JP2012091576A - リムフランジ - Google Patents

Abstract

【課題】縦方向及び横方向への剛性に優れる軽合金製ホイールを提供すること。
【解決手段】本発明は、軽合金製ホイールのリムフランジにおいて、半径方向外方に延びる外周リムフランジと内方に延びる内周リムフランジを備え、前記内周リムフランジをリム中心から外側へ斜め方向に延びる突出部で構成したことを特徴とする。前記斜め内方方向に延びる突出部の角度はホイール回転軸に平行な基準線に対して３０°〜６０°の範囲に設定され、４５°に設定した場合には力のかかる方向が３０°〜７５°の範囲で最も優れた抗力を示す。抗力の比較は断面２次モーメントの計算値で行っている。
【選択図】図１

Description

本発明は、剛性を向上させたリムフランジに関する。

一般に、タイヤを装着するホイールは鋼材、軽合金材を用いて製造されるが、タイヤが装着されるリム部分には日本自動車タイヤ協会規格（ＪＡＴＭＡ）、或いはヨーロッパにおけるタイヤ及びリム規格（ＥＴＲＴＯ）などでその形状は規定されている。しかしながら、これらの規定はタイヤが装着される面側の形状に関するものであり、リムの断面形状は性能が確保されるものであれば特に規定は存在していない。タイヤが装着されるホイールで特に高速走行が求められる航空機用あるいは自動車用のホイールは軽量化が求められている。近年、かかるホイールにおいては、極力、軽量でデザイン性の高いものが望まれており特に乗用車ではホイールの口径が大きくなる傾向にある。走行時における振動の軽減と操縦性能を向上させるためである。

ホイールの口径が大きくなると略円筒状のホイールリムは、撓みやすくなるためリムの剛性を高くする必要があり必然的にリムの肉厚を更に厚くする傾向にある。しかしながらリム円筒部の形状を維持するためにはリムフランジの強化が最も効果的であり、特にコーナリング時の操縦性と安定性に有効なリムフランジの形状を検討し本願発明を提案するものである。先行技術として下記の文献が挙げられる。
文献１にはビード保持フランジの少なくとも一つがＵ字型キャビティを備えた軸方向断面を形成している。更にＵ字型キャビティをビード保持フランジの内方へ設けてＵ字型キャビティを２箇所に配置した例が示されている。
文献２には、リムフランジをより半径の大きい円環状に作成し、これを折り曲げて２重構造のリムフランジを形成している。
文献３にはリムフランジの高さをより高くして断面係数を大きくしている。リムフランジの高さを高くした分は、リムフランジ半径中心方向へ突出させている。このような形状は縦剛性の向上には有効であるが横剛性の向上には差ほどの効果は認められず、コーナリングフォースを付加してリムフランジに斜め方向にかかる力についての記載はない。

特開平１０−６７０５公報 特開２００３−２３６６３８公報 特開２００８−１３７５６２公報

本発明は、軽合金製ホイールの口径が大型化するに伴い、荷重が負荷されても撓みにくいリムを提供すると共にコーナリング時の操縦性と安定性の向上を目的としており、ホイールの重量を増加させることなくより剛性の高いホイールを提供することである。

コーナリング時にタイヤにかかる力について、図１１を参照して説明する。１００はホイールに装着されたタイヤであり回転方向Ｅで走行回転している。Ｇはセルフアライニングトルクのかかる方向を示し、該トルクをかけることでタイヤがＣの方向に向けられる。Ｄはタイヤの転がり抵抗値と方向を示すベクトルである。進行方向が変化したことで車体には遠心力が働きタイヤの接地面にはコーナリングフォースが発生する。該フォースの大きさと方向をベクトルＡで示す。Ｂはコーナリング時のタイヤの進行方向であり、タイヤの向く方向Ｃとの開角度を横滑り角Ｆとした。

