JP2009297739A - 車輌用キャストホイール並びにその製造方法並びにその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 指向性凝固の始発点を新たな位置に設定することにより、安定した指向性凝固を達成し、製造欠陥のない車輌用キャストホイールの製造を実現することを技術課題としたものである。
【解決手段】 本発明の車輌用キャストホイール１は、タイヤ３が直接組み付けられるリム部１２と、車輌５側におけるハブに組み付けられるディスク部１１とを軽合金で一体鋳造して成る車輌用キャストホイール１であって、前記リム部１２は、リムベース１２１に対し、その幅方向両側縁に前記ディスク部１１に内側が支持されているアウターリムフランジ１２２と、内側が支持されていないインナーリムフランジ１２３とを対設状態に具え、前記リム部１２は、リムベース１２１の幅方向のほぼ中央を起点としてインナーリムフランジ１２２とアウターリムフランジ１２３との双方の方向に向けて指向性凝固が進行して形成されたものであることを特徴として成るものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輌用キャストホイール並びにその製造手法に関するものであって、特に製造技術上困難が伴う形状仕様のキャストホイールであっても、製造欠陥の発生を抑えることができる新規な技術に関するものである。

近年、車輌の重要部分の一つであるタイヤ、ホイールを含めた車輪については、車輌の走行性の向上に対応して益々要求性能が厳しくなり、且つ厳しい使用条件にさらされている。具体的には、車輌タイヤの偏平化が進むにつれて、タイヤは、サイドウォール高さが低くなり、それとともにタイヤ空気室容積も減少している。このようなタイヤが適用される車輌用キャストホイールは、特にリム部においてタイヤ空気室による充分な路面衝撃の緩衝機能を期待できないことや、タイヤの受けた凹み方向の衝撃が低い高さのサイドウォールでは容易にリム部まで達してしまうことなど、従来に比べて厳しい使用条件にさらされている。

特にインナーリムフランジは、ディスク部と、それに連なるスポークとにより支えられたアウターリムフランジに比べて、内周側に支えとなる部材を持たないことから、走行中の路面からの衝撃により変形しやすい傾向を有している。
このため、車輌が走行中段差等の乗り越え時のような衝撃入力を受けた場合、インナーリムフランジに永久変形が生じてしまうこともある。このような変形した部位では、内部応力が蓄積されることとなり、車輌走行中に繰り返し受ける応力と相まって、大きな応力を集中的に受ける結果となる。
このような場合、その部分に鋳造欠陥が生じると、そこを起点にキャストホイールの割れが進行し、ホイールの破損に至ることが危惧される。

ところで、従来の手法を踏襲して、例えば幅広タイプのホイールを製造した場合、鋳造欠陥を回避することは必ずしも容易ではない。即ち、一般に溶融状態の金属（溶湯）を鋳造型に充填した後、凝固させて所定の形状を得る鋳造製法においては、鋳造型に充填された溶湯は、それが凝固する際に体積変化が発生するものであって、車輌用キャストホイールに多く用いられているアルミニウム合金においては、その変化は体積の減少、収縮となって現れる。この鋳造品の凝固は、鋳造型と接する表面部より肉厚内部に進行するため、この収縮部に相当する溶湯を補給しないと鋳造品の内部に空隙（鋳巣と呼ばれる鋳造欠陥）が発生する。このような鋳造欠陥は、鋳造品の機密性を損なったり、強度の低下の原因となっている。

このために、鋳造を行う場合には、このような内部欠陥の発生を防止するために、溶湯を補給する部分から一番離れた場所から溶湯補給部に向って凝固が進行する（指向性凝固）ように鋳造方案を策定することとなる。具体的には、車輌用キャストホイールの場合は、インナーリムフランジからディスク中心部に向けて単一の指向性凝固を図る方法が一般的に採られている。

