JP2005001549A - 車両用ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】スポーク部の両端から押し湯を効かせる鋳造方案において、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを提供するにあたって、特に回転曲げ試験、１３度衝撃試験に対して強い形状を提供する。
【解決手段】スポーク部とスポーク部間に形成される窓部を有するディスク部、並びにリム部からなる車両用ホイールにおいて、前記スポーク部の裏面側には鋳抜き部と窓部との間で外リブ１が形成され、かつ前記スポーク部の裏面側の中央には鋳造により成形された中リブ３が備えられていることを特徴とする車両用ホイールとする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶湯の湯流れ性、指向性凝固性能を考慮し、軽量かつ強度低下の無い一体的に低圧鋳造した軽合金製の車両用ホイールであり、特に１３度衝撃試験に対する機械的強度に優れた軽合金製の車両用ホイールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のロードホイールには種々の材質、構造のものがあるが、自動車の軽量化及び外観や意匠性の向上を目的として、アルミホイールに代表される車両用ホイールを装着する比率が増大している。この車両用ホイールは、通常低圧鋳造法で製造されることが多い。即ち、低圧鋳造法では、溶湯が金型キャビティ内に低速で充填されるので、ガスの巻込み及び酸化物の発生が他の鋳造法に比べて極力抑制される。
【０００３】
一般に軽合金製ホイール１０は図８に示すように、ボルトとナットにより車軸に取付けられる厚肉のハブ固定部１１、スポーク部１３、および窓部１２からなるディスク部１４と、タイヤが取着される薄肉のリム部１５から構成されている。
この場合、ハブ固定部１１及びリム部１５は車体やタイヤとの取回しの点から大幅な形状変更はできないので、スポーク部１３を薄肉化するなど、ハブ固定部１１以外のディスク部の形状変更による軽量化が行われているが、一体鋳造の場合、湯流れ性や指向性凝固性能を考慮する必要があるので大幅な軽量化は極めて困難である。
【０００４】
例えば特許文献１には、ホイールのセンター側ほどスポーク部を太くしたもつ車両用ホイールが開示されている。この効果として路面に接するタイヤに隣接して加振部となるリム部側より支持基部となるハブボルトに歪エネルギーを効率よく伝達して各スポーク部の面倒れを防止できるので、最軽量のホイールで、かつ低コストに車内振動および騒音の発生を防止できることが記載されている。
また、特許文献２には、スポーク部の裏側に中リブを設け、かつスポークの両端部に飾り穴リブを設けたスポーク部の形状が記載されている。鋳造後にフライス加工によりこの形状にすることで、鋳造欠陥がなく軽量化を実現することができるとしている。
これらの形状最適化はノウハウの塊であり、鋳造方案毎によって最適形状が異なる。このようなことから最も一般的に行われるスポーク部の最適形状化は図２に示す斜線部分の天井肉厚ｔや、端部の肉厚を一律に変更するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２９３１０１号公報（第３頁左欄１４行目〜３６行目、図１）
【特許文献２】
特開２０００−２５５２０２号公報（第３頁右欄１１行目〜３８行目、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの設計変更だけで最適化を極めることは難しく、当業者と言えどもどのような設計理念を基にスポーク形状を形成すべきか、どの形状を目安に設計を行えばよいのか不明確な部分があった。
