JP2012218453A - 自動車用ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】リムビードシートの振れ精度に優れる自動車用ホイールおよびその製造方法の提供
【解決手段】ウェル３、アウター側ビードシート部４およびインナー側ビードシート部５を有するリム２と、複数の切欠部８を備えるフランジ７、ハブ穴９およびボルト穴１０を有するディスク６とを備え、ウェル３とフランジ７とを切欠部８の位置で溶接した自動車用ホイール。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車用ホイールに関する。

図１に示すように、自動車用ホイール１は、リム２とディスク６とで構成される。リム２は、ウェル３、アウター側ビードシート部４、インナー側ビードシート部５（以下、これらのビードシート部を合わせて、単に「ビードシート部」ともいう。）などで構成されている。そして、リム２は、例えば、鋼製素管を作製し、得られた素管の端を拡径した後、ロール成形および外径を整えるサイジングを経て、ほぼ真円のリム形状となすことにより製造される。一方、ディスク６は、フランジ７、切欠部８、ハブ穴９、ボルト穴１０などで構成されている。切欠部８は、フランジ７端部の部分的に窪んだ部分である。切欠部８は、ホイールの軽量化、コスト低減などの目的で形成されるものである。

ディスク６は、例えば、図２（ａ）に示すように、鋼製板材１１を図中破線位置で打ち抜いて、図２（ｂ）に示す所定形状のブランク１２を作製した後、このブランク１２をプレス成形によってディスク形状とすることにより製造される。ディスク６には、図２（ｃ）に示す形状の切欠部８が形成される。なお、実際のディスクには、リブ穴、ボルト穴などの空孔部も存在しているが、図２ではこれらの図示を省略している。

そして、リム２にはディスク６が圧入され、その状態でウェル３とフランジ７とを溶接することにより自動車用ホイールが製造される。溶接は、図５（ａ）に示すように、通常、フランジ７の切欠部８がない部分において、周方向４か所に行われる。

自動車の安定走行を確保するためには、アウター側ビードシート部４およびインナー側ビードシート部５には優れた振れ精度が要求される。従来、振れ精度を改善するための技術がいくつか開示されている。

特許文献１には、リムとディスクとの圧入・溶接時に歪みがリムに発生して振れ精度を低下させるという問題を解決するため、リムとディスクとの溶接後に塑性変形によるリムの真円化をする方法が記載されている。

特許文献２には、特殊形状のディスク、フランジ補強リングなど用いてリムのビードシート部の剛性を高めて圧入・溶接時の変形を抑止して、振れ精度の向上を図る発明が記載されている。

特許文献３および４には、溶接長さを短くし、溶接個所を増やすことにより振れ精度の向上を図る発明が記載されている。

特開２００４−１９６１３３号公報 特開２０００−２１９００１号公報 特開２００２−２２５５０１号公報 特開昭６２−２５５２０１号公報

リムとディスクとの溶接後に塑性加工を要する特許文献１の発明では製造工程が増加し、製造コストの上昇を招く。また、特殊形状への加工および別部材の取り付けを要する特許文献２の発明では製造工程が増加するとともに原材料が増加するため、いずれも製造コストの上昇を招く。また、ホイールの質量増加につながる。また、引用文献３および４に記載の発明では、圧入時に生じる振れについては全く考慮されていない。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、リムのビードシート部（アウター側ビードシート部およびインナー側ビードシート部）の振れ精度に優れる自動車用ホイールを提供することを目的としている。

本発明者らは、リムのビードシート部（アウター側ビードシート部４およびインナー側ビードシート部５）の振れ精度に悪影響を及ぼすものとして、ディスクの切欠部に着目して研究を行った。そして、アウター側ビードシート部４およびインナー側ビードシート部５の振れ精度が低下する原因が、二つの製造工程にあることを知見した。本発明者らの知見は、下記の（Ａ）および（Ｂ）である。

（Ａ）ウェル３は、ディスク６が圧入されると、フランジ７に切欠部８がない位置では拡径するが、フランジ７に切欠部８がある位置では縮径する。このため、リム２は、切欠部８がある位置では凹み、切欠部８ない位置では膨らむことになる。

（Ｂ）ウェル３とフランジ７とを溶接すると、冷却時に溶接個所では圧縮応力、その周りでは引張応力を伴い、溶接部では拡径し、それ以外の箇所では縮径する。このため、切欠部８のない位置で溶接をする従来技術では、切欠部８がある位置でのウェル３の凹みを助長し、切欠部８がない位置でのウェル３の膨らみを助長する。

