JP5090829B2

JP5090829B2 - 二輪車のステアリング用軸受装置

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Publication number: JP5090829B2
Application number: JP2007231378A
Authority: JP
Inventors: 隆浩是本; 郁雄藤庭; 幸生松原
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP2009062581A

Description

本発明は、二輪車のステアリング用軸受装置に関する。

二輪車のステアリングステムをステアリング支持部に回転自在に支持する二輪車のステアリング用軸受装置の転がり軸受には、大型車では円錐ころ軸受や円筒ころ軸受が用いられているが（例えば、特許文献１参照）、中小型車では、転動体としてのボールを、保持器を用いずに内外輪の軌道面間に密に配列した総ボール形式の玉軸受が用いられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２１７０５６号公報特開平８−７４８６１号公報

特許文献２に記載されたように、総ボール形式の玉軸受を用いた二輪車のステアリング用軸受装置は、組み立て時に、内外輪の軌道面間に配列される転動体としてのボールが抜け落ちやすく、組み立て性が悪い問題がある。特に、内外輪の少なくとも一方の軌道面の片側にカウンタ部が設けられたアンギュラ玉軸受は、このカウンタ部から転動体が抜け落ちやすい。

このような転動体の抜け落ちを防止するためには、保持器を用いて内外輪の軌道面間に配列される転動体を保持すればよいが、保持器を用いると、その柱部で転動体を隔てる間隔分だけ転動体の配列個数が少なくなるので、転動体と軌道面との接触面圧が高くなって、フレッティングや焼き付き等の表面損傷が発生しやすくなる。特に、内輪の軌道面は、軸直交方向断面が凸形状で曲率半径も小さいので、軸直交方向断面が凹形状で曲率半径も大きい外輪の軌道面よりも、軸直交方向断面での転動体との接触長が短くなり、転動体との接触面圧が高くなる。このような軌道面と転動体との接触面圧を低減するには、軌道面の軸方向断面における曲率半径を転動体の半径に近づけるように小さくし、軸方向断面における軌道面と転動体との接触長を長くして、これらの接触面積を拡げることが考えられる。

また、二輪車のステアリング用軸受装置は、道路事情の悪い地域での走行時や洗車時に、泥水や洗浄水に混じって、路面や車体に付着する砂利等の細かい異物が軸受内部に侵入する。縦向きのステアリングステムを支持する二輪車のステアリング用軸受装置は、軸受の端面が上下に向けられるので、横向きの軸を支持して端面が左右に向けられる軸受に較べると、内部に侵入した異物は外部に落下して排出されやすいが、軌道面の軸方向断面における曲率半径を転動体の半径に近づけると、この軸方向断面の軌道面と転動体との間に形成される楔空間の楔角が小さくなる。このように楔空間の楔角が小さくなると、楔空間に異物が引っ掛かりやすくなるとともに、楔空間から異物を排斥する反力が小さくなり、異物が軌道面と転動体との間に噛み込まれやすくなる。

このように砂利等の硬い異物が軌道面と転動体との間に噛み込まれると、軌道面や転動体の表面に圧痕が形成され、この圧痕のエッジ部が応力集中源となって、圧痕を起点とする表面剥離が早期に生じ、軸受寿命が短くなる問題がある。

そこで、本発明の課題は、玉軸受を用いたステアリング用軸受装置の組み立て性を確保した上で、転動体と軌道面との接触面圧を低減し、さらに、異物の噛み込みによる表面剥離を防止して、軸受寿命を延長することである。

上記の課題を解決するために、本発明は、二輪車のステアリング支持部に内挿されるステアリングステムを、内輪と外輪の軌道面間の軸受空間に複数の転動体を配列した玉軸受で回転自在に支持した二輪車のステアリング用軸受装置において、前記内輪と外輪の軌道面間に配列される転動体を保持器に保持し、前記内輪と外輪の軌道輪のうちの少なくとも内輪の軌道面の軸方向断面における曲率半径を、前記転動体の直径の５３％以下として、この軌道面の曲率半径を転動体の直径の５３％以下とした小曲率半径軌道輪を、合金元素としてＣ：０．９５〜１．１０質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０質量％、Ｍｎ：１．１５質量％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を素材として、焼入れ、焼戻し処理を施し、前記軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上とした構成を採用した。

すなわち、内輪と外輪の軌道面間に配列される転動体を保持器に保持し、内輪と外輪のうちの少なくとも内輪の軌道面の軸方向断面における曲率半径を、転動体の直径の５３％以下、好ましくは５２％以下とすることにより、ステアリング用軸受装置の組み立て性を確保した上で、軸方向断面における転動体と少なくとも内輪の軌道面との接触長を長くし、これらの接触面積を拡げてその接触面圧を低減し、さらに、軌道面の曲率半径を転動体の直径の５３％以下、好ましくは５２％以下とした小曲率半径軌道輪を、合金元素としてＣ：０．９５〜１．１０質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０質量％、Ｍｎ：１．１５質量％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を素材として、焼入れ、焼戻し処理を施し、軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上とすることにより、異物の噛み込みによる表面剥離を防止して、軸受寿命を延長できるようにした。

