JP2019209848A - 車両用ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＦＲＰ製のリム部と、金属製のディスク部との接合部において、高い接合強度を有する車両用ホイールを提供する。【解決手段】リム部の周方向をせん断主軸方向とした際に、積層炭素繊維シートの積層構成は、結合部５ｈにおいて、表面から順に、せん断主軸方向に対する配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄをｎ回繰り返し、次に、配向角０°／９０°の炭素繊維層ａ、ｂを（５−ｎ）回繰り返し、さらに、そこから厚み方向に対称になるように、配向角９０°／０°の炭素繊維層ｂ、ａを（５−ｎ）回繰り返し、配向角＋４５°／−４５°の炭素繊維層ｄ、ｃをｎ回繰り返す。この場合、全ての炭素繊維層に対する配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄの比率である±４５比率が２０％〜８０％を占めるようにすることで、高い接合強度を確保することができる。【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、車両用ホイールに関するものである。

従来、車両用のホイールとしては、スチールやアルミニウムなどの金属製のものが一般的であった。すなわち、車両用のホイールのディスク部とリム部とが金属によって一体で構成されたものが一般的であった。しかし、近年、より軽量な車両用ホイールとして、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）が用いられた車両用ホイールが注目されている。

このような車両用ホイールは、例えば、リム部がＣＦＲＰで構成され、ディスク部がアルミニウムなどの軽合金製で構成される。この際、リム部とディスク部とは、ボルトで接合される（例えば、特許文献１〜３）。

特開昭５８−２６８０５号公報 特表２００８−５３２８５０号公報 特表２０１５−５３１３３１号公報

ボルトによってＣＦＲＰ製のリム部と金属製のディスク部とを接合するためには、リム部に貫通孔を形成し、貫通孔にボルトが挿入される。リム部とディスク部との接合部においては、様々な外力がかかるが、主な力の一つとして、例えば道路の縁石等に衝突した場合など、大きな衝撃力が車両用ホイールに働いた場合に、ボルトの軸方向に対して略垂直な方向に付加される過大なせん断力がある。このようなせん断力に対しては、リム部の孔の内面において、ボルトとの接触部に最も大きな力がかかる。

上記のように過大なせん断力が付加された場合、通常の金属製の車両用ホイールでは、仮にリム部とディスク部とをボルトで接合しても、リム部の孔は、ボルトからの面圧に対して、塑性変形によって応力が周囲に逃がされて、局所的な破壊等が生じにくい。しかし、ＣＦＲＰ製のリム部は、金属製と比較して塑性変形能力が小さいため、局所的な大きな力を受けることで、内部に微細なクラックが発生するおそれがある。

通常、ＣＦＲＰ製のリム部は、マトリックスを構成する樹脂中に複数層の炭素繊維層が積層されて形成される。リム部の内部の一部の層内にクラックが生じると、クラックは、他層との境界に沿って伝播し、さらに他層内部へ伝播するモデルが考えられる。

本発明は、ＣＦＲＰ製のリム部と、金属製のディスク部との接合部において、高い接合強度を有する車両用ホイールを提供することを目的とする。

ここで、発明者らは、リム部を構成する各炭素繊維層の繊維方向とその積層構成を適切にすることで、より高い接合強度（せん断強度）を得ることができることを知見した。すなわち、前述した目的を達成する本発明に係る車両用ホイールは、炭素繊維強化樹脂で形成された略円環形状のリム部と、前記リム部に結合されたディスク部とを有する車両用ホイールであって、前記リム部と前記ディスク部とを結合する機械的結合要素を有し、前記リム部は、複数の炭素繊維層が積層されて形成され、前記機械的結合要素が挿通される貫通孔が形成された結合部を有し、前記結合部では、せん断主軸に沿う方向（図２において矢印Ｂで示す、リム部の軸周りの方向）に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ａと、前記炭素繊維層ａの繊維群に対し略直交し、前記リム部の略軸方向（図２において矢印Ｃで示す、せん断主軸に直交する方向）に沿った一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｂと、前記炭素繊維層ａおよび前記炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｃと、前記炭素繊維層ａ、前記炭素繊維層ｂおよび前記炭素繊維層ｃのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｄとが、積層されており、それぞれの前記炭素繊維層の積層方向における断面において、前記結合部では、前記炭素繊維層ｃおよび前記炭素繊維層ｄが全ての前記炭素繊維層に対して２０〜８０％を占めることを特徴としている。