本発明者らは、上記（Ａ）および（Ｂ）の知見に基づき、検討を重ねた結果、従来技術のように、ウェルとフランジとを切欠部８のない位置で溶接をするのではなく、切欠部８の位置で溶接した場合にリムのビードシート部の振れ精度が顕著に向上することを見出し、本発明を完成させた。

本発明は、下記の（１）〜（４）に示す自動車用ホイールおよび下記の（５）および（６）に示す自動車用ホイールの製造方法を要旨としている。

（１）ウェル、アウター側ビードシート部およびインナー側ビードシート部を有するリムと、複数の切欠部を備えるフランジ、ハブ穴およびボルト穴を有するディスクとを備える自動車用ホイールであって、前記ウェルと前記フランジとを前記切欠部の位置で溶接した自動車用ホイール。

（２）前記切欠部の切欠き深さが最も大きい箇所を含む位置で溶接した上記（１）の自動車用ホイール。

（３）前記切欠部の底部が、前記フランジ端部と同心円上で切欠いた形状を有する上記（１）または（２）の自動車用ホイール。

（４）リムおよびディスクが鋼板製である上記（１）〜（３）のいずれかの自動車用ホイール。

（５）ウェル、アウター側ビードシート部およびインナー側ビードシート部を有するリムと、複数の切欠部を備えるフランジ、ハブ穴およびボルト穴を有するディスクとを備える自動車用ホイールを製造する方法であって、前記ウェルに前記フランジを圧入する工程と、前記ウェルと前記フランジとを前記切欠部の位置で溶接する工程とを有し、圧入時の歪み量に基づいて電流値、電圧値、溶接速度および溶接時間を決定し、その条件で溶接を行う自動車用ホイールの製造方法。

（６）打ち抜いて得たブランクをプレス成形によりディスクを製造するに際し、前記ブランクを、そのフランジ端部の切欠部に対応する部分が、前記フランジ端部の前記切欠き部以外の部分と同心円となるように打ち抜く上記（５）の自動車用ホイールの製造方法。

本発明の自動車用ホイールは、リムのビードシート部の振れ精度に優れる。本発明の自動車用ホイールの製造方法によれば、製造コストの上昇を招くことも、ホイールの質量を増加させることもなく、自動車用ホイールは、リムのビードシート部の振れ精度を向上させることができる。

自動車用ホイールの概略図 ディスクの製造方法および切欠部の例を示す図 （ａ）ブランキング工程を示す図 （ｂ）打ち抜かれたブランクを示す図 （ｃ）ディスク形状に加工した後の切欠部の形状を示す図 ディスクの製造方法および切欠部の他の例を示す図 （ａ）ブランキング工程を示す図 （ｂ）打ち抜かれたブランクを示す図 （ｃ）ディスク形状に加工した後の切欠部の形状を示す図 ディスクの製造方法および切欠部の他の例を示す図 （ａ）ブランキング工程を示す図 （ｂ）打ち抜かれたブランクを示す図 （ｃ）ディスク形状に加工した後の切欠部の形状を示す図 比較例４のホイールにおけるシミュレーション結果を示す図 （ａ）ホイールの外観および溶接個所 （ｂ）シミュレーション圧入後および溶接後のインナー側ビードシート部のリム外周の振れをプロットした図 本発明例４のホイールにおけるシミュレーション結果を示す図 （ａ）ホイールの外観および溶接個所 （ｂ）シミュレーション圧入後および溶接後のインナー側ビードシート部のリム外周の振れをプロットした図 （１）式および（２）式によって定められる範囲と、実施例の表２に示される実施例１〜４の結果とをプロットした図

本発明の自動車用ホイールの基本的な構成要素は、従来の自動車用ホイールと同様である。すなわち、本発明の自動車用ホイールは、例えば、図１に示すようなウェル３、アウター側ビードシート部４、インナー側ビードシート部５などで構成されるリム２と、フランジ７、切欠部８、ハブ穴９、ボルト穴１０などで構成されるディスク６とを有する。

リム２およびディスク６の製造方法には制約がなく、通常の製造方法を採用することができる。すなわち、リム２は、例えば、鋼製素管を作製し、得られた素管の端を拡径した後、ロール成形および外径を整えるサイジングを経て、ほぼ真円のリム形状となすことにより製造することができる。一方、ディスク６は、例えば、前掲の図２（ａ）に示すように、鋼製板材１１を図中破線位置で打ち抜いて、図２（ｂ）に示す所定形状のブランク１２を作製した後、このブランク１２をプレス成形によってディスク形状とすることにより製造することができる。ディスク６には、図２（ｃ）に示す形状の切欠部８が形成される。

