JP2007137209A - 自動車用ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】 リムの外側ビードシートにディスクを嵌合溶接して成り、水抜き穴を設けた自動車用ホイールにおいて、溶接強度及びディスク強度を向上できる自動車用ホイールを提供する。
【解決手段】 外側ビードシート２ｂを有するリム２と、外周を軸方向に沿って内側に折り返して成るフランジ１０ｆを有するディスク１０とを備えた自動車用ホイールであって、ディスクの外周にフランジより縮径の水抜き凹部が形成され、外側ビードシートの内面とフランジの外面との嵌合部のうち外側部分５の少なくとも一部が溶接され、水抜き凹部と外側ビードシートの内面との間に水抜き穴が構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は自動車用ホイールに関し、詳しくはセミフルデザインの自動車用ホイールに関する。

近年、意匠性に優れた自動車用スチールホイールとして、いわゆるセミフルデザインホイールと称される２ピース構造のホイールが知られている（例えば、特許文献１参照）。セミフルデザインホイールは、図６に示すように、スチール製ディスク１００の外周を軸方向に沿って内側に折り返してフランジ１１０を形成し、フランジ外面をリム２０の外側ビードシート２０ｂ内面に嵌合し、両者の嵌合部５０の内側部分を継ぎ目なく連続ビード溶接（Ｗ１００）するものである。
セミフルデザインホイールは、リムのドロップ部（ウェル）２０ｄでディスクを溶接するタイプのスチールホイールに比べ、ディスク径を大きくできる分、意匠性が高くなるとされている。
なお、「外側」とは、ホイールを自動車に取付けた際、ホイールの軸方向から見て外面側となる部分をいう。

一方、板材を成形して成るリムの外側ビードシートの内面に鋳造ディスクを嵌合し、嵌合部の外側を全周隅肉溶接してアルミホイールを製造する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、外側フランジはディスクと別の板材リムから成るため、ディスクとリムが一体鋳造されるアルミホイールに比べ、外力によるリムの欠損等が少ないとされる。
但し、この技術はアルミホイールに関するものであり、スチールホイールのような水抜き穴は形成されていない。水抜き穴は、ディスクとリムで囲まれるホイール内部空間に溜った水や泥を排出し、ホイールバランスを改善させるものであり、通常、スチールホイールのディスク外面とリム内面との間に水抜き穴として数箇所の隙間が形成される。特に、セミフルデザインのスチールホイールは、薄い板材をプレスして外周を内側に折り返してフランジを形成しディスクとするため、水や泥が内部空間に溜まりやすいので、水抜き穴は必須である。
これに対し、アルミホイールの場合、鋳造によって厚肉のディスクが一体に形成され、通常はスポーク部がディスクの端まで延びているため、スポーク間の空隙からホイール内の水を排出することができ、水抜き穴が不要である。
特開２００４−２４３９２５号公報 特開平７−３２８０５号公報

しかしながら、上記した特許文献１記載の技術の場合、溶接部の強度が低くなるという問題がある。又、この対策としてリムを厚くすると軽量化に反し、一方、リム部をショットピーニング等により強化することはコストや生産性の点で好ましくない。
又、この技術の場合、上記嵌合部の外側部分の隙間からディスク表面に錆汁が流れて外観を損なうため、図６の嵌合部５０の外側部分に防錆シール剤を塗布する手間が生じる。
さらに、この技術の場合、溶接強度を確保するため嵌合部全周の連続溶接が必須であり、水抜き穴を形成できないという問題がある。
これらに加え、セミフルデザインホイールは、従来のドロップ部で溶接するホイールに比べ、より外側でディスクの周縁を溶接することから、ディスクが平坦な形状になる。そして、ディスクが平坦になると、意匠性は増すもののディスクの剛性が低下するという問題が生じる。

