JP2016049844A - アルミニウム合金製ロードホイール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、従来技術に対し、剛性がより改善されたアルミホイールを提供することを目的としている。【解決手段】ハブ部および前記ハブ部の外周面から放射状に形成されたデザイン部を備えたディスク部と、前記ディスク部が一方端に内設された略円環形状のリム本体部と前記リム本体部の一方端に配置された第１のフランジ部と他方端に配置された第２のフランジ部とを備えたリム部とを有するアルミニウム合金製ロードホイールであって、Ｓｉを１０．０〜１１．８質量％、Ｍｇを０．２〜０．４５質量％、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、ＺｎおよびＴｉのいずれかを一種以上、残部Ａｌならびに不可避不純物を含み、剛性が６５０〜１７５０（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）であるアルミニウム合金製ロードホイール、である。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金製ロードホイールに係る発明である。

アルミニウム合金製ロードホイール（以下、アルミホイールと言う場合がある。）は、そのリム部にタイヤが取り付けられた、車軸に装着され、使用に供される。このアルミホイールには、走行安定性や乗り心地の快適性のため使用時の定常的な変形量が所定の大きさ以下となるに足る剛性が求められている。

アルミホイールの剛性の改善に関する発明の一例が、例えば下記特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された発明は、「アルミ合金にて一体鋳造されたハブ固定部、スポーク、リム部を有する車両用ホイールであって、１０本のＹ字形状のスポークを有し、ホイール呼び径（インチ）Ｄに対して重量ＷがＷ（ｋｇ）≦０．４７（ｋｇ）×Ｄである」、アルミホイールである。かかるアルミホイールによれば、「１３°衝撃試験、回転曲げ試験、半径方向負荷耐久試験など複数の試験も満足し、かつホイールの固有値や剛性値までも考慮して軽量化を行う」、ことができると記載されている。

特開２００６−２３２２１９号公報

本発明は、従来技術に対し、剛性がより改善されたアルミホイールを提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の一態様は、ハブ部および前記ハブ部の外周面から放射状に形成されたデザイン部を備えたディスク部と、前記ディスク部が一方端に内設された略円環形状のリム本体部と前記リム本体部の一方端に配置された第１のフランジ部と他方端に配置された第２のフランジ部とを備えたリム部とを有するアルミニウム合金製ロードホイールであって、Ｓｉを１０．０〜１１．８質量％、Ｍｇを０．２〜０．４５質量％、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、ＺｎおよびＴｉのいずれかを一種以上、残部Ａｌならびに不可避不純物を含み、剛性が６５０〜１７５０（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）であるアルミニウム合金製ロードホイール、である。

本発明によれば、上記のように構成されているので、剛性がより改善されたアルミホイールを提供することができる。

本発明に係るアルミホイールの回転軸方向に沿う断面図である。 図１のアルミホイールを下方から眺めた底面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図１のアルミホイールの製造工程のフロー図である。 図１のアルミホイールの製造装置の概略構成図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 図４の注湯工程における溶湯の充填状況を説明する図である。 図４の注湯工程における溶湯の充填状況を説明する図である。 アルミホイールの剛性値を測定する方法を説明する図である。

以下、本発明について、その実施形態に基づき図１〜８を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は、以下説明する実施形態および実施例に限定されず、また、発明の作用効果を奏する限り、同一性の範囲内において適宜変形して実施することができる。

［アルミホイールの構成］
まず、本発明に係るアルミホイールの構造の一例について図１〜３を参照し説明する。図１はアルミホイールの回転軸方向に沿う断面図、図２は図１のアルミホイールを下方から眺めた底面図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図である。図１は、図２のＡ−Ａ断面図であり、中心線Ｉよりも左側はデザイン部１ｇを含まない断面、右側はデザイン部１ｇを含む断面となっている。なお、図１に示すアルミホイール９の回転軸となる中心線Ｉの方向を、以下「回転軸方向」という場合がある。また、中心線Ｉに直交する方向を「半径方向」、中心線Ｉの周りの方向を「円周方向」と言う場合がある。

アルミホイール１は、図１および２に示すように、ハブ部１ｆおよびハブ部１ｆの外周面から放射状に形成されたデザイン部１ｇを備えたディスク部１ｅを有しており、また、ディスク部１ｅが下方（一方）端に内設された略円環形状のリム本体部１ｂと、リム本体部１ｂの下方端に配置された第１のフランジ部（いわゆるアウターフランジ）１ｃと、上方（他方）端に配置された第２のフランジ部（いわゆるインナーフランジ）１ｄを備えたリム部１ａを有している。各部は、つなぎ目なく一体的に形成されている。なお、リム本体部１ｂと、ディスク部１ｅとの連結部、つまりリム本体部１ｂの下方（一方）部の領域を、以下「連結部」１ｎと言う場合がある。また、ハブ部１ｆの中央に形成された回転軸方向の貫通孔１ｈは車軸が挿入されるハブ孔であり、半径方向においてハブ部１ｆの外周部に等ピッチで複数個形成された孔部１ｉは車軸にアルミホイール１を固定するためボルト等が挿通される孔部である。

