JP2005206151A

JP2005206151A - 車両用ホイール

Info

Publication number: JP2005206151A
Application number: JP2005045159A
Authority: JP
Inventors: Hajime Itou; 哉伊藤; Makoto Matsumoto; 誠松本; Hiroyuki Takatsuka; 弘幸高塚; Takashi Itoi; 高士糸井
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2019-02-01
Also published as: JP4311674B2

Abstract

【課題】高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを提供する。
【解決手段】リアフランジ部を含むリム部と、ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とを有し、アルミニウム合金で鋳造された車両用ホイールにおいて、軸を含む任意縦断面の２次技法によるデンドライトアームスペーシング測定値を測定した時に、リアフランジ部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_１、リム部の中央部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_２、デザイン部の外周部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_３、ハブ部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_４とすると、Ｄ_２＞Ｄ_３なる関係を有する領域が現出すると共に、全周にわたってＤ_１及びＤ_３が３５μｍ以下でありかつＤ_４＞Ｄ_３なる関係を有し、Ｄ_４とＤ_３の差が１５μｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば金型キャビティ内で低圧鋳造により得られる、アルミニウム合金製の車両用ホイールに関する。

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、アルミホイールを装着する比率が増大している。このアルミホイールは、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。

一般にアルミホイール３０は、図４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部３１と厚肉部と薄肉部が混在するデザイン部３２からなるディスク部３３と、タイヤが取着される薄肉のリム部３４から構成されている。図４（ａ）において、３５はフロントフランジ部、３６はリアフランジ部、３７はデザイン部の外周部、３８はリム中央部である。図４（ｂ）において、３９はスポーク部、３９′は意匠穴である。車両の燃費向上の点から、ホイールの形状変更による軽量化が検討されている。この場合、ハブ部及びリム部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、デザイン部の形状変更（例えば意匠穴の面積を大きくすることあるいはスポーク部を薄肉化すること）による軽量化が行われているが、大幅な軽量化は極めて困難である。

上記ホイールを低圧鋳造で製造する場合、ハブ部３１に湯口を設け、そこから溶湯を注入し、デザイン部３２及びリム部３４と溶湯をこの順に注入する方法（センターゲート法）あるいはリム部の端部（デザイン部の外周部３７）に複数（通常は２個）の湯口を設け、そこから溶湯を注入する方法（サイドゲート法）が採用されている。センターゲート法では、溶湯充填後の凝固形態として、湯口の押し湯効果を十分に発揮させるために、リム部、デザイン部、ハブ部の順に指向性凝固を行わせている。しかしこの鋳造方法では、デザイン部は厚肉部と薄肉部が混在した複雑形状を有するので、リム部からディスク部に向かう指向性凝固を達成することが困難である。一方、サイドゲート法では、デザイン部自体が、凝固し易いハブ部への溶湯補給通路として機能するので、デザイン部での良好な湯流れを確保するために、デザイン部は厚肉となり、この鋳造方法でもホイール全体の大幅な軽量化は困難である。

上述した従来法の欠点を解消すべく、ディスク中心部（ハブ部）とリム端にそれぞれ湯口を設け、これらの湯口から金型内に注湯することが提案されている（例えば特開平５−２６９５６３号、同６−２６９９２３号参照）。この鋳造方法（３ゲート法）によれば、デザイン部の厚さを薄くしてもリム部からディスク部に向かう指向性凝固を達成できるので、ホイールの大幅な軽量化が可能となる。上述した３ゲート法により、軽量化したアルミホイールを得ることはできるが、このアルミホイールが所定の安全保安基準を満足しているか否かの判断が難しい。アルミホイールの安全性を示す指標として、衝撃値及び回転曲げ強度を用いることが一般的である。アルミホイールは通常Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金で形成され、鋳造品の内部にα−Ａｌデンドライト晶が晶出するので、デンドライトアームスペーシング（以下ＤＡＳという）を測定することにより、アルミホイールの評価を行うことが提案されている。例えば、特開平２−１４７４０１号には、アルミホイールの安全性を示す指標として、ＤＡＳ測定値に注目し、反ディスク側リム先端部のＤＡＳ測定値＜リム胴部のＤＡＳ測定値、ディスク中心部のＤＡＳ測定値＞ディスク部のリム支承部のＤＡＳ測定値、及びディスク部のリム支承部のＤＡＳ測定値≦リム胴部のＤＡＳ測定値といった３つの条件を満足することにより、安全保安基準を満足したアルミホイールが得られるとしている。
特開平５−２６９５６３号公報（（００１４）〜（００１９）、図１）特開平６−２６９９２３号（（００１２）〜（００１４）、図３）

