JP2007154254A - 車輪支持用転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】清浄度の高い鋼材ではない一般的な鋼材で構成されているにもかかわらず、水混入寿命の優れた車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する。
【解決手段】車輪支持用転がり軸受ユニット１の外輪４は固定輪であり、下記の３つの条件を満足する。
条件１：窒化処理が施された後に、第一外側軌道面２１ａ及び第二外側軌道面２１ｂに高周波焼入れが施されたものである。
条件２：高周波焼入れにより硬化されてなる表層部２２に存在するマルテンサイトの、Ｘ線回折分析により得られたピークの半価幅が６．０°以下である。
条件３：表層部２２の硬さがＨｖ６５３以上である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受ユニットに関する。

自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受ユニットは、一般的には、以下のような構造を有している。すなわち、外周面に複列の軌道面を有する内方部材と、内周面に複列の軌道面を有する外方部材と、内方部材の軌道面と外方部材の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えており、内方部材が回転輪、外方部材が固定輪（非回転輪）とされている。また、内方部材の外周面には、車輪を取り付けるためのフランジが設けられ、外方部材の外周面には、懸架装置を取り付けるためのフランジが設けられている。

このような車輪支持用転がり軸受ユニットは、通常は屋外において使用されるので、路面の雨水や泥水が軸受内部に侵入し、潤滑剤中に水分が混入することがある。一般に、転がり軸受の転がり寿命は、潤滑剤中に水分が混入すると大きく低下する。例えば、潤滑油に６％の水が混入すると、水の混入がない場合に比べて転がり寿命が数分の１〜２０分の１に低下する。また、潤滑油中にわずか１００ｐｐｍの水分が混入するだけで、鋼の転がり疲れ強さが３２〜４８％も低下する。

このような寿命の低下の要因として、鋼の清浄度、特に酸化物系非金属介在物があげられることから、特許文献１には、酸素濃度が１２ｐｐｍ以下の鋼で構成された固定輪を備える転がり軸受が提案されている。また、特許文献２には、平均直径１００μｍを超える酸化物系非金属介在物が固定輪の軌道面上に存在しない転がり軸受が提案されている。
特開２０００−８７９７４号公報 特開２０００−１１０８４１号公報

前述のような清浄度の高い鋼材を用いれば、潤滑剤に水が混入する条件下における転がり寿命（以降においては水混入寿命と記す）が向上すると考えられるが、近年においては、コストダウンのために一般的な鋼材の使用が求められているため、清浄度の高い鋼材を用いることなく水混入寿命を向上させる技術が必要となってきている。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決するものであり、清浄度の高い鋼材ではない一般的な鋼材で構成されているにもかかわらず、水混入寿命の優れた車輪支持用転がり軸受ユニットを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の車輪支持用転がり軸受ユニットは、外周面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の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された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるとともに、前記内方部材及び前記外方部材の一方が回転輪、他方が固定輪とされる車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記内方部材及び前記外方部材のうち少なくとも前記固定輪が下記の３つの条件を満足することを特徴とする。
条件１：窒化処理が施された後に、前記軌道面に高周波焼入れが施されたものである。
条件２：前記高周波焼入れにより硬化されてなる表層部に存在するマルテンサイトの、Ｘ線回折分析により得られたピークの半価幅が６．０°以下である。
条件３：前記表層部の硬さがＨｖ６５３以上である。

潤滑剤に水が混入する条件下においては、転動体からの応力を受ける位置に何らかの応力集中源が存在すると、そこに転動体からの応力が集中して早期剥離に至るが、水分の存在によってその応力集中の作用が促進されるため、早期に微小亀裂が生じて剥離に至ると考えられる。また、その応力集中源の一つが酸化物系非金属介在物であり、水による応力集中の促進要因は水素脆性であると考えられる。

水素脆性は一般的に遅れ破壊等の現象で知られているが、高強度鋼であるほどその感受性が大きいこと、また、同一強度で比較するとベイナイト鋼，マルエージング鋼と比較して焼戻しマルテンサイト鋼の方が感受性が大きいことが知られている。
本発明者は、材料の内部歪が大きいほど水素脆化の感受性が大きいと考え、内部歪を減少させることによって水混入寿命が向上することを見出し、本発明に至った。

本発明においては、材料の内部歪を定量する方法としてＸ線回折を用いた。通常、転がり軸受に使用される鋼は、焼入れ，焼戻しされることにより金属組織はマルテンサイト及び残留オーステナイトとなるが、材料の内部歪はマルテンサイト変態によって導入されるため、マルテンサイト中に多く存在する。
マルテンサイトの回折Ｘ線像（ピーク）は、その内部歪により回折角がばらつきを持つため、正規分布状の形状となる（図１を参照）。内部歪が大きいほど回折角のばらつきが大きくなり、内部歪が小さいほど回折角のばらつきが小さくなるため、内部歪が大きいほどピークの最大回折強度の１／２の強度のピークの広がり（半価幅）は大きくなる。よって、本発明においては、材料の内部歪をマルテンサイトの回折Ｘ線像（ピーク）の半価幅で評価した。

