(57)【要約】【課題】鍛造時の素材変形に伴う材料の流れに着目した方法で、転がり軸受の寿命を長くする。【解決手段】外輪２１の軌道溝２１ａ，２１ｂの転動体接触面の表層部を、円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成する。軸線を含む断面における軌道溝２１ａ，２１ｂの転動体接触点Ｐでの接線Ｌと、前記断面における軌道溝２１ａ，２１ｂの最も表面側の鍛流線Ｔ1 の方向を示す直線Ａ1 とのなす角度（θ）を、０°以上６０°以下とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状素材の鍛造工程を経て製造され、軌道溝の転動体接触面の表層部は、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、
軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下であることを特徴とする転がり軸受の軌道輪。
【請求項２】
請求項１記載の軌道輪を備えた転がり軸受。
【請求項３】
複列の軌道を有する軌道輪およびフランジが一体に、円柱状素材の鍛造工程を経て製造された軌道輪部材であって、
軌道溝の転動体接触面の表層部は、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、
軸線を含む断面における転動体と軌道溝との接触角度が初期接触点での接触角度の−５°〜＋１０°となる範囲で、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下であることを特徴とする軌道輪部材。
【請求項４】
請求項３記載の軌道輪部材を備えたことを特徴とする軸受ユニット。
【請求項５】
複列の軌道を有する内輪、車軸を内嵌するハブ、および車輪側部材を固定するフランジを有し、少なくとも一列の軌道とハブとフランジが一体に、円柱状素材の鍛造工程を経て製造された内側部材と、
複列の軌道を有する外輪および車体側部材を固定するフランジが一体に、円柱状素材の鍛造工程を経て製造された外側部材と、
転動体と、
を備えた車輪支持用軸受ユニットにおいて、
前記内側部材の軌道とハブとフランジが一体化された部材および前記外側部材の少なくともいずれかは、
軌道溝の転動体接触面の表層部が、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、
軸線を含む断面における転動体と軌道溝との接触角度が初期接触点での接触角度の−５°〜＋１０°となる範囲で、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下であることを特徴とする車輪支持用軸受ユニット。
【請求項６】
円柱状素材の鍛造工程を経て転がり軸受の軌道輪を製造する方法において、
軌道溝の転動体接触面の表層部は、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、
軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下となるように鍛造条件を設定することを特徴とする軌道輪の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受および軸受ユニット（複列の軌道を有する外輪およびフランジが一体になっている外側部材と、内輪と、転動体を備えた軸受）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費を向上するために、軽量化を目的とした車輪支持用軸受のユニット化が進んでいる。図１は、ユニット化された車輪支持用軸受の一例を示す断面図である。このユニットは、内側部材１と、外側部材２と、玉（転動体）３と、保持器４と、第１のシール５と、第２のシール６と、スリンガ７とで構成され、玉３が転動する軌道を二列備えている。
【０００３】
内側部材１は、二列の軌道を有する内輪１１、車軸を内嵌するハブ１２、および車輪側部材８を固定するフランジ１３を有する。内側部材１は第１の部材１ａと第２の部材１ｂとからなる。第１の部材１ａは、内輪１１の一方の内輪軌道１１ａの部分とハブ１２とフランジ１３が一体に形成されたもの（ハブ輪）である。第２の部材１ｂは、他方の内輪軌道１１ｂが形成されたリング状部材であって、第１の部材１ａに外嵌されている。
【０００４】
外側部材２は、二列の軌道２１ａ，２１ｂを有する外輪２１と、車体の懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴２２ａが形成されたフランジ２２とが一体に形成されたものである。
このような複雑な形状を有する内側部材１および外側部材２は、従来、０．５質量％程度の炭素を含有する中炭素鋼からなる素材を用い、熱間鍛造で所定形状に加工した後、軌道溝の表層部を高周波焼入れにより硬化させることで製造されている。
【０００５】
また、内部に水が浸入する等の過酷な使用条件に耐えることができるように、車輪支持用軸受ユニットの寿命向上要求が高まっている。この要求に応える方法としては、特定の合金成分を含有した鋼からなる素材を用いる方法や、清浄度の高い鋼からなる素材を用いる方法があるが、これらの方法には、素材が調達しにくくなる、生産性が低減する、コストが上昇する等の問題がある。