前記小曲率半径軌道輪の素材とする鋼は、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２またはＳＵＪ３に相当する鋼であり、このような鋼素材に焼入れ、焼戻し処理を施し、軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上とすることにより、異物の噛み込みで生じる圧痕のエッジ部での応力集中を緩和できるとともに、圧痕を起点とする亀裂の伝播を抑制して、表面剥離を防止することができる。

前記軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒度を、ＪＩＳＧ０５５１に規定される１０番以上とすることにより、軌道面の表層部の靭性を高めることができる。旧オーステナイト結晶粒度を１０番以上とするためには、焼入れ処理時の加熱温度をＡｃｍ点以上で低くすればよい。なお、旧オーステナイト結晶粒は、焼入れ開始時の相変態したオーステナイトの結晶粒であり、冷却によりマルテンサイトへ変態した後も、過去の履歴として残存する。

前記小曲率半径軌道輪を形成する鋼素材に窒化処理を施すことにより、軌道面の表層部を強化して、圧痕の生成を緩和できるとともに、圧痕部での応力集中をより緩和することができる。また、フレッティングや焼き付き等の表面損傷の発生も防止することができる。

前記窒化処理を施した小曲率半径軌道輪の前記軌道面の表層部における表面から１００μｍの深さでの窒素濃度を０．１質量％以上とするのが好ましい。砂利等の異物は、直径が１００μｍ程度のものが多いからである。

前記軸受空間は接触式のシール部材でシールすることにより、軸受内部への異物の侵入を抑制することができる。

前記軸受空間は非接触式のシールド部材でシールすることによっても、軸受内部への異物の侵入を抑制することができる。

前記軸受空間に封入するグリースを、増ちょう剤としてウレア化合物を含むウレア系グリースとすることにより、転動体と軌道面との間に安定して油膜を形成し、フレッティングや焼き付き等の表面損傷の発生をより確実に防止することができる。また、ウレア系グリースは、耐酸化性、耐水性、耐熱性に優れているので、軸受内部を長期間安定して潤滑することができる。

上述した各二輪車のステアリング用軸受装置は、前記玉軸受を、前記内輪と外輪の少なくとも一方の軌道面の片側にカウンタ部が設けられたアンギュラ玉軸受としたものに好適である。

本発明の二輪車のステアリング用軸受装置は、内輪と外輪の軌道面間に配列される転動体を保持器に保持し、内輪と外輪の軌道輪のうちの少なくとも内輪の軌道面の軸方向断面における曲率半径を、転動体の直径の５３％以下、好ましくは５２％以下として、この軌道面の曲率半径を転動体の直径の５３％以下、好ましくは５２％以下とした小曲率半径軌道輪を、合金元素としてＣ：０．９５〜１．１０質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０質量％、Ｍｎ：１．１５質量％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を素材として、焼入れ、焼戻し処理を施し、軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上としたので、玉軸受を用いたステアリング用軸受装置の組み立て性を確保した上で、転動体と軌道面との接触面圧を低減でき、さらに、異物の噛み込みによる表面剥離を防止して、軸受寿命を延長することができる。

前記軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒度を、ＪＩＳＧ０５５１に規定される１０番以上とすることにより、軌道面の表層部の靭性を高めることができる。

以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。この二輪車のステアリング用軸受装置は、図１に示すように、ステアリング支持部としてのステアリングパイプ１１に内挿されたステアリングステム１２を、上下一対のアンギュラ玉軸受１で回転自在に支持したものであり、ステアリングステム１２には、左右のフロントフォーク１３を連結するアッパブラケット１４を介してハンドル１５が取り付けられている。

前記アンギュラ玉軸受１は、図２に示すように、内輪２と外輪３の軌道面２ａ、３ａ間に、転動体としての複数のボール４を保持器５で保持して配列し、対向する各軌道面２ａ、３ａの互いに反対側の片側にカウンタ部２ｂ、３ｂを設けたものであり、ボール４が配列された軸受空間にはウレア系グリース（図示省略）が封入され、軸受空間の両側は接触式のシール部材６ａでシールされている。

前記内輪２の軌道面２ａの軸方向断面における曲率半径ρ２はボール４の直径Ｄの５１％、外輪３の軌道面３ａの軸方向断面における曲率半径ρ３はボール４の直径Ｄの５３％とされており、軸方向断面におけるボール４と各軌道面２ａ、３ａの接触長が長くなっている。したがって、保持器５を用いた分だけボール４の配列個数が少なくなっても、各ボール４と各軌道面２ａ、３ａとの接触面積を拡げて、これらの間の接触圧力を低減することができる。