一方、特許文献２記載の技術は、上記したようにディスクが厚肉かつ一体に鋳造されたアルミホイールに関するものであり、水抜き穴を有するスチールホイールとは構造が異なる。
さらに、この技術はリム部のフランジの強度向上を図るものであり、スチールディスクの強度向上については検討されていない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、リムの外側ビードシートにディスクを嵌合溶接して成り、水抜き穴を設けた自動車用ホイールにおいて、溶接強度及びディスク強度を向上できる自動車用ホイールの提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の自動車用ホイールは、外側ビードシートを有するリムと、外周を軸方向に沿って内側に折り返して成るフランジを有するディスクとを備えた自動車用ホイールであって、前記ディスクの外周に前記フランジより縮径の水抜き凹部が形成され、前記外側ビードシートの内面と前記フランジの外面との嵌合部のうち外側部分の少なくとも一部が溶接され、前記水抜き凹部と前記外側ビードシートの内面との間に水抜き穴が構成されることを特徴とする。
このようにすると、外側ビードシートとフランジとの嵌合部の内側部分を溶接した場合に比べ、溶接位置がビードシートの外側寄りとなるので溶接部の強度が向上する。そのため溶接部を全周溶接しなくとも溶接強度を確保できるので、外側ビードシートとフランジの間に水抜き穴を設けることができる。
又、本発明において、嵌合部の外側部分はＶ形の開先を形成するため、溶接が容易かつ確実となり、溶接強度が向上する。
又、本発明において、嵌合部の外側部分は溶接され、その隙間が閉塞されるので、従来のような嵌合部外側へのシール剤の塗布が不要又は軽減される。

前記フランジの内面のうち最も外側に位置する部分から前記フランジの終端までの軸方向の長さが２〜２０ｍｍであることが好ましい。
このようにすると、従来のホイールに比べてフランジの長さが短くて済み、軽量化が図られる。

前記外側ビードシートの内面の形状に沿うよう、前記フランジの外面が削られていることが好ましい。
このようにすると、リム内面との接触がより緊密になり、リムとディスクの嵌合面積が増大してより確実に溶接できると共に、ホイールの振れ精度が向上する。

前記嵌合部から外側に向かって形成される開先の角度が広がるよう、前記フランジの外面又は前記外側ビードシートの内面が削られていることが好ましい。
このようにすると、溶接の溶け込み深さを深くして、溶接を確実に行うことができる。

前記溶接の１ヶ所の長さが１５ｍｍ以上であることが好ましく、前記水抜き穴が２〜６個形成されていることが好ましい。

本発明によれば、リムの外側ビードシートにディスクを嵌合溶接して成り、水抜き穴を設けた自動車用ホイールにおいて、溶接強度及びディスク強度を向上することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明ではスチールホイールを例示するが、本発明はスチールホイールの他、板材の外周を折り返してフランジを形成してディスクに成形できる材料（例えば、チタン、チタン合金）を対象とする。このような材料はスチールと同等の強度を有するため、薄い板材をプレス加工しても充分なディスク強度が得られるが、板材の強度の関係から飾り穴の大きさに制限がある等の理由から、別途水抜き穴を設ける必要がある。そして、これらのディスクの場合、後述するようにディスク強度の低い飾り穴周辺の応力が溶接位置によって影響を受けることから、本発明が有効となる。
一方、アルミニウム、マグネシウム等はスチール等に比べて比強度が高いため、鋳造によって厚肉のディスクを一体に製造するのが通常であり、飾り穴周辺の強度低下の問題は少ない。本発明ではこのような厚肉に一体成形された鋳造（鍛造）ディスクを対象としない。

<第１の実施形態>
図１は、本発明の第１の実施形態に係る自動車用ホイールの一例を示す断面図である。本発明の実施形態の自動車用（スチール）ホイールは、スチール製のリム２とスチール製のディスク１０とを嵌合し、溶接して成るセミフルデザインホイールである。
なお、以下の説明で「外側」とは、ホイールを自動車に取付けた際、ホイールの軸方向から見て外側となる部分をいい、「内側」とは内側となる部分をいう。

