생하는 응력 분포를 나타내고 있다. 주축(38)의 외주의 각 점으로부터 법선 방향으로 신장되는 선의 길이는, 그 각 점에 있어서의 응력의 크기를 나타내고 있다. 응력 분포는, 유한 요소법(FEM)에 의해 계산한 결과를 나타내고 있다. 재료의 피로 강도에 있어서는, 인장 응력의 영향이 크므로, 도 4에서는 B의 위치에 있어서의 연속부 X1에 발생하는 응력을 나타내고 있다.

응력값을 계산하는 데 있어서, 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1을 50㎜, 제2 원호(57)의 곡률 반경 R2를 5㎜로 하여 계산하였다. 이때, 점 P1과 측면(49)의 축 방향 치수 L32는, 20㎜ 정도이다. 또한, 응력의 계산에 있어서 사용한 각 부의 치수는 하기와 같다. 축부(39)의 직경 치수:50㎜, 펀치 홀더(40)의 외경 치수:80㎜, 펀치 홀더(40)의 축 방향 두께:20㎜, 원통부(43)의 외경 치수:60㎜, 원통부(43)의 내경 치수:47㎜. 또한, 주축(38)과 원통부(43)의 영률은, 208㎬이다.

제1 실시 형태에서는, 연속부 X1에 발생하는 인장 응력의 레벨은 축 방향으로 거의 균일하며, 특정한 부위에 응력이 집중하는 일이 없다. 따라서, 연속부 X1에 발생하는 응력의 최댓값을, 재료의 피로 강도와 대비하여 문제가 없는 레벨로 저감시킬 수 있다. 이하에, 연속부 X1을 구성하는 제1 원호(56)와 제2 원호(57)의 각각에 발생하는 응력에 대해, 상세하게 설명한다.

제1 원호(56)의 부분에 발생하는 응력에 대해 설명한다. 제1 실시 형태의 주축(38)에는, 축 단부의 펀치 홀더(40)에 굽힘 모멘트 M이 작용한다. 이 굽힘 모멘트 M은, 침상 롤러 베어링(45a, 45b)으로 지지되어 있다. 이 지지 형태에서는, 연속부 X1에 작용하는 축부(39)의 굽힘 모멘트는, 측면(49)에 근접함에 따라 커진다. 제1 실시 형태에서는, 제1 원호(56)를 설치하였으므로, 축부(39)의 직경 치수는 측면(49)에 근접함에 따라 확대되고, 축부(39)의 단면 계수가 측면(49)에 근접함에 따라 커진다. 이로 인해, 제1 원호(56)의 부분에서는, 측면(49)에 근접함에 따라, 굽힘 모멘트가 상승하는 것에 맞추어 축부(39)의 단면 계수를 크게 할 수 있다. 이에 의해, 제1 원호(56)에 발생하는 응력의 상승을 억제할 수 있다.

한편, 제1 원호(56)를 설치함으로써, 축부(39)의 표면 형상이 축 방향으로 변화하고 있다. 이로 인해, 축부(39)의 형상 계수가 증가한다. 형상 계수라 함은, 응력 집중에 의한 최대 응력을 공칭 응력으로 제산한 값을 말한다. 그 값이 클수록 응력 집중의 정도가 크다. 그러나, 제1 실시 형태에서는, 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1을 크게 하여 표면 형상의 변화를 완만하게 하고 있으므로, 형상 계수의 증가를 억제할 수 있다. 이 결과, 제1 원호(56)에 발생하는 응력 집중을 작게 할 수 있다. 제1 원호(56)의 표면 형상의 변화를 완만하게 하여 형상 계수의 상승을 억제하기 위해서는, 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1은, 축부(39)의 직경 치수의 50％ 내지 200％의 값으로 하는 것이 최적이다.

