JP2006001495A - 軽合金ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】 リム部の内周面が回転軸に対してほぼ平坦、もしくはほぼ一定の傾斜を持つランフラットタイヤ用のホイールであっても、重量の増大を最小限に抑え、かつ機械強度にも問題がない軽合金ホイールを提供する。
【解決手段】 タイヤの内圧低下時にタイヤを内周側から支持する支持体を固定するための支持面と、空気圧検知装置が設置される凹部とを備えたリム部、並びに、ディスク部からなる軽合金ホイールであって、リム部の断面形状はインナー側に向かって広がるように一律傾斜しているか、または軸方向に平行であり、かつ空気圧検知装置が設置される凹部の外周面がアウター側でＲ１５〜２５ｍｍの曲率を持つ形状であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車に用いられる、取り付けたタイヤの内圧が低下してもホイール自体に損傷無く長距離走行可能なパンク対策を施し、かつタイヤ内の空圧を検出するＴＰＭＳ（直接式タイヤ空気圧警報システム）を設けるための軽合金ホイールに関するものであり、特にホイールのリム部外周面の中央に支持体を具備する複合構造ホイールとするための軽合金ホイールに関する。

自動車の足回りにおける最近の技術開発として、ランフラットタイヤが注目されている。一般的にこのランフラットタイヤとは、空気圧が抜けても一定距離を走行可能なタイヤをさすものと定義されており、大別してａ）タイヤのサイド補強タイプ、ｂ）サポートリングタイプに分かれている。
サイド補強型はタイヤ自体にパンク対策性能を持たせたものであり、サイドウォールに内張した補強ゴムを有する。タイヤがパンクしてもこの補強ゴムによりタイヤ全体がつぶれるのを防ぎ、長距離走行を可能としている。従来のホイールにも装着可能であり汎用性が高いのが特徴である。ただし短所としてタイヤのサイドウォールが固くなるため、搭乗者の乗り心地が低下する。主に高級車両用途としてこのランフラットタイヤは使われるため、この対策が急務である。
一方、サポートリングタイプ型はホイールのリム外周面に沿って支持体（サポートリング）を設けるものである。このサポートリングはリムの中央外周面に設けられ、インナー側、アウター側のリム端よりも大きな径のものが使用される。タイヤがパンクしてもこのサポートリングが車両重量を支えてフランジの変形を防ぐ。サポートリング自体の重量増加はあるものの、搭乗者の乗り心地を低下させることがなく、またサイド補強タイプよりもパンク時の走行可能距離が一般的に長いため、高級車両用途としてより多くのメーカが検討している。

サポートリングタイプをさらに２分化すれば、従来ホイールを使用できる汎用タイプと専用ホイールを使用する専用タイプに分かれる。汎用タイプは従来のホイールのリム外周面に装着するものであり、ホイールをサポートリングに併せて別途設計する必要がないというメリットがある。ただし、ランフラットタイヤにおいてサポートリングを設けることは、走行のモード（走行、路面状態、ランフラット走行を含む）によってはリムに、通常のホイールには無い荷重がかかることになる。サポートリングの形状に差異はあるが、汎用タイプもサポートリングタイプである以上、走行のモードによっては一般のホイールとは異なる荷重状態がかかり、従来形状のホイールでは、パンク状態においてその強度が保証されるものではない。よってその故障のモードを無くすため、リムの形状がサポートリングと共に専用設計された専用タイプが求められている。専用タイプの主なものとしてホイールの端にあるフランジ部をサポートリング（支持体）が設けられるリム部の支持面外径よりも小さくするかほぼ同径とし、樹脂製のサポートリングをそのフランジ部側から軸方向に嵌め込む構造が取られる。この構造によりサポートリングが嵌合され長期間安定して使用できるランフラットタイヤが製造可能になる。

図３にサポートリングタイプの専用ホイール１の一例を示す。ホイール１はディスク部３とリム部２から主に形成される。ディスク部は従来のホイールと同様であり、車両のハブに取り付けられるハブ固定部９とそこから略放射状にリム部２まで延びるスポーク部８からなる。またリム部２は従来のホイールと同様にインナーフランジ４、インナービードシート部６、アウタービードシート部７、アウターフランジ５が形成される。これらリムの形状は各社の仕様により各々異なる。また、リムの中央にはサポートリング１１が周方向に連続して取り付けられ、タイヤの内圧が低下してもフランジ４，５が地面に設置せず変形することを防止する。