１）リム
リム２は略円筒状をなし、その両端に形成された外側フランジ２ａ及び内側フランジ２ｇの間にタイヤを収容するようになっている。外側フランジ２ａの内側にはタイヤのビードを受ける外側ビードシート２ｂが形成されている。外側ビードシート２ｂの内側には最も小径のドロップ部２ｄが形成され、外側ビードシート２ｂとドロップ部２ｄはサイドウォール部２ｃを介して滑らかに接続されている。ドロップ部２ｄより内側にはサイドウォール部２ｅを介して内側ビードシート２ｆが形成され、内側ビードシート２ｆは内側フランジ２ｇに接続されている。
リム２は、例えば所定形状の圧延形鋼を円筒形に丸めて製造することができ、又は、鋼板を丸めて円筒形にした後、ロール成形等によって所定の断面形状としてもよいが、これらの方法に限られない。

２）ディスク
ディスク１０は略円盤状をなし、中心にセンターボア１０ａが開口され、センターボア１０ａより外周側にハブを取付けるためのボルト孔１０ｂが形成されている。そして、ボルト孔１０ｂから外周側に向かい、ディスクの軸方向外側に向かって延びる段部１０ｃを介し、ほぼ平坦なディスク面（意匠面）１０ｄが形成されている。ディスク面１０ｄには適宜、軸方向内側に落込む側壁１０ｈを有する飾り窓１０ｅが開口している。飾り窓１０ｅは通常、軽量化及び放熱のために形成される。
ディスク面１０ｄの外周は軸方向に沿って内側へ折返されてフランジ１０ｆを形成し、フランジ１０ｆはフランジ終端１０ｇに至っている。
ディスク１０は、例えば正方形の鋼板の四隅を円形に打ち抜いたものを絞り加工（プレス加工）して成形することができる。この場合、鋼板の円形に打ち抜かれた部分がディスクの外縁となり、鋼板のそれ以外の部分は後述する水抜き凹部となる。

図２は、図１の自動車用スチールホイールの部分正面図である。この図において、ディスク１０の外周には、フランジ１０ｆより縮径の水抜き凹部１０ｉが形成されている。水抜き凹部１０ｉは、ディスク外周円を４等分した位置にそれぞれ形成されている。フランジ１０ｆと同様、水抜き凹部１０ｉもその外周部分から軸方向に沿って内側に折り返され、フランジ状になっている。
水抜き凹部１０ｉはフランジ１０ｆより縮径であるため、ディスク１０をリム２の外側ビードシート２ｂ内面に嵌合した際に、水抜き凹部１０ｉと外側ビードシート２ｂ内面との間に隙間が形成され、これが水抜き穴１２となる。
本発明の自動車用スチールホイールは水抜き穴を有することを必須とする。水抜き穴は、ディスクとリムで囲まれるホイール内部に溜った水や泥を排出し、ホイールバランスを改善させる。

３）溶接接合
次に、上記したリム２とディスク１０とを嵌合し、溶接接合する態様について、図３を参照して説明する。図３は、図１の部分拡大図である。
図３において、リム２の外側ビードシート２ｂの内面にディスク１０のフランジ１０ｆが嵌合されて嵌合部が形成される。そして、嵌合部の外側部分５が溶接され（図３のＷ１）、リム２とディスク１０が接合される。
溶接方法は特に制限されず、例えば、レーザー溶接、プラズマ溶接、ＣＯ_２−アーク溶接、ＭＡＧ溶接、及びＴＩＧ溶接等を用いることができる。但し、溶接部分がホイール外面になるので、溶接ビード表面がきれいなレーザー溶接、プラズマ溶接、又はＴＩＧ溶接を用いることが外観上好ましい。特に、コスト、溶接強度信頼性、外観の点からは、ホットワイヤーＴＩＧ溶接が好ましい。