図１および２に示すアルミホイール１は、窓部１ｍを介して円周方向に複数本配置されたスポークがハブ部１ｆより延設されてリム部１ａと結合する、スポークを主体として意匠されたスポーク型のデザイン部１ｇを有するアルミホイールであるが、デザイン部の意匠としては、これに限定されない。スポーク型以外に、例えばスポーク型よりもハブ部がかなり広い範囲で緩やかな面が形成され、リム部とは短めのスポークで連結されているデザイン部中心が略円盤形状のディッシュ型、スポーク型に属するがスポーク数が比較的多くかつ細い点が特徴であるフィン型、スポーク数が多くかつ細く伸びているが、スポークがハブ部とリム部の間で網目のようにメッシュ状となるメッシュ型など、各種意匠のデザイン部が存在する。なお、図２のデザイン部１ｇを構成するスポークの回転軸方向と平行な断面の形状は、図３に示すように、下方底部が凹状に鋳抜かれた鋳抜部が形成され、天井部１ｊと両側部１ｋおよび１Ｌを有する略コの字形状をなしているが、断面形状はこれに限定されず、円周方向および半径方向で部位により肉厚の異なる略Ｖ字形状、略Ｕ字形状であってもよく、また鋳抜部のない形状であってもよい。

上記構造のアルミホイール１には、その第１のフランジ部１ｃと第２のフランジ部１ｄの各々の内面に接しつつこれらの間に挟まれるようにリム本体部１ｂにタイヤが取り付けられ、ディスク部１ｅが外側に向いた姿勢で車軸に装着される。

本発明に係るアルミホイールは、Ｓｉを１０．０〜１１．８質量％、Ｍｇを０．２〜０．４５質量％、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、ＺｎおよびＴｉのいずれかを一種以上、残部Ａｌならびに不可避不純物を含む。組成の限定理由は、下記の通りである。

Ｓｉの組成は、１０．０〜１１．８質量％（以下、組成の項で記載する％は、いずれも質量％のことを指す。）である。この範囲であれば、他の組成物との相乗効果により、剛性と強度の両立をはかることができる。Ｓｉが１０．０％未満であると、所望の剛性を有するアルミホイールを得ることができない。一方で、Ｓｉが１１．８％を超えると、アルミホイールの強度が低下し、所望の伸び特性を得ることができないおそれがある。

Ｍｇの組成は、０．２〜０．４５％である。Ｍｇは析出強化元素であり、アルミニウム合金組織の強度を確保する上で、適量のＭｇを含有することが重要である。Ｍｇが０．２％未満であると、アルミホイールを構成する基地相が軟らか過ぎて十分な耐変形性（０．２％耐力）が得られない。Ｍｇが０．４５％を超えると、アルミホイールを構成する基地相が固くなり過ぎ、所望の変形能（伸び）を得ることができないおそれがある。

上記構成の本発明に係るアルミホイールは、剛性が６５０〜１７５０（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）である。かかる範囲の剛性を有するアルミホイールによれば、定常的な変形量が抑制され、走行安定性や乗り心地の快適性などが改善される。なお、アルミホイールの剛性とは、下記の測定方法で確認された値のことを指す。

アルミホイールの剛性の測定方法としては、ハンマリングによる剛性（動剛性）測定その他実測による剛性測定、またはアルミホイールの測定された固有値から算出される剛性測定（解析）など各種方法がある。しかしながら、下記する実施例では、これらの測定方法とほぼ同精度で、比較的簡易に剛性を測定できる下記の測定方法で剛性を確認した。すなわち、剛性測定装置５は、図８に示すように、床面に配置された立体状のフレーム５ａと、フレーム５ａに配置されるロッド状の負荷アーム５ｂとを備えている。フレーム５ａは、上面に、アルミホイール１を固定するクリップ等の固定手段（図示せず）を配した台座面５ｍを形成している。また負荷アーム５ｂは、台座面５ｍに形成された通過孔５ｄを介して配置され、上端に水平な固定面５ｅを形成する固定部５ｆを備えると共に、下端にはジャッキ等の荷重発生手段（図示せず）と、負荷アーム５ｂの傾斜を測定するダイヤルゲージ５ｇとを備えている。

