JP2014040239A - 車両用ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】溶湯へのガスの巻き込みが少ない形状を持つ車両用ホイールを提供する。
【解決手段】スポーク部が形成されたディスク部、及び、リム部有する車両用ホイールであって、前記スポーク部は裏側に中リブ２１が設けられ、前記中リブ２１の位置での軸断面を見た場合、中リブ２１の裏側の輪郭４１は内径側よりも外径側の方がインナー側に近づくように傾斜していることを特徴とする。特に、ディスク部を形成するキャビティとリム部を形成するキャビティにゲートを設けた金型で鋳造された車両用ホイールにこの形状を適用することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、軽合金製の車両用ホイールに関し、特にディスク部を形成するキャビティとリム部を形成するキャビティに溶湯の注湯口を設けた金型を用いて軽合金材料により鋳造された車両用ホイールに関する。

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、アルミホイールに代表される軽合金製ホイールを装着する比率が増大している。この軽合金製ホイールは、通常低圧鋳造法で製造されることが多い。即ち、低圧鋳造法では、溶湯が金型キャビティ内に低速で充填されるので、ガスの巻込み及び酸化物の発生が他の鋳造法に比べて極力抑制される。

一般に軽合金製ホイール３０は、図１に示すようにボルトとナットにより車軸に取付けられる厚肉のハブ固定部２５、スポーク部、および窓部２７を有するディスク部と、タイヤが取着される薄肉のリム部から構成されている。図３において、上方はインナー側、下方がディスク面のアウター側であり、筒状のリム部２４とディスク部は、クロス部２６で交差している。車両の燃費向上の点から、ホイールの形状変更による軽量化が検討されている。この場合、ハブ固定部及びリム部は車体やタイヤとの取回しの点から大幅な形状変更はできないので、デザイン部の形状変更（例えば意匠穴の面積を大きくすることあるいはスポーク部を薄肉化すること）による軽量化が行われているが、大幅な軽量化は極めて困難である。

上記ホイールを低圧鋳造で製造する場合、ハブ固定部２５にゲートを設け、そこから溶湯を注入し、デザイン部からリム部２４に向けて溶湯を注入する方法（センターゲート方案）がある。また、リム部２４に複数（通常は２個）のゲートを設け、そこから溶湯を注入する方法（サイドゲート方案）も採用されている。
センターゲート方案では、溶湯充填後の凝固形態として、ゲートの押し湯効果を十分に発揮させるために、リム部、デザイン部、ハブ固定部の順に指向性凝固を行わせている。しかしこの鋳造方法では、デザイン部は厚肉部と薄肉部が混在した複雑形状を有するので、リム部からディスク部に向かう指向性凝固を達成することが困難である。
一方、サイドゲート方案では、デザイン部自体が、凝固し易いハブ固定部への溶湯補給通路として機能するので、デザイン部での良好な湯流れを確保するために、デザイン部は厚肉となり、この鋳造方法でもホイール全体の大幅な軽量化は困難である。

上述した各方案の欠点を解消すべく、特許文献１から特許文献３に記載されるように、ディスク中心部（ハブ固定部）とリム部にそれぞれ溶湯を注湯するためのゲートを設け、これらのゲートから金型内に注湯する方案（マルチゲート方案）が提案されている。この鋳造方法によれば、デザイン部の厚さを薄くしてもリム部からディスク部に向かう指向性凝固を達成できるので、ホイールの大幅な軽量化が可能となる。

特開平５−２６９５６３号 特開平６−２６９９２３号 特許第３５７３３３８号公報

しかし、このマルチゲート方案を用いると、特許文献３に記載されるようにディスク中心部（ハブ固定部）に設けたゲートから注湯された溶湯と、リム部に設けたゲートから注湯された溶湯がディスク面のどこかで合流する。つまりこのマルチゲート方案は、最も意匠性が重視されるディスク面で湯境が発生しやすく、外観不良を持つ車両用ホイールとなりやすいという問題がある。
特許文献３ではこの問題を解決するために、リム部に設けたゲート（以後、サイドゲート）をディスク中心部（ハブ固定部）に設けたゲート（以後、センターゲート）よりも高い位置に設け、各ゲートから溶湯が注湯されるタイミングを変えている。各ゲートを上記のように配置することで、センターゲートから注湯された溶湯がディスク部を満たした後、サイドゲートから注湯された溶湯が注ぎ込まれる。このため、湯境がディスク面で発生しずらくなる。
しかしながら、さらに検討を進めた結果、センターゲートとサイドゲートの高さに差をつけた方案は、サイドゲートから流れ込む溶湯がガスを巻き込みながらディスク面に満たされた溶湯と合流するため、センターゲート方案やサイドゲート方案よりもガスが巻き込みやすく、鋳造不良が発生しやすいという問題が出てきた。

