(57)【要約】【課題】  腐食環境で使用しても、長寿命な車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する。【解決手段】  第１の内輪２の外周面に第２の内輪３が嵌合し一体的に固定されてなる内方部材と、内輪２，３の軌道面７ａ，７ｂに対向する軌道面１０ａ，１０ｂを有し内方部材の外方に配置された外輪４と、内方部材の軌道面７ａ，７ｂと外輪４の軌道面１０ａ，１０ｂとの間に転動自在に配設される複列の転動体５と、を備える車輪支持用転がり軸受ユニット１において、第２の内輪３を３質量％以上１５質量％以下のクロムを含有する合金鋼で構成するとともに、第２の内輪３の段部１２の外周面に作用するフープ応力が１５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下となるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１軌道面を外周面に有する第１の内輪と第２軌道面を外周面に有する第２の内輪とを備え、前記第１の内輪の外周面に前記第２の内輪が嵌合し一体的に固定されてなる内方部材と、前記第１軌道面に対向する軌道面及び前記第２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置された外方部材と、前記内方部材の軌道面と前記外方部材の軌道面との間に転動自在に配設される複列の転動体と、を備える車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、
前記第２の内輪を３質量％以上１５質量％以下のクロムを含有する合金鋼で構成するとともに、
前記第２の内輪の外周面の軸方向端部に作用するフープ応力を１５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下としたことを特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニット。
【請求項２】
前記合金鋼は、０．４質量％以上０．８質量％以下の炭素と、０．１質量％以上１．５質量％以下の珪素と、０．１質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、を含有することを特徴とする請求項１に記載の車輪支持用軸受ユニット。
【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、特に腐食環境でも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】
自動車の車輪支持用の転がり軸受ユニットは、外周面に２列の軌道面を持つ内方部材と、該内方部材の２列の軌道面に対向する軌道面を持つ外方部材と、内方部材と外方部材の２列の軌道面間に設けられた転動体と、該転動体を各列毎に等配するための保持器と、で構成されている。そして、内方部材及び外方部材の一方を懸架装置に固定し、他方に車輪を取り付けることにより、車輪支持用転がり軸受ユニットによって自動車の車輪が懸架装置に対して回転自在に支持される。
【０００３】
このような車輪支持用転がり軸受ユニットの内方部材及び外方部材は、懸架装置へ固定し又は車輪を取り付けるためのフランジを有していることが多い。このフランジを有する内方部材及び外方部材は、フランジを有していない通常の転がり軸受の内方部材及び外方部材と比較して複雑な形状をしている。このため、フランジを有する内方部材及び外方部材は、熱間鍛造性、切削性、穴あけ加工性の観点から、０．５質量％程度の炭素を含有する中炭素鋼で構成されるとともに、高周波焼入れによって軌道面周辺を硬化させてから用いられることが多い。
【０００４】
さらに、このようにフランジを有する内方部材の中には、該フランジ及び第１の軌道面を外周面に有する第１の内輪と、第２の軌道面を外周面に有する第２の内輪と、を備え、第１の内輪の外周面に第２の内輪が嵌合し一体的に固定されたものがある。この場合には、第１の内輪に嵌合しかつ一体的に結合される第２の内輪の第２の軌道面には、第１の軌道面よりも高い荷重が負荷される。このため、第１の内輪は中炭素鋼で構成するとともに、第２の内輪は高炭素鋼で構成し熱処理により表面から芯部まで硬化させて用いる場合が多い（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、上述のように第１の内輪に第２の内輪を一体的に固定する方法としては、第１の内輪に嵌め合う第２の内輪をその端面からナットで締めて固定する方法か、或いは第１の内輪の先端部を塑性変形させて、該第１の内輪の先端部に嵌め合う第２の内輪の端面に加締めることによって固定する方法が用いられる。部品数を少なくできる生産性の観点と、小型化、軽量化の観点から考えると、加締めによって固定する方が有利である。また、第２の内輪を第１の内輪に強固に固定して第１の内輪及び第２の内輪の密着性を良くした方が、軸受の回転安定性が増し、転がり寿命が向上する。