従って、本発明の目的は、スポーク部の両端から押し湯を効かせる鋳造方案において、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを提供するにあたって、特に回転曲げ、１３度衝撃に対して強い形状を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは解析結果の積み重ねから、スポーク部の鋳抜き部に径方向に沿った中リブを設けることで（１）軽量化、（２）湯流れ性、（３）指向性凝固性能、の全てに優れた鋳造方案を確立できることを知見し、本発明に至った。
つまり、本発明は、スポーク部とスポーク部間に形成される窓部を有するディスク部、並びにリム部からなる車両用ホイールにおいて、前記スポーク部の裏面側には鋳抜き部と窓部側との間で外リブが形成され、かつ前記スポーク部の裏面側の中央には鋳造により成形された中リブが備えられていることを特徴とするものである。
【０００８】
勿論全てのホイールに本発明を適用することが好適な結果を産むとは限らない。例えばスポーク部の幅が細く、本数の多いものであれば、１３度衝撃試験に対する機械的強度がもともと強く、本発明の効果は特に不用である。本発明のようなスポーク部形状とするより鋳抜き部の全く無い形状の方が鋳造方案として好ましいこともある。意匠面の形状、必要強度にもよるが、本発明を適用するに好ましい車両用ホイールとは、図１に示すように、スポーク部の周方向の横幅Ｗと径方向の長さＬとの関係Ｗ／Ｌが、０．５≦Ｗ／Ｌであるものに適用することが好ましい。
このスポーク部の周方向の横幅Ｗと径方向の長さＬとの関係Ｗ／Ｌが、０．５≦Ｗ／Ｌである車両用ホイールにおいて、本鋳造方案の設計を行うことで（１）軽量化、（２）湯流れ性、（３）指向性凝固性能、の全てに優れた鋳造方案を確立できる。
【０００９】
本発明者らの検討によれば、スポーク幅が広くなり天井肉厚の薄い部分の面積が増えると１３度衝撃試験に対する機械的強度が弱くなってしまうことがわかっている。
また、スポーク部の幅がある程度太くなると重量が重くなり、軽合金製の鋳造ホイールを用いる利点が少なくなるので実用に乏しい。よって好ましい範囲は０．５≦Ｗ／Ｌ、上限を設けるなら０．５≦Ｗ／Ｌ≦５．０であり、好ましくは０．５５≦Ｗ／Ｌ≦３．０、さらに好ましくは０．６≦Ｗ／Ｌ≦１．５の範囲である。
この０．６≦Ｗ／Ｌ≦１．５となる一般的な車両用ホイールとは、スポーク部の本数が４〜６本、スポークの幅は最小部分で４０ｍｍ以上であり、ビードシート部の径が１６インチ以上のものに最も適用されている。
ここでスポーク部の幅とは図１に示すように、一端の窓部から他端の窓部までの距離Ｗであり、最も狭い部分と定義する。またスポーク部の長さとは径方向のものを指し、図１に示すように窓が形成される回転軸側の径からリム側の径までの長さＬと定義する。
【００１０】
スポーク部を周方向で切った場合の断面形状の一例を図３に示す。裏側中央部に中リブを有する略Ｅ字型の形状となっている。中リブの上部の輪郭は直線的なものでよいが、曲部を設けるなど、適宜最適化することも可能である。中リブは補強と湯流れ時のランナの役割を果たし、この補強により外側リブを薄くでき、軽量化を行うことが可能である。詳細は実施例にて示す。
【００１１】
中リブの形状は図２に示すように、外周側よりも内周側の方が高いリブ形状であることが望ましい。回転曲げ試験に対する最大応力部位は外リブの内周側で発生しやすい。そのため、強度上は中リブの内周側の高さを外周側よりも高くする事が望ましく、最大で外リブと同一の高さにすることで、回転曲げの強度を確保出来る。
１３度衝撃試験に対しても機械的強度を上げる必要があれば、中リブの外周側まで高く形成することが望ましい。この時、中リブの外周側での高さは鋳抜き部の底面から２〜１５ｍｍであり、さらに好ましくは３〜１２ｍｍである。また、中リブの幅（インナー側最上面）は５〜１５ｍｍ、さらには８〜１２ｍｍが好ましい。幅が５ｍｍ未満では機械的強度が不足する。逆に１５ｍｍ以上であると機械的強度が向上するメリットよりも重量が増大するデメリットのほうが大きい。