前記繊維群の方向が同一の前記炭素繊維層の連続積層数が最大２層であることが望ましい。

前記炭素繊維層ｃまたは前記炭素繊維層ｄは、前記炭素繊維層ａを介し前記炭素繊維層ｂに積層されていることが望ましい。

前記結合部の表部では、前記炭素繊維層ｃおよび前記炭素繊維層ｄが積層されることが望ましい。

本発明によれば、リム部の周方向であるせん断主軸およびこれと直交するリム部の軸方向に引きそろえられた炭素繊維層ａ、ｂに対して、その両者に交差する方向の炭素繊維層ｃ、ｄの割合が、２０〜８０％であるため、高い接合強度を得ることができる。

特に、同一の方向に引きそろえられた炭素繊維層の連続積層数が最大で２層であれば、より高い破断強度を得ることができる。

また、せん断主軸に直交する方向に炭素繊維が引きそろえられた炭素繊維層ｂが、必ずこれと直交する方向に炭素繊維が引きそろえられた炭素繊維層ａを介して、他の炭素繊維層ｃ、ｄと積層されれば、最もせん断主軸方向に対する強度の弱い炭素繊維層ｂで生じたクラックの伝播を、これと直交する方向の炭素繊維層ａによって抑制することができる。

また、結合部の表部には曲げ応力など複合的に応力が作用するため、初期破壊が生じやすいが、表面に、せん断主軸方向およびこれと直交する方向のいずれにも交差する方向に炭素繊維が引き揃えられた炭素繊維層ｃ、ｄを配置することにより、複合的に作用する応力に対する初期破壊の発生を抑制することができる。

本発明によれば、ＣＦＲＰ製のリム部と、金属製のディスク部との接合部において、高い接合強度を有する車両用ホイールを提供することができる。

車両用ホイール１を示す平面図。 車両用ホイール１を示す側面図。 図２のＡ−Ａ線矢視断面の一部拡大図。 図３ＡのＨ部の拡大図。 （ａ）は金型２０を示す図、（ｂ）〜（ｅ）は、炭素繊維シート２１ａ〜２１ｄのそれぞれの炭素繊維の方向を示す図。 リム部５を形成する工程を示す図。 リム部５を形成する工程を示す図。 リム部５の端部の処理前後の状態を示す部分断面図。 リム部５を形成する工程を示す図。 リム部５を形成する工程を示す図。 リム部５の端部の処理前後の状態を示す部分断面図。 ＣＦＲＰ積層板の試験方法を示す図。 ＣＦＲＰ積層板の試験結果を示す図。

図１〜３に示すように、本発明に係る車両用ホイール１は、炭素繊維強化樹脂で形成された略円環形状のリム部５と、リム部５に結合されたディスク部３とを有し、リム部５とディスク部３とを結合する機械的結合要素（例えばボルト７）を有している。リム部５は、複数の炭素繊維層が積層されて形成され、機械的結合要素が挿通される貫通孔１３が形成された結合部５ｈを有している。

上記結合部５ｈでは、図３Ｂに一例を示すように、せん断主軸に沿う方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ａと、炭素繊維層ａの繊維群に対し略直交し、前記リム部の略軸方向に沿った一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｂと、炭素繊維層ａおよび炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｃと、炭素繊維層ａ、炭素繊維層ｂおよび炭素繊維層ｃのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｄとが、積層されている。

