JP2007276714A

JP2007276714A - 車両用軽合金ホイール

Info

Publication number: JP2007276714A
Application number: JP2006108179A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Mori; 春幸森; Ryoji Iijima; 良治飯島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】リムの軽量化と強度を向上させたホイールを提供する。
【解決手段】ディスク部とリム部を有する車両用軽合金ホイールであって、前記リム部はインナーハンプの位置で曲がる形状を有し、インナーハンプからアウター側に向かって径が小さくなる略直線部を持つと共に、インナーハンプからインナー側のリム部における伸びが１０％以上であることを特徴とする車両用軽合金ホイールとする。またｍ０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディスク部とリム部で構成される車両用軽合金ホイールに於いて、リム部での形状および材料強度を最適なものとし、強度を高めて軽量化を図った車両用軽合金ホイールに関するもので、特に大口径の車両用軽合金ホイールに関する。

車両用ホイールの1つであ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、鉄製からアルミニウム合金、マグネシウム合金やチタン合金などの軽合金製への変換が進んでおり、とくにアルミニウム合金製のアルミホイールを装着する比率が増大している。
一般に軽合金製ホイールは、図７に横断面形状を示すように、ボルトとナットにより車軸に取り付けられる厚肉のハブ部と厚肉部と薄肉部が混在するデザイン部からなるディスク部３９と、タイヤが取着される薄肉のリム部から構成されている。リム部は、端部に突出したインナーフランジ３１、アウターフランジ３８が形成され、その内側には、回転軸に平坦なインナービードシート３２、アウタービードシート３７が形成され、そのさらに内側には微小な凸形状となるインナーハンプ３３、アウターハンプ３６が形成され、その間には、リム胴部が形成されている。

車両用軽合金ホイールは、車両の外観性を左右するものとして、また重要保安部品として非常に厳しい仕様が各メーカによって決められている。特に重要視されるのは重要保安部品としての強度である。通常行なわれる強度試験方法には、回転曲げ耐久試験、半径方向不可耐久試験、衝撃試験などがある。これらは運輸省技術基準（ＪＷＬ、ＪＷＬ−Ｔ）や国際規格（ＩＳＯ３００６、ＩＳＯ３８９４、ＩＳＯ７１４１）などで定められている。
リムは、全体が一種のリブ構造であり、走行時に変形しないよう構成されている。フランジやハンプは、備え付けられる樹脂タイヤとの接触部でもあるが、それ自体がリムの真円度を維持する機能も合わせ持っている。

しかし一方では車両用軽合金ホイールの利点である軽量化の要求も高まっている。サスペンションのバネを境にして下についている部品（タイヤ、ホイール、ブレーキ系、それを支えるハブキャリアやアクスルなど）の総重量は、バネ下重量と呼ばれ、搭乗者の乗り心地に影響する。また、バネ下重量を小さくすると走行時の慣性モーメントが小さくなるので、バネ上重量を軽量化するよりも４倍以上の効果があると言われている。自動車メーカ各社で軽量化プロジェクトが進められる状況の中、ホイールメーカも解析技術を用いて強度を高め、軽量化を行なえる車両用軽合金ホイールの検討を行なっている。軽量且つ強靱であることが要求されるのでリムの厚みは極力薄く構成されており、鋳造製品の車両用軽合金ホイールにおいては、５ｍｍ程度の厚さになっている。鋳造による薄肉化の技術と強度の向上を同時に行なうために各社とも試行錯誤を続けている。

強度を高める従来技術として、リム部にスピニング加工を施すことが行われている。特開平６−５５２３５号公報には一体鋳造を施したホイール素材のリム部中央付近にスピニング加工を施すことが開示されている。この技術によりディスク部とリム部との結合部分のシート部の余肉部がない軽量化を施したホイールができ、かつ鋳造欠陥の少ない高強度のホイールを提供できるとしている。また、特開平１１−９２８４９号公報には半凝固状態の原料を用い、金型に加圧充填し、凝固させて得られたアルミニウムホイール素材のリム部にスピニング加工を施すことが記載されている。
特開平６−５５２３５号公報（（０００７）〜（００１１）、図１）特開平１１−９２８４９号公報（（００２０）〜（００２３））