そして、リム２にはディスク６が圧入され、その状態でウェル３とフランジ７とを溶接することにより自動車用ホイールが製造される。このとき、ウェル３とフランジ７とを切欠部８の位置で溶接することが重要である。これは、すでに述べたように、圧入時には切欠部に対応する位置は縮径し、それ以外の部分は拡径し、これがアウター側ビードシート部４およびインナー側ビードシート部５に振れを生じさせるが、切欠部の位置で溶接することにより、リム２の切欠部に対応する位置は拡径し、それ以外の部分は縮径するため、アウター側ビードシート部４およびインナー側ビードシート部５の振れ精度を顕著に向上させることが可能となる。この効果は、切欠部８の切欠き深さ（図２〜図４のｈ、以下、「切欠部深さ」ともいう。）が最も大きい箇所を含む位置で溶接した場合にさらに向上する。

溶接は、例えば、アーク溶接、レーザ溶接などの通常の溶接方法で行うことができる。溶接時のアウター側ビードシート部４およびインナー側ビードシート部５の変形量は溶接入熱量に依存する。このため、溶接入熱量を調整することにより、圧入時に生じた変形を相殺するのに適した溶接時の変形量を調整することが可能となる。すなわち、圧入時の歪み量に基づいて、それを相殺するのに適した溶接入熱量が得られるよう、電流値、電圧値、溶接速度および溶接時間を決定し、その条件で溶接を行うことが好ましい。

本発明は、ウェル３とフランジ７とを切欠部８の位置で溶接したものであるが、切欠部８以外の位置での溶接を除外するものではない。溶接を切欠部のみに行った場合には強度不足となる場合があるので、切欠部以外の部分に溶接してもよい。ただし、本発明の効果を得るためには、切欠部８における溶接入熱量がそれ以外の部分における溶接入熱量よりも大きくなるようにする必要がある。具体的には、切欠部８における溶接長さの合計を、それ以外の部分における溶接長さの合計よりも大きくする。振れのバランスをとる観点から、溶接箇所はディスクの周方向に４５°毎に溶接するのが望ましい。特に、切欠部以外の箇所における溶接入熱量を小さくする観点からは、切欠部に以外に複数個所配列した溶接部は短いほどよい。

本発明の自動車用ホイールに用いることができるディスクは、図２に示すものに限られない。例えば、図３（ａ）に示すように、鋼製板材１１を破線で示す二つの同心円で打ち抜いて、図３（ｂ）に示す所定形状のブランク１２を作製した後、このブランク１２をプレス成形によってディスク形状とすることにより製造することができる。この場合、ディスク６の切欠部は、図３（ｃ）に示すように、切欠部８の底部が、フランジ７端部と同心円上で切欠いた形状を有するものとなる。

同様に、図４（ａ）に示すように、鋼製板材１１を破線で示す二つの同心円で打ち抜いて、図４（ｂ）に示す所定形状のブランク１２を作製した後、このブランク１２をプレス成形によってディスク形状とすることにより製造することができる。この場合、ディスク６の切欠部は、図４（ｃ）に示すように、切欠部８の底部が、フランジ７端部と同心円上で切欠いた形状を有するものとなる。なお、図３および図４に示すディスクを作成する際には、一工程で打ち抜いてもよいし、一旦、図２（ａ）に示す形状に打ち抜いた後、切欠部を切り落としてもよい。

図３（ｃ）および図４（ｃ）に示す例では、いずれも切欠部８がリム２の周方向に対して直線的に形成されているので、円弧上のものよりも溶接を容易に行うことができる。

ここで、本発明者らは、さらに、ビードシート部の振れ精度を向上させるべく、様々なサイズ、切欠部形状を有するホイール（ただし、切欠部は周方向等間隔に４つ）についてシミュレーションを行った。その結果、ビードシート部の振れ精度は、（溶接長さ／ホイール径）および（切欠部深さ／ホイール径）に依存することが判明した。

すなわち、（溶接長さ／ホイール径）をｘ、（切欠部深さ／ホイール径）をｙとするとき、ｘおよびｙを下記の（１）式を満足する範囲に制限すれば、ビードシート部の振れ０．２ｍｍ以内に抑えることができる。特に、ｘおよびｙを下記の（２）式を満足する範囲に制限すれば、ビードシート部の振れ０．１ｍｍ以内とより低く抑えることができる。
０．８４ｘ^２−０．０２６≦ｙ≦０．８４ｘ^２＋０．０２６・・・（１）
０．８４ｘ^２−０．０１５≦ｙ≦０．８４ｘ^２＋０．０１５・・・（２）