【００１２】
また、スポーク部の天井肉厚が薄い場合、１３度衝撃試験に対する機械的強度が不足がちになることがわかっている。スポーク部の天井肉厚が６ｍｍ以下である車両用ホイールに適用すれば、本発明の効果により機械的強度が不足することなく、顧客の要求する１３度衝撃試験に対する機械的強度を確保しつつ製品重量を抑えたホイールを製造することができる。６ｍｍ超であると１３度衝撃試験に対する機械的強度がこの天井肉厚のところで補強されるため、従来のリブ形状と比較して効果が得られにくい。
また特に湯流れ性を考慮すると、鋳抜き部の中心側の底部が、４０〜６０ｍｍの曲率Ｒを有することが好ましい。曲率Ｒが４０ｍｍ未満であると天井肉厚の薄い部分が長くなり、湯流れ性が悪くなるだけでなく、内周側のリブを厚くしても強度的に要求される値を満足し難い。逆に６０ｍｍ超であると駄肉部が多くなり、本発明の目的の１つである軽量化が困難となる。
【００１３】
前記のように、天井肉厚を薄くすることが軽量化の点から好ましく、これを可能とする鋳造方案としてスポークの両端部から押し湯を効かせる鋳造方案が好適である。この鋳造方案としては、たとえばリムから溶湯を入れ、かつディスク部の中心に押し湯機能を持たせたサイドゲート方案や、リム部とディスク部の中心に湯口を設けたマルチゲート方案等がある。特にマルチゲート方案ではこの押し湯効果が大きく、本発明の鋳造方案として好ましい。
【００１４】
本実施例においてはＪＩＳに定めるＡＣ４Ｃ，またはＡＣ４ＣＨ材相当のアルミ合金材料を用いて鋳造を行っている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を説明する。
本発明における解析の手法は以下の手順にて行った。まず解析モデルとして３次元のホイール形状を３次元ＣＡＤで作成する。意匠面の形状は、主に顧客であるカーメーカなどから指定されるものであり、通常ホイールメーカでは変更できない。ホイールメーカ側は、意匠面の裏側の肉盗み形状を最適化することで、良好な鋳造性と強度仕様を満たし且つ軽量なホイールをカーメーカなどに供給する。
【００１６】
ホイール裏側の肉盗みの設計手順としては、まず意匠面の形状に沿ってスポークが一律な厚みを有するように、肉盗み形状を設計する。この形状を初期形状とし、強度解析を実施する。強度解析はホイールの代表的な強度試験方法である１３度衝撃試験、回転曲げ疲労試験などを模擬したものであり、手法としては有限要素法、境界要素法等の公知の手段が用いられる。
次に強度解析により得られた結果を画面上で視覚化し、さらにリム、スポークなどホイール各部位に作用している応力を確認する。応力が許容値を超えている場合は、強度に余裕を持たせるために肉厚を厚くするように肉盗み形状を変更する。また、応力が許容値よりも十分に低い場合は、軽量化のために肉厚を薄くするように肉盗み形状の変更を行う。
【００１７】
このようにして、各部位の応力値が許容値以下にしつつ軽量になるよう、（１）意匠面裏側の肉盗み形状を変更、（２）強度解析の実施、（３）解析結果の判定、を繰り返す。これらを効率よく行うためには、技術者の経験を基にした作業が不可欠である。
車両用ホイールの代表的な強度試験方法として、１３度衝撃試験や回転曲げ試験がある。これらの強度試験をクリアするため、従来通常の当業者であれば意匠面に沿ってほぼ一律な天井肉厚を製造し、その天井肉厚を変えることにより対処していた。
【００１８】
（実施例１）
図１のスポーク裏面形状を持つ車両用ホイールの３次元データを形成した。外リブ１の輪郭形状は一部鋳抜き部２に向って凸形状を持つものとした。これは外リブをまっすぐな輪郭形状とするよりも回転曲げ試験に対して機械的強度が有利になるためであり、略３次関数的な輪郭を形成している。
さらに、スポーク部裏面の中央には中リブ３を形成し、鋳抜き部２が実質的に１つのスポーク部に対して左右に２分割される裏側形状とした。