しかしながら、ホイールの大径化とリム幅の増加に伴い、インナーリムフランジと溶湯補給となるディスク中心部の距離は、隔たり（増大し）、且つ製品自体も大型化する傾向にある。このような傾向は、望ましい指向性凝固を妨げる要因となることから、従来手法のような単一の指向性凝固の手法では健全なインナーリムフランジを成型することが困難な状況となっている。
特開昭６０−１７０５６７号公報 特開２０００−１５８１２２号公報

本発明は、このような背景を考慮してなされたものであって、指向性凝固の始発点を新たな位置に設定することにより、安定した指向性凝固を達成し、製造欠陥のない車輌用キャストホイールの製造を実現することを技術課題としたものである。

請求項１記載の車輌用キャストホイールは、タイヤが直接組み付けられるリム部と、車輌側におけるハブに組み付けられるディスク部とを軽合金で一体鋳造して成る車輌用キャストホイールであって、 前記リム部は、リムベースに対し、その幅方向両側縁に前記ディスク部に内側が支持されているアウターリムフランジと、内側が支持されていないインナーリムフランジとを対設状態に具え、前記リム部は、リムベースの幅方向のほぼ中央を起点としてインナーリムフランジとアウターリムフランジとの双方の方向に向けて指向性凝固が進行して形成されたものであることを特徴として成るものである。

請求項２記載の車輌用キャストホイールの製造方法は、タイヤが直接組み付けられるリム部と、車輌側におけるハブに組み付けられるディスク部とを軽合金で一体鋳造して成る車輌用キャストホイールであって、前記リム部は、リムベースに対し、その幅方向両側縁に前記ディスク部に内側が支持されているアウターリムフランジと、内側が支持されていないインナーリムフランジとを対設状態に具えて成る車輌用キャストホイールを加工対象のワークとする製造方法において、この製造に用いる鋳造型は、ワーク形状を現出させるキャビティを具え、前記キャビティに溶融状態の金属素材を充填した後、凝固させるにあたっては、リム部におけるリムベースの幅方向のほぼ中央を起点としてインナーリムフランジとアウターリムフランジとの双方の方向に向けて指向性凝固が進行するようにキャビティ周辺を冷却することを特徴として成るものである。

請求項３記載の車輌用キャストホイールの製造方法は、前記請求項２記載の要件に加え、前記キャビティについては、下方にディスク部成型用キャビティをほぼ円盤状の空間として設け、更にその周縁からリム部成型用キャビティをほぼ円筒状の空間として上方に伸びるように設け、前記リム部成型用キャビティ部の高さ方向のほぼ中央部を冷却できるようにしたことことを特徴として成るものである。

請求項４記載の車輌用キャストホイールの製造方法は、前記請求項２または３記載の要件に加え、前記冷却にあたっては、キャビティ周壁に設けたウォータジャケットに通水することによって行うことを特徴として成るものである。

請求項５記載の車輌用キャストホイールの製造方法は、前記前記請求項２、３または４記載の要件に加え、前記キャビティにおけるリム部成型用キャビティの上縁部には、押湯チャンバを連通状態に設けていることを特徴として成るものである。

請求項６記載の車輌用キャストホイールの製造装置は、タイヤが直接組み付けられるリム部と、車輌側におけるハブに組み付けられるディスク部とを軽合金で一体鋳造して成る車輌用キャストホイールであって、前記リム部は、リムベースに対し、その幅方向両側縁に前記ディスク部に内側が支持されているアウターリムフランジと、内側が支持されていないインナーリムフランジとを対設状態に具えて成る車輌用キャストホイールを加工対象のワークとする製造装置において、この製造に用いる鋳造型は、ワーク形状を所望の余裕を含んで現出できるキャビティを具え、前記キャビティは、下方にディスク部成型用キャビティをほぼ円盤状の空間として設け、更にその周縁からリム部成型用キャビティをほぼ円筒状の空間として上方に伸びるように設け、前記リム部成型用キャビティ部の高さ方向のほぼ中央部を冷却するようにしたことを特徴として成るものである。

