(57)【要約】【課題】  装置の形状を変更することなく、また、素材の変更を伴うことなく、フランジ面の変形を抑制すると共に、フランジの付け根部の疲労強度を向上させ、更に、加締め部の局所的な破断強度を向上させる【解決手段】  ハブ輪２の外周面に形成されたフランジ６の側面に制動用回転体と車輪とがハブボルト６ａにより結合固定された状態で使用される車輪支持用軸受装置において、ハブ輪２を炭素の含有量が０．４５重量％以上の炭素鋼製とし、且つ少なくともフランジ６及びハブ輪２の加締め部９の生地組織を、７％以下の初析フェライト及び残部をフェライトと球状化炭化物とすると共に、硬さをＨＲＣ２０〜３０とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に内輪軌道面が形成されたハブ輪と、該ハブ輪の端部に外嵌されて加締め固定されると共に外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記ハブ輪の内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面が形成された外輪と、前記ハブ輪の内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面と前記複列の外輪軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記ハブ輪及び前記外輪の内で回転側とされる軌道輪の外周面に形成されたフランジとを備え、該フランジの側面に制動用回転体と車輪とがねじ部材により結合固定された状態で使用される車輪支持用軸受装置において、
少なくとも前記フランジが形成された軌道輪を炭素の含有量が０．４５重量％以上の炭素鋼製とし、且つ少なくとも前記フランジ及び前記ハブ輪の前記加締め部の生地組織を、７％以下の初析フェライト及び残部をフェライトと球状化炭化物とすると共に、硬さをＨＲＣ２０〜３０としたことを特徴とする車輪支持用軸受装置。
【請求項２】
少なくとも前記フランジが形成された軌道輪が熱間鍛造成形された後、そのままか或いは、一旦放冷後、再度Ａ１変態点以上に加熱保持した後に、６０〜４００°Ｃの冷却剤中に急冷し、その後、焼戻することにより、生地組織が７％以下の初析フェライト及び残部がフェライトと球状化炭化物とされ、且つ硬さがＨＲＣ２０〜３０とされたことを特徴とする請求項１に記載した車輪支持用軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の車輪及びブレーキロータ或いはブレーキドラム等の制動用回転体を支持するフランジを備えた車輪支持用軸受装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に車輪支持用軸受装置の一例を示す。
この車輪支持用軸受装置１は、ハブ輪２、内輪３、外輪４及び複数の転動体５を備えている。ハブ輪２の外周面のアウトボード側端部（自動車への組み付け状態で車幅方向外側の端部：図１の左端部）には車輪取付用フランジ６が設けられ、該車輪取付用フランジ６には車輪及びブレーキロータを取り付けるためのハブボルト６ａが周方向の略等間隔で複数植設されている。
【０００３】
また、ハブ輪２のインボード側端部（図１の右端部）には小径段部８が形成されており、該小径段部８に嵌め込まれた内輪３の外周面及びハブ輪２の軸方向の中間部外周面にはそれぞれ軌道面が形成されて複列の内輪軌道面７ａ，７ｂとされている。ハブ輪２のインボード側の先端は円筒状に形成されており、該円筒部（加締め部）９を径方向外方に加締め広げることにより、内輪３がハブ輪２に加締め固定されている。
【０００４】
外輪４の内周面には前記複列の内輪軌道面７ａ，７ｂに対応する複列の外輪軌道面１０ａ，１０ｂが形成されており、また、外輪４の前記車輪取付用フランジ６から離間する側の端部には懸架装置取付用フランジ１１が設けられている。そして、複列の内輪軌道面７ａ，７ｂと複列の外輪軌道面１０ａ，１０ｂとの間にそれぞれ複数の転動体５が転動可能に配設されている。