例えば特許文献１にはランフラットタイヤとして、サポートリングのリム部への支持面がリム部中央とアウターフランジ側との２箇所で構成され、その中間部分は半径方向外方に開放した円周方向溝によって分離されているリム断面形状を持つホイールが記載されている。従来この支持面および円周方向溝に該当する部分は凹部又は中空部で分離された浮き彫りの形状であり、この支持面に全体的にランフラットタイヤを固定していたが、サポートリングの両端のみを支持面として中間部分を完全な中空とすることでさらなる軽量化が可能であることが記載されている。

また、特許文献２にはランフラットタイヤとして、サポートリングをリム部中央部のみに嵌着させるタイプのホイールが記載されており、その特徴としてビードシート部の軸方向内側に円錐形部分を設けること、円錐形部分の高さを支持面の最小直径の０．０１倍の高さにすること、ビードシート部の傾きが一部４５度に形成すること等が記載されている。この効果として、耐疲労性を向上させたホイールを製造できるとしている。
特表２００２−５２１２５１号公報（第４頁、図１） 特開２００２−３２６５０３号公報（第４頁、図１）

しかしながら、特許文献２のようにリム部内周面に凹凸が有ると強度上好ましくなく、またスポークの間から見えるリム部の内周面も凹凸形状となる。確かに軽量化と機械的強度を向上させるには図２のようなリム部内周面に凹凸があり、肉厚を各箇所によって適宜変更させた方が好ましい形状であることは別途確認しているが、全体的に丸く一体感のある外観が好まれる購入者やカーメーカのニーズにそぐわない。このような事情からリム部の内周面がほぼ平らかもしくはインナー側に向かって広がるように傾斜するものでないと車に実装されることは難しい。

リム部の内周面がほぼ平らか、もしくはインナー側に向かって広がるように傾斜するようにリム部を形成すると、リム部には最低限必要な機械的強度を得るための肉厚よりも部分的に厚くなる箇所が発生し、余肉が付く事になる。外観を重視することで重量が増大するのは致し方ないとしても、強度的な問題が特定の箇所に発生することが解った。

したがって本発明の目的は、リム部の内周面が回転軸に対してほぼ平坦、もしくはほぼ一定の傾斜を持つランフラットタイヤ用のホイールであっても、重量の増大を最小限に抑え、かつ機械強度にも問題がない軽合金ホイールを提供することである。

本発明者らの検討の結果、ＴＰＭＳを設けるためのリム部外周面に形成される凹部の部分が機械的強度に対して弱くなり、その形状を最適化することにより、リム部の内周面が平坦、もしくはほぼ一定の傾斜を持つランフラットタイヤ用の軽合金ホイールでも、重量の増大を最小限に抑え、かつ機械強度にも問題がない軽合金ホイールを製造できることが解った。

つまり本発明の軽合金ホイールは、タイヤの内圧低下時にタイヤを内周側から支持する支持体を固定するための支持面と、空気圧検知装置が設置される凹部とを備えたリム部、並びに、ディスク部からなる軽合金ホイールであって、リム部の断面形状はインナー側に向かって広がるように一律傾斜しているか、または軸方向に平行であり、かつ空気圧検知装置が設置される凹部の外周面がアウター側でＲ１５〜２５ｍｍの曲率を持つ形状であることを特徴とするものである。ここで凹部のアウター側底部の曲率とは完全に円弧形状でなくてもよく、最も近似される円弧形状をその曲率とみなす。またリム内周面とはデザイン部上の面（図１中の１９）は含まないものとする。この軽合金ホイールの口径は１７インチ以上であり、全重量は口径のインチ数ｎに対して０．８７×ｎ（ｋｇ）以上である場合に応力の局部的発生を抑制する効果が高い。軽量化のために凹部の肉厚は６ｍｍ以下とすることができる。