【０００６】
また、車輪支持用転がり軸受ユニットは、一般の産業機械等とは異なり、自然環境で使用されるため、雨水や泥水等にさらされる場合がある。このような場合、車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、腐食による錆を生じ、軸受寿命が低下するおそれがあるため、通常、軸受部分に雨水や泥水等が侵入しないようにハブシールや蓋体が装着され、未然にこれらを防止するように対策されている。
【特許文献１】特開平１１−１２９７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、塩分を含む泥水にさらされるような極度に厳しい腐食環境で車輪支持用転がり軸受ユニットが使用された場合には、その軸受部分が腐食され錆を生じ、また材料内部に水素が侵入することにより材料の靭性が低下する懸念がある。
さらに、内方部材の第１の内輪と第２の内輪との密着性を良くするために、例えば加締め時の荷重を大きくすることにより、第２の内輪を第１の内輪に過度に強固に固定すると第２の内輪に過大なフープ応力（円周方向に引張られる応力）がかかることがある。この場合には、腐食環境では、特に第２の内輪の錆の生成が促進され、軸受寿命が低下するおそれがある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、腐食環境で使用しても、長寿命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する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、第１軌道面を外周面に有する第１の内輪と第２軌道面を外周面に有する第２の内輪とを備え、前記第１の内輪の外周面に前記第２の内輪が嵌合し一体的に固定されてなる内方部材と、前記第１軌道面に対向する軌道面及び前記第２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置された外方部材と、前記内方部材の軌道面と前記外方部材の軌道面との間に転動自在に配設される複列の転動体と、を備える車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記第２の内輪を３質量％以上１５質量％以下のクロムを含有する合金鋼で構成するとともに、前記第２の内輪の外周面の軸方向端部に作用するフープ応力を１５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下としたことを特徴とする。
【０００９】
このように、特にフープ応力が作用する第２の内輪をクロムを含有する合金鋼で構成した車輪支持用転がり軸受ユニットであれば、第２の内輪に耐食性が付与されるので、雨水や泥水等にさらされるような腐食環境で使用される場合においても、腐食による転がり寿命の低下が有効に防止され、長寿命である。
なお、クロム含有量が３質量％未満であると、合金鋼表面に十分な酸化皮膜が形成されないため腐食抑制効果が小さく、第２の内輪に高フープ応力が作用すると腐食抑制効果を得ることができない。ただし、クロム含有量が１５質量％超過であると、加工性が低下するとともに、表面硬さが低下するため転がり寿命が不十分なものとなる。また、必要な表面硬さを得るために焼入れ温度を高くすると、合金鋼の旧オーステナイト結晶粒度が大きくなるため靭性が低下する。
【００１０】
塩分を含んだ泥水が接触するような極度に厳しい腐食環境で使用しても転がり寿命を十分なものとするためには、合金鋼のクロム含有量は８質量％以上１５質量％以下にすることが好ましい。
さらに、上記合金鋼を用いても、第２の内輪に過大なフープ応力が作用すると、第２の内輪表面に形成された酸化皮膜が破壊されるため、耐食性が十分に発揮されない。従って、車輪支持用転がり軸受ユニットを腐食環境で使用しても長寿命とするためには、第２の内輪に作用するフープ応力を適切にすることが必須である。
【００１１】