本発明では、上記の問題を解決し、溶湯へのガスの巻き込みが少ない形状の車両用ホイールを提供することを課題とする。

本発明の車両用ホイールは、スポーク部が形成されたディスク部、及び、リム部有する車両用ホイール３０であって、前記スポーク部は裏側に中リブ２１が設けられ、前記中リブ２１の位置での軸断面を見た場合、中リブ２１の裏側の輪郭４１は内径側よりも外径側の方がインナー側に近づくように軸の直角方向に対して傾斜していることを特徴とする。

同様に、本発明の車両用ホイールは、スポーク部が形成されたディスク部、及び、リム部有する車両用ホイール３０であって、前記スポーク部は裏側に中リブ２１が設けられ、前記中リブ２１は外径側の高さが内径側の高さよりも高くなるように形成されていることを特徴とする。

これらの車両用ホイールは、ディスク部を形成するキャビティとリム部を形成するキャビティにゲートを設けた金型で鋳造されたものに適用することが好ましい。また、鋳造方法として、リム部のゲートがディスク部のゲートよりも上方の位置に形成された金型を用いたものが好ましい。

本発明の車両用ホイールは、中リブを前記のように形成したため、センターゲートから溶湯を注湯してもガスが停留する部分が少なく、また、スポーク部内で巻き込まれたガスがリム部方向へ逃げやすくなり、鋳造不良の発生を低減することができる。特に、リム部とディスク部にサイドゲートとセンターゲートを有するマルチゲート方案、さらにはマルチゲート方案でセンターゲートよりもサイドゲートを高い位置に設けた金型を用いた場合であってもデザイン面が健全で、高強度でかつ軽量化した車両用ホイールを得ることができる。

本発明の車両用ホイールの主要部を示す図である。 本発明の車両用ホイールの中リブに沿った断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。 従来の車両用ホイールの中リブに沿った断面図である。 本発明で用いた鋳造装置の要部を示す断面図である。

図３に示すように、従来の中リブ２１は外リブと同じ高さで形成されていた。中リブ２１はリム部２４側からハブ固定部２５側に至るまでほぼ一律の高さである。中リブの高さが外リブの高さと異なるものもあるが、中リブの高さが内径側と外径側とで差を設けた形状は検討されていない。
ディスク面を下側にしてセンターゲートから溶湯を注湯する方案では、注湯直後は、溶湯はキャビティの下側（ディスク面の表面側）のみを流れる。そのため鋳抜き部２３には溶湯が充満されるものの、中リブ２１の上側（インナー側）のキャビティは溶湯が流れずに単なる隙間となっている。この隙間は、溶湯がディスク面に溜まっていくにつれ徐々に充填されるが、中リブ２１は内径側よりも中央の方が天井部分が低いため、中央部で溶湯が先に満たされ、中リブ２１の内径側に溜まったガスはリム部２４側への逃げ道を塞がれてしまう。
本発明では、中リブ２１の内径側と外径側の高さを変え、内径側から外径側に向けて高くなるように斜めに設けたことで、従来問題となっていた鋳造欠陥の発生を抑えながら量産を行うことができたものである。

具体的な形状は、上記に示すように、１．中リブ２１の外径側の高さを内径側の高さよりも高くなるように傾けて形成する、２．中リブの位置での軸断面を見た場合、スポーク部の表側４１での輪郭よりも裏側４２での輪郭の方が外径側をインナー側に向けて傾斜するように形成したものである。