請求項７記載の車輌用キャストホイールの製造装置は、前記請求項６記載要件に加え、前記冷却にあたっての構成については、リム部成型用キャビティの高さ方向のほぼ中央付近にウォータジャケットを設け、ここに通水するものであることを特徴として成るものである。

請求項８記載の車輌用キャストホイールの製造装置は、前記請求項６または７記載の要件に加え、前記キャビティに溶融状態の金属素材を充填するにあたっては、下方から上方に向けて加圧充填することを特徴として成るものである。

請求項９記載の車輌用キャストホイールの製造装置は、前記請求項６、７または８記載の要件に加え、前記キャビティにおけるリム部成型用キャビティ上縁部には、押湯チャンバを設けていることを特徴として成るものである。

まず請求項１記載の発明によれば、鋳造欠陥の無い均一な凝固状態を実現し、厳しい使用条件にも耐え得る車輌用キャストホイールが得られる。

また請求項２及び３記載の発明によれば、溶融状態の金属素材を凝固させるにあたって指向性凝固をコントロールし、製造欠陥の無い車輌用キャストホイールの製造を可能としたものである。

また請求項４記載の発明によれば、指向性凝固の始発点を設定するための冷却は、いわゆる水冷式のものであり、安定した冷却により指向性凝固を導くことができる。

また請求項５記載の発明によれば、もっとも製造欠陥を嫌うインナーリムフランジは、常時加圧状態に溶融金属素材が充填されており、製造欠陥の発生を抑えることができる。

また請求項６記載の発明によれば、溶融状態の金属素材を凝固させるにあたって指向性凝固をコントロールし、製造欠陥の無い車輌用キャストホイールの製造を可能としたものである。

また請求項７記載の発明によれば、指向性凝固の始発点を設定するための冷却は、いわゆる水冷式のものであり、安定した冷却により指向性凝固を導くことができる。

また請求項８記載の発明によれば、キャビティ内により安定的に溶融金属素材を充填することができる。

また請求項９記載の発明によれば、もっとも製造欠陥を嫌うインナーリムフランジは、常時加圧状態に溶融金属素材が充填されており、製造欠陥の発生を抑えることができる。

本発明を実施するための最良の形態は、以下述べる実施例をその一つとするものであると共に、この技術思想に基づく種々の改良した実施例も含むものである。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて具体的に説明する。
符号１は、本発明の車輌用キャストホイールであって、製造装置である鋳造型２によって製造されるものである。この車輌用キャストホイール１は、図１に示すようにその使用時においては、タイヤ３が装着された状態で車輌５に取り付けられる。なおタイヤ３は、その外周面をトレッド面３１として、サイドウォール３２を介して更に前記車輌用キャストホイール１に直接はまり合うビード３３を具える。このタイヤ３についても、本発明が対象とする車輌用キャストホイール１の場合、傾向として広いトレッド面３１と低いサイドウォール３２を有し、空気室容積も少ないいわばワイドタイヤ３が適用される。
以下本発明の車輌用キャストホイール１について説明する。

この車輌用キャストホイール１は、ディスク部１１と、タイヤ３が嵌め込まれるリム部１２とが一体に鋳造形成されるものであって、ディスク部１１は、車輌５側のハブに取り付けられるディスクセンタ１１１と、そこからリム部１２に至るスポーク１１２とにより構成される。もちろん、ディスクセンタ１１１から放射状に何本かのスポーク１１２が延びるように文字通りスポークとして認識される部位ほかに、限りなく平板ディスク状のままのものや、スポーク１１２に相当する部材が全面的にメッシュ状に構成されているものなど種々の形態を有するものであるが、いずれにせよディスク部１１は、ディスクセンタ１１１とスポーク１１２と含んだものとして定義する。