第２の内輪を嵌合させて一体的に固定する際に該第２の内輪の外周面の軸方向端部にかかるフープ応力が３００ＭＰａを超えると、転動体の転動による繰り返しのせん断応力に加えて過大なフープ応力が軌道面に作用するため、転がり疲労により転がり寿命が低下するだけでなく、腐食環境では酸化皮膜の破壊により錆の生成も促進されるため、転がり寿命の低下の度合いがさらに大きくなるおそれがある。ただし、接触する泥水が塩分を含むような特に厳しい腐食環境ではフープ応力は２５０ＭＰａ以下にすることが好ましい。
【００１２】
一方、第２の内輪を嵌合させて一体的に固定する際に該第２の内輪の外周面の軸方向端部にかかるフープ応力が１５０ＭＰａ未満であると、第１の内輪と第２の内輪とが十分に密着せず、クリープ、ガタツキや乗り上げを生じ転がり寿命が低下するおそれがある。
なお、第２の内輪の軸方向端部に外径寸法が小さくなった段部が形成されている場合には、該段部の外周面に作用するフープ応力を１５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下とする。
【００１３】
本発明の請求項２による車輪支持用軸受けユニットは、請求項１において、前記合金鋼は、０．４質量％以上０．８質量％以下の炭素と、０．１質量％以上１．５質量％以下の珪素と、０．１質量％以上１．５質量％以下のマンガンと、を含有することを特徴とする。
上記のような合金鋼で第２の内輪を構成した車輪支持用転がり軸受ユニットであれば、転がり疲労に強く長寿命であり、また腐食環境において使用しても、錆の生成が抑制されるため、より長寿命である。
【００１４】
以下に上記合金鋼における各含有元素の作用及び含有量の臨界的意義について説明する。
［炭素について：０．４質量％以上０．８質量％以下］
炭素は、焼入れ、焼戻し後に必要な硬さを確保するために必要な元素である。炭素の含有量が０．４質量％未満であると、転動面に負荷される繰り返しせん断応力に対する必要な硬さを得ることができず、優れた転がり寿命が得られない。
一方、炭素の含有量が０．８質量％を超えると、クロムが炭化物を安定化させ、粗大な炭化物が生成しやすくなるため、籾性が低下する。
【００１５】
［珪素について：０．１質量％以上１．５質量％以下］
珪索は製鋼時において脱酸剤として必要な元素であると共に、合金鋼の焼入れ性を向上させる効果がある。珪素の含有量が０．１質量％未満であると、上記効果が十分に得られず、優れた転がり寿命が得られない。
一方、珪素の含有量が１．５質量％を超えると、加工性が低下する。
【００１６】
［マンガンについて：０．１質量％以上１．５質量％以下］
マンガンは製鋼時に脱酸剤及び脱硫剤として作用すると共に、合金鋼の焼入れ性を向上させる効果がある。マンガンの含有量が０．１質量％未満であると、上記効果が十分に得られず、優れた転がり寿命が得られない。
一方、マンガンの含有量が１．５質量％を超えると、非金属介在物が多量に生成されるため、転がり寿命が低下すると共に、加工性が低下する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、第２の内輪の耐食性に優れ、かつ、第２の内輪に作用するフープ応力が適切であるため、雨水や泥水にさらされる環境で使用する場合においても、錆の生成が抑制され、長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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は本発明の実施形態の一例である車輪支持用転がり軸受ユニットを説明するための縦断面図である。図１の車輪支持用転がり軸受ユニット１は、第１の内輪２及び第２の内輪３を備えた内方部材と、内方部材の外方に配置された外輪（外方部材）４と、内方部材及び外輪４の間に転動自在に配設された複数の転動体５と、保持器１４と、を備えている。
【００１９】
第１の内輪２は、外端側部分の外周面において自動車の車輪を取り付ける車輪支持用フランジ６が形成されているとともに、内端側部分において外径が小さくなった小径段部８が形成された円筒形状となっている。この小径段部８には、第２の内輪３が嵌め込まれている。また、第１の内輪２の内端側端部は、径方向外方に加締め広げられ、第２の内輪３を段差面８ａに押し付けるような形状とされており、これにより、小径段部８に嵌合した第２の内輪３が第１の内輪２に一体的に固定されている。
【００２０】
なお、本実施形態においては、車輪支持用転がり軸受ユニット１を自動車に取り付けた状態において、自動車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。