一方、アルミホイール１は、上記のとおり、タイヤ（図示せず）を装着するリム部１ａと、円盤状のディスク部１ｅとを備えて構成されており、ディスク部１ｅの中央には、車両のハブ（図示せず）に取付けるハブ部１ｆが備えられ、ハブ部１ｆには、車両のハブとボルト締結し得るボルト孔（図示せず）と、アルミホイール１の軸心に位置するハブ孔１ｈとが形成されている。

アルミホイール１の剛性を計測する際には、準備段階で、車両に取付けたとき車両側になる面を下面に向けるようにアルミホイール１を載置し、アルミホイール１のリム部１ａの周囲側端部を固定手段で固定し、次に、ハブ部１ｆに下方側から負荷アーム５ｂの固定面５ｅを接触させてハブ部１ｆのボルト孔（図示せず）を介してボルト５ｋにより締結し、計測段階へ移行する。計測段階では、荷重発生手段により負荷アーム５ｂを傾けてアルミホイール１に負荷荷重をかけると同時に、ダイヤルゲージ５ｇで負荷アーム５ｂの傾斜を計測し、負荷アーム５ｂの傾斜をアルミホイール１のハブ部１ｆの表面の傾斜変動と推定し、アルミホイール１を１ｒａｄねじるために必要な力として剛性（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）を算出するようにしている。なお、下記する実施例では、Ｓ４５Ｃからなる直径が８０（ｍｍ）、長さが８００（ｍｍ）の負荷アーム５ｂを使用し、固定部５ｆの下方７５０（ｍｍ）の位置で、負荷モーメント８００（ｋＮ・ｍ）の荷重を負荷アーム５ｂに作用させた。ここで負荷アーム５ｂはホイール１へ負荷荷重をかける際に負荷アーム５ｂ自身に撓みを生じるため、撓み分の誤差を解消するように負荷アーム５ｂの材質を考慮して材料計算によりホイール１の剛性を補正するようにしている。

［アルミホイールの製造方法］
以下、上記アルミホイール１の製造方法の一例について、図４〜７を参照しつつ説明する。ここで、図４は図１のアルミホイールの製造工程のフロー図、図５は図１のアルミホイールの製造装置の一部を示す概略構成図、図６は図５のＣ−Ｃ断面図であり、図５は図６のＤ−Ｄ断面図となっている。また、図７は、図４の注湯工程における溶湯の充填状況を説明する図である。図７では、理解のため、溶湯Ｍをクロスハッチングで示し、金型の断面のハッチングを省略するとともに、第２の開口部１９ａを仮想的に破線で示している。

本態様の製造方法は、図４に示すように、注湯工程の前段で行われる溶解工程（Ｓ１）、溶解工程（Ｓ１）の後に好ましくは行われる清浄工程（Ｓ２）、注湯工程（Ｓ３）、溶体化処理工程（Ｓ４）、時効処理工程（Ｓ５）および時効処理工程の後段で任意に行われる加工、塗装、検査などの後処理工程（Ｓ６）を含んでいる。以下、各工程について、上記の順に説明する。

＜溶解工程＞
図４に示すように、まず、Ａｌ、ＳｉおよびＭｇその他各種元素が所望の組成となるよう調整された原料を、好ましくは非酸化雰囲気中において概ね７２０〜１１００℃の温度範囲となるよう調整した溶解炉で溶解して溶湯を形成する溶解工程（Ｓ１）を行う。

＜清浄工程＞
上記溶解工程で形成された溶湯をそのまま注湯工程（Ｓ３）に使用してもよいが、一端保持炉に移し、溶湯中に含まれる水素ガスおよび酸化物（いわゆるノロ、スラグ）などアルミホイールの欠陥の原因となる不純物を除去し清浄化する清浄工程（Ｓ２）を注湯工程（Ｓ３）の前に行うことが好ましい。この溶湯中の不純物を除去する清浄化は、例えば、カーボンまたはセラミックスなど溶湯との反応性の低い材料で構成されたガス吹込み用回転体を用い、窒素やアルゴンガスなどの不活性ガスを溶湯中でバブリングさせることにより行われる。