다음으로, 제2 원호(57)의 부분에 발생하는 응력에 대해 설명한다. 제1 실시 형태에서는, 제2 원호(57)의 곡률 반경 R2는, 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1보다 작다. 이로 인해, 제2 원호(57)에는 응력이 집중하고, 비교적 큰 응력이 발생한다(도 3에 도시하는 응력 영역 G). 이 제2 원호(57)에 높은 응력이 발생함으로써, 제1 원호(56)에 발생하는 응력이 분산된다. 이 결과, 제1 원호(56)에 발생하고 있는 응력이 전체적으로 저하된다.

한편, 제1 원호(56)의 응력이 분산됨으로써, 제2 원호(57)에서는 응력이 상승한다. 그러나, 축부(39)의 외경 치수는, 측면(49)에 근접함에 따라 커지고 있다. 이로 인해, 측면(49)과 연결되는 제2 원호(57)의 부분에서는, 축부(39)의 직경 치수가 크므로, 굽힘 모멘트 M에 의해 발생하는 응력은 작다. 그로 인해, 제2 원호(57)에서는, 응력의 상승이 있었다고 해도, 그 응력은 재료 강도에 대해 특별히 문제로 되는 크기는 아니다.

제2 원호(57)에 높은 응력이 발생하는 것은, 제1 원호(56)에 발생하는 응력을 분산시킴으로써, 연속부 X1에 발생하는 응력의 최댓값을 저감시키는 것에 의의가 있다. 이로 인해, 제2 원호(57)의 곡률 반경 R2는, 제1 원호(56)의 곡률 반경보다 작게 할 필요가 있고, 바람직하게는 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1의 5％ 내지 50％의 값으로 하는 것이 최적이다.

제1 원호(56)와 제2 원호(57)는 서로 접하고 있다. 점 Q에 있어서, 제1 원호(56)의 접선의 구배와, 제2 원호(57)의 접선의 구배는 서로 동등하다. 따라서, 점 Q에 있어서 연속부 X1의 형상은, 제1 원호(56)로부터 제2 원호(57)에 걸쳐 매끄럽게 변화하고 있다. 이로 인해, 점 Q에 있어서, 연속부 X1의 형상 계수의 증가를 억제할 수 있으므로, 응력의 상승을 억제할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 제1 실시 형태에서는, 제2 원호(57)에 발생하는 응력을 높게 함으로써, 제1 원호(56)의 부분에 발생하는 응력을 분산시킬 수 있다. 이 결과, 제1 원호(56)에 발생하는 응력을 저감시킬 수 있다. 이와 같이, 연속부 X1에 발생하는 응력의 최댓값을, 재료의 피로 강도와 대비하여 문제가 없는 레벨로 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 주축(38)의 조기 파손을 피할 수 있다.

도 5와 도 6에, 본 발명의 효과를 설명하기 위해, 다른 형상의 「연속부」를 사용하였다고 가정하였을 때의, 그 「연속부」에 발생하는 응력 분포를 나타낸다. 도 5에는, 비교예 1에 있어서의 「연속부」(이하, 연속부 Z1로 함)의 응력 분포를 나타낸다. 도 6에는, 비교예 2에 있어서의 「연속부」(이하, 연속부 Z2로 함)의 응력 분포를 나타낸다. 도 5와 도 6은 각각 연속부 Z1과 연속부 Z2의 축 방향 단면도이다. 또한, 비교예 1, 비교예 2에 있어서의 축부(39) 및 펀치 홀더(40)의 형상은, 각각 연속부 Z1, 연속부 Z2를 제외하고, 제1 실시 형태의 축부(39) 및 펀치 홀더(40)의 형상과 동일하다. 이로 인해, 이하의 설명에서는, 연속부 Z1과 연속부 Z2에 대해서만 새로운 번호를 부여하고, 축부(39)와 펀치 홀더(40)에 관해서는, 제1 실시 형태와 동일한 번호를 부여하였다.