コーナリング時にかかる力の方向を図１２を用いて説明する。（ａ）図はホイール１０１の断面図でありリム１０１ａにタイヤ１００が装着されている。１０１ｂはアウターリムフランジであり１０１ｃはインナーリムフランジである。コーナリングフォースＡを横方向の力（ベクトル）とし、車重による荷重反力を縦方向の力（ベクトル）Ｈとする。これらベクトルの合力Ｉのベクトル方向をホイールにかかる力の方向とした。しかしながら、コーナリングフォースは車重、タイヤ、横滑り角などにより異なるため値を特定することが出来ないことから、横滑り角（スリップ角）とコーナリングフォースの関係を示すブリジトン社が公表している資料を参照し該資料を（ｂ）図に示す。なお、タイヤの経線方向にかかる力として転がり抵抗（コーナリング抵抗）があるが、荷重反力及びコーナリングフォースに比較して小さいため、２次元での考察（断面２次モーメントによる考察）では無視している。（ｂ）図はタイヤが１９５／６０Ｒ１５（リム径１５インチ、タイヤ幅１９５ｍｍのラジアルタイヤ）の場合であるが、通常のコーナリングでは横滑り角（スリップ角）は３°程度であり、タイヤがきしみ音（スキール音）を発する激しいコーナリングでも８°程度である。（ｂ）図のグラフから横滑り角（スリップ角）０°〜８°の範囲のコーナリングフォースＡと荷重反力Ｈの合力Ｉのベクトルから、コーナリング時にホイールにかかる力の方向は９０°（垂直）から４５°の範囲に想定されるが、凹凸の激しい路面では更に広範囲に及ぶから実施態様では０°〜４５°の範囲も含めて検証している。

リムの形状は日本自動車タイヤ協会規格（ＪＡＴＭＡ）、或いはヨーロッパにおけるタイヤ及びリム規格（ＥＴＲＴＯ）などが知られているが、タイヤの性能を維持するためと、タイヤ着脱の簡便さを意図したものである。ホイール自体は近年インセットが広くなり内リムの幅が可成り大きくなっている。更にホイールの呼び径が２０吋以上になるホイールも多用されており、リムは撓みやすくなり厚みを大きくする必要があり軽量化に逆行する状況である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、機械的強度に優れ、ホイールの重量を増やすことなく大口径のリムの強度を高めることを目的としている。鍛造による軽合金製ホイールが好ましいが、鋳造製のホイールにも適用できるものである。

軽合金製ホイールはハブ部、ディスク部及びリム部で構成されるが、リムはアウターリムフランジ、ビードシート部、ウエル部、ビードシート部及びインナーリムフランジ部の順に配列されている。自動車用ホイールにおいてはブレーキシステムが大型化しインセットが広く、ディスク部はアウターリムフランジに近い位置に配置されているのでアウターリムフランジの剛性は高くなる。一方、円筒状に形成されるウエル部は長くなりインナーリム部の剛性は低くなる。更にコーナリングフォースの抗力を含めて剛性を高めるために、本発明は半径方向に延びる外周リムフランジと内周リムフランジを備え、前記内周リムフランジを斜め内方方向に延びる突出部で構成している。突出する方向はリムフランジ径中心から外方へ傾斜している。傾斜する方向については以下同様である。

また、前記斜め内方方向に延びる突出部の角度は、リムフランジ部の断面２次モーメントを用いて効率のよい角度を検証したところ、車軸と平行な軸に対して１５°〜６０°の範囲に構成することが好ましい。

更に、前記斜め内方方向に延びる突出部の片側面とビードシートの半径方向内側面につながる面の断面形状を傾斜面又は曲面で構成することで剛性を高めると共に、滞留する水の排出効率を高めるようにしている。前記傾斜面にはウエイトバランサーを装着することができる。

本発明は、日本自動車タイヤ協会規格及びヨーロッパ・タイヤ及びリム技術協会規格に準じた既に常用されている常用軽合金製ホイールのホイールリム形状において、インナーリムフランジに半径中心方向への突出部を設けることでリムフランジの剛性を向上させるものである。これによりリムフランジ自体の高さは高くなるが突出させる高さは１０ｍｍ未満でありホイールの車両への着脱に支障はない。

本発明の軽合金製ホイールのリムフランジは、ビードシート部を基準にリム半径方向の外方へ延びる外周リムフランジと内方へ延びる内周リムフランジを一体に備えており、前記内周リムフランジの内方へ延びる突出部はホイール回転軸に平行な基準線に対して０°〜６０°の傾斜角度を有している。これらの構成によりコーナリングフォースに充分な抗力を発揮できると共にリムフランジの剛性が向上しリムの厚みを薄くしてより軽量なホイールを提供できる。また、前記内方へ延びる突出部はビードシート部内面側に凹部を形成するため微量の水が滞留するが、突出部は傾斜しているのでコーナリングの際に生じる遠心力と振動により水の排出が容易となる。