上述のようにして、一体的に固定された第１の内輪２及び第２の内輪３の外周面には、それぞれ軌道面が形成されており、第１の内輪２に形成された軌道面は第１軌道面７ａとされ、第２の内輪３に形成された軌道面は第２軌道面７ｂとされている。また、外輪４の内周面には、内輪２，３の軌道面７ａ，７ｂに対応する軌道面１０ａ、１０ｂが形成されている。さらに、第１の内輪２の第１軌道面７ａと外輪４の軌道面１０ａとの間、及び、第２の内輪３の第２軌道面７ｂと外輪４の軌道面１０ｂとの間には、それぞれ複数の転動体５が転動自在に配列されている。そして、外輪４の外周面の内端側端部には、懸架装置支持用フランジ１１が設けられている。
【００２１】
なお、図１（ａ）の第２の内輪３は、肩部１３において外径が小さくなった段部１２を有するが、段部１２を有していない内輪を用いても良い。図１（ｂ）には、肩部１３に段部を有していない内輪３１が示されている。
この車輪支持用転がり軸受ユニット１において、第１の内輪２及び外輪４は炭素鋼Ｓ５３Ｃで構成されている。さらに転動体５は、軸受鋼ＳＵＪ２で構成されており、ピッチ径は４９ｍｍである。また、第１の内輪２の外周面には、車輪支持用フランジ６の付け根部から小径段部８にかけて、誘導加熱装置によって高周波焼入れされた硬化層Ｔが形成されている。なお、車輪支持用フランジ６は、取り付けられた車輪の回転時に曲げ応力を受けることから必要な靭性を確保し、又は塑性変形による割れを防止するため、非調質のままとされている。また、同図に示されるように第１の内輪２の内端側端部は、その加締め広げる部分を焼入れせず非調質のままとしてもよい。これにより、容易に加締めることができる。
【００２２】
そして、第２の内輪３は、０．４質量％以上０．８質量％の炭素と、３質量％以上１５質量％のクロム（好ましくは８質量％以上１５質量％のクロム）と、０.１質量％以上１.５質量％の珪素と、０.１質量％以上１.５％質量％のマンガンと、を含有し、残部が鉄及び不可避的な不純物である合金鋼で構成されており、その第２軌道面７ｂの表面硬さはＨＲＣ５８〜６３である。また、第２の内輪３の肩部１３の内端側の外周面、又は肩部１３に段部１２を有する場合は段部１２の外周面に加締めによってかかるフープ応力は、１５０ＭＰａ〜３００ＭＰａ（好ましくは１５０ＭＰａ〜２５０ＭＰａ）とされている。なお、小径段部８に嵌合した第２の内輪３には、第１の内輪２の段差面８ａに押し付けられる、第１軌道面７ａに近い方の端部にも荷重が加えられているため、第２の内輪３の外周面の第１軌道面７ａに近い方の端部にもフープ応力がかかっている。しかし、本実施形態では測定上の便宜から第２の内輪３の第１軌道面７ａから遠い方の端部の外周面にかかるフープ応力を測定し、加締めの荷重を調節している。
【００２３】
上述のように構成された車輪支持用転がり軸受ユニット１は、雨水や泥水にさらされるような腐食環境においても、優れた寿命を持つ。
なお、第１の内輪２を、第２の内輪３に用いた上記合金鋼で構成しても良い。
また、図１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転がり軸受ユニットの場合には、転動体５としてテーパころを使用する場合もある。
このような車輪支持用転がり軸受ユニット１を自動車に組み付けるには、外輪４の懸架装置支持用フランジ１１を懸架装置に固定し、内輪２の車輪支持用フランジ６に車輪を固定する。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。
【００２４】
［実施例について］
図１と略同一構造で車輪支持用転がり軸受ユニットを作製した。外輪４及び第１の内輪２には、炭素を０.５０〜０.６０質量％含有する鋼を用い、転動体５には軸受鋼ＳＵＪ２を用い、保持器１４には樹脂製保持器を用いた。また、転動体ピッチ径は４９ｍｍである。
第２の内輪３には、表１に示すように種々のクロム含有量の合金鋼を用い、８５０℃〜１１００℃の加熱保持温度で焼入れ硬化させ、内輪３全体の硬さをＨＲＣ５８〜６３になるように調整した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
また、第２の内輪３を第１の内輪２に加締めにより固定する際、加締めの荷重を調整し、第２の内輪３の段部１２の外周面にかかるフープ応力が２００ＭＰａ前後になるようにした。また、フープ応力は、第２の内輪３の段部１２の外周面にかかるフープ応力についてひずみゲージを用いて測定した。
