(57)【要約】【課題】優れた静的強度及び疲労強度を有し、大きな荷重が負荷されても変形や損傷が生じにくく、且つ、加工性に優れるため製造が容易な車輪支持用転がり軸受装置を提供する。【解決手段】車輪支持用転がり軸受装置１のハブ輪２は、炭素の含有量が０．３５質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．５質量％以下、マンガンの含有量が０．８質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下である合金鋼に、加工率３０％以上の冷間加工を施すことにより成形されたものである。また、この合金鋼は、０．２％耐力Ｙｓ（ＭＰａ）とビッカース硬さＨｖとが、Ｙｓ＞２．３×Ｈｖなる式を満足するものである。そして、ハブ輪２には高周波焼入れによる硬化層２２が形成されており、それ以外の非焼入れ部のビッカース硬さＨｖは２２０以上３００以下とされている。【選択図】  図１
2006153188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるとともに、前記内方部材及び前記外方部材の一方が回転輪、他方が固定輪とされる車輪支持用転がり軸受装置において、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方が下記の４つの条件を満足することを特徴とする車輪支持用転がり軸受装置。
条件１：炭素の含有量が０．３５質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．５質量％以下、マンガンの含有量が０．８質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下である合金鋼で構成されている。
条件２：加工率３０％以上の冷間加工で成形されたものである。
条件３：前記軌道面以外の非焼入れ部のビッカース硬さＨｖが２２０以上３００以下である。
条件４：前記合金鋼の０．２％耐力Ｙｓ（ＭＰａ）とビッカース硬さＨｖとが、Ｙｓ＞２．３×Ｈｖなる式を満足する。
【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持する車輪支持用転がり軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受装置は、外周面に軌道面を有する内方部材と、内周面に軌道面を有する外方部材と、内方部材の軌道面と外方部材の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えている。また、内方部材の外周面には、車輪を取り付けるためのフランジが設けられ、外方部材の外周面には、懸架装置を取り付けるためのフランジが設けられている。そして、このような車輪支持用転がり軸受装置はユニット化が進んでおり、前述のフランジは内方部材や外方部材に一体化された構造となっている。
【０００３】
車輪支持用転がり軸受装置を構成するハブ輪（内方部材）は、Ｓ５３Ｃのような機械構造用炭素鋼の中炭素鋼を材料とし、以下のようにして製造される。すなわち、熱間鍛造により所定の形状に成形した後に放冷して、初析フェライトとパーライトとが複合した組織を有する中間素材を製造し、この中間素材に旋削，研削，削孔等を施すことにより仕上げる。
【０００４】
内方部材の軌道面と外方部材の軌道面とには、転動体から高面圧が繰り返し負荷されるので、転がり疲労寿命の確保や嵌合部のフレッチング防止のために、高周波焼入れによる硬化層が形成されている。一方、内方部材及び外方部材のうちフランジを含む大部分は、支持孔やねじ孔を切削する作業を容易にするために、焼入れ，焼戻し処理が施されることはなく、熱間鍛造後に冷却されたままの状態で使用される。しかしながら、これらのフランジにも、車輪旋回や車輪乗り上げの際にはモーメント荷重が加わるため、十分な静的強度及び疲労強度を有することが要求される。
【０００５】
このように、フランジには、優れた加工性と十分な強度という相反する性能が要求されている。このため、従来においては、フランジの肉厚を厚くする等の方法により上記要求に対応していた。
また、特許文献１においては、フランジの根元部に高周波焼入れを施してフランジの根元部の疲労強度を向上させることにより、上記要求に対応している。さらに、特許文献２においては、強度向上に寄与する合金元素を添加した素材を用いて、フランジの強度向上を図ることにより、上記要求に対応している。
