(57)【要約】【課題】  各部位の強度を増大させることにより、より信頼性が高く、軽量化可能な車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する。【解決手段】  外周面に軌道面２１を有し、車輪に取り付けられるハブ輪２と、外周面に軌道面３１を有しかつ該ハブ輪２に一体的に固定される内輪３と、内周面に軌道面４１，４２を有し、ハブ輪２の外方に配される固定輪４と、ハブ輪２及び内輪３の軌道面２１，３１と固定輪４の軌道面４１，４２との間に転動自在に配される複数の転動体５と、を備え、転動体５の転動を介してハブ輪２が回転する車輪支持用転がり軸受ユニット１において、ハブ輪２を、炭素含有量が０．４５質量％以上０．６０質量％以下の鋼で構成し、その外周面のうちの軌道面２１以外の焼入された部分の内少なくとも一部分を、残留圧縮応力が５００ＭＰａ以上とし、軌道面２１の残留オーステナイト量を３体積％以上とする。これにより、強度が向上する。【選択図】図１
2005240879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に軌道面を有し、車輪に取り付けられるハブ輪と、内周面に軌道面を有し、前記ハブ輪の外方に配される固定輪と、前記ハブ輪の軌道面と前記固定輪の軌道面との間に転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記転動体の転動を介して前記ハブ輪が回転する車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、
前記ハブ輪は、炭素含有量が０．４５質量％以上０．６０質量％以下である鋼で構成され、
前記ハブ輪の外周面のうち前記軌道面以外の少なくとも一部分は、焼入されかつ残留圧縮応力が５００ＭＰａ以上であり、
前記ハブ輪の軌道面は、残留オーステナイト量が３体積％以上であることを特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車輪支持用転がり軸受ユニットに関し、特に優れた強度を有し、長寿命な車輪支持用転がり軸受ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車輪は、車輪支持用転がり軸受ユニットを介して車体の懸架装置に回転可能に支持されている。
図７に、従来の車輪支持用転がり軸受ユニットの一例を示す。この車輪支持用転がり軸受ユニット１００は、ハブ輪２００と、内輪３００と、固定輪４００と、複数個の転動体５００と、保持器９１０と、を備える。
【０００３】
このハブ輪２００の外周面の外端部（本明細書において、外端側とは、車輪支持用転がり軸受ユニットを自動車に組み付けた状態で自動車の幅方向外寄りとなる側を言い、図７の左側となる。反対に幅方向中央寄りとなる側を内端側と言い、図７の右側となる。）には、車輪を支持するためのフランジ２６０が形成されている。また、このハブ輪２００は、外周面の軸方向中間部に軌道面２１０を有し、円筒形状の内端部に外径寸法の小さな段部２２０を形成している。この段部２２０には、内輪３００が嵌合している。内輪３００は、その外周面に軌道面３１０を有しており、従って内輪３００がハブ輪２００に嵌合した状態では２つの軌道面２１０，３１０が並んで配される。また、ハブ輪２００の内端部は、直径方向外方にかしめ広げられてかしめ部２４０を形成しており、これにより、段部２２０に嵌合する内輪３００が所定位置に固定されている。
【０００４】
固定輪４００は、ハブ輪２００の軌道面２１０と対向する第１の軌道面４１０及び内輪３００の軌道面３１０に対向する第２の軌道面４２０をその内周面に有し、ハブ輪２００及び内輪３００の外方に配されている。この固定輪４００の外周面の内端部には、固定輪４００を懸架装置に取り付けるためのフランジ４３０が形成されている。
そして、ハブ輪２００及び内輪３００の軌道面２１０，３１０と固定輪の軌道面４１０，４２０との間には、転動体５００がそれぞれの列に複数個ずつ設けられており、この２列の転動体５００列の転動を介して車輪支持用転がり軸受ユニット１００が回転可能になっている。このような車輪支持用転がり軸受ユニット１００を自動車に組み付ける際には、固定輪４００を自動車の懸架装置に固定し、ハブ輪２００を車輪に固定する。これにより、車輪が懸架装置に対し回転自在に支持される。なお、このような車輪支持用転がり軸受ユニットの例は特許文献１に示されている。
【０００５】
上記の車輪支持用転がり軸受ユニット１００において、複雑な形状を有するハブ輪２００は、熱間鍛造性や切削性の観点から、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼で構成される。また、熱間鍛造後の放冷により中炭素鋼には室温で初析フェライト＋パーライト組織が形成されており、そのうち大部分は焼入れ、焼き戻しをすることなく使用される。