詳細な形状を説明する。本発明において、支持面とは支持体（サポートリング）を固着する接地面１３を指す。この支持面は少なくとも外周面の中央部に形成される。また、支持面でのリム部厚さは必ずしも均一の厚みとする必要はない。また、連結部とは図１に示すように支持面１３とインナービードシート部６の間に形成される部分（図中１２）およびアウターフランジと凹部の間に形成される部分（図中１４）を指す。
図１に示すように、リム部はタイヤが接触・固定させられるインナーフランジ６およびアウターフランジ７が両端部に形成される。タイヤの端部が嵌合するように形状・寸法誤差などが細かく規定される。また、リム部の中央部には支持体１１が固定される支持面１３が形成される。この支持面の外径は、アウターフランジの外径と同等か又はそれよりも大きく形成される。これは、支持体がリング形状をしており、アウターフランジ側から嵌め込み、支持面１３上に形成された突起を乗り越えてさらにインナー側まで嵌め込みができるようにするためである。リング形状の支持体は押し広げられた状態で支持面１３の上に固定され、前記した突起により軸方向にずれることなく固定される。また、支持面１３のアウター側には空気圧検知装置（以後、ＴＰＭＳ）が備えられるスペースの、断面が凹形状になる凹部１５が形成される。通常、この凹部１５はバルブ穴が貫通する部分であり、支持部の内周面よりも小さなリム内径の内周面を持つ。凹部１５とアウターフランジの間の連結部１２、支持面とインナーフランジの間の連結部１４は支持体の大きさやデザイン部の形状、ビードシート部に求められる形状により適宜決定される。また、リム部の断面形状は、インナー側に向かって広がるように一律傾斜しているか、または軸方向に平行であるが、幅２ｃｍ、深さ５ｍｍ以下程度の若干の凹凸であれば均等の範囲であり、本発明に該当するものである。

本発明のランフラットタイヤでは従来の車両用ホイールとは耐久試験での条件が異なる。つまり荷重がリム部のビードシート部だけにかかる従来の車両用ホイールに対し、タイヤ内の空気圧が低下した場合を想定した荷重条件、つまりリム部中央の支持体（サポートリング）に最大荷重がかかったことを想定して解析・実装試験が行われる。本発明者らの解析・実装試験の結果、リム部の断面形状がインナー側に向かって広がるように内周面側が傾斜しているか、または平行である形状の軽合金ホイールで、かつ軽合金ホイールの口径が１７インチ以上の大口径であり、全重量は口径に対して０．８７×ｎ（ｋｇ）以上で有る場合、悪路での実車走行に耐えられる軽合金ホイールとするためには、リム部の凹部のアウター側底部を少なくとも曲率が１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下とする必要があることが解った。また、凹部の肉厚は６ｍｍ以下と薄肉化することが可能である。また、支持面のリム部は、肉厚を厚くして機械的強度を高める必要がある。支持面での厚みは、機械的強度と重量の関係から、１３〜１５ｍｍとすることが好ましい。

本発明においてはＪＩＳに定めるＡＣ４Ｃ，またはＡＣ４ＣＨ材相当、例えばＳｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２５〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．２０％以下、および不可避不純物１質量％以下、残部：Ａｌのものが使用できる。この材質で前記のホイールを製造することで前記の機械的強度と軽量化、および意匠性を満足する軽合金ホイールを製造することができる。

鋳造ホイールでは金型と離型させるための抜き勾配があるため、リムの内周面は、完全な同径とはならないが、軸方向に対して１５度、さらには１０度以内の傾斜、またはそれに実質的に同等の形状となる緩やかな段差程度の形状であれば本発明の範囲に包含される。リム部の内径を旋盤加工するものであればこの傾斜は０度にも設計可能である。

次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
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。ランフラットタイヤに用いる専用形状のホイールにおいて、リム部の外周面の形状は主に顧客であるタイヤ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設計変更はできない。ホイールメーカ側は、リム部の肉厚形状を最適化することで、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。

リム部の設計手順としては、まずリム部の外周面の指定された形状に沿ってリム部が一律な厚みを有するように肉厚形状を設計する。この形状を初期形状とし、強度解析を実施する。タイヤ内の圧力低下によりサポートリングが働いていることを想定し、強度解析は支持面に最も荷重がかかるよう設定する。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、さらにリム部、ディスク部の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。
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）リム部の形状を変更、（２）強度解析の実施、（３）解析結果の判定、を繰り返す。

（実施例１）
タイヤメーカから指定されたリム部の外周側の凹凸形状に基づいて軽量かつ機械的強度を満足するリム部形状の検討を行った。まず、この外周側の凹凸形状に沿って、ほぼ一律な厚みの従来と同様の車両用ホイールを想定し、強度解析を行った。必要とされる機械的強度が非常に高く、特にインナーフランジでの機械的強度が要求されるため、ランフラットタイヤではない通常のホイールの平均的な厚みでは強度が不足することが解った。そのため、図１に示すようなリム部の支持面の厚さを厚くし、ほぼ一律の厚さの断面形状となるホイールを製造した。リム部の内周面において、インナー側の端部から支持面の裏側までをほぼ平坦な形状とし、また、ＴＰＭＳを入れる凹部からリム内周面の内径を小さくした。小さくした内径のままデザイン面まで平坦な内周面１６になるようリムのアウター側を構成した。図１中、破線で示す１１がサポートリングを嵌着する位置である。ホイールの径のサイズ（ビードシート部の外径寸法）は１８インチであり、軸方向の幅は９インチであり、リム部の凹部１５の最小肉厚ｔ１は５ｍｍ、支持面１３の最小肉厚ｔ２は１２ｍｍである。
リム部の凹部のインナー側とアウター側底部の曲率を後述の比較例１と同様に６．５ｍｍとしていたが、インナー側、アウター側のビードシート部に所定の同じ荷重を、支持面にはその４倍程度の荷重がかかるよう荷重条件を設定し、応力解析を行った結果、悪路の実車走行試験においてこの凹部のアウター側底部に最大応力が発生し、機械的強度の試験に合格することができなかった。そこでこのリム部凹部のアウター側底部の曲率を２０ｍｍとしたところ、最大応力が３１ＭＰａ低減し、機械的強度の試験に合格することが可能となった。