【０００６】
これに対して、下記の特許文献１および２には、鍛造工程の条件で変化するメタルフロー（鍛流線）の向きを特定範囲に設定することにより、転がり軸受の寿命を長くすることが開示されている。特許文献１では、回転軸を含む断面におけるメタルフローの当該回転軸に対する角度の最大値を１０°以上５０°以下に設定している。特許文献２では、転動体の公転方向に対するメタルフローの角度を±１５°以内に設定している。
【特許文献１】特許第３１２３０５５号公報
【特許文献２】特開平８−４２５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、鍛造時の素材変形に伴う材料の流れに着目した方法ではあるが、特許文献１および２とは異なる方法で転がり軸受の寿命を長くすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、円柱状素材の鍛造工程を経て製造され、軌道溝の転動体接触面の表層部（例えば、表面から最大剪断応力深さまでの範囲）は、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下であることを特徴とする転がり軸受の軌道輪を提供する。また、この軌道輪を備えた転がり軸受を提供する。
【０００９】
本発明はまた、複列の軌道を有する軌道輪およびフランジが一体に、円柱状素材の鍛造工程を経て製造された軌道輪部材であって、軌道溝の転動体接触面の表層部は、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、軸線を含む断面における転動体と軌道溝との接触角度が初期接触点での接触角度の−５°〜＋１０°となる範囲で、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下であることを特徴とする軌道輪部材を提供する。また、この軌道輪部材を備えたことを特徴とする軸受ユニットを提供する。
【００１０】
本発明はまた、複列の軌道を有する内輪、車軸を内嵌するハブ、および車輪側部材を固定するフランジを有し、少なくとも一列の軌道とハブとフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された内側部材と、複列の軌道を有する外輪および車体側部材を固定するフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された外側部材と、転動体と、を備えた車輪支持用軸受ユニットにおいて、前記内側部材の軌道とハブとフランジが一体化された部材および前記外側部材の少なくともいずれかは、軌道溝の転動体接触面の表層部が、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、軸線を含む断面における転動体と軌道溝との接触角度が初期接触点での接触角度の−５°〜＋１０°となる範囲で、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下であることを特徴とする車輪支持用軸受ユニットを提供する。
【００１１】
本発明はまた、円柱状素材の鍛造工程を経て転がり軸受の軌道輪を製造する方法において、軌道溝の転動体接触面の表層部は、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成され、軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が、０°以上６０°以下となるように鍛造条件を設定することを特徴とする軌道輪の製造方法を提供する。
【００１２】
複列の軌道輪と単列の軌道輪とを比較した場合や、軌道輪にフランジが一体化されている軸受部材とフランジがない軌道輪のみの軸受部材とを比較した場合に、これらが円柱状素材の鍛造工程を経て製造されていると、より複雑な形状である「複列の軌道輪」および「軌道輪にフランジが一体化されている軸受部材」は、鍛造工程で素材の芯部（中心付近の部分）が軌道溝表層部に出現し易くなる。
ここで、素材の芯部（中心付近の部分）は、周辺の部分よりも非金属介在物が存在しやすい（清浄度が低い）ため、芯部が軌道溝表層部に存在すると、介在物を起点とした剥離が生じやすい。
【００１３】
本発明によれば、軌道溝の転動体接触面の表層部が、前記円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成されているため、前記接触面の表層部に介在物が存在し難い。また、軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度が０°以上６０°以下であるため、前記角度が６０°を超えた場合と比較して軌道溝に剥離が生じ難い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、円柱状素材の鍛造工程を経て製造された軌道輪（外側部材）の軌道溝の転動体接触面の表層部を、円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成するとともに、軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度を０°以上６０°以下とすることにより、転がり軸受（軸受ユニット）の寿命を長くすることができる。