도 5에 나타내는 비교예 1에서는, 연속부 Z1은 단일의 곡률 반경 R3의 원호(61)로 형성되어 있다. 원호(61)는, 외주면(44)과 측면(49)을 연결하고 있다. 원호(61)의 곡률 반경 R3은 20㎜이며, 축부(39)의 직경 치수에 대해 40％의 크기이다. 연속부 Z1에 발생하는 응력을, 제1 실시 형태의 연속부 X1에 발생하는 응력과 비교하기 위해, 각각의 「연속부」를 형성하는 영역의 크기를 동등하게 하였다. 구체적으로는, 점 P2와 측면(49)의 축 방향의 치수 L52를, 제1 실시 형태의 점 P1과 측면(49)의 축 방향의 치수 L32와, 동일하게 하였다. 또한, 점 P2는, 원호(61)와 외주면(44)이 교차하는 점이다.

비교예 1에서는, 점 P2로부터 측면(49)을 향해, 축 방향으로 L52의 1/3 정도 치우친 곳에서 응력이 높아지고 있다(도 5에 도시하는 응력 영역 G1). 이 결과, 연속부 Z1에 발생하는 응력의 최댓값이 재료의 피로 강도를 초과하는 경우가 있다. 이것은, 비교예 1에서는, 원호(61)의 곡률 반경 R3(20㎜)이 제1 실시 형태의 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1(50㎜)에 비해 작으므로, 축 방향의 형상의 변화가 크고, 축부(39)의 형상 계수가 커지고 있기 때문이라고 생각된다.

이 비교예 1과 대비하여, 제1 실시 형태에서는 연속부 X1에 발생하는 응력 분포는 축 방향으로 거의 균일하며, 특정한 부위에 응력이 집중되는 일이 없다. 이로 인해, 제1 실시 형태에서는, 연속부 X1에 발생하는 응력의 최댓값을, 재료의 피로 강도와 대비하여 문제가 없는 레벨로 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 주축(38)의 조기 파손을 피할 수 있다.

도 6에 나타내는 비교예 2에서는, 연속부 Z2는 단일의 원호(62)로 형성되어 있다. 원호(62)의 곡률 반경 R4는, 제1 실시 형태에 있어서의 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1과 동일한 크기(50㎜)이다. 원호(62)와 외주면(44)이 교차하는 점을, 점 P3으로 하고, 원호(62)와 측면(49)이 교차하는 점을, 점 T3으로 한다. 연속부 Z2에 발생하는 응력을, 제1 실시 형태의 연속부 X1에 발생하는 응력과 비교하기 위해, 각각의 「연속부」를 형성하는 영역의 크기를 동등하게 하였다. 구체적으로는, 점 P3과 측면(49)의 축 방향의 치수 L62를, 제1 실시 형태의 점 P1과 측면(49)의 축 방향의 치수 L32와 동일하게 하였다.

비교예 2에서는, 원호(62)에 발생하는 응력 분포는 축 방향으로 거의 균일하다. 비교예 2에서는, 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 외주면(44)과 연결되는 원호(62)의 곡률 반경 R4를 크게 하여 표면 형상의 변화를 완만하게 하고 있다. 이로 인해, 형상 계수의 증가를 억제할 수 있으므로, 제1 원호(56)에 발생하는 응력 집중이 작아졌다고 생각된다. 그러나, 원호(62)와 측면(49)을 연결하는 부분의 곡률이 극히 크므로, 점 T3의 근방에는 큰 응력이 발생하고 있다(도 6에 도시하는 응력 영역 G2). 이로 인해, 연속부 Z2에 발생하는 응력의 최댓값이 재료의 피로 강도를 초과하므로, 주축(38)의 조기 파손을 피할 수 없다.

이 비교예 2와 대비하여, 제1 실시 형태에서는 제2 원호(57)에는 큰 응력 집중이 발생하고 있지 않다. 이 결과, 연속부 X1에 발생하는 응력은, 축 방향으로 거의 균일하며, 연속부 X1에 발생하는 응력의 최댓값을, 재료의 피로 강도와 대비하여 문제가 없는 레벨로 저감시킬 수 있다. 또한, 제1 실시 형태에서는, 제2 원호(57)의 곡률 반경을 제1 원호(56)의 5％ 이상으로 하고 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시 형태의 연속부 X2의 응력 분포를 나타낸다. 도 7은 제2 실시 형태에 있어서의 연속부 X2의 축 방향 단면도이다. 제2 실시 형태의 연속부 X2는, 제1 실시 형태의 연속부 X1에 비해, 제2 원호의 곡률 반경의 크기만이 다르다. 제2 실시 형태에 있어서의 제2 원호(64)의 곡률 반경 R6은 20㎜이다. 제2 실시 형태에 있어서의 제1 원호(63)의 곡률 반경 R5는 50㎜이며, 곡률 반경 R6의 크기는 곡률 반경 R5의 크기의 40％이다.