（比較例１）
支持面１３のリム部厚さと連結部１２およびインナー側ビードシート部６のリム部厚さを一つのパラメータとし、解析を繰り返した結果、支持面のリム部厚さを厚くしてもほとんど機械的強度に寄与することがなく、支持面のリム部最小厚さよりも連結部のリム部最小厚さの方が厚いリム部形状とすることで最も軽量化・機械的強度の両方を得られることが解った（比較例１）。しかしながら、スポークの間からこの段差が目視でき、意匠性の観点から顧客のニーズを満たすものとは言えず設計の変更が必要であることが解った。また、タイヤを装着して車に実装して悪路での走行試験を行ったところ、泥水などが図２の斜線部１８の位置に溜まり、車を停止させた後でもこの泥水がホイールの内周面に残るため、嗜好品としてのホイールの役目を果たすものでは無かった。

（比較例２）
リム部の凹部におけるアウター側底部の曲率を３０ｍｍとして設計したが、ＴＰＭＳが実装できるスペースが取れず、また、アウター側底部での肉厚が厚くなるために過剰な機械的強度を有し、重量が無駄に増大することになった。

（参考例）
デザイン面の形状を変更し、実施例１のホイール素材に対して１．０３ｋｇ軽量の車両用ホイールを製造した（口径のインチ数ｎ＝１８に対して重量は０．８６×ｎ(１５．４８)ｋｇ）。この場合、リム部の凹部におけるアウター側底部の曲率を６ｍｍとし、それ以外のリム部は実施例１と同じ形状に設計したが、悪路の実装試験においても亀裂などの発生はなく、機械的強度を満足するものであった。このようにデザイン面での肉厚が薄く、軽量の軽合金ホイールでは全体的な剛性の関係から本発明で規定したリム部の凹部におけるアウター側底部の曲率は小さくても良いことが解る。

本発明は、ランフラットタイヤに使用されるホイールに関し、特に一体鋳造した軽合金ホイールに利用出来る。

本発明の車両用軽合金ホイールのリム形状を示す図である。 比較用のリム形状を持つホイールの断面形状である。 サポートリングを取り付けたランフラットタイヤの一例である。

符号の説明

１ 車両用軽合金ホイール、２ リム部、３ ディスク部、４ インナーフランジ部、５ アウターフランジブ、６ インナービードシート部、７ アウタービードシート部、８ スポーク部、９ ハブ固定部、１０ ハブ穴、１１ 支持体（サポートリング）、１２、１４ 連結部、１３ 支持面、１５リム部の凹部、１６ 連結部

Claims (3)

1. タイヤの内圧低下時にタイヤを内周側から支持する支持体を固定するための支持面と、空気圧検知装置が設置される凹部とを備えたリム部、並びに、ディスク部からなる軽合金ホイールであって、
   リム部の断面形状はインナー側に向かって広がるように一律傾斜しているか、または軸方向に平行であり、かつ空気圧検知装置が設置される凹部の外周面がアウター側でＲ１５〜２５ｍｍの曲率を持つ形状であることを特徴とする軽合金ホイール。
2. 前記軽合金ホイールの口径は１７インチ以上であり、全重量は口径のインチ数ｎに対して０．８７×ｎ（ｋｇ）以上であり、かつ前記凹部の肉厚は６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の軽合金ホイール。
3. 前記軽合金ホイールの合金組成は、Ｓｉ：６．５〜７．５質量％、Ｍｇ：０．２５〜０．４５質量％、Ｃｕ：０．２０％以下、および不可避不純物１質量％以下、残部：Ａｌであることを特徴とする請求項１または２に記載の軽合金ホイール。

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