ただし、上記（１）式または更に（２）式を満たす場合でも、溶接長さが短すぎると溶接強度を十分に保つことが困難となるため、溶接長さを３０ｍｍ以上とするのが好ましい。一方、溶接長さが大きすぎると、溶接時に生じる歪み量が大きくなり、圧入時の歪み量とのアンバランスが生じて、ビードシート部の振れを大きくすることがある。よって、溶接長さは、１１５ｍｍ以下とすることが好ましい。特に、ｘの下限は０．０７８とするのが好ましく、ｘの上限は０．３とするのが好ましい。

切欠部の深さは、小さすぎると、圧入時に生じる歪み量が小さくなり、溶接時の歪み量とのアンバランスが生じて、ビードシート部の振れを大きくすることがある。このため、切欠部の深さは２ｍｍ以上とするのが好ましい。一方、切欠部の深さが大きすぎると、切欠部がウェル部と接触せずクリアランスが発生し、切欠部で溶接することが困難になる。よって、切欠部の深さは１５ｍｍ以下とすることが好ましい。特に、ｙの上限は０．０３９とするのが好ましく、ｙの下限は０．００５とするのが好ましい。切欠部の幅は、溶接長さとの関係で、３０ｍｍ以上１１５ｍｍ以下とするのが好ましく、（切欠部の幅／ホイール径）では０．０９以上０．３以下とするのが好ましい。

本発明の効果を確認するため、３．７ｍｍ厚さの炭素鋼製の鋼板（引張強度４４０ＭＰａ相当 ＪＩＳ表記ＳＡＰＨ４４０）を打ち抜いて得たブランクから作製したディスクを、２．１ｍｍ厚さの炭素鋼製の素管（引張強度７８０ＭＰａ相当 ＪＩＳ表記ＳＰＦＨ７８０）にロール成形およびサイジングを実施して作製したリムに圧入し、所定箇所を溶接して、径１５インチ（３８１ｍｍ）、幅５．５インチ（１３９．７ｍｍ）のホイール（図５（ａ）または図６（ａ）に示すホイール）を作製するシミュレーションを行った。シミュレーションでは、ディスクの切欠部深さ、溶接個所および溶接長さの条件を種々変えた。また、ディスクは、図２に示す形状の切欠部（深さが５ｍｍのものと１０ｍｍのもの）を有するものとした。

圧入時の変形シミュレーションは、リムのアウター側のエッジを拘束し、ディスクを工具で押しつける条件での弾塑性解析によって実施した。また、溶接時の変形シミュレーションは、ホイールの溶接条件（電流１８０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接速度７８０ｍｍ／ｍｉｎ）に相当する熱量を溶接箇所に相当する部分（合計４か所）に入熱し、常温２５℃に冷却されるまでの熱・構造連成解析によって実施した。このシミュレーションにおいて、「振れ」とはリムのインナー側ビードシート部の外径の最大値と最小値との差である。

シミュレーション結果を表１および表２に示す。また、図５および図６は、それぞれ比較例４および本発明例４のホイールにおけるシミュレーション結果を示す図であり、いずれも（ａ）はホイールの外観および溶接個所を示し、（ｂ）は、シミュレーション圧入後および溶接後のインナー側ビードシート部のリム外周の振れをプロットした図を示している。なお、図５および図６において、正の値がリムの径が平均より大きく、負の値がリムの径が小さいことを示している。

表１および２に示すように、切欠部深さが５ｍｍの実施例１および２ならびに比較例１および２と、切欠部深さが１０ｍｍの実施例３および４ならびに比較例３および４とを比較すると、切欠部深さが大きいほど、圧入後の振れは大きくなる。表１の「振れの変化量Ｂ−Ａ （ｍｍ）」を見れば明らかなように、切欠部深さは、溶接時に発生する振れにはほとんど影響を及ぼさない。次に、溶接長さが４０ｍｍの比較例１および３と、溶接長さが８５ｍｍの比較例２および４とを比較すると、溶接長さが長くなると、溶接で発生する振れが大きくなる。そして、図５（ｂ）に示すように、比較例４のホイールでは、圧入後、リムは切欠部（０、９０、１８０、２７０°）で縮径しており、切欠部以外で拡径しているが、溶接による歪みが圧入時の振れをさらに助長する。