しかしながら、ハブ輪２００が回転している状態において車両支持用軸受ユニット１００は、路面からラジアル荷重を受け、さらに車体の旋回時には路面からアキシアル荷重を受けるため、特にハブ輪２００のフランジ２６０の基端部及びパイロット内径２８０部に、繰り返しの曲げ応力が発生する。あるいは、車体の衝突時においては、嵌合する内輪３００を介して、ハブ輪２００の段差面２３０の基端部やかしめ部２４０には、段部２２０を軸方向に押し広げるように衝撃荷重が発生する。
【０００６】
また、ハブ輪２００の外周面には前述のように軌道面２１０が形成されており、この軌道面２１０にも繰り返しの荷重が加えられている。
したがって、従来においては、図７に示すようにハブ輪２００の外周面のうちフランジ２６０の内側基端部、軌道面２１０から段部２２０までの領域に、上記熱間鍛造後に高周波焼入れを行って硬化層Ｔを形成することなどにより、（１）転動疲労に対する寿命の確保、（２）曲げ及び衝撃に対する強度の確保、及び、（３）内輪３００の嵌合部分のフレッチング防止を図っている。
【特許文献１】特開平１０−３３２７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年、自動車の燃費向上のため、車輪支持用転がり軸受ユニット１００の軽量化を目的としてフランジ２６０，４３０の薄肉化等が進められている。
しかしながら、薄肉化した場合には、前述のようにフランジ２６０，４３０の基端部及びパイロット内径２８０部に加わる曲げ応力や、段差面２３０の基端部やかしめ部２４０に加わる衝撃荷重はさらに大きくなるため、前述のように高周波焼入れを行っても強度が不十分となる。また、ハブ輪２００には、多くの段部が存在しており溝底に生じる応力は大きいので、十分な強度が要求される。
【０００８】
さらに、高周波焼入れを行った部分は、転動疲労強度を確保するため低温の焼き戻しが行われているので、焼入れ、焼き戻しを行わない場合に比べて転動疲労強度は大きいが、硬質部材ゆえ比較的靭性値が低く、表面に欠陥等の切欠きが存在する場合にはその強度が大きく低下する。特に薄肉化した場合には応力が増大するため、わずかなキズ等から破損に至る可能性が大きくなる。このため、このような強度の低下を防ぐために、軌道面のみでなく軌道面以外の部分についても研磨仕上げを行って、切欠きを除く必要があった。
また、高周波焼入れする際には、過熱が生じやすいので、結晶粒の粗大化とともに強度低下が引き起こされることがあった。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、各部位の強度を増大させることにより、より信頼性が高く、軽量化可能な車輪支持用転がり軸受ユニット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】
【０００９】
本発明の請求項１による車輪支持用転がり軸受ユニットは、外周面に軌道面を有し、車輪に取り付けられるハブ輪と、内周面に軌道面を有し、前記ハブ輪の外方に配される固定輪と、前記ハブ輪の軌道面と前記固定輪の軌道面との間に転動自在に配設される複数の転動体と、を備え、前記転動体の転動を介して前記ハブ輪が回転する車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記ハブ輪は、炭素含有量が０．４５質量％以上０．６０質量％以下である鋼で構成され、前記ハブ輪の外周面のうち前記軌道面以外の少なくとも一部分は、焼入れされかつ残留圧縮応力が５００ＭＰａ以上であり、前記ハブ輪の軌道面は、残留オーステナイト量が３体積％以上であることを特徴とする。
【００１０】
前述のように、車輪支持用転がり軸受ユニットの信頼性を向上させるためには、特に（１）転動疲労に対する強度（２）曲げや衝撃に対する強度の向上が不可欠である。本発明者らは、ハブ輪の外周の焼入面に残留圧縮応力を付与すれば、その外周の焼入面における亀裂の発生や亀裂の進展を防止することができ、強度の向上に有効であると考え、残留圧縮応力と回転曲げ強度や転動疲労寿命との関係を明らかにした。以下、残留圧縮応力、残留オーステナイト量及び炭素含有量の臨界的意義とともに説明する。
【００１１】
［表面残留圧縮応力について：５００ＭＰａ以上］
残留圧縮応力が付与された材質について回転時の曲げに対する強さを調べるために、種々の表面状態を呈する試験片に種々の残留圧縮応力を付与し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４に規定された方法に準拠して行った回転曲げ疲労試験の結果を図２に示す。試験結果は、比較例３の回転曲げ疲労強度を１とした場合の相対値で示した。また、残留圧縮応力の値は残留応力の負の値として示されるものであり、残留応力の負の値が小さいほど残留圧縮応力は大きく、残留圧縮応力の大きさは残留応力の絶対値の大きさに対応する。なお、試験条件は以下のとおりである。