前記内輪２および外輪３は、いずれも表１に示す高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２またはＳＵＪ３を素材として、焼入れ、焼戻し処理を施したものであり、一部のものは窒化処理も施され、内輪２と外輪３の各軌道面２ａ、３ａの表層部における残留オーステナイト量が２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖが６８０以上とされている。また、ＪＩＳＧ０５５１に規定される旧オーステナイト結晶粒度は１０番以上と細かくされている。なお、ＳＵＪ２、ＳＵＪ３とも、不可避的不純物としてのＰおよびＳは、いずれも０．０２５質量％以下とされている。Ｐはほぼ全てが旧オーステナイト粒界に析出して、靭性を低下させ、ＳはＭｎと化合してＭｎＳとなり、ＭｎＳが大きくなると靭性が低下するからである。

図３は、前記アンギュラ玉軸受１の変形例を示す。この変形例は、前記軸受空間の両側が非接触式のシールド部材６ｂでシールされている点が異なる。その他の部分は実施形態のものと同じであり、内輪２の軌道面２ａの曲率半径ρ２は、ボール４の直径Ｄの５１％、外輪３の軌道面３ａの曲率半径ρ３はボール４の直径Ｄの５３％とされている。

上述した実施形態では、内外輪の軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上としたが、内輪の軌道面の表層部のみを、このような残留オーステナイト量とビッカース硬さとしてもよい。

また、上述した実施形態では、ステアリングステムを支持する玉軸受をアンギュラ玉軸受とし、その内輪と外輪の両方の軌道面の片側にカウンタ部を設けたが、アンギュラ玉軸受は、内輪と外輪のいずれか一方の軌道面の片側にカウンタ部を設けたものとしてもよく、玉軸受は深溝玉軸受としてもよい。

実施例として、内輪の軌道面の軸方向断面における曲率半径をボールの直径の５１％、外輪の軌道面の軸方向断面における曲率半径をボールの直径の５３％とし、表２に示すように、内外輪をＳＵＪ２またはＳＵＪ３を素材として焼入れ、焼戻し処理を施し、各軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上とした深溝玉軸受（実施例１〜４）を用意した。実施例１、２および４のものは、窒化処理も施され、表面から１００μｍの深さでの窒素濃度が０．１質量％以上とされている。また、比較例として、軌道面の曲率半径が実施例のものと同じ内外輪を、ＳＵＪ２またはＳＵＪ３を素材として焼入れ、焼戻し処理を施し、各軌道面の表層部における残留オーステナイト量とビッカース硬さＨｖの少なくともいずれかが本発明で規定する範囲を外れた深溝玉軸受（比較例１〜４）も用意した。比較例２および４のものは窒化処理も施した。なお、各実施例と比較例の深溝玉軸受の寸法は、外径６２ｍｍ、内径３０ｍｍ、幅１６ｍｍとした。

上記各実施例と比較例の深溝玉軸受を、異物が混入された潤滑油浴に配置された回転軸に取り付け、ラジアル荷重を負荷する異物混入寿命試験を行った。試験条件は以下の通りである。
・ラジアル荷重：６．８６ｋＮ
・最大接触面圧：３．２ＧＰａ
・回転速度：３０００ｒｐｍ
・潤滑油：タービン油ＶＧ５６
・異物：ガスアトマイズ粉（粒径１００〜１８０μｍ、硬さＨｖ７００〜８００、混入量０．４ｇ／リットル）

上記異物混入寿命試験の結果を、表２に併せて示す。表中の寿命比は、ＳＵＪ２を素材とし、表層部の残留オーステナイト量を１２体積％、ビッカース硬さＨｖを７５０とした比較例１の軸受寿命を基準値１としたものであり、軸受寿命はＬ１０寿命（ワイブル分布に当てはめた９０％のサンプルが破損しないで使える時間）で評価した。

各実施例のものは、いずれも寿命比が２以上の長い軸受寿命を有し、特に、窒化処理を施した実施例１、２および４は、寿命比が３以上の長い軸受寿命を有している。これに対して、比較例のものは、窒化処理を施した比較例２および４は寿命比が１を上回るが、いずれも寿命比が２には遥かに及ばす、各実施例のものに較べると、軸受寿命が著しく短い。なお、各実施例と比較例のＬ１０寿命を決定した要因は、ほとんどのものが内輪の軌道面の表面剥離であった。以上の試験結果より、少なくとも内輪の軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上としたものは、内輪の軌道面の曲率半径をボールの直径の５２％以下としても、異物の噛み込みに起因する表面剥離を防止して、軸受寿命を大幅に延長できることが確認された。