＜注湯工程＞
上記溶解工程（Ｓ１）、好ましくは清浄工程（Ｓ２）の後、図４に示すように、金型のキャビティに溶湯を充填する注湯工程（Ｓ３）を行う。注湯工程では、図７に示すように、ディスク部１ｅが底面となる金型を用い、金型においてハブ部１ｆを形成するキャビティ（以下、ハブ部用キャビティと言う場合がある。金型を構成する他のキャビティについても同様。）１０ｆに開口した第１の開口部（センターゲート）１３ａおよびリム部用キャビティ１０ａに開口するとともに第１の開口部１３ａよりも上方に複数個配置された第２の開口部（サイドゲート）１９ａを通じ、ディスク部１ｅおよびハブ部１ｆを形成するキャビティ１０ｅおよび１０ａに溶湯Ｍを充填する。その詳細を、図５〜７を参照して説明する。

図５および６に示すように、本態様の製造方法で使用される製造装置１０は、マルチゲート方式を適用した低圧鋳造法でアルミホイールを製造する設備である。具体的には、製造装置１０は、溶湯を収納した保持炉が配置された密閉容器（いずれも不図示）の上に、密閉容器を密閉するように固定された平板状の下型ベース１１と下型ベース１１の上面に配置された下型入子１３とを備えた下型、下型入子１３の上方に相対するように配置された上型入子１４と上型入子１４の上方に配置された平板上の上型ベース１２とを備えた上型、および半径方向において上型入子１４および下型入子１３を包囲するように配置された横型１９とを有している。ここで、上型は不図示の昇降装置に、横型１９は不図示の横行装置に、各々可動型として昇降または横行可能なように取り付けられており、図示する注湯時および不図示の製品取り出しの際に、固定型である下型に対して所望の位置に位置決め可能なように構成されている。この下型、上型、および横型１９は金型であり、上型入子１４の外周面、横型１９の内周面および下型入子１４の上面の形状は、製造すべきアルミホイール１の形状に応じた形状であり、図示する注湯時において位置決めされた３者の組合せにより溶湯が注湯される金型のキャビティ１０ａ、１０ｅが画成される。

下型ベース１１には、金型のキャビティ１０ａ、１０ｅへ溶湯を供給する供給管路１５、１６が形成されており、供給管路１５、１６の各々の下端部は、保持炉内に収納された溶湯に浸漬されている。ここで、保持炉が配置された密閉容器には管路を通じ加圧された非酸化性ガスなどの気体が供給されるよう構成されており、この加圧された気体により保持炉に収納された溶湯が押され、下端部が溶湯に浸漬された供給管路１５、１６の中を上昇する。

下型ベース１１の中央に配置された供給管路１６の上端は、下型入子１３に形成された第１の開口部（センターゲート）１３ａに連通している。この第１の開口部１３ａは、図７に示すように、ハブ部用キャビティ１０ｆに開口しており、もって上記加圧により供給管路１６を上昇する溶湯は第１の開口部１３ａに流入し、次いでハブ部用キャビティ１０ｆに充填される。一方で、供給管路１６を挟み下型ベース１１の両側に２本形成された供給管路１５の上端は、図６に示すように、半径方向において相対するよう横型１９に設けられた一対の第２の開口部（サイドゲート）１９ａに連通している。この第２の開口部１９ａは、図５に示すように、リム部用キャビティ１０ａに開口しており、もって上記加圧により供給管路１５を上昇する溶湯は第２の開口部１９ａに流入し、次いでリム部用キャビティ１０ａに充填される。

ここで、横型１９に形成された第２の開口部（サイドゲート）１９ａは、下型入子１３に形成された第１の開口部（センターゲート）１３ａよりも上方に形成されている。このため、加圧により保持炉から供給された溶湯Ｍは、図７（ａ）に示すように、まず第１の開口部１３ａを通じてハブ部用キャビティ１０ｆに流入し、その後、デザイン部用キャビティ１０ｇを満たしつつリム部用キャビティ１０ａの中を湯面が上昇する。そして、供給の継続により引き続き上昇する溶湯Ｍの湯面が第２の開口部１９ａの高さを超えると、図７（ｂ）に示すように、溶湯Ｍは、第２の開口部１９ａからリム部用キャビティ１０ａに流入し、当該キャビティ１０ａに充填される。キャビティ１０ａおよび１０ｅに充填された溶湯Ｍは、その後冷却し凝固する。

＜溶体化処理工程、人工時効処理工程＞
図４に示すように、冷却工程で得られたロードホイール中間体の溶体化処理工程（Ｓ４）および人工時効処理工程（Ｓ５）を行うことが好ましい。

＜後工程＞
上記人工時効処理工程の後、図４に示すように、加工、メッキ、塗装、洗浄または検査など必要に応じた後工程（Ｓ６）を適宜行い、製品であるアルミホイールを得ることができる。