しかしながら、上述した３つの条件を満足しているからといってそのアルミホイールが安全保安基準を満足しているとは限らない。即ち、アルミホイールは、全周にわたって同一の条件で凝固されるわけではなく、冷却速度の差により全周方向にわたってＤＡＳの値も異ってくる。従って単純に一断面におけるリム部とディスク部のＤＡＳ測定値の大小関係を規定するのみでは、そのアルミホイールの安全性が保障されるものではない。

従って、本発明の目的は、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明においては、リアフランジ部を含むリム部と、ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とを有し、アルミニウム合金で鋳造された車両用ホイールにおいて、軸を含む任意縦断面の２次技法によるデンドライトアームスペーシング測定値を測定した時に、リアフランジ部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_１、リム部の中央部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_２、デザイン部の外周部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_３、ハブ部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_４とすると、Ｄ_２＞Ｄ_３なる関係を有する領域が現出すると共に、全周にわたってＤ_１及びＤ_３がＤ_４＞Ｄ_３なる関係を有する、という技術的手段を採用した。本発明において、全周にわたってＤ_１及びＤ_３が３５μｍ以下であり、かつＤ_４とＤ_３の差が１５μｍ以下であることが好ましい。を特徴とする請求項１に記載の車両用ホイール。また、Ｄ_１及びＤ_３は３０μｍ以下であることが望ましい。本発明において、ＤＡＳ（デンドライトアームスペーシング）の測定は２次枝法を用いて行った。２次枝法では、ＤＡＳ測定値としてアルミニウム合金鋳物のミクロ組織における、主軸の両側に成長したデンドライトの２次アームの間隔を求め、複数個の２次アームの間隔を、その間隔に含まれる２次アームの数で除した値（μｍ）として算出される。

以上に記述の如く、本発明によれば、軸を含む任意縦断面におけるＤＡＳ測定値が特定の分布を有するので、デザイン面が建全で、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを得ることができる。