通常の一般車両では１１インチ〜２０インチ程度の径を持つ車両用軽合金ホイールが装着される。しかしながら、１６インチ以上の大口径のものでは上記の製造方法を用いても強度が不足するという問題がある。鍛造により製造したものは、高い機械的強度を持つが、製造コストが高い。比較的安価な鋳造を主な製造技術とし、かつ上記問題を解決するには、リム部の合金組織を改良するだけでなく、リム部の形状も考慮する余地があった。したがって本発明では、安価であり、かつ比較的容易にリムの軽量化と強度を向上させたホイールを提供することを課題とする。

上記課題を達成するための本発明はつぎの通りである。
（１）ディスク部とリム部を有する一体鋳造により製造された車両用軽合金ホイールであって、前記リム部はインナーハンプの位置で曲がる形状を有し、インナーハンプからアウター側に向かって径が小さくなる略直線部を持つと共に、前記略直線部よりアウター側は鋳造により形成され、かつインナーハンプからインナー側のリム部における伸びが１０％以上であることを特徴とする車両用軽合金ホイール。
（２）前記車両用軽合金ホイールは、インナーハンプからインナー側のリム部における０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上であることを特徴とする（１）に記載の車両用軽合金ホイール。
（３）前記インナーハンプから内径側に曲がる角度は、ホイールの軸方向に対して２０度以上８０度以下の範囲であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の車両用軽合金ホイール。
（４）前記インナーハンプからアウター側に向かって曲がったリム傾斜部は、長さが２０ｍｍ〜６０ｍｍの直線形状であることを特徴とする（１）乃至（３）に記載の車両用軽合金ホイール。
（５）前記車両用軽合金ホイールは、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からなる材質であることを特徴とする（１）乃至（４）に記載の車両用軽合金ホイール。
（６）前記車両用軽合金ホイールは、リム部キャビティに湯口が設けられた鋳造方案により一体鋳造されたものであることを特徴とする（１）乃至（５）に記載の車両用軽合金ホイール。
（７）前記インナーハンプからインナー側は、スピニング加工により再形成されていることを特徴とする請求項（１）乃至（６）に記載のホイール。
（８）呼び径が１６インチ以上であることを特徴とする（１）乃至（７）に記載の車両用軽合金ホイール。