そして、本発明に係る車両用ホイールの結合部５ｈでは、それぞれの炭素繊維層の積層方向における断面において、炭素繊維層ｃおよび炭素繊維層ｄが全ての前記炭素繊維層に対して２０〜８０％を占めることを特徴としている。以下、本発明について、詳細に説明する。

まず、本発明の実施の形態にかかる車両用ホイール１について説明する。図１は、車両用ホイール１を示す平面図、図２は、車両用ホイール１を示す側面図である。車両用ホイール１は、リム部５とディスク部３とから成る。ディスク部３は、車軸が締結されるハブ部３ａと、ハブ部３ａの外周面から放射状に伸びる複数のスポーク部３ｂによって形成される。

ディスク部３は、例えばアルミニウム製である。ディスク部３は、例えば、鋳造または鍛造で製造される。なお、ディスク部３の材質は特に限定されず、ディスク部３の形状は図示した例には限られない。

ディスク部３の外周部には、略円環形状のリム部５が接合される。図３Ａは、図２のＡ−Ａ線矢視断面の一部拡大図である。リム部５は、主に、複数層の炭素繊維シートが積層された炭素繊維強化樹脂で構成される。なお、炭素繊維シートの積層構成については、詳細を後述する。

図３Ａに示すように、リム部５は、両端部にフランジ部５ａ、５ｇが形成され、フランジ部５ａ、５ｇの内側に、それぞれ外側から順に、ビードシート部５ｂ、５ｆ、ハンプ部５ｃ、５ｅ、ドロップ部５ｄが形成される。なお、リム部５の形状は図示した例には限られない。

ハンプ部５ｃには周方向に所定の間隔で貫通孔１３が形成される。また、それぞれの貫通孔１３に対応する位置におけるディスク部３には、雌ネジ部１５が形成される。リム部５の外面側から、貫通孔１３に機械的結合要素であるボルト７が挿通される。ボルト７の先端は、リム部５の内周に配置されたディスク部３の雌ネジ部１５と螺合してリム部５とディスク部３とが接合する。すなわち、ハンプ部５ｃがリム部５とディスク部３との結合部５ｈとなる。貫通孔１３の外面側には樹脂被覆部１１が配置され、ボルト７の頭部が被覆される。

リム部５の所定の部位の内部には、樹脂部が配置される。より詳細には、フランジ部５ａには樹脂部９ａが配置され、ハンプ部５ｃには樹脂部９ｂが配置され、ドロップ部５ｄのハンプ部５ｃ側の端部近傍には樹脂部９ｃが配置され、ハンプ部５ｅには樹脂部９ｄが配置され、フランジ部５ｇには樹脂部９ｅが配置される。各樹脂部９ａ〜９ｅは、リム部５における厚みの厚い部位となる。

ここで、図２に示すように、略円筒形状のリム部５の中心軸に沿う方向を（図中矢印Ｃ方向）を軸方向、中心軸に直交する中心軸周りの方向（図中矢印Ｂ方向）を周方向とする。そして、車両用ホイールに適用される負荷試験のうち最も負荷の大きなＪＩＳ Ｄ ４１０３で規定される１３°衝撃試験では、各結合部５ｈにおいて、ボルト７の軸方向に対して垂直なせん断主軸方向（図３Ａの紙面に垂直な方向）に、主応力としてせん断力が付加される。すなわち、上記のように設定した方向において、リム部５の周方向（図中矢印Ｂ方向）がせん断主軸方向となる。

次に、本実施形態にかかるリム部５を構成する炭素繊維強化樹脂における炭素繊維層の積層構造について詳細に説明する。前述したように、本実施形態のリム部５は、図３ＡのＨ部拡大図である図３Ｂに示すように、マトリックスを構成する樹脂中に積層配置された複数の炭素繊維層ａ〜ｄを有する炭素繊維強化樹脂からなる。ここで、炭素繊維層ａ〜ｄの積層構成を以下のように積層構成式で示す。
［（−４５／＋４５）ｎ／（０／９０）５−ｎ］ｓ

