JP2006232219A

JP2006232219A - 車両用ホイール

Info

Publication number: JP2006232219A
Application number: JP2005053336A
Authority: JP
Inventors: Fumio Osone; 文夫大曽根
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】機械的強度を満足し、かつホイールの固有値や剛性値までも考慮した軽量の車両用ホイールを提供する。
【解決手段】アルミ合金にて一体鋳造されたハブ固定部、スポーク、リム部を有する車両用ホイールであって、１０本のＹ字形状のスポークを有し、ホイール呼び径（インチ）Ｄに対して重量ＷがＷ≦０．４７Ｄである車両用ホイールである。具体的な形状として、前記スポークはＹ字形状の１０本スポークを有し、表側から軸方向に投影した形状において、前記Ｙ字形状のスポークのハブ固定部から分岐するまでの部分Ｌ１の径方向の長さと、分岐してからリム部までの部分Ｌ２の径方向の長さとの比がＬ１：Ｌ２＝４：６〜６：４であり、かつＬ１の部分の最大幅が２３ｍｍ〜２９ｍｍ、Ｌ２の部分の最大幅が１０ｍｍ〜１４ｍｍとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一体鋳造されたアルミ合金製の車両用ホイールに関し、特に軽量化に特化して設計した形状の車両用ホイールに関する。

近年、環境保護のための排出ガス削減は自動車メーカーにとって重要なテーマとなっており、車重の軽量化を行うことが急務となっている。車重を1%軽減すると、0.6〜1.0%の燃費向上が可能と言われており、軽量化が技術課題として常々検討されている。ただし、基本的性能である寸法や機械的強度も現行車と同等の性能を保つ必要があるため、軽量化には各ホイールメーカとも開発技術力をフルに活用して対処に当っている。

軽量化のために車両用ホイールは軽合金を用いたものが年々採用され、現在ではほぼ半分の車両用ホイールが軽合金製である。軽合金製車両用ホイールの種類として、鍛造品や複数のパーツを組合せる２ピースホイール、３ピースホイールなどがあるが、コストとの関係から一体鋳造されるものが大半を占める。一体鋳造で製造する場合、湯口からの湯流れを考慮する必要がある。一般的にはホイールのディスク部中央から溶湯を充填する低圧鋳造法案があるが、その他にもリム部のインナー側から重力を利用して溶湯を充填するグラビティ法案や、リム部の周側面から溶湯を充填するサイドゲート法案など、各社でそれぞれの特色を活かした法案を採用し、鋳造性を考慮した設計を行っている。特にスポーク部はキャビティの断面積が小さく、かつリム部とハブ連結部の間を溶湯が流れる場所であり、湯流れ性を考慮した形状設計が必要である。

また、近年、各社において新たに乗り心地性を求める仕様が追加されるケースが増えてきており、具体的には、ホイールの固有値や剛性値が仕様に加わり、それと同時に強度を満たし、かつ重量がミニマムとなる設計が求められている。これら要求を満たすためには、製法による軽量化技術はもちろんのこと、設計面における軽量化技術が以前にも増して重要となってきている。コンピューターによるホイールの強度解析手法は各社ともノウハウを有し、軽量化技術を強化している。軽量化設計技術には、従来の軽量形状設計に加え、各社の剛性要求を満足させる形状を設計、提案していくことが求められており、特にデザインの提案を含む開発品においては、高い設計技術が求められている。

例えば特許文献１では、スポークの形状をホイールセンタ部側に近づくほど太くすることが開示されており、これによる効果としてホイールの面倒れモードによる車内振動および騒音の発生を防止できる最軽量の車両用ホイールを提供することができるとしている。また、特許文献２では、ホイールの重量Ｍを、リムの呼び巾Ｗ（インチ）と、リムの呼び径Ｄ（インチ）をもちいた関係式で規定しており、０．３５×（Ｗ＋Ｄ−１０）≦Ｍ≦０．５５×（Ｗ＋Ｄ−１０）のホイールができることを開示している。また、その具体的な手段として、スポークの本数が５〜１２本であること、ハブ部から半径方向外にのびる円板状をなす薄板状のプレート部分の厚さＴ２をスポーク部分の厚さＴ１の５〜１５％とすることが記載されている。また、その効果として軽量化の度合が大きいホイールにおいてもノイズレベルを低減でき、満足するロードノイズ性能を確保することが可能になるとしている。
特開２００２−２９３１０１号公報（（０００８）〜（０００９）、図１）特許第３５４６０２２号公報（（００１３）、図１）