【特許文献１】特開平１１−５１０６４号公報
【特許文献２】特開２００４−１１０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したように、フランジは十分な静的強度及び疲労強度を有する必要があるが、特許文献１の方法では、フランジの根元部の疲労強度を向上させることはできるものの、フランジの静的強度を十分に向上させることは困難であった。また、熱処理による変形が大きいため、フランジの振れの原因となるという問題点も有していた。さらに、特許文献２の方法は、素材が特殊材料であるため高価であるという問題点を有していた。
一方、近年における自動車の燃費向上及び走行性能向上の要求に伴って、フランジの薄肉化が検討されている。しかしながら、フランジを薄肉化するということはフランジに加わる応力が大きくなるということを意味するので、フランジの強度が不十分となって不具合が生じやすくなることが懸念される。
【０００７】
例えば、ハブ輪（内方部材）の外周面に設けられたフランジには、車軸とホイールとの間に加わるラジアル荷重が伝わるため、フランジの強度が不十分である場合には、フランジの弾性変形量が無視できない程度に大きくなるおそれがある。そして、この弾性変形量が大きくなった場合には、長期間にわたる使用に伴って、フランジの根元部に亀裂等の損傷が発生したり、あるいは、塑性変形が生じたりして、ハブ輪の外周部に設けたシールリングによるシール性が悪化するおそれがある。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、優れた静的強度及び疲労強度を有し、大きな荷重が負荷されても変形や損傷が生じにくく、且つ、加工性に優れるため製造が容易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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の車輪支持用転がり軸受装置は、外周面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるとともに、前記内方部材及び前記外方部材の一方が回転輪、他方が固定輪とされる車輪支持用転がり軸受装置において、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方が下記の４つの条件を満足することを特徴とする。
【０００９】
条件１：炭素の含有量が０．３５質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．５質量％以下、マンガンの含有量が０．８質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下である合金鋼で構成されている。
条件２：加工率３０％以上の冷間加工で成形されたものである。
条件３：前記軌道面以外の非焼入れ部のビッカース硬さＨｖが２２０以上３００以下である。
条件４：前記合金鋼の０．２％耐力Ｙｓ（ＭＰａ）とビッカース硬さＨｖとが、Ｙｓ＞２．３×Ｈｖなる式を満足する。
【００１０】
以下に、本発明の車輪支持用転がり軸受装置について、前述の各数値（合金鋼中の合金元素の含有量，ビッカース硬さ等）の臨界的意義を中心に詳細に説明する。
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、合金鋼に強度及び焼入れ性を付与するために必要な元素である。車輪支持用転がり軸受装置の製造コストを低減し、且つ、従来の製造方法によって製造された場合と同等以上の性能を得るためには、合金鋼中の含有量を０．３５質量％以上とする必要がある。ただし、含有量が０．７５質量％を超えると、合金鋼の冷間鍛造性が低下して生産性が悪化するおそれがある。
【００１１】
〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、脱酸剤として作用するほか、基地に固溶して転がり疲労寿命を向上させる作用を有する元素である。ただし、合金鋼中の含有量が０．５質量％を超えると、球状化処理後の硬さが高くなりすぎて、合金鋼の被削性及び切断性が低下するおそれがある。
〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、合金鋼の焼入性を向上させる作用を有している。ただし、合金鋼中の含有量が０．８質量％を超えると、加工性が不十分となるおそれがある。
【００１２】
〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、合金鋼の焼入性を向上させる作用を有している。Ｃｒと同様に焼入性向上に効果のあるＭｎに比べて高価であるとともに、合金鋼の冷間加工性を低下させるおそれがあるので、Ｃｒは可能な限り添加しないことが好ましいが、Ｍｎの添加によっては必要な焼入性の確保が困難である場合には、少量の添加は必要である。このような理由から、Ｃｒの含有量は０．５質量％以下とする必要がある。
【００１３】
〔条件３及条件４について〕
車輪支持用転がり軸受装置には、車輪から加わる荷重が負荷されるため、内方部材や外方部材には高い０．２％耐力が必要となる。なお、本発明においては、「０．２％耐力」とは、残留応力歪みが０．２％となる応力を意味する。合金鋼の０．２％耐力は、硬いほど高い傾向があるので、内方部材や外方部材の０．２％耐力を十分なものとするためには、軌道面以外の非焼入れ部のビッカース硬さＨｖを２２０以上とする必要がある。
【００１４】
ただし、合金鋼が硬すぎると、加工性が不十分となるおそれがある。また、水が侵入する環境下で使用される車輪支持用転がり軸受装置においては、合金鋼が硬すぎると、それに起因する遅れ破壊が生じるおそれがある。このようなことから、軌道面以外の非焼入れ部のビッカース硬さＨｖは３００以下とする必要がある。そして、合金鋼の０．２％耐力Ｙｓ（ＭＰａ）とビッカース硬さＨｖとが、Ｙｓ＞２．３×Ｈｖなる式を満足する必要がある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の車輪支持用転がり軸受装置は、優れた静的強度及び疲労強度を有し、大きな荷重が負荷されても変形や損傷が生じにくく、且つ、加工性に優れるため製造が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の一実施形態の構造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両に取り付けた状態において、車両の幅方向外側を向いた部分を外端側部分と称し、幅方向中央側を向いた部分を内端側部分と称する。すなわち、図１においては、左側が外端側となり、右側が内端側となる。
【００１７】
図１の車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２と、内輪３と、外輪４と、二列の転動体５，５と、転動体５を保持する保持器６，６と、を備えている。また、外輪４の内端側部分の内周面と内輪３の内端側部分の外周面との間、並びに、外輪４の外端側部分の内周面とハブ輪２の中間部の外周面との間には、それぞれシール装置７ａ，７ｂが設けられている。
【００１８】
さらに、ハブ輪２の外周面の外端側部分には、図示しない車輪を支持するための車輪取り付け用フランジ１０が設けられている。そして、外輪４の外周面には、車輪取り付け用フランジ１０から離間する側の端部に、懸架装置取り付け用フランジ１３が設けられている。
ハブ輪２の内端側部分には外径の小さい円筒部１１が形成されており、該円筒部１１に内輪３が圧入され、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されている。なお、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが、本発明の構成要件である内方部材に相当し、外輪４が本発明の構成要件である外方部材に相当する。
【００１９】
ハブ輪２の外周面の軸方向中間部及び内輪３の外周面には、それぞれ軌道面が形成されており、ハブ輪２の軌道面は第一内側軌道面２０ａ、内輪３の軌道面は第二内側軌道面２０ｂとされている。また、外輪４の内周面には、前記両内側軌道面２０ａ，２０ｂに対向する軌道面が形成されており、第一内側軌道面２０ａに対向する軌道面は第一外側軌道面２１ａ、第二内側軌道面２０ｂに対向する軌道面は第二外側軌道面２１ｂとされている。さらに、第一内側軌道面２０ａと第一外側軌道面２１ａとの間、及び、第二内側軌道面２０ｂと第二外側軌道面２１ｂとの間には、それぞれ複数の転動体５が転動自在に配置されている。なお、図示の例では、転動体として玉を使用しているが、車輪支持用転がり軸受装置１の用途等に応じて、ころを使用してもよい。
【００２０】