上記（１）の車両用軽合金ホイールでは、リム部はインナーハンプの位置で曲がる形状を有し、インナーハンプからアウター側に向かって径が小さくなる略直線部を持つと共に、前記略直線部よりアウター側は鋳造により形成され、かつインナーハンプからインナー側のリム部における伸びが１０％以上であることを特徴とするので、リム部のインナーフランジの強度を高めることが出来る。リム部のインナーフランジは、最も荷重変形を起こしやすい部分である。従来のホイールのリム部は、リム部の中央部から曲がる形状を持つものであるが、さらにインナー側のインナーハンプからリム部を曲げ、かつ、伸びを１０％以上、好ましくは１２％以上とすることで、リム部のインナーフランジでの破損に強い、最も好ましい形態の車両用軽合金ホイールを得ることができる。伸びは、インナーハンプからインナー側のリム部で測定し、周方向に均等になるよう少なくとも４点以上の測定を行った値の平均値である。本発明の車両用軽合金ホイールは、ホイール各部の殆どを低圧鋳造などの安価な製造技術で製造でき、かつ、必要部分のみ所定の対応を行うだけで理想的な機械的強度を持つものとすることができる。インナーハンプからアウター側を鋳造により形成してもよい。
上記（２）の前記車両用軽合金ホイールは、インナーハンプからインナー側のリム部における０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上であることを特徴とするので、機械的強度に強い好ましい形態の車両用軽合金ホイールを得ることができる。０．２％耐力は、インナーハンプからインナー側のリム部で測定し、周方向に均等になるよう少なくとも４点以上の測定を行った値の平均値である。
上記（３）の車両用軽合金ホイールでは、前記インナーハンプから内径側に曲がる角度は、ホイールの軸方向に対して２０°以上８０°以下の範囲であることを特徴とするので、インナーフランジでの強度が高く、また湯流れ性のよい鋳造に適した車両用軽合金ホイールを得ることができる。インナーハンプから内径側に曲がる角度が２０°未満であると、インナーフランジの強度を高める効果が得られにくい。また、インナーハンプから内径側に曲がる角度が８０°を越えると、鋳造で製造する際に溶湯の湯流れ性が悪くなり、この曲がった部分の周辺で鋳造欠陥が出やすくなる。インナーハンプから内径側に曲がる角度は、２５°以上７０°未満とすることが好ましく、３０°以上６０°以下とすることがさらに好ましい。
上記（４）の車両用軽合金ホイールでは、前記インナーハンプからアウター側に向かって曲がったリム部は、長さが２０ｍｍ〜６０ｍｍの直線形状であることを特徴とするので、インナーフランジでの強度が高い形態を有する。
上記（５）の車両用軽合金ホイールは、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からなる材質であることを特徴とするもので、ＪＩＳ規格によるＡＣ４ＣＨの合金組成を用いたもので、インナーフランジの強度に優れた車両用軽合金ホイールが得られる。また、インナーフランジ側を展伸材と接合させることも可能である。インナーフランジ側を展伸材とする場合、インナーハンプからアウター側を上記の合金組成として鋳造により形成し、インナーハンプからインナー側を展伸材で形成し、両者を摩擦攪拌接合などにより接合させることができる。展伸材として、例えば、Ｓｉ：０．４〜０．８質量％、Ｍｇ：０．８〜１．２質量％、Ｃｕ：０．１５〜０．４質量％、Ｃｒ：０．０４〜０．３５質量％、および不可避不純物１．２質量％以下、残部：Ａｌからなる、ＪＩＳ規格によるＨ４０００系Ａ６０６１種相当の合金が好ましい。この展伸材は、Ｔ６処理を施すことが好ましい。この展伸材を用いることで、インナーハンプからアウター側のリム部で、伸び１３％以上、０．２％耐力が２５０ＭＰａ以上の車両用軽合金ホイールが得られる。
上記（６）の車両用軽合金ホイールは、リム部キャビティに湯口が設けられた鋳造方案により一体鋳造されたものであることを特徴とするので、リム部のインナーフランジ先端まで溶湯が行き渡りやすい。（３）に示すような大きな角度で曲がるリム部は、従来の平坦なリム部よりも溶湯が流れにくいので、上記のように湯口をリム部に設けることが好適な鋳造方案となる。ディスク部のキャビティのみに湯口を設けると、溶湯温度が下がるリム部で湯流れ性が悪くなり、本発明の車両用軽合金ホイールは製造が難しくなる。特に低圧鋳造では湯流れ性が悪くなるので、上記方案を用いた場合の効果が大きくなる。好ましくは、リム部とディスク部のキャビティ両方に湯口を設ける低圧鋳造方案で製造する。
上記（７）の車両用軽合金ホイールは、前記インナーハンプからインナー側は、スピニング加工により再形成されていることを特徴とするので、インナーフランジの強度に優れた車両用軽合金ホイールを得られる。インナーフランジのスピニング加工による塑性変形厚さ（圧下率）は２０％以上８０％以下とすることが好ましい。また、伸びの特性を考慮する場合は２５〜６５％ほどが好ましい。
上記（８）の車両用軽合金ホイールは、呼び径が１６インチ以上であることを特徴とする。口径の大きい車両用軽合金ホイールは、前記したように、インナーフランジの強度が低くなりやすい。本発明の車両用軽合金ホイールとすることで、１６インチ以上であってもインナーフランジで十分な強度を持つ車両用軽合金ホイールとすることができる。

以上説明したように本発明によれば、安価かつ容易にリム部のインナーフランジの強度を高めることが出来る。大口径の車両用軽合金ホイールであっても、機械的強度が高く、安全性の良好なホイールを提供できる。

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。
（実施例１）
以下に、本発明の望ましい実施例に係るリム部を有する車両用軽合金ホイールを、図１〜図４を参照して、説明する。図１は、本発明の一実施例の一体鋳造で製造したリム部の断面図である。１はリム部のインナーフランジであり、２はインナー側のビードシートを示し、３はインナーハンプを示し、４はリム傾斜部となる略直線部を示し、５はリム胴部である。リム部の図中上側にはインナーフランジ１とビードシート２に当接するタイヤが装着される。ビードシート２とインナーフランジ１は塑性加工により、断面の強度を上げている。従来のリム部の形状は、直線的な形状で、リム部が全体的に１５°程度傾いている。それに対し、本発明の車両用軽合金ホイールは、インナーハンプの部分で曲がり、リム傾斜部４が形成されている。リム傾斜部は、ホイールの中心軸に対して４７°の角度で、長さが２８ｍｍに形成されている。

