JP5244537B2

JP5244537B2 - 車輪用軸受装置

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Publication number: JP5244537B2
Application number: JP2008269137A
Authority: JP
Inventors: 恭大有竹; 浩也加藤; 崇菊池
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: JP2010096314A

Description

本発明は、自動車の懸架装置に対して車輪を回転自在に支持するための車輪支持用軸受装置に関する。

１９７０年代までの自動車に用いられる車輪用軸受装置は、ＩＳＯ規格に適合する標準軸受を２個配列する設計が主流であった。１９８０年代になり、組込み性の向上を目的に第一世代（ＧＥＮ１）と呼ばれる、背面合わせ軸受の外輪を一体化した複列アンギュラ玉軸受、または複列円すいころ軸受が、自動車メーカで採用されるようになった。外輪を一体化することで、軸受組立て時に初期アキシャルすきまが適正値に設定されているため、自動車への組付け時に予圧調整が不要となった。次に、外輪にフランジ部を設けた第二世代（ＧＥＮ２）と呼ばれる複列軸受が開発された。これは標準軸受のみでは軽量化やサイズダウンに限界があり、軸受の周辺部品である軸（ハブ輪）やハウジング（ナックル）とユニット化することで、部品点数の削減と軽量化を図った結果である。ナックルへの固定を圧入からボルト締結に変えることで、車体への組付けも容易となった。さらに、第三世代（ＧＥＮ３）では、軸（ハブ輪）と軸受内輪を一体化し、余肉を削減するとともに、ラインの組立て性をさらに向上させている。最近では、軸受と等速ジョイントを一体化した第四世代（ＧＥＮ４）も開発されている。

車輪用軸受装置において、軸受はタイヤを介して車両の重量を支えるとともに、車両の走行状態に応じてタイヤ接地点よりラジアル、スラストおよびモーメント荷重、さらには衝撃荷重等を受け、比較的厳しい負荷条件で使用される。特に近年では、低燃費や操縦安定性の向上を目的とした部品の軽量化により、車輪用軸受装置もサイズダウンを余儀なくされており、面圧上昇により潤滑条件が過酷化している。そのため、金属疲労におるフレーキングが発生しやすい。また、車両の貨車輸送中に軸受が微振動等することにより軸受が摩耗し、フレッティングと呼ばれる現象が発生することがある。このフレッティング等の問題は上述の各世代に共通のものである。

上記問題への対策として、従来、フレーキング寿命（軸受材料の疲労寿命）や潤滑寿命を延長しフレッティングを低減する目的で、所定のウレア系増ちょう剤を用いモリブデンジチオカーバメート等の有機モリブデン化合物を配合した車輪用軸受装置に使用するグリースが開発されている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１のように有機モリブデン化合物等を配合したグリースは、コストアップに繋がるという問題がある。
また、寒冷地での車両の走行時および輸送時において、車輪用軸受装置に使用されるグリース特性によっては、基油粘度の上昇等により軌道面に油膜ムラが生じやすく、上記フレッティング等の問題が発生しやすくなるという問題がある。
特開２００６−７７０５６号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、安価であり、寒冷地での使用においても耐フレッティング性に優れる車輪用軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の車輪用軸受装置は、静止側軌道輪と、回転側軌道輪と、上記静止側軌道輪の軌道面と上記回転側軌道輪の軌道面との間に設けられた複数個の転動体とを備え、上記軌道面と上記転動体との転がり接触部を、基油と増ちょう剤とを含有してなるグリースにより潤滑する車輪用軸受装置において、上記軌道面のロックウェル硬さは 55 HRC 以上、上記転動体のロックウェル硬さは 70 HRC 以下であり、上記軌道面と上記転動体とのロックウェル硬さの差は 10 HRC 以下であり、上記基油は、鉱油、または、鉱油と合成油との混合油であり、該混合油に占める上記鉱油の配合割合が 20 重量％〜80 重量％であり、かつ上記基油の流動点は−15℃以下であり、かつ増ちょう剤は、ウレア系化合物であることを特徴とする。

上記グリースは、−20℃におけるちょう度が 120 以上、かつ、−40℃におけるちょう度が 70 以上であることを特徴とする。また、上記鉱油は、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油を単独で、または組み合わせて用いたことを特徴とする。また、上記基油は、鉱油と炭化水素系合成油との混合油であることを特徴とする。

上記ウレア系化合物は、脂環族−芳香族ウレア系化合物であることを特徴とする。また、上記ウレア系化合物は、芳香族ジウレア系化合物であることを特徴とする。また、上記増ちょう剤の配合割合は、グリース全体に対して 1〜40 重量％であることを特徴とする。

本発明の車輪用軸受装置は、転がり接触する軌道面と転動体とが所定のロックウェル硬さを有し、両者のロックウェル硬さの差が 10 HRC 以下であるので、該接触部において低摩擦・低摩耗性を有し、車両の貨車輸送中等におけるフレッティングを低減でき、長期耐久性にも優れる。