インナーリムフランジの形状を示す断面図であり、（ａ）図は比較例１、（ｂ）図は比較例２、（ｃ）図は比較例３、（ｄ）図は比較例４の各試験体の断面図であり、（ｅ）図は実施例１の試験体の断面図である。 （ａ）図は断面２次モーメントのＸ−Ｘ軸の位置を示す説明図であり、（ｂ）図は実施例１におけるＸ−Ｘ軸の位置を示す説明図である。 断面２次モーメントを計算する場合の各試験体のインナーフランジ断面形状を示し、（ａ）〜（ｄ）図は比較例１〜４の断面、（ｅ）図は実施例１の断面形状を示す。 （ａ）図はリムフランジに力のかかる方向を示す説明図であり、（ｂ）図は各試験体の断面２次モーメントの計算値を示す表である。（ｃ）図は前記計算値をグラフで示したものである。 斜め方向に設けた突出部の角度の適正値を検討するため角度を変えた断面形状を示し、（ａ）図は０°、（ｂ）図は１５°、（ｃ）図は３０°、（ｄ）図は４５°、（ｅ）図は５０°、（ｆ）図は５５°、（ｇ）図は６０°のリムフランジの断面形状を示す。 図６（ａ）図は、図５に示した各図の断面２次モーメントの計算結果を表示したものであり、（ｂ）図は計算結果をグラフで示したものである。 図７（ａ）図は、各試験体の縦剛性を測定した結果を表示したものであり、（ｂ）図は試験要領を示す説明図である。 図８（ａ）図は、各試験体の横剛性の測定結果を表示したものであり、（ｂ）図は試験要領を示す説明図である。 図９（ａ）図は、タイヤ付リム剛性試験要領の説明図であり、（ｂ）図は測定結果を表示したものである。 リムフランジ部に滞留する水の排出難易度の説明図であり、（ａ）図は比較例３、（ｂ）図は比較例４、（ｃ）図は実施例１の場合を示す。 ホイールにかかる力の方向を示す説明図である。 （ａ）図はコーナリング時にホイールにかかる力の方向を示す説明図であり、（ｂ）図はコーナリングフォースと横滑り角（スリップ角）の関係を示す参考文献のグラフである。 （ａ）図はビードシートの半径方向内面につながる突出部の面を傾斜面で構成した場合の断面形状を示し、（ｂ）図は外周リムフランジを標準的な形状とし突出部のつながる面を曲面で構成した断面図である。 図１３（ａ）図及び（ｂ）図のリムフランジ断面形状を有するホイールについて、（ａ）図は縦剛性試験結果、（ｂ）図は横剛性試験の測定結果、（ｃ）図はタイヤ付きリム剛性試験結果を示す測定結果を表にまとめたものである。 （ａ）図は、図１３（ａ）図に示すリムフランジ形状について断面２次モーメントを計算するために置き換えた図であり、（ｂ）図は図１３（ｂ）図を同じく置き換えた図である。 図１５（ａ）図及び（ｂ）図の断面形状に対する各断面２次モーメント計算値及び実施例１の断面２次モーメント計算値を対比して表にまとめたものである。 本発明に於ける断面２次モーメントの計算要領を示す説明図である。

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
なお、以下に述べる軽合金製ホイールはアルミニウム軽合金を用いているが、鋳造ビレットを鍛造により一体成型したホイールであり、リム部はスピニング加工により形成されている。リムフランジを強化する形状については鍛造ホイールに限定されることなく、鋳造製ホイールのリムフランジにも適用できる。但し寸法等は別途定められる。下記の実施例で剛性比など比較対象となるホイールは、鍛造による一体型軽合金製ホイールであり、前記ＪＡＴＭＡ、或いはＥＴＲＴＯ規格に適合した常用軽合金製ホイールを一例として比較対象に採択している。