前述のように、水混入寿命を向上させるためには、材料の内部歪を低減させ耐水素脆性を向上させることが有効であると考えられる。耐水素脆性を向上させるためには材料の内部歪がより小さい方が、すなわち半価幅がより小さい方が良いのであるが、半価幅が小さいほど硬さも低くなるため、極端に半価幅を小さくしてしまうと、通常条件下での寿命（潤滑剤に水や異物が混入しないクリーンな条件下での寿命であり、以降はクリーン寿命と記す）に必要な硬さが得られなくなるおそれがある。
そこで、窒化処理を施した後に軌道面に高周波焼入れを施すという前記条件１に記載の熱処理方法を用いることにより、硬化されてなる表層部に窒化物や窒素拡散層を形成させて、大きな焼戻し軟化抵抗性と転がり寿命に必要な硬さとを維持した上、内部歪を小さくした（すなわち半価幅を小さくした）。

固定輪の軌道面については、表層部に存在するマルテンサイトのＸ線回折分析により得られたピークの半価幅は、６．０°以下である必要がある。６．０°超過であると、材料の内部歪が大きいため耐水素脆性が不十分となり、水混入寿命の低下を引き起こすおそれがある。また、転動面の表層部の硬さは、Ｈｖ６５３以上である必要がある。Ｈｖ６５３未満であると、クリーン寿命が不十分となるおそれがある。
なお、車輪支持用転がり軸受ユニットにおいては、回転輪は軌道面全周で荷重を支持するが、固定輪は一定の位置において荷重を支持するため、応力集中が生じやすい。したがって、固定輪については、前述の条件２と条件３を同時に満足する必要がある。

本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、清浄度の高い鋼材ではない一般的な鋼材で構成されているにもかかわらず、水混入寿命が優れている。

本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図２は、本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一実施形態の構造を示す断面図である。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を自動車等の車両に取り付けた状態において、車両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２においては、左側が外端側となり、右側が内端側となる。

図２の車輪支持用転がり軸受ユニット１は、ハブ輪２と、内輪３と、外輪４と、二列の転動体５，５と、転動体５を保持する保持器６，６と、を備えている。ハブ輪２の内端側部分には外径の小さい円筒部１１が形成されており、該円筒部１１に内輪３が圧入されている。そして、内輪３よりも内端側に突出している円筒部１１の先端部分が径方向外方に加締め広げられて、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されている。ただし、内輪３とハブ輪２とを、ナットにより一体的に固定してもよい。この場合には、ナットによって内輪３に必要な予圧を付与することができる。そして、ハブ輪２及び内輪３の外方には、略円筒形状の外輪４が配されている。なお、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが、本発明の構成要件である内方部材に相当し、外輪４が本発明の構成要件である外方部材に相当する。

ハブ輪２の外周面の軸方向中間部及び内輪３の外周面には、それぞれ軌道面が形成されており、ハブ輪２の軌道面は第一内側軌道面２０ａ、内輪３の軌道面は第二内側軌道面２０ｂとされている。また、外輪４の内周面には、前記両内側軌道面２０ａ，２０ｂに対向する軌道面が形成されており、第一内側軌道面２０ａに対向する軌道面は第一外側軌道面２１ａ、第二内側軌道面２０ｂに対向する軌道面は第二外側軌道面２１ｂとされている。さらに、第一内側軌道面２０ａと第一外側軌道面２１ａとの間、及び、第二内側軌道面２０ｂと第二外側軌道面２１ｂとの間には、それぞれ複数の転動体５が転動自在に配置されている。なお、図示の例では、転動体として玉を使用しているが、車輪支持用転がり軸受ユニット１の用途等に応じて、ころを使用してもよい。

さらに、外輪４の内端側部分の内周面と内輪３の内端側部分の外周面との間、並びに、外輪４の外端側部分の内周面とハブ輪２の中間部の外周面との間には、それぞれシール装置７ａ，７ｂが設けられている。
さらに、ハブ輪２の外周面の外端側部分には、図示しない車輪を固定するための車輪取り付け用フランジ１０が設けられている。そして、外輪４の外周面には、車輪取り付け用フランジ１０から離間する側の端部に、懸架装置取り付け用フランジ１３が設けられている。

このような車輪支持用転がり軸受ユニット１を自動車等の車両に組み付けるには、懸架装置取り付け用フランジ１３を懸架装置に固定し、車輪を車輪取り付け用フランジ１０に固定する。その結果、車輪支持用転がり軸受ユニット１によって車輪が懸架装置に対し回転自在に支持される。すなわち、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが回転輪となり、外輪４が固定輪（非回転輪）となる。