しかし、一体鋳造の軽合金製の車両用ホイールは、単に軽量化を施すわけにはいかず、重要保安部品としての機械的強度も満足する必要がある。１３°衝撃試験、回転曲げ試験、半径方向負荷耐久試験など複数の試験も満足し、かつホイールの固有値や剛性値までも考慮して軽量化を行う必要がある。また、ホイールで機械的強度が特に問われる部位がスポークであり、ホイール設計はスポークの形状自体も重要な検討課題として解析されているが、特許文献２ではホイールのプレート部の厚さを規定しているものの、そのスポークの形状については特に述べられていない。

したがって本発明の目的は、これらの課題を解決する車両用ホイールの最適形状・特にスポークの形状を規定した車両用ホイールを提供することにある。

本発明の車両用ホイールとして、アルミ合金にて一体鋳造されたハブ固定部、スポーク、リム部を有する車両用ホイールであって、前記スポークはＹ字形状の１０本スポークを有し、インナー側から軸方向に投影した形状において、前記Ｙ字形状のスポークのハブ固定部から分岐するまでの部分Ｌ１の径方向の長さと、分岐してからリム部までの部分Ｌ２の径方向の長さとの比がＬ１：Ｌ２＝４：６〜６：４であり、かつＬ１の部分の最大幅が２３ｍｍ〜２９ｍｍ、好ましくは２４ｍｍ〜２８ｍｍ、Ｌ２の部分の最大幅が１０ｍｍ〜１４ｍｍ、好ましくは１１〜１３ｍｍである形状のものを採用した。この形状とすることにより、ホイール呼び径（インチ）Ｄに対して重量ＷがＷ(kg)≦０．４７(kg)×Ｄである、機械的強度やホイールの固有値や剛性値にも遜色ない４輪の車両用ホイールを得ることができた。

スポークの軸方向の厚さは最小となる部分で１８〜２４ｍｍ、最大となる部分で３５〜４５ｍｍとした。スホ゜ーク部の断面積はＹ字の分かれている小さい方の値が２６０ｍｍ^２以下、好ましくは２５０ｍｍ^２以下とする。Ｙ字の軸側の太い方の断面積は５５０ｍｍ^２以下、好ましくは５２０ｍｍ^２以下とする。また、今回の解析は、ホイール寸法を径が１７インチ、リム幅７ＪＪのもので行ったが、本発明に規定するスポークの幅、Ｌ１：Ｌ２の比などは大口径の１６〜２２インチの車両用ホイールにおいても変わらない。

本発明においては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。例えばＣｕ０．２０質量％以下、Ｓｉ６．５〜７．５質量％以下、Ｍｇ０．２５〜０．４５質量％以下、Ｚｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｃｒは不純物であり総量は０．８質量％以下、残部Ａｌとなる組成のアルミ合金材料が用いられる。

本発明の車両用ホイールは、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、１０本のＹ字状のスポークおよびスポーク間の窓部からなるディスク部と、タイヤが取り付けされる薄肉のリム部から構成される。リム部は、一般的な構造からなり、タイヤとの接触面となるビード部がインナー側とアウター側に設けられる。また、そのタイヤ軸方向の両端外側には径径方向に伸び上がるフランジが設けられる。
この場合、ハブ固定部や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、スポークを薄肉化するなど、ハブ固定部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。解析により各部位の厚みなどを少しずつ変更し、最適な形状を導き出す必要がある。

本発明において、Ｙ字形状のスポークのハブ固定部から分岐するまでの部分Ｌ１の径方向の長さと、分岐してからリム部までの部分Ｌ２の径方向の長さとの比を規定しているが、Ｙ字形状のスポークのハブ固定部から分岐するまでの部分Ｌ１とは、図８に示すように、車両用ホイールを意匠面側から軸方向に見た場合、略円形状のハブ固定図の外周端部からスポーク中央の分岐した股の部分までの長さを指すものとする。また、分岐してからリム部までの部分Ｌ２とは、スポーク中央の分岐した股の部分からリムフランジまでの実質的にスポークの軸方向の巾が存在する部分までの長さと指すものとする。

本発明の実施においては、本発明の趣旨の範囲内で、リムの断面形状、および材質、ハブ固定部の形状、ハブボルト孔の数、補強のためのリム内周などの肉厚部の設置、等については適宜選定できる。