これに対して、切欠部で溶接する実施例１〜４においては、溶接時の歪みが圧入時の振れを打ち消すため、比較例１〜４に対して０．１０ｍｍ以上振れが改善していた。そして、図６（ｂ）に示すように、実施例４のホイールでは、圧入後、リムは切欠部（０、９０、１８０、２７０°）で縮径しており、切欠部以外で拡径している点は、図５に示す例と同様であるが、切欠部が拡径、切欠部以外が縮径するため、圧入と溶接で発生する振れが打ち消し合い、リム外周の振れ（凹凸）が小さくなることがわかる。

ディスクとして、図４に示す切欠部を有するもの（切欠部の底部が、フランジ端部と同心円上で切欠いた形状のもの）に変え、その他の条件は変更せず、上記と同様のホイールについてのシミュレーションを行った（実施例５）。なお、１箇所あたりの溶接長さは８５ｍｍ、切欠部の深さは１０ｍｍとした。その結果を表３に示す。表３には比較のため、実施例４および比較例４の結果も合わせて掲載した。

表３に示すように、切欠部の底部がフランジ端部と同心円上で切欠いた形状のディスクを用いた実施例５においても、通常の切欠部を有するディスクを用いた実施例４と同様の振れ改善効果が得られることが分かる。このように、本発明による振れ改善効果は切欠部の形状でほとんど変化しないことが分かる。ただし、切欠部の底部がフランジ端部と同心円上で切欠いた形状のディスクであれば、リムにディスクを圧入した後の切欠部の底部がリムの周方向に対して直線的に形成されるため、切欠部の溶接を容易に行えるというメリットがある。

図７は、上記（１）式および（２）式によって定められる範囲と、後段の実施例の表２に示される実施例１〜４の結果とをプロットした図である。図７中、実線（ｙ＝０．８４ｘ^２の曲線）は、振れがゼロになるｘとｙとの関係を示す曲線であるが、この曲線に近づくほど、振れが小さくなる。そして、図７に示すように、実施例１〜４のうち、（１）式の関係を満たす実施例３および４は、（１）式を満たさない実施例２よりも溶接後の振れが小さく（０．２ｍｍ以下）になり、（２）式の関係をも満たす実施例１は、実施例３よりもさらに溶接後の振れが小さく（０．１ｍｍ以下）なっている。

本発明の自動車用ホイールは、リムのビードシート部の振れ精度に優れる。本発明の自動車用ホイールの製造方法によれば、製造コストの上昇を招くことも、ホイールの質量を増加させることもなく、自動車用ホイールは、リムのビードシート部の振れ精度を向上させることができる。

１ 自動車用ホイール
２ リム
３ ウェル
４ アウター側ビードシート部
５ インナー側ビードシート部
６ ディスク
７ フランジ
８ 切欠部
９ ハブ穴
１０ ボルト穴
１１ 鋼製板材
１２ ブランク
ｈ 最大切欠部深さ

Claims (6)

1. ウェル、アウター側ビードシート部およびインナー側ビードシート部を有するリムと、
   複数の切欠部を備えるフランジ、ハブ穴およびボルト穴を有するディスクとを備える自動車用ホイールであって、
   前記ウェルと前記フランジとを前記切欠部の位置で溶接したことを特徴とする自動車用ホイール。
2. 前記切欠部の切欠き深さが最も大きい箇所を含む位置で溶接したことを特徴とする請求項１に記載の自動車用ホイール。
3. 前記切欠部の底部が、前記フランジ端部と同心円上で切欠いた形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の自動車用ホイール。
4. リムおよびディスクが鋼板製であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の自動車用ホイール。
5. ウェル、アウター側ビードシート部およびインナー側ビードシート部を有するリムと、
   複数の切欠部を備えるフランジ、ハブ穴およびボルト穴を有するディスクとを備える自動車用ホイールを製造する方法であって、
   前記ウェルに前記フランジを圧入する工程と、前記ウェルと前記フランジとを前記切欠部の位置で溶接する工程とを有し、
   圧入時の歪み量に基づいて電流値、電圧値、溶接速度および溶接時間を決定し、その条件で溶接を行うことを特徴とする自動車用ホイールの製造方法。
6. 打ち抜いて得たブランクをプレス成形によりディスクを製造するに際し、前記ブランクを、そのフランジ端部の切欠部に対応する部分が、前記フランジ端部の前記切欠部以外の部分と同心円となるように打ち抜くことを特徴とする請求項５に記載の自動車用ホイールの製造方法。