(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複列の軌道を有する外輪およびフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された軸受ユニット外側部材であって、
軸線を含む断面において、極端に折れ曲がった鍛流線の頂点を結んだ線であり、素材の芯部を示す塑性流れ曲線が、軌道面から１００μｍ以上の深さに存在し、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における前記塑性流れ曲線の方向を示す線である塑性流れを示す直線と、のなす角度が、０°以上５０°以下であることを特徴とする軸受ユニット外側部材。
【請求項２】
請求項１記載の外側部材と、内輪と、転動体を備えたことを特徴とする軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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】
下記の特許文献１には、鍛造工程の条件で変化する内輪および外輪のメタルフロー（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。具体的には、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。メタルフローの角度を前記範囲にするために、素材を半径方向に熱間鍛造し、穴開け加工をした後に、冷間ローリング加工による前記穴を拡径する工程を行っている。
【０００７】
特許文献２には、トロイダル型無段変速機の入力および出力ディスクのトラクション面に、ディスク表面に沿うメタルフロー（トラクション面の接線に対する角度が３０°以下であるメタルフロー）が存在するように構成することで、寿命を長くすることが記載されている。
【特許文献１】特開平８−４２５７６号公報
【特許文献２】特開平１１−１９０４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１および２に記載された技術を、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ユニットに対して適用しても、内部に水が浸入する等の過酷な使用条件下では長い寿命を得ることができないという問題がある。
本発明は、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ユニットにおいて、内部に水が浸入する等の過酷な条件下で使用された場合でも長い寿命が得られるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、複列の軌道を有する外輪およびフランジが一体に、素材の鍛造工程を経て製造された軸受ユニット外側部材であって、軸線を含む断面において、極端に折れ曲がった鍛流線の頂点を結んだ線であり、素材の芯部を示す塑性流れ曲線が、軌道面から１００μｍ以上の深さに存在し、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における前記塑性流れ曲線の方向を示す線である塑性流れを示す直線と、のなす角度が、０°以上５０°以下であることを特徴とする軸受ユニット外側部材を提供する。また、この外側部材と、内輪と、転動体を備えたことを特徴とする軸受ユニットを提供する。
【００１０】
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、フランジと一体化された内輪の軌道溝および外輪の軌道溝の少なくともいずれかは、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、前記断面における塑性流れが軌道面から１００μｍ以上の深さに存在し、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における塑性流れを示す直線と、のなす角度が、０°以上５０°以下であることを特徴とするものが挙げられる。
この車輪支持用軸受ユニットによれば、フランジと一体化された内輪の軌道溝および外輪の軌道溝の少なくともいずれかについて、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、素材の芯部を示す塑性流れの存在位置を軌道面から１００μｍ以上の深さにするとともに、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表層部の塑性流れを示す直線と、のなす角度を０°以上５０°以下にすることにより、これらの条件を満たさない場合と比較して、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。