［実施例］
以下、本発明について、その具体的な例に基づき説明する。なお、本発明は、以下で述べる例のみに限定されない。

＜実施例１＞
実施例１は、Ｓｉ：１０．４４％、Ｍｇ：０．３１％、Ｆｅ：０．１５％、Ｃｕ：０．００７％、Ｍｎ：０．０９％、Ｚｎ：０．００８％、Ｔｉ：０．１３％、残部Ａｌおよび不可避不純物となるよう調整された原料を溶解し、得られた溶湯を清浄化処理した。清浄工程を経て得られた溶湯を、図５に示す製造装置１０の保持炉（不図示）に移し、その後、１００ｋＰａ以下の圧力で加圧することにより温度が３００〜４５０℃の金型のキャビティに充填し、冷却して凝固させた（注湯工程）。なお、注湯時の溶湯温度は、６６０〜７１０℃の範囲とした。金型のキャビティの形状は、図１〜３に示すアルミホイール１の形状に対応しており、このアルミホイール１の主要な寸法は、最大外径φ４９７ｍｍ、回転軸方向長さ２０５ｍｍ、質量１０．５Ｋｇとした。また、図５に示すように、第２の開口部１９ａは、回転軸方向においてリム本体部用キャビティ１０ｂの中央部に、第１の開口部１３ａよりも上方に配置した。

注湯工程を経て得られたアルミホイール中間体を溶体化処理した。実施例１の溶体化処理は、５４０℃で４時間、アルミホイール中間体を加熱処理し、その後の５０℃／秒の冷却速度で冷却した。溶体化処理工程後、アルミホイール中間体を人工時効処理した。実施例１の人工時効処理は、１６０℃で５５分間、アルミホイール中間体を加熱処理した。その後、ロードホイール中間体に加工などの後工程を適宜施し、所望のアルミホイールを得た。そして得られたアルミホイールの剛性を上記した剛性測定方法で確認した結果は、６６２（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）であった。

＜実施例２＞
実施例２では、Ｓｉ：１１．５％、Ｍｇ：０．３４％、Ｆｅ：０．１３％、Ｃｕ：０．００４％、Ｍｎ：０．０９％、Ｚｎ：０．００９％、Ｔｉ：０．１４％、残部Ａｌおよび不可避不純物となるよう調整された原料を使用し、質量を１３．７Ｋｇとした以外は、実施例１と同様にしてアルミホイールを製造した。実施例２のアルミホイールの剛性は、１７２４（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）であった。

＜比較例＞
比較例では、Ｓｉ：７．１％、Ｍｇ：０．３４％、Ｆｅ：０．１３％、Ｃｕ：０．０３％、Ｍｎ：０．０２％、Ｚｎ：０．０３％、Ｔｉ：０．１５％、残部Ａｌおよび不可避不純物となるよう調整された原料を使用した以外は、実施例１と同様にしてアルミホイールを製造した。比較例のアルミホイールの剛性は、６２０（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）であった。

１ アルミホイール
１ａ リム部
１ｂ リム本体部
１ｃ 第１のフランジ部
１ｄ 第２のフランジ部
１ｅ ディスク部
１ｆ ハブ部
１ｇ デザイン部
１ｈ 貫通孔
１ｉ 孔部
１ｊ 天井部
１ｋ 両側部
１ｌ 両側部
１ｍ 窓部
１ｎ 連結部
１０ アルミホイール製造装置
１０ａ リム部用キャビティ
１０ｂ リム本体部用キャビティ
１０ｃ 第１のフランジ部用キャビティ
１０ｄ 第２のフランジ部用キャビティ
１０ｅ ディスク部用キャビティ
１０ｆ ハブ部用キャビティ
１０ｇ デザイン部用キャビティ
１０ｎ 連結部用キャビティ
１１ 下型ベース
１２ 上型ベース
１３ 下型入子
１３ａ 第１の開口部
１４ 上型入子
１９ａ 第２の開口部
５ 剛性測定装置

Claims (1)

1. ハブ部および前記ハブ部の外周面から放射状に形成されたデザイン部を備えたディスク部と、前記ディスク部が一方端に内設された略円環形状のリム本体部と前記リム本体部の一方端に配置された第１のフランジ部と他方端に配置された第２のフランジ部とを備えたリム部とを有するアルミニウム合金製ロードホイールであって、
   Ｓｉを１０．０〜１１．８質量％、Ｍｇを０．２〜０．４５質量％、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、ＺｎおよびＴｉのいずれかを一種以上、残部Ａｌならびに不可避不純物を含み、剛性が６５０〜１７５０（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）であるアルミニウム合金製ロードホイール。