以下、本発明の詳細を図面により説明する。例えば前述の３ゲート法により鋳造したアルミホイールについて、軸を含む任意縦断面のＤＡＳを測定すると、ゲート(湯口)が有る部分とそれが無い部分とでは、凝固速度の差異によりＤＡＳ測定値の分布は異ってくる。図４のアルミホイールにおいて、リアフランジ部３６のＤＡＳ測定値をＤ_１、リム中央部３８のＤＡＳ測定値をＤ_２、デザイン部３２の外周部３７のＤＡＳ測定値をＤ_３、ハブ部３１のＤＡＳ測定値をＤ_４とすると、ゲートが有る領域ａのＤＡＳ測定値は図１の曲線Ｘのようになり、ゲートが無い領域ｂのＤＡＳ測定値は図１の曲線Ｙのようになる。すなわち領域ａでは、Ｄ_２≧Ｄ_３となり、領域ａから略９０°離れた領域ｂでは、Ｄ_３≧Ｄ_２＞Ｄ_１となる。また全周にわたって、Ｄ_４とＤ_３はＤ_４＞Ｄ_３なる関係を有し、かつＤ_４とＤ_３の差は１５μｍ以下であればよい。Ｄ_１とＤ_３は、全周にわたって３５μｍ以下であるが、機械的強度の点から３０μｍ以下であることが好ましく、更に、製造の容易さを考慮すると、２０μｍ以上であることが好ましい。特にＤ_３は２５μｍ以上であることがより好ましい。また本発明では、下型を水冷することにより、ゲートが有る領域ａのＤＡＳ測定値は図２の曲線Ｘ′のようになり、ゲートが無い内領域ｂのＤＡＳ測定値は図２の曲線Ｙ′のようになる。すなわち領域ａでは、Ｄ_２＞Ｄ_３となり、領域ａから略９０°離れた領域ｂでは、Ｄ_３＞Ｄ_２＞Ｄ_１となる。また全周にわたって、Ｄ_４とＤ_３はＤ_４＞Ｄ_３なる関係を有し、かつＤ_４とＤ_３の差は１５μｍ以下であればよい。Ｄ_１とＤ_３は、全周にわたって３５μｍ以下であるが、機械的強度の点から３０μｍ以下であることが好ましく、更に、製造の容易さを考慮すると、２０μｍ以上であることが好ましい。特にＤ_３は２５μｍ以上であることがより好ましい。また本発明は、図４に示すデザイン形状を有するアルミホイールに限らず、例えば図５（ａ）、（ｂ）に示すような対称の意匠穴を有するアルミホイールやメッシュ状のデザインを有するアルミホイールにも適用できることはもちろんである。上述したＤＡＳ測定値の分布を有するアルミホイールは、例えば図３に示す装置により鋳造することができる。図３は本発明を実施するための鋳造装置の要部を示す断面図である。図３において、１は金型であり、ホイールデザインに対応した種々の表面形状を有する下型２と、その上方に位置する上型３と、下型２及び上型３と嵌合してキャビティ６を形成するように横型４、５とを備えている。下型２は、下型プラテン７に固定された下型ベース８上に設置されている。上型３は、上型ベース９にボルト１０で固定されている。キャビティ６は、ディスク部キャビティ６０とリム部キャビティ６１からからなり、キャビティ６０はハブ部キャビティ６２とデザイン部キャビティ６３からなり、キャビティ６１はデザイン部の外周部キャビティ６４と中央部キャビティ６５からなる。ハブ部キャビティ６２及びデザイン部の外周部キャビティ６４、６４には各々湯口１１ａ、１１ｂ及び１１ｃが形成され、各湯口は、湯道１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを介してストーク１３ａ、１３ｂ及び１３ｃに連通している。湯口１１ｂ及び１１ｃは、平面からみて湯口１１ａの両側に対称位置、すなわち各湯口の中心が同一直線上に位置するように配置されている。これらのストークの下端部は、溶湯が収容された密閉容器（図示せず）に挿入されている。下型２には、デザイン部キャビティ６２に対応する位置に下型冷却通路１４が設けられている。

上記構成による動作を説明する。まず密閉容器内の溶湯を加圧することにより、溶湯はストーク１３ａ、１３ｂ及び１３ｃから湯道１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを経て、湯口１１ａ、１１ｂ及び１１ｃからキャビティ６内に充填される。ここで湯口１１ａと、湯口１１ｂ、１１ｃとの間には高低差があるので、湯口１１ａを通過する溶湯はデザイン部キャビティ６３を充填し、湯口１１ｂ、１１ｃを通過する溶湯はリム部キャビティ６１を充填する。即ち溶湯はリム部キャビティ６１で合流する。所定時間経過後、加圧を解除すると、各ストーク内の溶湯は密閉容器内に戻り、キャビティ６内の溶湯が凝固して、図４に示すホイールが得られる。

上記の鋳造工程における溶湯の凝固過程を詳述すると、次の通りである。湯口１１ｂ、１１ｃ（サイドゲート）からキャビティ６内に注入された溶湯は、リム部キャビティ６５の上端からその下端に向って凝固が進行する。一方、湯口１１ａ（センターゲート）からディスク部キャビティ６０に注入された溶湯は、デザイン部キャビティ６３からハブ部キャビティ６２に向って凝固が進行する。このようにして指向性凝固が確実に行われる。従ってデザイン部キャビティ６３に湯流れ機能や溶湯補給機能を持たせるまでもなく、鋳造方案上ホイールデザイン部の薄肉化が可能となる。またデザイン部から凝固が始まるので、デザイン部の組織が微細となり、高強度を維持できる。しかも図３の装置では、サイドゲート（湯口１１ｂ、１１ｃ）は、リム端を避けた位置に設けられているので、フロントフランジあるいはリムの中央といった高強度を要する部位の組織が微細になり、もって強度上からみてもデザイン部の薄肉化が可能となる。