【００１１】
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。素材の芯部が軌道溝表層部へ出現していることは、軸線を含む断面を腐食させて実体顕微鏡で観察した時に、軌道溝表層部で多数の鍛流線が極端に折れ曲がって方向性を持って並んだ状態になっていることにより確認できる。
【００１２】
この状態になっている軸受ユニット外側部材の例を、図２に示す。図２の符号Ｔが鍛流線であり、図２（ｂ）は（ａ）のＡ部分の拡大図である。
本発明では、極端に折れ曲がった鍛流線Ｔの頂点を結んだ線を「塑性流れ曲線ＬT 」と称し、その方向を示す線を「塑性流れを示す直線ＬS 」と称する。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】
これに対して、本発明によれば、素材の芯部を示す塑性流れの存在位置を軌道面から１００μｍ以上の深さにする（図２でｄ≧１００μｍ）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Ｐでの接線Ｌ0 と、前記断面における塑性流れを示す直線ＬS と、のなす角度θを、０°以上５０°以下にすることにより、これらの条件を満たさない場合と比較して、軌道溝に介在物を起点とした剥離が生じ難くなる。また、塑性流れの存在位置を、軌道面から最大剪断応力深さ（転動体直径の２％）に相当する深さより深い位置にすることが好ましい。
【００１４】
また、車輪支持用軸受ユニットの場合、これらの条件を、図３に示すように、前記断面における転動体３と軌道溝２１ｂとの接触角度が初期接触点（Ｐ0 ）での接触角度（α）の−５°〜＋１０°となる範囲で満たすように限定した。その理由は、組み付け後に付与する予圧により接触角が変化するためと、車両の旋回時にかかる横Ｇによって接触角が大きくなるためである。図３（ａ）は、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 を示し、図３（ｂ）は、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）を示す。
【００１５】
なお、素材の芯部が軌道溝の表層部に存在しない場合（ｄ＞５００μｍの場合）には、前記角度θが５０°を超えても問題ないため、ｄの上限値は５００μｍである。
また、複列の軌道を有する外輪およびフランジが一体化された軸受ユニット外側部材を、素材の鍛造工程を経て製造する方法において、軸線を含む断面における塑性流れが軌道面から１００μｍ以上の深さに存在し、前記断面における軌道溝の転動体接触点での接線と、前記断面における塑性流れを示す直線と、のなす角度が、０°以上５０°以下となるように、前記軌道溝を、仕上げ研削前の熱処理前に冷間ローリング加工することを特徴とする軸受ユニット外側部材の製造方法も挙げられる。
【００１６】
この方法によれば、前記仕上げ研削前の熱処理前の状態で、図４（ａ）に示すように、塑性流れ曲線ＬT が軌道溝２１Ａに向かって延びている状態（素材の芯部が軌道溝２１Ａに出現している状態）の場合に、軌道溝２１Ａを冷間ローリング加工して拡径することにより、図４（ｂ）に示すように、塑性流れ曲線ＬT が軌道溝２１Ａの曲面に沿って延びるようにすることができる。これにより、軌道溝２１Ａの転動体接触点Ｐでの接線Ｌ0 と塑性流れを示す直線ＬS とのなす角度θを、０°以上５０°以下にすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、素材の芯部を示す塑性流れの存在位置を軌道面から１００μｍ以上の深さにするとともに、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、前記断面における塑性流れを示す直線と、のなす角度を、０°以上５０°以下にすることにより、これらの条件を満たさない場合と比較して、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の軌道溝に、介在物を起点とした剥離が生じ難くなる。
【００１８】