以下、本発明の車両用軽合金ホイールの製造方法を説明する。
図６に示すように、密閉容器内１に保持炉２があり、密閉容器１の上に下型プラテン３が取り付けられ、密閉容器１を密閉している。下型プラテン３には中央部にアルミニウム合金の溶湯５を金型に補給するストーク４ａ，ｃが取り付けてあり、ストーク４ａ，ｃの下端は保持炉２中の溶湯５に浸漬されている。溶湯は下型８に嵌入された湯口ブッシュ６を介し金型の湯口部７に連なっている。そして横型１０に流れ込み、ホイールのリム部を成形するキャビティに注湯される。また、リム部に形成されるサイドゲートはホイール軸に対して対象になる位置に設けた。

金型の下型８は下型プラテン３に取り付けられている。下型８は固定型で、ホイールではデザイン部を形成する面である。本実施例においてはスポーク部の最小のテーパ部傾きを３．５°とし、スポーク部の裏面の鋳抜き部を設けたものとした。両横は横可動型１０で、ホイールのリム部の外周面を形成する。金型の上型１２は、可動プラテン１４に取り付けられている。上型１２は所謂可動型で、ホイールを車に取り付けるデザイン部裏面及びリム部の内周面を形成する。可動プラテン１４はガイドポスト１５に固着されており、ガイドポスト１５は上型プラテン１３に備えられたガイド１６に沿って上下に動くことが可能である。また、前記ガイドポスト１５は上端を上板１７に固定され、上型プラテンに備えられた油圧シリンダ２１がこの上板を動かし、それに追従して可動プラテン１４および上型１２が上下して動く。図３中、上板１７が最下端まで来た位置を破線で示す。この最下端の位置は上型１２が横型１０および下型８と型締めされた際の位置である。

鋳造作業は、以下の手順による。下型８、上型１２、横型１０の金型を閉じた後、空気や不活性ガス等の０．０２〜０．０５ＭＰａの加圧気体を加圧気体送入管１８より密閉容器内１に送り込む。送り込まれた加圧気体により、保持炉２内で約７００℃に保持されたアルミの溶湯５がストーク４ａ、ｃを介して押し上げられ金型温度を３５０〜４５０℃に保持された金型内のキャビティに入る。金型のキャビティ部は保温と離型を兼ねた塗型でコーテイングが施してある。約２〜３分の後、加圧を排気し、未凝固のストーク４内の溶湯５を保持炉２に戻し、金型内の溶湯が凝固するのを待つ。金型内の溶湯の凝固が完了し、約４００〜４５０℃の取り出し温度に達したところで金型を開き、上型に鋳造製品（ホイール）がついた状態のまま上型を上昇させる。ある程度上昇するまでは３本同期ピストンで上板を制御し、その後所定位置まで上昇させて上型プラテンに固着した押し出しピンによりホイールを上型から離し脱着アーム１１を用いてホイールを取り出す。

その後、この鋳造したホイール基体をスピニング加工用のマンドレルに組み付ける。つぎに、スピニングロールをリム部のインナーハンプに強く押し当て、まだ成形されていないビードシート３２と、インナーフランジ３１を、ディスク部から離れる方向にスピニングロール４を移動させながら、形成していく。その後、他のリム傾斜部やリム胴部、ディスク面などは旋盤加工により最終形状とする。