さらに、封入するグリースとして、流動点が−15℃以下や、−20℃におけるちょう度が 120 以上、かつ、−40℃におけるちょう度が 70 以上であるグリースを併用することで、有機モリブデン化合物等を配合した高価なグリースを使用することなく、特に寒冷地での使用・輸送に際しても優れた低摩擦・低摩耗性を維持でき、フレッティング等を低減できる。

本発明の車輪用軸受装置の一例を図１に断面図で示す。図１は、駆動輪（ＦＲおよびＲＲ車の後輪、ＦＦ車の前輪、４ＷＤ車の全輪）を支持するための構造である。
図１に示した車輪用軸受装置は、静止側軌道輪である外輪１の内径側に、回転側軌道輪であるハブ２を、それぞれが転動体である複数の玉３、３により、回転自在に支持している。各玉３、３はそれぞれ保持器８、８により保持されている。
外輪１の内周面にそれぞれが静止側軌道面である複列の外輪転走面１ａ、１ｂを、ハブ２の外周面にそれぞれが回転側軌道面である第一、第二の内輪転走面２ａ、２ｂを、それぞれ設けている。

このハブ２は、ハブ本体４と内輪５とを組み合わせてなる。このうちハブ本体４は、外周面の外端部に車輪を支持するための取付けフランジ６を、同じく中間部に上記第一の内輪転走面２ａを、同じく中間部内端寄り部分にこの第一の内輪転走面２ａを形成した部分よりも小径である小径段部７を、それぞれ設けている。そして、この小径段部７に、外周面に断面円弧状である上記第二の内輪転走面２ｂを設けた内輪５を外嵌している。
また、ハブ本体４の中心部にはスプライン孔９を形成している。車両への組み付け状態でこのスプライン孔９には、等速ジョイントに付属のスプライン軸（図示省略）を挿入する。車両への組み付け状態では、内輪５の内端面には図示しない等速ジョイントの外端面が突き当り、この内輪５が小径段部７から抜け落ちることを防止している。

また、外輪１の両端部内周面と、ハブ本体４の中間部外周面および内輪５の内端部外周面との間には、それぞれシール部材１０、１０を設けて、外輪１の内周面とハブ２の外周面との間で、各玉３、３を設けた内部空間１１と、外部空間とを遮断している。この内部空間１１内にグリースを封入して、外輪転走面１ａ、１ｂと、内輪転走面２ａ、２ｂと、各玉３、３の転動面との間の転がり接触部の潤滑を行なうようにしている。

本発明の車輪用軸受装置は上記図１に示す構造に限定されるものではなく、第一〜第四世代のいずれでもよく、転動体については玉でもコロでもよい。

本発明の車輪用軸受装置では、各軌道面のロックウェル硬さが 55 HRC 以上、転動体のロックウェル硬さが 70 HRC 以下であり、かつ転走面と転動体とのロックウェル硬さの差が 10 HRC 以下であることを必須とする。ここで、各軌道面とは上記図１に示したように内輪転走面２ａ、２ｂ、外輪転走面１ａ、１ｂであり、ハブ２、内輪５、外輪１上の面である。なお、ロックウェル硬さは、ＪＩＳＺ２２５１の試験方法により測定される値である。

軌道面のロックウェル硬さが55 HRC 未満であるときは、転走面の耐摩耗性が不足し、軸受寿命に影響を及ぼし、また、転走面と転動体とのロックウェル硬さの差が 10 HRC をこえると、転走面と転動体との相対硬さの差が大きいため転走面の摩耗が促進される。

本発明の車輪用軸受装置のハブ、内輪、外輪等に使用できる材質は、軸受鋼、浸炭鋼、または機械構造用炭素鋼を挙げることができ、軌道面のロックウェル硬さが上記の所定範囲内となるものであればよい。これらの中で鍛造性が良く安価なＳ５３Ｃなどの機械構造用炭素鋼を用いることが好ましい。

本発明の車輪用軸受装置に封入するグリースに使用できる基油としては、スピンドル油、冷凍機油、タービン油、マシン油、ダイナモ油等の鉱油、高度精製鉱油、流動パラフィン、ポリブテン、フィッシャー・トロプシュ法により合成されたＧＴＬ油、ポリ-α-オレフィン（以下、ＰＡＯと記す）油、アルキルナフタレン、脂環式化合物等の炭化水素系合成油、または、天然油脂、ポリオールエステル油、りん酸エステル油、ポリマーエステル油、芳香族エステル油、炭酸エステル油、ジエステル油、ポリグリコール油、シリコーン油、ポリフェニルエーテル油、アルキルジフェニルエーテル油、アルキルベンゼン油、フッ素化油等の非炭化水素系合成油等を使用できる。