試験機：小野式回転曲げ疲労試験機
回転速度：３０００ｍｉｎ-1
試験片の表面状態：
１．０．１ｍｍの脱炭層を形成
２．旋盤仕上げにより表面粗さが２μｍＲａである
３．粒度番号３の過熱組織を形成
【００１２】
同図に示すように、表面の残留圧縮応力が５００ＭＰａ以上であると、表面の仕上げの粗さや過熱組織の有無にかかわらず回転曲げ疲労強度が大きな値で安定している。ただし、表面に脱炭層が存在している場合は、残留圧縮応力が５００ＭＰａ以上になっても回転曲げ疲労強度がそれほど向上しない。このため、ショットピーニング加工により残留圧縮応力を付与する場合には、鍛造あるいは熱処理で形成された脱炭層は、ショットピーニング加工の前に除去することが望ましい。
【００１３】
［軌道面の残留オーステナイト量について：３体積％以上］
上述のように、付与された残留圧縮応力が大きくなると、回転曲げ疲労強度や衝撃強度は向上する。しかし、付与された残留圧縮応力があまりに大きくなると、軌道面の残留オーステナイト量は少なくなる。図３は、表１に示すような合金元素を含有する鋼よりなる材料Ａ，Ｂ，Ｃの表面のショットピーニング加工を行った後における残留圧縮応力（最大残留圧縮応力）と残留オーステナイト量との関係を示すグラフである。
【００１４】
【表１】
2005240879.tif 000003
【００１５】
図３に示されるように、どの材料を用いた場合においても、両者には良好な直線関係が成立し、残留圧縮応力の値が増大すると残留オーステナイト量が減少することが分かる。
さらに、図４には、残留オーステナイト量と転動疲労寿命との関係を調べるために行った寿命試験の結果を示す。軌道面の残留オーステナイト量が種々の値を有する内輪及び外輪でスラスト軸受（呼び番号：５１３０５）を構成し、該スラスト軸受を回転させることにより寿命試験を行った。
回転速度：３０００ｍｉｎ-1
最大面圧：１．０ＧＰａ
潤滑剤：摩耗粉入り  ＦＢＫオイル  ＲＯ６８（新日本石油株式会社製）
試験数：１種のスラスト軸受につき１５個
【００１６】
試験結果は、各種のスラスト軸受について、９０％のスラスト軸受の軌道面に剥離が生じる時間をＬ10寿命として求め、軌道面の残留オーステナイト量が３体積％のスラスト軸受のＬ10寿命を１とした場合の相対値で示した。図４から明らかなように、残留オーステナイト量が３体積％未満であると、転動疲労寿命が短いことが分かる。このため、ハブ輪は、軌道面の残留オーステナイト量が３体積％以上となるようにする必要がある。特に、残留圧縮応力を付与するための処理を行った場合には前述の残留圧縮応力と残留オーステナイト量との関係から残留オーステナイト量が減少するが、この場合にも軌道面の残留オーステナイト量を３体積％以上としなければならない。このとき付与する残留圧縮応力は１０００ＭＰａ以下である（図３参照）。また、残留オーステナイト量は材料となる鋼の炭素含有量に依存するが、後述するように本発明のハブ輪の構成材料として適切な炭素鋼であれば残留オーステナイト量が７体積％を超えることはないので、残留オーステナイト量は７体積％以下であることが好ましい。
【００１７】
なお、転動疲労強度を確保するため、例えば軌道面を含むハブ輪の外周の焼入面にショットピーニング加工を行なった後には、軌道面を研磨し、表面粗さを０．１μｍＲａよりも小さくすることが好ましい。この理由は、ショットピーニング加工により表面粗さが大きくなると、該表面を起点として剥離が発生するからである。また、軌道面の表面粗さは、０．０１２μｍＲａよりも大きいことが好ましい。そうすれば、低コストで所定表面粗さに加工することができる。
【００１８】
［炭素含有量について：０．４５質量％以上０．６０％質量以下］
炭素含有量が０．４５質量％より少ないと、焼入れを行っても軌道面の硬さが不十分となるため転動疲労寿命が短い。一方、０．６０質量％を超えると硬さが大きくなるので、切削性等の加工性に劣る。