このようにして製造した車両用軽合金ホイールのインナーフランジに径方向に荷重をかけ、その荷重と変化量との関係を調べた。図３はその荷重をかけた状態を示す解析図であり、図３（ａ）が本発明の車両用軽合金ホイールの解析図、図３（ｂ）が従来の車両用軽合金ホイールの解析図である。内部応力の値により段階的に色分けしたものである。また、図４はその模式図である。図４中、図４（ａ），図４（ｂ）の面４０同士が同じ内部応力範囲の部分である。本発明の車両用軽合金ホイールを用いた図４（ａ）の方が、面４０の面積が小さいことが解る。
また、図２にインナーフランジでの変化量を測定した結果を示す。本発明の車両用軽合金ホイールでは、荷重を２０ｋＮかけても変化量は８ｍｍ以下である。対して従来の車両用軽合金ホイールでは、１０ｍｍ以上の変化量があり、本発明の車両用軽合金ホイールの方が高い剛性を持つことが解る。
インナーハンプからインナー側のリム部で伸びを測定した。測定位置は周方向に６箇所、均等間隔になる位置とした。伸びはこれらの位置で測定した値の平均値を取った。その結果、伸びは平均１２．８％であった。
また、０．２％耐力も同様に測定した結果、平均２３７ＭＰａであることが確認された。

（実施例２）
本発明の望ましい実施例に係るリム部を有する別の車両用軽合金ホイールを、図１を参照して説明する。実施例１と異なり、ビードシート２とインナーフランジ１には、Ｈ４０００系Ａ６０６１種相当の合金を円筒状に加工したものを用いた。また、インナーハンプよりもアウター側については、実施例１と同様にして低圧鋳造により軽合金ホイール基体を製造した。アウター側の軽合金ホイール基体を固定し、軽合金ホイール基体の円筒部分に、インナー側の展伸材の円筒部分を当接させた。その後、展伸材を軽合金ホイール基体に押し付けながら回転させ、摩擦攪拌接合により両部材を接合させた。これにより、図１に示す形状の車両用軽合金ホイールを得た。この車両用軽合金ホイールは、インナーハンプの部分で曲がり、リム傾斜部４が形成されている。リム傾斜部は、ホイールの中心軸に対して４５．５°の角度で、長さが２４ｍｍに形成されている。
展伸材のビードシート２の位置で伸びを測定した。測定位置は周方向に６箇所、均等間隔になる位置とした。伸びはこれらの位置で測定した値の平均値を取った。その結果、伸びは平均１４．９％であった。
また、０．２％耐力も同様に測定した結果、平均２７５ＭＰａであることが確認された。

本発明と従来のリム部形状の違いを示す図である。インナーフランジでの荷重と変化量を測定した図である。インナーフランジへ荷重をかけた時の応力解析結果である。図３の模式図である。本発明で使用した鋳造装置である。従来のホイールの一例である。

符号の説明

１：密閉容器、２：保持炉、３：下型プラテン、４：ストーク、５：溶湯、６：湯口ブッシュ、７：湯口部、８：下型、１０：横型、１１：脱着アーム、１２：上型、１３：上型プラテン、１４：可動プラテン、１５：ガイドポスト、１６：ガイド、１７：上板、１８：加圧気体挿入管、２０：油圧シリンダ、３０：アルミホイール、３１：インナーフランジ、３２：インナー側ビードシート、３３：インナーハンプ、３４：傾斜部（略直線部）、３５：リム胴部、３６：アウターハンプ、３７：アウター側ビードシート、３８アウターフランジ、３９：ディスク部

Claims

ディスク部とリム部を有する車両用軽合金ホイールであって、前記リム部はインナーハンプの位置で曲がる形状を有し、インナーハンプからアウター側に向かって径が小さくなる略直線部を持つと共に、前記略直線部よりアウター側は鋳造により形成され、かつインナーハンプからインナー側のリム部における伸びが１０％以上であることを特徴とする車両用軽合金ホイール。
前記車両用軽合金ホイールは、インナーハンプからインナー側のリム部における０．２％耐力が２２０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の車両用軽合金ホイール。
前記インナーハンプから内径側に曲がる角度は、ホイールの軸方向に対して２０度以上８０度以下の範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用軽合金ホイール。
前記インナーハンプからアウター側に向かって曲がったリム傾斜部は、長さが２０ｍｍ〜６０ｍｍの直線形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の車両用軽合金ホイール。
前記車両用軽合金ホイールは、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からなる材質であることを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の車両用軽合金ホイール。
前記車両用軽合金ホイールは、リム部キャビティに湯口が設けられた鋳造方案により一体鋳造されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の車両用軽合金ホイール。
前記インナーハンプからインナー側は、スピニング加工により再形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載のホイール。
呼び径が１６インチ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項７に記載の車両用軽合金ホイール。