ホイールの固有値と剛性値が問題なく、機械的強度を満足するとともに、ホイール呼び径（インチ）Ｄに対して重量ＷがＷがＷ(kg)≦０．４７(kg)×Ｄである車両用ホイールを提供できた。

（実施例）
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。
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るが、今回は当社にて全ての設計を行った。
まず、顧客の要求する固有値、１３°衝撃試験、回転曲げ強度試験、ドラム耐久試験に満足するホイール形状として、どのようなスポーク形状とすべきか、代表的な形状をモデルとして解析を行った。解析を行った４種類の車両用ホイールの斜視図を図７に示す。1つ目に検討した形状は、幅広の５本スポークを有するホイール（スポーク幅６５ｍｍ）であって、スポークの一部を中空にした形状とした。２つめに検討した形状は、幅を若干狭くした５本スポークを有するホイール（スポーク幅３０ｍｍ）とした。３つめに検討した形状は、２つめに検討した形状と同じ幅のスポークであるが、スポークの本数が８本のものとした。また、４つめに検討した形状は、Ｙ字のスポークを１０本有するメッシュ上のディスク部を持つホイール形状とした。リム形状は全て同一である。それぞれの重量、１３°衝撃試験、回転曲げ強度試験、ドラム耐久試験、および固有値を解析により求めた結果を表１に示す。

図８に示すように、強度を合格させるには、図７（３）の8本スポークのホイール形状にすることが容易である。しかし、図７（３）の８本スポークの形状では、重量的に従来よりも大幅に軽量化することは困難であるため、更に検討を進める候補としては、重量減の割合の高い図７（２）の5本スポークと図７（４）のメッシュ形状の2つのホイールに限られることが解った。また、図７（２）の5本スポーク形状で強度を合格させるのはかなり厳しいため、図７（４）のメッシュ形状のホイールとする必要があることが解った。

スポークの設計手順としては、まずスポークを経験値から得られる強度的に問題のない程度の厚みとなるように設計する。このスポーク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想定した解析であり、手法としては有限要素法、境界要素法等の公知の手段を用いた。
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の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部分的に応力集中が発生する部分の肉厚を厚くするように肉盗み形状を変更する。また、各部位での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、各部位の応力値を許容値以下にしつつ軽量になるよう、（１）スポークの厚みの変更、（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。

このメッシュ形状の採用にあたり、スポークの各部分の幅・長さを変更し、同様に固有値、１３°衝撃試験、回転曲げ強度試験、ドラム耐久試験および固有値を解析により求めたところ、Ｙ字形状のスポークのハブ固定部から分岐するまでの部分Ｌ１の径方向の長さと、分岐してからリム部までの部分Ｌ２の径方向の長さとの比を６１：５７とし、また、Ｌ１の部分の最大幅を１２ｍｍ、Ｌ２の部分の最大幅を２２ｍｍとすることで良好な結果を得られた。図１〜６は本発明の車両用ホイールの正面図、背面図、側面図、断面図、および斜視図である。これにより、ホイールの重量は７．７２ｋｇと従来よりも１ｋｇ以上軽量化することが可能であり、機械的強度も問題なく、固有値も３５６ｋＨｚと高いものが得られた。

本発明車両用ホイールの正面図である。本発明車両用ホイールの側面図である。本発明車両用ホイールの背面図である。本発明車両用ホイールの断面図である。本発明車両用ホイールの外観写真である。図５の模式図である。スポーク形状の候補として用いた４例を示す図である。本発明におけるスポーク部の各部を説明するための図である。

Claims

アルミ合金にて一体鋳造されたハブ固定部、スポーク、リム部を有する車両用ホイールであって、１０本のＹ字形状のスポークを有し、ホイール呼び径（インチ）Ｄに対して重量ＷがＷ(kg)≦０．４７(kg)×Ｄである車両用ホイール。
前記スポークはＹ字形状の１０本スポークを有し、表側から軸方向に投影した形状において、前記Ｙ字形状のスポークのハブ固定部から分岐するまでの部分Ｌ１の径方向の長さと、分岐してからリム部までの部分Ｌ２の径方向の長さとの比がＬ１：Ｌ２＝４：６〜６：４であり、かつＬ１の部分の最大幅が２３ｍｍ〜２９ｍｍ、Ｌ２の部分の最大幅が１０ｍｍ〜１４ｍｍである請求項１に記載の車両用ホイール。