一方リム部１２は、まずリムの幅方向を設定するリムベース１２１に対して、その両側縁にアウターリムフランジ１２２、インナーリムフランジ１２３とが形成される。アウターリムフランジ１２２側は、前記ディスク部１１により支持された状態となっている一方、のインナーリムフランジ１２３は、内側を支持されていない状態に構成されている。
なおリム部１２は、更に詳細には、アウターリムフランジ１２２、インナーリムフランジ１２３のそれぞれ内側がタイヤ３のビード３３の受け入れるビートシート１２４であり、ここにタイヤ３のビード３３との機密性を高めるリムバンプ１２５が形成される。更にはリムベース１２１は、一部外径を小さくしてタイヤ３のビード３３が落とし込まれるビードドロップ１２６が具えられている。

この車輌用キャストホイール１の特に大きな特徴は、このものが凝固するにあたって、リム部１２の幅方向のほぼ中央を起点として、インナーリムフランジ１２３とアウターリムフランジ１２２との双方の方向に向って、溶融状態の金属素材Ｍが指向性凝固を進行させて形成されたものである。
これにより、従来製造手法では製造欠陥が生じやすいリム部１２、特にインナーリムフランジ１２３近くの部位を含め、すべての部位で製造欠陥が生じていない。
因みに、この図示の寸法仕様は、一例として呼び寸法１７×７．５Ｊのいわゆる大径ワイドリムである。

次に車輌用キャストホイール１の製造装置である鋳造型２について説明する。
まず鋳造型２は、適宜の金属製の耐圧素材で構成するものであり、図示の実施例では、ほぼ一体的に図示しているが、ワークＷたる車輌用キャストホイール１の鋳造後の取り出しを考慮して、何分割かにされたものが、適宜ボルト締め等により一体に構成されている。

まず鋳造型２には、キャビティ２０が形成されるものであって、このキャビティ２０は、車輌用キャストホイール１を加工対象のワークＷとし、このワークW の形状に所望の余裕、例えば切削加工のための寸法余裕等を含んだ空間として再現されている。従って、このキャビティ２０は、適宜車輌用キャストホイール１の部位に対応した空間形状を有する。すなわち符号２１は、ディスク部成型用キャビティ２１であり、鋳造型２の下方に、ほぼ円盤状の形状として形成されている。もちろん、スポーク１１２が分離した放射形状を有するような場合、必ずしも円盤状の連続した形状とはならないが、それをそれをも含めて、全体としては円盤状として定義する。

このディスク部成型用キャビティ２１に続いて、リム部成型用キャビティ２２が形成されるものであり、このレイアウトからリム部成型用キャビティ２２は、鋳造型２において筒状に上方に伸びた空間として形成されている。このリム部成型用キャビティ２２は、具体的にはその中間部がリムベース成型部２２１となり、その下端側であってディスク部成型用キャビティ２１と直接連通する部位にアウターリムフランジ成型部２２２が設けられ、一方上端側にはインナーリムフランジ成型部２２３が構成される。
そして、ディスク部成型用キャビティ２１の中央には、下方から湯口２３が接続され、ここから溶融状態の金属素材Ｍが充填される。
一方、リム部成型用キャビティ２２における上端部、即ちインナーリムフランジ成型部２２３の更に上方には、円環状に押湯チャンバ２４が空間として形成されており、押湯チャンバ２４の内壁面は断熱材２４１によって構成されている。

更にリム部成型用キャビティ２２の高さ方向中央付近、詳しくはリムベース成型部２２１の一例として内側中央付近には、円環状のウォータジャケット２５を設けるものであり、ここに冷却水通路２５０に冷却水Ｃを供給するための冷却水配管２５１を連通させている。
このウォータジャケット２５に通水される冷却水Ｃが指向性凝固の始発点を設定するための冷却手段となっているのである。