【０００５】
尚、図示の例では、転動体５として玉を使用しているが、重量の嵩む車輪支持用軸受装置の場合には、転動体５としてテーパころを使用する場合もある。
上述の様な車輪支持用軸受装置１を自動車に組み付けるには、非回転輪側の外輪４の懸架装置取付用フランジ１１を懸架装置に固定し、回転輪側のハブ輪２の車輪取付用フランジ６にハブボルト６ａ及びナット（図示せず）を介してブレーキロータ及び車輪を固定する。これにより、車輪を懸架装置に対して回転自在に支持することができる。
【０００６】
なお、ハブ輪２は、熱間鍛造性や切削性の観点から、Ｓ５３Ｃなどの中炭素鋼で形成されており、切断した棒材を高周波誘導加熱して１２００°Ｃ程度のオーステナイト域で熱間鍛造して放冷する。その際、オーステナイト粒界から初析フェライトが析出し、その後のパーライト変態によって、室温で初析フェライト＋パーライト組織が得られる。
そのうちの大部分は焼入焼戻をすることなく使用されるが、前記車輪取付用フランジ６のインボード側の付け根部１２から内輪軌道面７ｂを経て小径段部８までの領域は、転がり疲労寿命確保のためと、内輪嵌合部のフレッチング防止のため、高周波焼入れによる硬化層１３が形成されている。
【０００７】
ところで、回転輪側のハブ輪２に形成された車輪取付用フランジ６は、ブレーキロータを取り付けるための基準面となるが、軽量化を目的としてフランジ６の薄肉化を進めた場合、ハブボルト６ａとナットとの締結の際に必要なトルクを与えると、ハブボルト６ａのボルト軸周りで材料の降伏強度以上の応力が発生し、基準面のフランジ面にミクロンオーダーの歪が生じる。
【０００８】
このようなフランジ面の歪は、自動車の制動時にしばしば、ジャダーと呼ばれる、不快な騒音を伴う振動の発生を誘発するため、フランジ６の側面でブレーキロータができるだけ回転軸に対して直角に保たれていなければならない。
このようなフランジ面の歪を防止する手段としては、車輪取付用フランジ６の厚肉化であるが、これは軽量化、薄肉化の流れに逆行する。また、素材の高炭素濃度化や強化元素のＳｉ、Ｍｎ、Ｖの添加によって高降伏強度とすることもできるが、コストアップは避けられない。更に、必要部のみ硬化層を付与する手段（例えば特許文献１参照）も開示されているが、フランジの微小変形については言及されていない。
【０００９】
また、ハブ輪２及び外輪４の薄肉化を進めると、車輪取付用フランジ６の付け根部に加わる繰り返し曲げ応力が一段と高くなることが明らかで、この点において、装置の薄肉軽量化を阻む要因がある。上記同様に、合金元素の添加或いは必要部に高周波焼入れする技術が開示されているものの熱処理変形、衝撃値の低下などの問題がある。従って、特に、鍛造放冷後、非調質で使われている車輪取付用フランジ６のアウトボード側の付け根部１４において、強度の向上が望まれる。
【００１０】
更に、内輪３をハブ輪２に固定する手段として、ハブ輪２の小径段部８に内輪３を圧入後、円筒部９を径方向外方に加締め広げる手段が用いられており、必要な予圧を与えている。この場合、鋼に強力な塑性変形を施しているため、変形が大きい部分においては、局所的な破断が生じる場合があり、外親上好ましくないという問題がある。この問題に対して、加締め形状を規定した技術（例えば特許文献２及び特許文献３参照）が開示されているが、本発明とは、材料の特性値を変化させようとする点において異なる。
【特許文献１】特開２００２−８７００８号公報
【特許文献２】米国特許第５４９０７３２号公報