４）作用
本発明においては嵌合部の外側部分５が溶接されるため、従来のように嵌合部の内側（フランジ終端１０ｇ側）を溶接した場合（図３のＷ２）に比べ、溶接部の強度が向上する。この理由としては以下のことが考えられる。まず、回転中のディスクは楕円状にゆがむため、ディスクの径方向（図１の上下方向）に、ディスク１０とリム２の嵌合面を広げる(上下に開く)応力が作用する。このため、嵌合部の内側を溶接した場合、嵌合面を広げる応力は嵌合部の外側（図３のＷ１）から溶接部（図３のＷ２）に伝達し、この際、梃子の原理により溶接部に掛かる応力が高くなると考えられる。
一方、嵌合部の外側（図３のＷ１）を溶接した場合、嵌合面を広げる応力は嵌合部の外側の溶接部に直接負荷されるだけであり、溶接部に掛かる応力は従来に比べて低くなる。又、嵌合部の外側を溶接した場合、溶接位置がビードシートの外側寄りとなるため、ビードシート部からの衝撃を受け難くなることが考えられる。
そのため、本発明においては溶接部を全周溶接しなくとも溶接強度を確保でき、その結果、上記した水抜き穴を設けることができる。つまり、水抜き穴の部分は溶接できないため、ディスクを全周溶接することはできずに断続溶接となるが、本発明においては溶接部に掛かる応力が低減されるため、断続溶接でも充分な溶接強度が確保される。

又、嵌合部の外側部分５は、外側ビードシート２ｂから外側フランジ２ａに広がる部分と、フランジ１０ｆから折返し部分１０ｋへ広がる部分との間でＶ形の開先を形成する。そのため、外側部分５への溶接が容易かつ確実となり、溶接強度が向上する。
又、外側部分５が溶接されてその隙間が閉塞されるので、従来のような嵌合部外側へのシール剤塗布が不要又は軽減される。

又、嵌合部の外側部分を溶接すると、ディスクの飾り穴の周囲の応力振幅が低減することが本発明者らのＦＥＭ（有限要素法）解析により判明している。一般に、ホイール（ディスク）の最も弱い部位は飾り穴の縁である。従って、飾り穴の周囲の応力振幅が低減すれば、ディスク強度が向上し、又ディスクを薄くして軽量化を計ることもできる。さらに、ディスク強度（剛性）が高くなると、車両運行時のハンドルの切りに対する車体の追随性が良くなり、車両の操縦安定性も向上する。そして、飾り穴縁の応力が低下すると歪みも低下するので、ディスク剛性が向上することが考えられる。
図１、２に示す形状のホイールについてＦＥＭ解析を行った。ＦＥＭ解析は、ＪＩＳ−Ｄ４１０３に規定する「回転曲げ耐久試験」と同一条件で行った。ディスクの飾り穴は５個とし、ホイールの外周上の基準位置の角度を０度とし、基準位置から所定の角度における飾り穴周りの主応力を計算した。なお、図３のＷ１位置を溶接（解析上では固定）したものを実施例とし、Ｗ２位置を溶接したものを比較例とした。得られた結果を表１に示す。

表１より、本発明の実施形態の場合、ディスク強度の低い部分である飾り穴周辺の応力(応力振幅)が約１０％低減した。従って、本発明によれば、ディスクの強度が向上し、又、その分、ディスクを薄肉化して軽量化を図ることも可能である。

５）好ましい実施態様
上記したように、嵌合部の外側部分５を溶接すると、従来に比べ、溶接部に掛かる応力が低減する。この効果を充分に発揮するためには、外側部分５が外側ビードシート２ｂのなるべく外側位置に来るよう、フランジ１０ｆを嵌合することが好ましい。例えば、図３において、ディスクの外側折返し部分１０ｋとリムの外側フランジ２ａとがほぼ面一（図３の直線Ｓ）となるように両者を配置することで、外側部分５が外側ビードシート２ｂのなるべく外側に来るようにする。

又、本発明においては、フランジ１０ｆの内面のうち最も外側に位置する部分からフランジ終端１０ｅまでの軸方向の長さ（図３のＬ）が２〜２０ｍｍであることが好ましい。この長さＬは、実質的に外側部分５から軸方向内側へ延びる嵌合部長さに対応する。
Ｌが２ｍｍ未満であると、溶接ビードの溶け込み深さ（のど厚）が確保できず、溶接強度が低下する場合がある。Ｌが２０ｍｍを超えると、嵌合部長さが余分となり、重量増を招く場合がある。Ｌを最短（２ｍｍ）とすると、ホイール全体の重量が２〜３％程度軽くなる。
なお、溶接トーチを外側から溶接箇所（嵌合部の外側部分５）へ届かせるため、通常、ディスクの折返し部分１０ｋやリムの外側フランジ２ａから、外側部分５へ向かう距離（図３のＳから外側部分５までの距離）を約２０ｍｍ以下とする。