また、ハブ輪２の外周面のうち、円筒部１１の外端に形成された段差部１２の近傍から第一内側軌道面２０ａの近傍までの部分と、外輪４の内周面のうち、第一外側軌道面２１ａの近傍から第二外側軌道面２１ｂの近傍までの部分とには、高周波焼入れによる硬化層２２が形成されている。ハブ輪２及び外輪４のうち硬化層２２が形成されていない部分には焼入れは施されておらず、この非焼入れ部のビッカース硬さＨｖは２２０以上３００以下とされている。そして、内輪３には浸炭処理又は浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施され、第二内側軌道面２０ｂには浸炭処理又は浸炭窒化処理による硬化層（図示せず）が形成されている。
【００２１】
このような車輪支持用転がり軸受装置１を自動車に組み付けるには、懸架装置取り付け用フランジ１３を懸架装置に固定し、車輪を車輪取り付け用フランジ１０に固定する。その結果、車輪支持用転がり軸受装置１によって車輪が懸架装置に対し回転自在に支持される。すなわち、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが回転輪となり、外輪４が固定輪となる。
【００２２】
この車輪支持用転がり軸受装置１においては、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、炭素の含有量が０．３５質量％以上０．７５質量％以下、ケイ素の含有量が０．５質量％以下、マンガンの含有量が０．８質量％以下、クロムの含有量が０．５質量％以下であり、残部が鉄及び不可避的不純物元素である合金鋼で構成されている。また、この合金鋼は、０．２％耐力Ｙｓ（ＭＰａ）とビッカース硬さＨｖとが、Ｙｓ＞２．３×Ｈｖなる式を満足するものである。そして、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、上記のような合金鋼に加工率（冷間加工率）３０％以上の冷間加工を施すことにより成形されたものである。
【００２３】
このような車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２及び外輪４が優れた静的強度及び疲労強度を有しているので、フランジ１０，１３等に過大な荷重（モーメント荷重や衝撃荷重）が負荷されても変形や損傷（割れ等）が生じにくい。よって、肉厚を厚くしたり、製造工程を通常よりも増やすことにより、強度向上を図る必要がない。また、合金鋼の加工性が優れているため、フランジ１０，１３を有するハブ輪２及び外輪４を容易に加工することができる。よって、車輪支持用転がり軸受装置１は、製造が容易である。
【００２４】
以下に、前述のハブ輪２の製造方法の一例を、図２を参照しながら説明する。まず、前述の合金鋼製の圧延鋼板をＡ１変態点以上に加熱した後、５〜３０℃／ｈの冷却速度でＡ１変態点未満の温度に冷却して焼鈍しを施す。次に、この圧延鋼板を打ち抜いて得た円板状の素材（図２の（ａ）を参照）に、深絞りを施して椀型に成形した後（図２の（ｂ）を参照）、底部に貫通孔を形成した（図２の（ｃ）を参照）。そして、ハブ輪２の形状に成形した後（図２の（ｄ）を参照）、ピアッシングによりフランジにボルト孔を設けた（図２の（ｅ）を参照）。前述の合金鋼は加工性に優れているので、このような加工度の高い成形も容易である。また、冷間鍛造で成形することにより、従来の熱間鍛造による成形よりも格段に精度良く成形できるため、切削加工を省略することができる。よって、非焼入れ部の強度向上とともに、製造コストの低減が図られる。
【００２５】
得られたハブ輪２の軌道面を含む外周面に高周波焼入れ及び焼戻しを施して、硬化層２２を形成した後、研削及び超仕上げ又は超仕上げのみを施して、ハブ輪２を完成した。
内輪３及び外輪４もハブ輪２と同様に製造して、これらを組み立てれば、車輪支持用転がり軸受装置１が得られる。
〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。表１に示すような組成の合金鋼の冷間加工性を評価した。以下に、その評価方法について説明する。
【００２６】
【表１】
2006153188.tif 000003
【００２７】
下記の条件で焼鈍しを施した合金鋼から、直径６０ｍｍ，高さ９０ｍｍの円柱状の試験片をプレス成形により作製した。
焼鈍し条件：７２０〜８５０℃で０．５〜１ｈ加熱した後、５〜２０℃／ｈの冷却速度で６５０〜７００℃まで炉冷し、さらに室温まで空冷する。
冷間加工性は、冷間鍛造時の圧力や割れ発生限界評価の指針の一つである据え込み試験における割れ発生限界歪により評価した。前述の試験片に据え込み加工を施し、目視によりクラックの発生が確認された試験片の高さＨｆを測定した。そして、Ｈｆと試験片の初期の高さＨ０（９０ｍｍ）とから、｛（Ｈ０−Ｈｆ）／Ｈ０｝×１００なる式により限界据え込み率を算出した。