本発明の車輌用キャストホイール１とその製造装置である鋳造型２は、以上述べたような具体的な構成を有するものであり、次のような製造方法により車輌用キャストホイール１を製造する。
まず鋳造型２を完全に組み付け状態にした後、湯口２３から溶融状態の金属素材Ｍをキャビティ２０内に充填してゆく。当然、溶融状態の金属素材Ｍは、キャビティ２０の底部側であるディスク部成型用キャビティ２１側から充填が開始され、更にリム部成型用キャビティ２２に至って、そのレベルを上昇させるようにして充填が進んでいく。そして充填の終了時には、溶融状態の金属素材Ｍが、インナーリムフランジ成型部２２３を超えて押湯チャンバ２４内に高さ方向の約半分程度までレベルまで充填が進められる。

このようにして溶融状態の金属素材Ｍの充填が終了した後には、金属素材Ｍの凝固を図るものであるが、前記ウォータジャケット２５における冷却水通路２５０に冷却水配管２５１から冷却水Ｃを送り込み、鋳造型２から冷却雰囲気を伝達させてリムベース成型部２２１の中間部から溶融状態の金属素材Ｍの凝固がその上下方向に向って進行するように図ってゆく。
このようにするときには、指向性凝固が終端に至るまでの距離が短く、その間の時間経過による凝固状態の設定がし易く、結果的に鋳巣等が生じない状態でワークＷの凝固が達成される。
もちろんこのとき、押湯チャンバ２４からの加圧が溶融状態の金属素材Ｍに働き、また湯口２３側から一定の押圧状態が期待できるから、このような溶融状態の金属素材Ｍへの加圧効果も相まって、更に鋳造欠陥の発生が抑えられている。

〔他の実施の形態〕
本発明は以上述べた実施の形態を一つの基本的な技術思想とするものであるが、更に次のような改変が考えられる。
本発明は、従来手法のノウハウや手法がより活かし易いような形で、湯口２３を下方に配置し、更にディスク部成型用キャビティ２１を下方に配置した最も好ましい実施例を示しているが、例えば、ワークＷたる車輌用キャストホイール１を立てた状態、即ちホイールの回転軸を横に寝かせた状態としてもよいし、また湯口２３の位置等も、必ずしも下方に設定せずに、周辺に配置したような形態であっても差し支えない。

また冷却手段としては、ウォータジャケット２５に冷却水Ｃを通水する手法であったが、冷却水Ｃについては、通常の工業用水に限らず、他の熱伝導性を考慮した他の冷却媒体としても差し支えない。
また図５に示す実施例は、鋳造型２におけるリムベース成型部２２１の外周または内周近くにクーリングフィン２６を形成し、これをエアダクト２６１で囲むようにして冷却風を通過させるような、いわゆる空冷式のものであっても差し支えない。図示のものはリムベース成型部２２１の外周側にクーリングフィン２６を配するとともに、内周側には水冷用のウォータジャケット２５を残したものであり、このような併用式ももとより差し支えない。
もちろんこのような空冷式のものに留まらず、霧滴化した水滴をクーリングファン２６に吹き付けて、いわゆる冷却水の蒸発による潜熱利用の冷却手法を採ってもよい。

本発明の車輌用キャストホイールの使用状態並びにその製造装置を併せて示す説明図である。 本発明の車輌用キャストホイールの製造方法を示す縦断正面図である。 同上装置の一部拡大縦断面図である。 同上平面図である。 同上装置の他の実施例を示す断面図である。

符号の説明

１ 車輌用キャストホイール
２ 鋳造型
３ タイヤ
５ 車輌
１１ ディスク部
１１１ ディスクセンタ
１１２ スポーク
１２ リム部
１２１ リムベース
１２２ アウターリムフランジ
１２３ インナーリムフランジ
１２４ ビートシート
１２５ リムバンプ
１２６ ビードドロップ
２０ キャビティ
２１ ディスク部成型用キャビティ
２２ リム部成型用キャビティ
２２１ リムベース成型部
２２２ アウターリムフランジ成型部
２２３ インナーリムフランジ成型部
２３ 湯口
２４ 押湯チャンバ
２４１ 断熱材
２５ ウォータジャケット
２５０ 冷却水通路
２５１ 冷却水配管
２６ クーリングフィン
２６１ エアダクト
３１ トレッド面
３２ サイドウォール
３３ ビード
Ｗ ワーク
Ｍ 金属素材
Ｃ 冷却水