本発明において、嵌合部の外側部分５に加え、嵌合部の内側部分（図３のＷ２）を溶接してもよく、強度及び剛性向上の点からはこのようにすると好ましい。
又、本発明において、１ヶ所の溶接Ｗ１の長さ（ディスク１０の外周方向の長さ）は、最長で、隣接する水抜き穴１２に挟まれたフランジ１０ｆの周方向長さとなるが、既に述べたように溶接強度が応力に対して充分確保されるため、１ヶ所の溶接長さが１５ｍｍ以上であれば足りる。従って、ホイールの強度と生産性の観点から、上記範囲で１ヶ所の溶接長さを設定すればよい。又、１ヶ所の溶接長さが１５ｍｍ以上であればよいことから、水抜き穴を多く形成することができ、ホイールの水抜き性が向上する。
又、本発明において、水抜き穴１２が２〜６個形成されていることが好ましい。この場合、溶接はそれぞれ２〜６箇所の断続溶接となる。

<第２の実施形態>
図４は、本発明の第２の実施形態に係る自動車用スチールホイールの溶接の態様を示す部分拡大図であり、図３に対応するものである。
図４において、リム２内面との接触をより緊密にするため、ディスクのフランジ１０ｆの外面１４は、外側ビードシート２ｂ内面の形状に沿うように削られている。これにより、リムとディスクの嵌合部の面積が増大してより確実に溶接できると共に、ホイールの振れ精度を向上させることができる。外面１４は、例えば旋削等によって削ることができる。

<第３の実施形態>
図５は、本発明の第３の実施形態に係る自動車用スチールホイールの溶接の態様を示す部分拡大図であり、図３に対応するものである。
図５において、フランジ１０ｆの外面には、上記外面１４とは別に、嵌合部の外側部分に該当する領域１６が削られている。領域１６は、嵌合部外側から外に向かう開先の角度が広がるように形成される。これにより、溶接の溶け込み深さを深くして、溶接を確実に行うことができる。なお、この実施形態では、開先の角度をさらに広げるため、フランジ１０ｆの外面の代わりに、又はそれに加え、外側ビードシートの内面のうち、嵌合部の外側部分に該当する領域を削ってもよい。

本発明の第１の実施形態に係る自動車用スチールホイールの一例を示す断面図である。 図１の部分正面図である。 図１の部分拡大図である。 本発明の第２の実施形態に係る自動車用スチールホイールの一例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る自動車用スチールホイールの一例を示す断面図である。 従来の自動車用スチールホイールの一例を示す断面図である。

符号の説明

２ リム
２ｂ 外側ビードシート
５ 嵌合部の外側部分
１０ ディスク
１０ｆ （ディスクの）フランジ
１０ｉ 水抜き凹部
１２ 水抜き穴

Claims (6)

1. 外側ビードシートを有するリムと、外周を軸方向に沿って内側に折り返して成るフランジを有するディスクとを備えた自動車用ホイールであって、前記ディスクの外周に前記フランジより縮径の水抜き凹部が形成され、前記外側ビードシートの内面と前記フランジの外面との嵌合部のうち外側部分の少なくとも一部が溶接され、前記水抜き凹部と前記外側ビードシートの内面との間に水抜き穴が構成されることを特徴とする自動車用ホイール。
2. 前記フランジの内面のうち最も外側に位置する部分から前記フランジの終端までの軸方向の長さが２〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の自動車用ホイール。
3. 前記外側ビードシートの内面の形状に沿うよう、前記フランジの外面が削られていることを特徴とする請求項１又は２記載の自動車用ホイール。
4. 前記嵌合部から外側に向かって形成される開先の角度が広がるよう、前記フランジの外面又は前記外側ビードシートの内面が削られていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の自動車用ホイール。
5. 前記溶接部分の１ヶ所の長さが１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の自動車用ホイール。
6. 前記水抜き穴が２〜６個形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の自動車用ホイール。