この実施例におけるスポーク部の幅Ｗは９３．５ｍｍ、スポーク部の長さＬは９０．５ｍｍである。このＬ，Ｗに応じ外リブ、中リブ及び天井肉厚の最適化を目指して解析を行った。
その結果、外リブ１のインナー側で最も細い部分は８．６ｍｍ、凸形状となる部分でのリブの厚さは１５．５ｍｍ、中リブ３の幅ｗを１２．０ｍｍとすることで、天井肉厚ｔが５ｍｍと薄い車両用ホイールを得た。径方向に沿ったスポーク部の断面図（図１のＡ−Ａ矢視図）を図２に示す。中リブの高さｈは内周側では鋳抜き部の低面から約１０ｍｍ、外周側では約４ｍｍとして高低差を設け、軽量化と機械的強度のバランスを考えて設計した。また、この形状での車両用ホイールの製品重量を測定したところ、１７インチサイズで９．６０ｋｇと、スポーク幅が広いホイールとしては軽い形状であることが解かった。
前記の形状による１３度衝撃試験、回転曲げ試験の各々に対する解析を行ったところ、両者とも顧客要求を満足する強度特性が得られた。さらに、後述する比較例１の車両用ホイールと全く同じ製品重量でありながら、回転曲げ試験を行った解析結果では、スポーク部にかかる最大応力は外リブの部分に発生し、その値は比較例１のものより５％も低くなっていることが確認された。
また、鋳造性の面から見てみると、アルミ溶湯は厚肉部であるリブは流れやすいものの、薄い天井部分は冷え固まりやすいために流れにくくなっている。そのため、比較例１は薄い天井部分の幅が広く、アルミ溶湯の不廻りが発生しやすい形状である。しかし、本実施例では中リブがあるために薄い天井部分の幅が狭く、不廻りが発生しにくい形状となっており、鋳造欠陥が出難い。さらに、中リブは補強の役割も果たしており、両端のリブ幅を減らすことが出来る。
【００１９】
（比較例１）
図４に示すスポーク裏面形状を持つ車両用ホイールの強度解析を実施した。実施例１と同様に外リブの輪郭形状は一部鋳抜き部２に向って凸形状を持つものとした。但し、中リブは形成せず、鋳抜き部がほぼ一律な厚みを持つものとした。さらに中リブがない分の機械的強度を外リブを厚くして対処している。
この比較例におけるスポーク部の幅Ｗは９３．５ｍｍ、スポーク部の長さＬは９０．５ｍｍであり、意匠面の形状とも実施例１と同様である。
この形状において、リブの最も細い部分と厚い部分との比率や、全体的な太さを変更して最適なリブ形状を設計した。その結果、リブの最も薄い部分を１２．５ｍｍ、厚い部分を１９．０ｍｍ、天井肉厚を５ｍｍとすることで実施例１と同程度の重量の車両用ホイールができた。図３中にリム１ｂとして同部分での断面の輪郭を破線にて示す。
但し、この車両用ホイールの機械的強度は実施例１のものと比較して５％程低い値であり、製品重量に対する機械的強度は実施例１の方が優れていることが解かった。
また、実際に試作時に連続鋳造したところ、湯流れ性が悪く、鋳抜き部２で不廻り欠陥が多発した。歩留まりは約５０％程度であった。これを実施例１のような中リブを設けた金型にすることで湯流れ性が改善され、現状においては不廻り欠陥の発生は抑制されている。
【００２０】
（実施例２）
図５に示すスポーク形状を持つ車両用ホイールの強度解析を実施した。本実施例でのＷ／Ｌは０．６４であり、実施例１よりも細長いスポーク形状である。
実施例１とは異なり、外リブと鋳抜き部との輪郭がほぼ直線の形状とした。さらに、スポーク部の中央には中リブを形成し、鋳抜き部が実質的に１つのスポークに対して左右に２分割されるスポーク部形状とした。
この実施例におけるスポーク部の幅Ｗは７３．８ｍｍ、スポーク部の長さＬは１１６．０ｍｍである。このＬ，Ｗに応じ外リブ、中リブ及び天井肉厚の最適化を目指して解析を行った。
その結果、外リブ１のインナー側で最も細い部分は６．３ｍｍ、厚い部分を１６．０ｍｍ、中リブ３の幅ｗを１０．０ｍｍとすることで、鋳抜き部の天井肉厚ｔが５ｍｍと薄い車両用ホイールを得た。径方向に沿ったスポーク部の断面図（図５のＣ−Ｃ矢視図）を図６に示す。中リブは内周側（図６中ｈ１）では鋳抜き部の低面から約１３ｍｍ、外周側（図６中ｈ２）では約６．５ｍｍとして高低差を設け、軽量化と機械的強度のバランスを考えて設計した。また、この形状での車両用ホイールの製品重量を計算したところ、１７インチサイズで８．５０ｋｇと軽い形状であることが解かった。