なお、本発明の適用は、ハブ輪が内方に配され、固定輪が外方に配される車輪支持用転がり軸受ユニットに限定されず、ハブ輪が外方に配され、固定輪が内方に配されるものに適用してもよい。この場合には、ハブ輪は、内周面のうち軌道面以外の部分の残留圧縮応力が５００ＭＰａ以上であり、かつ、その内周面に有する軌道面の残留オーステナイト量が３体積％以上であり、固定輪は、外周面に軌道面を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットによれば、ハブ輪の外周の焼入された面の少なくとも一部分に残留圧縮応力が付与されているので、疲労強度、曲げ及び衝撃強度が大きく、信頼性が高い。また、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットであれば、さらなる軽量化を達成することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１に本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニット１を示す。図１の車輪支持用転がり軸受ユニット１は、図７に示した車輪支持用転がり軸受ユニットと略同様の構成を有するものであり、ハブ輪２と、内輪３と、固定輪４と、複数個の転動体５と、保持器９１と、を備える。
【００２１】
このハブ輪２の外周面には、車輪を支持するためのフランジ２６が外端部（図１の左側の端部）に形成され、軌道面２１が軸方向中間部に形成され、円筒形状の内端部（図１の右側の端部）に外径寸法の小さな段部２２が形成されている。さらに、この段部２２には内輪３が嵌合している。内輪３は、その外周面に軌道面３１を有しており、従って内輪３がハブ輪２に嵌合した状態では２つの軌道面２１，３１が並んで配される。また、段部２２の内端には、円筒形状が直径方向外方にかしめ広げられてなるかしめ部２４が形成されており、これにより、段部２２に嵌合する内輪３が所定位置に固定されている。なお、本実施形態では、かしめにより内輪３を固定しているが、かしめに限らずナット等で内輪３を固定してもよい。
【００２２】
固定輪４は、ハブ輪２の軌道面２１と対向する第１の軌道面４１及び内輪３の軌道面３１に対向する第２の軌道面４２をその内周面に有し、ハブ輪２及び内輪３の外方に配されている。この固定輪４の外周面の内端部には、固定輪４を懸架装置に取り付けるためのフランジ４３が形成されている。
そして、ハブ輪２及び内輪３の軌道面２１，３１と固定輪４の軌道面４１，４２との間には、転動体５がそれぞれの列に複数個ずつ設けられており、この２列の転動体５列の転動を介してハブ輪２が回転可能になっている。なお、図示の例では、転動体５として玉を使用しているが、重量の嵩む自動車用の転がり軸受ユニットの場合には、これら転動体としてテーパころを使用する場合もある。
【００２３】
上記のような本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニット１において、ハブ輪２は、前述の表１に示すような合金元素を含有する鋼よりなる材料Ａ，Ｂ，Ｃで構成し、該材料Ａ，Ｂ，Ｃの鍛造後に焼入れを行い、さらに表２に示す条件で、大きな残留圧縮応力を付与するためのショットピーニング加工を行うことにより作製した。この焼入れ及びショットピーニング加工を行った部分は、ハブ輪２の外周面のうち、かしめ部２４を除く、フランジ２６の内側基端部から段部２２に至るまでの領域である（図１に網掛けで示す）。このように、フランジ２６の内側基端部や段差面２３の基端部に残留圧縮応力を付与することにより曲げ及び衝撃強度を高めることができ、さらに並んで配される２つの軌道面２１，３１の間にも残留圧縮応力を付与すれば疲労強度を高めることができる。なお、上記の領域全てに残留圧縮応力を付与する必要はなく、フランジ２６の内側基端部のみ等に残留圧縮応力を付与してもよい。また、図１において軌道面２１には網掛けを付していないが、これは焼入れ及びショットピーニング加工後に研磨し、所定の表面粗さとしているためであり、軌道面２１にも残留圧縮応力は付与されている。また、同図では加工を容易にするため、かしめ部２４に焼き入れ及びショットピーニング加工を行っていないが、焼き入れ及びショットピーニング加工を行ってもよい。
【００２４】
【表２】
2005240879.tif 000004
【００２５】
表３には、上記のようにして種々の材料に種々のショットピーニング加工を施して作製したハブ輪２の外周面の残留圧縮応力及び軌道面２１の残留オーステナイト量の値を示す。
【００２６】
【表３】
2005240879.tif 000005
【００２７】
表３中の外周面の残留圧縮応力（最大残留圧縮応力）及び軌道面２１の残留オーステナイト量はＸ線回折により測定した値である。
なお、本発明ではハブ輪２の外周面に残留圧縮応力を付与しているが、さらに固定輪４の内周面のうちの両軌道面４１，４２の間等に残留圧縮応力を付与してもよい。これにより、固定輪４の強度の向上を図ることができ、車輪支持用転がり軸受ユニット１は長寿命となる。
【００２８】
［疲労試験について］