よって、この外側部材と、内輪と、転動体を備えた軸受ユニットを、内部に水が浸入する等の過酷な条件下で使用した場合に長い寿命が得られるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態の軸受ユニットを図５に示す。この図は軸線Ｚを含む断面図である。この軸受ユニットは、複列アンギュラ玉軸受の外輪２１にフランジ２２が一体化された形状であり、それぞれ一列の軌道１１ａ，１１ｂを備えた二つの内輪１０ａ，１０ｂと、二列の軌道２１ａ，２１ｂを備えた外輪２１にフランジ２２が一体化された外側部材２と、玉３で構成されている。この軸受ユニットの内径（ｄ）は３８ｍｍであり、外径（Ｄ）は７３ｍｍであり、幅（Ｂ）は４０ｍｍであり、作用点距離（Ｋ）は６５ｍｍである。玉３の直径は１１．１ｍｍである。
【００２０】
この軸受ユニットの寿命試験を図６に示す方法で行うために、図６に示す試験軸受の内輪１０ａと外輪２０ａを以下の方法で作製した。
内輪１０ａは図７に示す方法で作製した。
先ず、図７（ａ）に示すように、山陽特殊製鋼の高清浄度ＳＵＪ２鋼製の円柱状素材（直径３５ｍｍ×軸方向寸法４０ｍｍ）を用意した。次に、２５００ｔｏｎのプレス機（栗本鉄工所製）を用い、この素材を軸方向を上下方向にして上下の金型の間に置き、１１００〜１２００℃で、軸方向寸法が２７ｍｍとなるまで押し潰すことにより、据え込み工程を行い、図７（ｂ）に示す状態にした。
【００２１】
次に、鍛造工程により、図７（ｃ）に示すように、内輪１０ａの軸方向一端が塞がれた形状に成形した。次に、ピアスパンチ工程によりこの閉塞部分１３を除去して、図７（ｄ）に示す形状にした。
次に、８４０℃に１時間加熱した後に冷却する焼入れを行った後、１８０℃で２時間の焼戻し処理を施して、表面硬さをＨＲＣ６１にした。次に、研削加工を行って、軌道１１ａの溝形状を含む各寸法が正確な寸法になるようにした。
【００２２】
外輪２０ａの作製方法は以下の通りである。先ず、図８に示す方法で図５の外側部材２を作製する。
すなわち、図８（ａ）に示すように、Ｓ５３ＣＧ製の円柱状素材として、直径が５０ｍｍで、軸方向寸法が８０ｍｍであるものを用意した。次に、２５００ｔｏｎのプレス機（栗本鉄工所製）を用い、この素材を軸方向を上下方向にして上下の金型の間に置き、１１００〜１２００℃で、軸方向寸法が４５〜４７ｍｍとなるまで押し潰すことにより、据え込み工程を行い、図８（ｂ）に示す状態にした。この工程までは全てのサンプルで同じ条件で行い、下記の鍛造工程および冷間ローリング加工の条件を各サンプルで変えることにより、鍛流線の流れを変化させて、前記角度θおよび距離ｄを変化させた。
【００２３】
次に、鍛造工程により、図８（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した。次に、ピアスパンチ工程により、繋ぎ部分２３を除去して、図８（ｄ）に示す形状にした。
次に、旋削加工によりフランジ２２を除去した後、旋削加工により軌道２１ａ，２１ｂの溝形状を整えた。次に、一部のサンプルについては冷間ローリング加工を行った後に、他のサンプルについては冷間ローリング加工を行わないで、高周波焼入れを行った。次に、１８０℃で２時間の焼戻し処理を施して、表面硬さをＨＲＣ５９にした。次に、研削加工により軌道２１ａ，２１ｂの溝形状を含む各寸法が正確な寸法になるようにした。これにより、図９に示す複列の外輪２１を得た。
【００２４】
次に、図９に示す複列の外輪２１を、放電加工により軸方向で二等分（ラインＨに沿って切断）した。そして、軌道２１ａ側の部分を試験軸受の外輪２０ａとした
なお、実際の外側部材２を作製する場合には、図８（ｄ）に示す形状にした後にフランジ２２を除去しないで、旋削加工により軌道２１ａ，２１ｂの溝形状を整えた後に、高周波焼入れおよび焼戻し処理を施す。
【００２５】
得られた内輪１０ａおよび外輪２０ａを軸線Ｚを含む平面で切断して、軸線Ｚを含む断面を露出させた。この断面を、先ず、飽和ピクリン酸水溶液で腐食させ、次いで、飽和ピクリン酸水溶液に塩化第２鉄を少量混合した液体でさらに腐食させた後、その断面を実体顕微鏡で観察した。この顕微鏡写真を基に、内輪１０ａおよび外輪２０ａの断面に現れた鍛流線Ｔを描き、この鍛流線Ｔに基づいて塑性流れ曲線ＬT を描いた。
【００２６】
その結果、内輪１０ａは、塑性流れ曲線ＬT は厚さ方向中心部付近に存在し、軌道溝１１ａから５００μｍの深さまでには存在していなかった。
外輪２０ａは、軌道溝２１ａの表層部付近に塑性流れ曲線ＬT が存在していたので、図４（ｂ）に示すように、塑性流れ曲線ＬT の方向を示す線である「塑性流れを示す直線ＬS 」と、軌道溝２１ａ（２１Ａ）の転動体接触点Ｐでの接線Ｌ0 を描き、塑性流れを示す直線ＬS と接線Ｌ0 とのなす角度θを測定した。また、塑性流れの存在深さｄとして、軌道溝２１ａ（２１Ａ）の転動体接触点Ｐと、点Ｐの法線Ｈと直線ＬS との交点Ｑとの距離を測定した。その結果を下記の表１に示す。