製作した車輪支持用転がり軸受ユニット１について、次の条件で転がり寿命を評価するための回転試験を行った。なお、回転試験には回転試験機を用い、車輪支持用転がり軸受ユニット１の外輪を回転試験機に固定し、回転試験機のモーターの駆動により内方部材を回転させた。
【００２７】
ラジアル荷重：６５００Ｎ
アキシアル荷重：３９００Ｎ
回転速度：１０００ｍｉｎ-1
試験は錆を生じる腐食環境を再現するため、ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１の規定に基づき試験温度を３５℃に保ち、５％塩水を噴霧しながら行った。なお、車輪支持用転がり軸受ユニットの寿命は、回転試験機に取り付けた振動計の値が、試験開始時の３倍になった時点とした。
試験結果を表２及び図２に示す。なお、表２及び図２に示した転がり寿命の数値は、最も寿命が短かった比較例１の転がり寿命を１.０とした場合の相対値で示されている。
【００２８】
【表２】
2005133768.tif 000004
【００２９】
実施例１〜８では、第２の内輪３が本発明で規定する所定の合金成分を含有する合金鋼で構成されている。よって、腐食環境で使用される場合においても、転がり寿命が良好である。また、実施例４〜８は錆の生成が特に少なく、より長寿命であった。従って、クロム含有量を８質量％以上１５質量％以下とすることで、特に厳しい腐食環境においても、より長寿命な車輪支持用転がり軸受ユニットとすることができる。
【００３０】
一方、比較例１及び比較例２は、クロム含有量が少ないため錆の生成を十分に抑制できず、転がり寿命が短かった。また、比較例３及び４は、クロム含有量が多いことから、必要な硬さを得るために高温で焼入れされている。このため、比較例３及び４は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５１の規定による旧オーステナイト粒径が大きくなり、実施例４〜８よりも転がり寿命が短かった。
次に、転がり寿命に対するフープ応力の影響を調べるため、表３に示すように、第２の内輪３に、同一の合金鋼種を用い、かつフープ応力を種々の大きさで作用させて、前述と同様の転がり試験を行った。第２の内輪３の段部１２の外周面に作用するフープ応力の調整は、加締め時の荷重を調整することにより行った。
【００３１】
【表３】
2005133768.tif 000005
【００３２】
試験結果を表３及び図３に示す。なお、表３及び図３に示した転がり寿命の数値は、上述の比較例１の転がり寿命を１.０とした場合の相対値で示してある。
実施例９〜１５は、第２の内輪３の段部１２の外周面にかかるフープ応力が本発明で規定する範囲内であるため、転がり寿命が良好である。実施例９〜１３は特に錆の生成が少なく、より長寿命である。従って、内輪３の段部１２の外周面にかかるフープ応力を１５０〜２５０ＭＰａとすることで、特に厳しい腐食環境においても車輪支持用転がり軸受ユニットは長寿命である。
【００３３】
一方、第２の内輪３の段部１２の外周面にかかるフープ応力が小さい比較例５及び比較例６は、第１の内輪２と第２の内輪３との密着性が不十分であるため、クリープを生じ転がり寿命が短かった。また、比較例７及び比較例８は、第２の内輪３の段部１２の外周面に過大なフープ応力が負荷されたため、酸化皮膜が破壊され、錆の生成を十分に抑制することができず、転がり寿命が短かった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施形態の車輪支持用転がり軸受けユニットの縦断面図である。
【図２】第２の内輪を構成する合金鋼のクロム含有量及び転がり寿命の関係を示すグラフである。
【図３】第２の内輪の段部の外周面に加締めによってかかるフープ応力及び転がり寿命の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１             車輪支持用転がり軸受ユニット
２             第１の内輪
７ａ，７ｂ     軌道面
８             小径段部
３，３１       第２の内輪
１２           段部
１３           肩部
４             外輪
１０ａ，１０ｂ 軌道面
５             転動体
６             車輪支持用フランジ
１１           懸架装置支持用フランジ
【図１】
2005133768.tif 000006
【図２】
2005133768.tif 000007
【図３】
2005133768.tif 000008