つぎに、前記実施例１の内外輪と同様に、ＳＵＪ２を素材として窒化処理と焼入れ、焼戻し処理を施し、表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上としたものについて、表３に示すように、焼入れ処理時の加熱温度を変えて、表層部の旧オーステナイト結晶粒度を変化させた円筒試験片（実施例１１〜１４）を用意した。なお、各円筒試験片の焼戻し処理は１８０℃×２時間とし、その円筒面を内外輪の軌道面と同等に超仕上げした。

上記各円筒試験片について、円筒面を２個の相手鋼球と転接させる転動疲労試験を行った。この鋼球を相手とする転動疲労試験は、鋼ローラを相手とする転動疲労試験よりも最大接触面圧を高くして、円筒試験片表層部の靭性を厳しく評価するものである。試験条件は以下の通りである。
・円筒試験片寸法：外径１２ｍｍ、長さ２２ｍｍ
・相手鋼球寸法：直径１９．０５ｍｍ
・最大接触面圧：５．８８ＧＰａ
・負荷速度：４６２４０サイクル／分
・潤滑油：タービン油ＶＧ６８（油浴飛沫給油）

上記転動疲労試験の結果を、表３に併せて示す。表中には、Ｌ１０寿命の寿命比と併せてＬ５０寿命（ワイブル分布に当てはめた５０％のサンプルが破損しないで使える時間）の寿命比も示す。各寿命比は、それぞれ実施例１１のＬ１０寿命とＬ５０寿命を基準値１としたものである。この試験結果より、旧オーステナイト結晶粒度をＪＩＳＧ０５５１の１０番以上と細かくした実施例１３、１４は、旧オーステナイト結晶粒度を１０番よりも小さくした実施例１１、１２と較べて、Ｌ５０寿命比は顕著な差が認められないが、Ｌ１０寿命比が２倍程度に延長されている。このことから、旧オーステナイト結晶粒度を１０番以上とすることにより、表層部の靭性を向上させて、転動疲労寿命を安定して延長し、短寿命となる確率を低減できることがわかる。

二輪車のステアリング用軸受装置の実施形態を示す切欠き縦断面図図１のアンギュラ玉軸受を示す縦断面図図２のアンギュラ玉軸受の変形例を示す縦断面図

符号の説明

１アンギュラ玉軸受
２内輪
３外輪
２ａ、３ａ軌道面
２ｂ、３ｂカウンタ部
４ボール
５保持器
６ａシール部材
６ｂシールド部材
１１ステアリングパイプ
１２ステアリングステム
１３フロントフォーク
１４アッパブラケット
１５ハンドル

Claims

二輪車のステアリング支持部に内挿されるステアリングステムを、内輪と外輪の軌道面間の軸受空間に複数の転動体を配列した玉軸受で回転自在に支持した二輪車のステアリング用軸受装置において、前記内輪と外輪の軌道面間に配列される転動体を保持器に保持し、前記内輪と外輪の軌道輪のうちの少なくとも内輪の軌道面の軸方向断面における曲率半径を、前記転動体の直径の５３％以下として、この軌道面の曲率半径を転動体の直径の５３％以下とした小曲率半径軌道輪を、合金元素としてＣ：０．９５〜１．１０質量％、Ｓｉ：０．１５〜０．７０質量％、Ｍｎ：１．１５質量％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼を素材として、焼入れ、焼戻し処理を施し、前記軌道面の表層部における残留オーステナイト量を２０体積％以上、ビッカース硬さＨｖを６８０以上としたことを特徴とする二輪車のステアリング用軸受装置。
前記軌道面の表層部の旧オーステナイト結晶粒度を、ＪＩＳＧ０５５１に規定される１０番以上とした請求項１に記載の二輪車のステアリング用軸受装置。
前記小曲率半径軌道輪を形成する鋼素材に窒化処理を施した請求項１または２に記載の二輪車のステアリング用軸受装置。
前記窒化処理を施した小曲率半径軌道輪の前記軌道面の表層部における表面から１００μｍの深さでの窒素濃度を０．１質量％以上とした請求項３に記載の二輪車のステアリング用軸受装置。
前記軸受空間を接触式のシール部材でシールした請求項１乃至４のいずれかに記載の二輪車のステアリング用軸受装置。
前記軸受空間を非接触式のシールド部材でシールした請求項１乃至４のいずれかに記載の二輪車のステアリング用軸受装置。
前記シール部材またはシールド部材でシールした軸受空間に、増ちょう剤としてウレア化合物を含むウレア系グリースを封入した請求項５または６に記載の二輪車のステアリング用軸受装置。
前記玉軸受を、前記内輪と外輪の少なくとも一方の軌道面の片側にカウンタ部が設けられたアンギュラ玉軸受とした請求項１乃至７のいずれかに記載の二輪車のステアリング用軸受装置。