【００１５】
本発明の車輪支持用軸受ユニットによれば、円柱状素材の鍛造工程を経て製造された内側部材の軌道とハブとフランジが一体化された部材および外側部材の少なくともいずれかについて、軌道溝の転動体接触面の表層部を、円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成するとともに、軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線の方向を示す直線と、のなす角度を０°以上６０°以下とすることにより、内部に水が浸入する等の過酷な使用条件での寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態では、図１の車輪支持用軸受ユニットの外側部材２を、図２に示す方法で作製した。これにより、外輪２１の軌道溝２１ａ，２１ｂの転動体接触面の表層部（表面から最大剪断応力深さまでの範囲）を、円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成した。また、図３に示すように、軸線を含む断面における軌道溝２１ａ，２１ｂの転動体接触点Ｐでの接線Ｌと、前記断面における軌道溝２１ａ，２１ｂの最も表面側の鍛流線Ｔ1 の方向を示す直線Ａ1 とのなす角度（θ）を、０°以上６０°以下とした。
【００１７】
図２の方法では、先ず、図２（ａ）に示すように、円柱状の素材を用意し、据え込み工程により、円柱の軸方向両側から押し潰す。これにより、図２（ｂ）に示す状態とする。次に、鍛造工程により、図２（ｃ）に示すように、フランジ２２と外輪２１と、両軌道の間の部分２１０を繋ぐ部分２３とが一体化された形状に成形する。次に、ピアスパンチ工程により、繋ぎ部分２３を除去して、図２（ｄ）に示す形状とする。
【００１８】
図２の方法で、据え込み工程での素材の径と長さの比率を調整し、鍛造工程での前記部分２３の形成位置および厚さを調整すること等によって、外輪２１の軌道溝２１ａ，２１ｂの転動体接触面の表層部を、円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成されるように、且つ角度θが０°以上６０°以下となるようにすることができる。
【００１９】
なお、図１の車輪支持用軸受ユニットは予圧を付与して使用することから、予圧量によって接触角が変化するため、前記角度θを０°以上６０°以下とする範囲を、図４（ａ）に示すように、初期接触点（予圧を付与する前の軌道溝２１ｂと転動体３との接触点）Ｐ0 の位置だけでなく、図４（ｂ）に示すように、接触角度が初期接触点での値（α）の−５°〜＋１０°となる範囲Ａ（接触点Ｐ1 〜Ｐ2 の範囲）とすることが好ましい。
【００２０】
ここで、ＳＵＪ２製の円柱状素材（直径１３０ｍｍ）の径方向における介在物の分布状態を調べたところ、図５に示すグラフが得られた。このグラフの横軸「素材の径方向位置（％）」は、図６に示すように、円柱状素材の径方向Ｋにおける中心Ｏからの距離の半径に対する割合である。このグラフの縦軸「介在物数（個）」は、観察面積３００ｍｍ2 に存在している直径１０μｍ以上の介在物の数であり、実際に光学顕微鏡で円柱状素材の径方向各位置での介在物を、観察領域が重ならないように、合計観察面積が３００ｍｍ2 になるまで複数回観察して得た結果を示している。
図５のグラフから分かるように、軌道溝の転動体接触面の表層部を、円柱状素材の径方向で中心から半径の４０％となる位置より外側の部分のみで形成することによって、前記表層部の介在物密度が著しく低くなり、介在物を起点とした剥離が生じ難くなる。
【実施例】
【００２１】
図７に示す方法で、試験軸受による寿命試験を行った。試験軸受は、内輪１０、外輪２０、玉３０からなるフラットワッシャータイプのスラスト軸受である。内輪１０は、回転軸Ｊを内嵌する中心穴１０ａを有する円板状部材であり、円板面に軌道溝１０ｂが形成されている。外輪２０は、内輪１０と同じ直径の円板状に形成されており、軌道溝は設けていない。よって、外輪２０ではフラットな円板面に玉３０が接触する。外輪２０の玉３０が接触する面の両端位置（軌道面の範囲）を「Ｍ」で示す。
【００２２】
この外輪２０として、表１に示すNo. １〜１０の構成の試験片を、以下の方法で作製した。
先ず、ＳＵＪ２製であるが、鋼中の酸素（Ｏ）含有率および硫黄（Ｓ）含有率が異なり、鍛流線が軸方向と垂直な円柱状素材を用意した。次に、以下の方法で、この円柱状素材から円板状の試験片を切り出した。
試験片の切り出し方を図８を用いて説明する。図８では、鍛流線を「Ｔ」で、円筒状素材を「Ｅ1 」「Ｅ2 」で示す。各サンプルで、角度θと、軌道面端部（点Ｍ）の円柱状素材の径方向Ｋにおける中心Ｏからの距離Ｄ、の半径Ｒに対する比（Ｄ／Ｒ）を、表１に示すように変化させた。θ＝０の場合は両方の端点「Ｍ」が径方向Ｋで同じ位置にあるが、θ≠０の場合は異なる位置にある。よって、θ≠０の場合の比（Ｄ／Ｒ）は、軌道面の最も素材中心に近い位置（点Ｍ1 ）での値である。
【００２３】
使用する円筒状素材の直径は、試験片の直径とθによって異なる。図８（ａ）に示す例では、この円筒状素材Ｅ1 からθ＝５５°でＨ＝５０％の試験片は切り出せないが、例えば図８（ｂ）に示すように、より直径の大きな円筒状素材Ｅ2 であれば、切り出すことができる。