【特許文献３】特開２０００−８７９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上述のような不都合を解消するためになされたものであり、装置の形状を変更することなく、また、素材の変更を伴うことなく、フランジ面の変形を抑制することができると共に、フランジの付け根部の疲労強度を向上させることができ、更に、加締め部の局所的な破断強度を向上させることができる車輪支持用軸受装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周面に内輪軌道面が形成されたハブ輪と、該ハブ輪の端部に外嵌されて加締め固定されると共に外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記ハブ輪の内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面が形成された外輪と、前記ハブ輪の内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面と前記複列の外輪軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記ハブ輪及び前記外輪の内で回転側とされる軌道輪の外周面に形成されたフランジとを備え、該フランジの側面に制動用回転体と車輪とがねじ部材により結合固定された状態で使用される車輪支持用軸受装置において、
少なくとも前記フランジが形成された軌道輪を炭素の含有量が０．４５重量％以上の炭素鋼製とし、且つ少なくとも前記フランジ及び前記ハブ輪の前記加締め部の生地組織を、７％以下の初析フェライト及び残部をフェライトと球状化炭化物とすると共に、硬さをＨＲＣ２０〜３０としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１において、少なくとも前記フランジが形成された軌道輪が熱間鍛造成形された後、そのままか或いは、一旦放冷後、再度Ａ１変態点以上に加熱保持した後に、６０〜４００°Ｃの冷却剤中に急冷し、その後、焼戻することにより、生地組織が７％以下の初析フェライト及び残部がフェライトと球状化炭化物とされ、且つ硬さがＨＲＣ２０〜３０とされたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、少なくともフランジ及びハブ輪の加締め部の生地組織を、７％以下の初析フェライト及び残部をフェライトと球状化炭化物とすると共に、硬さをＨＲＣ２０〜３０とすることにより、初析フェライトを低減して、均一な炭化物分散組織とし、これにより、装置の形状を変更することなく、また、素材の変更を伴うことなく、フランジ面の変形を抑制することができると共に、フランジの付け根部、特にアウトボード側の付け根部の疲労強度を向上させることができ、更に、加締め部の局所的な破断強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態の一例を説明する。なお、この実施の形態の車輪支持用軸受装置は、その基本的構造が図１で説明したものと同一であるため、図１を流用して説明する。
本発明の実施の形態の一例である車輪支持用軸受装置は、回転側とされるハブ輪２の外周面に形成された車輪取付用フランジ６の側面にブレーキロータと車輪とがハブボルト６ａ及びナットにより結合固定された状態で使用される。
【００１６】
そして、少なくともハブ輪２が、炭素の含有量が０．４５重量％以上の炭素鋼製とされ、熱間鍛造成形された後、そのままか或いは、一旦放冷後、再度Ａ１変態点以上に加熱保持した後に、６０〜４００°Ｃの冷却剤中に急冷し、その後、焼戻することにより、少なくとも車輪取付用フランジ６及びハブ輪２の加締め部の生地組織が７％以下の初析フェライト及び残部がフェライトと球状化炭化物とされ、且つ硬さがＨＲＣ２０〜３０とされている。
【００１７】
これにより、初析フェライトを低減して、均一な炭化物分散組織とし、装置の形状を変更することなく、また、素材の変更を伴うことなく、車輪取付用フランジ６のフランジ面の変形を抑制することができると共に、車輪取付用フランジ６の付け根部、特にアウトボード側の付け根部の疲労強度を向上させることができ、更に、ハブ輪２の加締め部の局所的な破断強度を向上させることができる。
【００１８】
以下、分説する。
（フランジ面の変形を抑制できることについて）