また図３の装置では、上述したようにセンターゲートとサイドゲートとの間に高低差があるので、溶湯はデザイン部を避けた位置（リム部）で合流し、もって建全なデザイン面を得ることができる。もちろん本発明によれば、各湯口からの流動長が短くなり、又凝固時間も短縮されるので、鋳造サイクルタイムの短縮といった生産性向上の効果もある。

上記の説明では、サイドゲートをデザイン部の外周部キャビティ６４の上方でそれと接する位置に設けたが、デザイン部の外周部キャビティ６４から離れた位置に設けてもよい。ただし、サイドゲートをリム部キャビティ６１の端部あるいはデザイン部の外周部キャビティ６４の側面に設けると、デザイン面に湯境が発生するので不都合である。

以下、実施例及び比較例により本発明を更に具体的に説明する。
（実施例１）図３に示す鋳造装置を使用し、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳＡＣ４ＣＨ）の溶湯（約４５０℃）を金型（約４８０℃に加熱）に注入して（圧力０．５〜０．７ｋｇ／ｃｍ^２）、図４に示す形状のアルミホイールを鋳造した。
（実施例２）実施例１と同様の条件で図５（ａ）に示すデザイン形状を有するアルミホイールを鋳造した。
（実施例３）実施例１と同様の条件で図５（ｂ）に示すデザイン形状を有するアルミホイールを鋳造した。
（比較例１）サイドゲートのみから溶湯を金型に注入した以外は実施例１と同様の条件で図４に示す形状のアルミホイールを鋳造した。上記各例のアルミホイールについて、ＤＡＳ測定値を測定した結果、実施例１〜３のホイールはいずれも図１に示すような分布であった。また各ホイールのデザイン面の湯境の有無を目視で観察すると共に、衝撃テストを行った。その結果を表１に示す。また各アルミホイールの重量も測定し、その結果（但し、比較例１を１とした場合の比率で示す）も同じく表１に示す。

表１から、３ゲート方式（実施例１〜３）の低圧鋳造法によれば、サイドゲート方式（比較例１）よりもアルミホイールを１０％以上軽量化することができることがわかる。なおいずれの場合も、デザイン面に湯境の発生がなくしかも衝撃テストの結果も良好である。

本発明の一実施例に係るアルミホイールのＤＡＳ測定値分布を示す図である。本発明の他の実施例に係るアルミホイールのＤＡＳ測定値分布を示す図である。本発明のアルミホイールを鋳造するための装置の一例を示す断面図である。アルミホイールの縦断面図（ａ）、同平面図（ｂ）である。アルミホイールのデザイン部を示す概略図（ａ）、（ｂ）である。

符号の説明

１金型、２下型、３上型、４，５横型、６キャビティ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ湯口、３０ホイール

Claims

リアフランジ部を含むリム部と、ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とを有し、アルミニウム合金で鋳造された車両用ホイールにおいて、軸を含む任意縦断面の２次技法によるデンドライトアームスペーシング測定値を測定した時に、リアフランジ部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_１、リム部の中央部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_２、デザイン部の外周部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_３、ハブ部の前記デンドライトアームスペーシング測定値をＤ_４とすると、Ｄ_２＞Ｄ_３なる関係を有する領域が現出すると共に、全周にわたってＤ_１及びＤ_３がＤ_４＞Ｄ_３なる関係を有することを特徴とする車両用ホイール。
全周にわたってＤ_１及びＤ_３が３５μｍ以下であり、かつＤ_４とＤ_３の差が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の車両用ホイール。
Ｄ_１及びＤ_３は３０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の車両用ホイール。