次に、切り出した各試験片に、８３０〜８５０℃で０．５〜１時間加熱した後に油冷却する焼入れを行った後、１６０〜２００℃で２時間の焼戻し処理を施して、表面硬さをＨＲＣ６１以上にした。
【００２４】
内輪１０および玉３は、ＳＵＪ２製で通常の熱処理をしたものを用いた。また、玉３を４個使用し、玉３のＰＣＤ（ピッチ円直径）を３８．５ｍｍとした。
そして、図７に示す方法で、この試験軸受の寿命試験を行った。先ず、内輪１０に回転軸Ｊを取り付けた状態で試験軸受を容器Ｙ内に置く。この状態で、容器Ｙ内に、潤滑油「ＶＧ１０」に水を５質量％混合した液体Ｅを入れ、液体Ｅ内に試験軸受全体が浸るようにする。次に、回転軸Ｊの上からアキシャル荷重Ｐａ（２９４０Ｎ）を付与した状態で、回転軸Ｊを速度１０００ｍｉｎ-1で回転させる。そして、剥離が発生するまでの時間を調べて、この時間を応力繰り返し数に換算し、この応力繰り返し数（ｃｙｃｌｅ）を寿命（転がり疲れ寿命）とした。
【００２５】
その結果を下記の表１に併せて示す。また、この結果から、角度θが６０°以下であるNo. １〜４とNo. ６〜９のデータを用いて、外輪の比（Ｄ／Ｒ）と寿命との関係を示すグラフを作成した。このグラフを図９に示す。さらに、この結果から、比（Ｄ／Ｒ）が４０％を超えるNo. ３〜１０のデータを用いて、外輪の角度θと寿命との関係を示すグラフを作成した。このグラフを図１０に示す。
【００２６】
また、この結果から、角度θが６０°以下で比（Ｄ／Ｒ）が４０％を超えるNo. ３〜４とNo. ６〜９のデータを用いて、外輪の鋼中酸素含有率と寿命との関係を示すグラフを作成した。このグラフを図１１に示す。さらに、この結果から、角度θが６０°以下で比（Ｄ／Ｒ）が４０％を超えるNo. ３〜４とNo. ６〜９のデータを用いて、外輪の鋼中硫黄素含有率と寿命との関係を示すグラフを作成した。このグラフを図１２に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図９のグラフから分かるように、外輪の比（Ｄ／Ｒ）が大きいほど、すなわち、外輪の軌道面が円筒状素材の芯部でなく周辺部側の部分のみからなるようにすることで、寿命が長くなる。特に、比（Ｄ／Ｒ）が４３％以上であると、寿命が１．７×１０7 ｃｙｃｌｅ以上となるが、比（Ｄ／Ｒ）が３６％以下では、寿命が０．４８×１０7 ｃｙｃｌｅ以下であった。
図１０のグラフから分かるように、外輪のθが小さいほど寿命が長くなる。特に、θが５５°以下であると、寿命が１．７×１０7 ｃｙｃｌｅ以上となるが、θが６５°以上であると寿命が０．７７×１０7 ｃｙｃｌｅ以下であった。
図１１および１２のグラフから分かるように、外輪の鋼中酸素含有率および鋼中硫黄含有率が低いほど寿命は長くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ユニット化された車輪支持用軸受の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の軸受ユニット外側部材の作製方法を説明する図である。
【図３】軸線を含む断面における軌道溝の転動体接触点Ｐでの接線Ｌと、前記断面における軌道溝の最も表面側の鍛流線Ｔ1 の方向を示す直線Ａ1 とのなす角度（θ）を説明する断面図である。
【図４】外輪の角度θを０°以上３０°以下とする接触角度の範囲を説明する図である。
【図５】円柱状素材の径方向における介在物の分布状態を示すグラフである。
【図６】図５の横軸「素材の径方向位置（％）」を説明する図である。
【図７】実施例で行った寿命試験を説明する図である。
【図８】実施例で作製した試験片の切り出し方を説明する図である。
【図９】実施例で行った寿命試験のデータを、外輪の比（Ｄ／Ｒ）と寿命との関係にまとめたグラフである。
【図１０】実施例で行った寿命試験のデータを、外輪のθと寿命との関係にまとめたグラフである。
【図１１】実施例で行った寿命試験のデータを、外輪の鋼中酸素含有率と寿命との関係にまとめグラフである。
【図１２】実施例で行った寿命試験のデータを、外輪の鋼中硫黄含有率と寿命との関係にまとめグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１  内側部材
１ａ  第１の部材（ハブ輪）
１ｂ  第２の部材
１１ｂ  内輪軌道
１１  内輪
１２  ハブ
１３  フランジ
２  外側部材
２１  外輪
２１ａ  軌道溝
２１ｂ  軌道溝
２２ａ  懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴
２２  フランジ
３  玉（転動体）
４  保持器
５  第１のシール
６  第２のシール
７  スリンガ
８  車輪側部材
Ａ1   Ｔ1 の方向を示す直線
Ｌ  接触点での軌道溝の接線
ＬS0  塑性流れを示す直線の平行移動線
Ｋ  円柱状素材の径方向
Ｐ  接触点
Ｐ0   初期接触点
Ｐ1   接触点
Ｐ2   接触点
Ｔ  鍛流線
Ｔ1   最も表面側の鍛流線
θ  直線Ａ1 と接線Ｌとのなす角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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