フランジ変形の発生は、ブレーキロータとの接点がハブボルト６ａのボルト軸より広い円周状に存在し、軸力がフランジに対して曲げ変形応力として作用するからである。フランジ変形を抑制することは、ボルト軸周りの降伏強度を向上させ、より多くの領域を弾性限内に留めることである。
そのために、少なくとも車輪取付用フランジ６のハブボルト６ａのボルト軸周りに弾性層を形成する。フランジ変形量がミクロンオーダーで一般の塑性変形量と比べて極めて微小であり、わずかに弾性限度を超えた領域であることから、少なくとも変形を担う部分を高強度化することでフランジ変形を抑制することができることを見出した。
【００１９】
これは、焼入れ焼戻しによって形成された調質層のミクロ組織は、フェライト生地中に炭化物が均一微細に分散された組織となり、調質層以外の領域に存在する鍛造放冷ままの組織（軟質な島状の初析フェライトとパーライトとの混合組織）と比較して強度特性が非常に良好になり、また、鍛造放冷組織の降伏が軟質なフェライトから優先的に低い応力で変形しているのに対し、調質領域では、ばらつきが少なく析出強化による高い平均強度を有しているためである。その結果、同一硬さに対する降伏強度は、焼入れ焼戻し処理を施した硬化領域で高くなる。
このように調質層を形成することにより、車輪取付用フランジ６の形状・寸法を変更することなく、また、素材の高炭素濃度化や合金元素の添加などの改良を行うことなく、フランジ面の変形を抑制することができる。
【００２０】
（フランジ付け根部の疲労強度の向上について）
非調質のフェライト・パーライト混合組織では、上記と同様に軟質なフェライトを起点に疲労クラックが発生するので、強度特性が非常に劣化する。疲労強度は、おおよそ硬さと良好な相関関係が得られるが、軟質な初析フェライトが存在すると疲労限度比（疲労限強度／硬さ）は低下する。軟質なフェライトの形態制御や、フェライト強化元素の添加によっても強度を向上させることはできるが、向上幅の範囲は非常にせまい。従って、上記同様に少なくとも再弱部位（フランジ付け根部、特にアウトボード側の付け根部）に調質を施し、フェライト生地中に炭化物を分散させると同一硬さにおける強度特性は、非常に良好になる。
【００２１】
（ハブ輪２の加締め部の局所的な破断強度の向上について）
ハブ輪２の円筒部９の加締め加工は、内輪３と接する部分において圧縮の加工、インボード側表面で引張りの加工を受ける。従って、圧縮に対する割れ限度の向上と引張りに対する破断伸びを向上させる必要がある。非調質のフェライト・パーライト混合組織では、上記同様に加締めによって大きな変形を受けた部分については、組織的に不均一な界面（初析フェライト／パーライト）を起点に局所的な破断が発生してしまう。そのため、軟質な初析フェライトを減少させる処理、即ち調質処理を行ない、全面均一な組織にすることでハブ輪２の加締め部の局所的な破断強度を向上させることが可能になる。
【００２２】
（初析フェライト面積率が７％以下）
初析フェライトが存在すると、前述のように、局所的な機械的性質の劣化をもたらす。
疲労強度や変形抵抗性は、基本的に硬さが支配していることは自明であるが、疲労強度／硬さのバランスをミクロ組織によって大きく変化させることができる。
後述するようにフェライト面積率を７％以下とすることで、機械的性質を向上させることができ、好ましくは初析フェライト面積率を４％以下、更に好ましくは初析フェライトが全く存在しない状態、即ち、フェライト面積率を０％とすると効果的である。
【００２３】
但し、初析フェライト面積率を減少させるには、十分に速い冷却を行わなければならず、特に、複雑で非対称形状をしているものの冷却においては、冷却速度が遅いと熱処理変形を起こしやすくなる。
このため、冷却剤の温度は、６０〜４００°Ｃ、好ましくは１００〜４００°Ｃ、さらに好ましくは１５０〜３００°Ｃとする。まず、マルテンサイトとトルースタイト組織、あるいは、主にベイナイト組織を得る。これらは、初期の炭化物が均一微細に分散しているため、降伏強度あるいは、疲労強度を高くする効果を持っている、その後、所定の硬さになるように焼き戻せばよい。