【００２８】
図３〜６のグラフに、合金鋼中のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒの含有量と限界据え込み率との関係を示す。図３から、炭素の含有量が低いほど限界据え込み率が高く、冷間加工性に優れていることが分かる。炭素の含有量が０．７５質量％を超えると限界据え込み率が著しく低いため、冷間加工性が低く冷間鍛造時に割れが発生するおそれがある。同様に、図４〜６から、冷間鍛造時の割れを回避するためには、Ｓｉの含有量は０．５質量％以下、Ｍｎの含有量は０．８質量％以下、Ｃｒの含有量は０．５質量％以下とする必要があることが分かる。
【００２９】
次に、表１の合金鋼から前述のようにしてハブ輪を作製し、フランジ変形試験を行ってハブ輪の変形抵抗性を評価した。フランジ変形試験の方法を、以下に説明する。ハブボルト及びナットを用いて、ハブ輪の車輪取り付け用フランジにブレーキロータ及び車輪を１００Ｎ・ｍの力で締結した。ナットを取り外した後、ハブボルトのボルト孔のＰＣＤ位置から１０ｍｍ外方側の位置と１０ｍｍ内方側の位置とにおいて、フランジ面の変形量を測定し、図７に示す最大フランジ変形量を基にして変形抵抗性を求めた。
【００３０】
フランジ変形試験の結果、及び、ハブ輪を作製した際の冷間加工率、ハブ輪の非焼入れ部のビッカース硬さＨｖ、０．２％耐力Ｙｓ（ＭＰａ）とビッカース硬さＨｖとの比Ｙｓ／Ｈｖを、表２にまとめて示す。なお、表２に示した変形抵抗性は、従来の方法で作製した比較例５のハブ輪の変形抵抗性を１とした場合の相対値で示してある。ここで従来のハブ輪の作製方法とは、焼鈍しを施した素材を熱間鍛造により成形した後、旋削，高周波焼入れ，研削，研摩を施すというものである。
【００３１】
【表２】
2006153188.tif 000004
【００３２】
図８のグラフから分かるように、炭素の含有量が０．３５質量％未満であると、変形抵抗性が低かった（すなわち、フランジ面の変形量が大きかった）。また、図９のグラフから分かるように、加工率が３０％未満であると変形抵抗性が低かった。さらに、図１０のグラフから分かるように、非焼入れ部のビッカース硬さＨｖが２２０未満であると変形抵抗性が低かった。さらに、図１１のグラフから分かるように、Ｙｓ／Ｈｖが２．３以下であると変形抵抗性が低かった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の一実施形態の構造を示す断面図である。
【図２】ハブ輪の製造方法を説明する図である。
【図３】合金鋼中の炭素の含有量と限界据え込み率との関係を示すグラフである。
【図４】合金鋼中のケイ素の含有量と限界据え込み率との関係を示すグラフである。
【図５】合金鋼中のマンガンの含有量と限界据え込み率との関係を示すグラフである。
【図６】合金鋼中のクロムの含有量と限界据え込み率との関係を示すグラフである。
【図７】最大フランジ変形量を説明する図である。
【図８】合金鋼中の炭素の含有量と変形抵抗性との関係を示すグラフである。
【図９】冷間加工率と変形抵抗性との関係を示すグラフである。
【図１０】非焼入れ部のビッカース硬さＨｖと変形抵抗性との関係を示すグラフである。
【図１１】Ｙｓ／Ｈｖと変形抵抗性との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１      車輪支持用転がり軸受装置
２      ハブ輪
３      内輪
４      外輪
５      転動体
１０      車輪取り付け用フランジ
１３      懸架装置取り付け用フランジ
２０ａ    第一内側軌道面
２０ｂ    第二内側軌道面
２１ａ    第一外側軌道面
２１ｂ    第二外側軌道面
２２      硬化層
【図１】
2006153188.tif 000005
【図２】
2006153188.tif 000006
【図３】
2006153188.tif 000007
【図４】
2006153188.tif 000008
【図５】
2006153188.tif 000009
【図６】
2006153188.tif 000010
【図７】
2006153188.tif 000011
【図８】
2006153188.tif 000012
【図９】
2006153188.tif 000013
【図１０】
2006153188.tif 000014
【図１１】
2006153188.tif 000015