上記実施形態と同様にして表３に示す材料及びショットピーニング加工条件で作製したハブ輪２を図５の試験機に組み込んで、転動疲労試験を行った。同図の試験機においては、車輪支持用転がり軸受ユニット１の固定輪４が受け部材６に嵌合、固定されており、固定輪４の内方に配されたハブ輪２が図示せぬ駆動モータに取り付けられて回転するようになっている。また、フランジ２６にはアキシアル荷重Ｆａが図５の矢印で示す方向に負荷されている。なお、この車輪支持用転がり軸受ユニット１は、転動体５列の軸方向の間隔が６０ｍｍ、転動体５数が１２個の複列玉軸受形式であり、図１と略同様の構成を有するものであるので、図中には対応する構成部材に同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２９】
本試験の条件は以下の通りである。
回転速度：４００ｍｉｎ-1
アキシアル荷重：３５００Ｎ
本疲労試験では、フランジ２６の破損、あるいは、転動疲労までの時間を計測し、各ハブ輪２の疲労強度とした。なお、結果は、比較例３における計測値を１とした場合の相対値で表３に示した。
【００３０】
［落錘式衝撃試験について］
次に、図６に示す試験機を用いて衝撃試験を行った。図６の試験機においては、上記実施形態と同様にして表３に示す材料及びショットピーニング加工条件で作製した試験ハブ輪７がその軸方向が水平になるように支持部材８に固定されている。試験ハブ輪７は、図１に示したハブ輪２と略同様の構成を有し、一端には段部７２が形成され、他端にはフランジ７６が形成されるものであるが、その外周面には内輪３が嵌合していないためかしめ部２４は形成されていない。
【００３１】
本衝撃試験では、試験機に固定された試験ハブ輪７の段部７２に錘を落下させて、該段部７２が破損するときの落下高さｈを測定し、衝撃強度とした。試験条件は以下の通りである。
落下高さ：０〜５ｍ
錘質量：１０ｋｇ
試験結果は、表３に、比較例３における試験ハブ輪７の段部７２が破損したときの落下高さを１とした場合の相対値で示した。
【００３２】
実施例１〜９はすべて本発明の範囲内の車輪支持用転がり軸受ユニットであり、優れた疲労強度及び衝撃強度を有していた。
一方、比較例１は、表面残留圧縮応力及び軌道面の残留オーステナイト量は適切であるものの、ショットピーニング加工後に軌道面の研磨が不十分で、表面粗さが大きい例である。このため、衝撃強度はショットピーニング未加工のもの（比較例３）と同等程度であるが、疲労試験中に軌道面が剥離しており、転動疲労強度が不十分で、転がり疲労寿命が短かった。
【００３３】
また、比較例２は、ショットピーニング加工が強力に施されたため、残留圧縮応力は大きいが、軌道面の残留オーステナイト量が少ない例である。このため、疲労試験中に軌道面が剥離しており、転動疲労強度が不十分で、転がり疲労寿命が短かった。
比較例３は、ショットピーニング加工を行っておらず、表面残留圧縮応力が小さい。このため、旋削時にできた表面の欠陥により強度が低下した。また、比較例４は、ハブ輪の外周面に脱炭層が残存していたため、ショットピーニング加工を行ったにもかかわらず、残留圧縮応力が小さい。このため、疲労強度及び衝撃強度がともに向上しなかった。比較例５は、ショットピーニング加工を行ったものの残留圧縮応力が小さく、疲労強度及び衝撃強度がともに向上しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニットを示す断面図である。
【図２】残留圧縮応力と回転曲げ疲労強度との関係を示すグラフである。
【図３】残留圧縮応力と残留オーステナイト量との関係を示すグラフである。
【図４】残留オーステナイト量と転動疲労寿命との関係を示すグラフである。
【図５】疲労試験に用いた試験機を示す図である。
【図６】衝撃試験に用いた試験機を示す図である。
【図７】従来の車輪支持用転がり軸受ユニットを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１            車輪支持用転がり軸受ユニット
２            ハブ輪
２１          軌道面
２２          段部
２３          段差面
２４          かしめ部
２６          フランジ
３            内輪
３１          軌道面
４            固定輪
４１，４２    軌道面
４３          フランジ
５            転動体
９１          保持器
【図１】
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【図２】
2005240879.tif 000007
【図３】
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【図４】
2005240879.tif 000009
【図５】
2005240879.tif 000010
【図６】
2005240879.tif 000011
【図７】
2005240879.tif 000012