【００２４】
冷却剤の温度が６０°Ｃ未満であると、ワークの冷却が速すぎて変形や焼割れが生じる虞れがある。一方、４００°Ｃを超えると冷却速度が遅く、初析フェライトの面積率を所定の範囲に制御できないばかりか、粗大な層状組織のパーライトが析出してしまうので、４００°Ｃを上限とする。
なお、必ずしも所定の冷却剤中で急速に冷却する必要はなく、上述のように所定の範囲内の初析フェライトとマルテンサイト、或いはベイナイト或いはトルースタイトとの混合組織となれはよい。したがって、油等の冷却剤中にワークを焼き入れた後、完全に変態する前に引き上げ余熱で保持し変態を完了させる処理を採用してもよい。
【００２５】
（硬さＨＲＣ２０〜３０）
ハブ輪２は、鍛造後粗成形した後、旋削加工を行う。鋼の旋削あるいは穿孔性能は、材料の硬さに依存するので、ＨＲＣ３０を超えると、削りづらくなる。また、加締め加工を考慮すると、降伏強度の不用意な増大は、変形抵抗を増加させ、金型寿命を低下させる。さらに、遅れ破壊や耐衝撃性も考慮してＨＲＣ３０を上限とする。
一方、引張り強度は、ミクロ組織とは無関係に硬さに依存するので、最低限の引張り強度を確保するためにも硬さをＨＲＣ２０以上とする。
鍛造後粗旋削加工して、上記熱処理を行ってもよいし、十分加工可能な硬度になっているので熱処理後に旋削加工を行うことも可能である。
【００２６】
（Ｃ含有量：０．４５〜１．２重量％）
ハブ輪２には、転がり軸受としての性能を要求されるため、転動面には、焼入れ硬化層が必要で、少なくともＨＲＣ５８以上の硬さが必要とされる。そのため、焼入れ硬さを確保する観点から、Ｃ含有量の下限を０．４５重量％とした。
一方、Ｃ含有量が１．２重量％を超えると焼入れによる変形や焼割れの可能性が著しく大きくなるので、１．２重量％を上限とした。
【００２７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、ハブ輪２の車輪取付用フランジ６の側面にハブボルト６ａ及びナットを介してブレーキロータと車輪とを結合固定する場合を例に採ったが、これに代えて、図２に示すように、ハブ輪２の車輪取付用フランジ６の側面に設けたボルト用穴２２をねじ穴として該ねじ穴に螺合されたハブボルト６ａを介して車輪取付用フランジ６の側面にブレーキロータ２０と車輪２１とを結合固定するようにした場合にも本発明を適用できるのは勿論であり、この場合も上記同様の作用効果を得ることができる。
【実施例】
【００２８】
本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
表１に示す３種類の炭素鋼（ＳＡＥ１０５５、１０７０、５２１００）について、熱間鍛造後放冷し、所定の熱処理を行った後、旋削加工を施して種々（実施例１〜１２、比較例１〜７）のハブ輪を作成した。次いで、各ハブ輪を用いて、図１と略同様の車輪支持用軸受装置を作成した。主要寸法は、複列軌道面間距離２５ｍｍ、車輪取付用フランジの厚さ１０ｍｍ、ハブボルトのボルト径φｌ４ｍｍとした。
【００２９】
ハブ輪の品質について、硬さは、フランジ旋削面をロックウェル硬度計（Ｃスケール、１５０ｋｇ）で測定し、初析フェライト面積率はフランジ断面を腐食し、被検面積０．５ｍｍ2 で光学顕微鏡による画像解析により、２値化抽出して求めた。
フランジ変形試験は車輪取付用フランジにブレーキロータ及び車輪をハブボルト及びナットを介してトルク２００Ｎ・ｍで締結し、その後、ナットを取りはずしフランジ面の変形量をハブボルトのボルト孔のＰＣＤ位置に対して内側と外側±１０ｍｍ位置で測定し、図３に示す最大フランジ変形量Ｚを基に変形抵抗性を求めた。なお、試験結果は、従来製法に相当する比較例５の結果を１としたときの比を示した。
【００３０】
フランジ疲労試験は、ハブ輪の車輪取付用フランジにハブボルトを介してアキシャル荷重３０００Ｎ、ラジアル荷重２０００Ｎの入力を行ない、回転数１００ｍｉｎ-1で繰り返し応力を付与した。１０6 回を限度に破損するまでの繰り返し数を測定した。なお、試験結果は比較例５の結果を１としたときの比を示した。
