(57)【要約】【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。【選択図】図２
2010138939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項２】
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に記載の車輪用軸受装置。
【請求項３】
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または２に記載の車輪用軸受装置。
【請求項４】
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３いずれかに記載の車輪用軸受装置。
【請求項５】
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４いずれかに記載の車輪用軸受装置。
【請求項６】
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５に記載の車輪用軸受装置。
【請求項７】
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４いずれかに記載の車輪用軸受装置。
【請求項８】
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７に記載の車輪用軸受装置。
【請求項９】
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７に記載の車輪用軸受装置。
【請求項１０】
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７に記載の車輪用軸受装置。
【請求項１１】
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７乃至１０いずれかに記載の車輪用軸受装置。
【請求項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７乃至１０いずれかに記載の車輪用軸受装置。
【請求項１３】
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７、１１および１２いずれかに記載の車輪用軸受装置。
【請求項１４】
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７乃至１３いずれかに記載の車輪用軸受装置。
【請求項１５】
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１４に記載の車輪用軸受装置。
【請求項１６】
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１４または１５に記載の車輪用軸受装置。
【請求項１７】
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１６に記載の車輪用軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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１３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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
図１４（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。
【０００８】
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１４（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。
【０００９】
一方、図１４（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。
【００１０】
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１４（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。
【００１１】
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。
【特許文献１】特開２００６−００９８９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
係る目的を達成すべく、本発明のうち請求項１に記載の発明は、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。
【００１６】
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。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明のように、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。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明のように、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。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、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。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明のように、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。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明のように、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。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明のように、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。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明のように、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。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明のように、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。
【００２５】
また、請求項１０に記載の発明のように、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。
【００２６】
また、請求項１１に記載の発明のように、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。
【００２７】
また、請求項１２に記載の発明のように、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。
【００２８】
また、請求項１３に記載の発明のように、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。
【００２９】
また、請求項１４に記載の発明のように、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。
【００３０】
また、請求項１５に記載の発明のように、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。
【００３１】
また、請求項１６に記載の発明のように、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。
【００３２】
また、請求項１７に記載の発明のように、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。
【発明の効果】
【００３３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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。
【実施例１】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【実施例２】
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【実施例３】
【００５９】
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。
【００６０】
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）。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
【表１】
2010138939.tif 000003
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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）。
【００８４】
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。
【００８５】
【表２】
2010138939.tif 000004
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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）。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
【表３】
2010138939.tif 000005
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
【表４】
2010138939.tif 000006
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】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。
【図２】（ａ）は、図１の内輪とボールの接触状態を示す説明図である。  （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。
【図３】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４】図３の変形例を示す正面図である。
【図５】図３の他の変形例を示す正面図である。
【図６】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。
【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である。  （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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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１１】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１２】図１０の写真の画像を、画像処理送付と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。
【図１３】従来の車輪用軸受装置を示す縦断面図である。
【図１４】図１３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。
【符号の説明】
【０１０７】
１・・・・・・・・・・・・・・・内方部材
２・・・・・・・・・・・・・・・ハブ輪
２ａ、３ａ・・・・・・・・・・・内側転走面
２ｂ・・・・・・・・・・・・・・小径段部
２ｃ・・・・・・・・・・・・・・加締部
３・・・・・・・・・・・・・・・内輪
３ｂ・・・・・・・・・・・・・・大外径
４・・・・・・・・・・・・・・・車輪取付フランジ
４ａ・・・・・・・・・・・・・・円孔
４ｂ・・・・・・・・・・・・・・基部
５・・・・・・・・・・・・・・・ハブボルト
６・・・・・・・・・・・・・・・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・・・・・・・・・・・・・・・保持器
８、９・・・・・・・・・・・・・シール
１０・・・・・・・・・・・・・・外方部材
１０ａ・・・・・・・・・・・・・外側転走面
１０ｂ・・・・・・・・・・・・・車体取付フランジ
１０ｃ・・・・・・・・・・・・・内径
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
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
【図１】
2010138939.tif 000007
【図２】
2010138939.tif 000008
【図３】
2010138939.tif 000009
【図４】
2010138939.tif 000010
【図５】
2010138939.tif 000011
【図６】
2010138939.tif 000012
【図７】
2010138939.tif 000013
【図８】
2010138939.tif 000014
【図９】
2010138939.tif 000015
【図１３】
2010138939.tif 000016
【図１４】
2010138939.tif 000017
【図１０】
2010138939.tif 000018
【図１１】
2010138939.tif 000019
【図１２】
2010138939.tif 000020