제2 실시 형태에 있어서는, 제2 원호(64)의 부분에 높은 응력이 발생하고 있다. 이 결과, 제1 원호(63)의 부분에 발생하는 응력이 분산되어, 연속부 X2에 발생하는 응력의 최댓값을, 재료의 피로 강도와 대비하여 문제가 없는 레벨로 저감시킬 수 있다.

그러나, 제1 원호(63)의 부분에 발생하는 응력은, 제1 실시 형태의 경우에 비해 약간 상승하고 있다. 이것은, 제2 원호(64)의 곡률 반경이, 제1 실시 형태에 있어서의 제2 원호(57)의 곡률 반경에 비해 크므로, 제2 원호(64)의 부분에 발생하는 응력이 작다. 이 결과, 제1 원호(63)에 발생하는 응력을 분산시키는 효과가 감소하였기 때문이라고 생각된다.

따라서, 제1 원호(63)의 응력을 분산시키기 위해, 제2 원호(64)의 곡률 반경 R6을, 제1 원호(56)의 곡률 반경 R1의 40％ 이하로 하는 것이 적당하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명을 사용한 허브 유닛 제조 장치에서는, 제2 원호에 높은 응력을 발생시킴으로써 제1 원호에 발생하는 응력을 분산시킬 수 있다. 이 결과, 「연속부」에 발생하는 응력의 최댓값을, 재료의 피로 강도와 대비하여 문제가 없는 레벨로 저감시킬 수 있어, 주축의 조기 파손을 피할 수 있다. 따라서, 본 발명을 사용함으로써, 허브 샤프트의 축 단부를 코킹하는 공정에서 사용되는 허브 유닛 제조 장치에 있어서, 축부를 소직경으로 한 주축의 축 단부에, 직경 확장한 펀치 홀더를 형성하였을 때에, 주축의 조기 파손을 피하여, 허브 유닛 제조 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 허브 샤프트의 축 단부를 코킹하는 공정에서 사용되는 허브 유닛 제조 장치에 있어서, 축부를 소직경으로 한 주축의 축 단부에, 직경 확장한 펀치 홀더를 형성하였을 때에, 주축의 조기 파손을 피하여, 허브 유닛 제조 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 허브 유닛의 허브 샤프트에 내륜 부재를 장착한 후, 상기 허브 샤프트의 축 단부에 펀치를 접촉시켜, 상기 축 단부를 소성 변형시키면서 확장시켜, 상기 내륜 부재를 상기 허브 샤프트에 의해 구속하는 허브 유닛 제조 장치이며,
   상기 펀치를 장착하는 주축이,
   원통 형상의 축부와,
   상기 축부와 일체로 형성되어 상기 축부보다 대직경의 펀치 홀더를 갖고 있고,
   상기 축부의 외주면과, 상기 펀치 홀더의 외주면이 연결되는 연속부의 축 방향 단면의 형상이, 상기 축부의 외주면과 연결되는 제1 원호와, 상기 펀치 홀더의 외주면과 연결되는 제2 원호로 형성되어 있고,
   상기 제1 원호와 상기 제2 원호가 서로 접하고 있고,
   상기 제2 원호의 곡률 반경은, 상기 제1 원호의 곡률 반경보다 작은, 허브 유닛 제조 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 원호의 곡률 반경은, 상기 축부의 직경의 50％ 이상이며, 또한 200％ 이하인, 허브 유닛 제조 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 원호의 곡률 반경은, 상기 제1 원호의 곡률 반경의 5％ 이상이며, 또한 40％ 이하인, 허브 유닛 제조 장치.

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