Claims (9)

1. タイヤが直接組み付けられるリム部と、車輌側におけるハブに組み付けられるディスク部とを軽合金で一体鋳造して成る車輌用キャストホイールであって、
   前記リム部は、リムベースに対し、その幅方向両側縁に前記ディスク部に内側が支持されているアウターリムフランジと、内側が支持されていないインナーリムフランジとを対設状態に具え、前記リム部は、リムベースの幅方向のほぼ中央を起点としてインナーリムフランジとアウターリムフランジとの双方の方向に向けて指向性凝固が進行して形成されたものであることを特徴とする車輌用キャストホイール。
2. タイヤが直接組み付けられるリム部と、車輌側におけるハブに組み付けられるディスク部とを軽合金で一体鋳造して成る車輌用キャストホイールであって、前記リム部は、リムベースに対し、その幅方向両側縁に前記ディスク部に内側が支持されているアウターリムフランジと、内側が支持されていないインナーリムフランジとを対設状態に具えて成る車輌用キャストホイールを加工対象のワークとする製造方法において、
   この製造に用いる鋳造型は、ワーク形状を現出させるキャビティを具え、前記キャビティに溶融状態の金属素材を充填した後、凝固させるにあたっては、リム部におけるリムベースの幅方向のほぼ中央を起点としてインナーリムフランジとアウターリムフランジとの双方の方向に向けて指向性凝固が進行するようにキャビティ周辺を冷却することを特徴とする車輌用キャストホイールの製造方法。
3. 前記キャビティは、下方にディスク部成型用キャビティをほぼ円盤状の空間として設け、更にその周縁からリム部成型用キャビティをほぼ円筒状の空間として上方に伸びるように設け、前記リム部成型用キャビティ部の高さ方向のほぼ中央部を冷却できるようにしたことを特徴とする請求項２記載の車輌用キャストホイールの製造方法。
4. 前記冷却にあたっては、キャビティ周壁に設けたウォータジャケットに通水することによって行うことを特徴とする請求項２または３記載の車輌用キャストホイールの製造方法。
5. 前記キャビティにおけるリム部成型用キャビティの上縁部には、押湯チャンバを連通状態に設けていることを特徴とする請求項２、３または４記載の車輌用キャストホイールの製造方法。
6. タイヤが直接組み付けられるリム部と、車輌側におけるハブに組み付けられるディスク部とを軽合金で一体鋳造して成る車輌用キャストホイールであって、前記リム部は、リムベースに対し、その幅方向両側縁に前記ディスク部に内側が支持されているアウターリムフランジと、内側が支持されていないインナーリムフランジとを対設状態に具えて成る車輌用キャストホイールを加工対象のワークとする製造装置において、
   この製造に用いる鋳造型は、ワーク形状を所望の余裕を含んで現出できるキャビティを具え、前記キャビティは、下方にディスク部成型用キャビティをほぼ円盤状の空間として設け、更にその周縁からリム部成型用キャビティをほぼ円筒状の空間として上方に伸びるように設け、前記リム部成型用キャビティ部の高さ方向のほぼ中央部を冷却するようにしたことを特徴とする車輌用キャストホイールの製造装置。
7. 前記冷却にあたっての構成は、リム部成型用キャビティの高さ方向のほぼ中央付近にウォータジャケットを設け、ここに通水するものであることを特徴とする請求項６記載の車輌用キャストホイールの製造装置。
8. 前記キャビティに溶融状態の金属素材を充填するにあたっては、下方から上方に向けて加圧充填することを特徴とする請求６または７記載の車輌用キャストホイールの製造装置。
9. 前記キャビティにおけるリム部成型用キャビティ上縁部には、押湯チャンバを設けていることを特徴とする前記請求６、７または８記載の車輌用キャストホイールの製造装置。

Images