前記の形状による１３度衝撃試験、回転曲げ試験の各々に対する解析を行ったところ、両者とも顧客要求を満足する強度特性が得られた。さらに、後述する比較例２の車両用ホイールと比べ、外リブにかかる最大応力値が殆ど同じでありながら、製品重量が０．２ｋｇ以上軽いものが製造できることが確認された。
【００２１】
（比較例２）
図７に示すスポーク裏面形状を持つ車両用ホイールの強度解析を実施した。実施例２と意匠面側の形状は同じであり、スポーク部裏面の形状のみ変えている。中リブは形成せず、鋳抜き部がほぼ一律な厚みを持つものとした。さらに中リブがない分の機械的強度を外リブを厚くして対処している。
この形状において、リブの最も細い部分と厚い部分との比率や、全体的な太さを変更して最適なリブ形状を設計した。その結果、外リブの最も薄い部分を１３．５ｍｍ、厚い部分を２６．５ｍｍ、天井肉厚を５ｍｍとすることで実施例１と同程度の回転曲げ試験および１３度衝撃試験に対する機械的強度を持つ車両用ホイールができた。
但し、この車両用ホイールの製品重量は８．７２ｋｇと重く、製品重量に対する機械的強度は実施例２の方が優れていることが解かった。
また、実際に試作時に連続鋳造したところ、湯流れ性が悪く、鋳抜き部２で不廻り欠陥が多発した。歩留まりは約５０％程度であった。これを実施例１のような中リブを設けた金型にすることで湯流れ性が改善され、現状においては不廻り欠陥の発生は抑制されている。
【００２２】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明によれば、スポーク部の裏面側には鋳抜き部に中リブが形成され、（１）軽量化、（２）湯流れ性、（３）指向性凝固性能、の全てに優れた鋳造方案を確立できた。これにより、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用ホイール形状を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】比較用の車両用ホイール形状を示す図である。
【図５】本発明の別の車両用ホイール形状を示す図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ矢視図である。
【図７】比較用の車両用ホイール形状を示す図である。
【図８】ホイールの形状を説明する図である。
【符号の説明】
１ リブ、２ 鋳抜き部、３ 中リブ，１０ 車両用ホイール、１１ ハブ固定部、１２ 窓部、１３ スポーク部、１４ ディスク部、１５ リム部

Claims (4)

1. スポーク部とスポーク部間に形成される窓部を有するディスク部、並びにリム部からなる車両用ホイールにおいて、
   前記スポーク部の裏面側には鋳抜き部と窓部との間で外リブが形成され、かつ前記スポーク部の裏面側の中央には鋳造により成形された中リブが備えられていることを特徴とする車両用ホイール。
2. 前記車両用ホイールはスポーク部の両端側から押し湯を効かせる鋳造方案により製造したことを特徴とする請求項１に記載の車両用ホイール。
3. 前記スポーク部の幅をＷ、径方向の長さをＬとすると、前記スポーク部の形状が０．５≦Ｗ／Ｌとなることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ホイール。
4. 前記鋳抜き部の底部の天井肉厚が６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両用ホイール。

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