（実施例１）
図1はインナーリムフランジの標準的な形状とリムフランジの剛性を高めるための形状を示している。（ａ）図は一般に使用されるリムフランジ形状を断面図で示す。１はウエル部で円筒状であり、２はハンプ部でタイヤ装着時の位置を定めリム外れを防止する凸部であり、３はビードシート部でタイヤのビード部を定着させる部分である。４はリムフランジでほぼ同じ厚みで形成した形状を示す。同（ｂ）図はリムフランジ４の縦方向の剛性を高めるためにビードシート部３ａは前記ビードシート部３より厚めにしたものである。同（ｃ）図はリムフランジ４の半径方向内方へ突出部５を形成して内周リムフランジを形成しリムフランジの縦方向の剛性を高めている。この場合の前記リムフランジ４を本発明では外周フランジとして区別している。同（ｄ）図はリムフランジ４の半径方向内方へ突出部６を形成すると共に屈曲部６ａを形成することで内周リムフランジを形成し、縦方向及び横方向の剛性を高めている。この場合もリムフランジ４は外周フランジとして区別される。（ｅ）図は本発明のリムフランジの断面図であり、リムフランジ４（外周リムフランジ）の内方斜め方向に突出部７を形成した内周リムフランジを備えている。上記（ｃ）図及び（ｄ）図は先行技術に準じた形状である。

前出の図１（ａ）〜（ｅ）図に示すリムフランジ形状についてコーナリングフォースに対応した剛性を精査するために、各形状の特徴を基本形状に分解し断面２次モーメントを計算した。断面２次モーメントを計算するにあたり、前記図１（ｅ）に示した本発明のリムフランジ断面形状を図２（ｂ）図に示す断面形状に置き換えて、（ａ）図に示すようにビードシート３の面に平行なＸ−Ｘ軸を設定し、該軸のまわりに断面２次モーメントを計算した。

断面２次モーメントの計算についてその要領を図１７で説明する。先に設定したｘ−ｘ軸廻りの断面２次モーメントは、断面形状の一例として長方形の場合を説明すると微少面積ｂ×ｄｙと該微少面積のｘ軸からの距離ｙの２乗を乗じて、前記断面の縦方向ｈについて積分した値である。しかしながらインナーフランジの断面形状は異型断面であるため手計算では困難であり計算ソフトを利用して行っている。

図３は、前記図１（ａ）〜（ｅ）図の比較例１〜４及び実施例１のそれぞれを上記要領で置き換えた断面形状を示している。比較例１を除いて基本形状の優位性を比較するために断面積を等しく設定している。

図４に上記断面２次モーメントの計算結果を示す。（ａ）図は力のかかる方向を説明しており、（ｂ）図は計算結果を表にまとめたものである。また（ｃ）図は前記計算結果をグラフで示したものである。力のかかる方向が６０°〜３０°の範囲で実施例１が優位にありコーナリングフォースに抗力を示すことを証明している。

（実施例２）
前記突出部７はホイール回転軸に平行な基準線に対して４５°が最も好ましい結果となっているが、異なる角度の断面２次モーメントを検討した。図５（ａ）図は突出部７ａが０°の場合を示し、（ｂ）図は１５°、（ｃ）図は３０°、（ｄ）図は４５°（実施例１）、（ｅ）図は５０°、（ｆ）図は５５°、（ｇ）図は６０°の場合を示す。力のかかる方向を０°〜９０°の範囲に設定し、各形状の断面２次モーメントの計算値を図６（ａ）に表で示し、図６（ｂ）図にその結果をグラフで示す。力のかかる方向が７５°〜１５°の範囲で４５°（実施例１）が最も優位な結果を示している。但し優位性は僅かでありホイールのデザインを考慮して４５°に限定することなく３０°〜６０°の範囲の角度に設定された突出部も好ましく利用できる。

（実施例３）
通常の試験としてリム縦剛性を検討した。ホイールの口径は１７インチでリム幅は７インチである。試験要領の概略を図７（ｂ）図に示し、測定結果を（ａ）図に表で示す。リム最小板厚はウエル部の厚さであり各試験体の重量を等しくするために調整している。また、横剛性の結果を図８に表で示す。試験要領は（ｂ）図に示す。一般に使用されているホイール（比較例１）を１００として各試験体の変位量の比を剛性比として示しているが実施例１の形状が他の試験体に比較して剛性比が高くなっている。

（実施例４）
コーナリング時にタイヤが極端に撓むのでその影響を検証するために縦剛性と横剛性を含めて総合的な剛性を解析した。タイヤ付リム剛性試験と呼称される試験であり、ホイールにタイヤを装着し３軸方向（半径方向、横方向、経線方向）に負荷をかけた場合の撓み量を測定する。半径方向荷重（荷重反力）Ｆｒ：５０００Ｎ、横方向荷重（コーナリングフォース）Ｆｌ：５０００Ｎ、経線方向荷重（コーナリング抵抗）Ｆｃ：７００Ｎとした。タイヤの横滑り角（スリップ角）は８°を想定している。図９（ａ）図に荷重のかかる方向を示し、試験結果を（ｂ）図に表で示す。剛性比は本発明の実施例１が最も高い剛性比を示している。