加締め加工試験は、まず、ハブ輪に内輪を圧入し、加締め荷重３０００ｋＮで揺動角５°で押し広げ、限界性能を確かめるために回転速度を４００ｍｉｎ-1とし、加締め後のその表面状態を判定した。基準は、肉眼で確認できるひび割れを×、顕微鏡（×５）で確認できるひび割れを△、ひび割れが確認できないものを○とした。
【００３１】
表１に、試験に用いた材料および熱処理と試験結果を併せて示す。なお、図４に表１の硬さと疲労強度比との関係を整理した図を示し、図５に表１の初析フェライト面積と疲労強度比／硬さとの関係を整理した図を示し、図６に表１の硬さと変形抵抗性との関係を整理した図を示す。
【００３２】
【表１】
2005308152.tif 000003
【００３３】
本発明の実施例１〜１２は、鍛造放冷後の熱処理で、前組織が初析フェライト（Ｆ）＋マルテンサイト（Ｍ）組織＋トルースタイト（Ｔ）組織、初析フェライト（Ｆ）＋ベイナイト（Ｂ）組織、マルテンサイト（Ｍ）組織＋トルースタイト（Ｔ）組織、マルテンサイト（Ｍ）組織とされると共に、ハブ輪２の生地組織が７％以下の初析フェライトとされ、且つ硬さがＨＲＣ２０〜３０に焼き戻しされたものである。
【００３４】
比較例１は、低温の油焼入れしたもの、比較例２は、焼入れ温度を低くし、初析フェライトの量を増加させたもの、比較例３は、冷却剤の温度を高くし、油冷に比べて冷却速度を遅くしたもの、比較例４は、低温での焼準を行ったもの、比較例５は、従来製法で鍛造放冷まま、比較例６、７は、鍛造放冷ままでの硬さが高く、焼鈍によってパーライト（Ｐ）組織の硬さを低下させたものである。
比較例１は、組織的には、十分発明範囲を満足しているが、焼割れが生じたため、疲労強度評価と加締め性評価は行わなかった。
比較例２は、硬さが低い上にフェライト面積率も高く、要求特性を得ることが出来なかった。また、比較例３〜７は、前組織が不十分であったため、要求特性を得ることが出来なかった。
【００３５】
また、比較例３〜６は、前組織が初析フェライト（Ｆ）＋パーライト（Ｐ）組織（あるいはマルテンサイト（Ｍ）組織）又はパーライト（Ｐ）組織であるが、硬さとともに疲労強度あるいは、変形抵抗性が高くなる傾向にあるものの、実施例１〜１２は、硬さと疲労強度の関係が比較例に比べて非常に高く、良好な変形抵抗性および疲労強度を有していることがわかる。
また、かしめ性についても実施例１〜１２は、ミクロ組織の均一化の度合いが高いため微小なひびの割れの発生を抑制することが可能になった。
以上のように、ミクロ組織的な強度分布を均一にすることによって、フランジの疲労強度および変形抵抗性ならびにかしめ加工性を改善することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】車輪支持用軸受装置の一例を示す要部断面図である。
【図２】車輪支持用軸受装置の他の例を示す要部断面図である。
【図３】最大フランジ変形量を説明するためのグラフ図である。
【図４】表１の硬さと疲労強度比との関係を整理したグラフ図である。
【図５】表１の初析フェライト面積と疲労強度比／硬さとの関係を整理したグラフ図である。
【図６】表１の硬さと変形抵抗性との関係を整理したグラフ図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  車輪支持用軸受装置
２  ハブ輪
３  内輪
４  外輪
５  転動体
６  車輪取付用フランジ
６ａ  ハブボルト（ねじ部材）
７ａ  内輪軌道面（内輪側）
７ｂ  内輪軌道面（ハブ輪側）
９    加締め部
１０ａ，１０ｂ  外輪軌道面
【図１】
2005308152.tif 000004
【図２】
2005308152.tif 000005
【図３】
2005308152.tif 000006
【図４】
2005308152.tif 000007
【図５】
2005308152.tif 000008
【図６】
2005308152.tif 000009