【００２７】
このようにして得られた１種類の内輪１０ａと、表１に示すようにθおよびｄが異なる３５種類の外輪２０ａと、ＳＵＪ２製で通常の熱処理が施された１種類の玉３を用い、図６に示す試験軸受を、サンプルNo. １〜３５で各１０個組み立てた。
図６に示す試験方法では、先ず、内輪１０ａ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（８８２０Ｎ）を付与した状態で、回転軸Ｊを速度１０００ｍｉｎ-1で回転させる。
【００２８】
また、この試験で使用する試験機を、試験軸受に生じる振動を振動計で常時測定し、外輪２０ａの軌道溝２１ａに剥離が生じて振動計の測定値が一定値を超えると回転を停止するとともに、回転開始から停止までの時間を記録するように構成する。そして、この回転停止までの時間を試験軸受の寿命と、Ｌ10寿命を調べた。さらに、各サンプルのＬ10寿命をNo. ２のＬ10寿命で除算して、「Ｌ10寿命比」を算出した。その結果も下記の表１に併せて示す。
【００２９】
【表１】
0004661409.tif 000002
【００３０】
また、得られたデータのうちｄ≧１００μｍのものを用いて、外輪２０ａの角度θとＬ10寿命比との関係にまとめた。このグラフを図１０に示す。さらに、得られたデータのうち０≦θ≦５０°のものを用いて、外輪２０ａの距離ｄ（塑性流れの軌道面からの深さ）とＬ10寿命との関係にまとめた。このグラフを図１１に示す。
【００３１】
表１および図１０のグラフから分かるように、外輪の距離ｄが１００μｍ以上の場合、外輪の角度θが０〜５０°であると、No. ２の２．２倍〜８．２倍の寿命が得られるが、外輪の角度θが５５°以上であると、No. ２の０．９倍〜１．１倍の寿命となる。
表１および図１１のグラフから分かるように、外輪の角度θが０〜５０°の場合、外輪の距離ｄが１００μｍ以上であるとNo. ２の２．２倍〜８．２倍の寿命が得られるが、外輪の距離ｄが９０μｍ以下であるとNo. ２の０．５倍〜１．１倍の寿命となる。
また、図１１のグラフから、距離ｄが１００μｍ以上で距離ｄが同じ場合には、角度θが小さいほど寿命を長くできることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】小型軽量化された車輪支持用軸受ユニットの一例を示す断面図である。
【図２】塑性流れ曲線、塑性流れを示す線、および塑性流れの軌道面からの深さを説明する断面図である。
【図３】塑性流れの軌道面からの深さを１００μｍ以上、角度θを０°以上５０°以下とする接触角度の範囲を説明する図である。
【図４】冷間ローリング加工による作用および角度θを説明する断面図である。
【図５】実施形態の軸受ユニットを示す断面図である。
【図６】実施形態で行った寿命試験を説明する図である。
【図７】実施形態で採用した軸受ユニットの内輪の作製方法を説明する図である。
【図８】実施形態で採用した軸受ユニットの外側部材の作製方法を説明する図である。
【図９】図５の軸受ユニットの外側部材からフランジを除去した状態を示す断面図である。
【図１０】実施形態で行った寿命試験のデータ（ｄ≧１００μｍ）を、外輪（外側部材）の角度θとＬ10寿命比との関係にまとめたグラフである。
【図１１】実施形態で行った寿命試験のデータ（０≦θ≦５０°）を、外輪（外側部材）の塑性流れの軌道面からの深さ（ｄ）とＬ10寿命との関係にまとめたグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
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
Ｌs   塑性流れを示す直線
Ｌ0   接触点での軌道溝の接線
Ｔ  鍛流線
ＬT   塑性流れ曲線
Ｐ  接触点
Ｐ0   初期接触点
Ｐ1   接触点
Ｐ2   接触点
θ  接線Ｌ0 と塑性流れを示す直線Ｌs とのなす角度
【図１】
0004661409.tif 000003
【図２】
0004661409.tif 000004
【図３】
0004661409.tif 000005
【図４】
0004661409.tif 000006
【図５】
0004661409.tif 000007
【図６】
0004661409.tif 000008
【図７】
0004661409.tif 000009
【図８】
0004661409.tif 000010
【図９】
0004661409.tif 000011
【図１０】
0004661409.tif 000012
【図１１】
0004661409.tif 000013