このような車輪支持用転がり軸受ユニット１において、固定輪である外輪４は以下のようにして製造されている。すなわち、清浄度の高い鋼材ではない一般的な種類の鋼材を所定の形状に成形し、窒化処理を施した後に、内周面（第一外側軌道面２１ａ及び第二外側軌道面２１ｂとなる部分）に高周波焼入れを施し、焼戻しする。これにより、外輪４の内周面のうち第一外側軌道面２１ａを含む部分及び第二外側軌道面２１ｂを含む部分には、高周波焼入れにより硬化されてなる表層部２２が形成される。この表層部２２の硬さはＨｖ６５３以上である。また、表層部２２に存在するマルテンサイトのＸ線回折分析を行ったところ、得られたピークの半価幅は６．０°以下であった。なお、表層部２２の深さは特に限定されるものではないが、通常は１００μｍ程度である。

このような車輪支持用転がり軸受ユニット１は、外輪４の軌道面（第一外側軌道面２１ａ及び第二外側軌道面２１ｂ）が優れた耐水素脆性及び十分な硬さを有しているので、清浄度の高い鋼材ではない一般的な鋼材で構成されているにもかかわらず、水混入寿命及びクリーン寿命がともに優れている。
なお、窒化処理の種類は特に限定されるものではないが、コスト等の観点からガス窒化処理等と比較して短時間で処理が可能であるガス軟窒化処理が好ましい。ガス軟窒化処理の条件の一例を以下に示す。
雰囲気：ＲＸガスとアンモニアの混合ガス、又は、窒素とアンモニアとエンリッチガスの混合ガス
加熱保持温度：５５０〜５９０℃
加熱保持時間：１〜３時間
外輪４の素材は、一般的な種類の鋼材であるならば特に限定されるものではないが、必要な硬さや加工性を得るためには、０．４〜０．６質量％の炭素を含有する鋼が好ましい。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。呼び番号５１３０５のスラスト軸受を、以下のようにして製造した。炭素鋼Ｓ５３Ｃを内輪，外輪，転動体の形状に成形し、それぞれにガス軟窒化処理を施した後に、軌道面となる部分に高周波焼入れを施した。次いで焼戻しを施した後に、研削加工及び超仕上げ加工を施した。そして、内輪，外輪，転動体を組み立てて、軸受を完成した。なお、比較例１〜４については、ガス軟窒化処理は施しておらず、高周波焼入れのみである。
得られた外輪（回転輪）の軌道面の表層部について、その硬さを測定するとともに、Ｘ線回折分析を行ってマルテンサイトのピークの半価幅を測定した。なお、Ｘ線回折分析にはＣｒＫα線を用いた。測定結果を表１に示す。

次に、スラスト軸受の回転試験を行って、水混入寿命及びクリーン寿命を評価した。回転試験の条件は以下の通りである。
アキシアル荷重：６４１９Ｎ
回転速度 ：１０００ｍｉｎ^-1
潤滑剤 ：ＩＳＯ粘度グレードがＩＳＯ ＶＧ６８である潤滑油
ただし、水混入寿命を測定する場合は５％の水を混入させた
水混入寿命の測定においては、一種の軸受について複数個試験して、剥離を生じるまでの累積応力繰り返し回数（寿命）を求めてワイブルプロットを作成した。そして、ワイブル分布の結果からＬ₁₀寿命を求めた。また、クリーン寿命の測定においては、一種の軸受について１０個試験した。そして、５００時間回転させるまでに剥離を生じた軸受の数により寿命を評価した。

水混入寿命の測定結果を表１及び図３のグラフに示し、クリーン寿命の測定結果を表１に示す。なお、表１及び図３のグラフの水混入寿命の数値は、比較例１の水混入寿命を１とした場合の相対値で示してある。
実施例１〜７は、水混入寿命が比較例１の３倍以上であり、且つ、クリーン潤滑が優れていた。比較例１，２，５は、軌道面の表層部のマルテンサイトのピークの半価幅が６．０°よりも大きいため、実施例１〜７と比べて水混入寿命が短かった。比較例３，４は、軌道面の表層部の硬さがＨｖ６５３未満であるため、クリーン寿命が不十分であった。

半価幅を説明する図である。 本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一実施形態の構造を示す断面図である。 軌道面の表層部のマルテンサイトのピークの半価幅と軸受の水混入寿命との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２ ハブ輪
３ 内輪
４ 外輪
５ 転動体
２０ａ 第一内側軌道面
２０ｂ 第二内側軌道面
２１ａ 第一外側軌道面
２１ｂ 第二外側軌道面
２２ 表層部

Claims (1)

1. 外周面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の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された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるとともに、前記内方部材及び前記外方部材の一方が回転輪、他方が固定輪とされる車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記内方部材及び前記外方部材のうち少なくとも前記固定輪が下記の３つの条件を満足することを特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニット。
   条件１：窒化処理が施された後に、前記軌道面に高周波焼入れが施されたものである。
   条件２：前記高周波焼入れにより硬化されてなる表層部に存在するマルテンサイトの、Ｘ線回折分析により得られたピークの半価幅が６．０°以下である。
   条件３：前記表層部の硬さがＨｖ６５３以上である。

Images