上記のＰＡＯ油としては、通常、α-オレフィンまたは異性化されたα-オレフィンのオリゴマーまたはポリマーの混合物である。α-オレフィンの具体例としては、１-オクテン、１-ノネン、１-デセン、１-ドデセン、１-トリデセン、１-テトラデセン、１-ペンタデセン、１-ヘキサデセン、１-ヘプタデセン、１-オクタデセン、１-ノナデセン、１-エイコセン、１-ドコセン、１-テトラコセン等を挙げることができ、通常はこれらの混合物が使用される。また、鉱油としては、例えば、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油等の通常潤滑油やグリースの分野で使用されているものをいずれも使用することができる。これらは単独で、または２種類以上組み合わせて用いることができる。
これらの中でも、比較的安価で軸受の密封装置や保持器に及ぼす影響が少ないパラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油を用いることが好ましい。

本発明の車輪用軸受装置に封入するグリースに使用できる基油の流動点は、−15℃以下である。流動点が−15℃よりも高い場合、寒冷地での使用において粘度上昇により軌道面に油膜ムラが生じやすくなる。

本発明の車輪用軸受装置に封入するグリースは、ウレア化合物を増ちょう剤とする。本発明に使用できるウレア系化合物は、例えば下記式（１）で表わされる。

（Ｒ² は、炭素原子数 6〜15 の芳香族炭化水素基を、Ｒ¹ およびＲ³ は、炭素原子数 6〜12 の炭化水素基をそれぞれ示す。Ｒ¹ およびＲ³ は同一であっても異なっていてもよい。）

ウレア系化合物は、イソシアネート化合物とアミン化合物を反応させることにより得られる。反応性のある遊離基を残さないため、イソシアネート化合物のイソシアネート基とアミン化合物のアミノ基とは略当量となるように配合することが好ましい。
反応は、例えばモノアミン酸とジイソシアネート類を、70〜110℃程度の基油中で十分に反応させた後、温度を上昇させ 120〜180℃で 1〜2 時間程度保持し、その後冷却し、ホモジナイザー、3 本ロールミル等を使用して均一化処理することによりなされる。

式（１）で表されるジウレア化合物は、例えば、ジイソシアネートとモノアミンの反応で得られる。ジイソシアネートとしては、フェニレンジイソシアネート、ジフェニルジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、１，５-ナフチレンジイソシアネート、２，４-トリレンジイソシアネート、３，３-ジメチル-４，４-ビフェニレンジイソシアネート、オクタデカンジイソシアネート、デカンジイソシアネート、ヘキサンジイソシアネー卜等が挙げられ、モノアミンとしては、オクチルアミン、ドデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ステアリルアミン、オレイルアミン、アニリン、ｐ-トルイジン、シクロヘキシルアミン等が挙げられる。
本発明においては、芳香族ジイソシアネートと、脂環族モノアミンおよび芳香族モノアミンとの反応で得られる脂環族−芳香族ウレア系化合物が好ましい。

本発明に使用する増ちょう剤の配合割合は、ベースグリース全体に対して好ましくは 1〜40 重量％、さらに好ましくは 3〜25 重量％である。増ちょう剤の配合量が 1 重量％未満では、増ちょう効果が少なくなり、グリース化が困難となり、40 重量％をこえるとグリースが硬くなりすぎ、所期の効果が得られにくくなる。

本発明に使用するグリースのちょう度は、−20℃におけるちょう度が 120 以上、かつ、−40℃におけるちょう度が 70 以上であることが好ましい。−20℃におけるちょう度が 120 未満、または、−40℃におけるちょう度が 70 未満である場合、グリースが硬くなりすぎ、所期の効果が得られにくくなる問題がある。

本発明の車輪用軸受装置に封入するグリースは、機能を損なわない範囲で、必要に応じて公知の添加剤を添加できる。添加剤としては、例えば、有機亜鉛化合物、アミン系、フェノール系、イオウ系化合物等の酸化防止剤、イオウ系、リン系化合物等の摩耗抑制剤、金属スルホネート、多価アルコールエステル等の防錆剤、金属スルホネート、金属フォスフェート等の清浄分散剤などが挙げられる。これらは単独または２種類以上組み合せて添加することができる。

参考実施例１〜参考実施例６
一定のロックウェル硬さを有するＳＵＪ２平板に対してロックウェル硬さで 0.4、1.5、2.4、3.9、4.9、8.9 硬い転動体を 6 種類準備した。ロックウェル硬さの差で小さいものから大きいものへ順に参考実施例１〜参考実施例６として用いた。準備したテストピースに、以下に示す比較例１のグリースを塗布した。グリースが塗布された試験片を用いて以下に示す微動摩耗試験を行ない、フレッティング摩耗深さ（μm ）を測定した。測定結果を図２に示す。