また、マルチゲートの低圧鋳造方案を用いることでデザイン部の薄肉化やその組織の微細化の効果が得られる。溶湯を注湯するためのセンターゲートは、サイドゲートのキャビティ開口部下端部よりも低い位置にあるので、センターゲートから注入された溶湯とサイドゲートから注入された溶湯はデザイン面で合流せず、もって健全なデザイン面が得られる。当然ながら前記のように湯境が最も目立つのはデザイン面であるため、サイドゲートの位置はリム端やデザイン面よりも高くすることが好ましい。デザイン面とは図２でいえばデザイン部の下側にあたるホイールの表面位置である。さらにはスポーク部全体よりもサイドゲートが高いことが好ましい。
但し、このようにサイドゲートを高くすると、溶湯はリム側から流れる溶湯がディスク面に向かって落下してくるように注湯される。ディスク面に溜まった溶湯に流れ込む際に、ガスを巻き込みながら合流するため、スポーク部の端部やリム部とスポーク部との境目であるクロス部などでガスの巻き込みが発生しやすい。そのため、マルチゲート方案はセンターゲート方案よりも鋳造欠陥が発生しやすい。
本発明では中リブを前記のような形状にしたため、スポーク部の断面積は内径側に向かうに従って小さくなり、サイドゲート側からディスク面に流れ込む溶湯がスポーク部の内径側に入り込みずらい形状である。このため、スポーク部でのガスの巻き込みを少なくできる。また、たとえスポーク部にガスが入り込んでも、ガスをリム側に出しやすい形状であり、鋳造欠陥の発生を抑制することができる。

サイドゲートをクロス部よりも上側に設けることで、構造上サイドゲートが折り取りやすくなる。折り取る際に応力が車両用ホイールに与える影響が小さくなるので高真円度のアルミホイールを鋳造することが可能である。クロス部とはリム部とディスク部とが交差している部分を指す。サイドゲートが、リム部の壁とクロス部の横壁の２辺でＬ字型に形成されていると、サイドゲートを座屈させて除去するには構造力学的に大きな力が必要となり、ホイールに多大な曲げ応力、せん断力がかかる。このホイールに熱処理を施すと、前記曲げ応力等の影響でホイールの真円度が悪化する可能性がある。よって、リム部の縦壁のみにサイドゲートを形成することが好ましい。
また、溶湯がサイドゲートからクロス部の横壁を抜けて直接ディスク部方向に流れず、ディスク面に満たされた溶湯へガスを巻き込むような溶湯の合流が無くなる。

本発明においてはＪＩＳに定めるＡＣ４Ｃ，またはＡＣ４ＣＨ材相当のアルミ合金材料を用いて鋳造を行っている。例えばＣｕ０．２０質量％以下、Ｓｉ６．５〜７．５質量％以下、Ｍｇ０．２５〜０．４５質量％以下、Ｚｎ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｃｒは不純物であり総量は０．８質量％以下、残部Ａｌとなる組成のアルミ合金材料を用いることが好ましい。

以下、本発明の詳細を図面により説明する。
図４は本発明を実施するための鋳造装置の要部を示す断面図である。
図４において、１は金型であり、ホイールデザインに対応した種々の表面形状を有する下型２と、その上方に位置する上型３と、下型２及び上型３と嵌合してキャビティ６を形成するように左右に摺動可能な横型４、５とを備えている。下型２は、下型プラテン７に固定された下型ベース８上に設置されている。上型３は、上型ベース９にボルト１０で固定されている。キャビティ６は、ディスク部キャビティ６０とリム部キャビティ６１からからなり、ディスク部キャビティ６０はハブ固定部キャビティ６２とデザイン部キャビティ６３からなり、リム部キャビティ６１はクロス部キャビティ６４と中央部キャビティ６５からなる。ハブ固定部キャビティ６２にはセンターゲート１１ａが、クロス部キャビティ６４、６４には各々サイドゲート１１ｂ及び１１ｃが形成され、各ゲートは、湯道１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを介してストーク１３ａ、１３ｂ及び１３ｃに連通している。ゲート１１ｂ及び１１ｃは、センターゲート１１ａの両側に対称位置、すなわち各ゲートの中心が同一直線上に位置するように配置されている。これらのストークの下端部は、溶湯が収容された密閉容器（図示せず）に挿入されている。下型２には、デザイン部キャビティ６３に対応する位置に下型冷却通路１４が設けられている。１５は型割れ面である。

上記構成による動作を説明する。まず密閉容器内の溶湯を加圧することにより、溶湯はストーク１３ａ、１３ｂ及び１３ｃから湯道１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを経て、ゲート１１ａ、１１ｂ及び１１ｃからキャビティ６内に充填される。
ここでセンターゲート１１ａと、サイドゲート１１ｂ、１１ｃとの間には高低差があるので、センターゲート１１ａを通過する溶湯はデザイン部キャビティ６３を充填し、サイドゲート１１ｂ、１１ｃを通過する溶湯はリム部キャビティ６１を充填する。即ち溶湯はリム部キャビティ６１で合流する。所定時間経過後、加圧を解除すると、各ストーク内の溶湯は密閉容器内に戻り、キャビティ６内の溶湯が凝固して、車両用ホイールが得られる。