（実施例５）
リムフランジの内周フランジに突出部を形成した場合、ビードシート部の裏面側には凹部が形成されホイールが停止している時には水が滞留する。図１０（ａ）図は比較例３、（ｂ）図は比較例４、（ｃ）図は実施例１（本発明）の場合を示している。ホイールが回転する場合即ち走行中にはコーナリングまたは振動により、滞留する水には遠心力が作用しホイールの外部に放出される。排出角度は実施例１が最も小さく排出されやすいことが理解される。実施例１の突出部の角度は４５°であるがビードシート部の半径方向内面側には曲面を形成する場合があるので滞留する水の排出角度は２６．８°になるが、実施例１とほぼ同じ剛性を有する突出部の角度４５°〜３０°の範囲も利用できるので水の排出角度は更に小さく設定できる。

（実施例６）
図１３（ａ）図は前記実施例１の応用例を示すリムフランジ１１で外周リムフランジを形成した断面形状を示す。１０はビードシート部であり、１２は突出部であり内周リムフランジを形成している。突出部１２の半径中心方向の面は傾斜面１３で構成されビードシートの内面側につながっている。傾斜面１３はホイールのウエイトバランサーの装着面として利用される。ホイールの外部にバランサーが露出しないので損傷の恐れもなく意匠性の向上に寄与するものである。図１３（ｂ）図は実施例１に比較してより標準的な形状のリムフランジ１５で屈曲した部分を含まず肉厚を僅かに厚くして外周リムフランジを形成している。１４はビードシート部であり、１６は突出部で半径方向内方斜め方向に突出して内周リムフランジを形成している。図１４（ａ）図にリム縦剛性の測定値を表で示す。測定要領は図７（ｂ）に示したものと同じである。図１４（ｂ）図にリム横剛性の測定値を示す。測定要領は図８（ｂ）図に示したものと同じである。図１４（ｃ）図にタイヤ付リム剛性の測定値を示す。測定要領は図９（ａ）図に示したものと同じである。これらの測定値の結果を比較すると図１３（ｂ）図に示した標準的なリムフランジ形状を外周リムフランジとし突出部を半径方向内方へ傾斜した突出部を設けた形状もほぼ同じ剛性を示している。

（実施例７）
前出の図１３（ａ）及び（ｂ）図に示した各リムフランジ形状の断面２次モーメントを計算するにあたり、置き換えた図を図１５（ａ）及び（ｂ）に示す。計算結果を図１６に表で示す。それぞれの計算値を比較すると実施例１に優位性が認められるが力のかかる方向が６０°〜３０°の範囲では拮抗した値を示している。

強化されたリムフランジの形状は、軽合金製ホイール製造過程で突出部を作成する部分に原材料を配置し、旋盤加工及びフライス加工など機械加工のみで所定の形状に作成することが出来るので、鍛造製に限らず鋳造製のホイールにも適用できる。既に上市されている常用の軽合金製ホイールについて僅かな機械加工を加えることで剛性を向上させたリムフランジを形成し、これによりリム部の肉厚を軽減し、ホイール重量を増すことなく寧ろ軽減した剛性の高いホイールを得ることが出来る。

１・・・リムウエル部
２・・・ハンプ部
３・・・ビードシート
４・・・リムフランジ（外周リムフランジ）
５、６、７、１２、１６・・・突出部（内周リムフランジ）

Claims (4)

1. 軽合金製ホイールのリムフランジにおいて、半径方向外方に延びる外周リムフランジと内方に延びる内周リムフランジを備え、前記内周リムフランジをリムフランジ中心から外側へ斜め方向に延びる突出部で構成したことを特徴とするリムフランジ。
2. 前記斜め内方方向に延びる突出部の角度が、車軸と平行な軸に対して３０°〜６０°の範囲である請求項１に記載のリムフランジ。
3. 前記斜め内方方向に延びる突出部の片側面とビードシートの半径方向内側面につながる面の断面形状が傾斜面又は曲面で構成された請求項１又は２に記載のリムフランジ。
4. 軽合金製ホイールが車両用であって、走行時のコーナリングフォースに抗力を示す請求項１〜３のいずれか１項に記載のリムフランジ。

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