＜微動摩耗試験＞
図３は微動摩耗試験の概要を示す図である。図３に示すように微動摩耗試験機１２を用い、グリース１６を塗布された試験片１３にラジアル荷重１５を負荷された鋼球１４を載せ、下記条件にて水平方向Ａ−Ｂに往復動させたときの試験片１３のフレッティング摩耗深さを測定する。

［測定条件］
試験片：グリースを塗布したＳＵＪ２平板
鋼球重量：7.9375 g
ラジアル荷重：10 kgf
往復動振幅／回数：0.47 mm／30 Hz
試験時間：8 時間

微動摩耗試験によるフレッティング摩耗深さは、図２に示すように転動体と軌道輪との硬度差に比例して増加した。製造公差を加味して、転動体と軌道輪との硬度差は 10 HRC 以下と限定することとする。

実施例１〜実施例３および比較例１
表１に示す基油に、表１に示す増ちょう剤を添加し、グリースを製造した。グリース全体に対する増ちょう剤の配合割合は 10〜15 重量％の範囲とした。実施例２に用いた鉱油と合成炭化水素油との混合油に対する鉱油の比率は 60 重量％である。得られたグリースのちょう度はＪＩＳＫ２２２０により測定した。

ロックウェル硬さで 60〜64 HRC を有する軌道輪および 62〜67 HRC を有する転動体を組み込んだ軸受（型番：５１２０４Ｊ）を準備した。この軌道輪と転動体とのロックウェル硬さの差は最大で 7 である。準備した軸受に得られたグリースを封入し、軸受試験片を得た。得られた軸受試験片を用いて以下に示すフレッティング試験を行ない、耐フレッティング性を評価した。評価結果を表１に併記する。

＜フレッティング試験＞
Ｆａｆｎｉｒ試験（準拠）におけるフレッティング摩耗とし、結果を摩耗量で表した。すなわち試験条件をＡＳＴＭＤ４１７０に準拠して、軸受（型番：５１２０４Ｊ）試験片を試験時間として 2 時間回転させたときの、転走面および転動体の摩耗量を測定する。
摩耗量が 1.2 mg 以下である試験片を「優」と評価して「◎」を、1.2 mg をこえ 1.5 mg 以下であるものを「良」と評価して「○」を、1.5 mg をこえ 2.5 mg 以下であるものを「可」と評価して「△」を、2.5 mg をこえるものを「不可」と評価して「×」を記録する。

表１において軌道輪転走面および転動体のロックウェル硬さが所定の範囲にあり、かつ、所定のグリースを用いた実施例１〜実施例３は優れた耐フレッティング性を示した。

本発明の車輪用軸受装置は、安価であるとともに、耐フレッティング性や長期耐久性に優れるので、ラジアル、スラストおよびモーメント荷重、衝撃荷重等を受ける車輪用軸受装置として好適に利用することができる。また、寒冷地輸送時にもフレッティングの問題が発生しにくい。

本発明の車輪用軸受装置の一例を示す断面図である。フレッティング摩耗深さに及ぼす転動体と転走面との硬度差の影響を示す図である。微動摩耗試験の概要を示す図である。

符号の説明

１外輪
２ハブ
３玉
４ハブ本体
５内輪
６フランジ
７小径段部
８保持器
９スプライン孔
１０シール部材
１１内部空間
１２微動摩耗試験機
１３平板プレート
１４鋼球
１５ラジアル荷重
１６グリース

Claims

静止側軌道輪と、回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の軌道面と前記回転側軌道輪の軌道面との間に設けられた複数個の転動体とを備え、前記軌道面と前記転動体との転がり接触部を、基油と増ちょう剤とを含有してなるグリースにより潤滑する車輪用軸受装置において、
前記軌道面のロックウェル硬さは 55 HRC 以上、前記転動体のロックウェル硬さは 70 HRC 以下であり、かつ前記軌道面と前記転動体とのロックウェル硬さの差は 10 HRC 以下であり、
前記基油は、鉱油、または、鉱油と合成油との混合油であり、該混合油に占める前記鉱油の配合割合が 20〜80 重量％であり、かつ前記基油の流動点は−15℃以下であり、
前記増ちょう剤は、脂環族−芳香族ウレア系化合物または芳香族ジウレア系化合物であることを特徴とする車輪用軸受装置。
前記グリースは、−20℃におけるちょう度が 120 以上、かつ、−40℃におけるちょう度が 70 以上であることを特徴とする請求項１記載の車輪用軸受装置。
前記鉱油は、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油を単独で、または組み合わせて用いたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の車輪用軸受装置。
前記基油は、鉱油と炭化水素系合成油との混合油であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の車輪用軸受装置。
前記増ちょう剤の配合割合は、グリース全体に対して 1〜40 重量％であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項記載の車輪用軸受装置。