上記の鋳造工程における溶湯の凝固過程を詳述すると、次の通りである。サイドゲート１１ｂ、１１ｃからキャビティ６内に注入された溶湯は、リム部キャビティ６５の上端からその下端に向って凝固が進行する。一方、センターゲート１１ａからディスク部キャビティ６０に注入された溶湯は、デザイン部キャビティ６３からハブ固定部キャビティ６２に向って凝固が進行する。従ってデザイン部キャビティ６３に湯流れ機能や溶湯補給機能を持たせるまでもなく、鋳造方案上ホイールデザイン部の薄肉化が可能となる。またデザイン部から凝固が始まるので、デザイン部の組織が微細となり、高強度を維持できる。
しかも本発明では、サイドゲートは、リム端を避けた位置に設けられているので、フロントフランジあるいはリムの中央といった高強度を要する部位の組織が微細になり、強度上からみてもデザイン部の薄肉化が可能となる。

本発明の車両用ホイールの主要部を図１に示す。図１は、ディスク部の裏側から観察したスポーク部を示したものである。本発明の車両用ホイールは、図４に示す鋳造装置を使用し、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ ＡＣ４ＣＨ）の溶湯（約４５０℃）を金型（約４８０℃に加熱）に注入して（圧力０．５〜０．７ｋｇ／ｃｍ^２）一体的に鋳造した。図１中、中央のリム部とハブ固定部２５を繋ぐ鋳造部分がスポーク部である。スポーク部の裏側は、窓部２７側に外リブ２３が形成されている。また、中央部は鋳抜き部２３が形成され、その中央には径方向に中リブ２１が形成されている。中リブ２１は、図２に示すようにリム部側から中央側のハブ固定部に向かうにつれ高さが徐々に低くなるように形成されている。また、中リブは中央側のハブ固定部２５に到達する前に高さが無くなり、鋳抜き部２３が略Ｕ字状に形成されている。中リブ２１の裏側の輪郭４１はりム部側に向かうに連れインナー側に向かうように、回転軸垂直方向に対して斜めに形成されている。
比較として、従来の中リブの形状を示したものを図３に示す。従来の中リブ２１は、リム部側から中央側のハブ固定部に至るまで一律ほぼ同じ高さで形成されている。図３では、中リブ２１の高さは外リブの高さと同じである。また、内径側に向かうに連れ、インナー側に近づくように形成されている。
この各々を形成する金型を用いて、上記に示す図４の鋳造金型を用い、低圧鋳造により鋳造を行った。量産における鋳造欠陥の発生率は、図３の形状で鋳造を行った場合は約５％であるのに対し、図２の形状で鋳造を行った場合は２．３％とすることができた。この鋳造不良によって、スポーク部の表面側に外観上しわのように見える鋳造不良が発生する。手直しによる修正が必要となるため、本発明の車両用ホイールは歩留まり低下によるコスト削減が可能であり有用である。

１ 金型
２ 下型
３ 上型
４，５ 横型
６ キャビティ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ゲート
２１ 中リブ
２２ 外リブ
２３ 鋳抜き部
２４ リム部
２５ ハブ固定部
２６ クロス部
２７ 窓部
３０ 車両用ホイール
４１ 中リブの裏側の輪郭

Claims (4)

1. スポーク部が形成されたディスク部、及び、リム部を有する軽合金材料により鋳造された車両用ホイール（３０）であって、
   前記スポーク部は裏側に中リブ（２１）が設けられ、前記中リブ（２１）の位置での軸断面を見た場合、中リブ（２１）の裏側の輪郭（４１）は内径側よりも外径側の方がインナー側に近づくように傾斜していることを特徴とする車両用ホイール。
2. スポーク部が形成されたディスク部、及び、リム部を有する軽合金材料により鋳造された車両用ホイール（３０）であって、
   前記スポーク部は裏側に中リブ（２１）が設けられ、前記中リブ（２１）は外径側の高さが内径側の高さよりも高くなるように形成されていることを特徴とする車両用ホイール。
3. 前記車両用ホイールは、ディスク部を形成するキャビティとリム部を形成するキャビティにゲートを設けた金型で鋳造されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用ホイール。
4. 前記金型は、リム部のゲートがディスク部のゲートよりも上方の位置に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の車両用ホイール。