上記積層構成式は、表面（１層目）から順に、繊維配向角度（炭素繊維層に含まれる一方向に引き揃えられた繊維群と上記せん断主軸との交差角度のことを指す。以下、単に配向角と言う場合がある。）が−４５°の炭素繊維層ｃ、配向角＋４５°の炭素繊維層ｄの積層をこの順でｎ回繰り返し、次に、配向角０°の炭素繊維層ａ、配向角９０°の炭素繊維層ｂの積層をこの順で（５−ｎ）回繰り返し、さらに、そこから厚み方向に対称になるように、配向角９０°の炭素繊維層ｂ、配向角０°の炭素繊維層ａの積層をこの順で（５−ｎ）回繰り返し、配向角＋４５°の炭素繊維層ｄ、配向角−４５°の炭素繊維層ｃの積層をこの順でｎ回繰り返すことを意味する。総積層数が２０層の場合の、上記のｎによる積層構造を表１に示す（１層目がリム部の表面、２０層目がリム部の裏面となる）。

ここで、本実施形態のリム部５では、せん断主軸（図２の円周方向Ｂ）に沿う方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ａとして配向角０°の炭素繊維層を、炭素繊維層ａの繊維群に対し略直交し、リム部５の略軸方向（図２の軸方向Ｃ）に沿う方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｂとして配向角９０°の炭素繊維層を配置している。また、前記炭素繊維層ａおよび前記炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するように一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｃとして配向角−４５°の炭素繊維層を、炭素繊維層ａ、炭素繊維層ｂおよび炭素繊維層ｃのいずれの繊維群に対しても交差するよう、一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｄとして配向角＋４５°の炭素繊維層を配置している。すなわち、炭素繊維層ａは配向角が０°であり、炭素繊維層ｂは配向角が９０°であり、炭素繊維層ｃは配向角が−４５°であり、炭素繊維層ｄは配向角が＋４５°となっている。なお、炭素繊維層ｃ、ｄの配向角は、−４５°または＋４５°に限定されず、炭素繊維層ｃは、その一方向に引き揃えられた繊維群が、炭素繊維層ａおよび炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するように配置されていればよく、炭素繊維層ｄは、その一方向に引き揃えられた繊維群が、炭素繊維層ａ、炭素繊維層ｂおよび炭素繊維層ｃのいずれの繊維群に対しても交差するように配置されていればよい。また、炭素繊維強化樹脂の強度低下を抑制する点から、配向角のバラツキは±５°以内であることが望ましい。

表１に示す例では、全２０層の例（ｎ＝０〜５）を示すが、総積層数は特に限定されない。なお、ｎ＝０は、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄの積層が無い場合（すなわち、全ての炭素繊維層に対する配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄが０％）であり、ｎ＝５は、配向角０°／９０°の炭素繊維層ａ、ｂが無い場合（すなわち、全ての炭素繊維層に対する配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄが１００％）であり、本発明の範囲外の積層構成である。したがって、以下の説明では、全ての炭素繊維層ａ〜ｄを有するｎ＝１〜４（すなわち、全ての炭素繊維層に対する配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄが２０〜８０％）の場合について説明する。

表１に示すように、本実施形態（ｎ＝１〜４）においては、リム部５の表部および裏部には、炭素繊維層ｃおよび炭素繊維層ｄが積層される。すなわち、リム部５における結合部５ｈの表部および裏部は、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄで構成されることが好ましい。

一般的に、結合部５ｈの表部には、曲げ応力など複合的に応力が作用し、特にせん断主軸方向およびこれと直交する方向の力に対して初期破壊が生じやすい。しかし、結合部５ｈの表部に、せん断主軸方向およびこれと直交する方向のいずれにも交差する配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄを配置することにより、複合的に作用する応力に対する初期破壊の発生を抑制することができる。

また、リム部５の表部および裏部の両側に配置される、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄは、配向角０°の炭素繊維層ａを介して配向角９０°の炭素繊維層ｂに積層されることが好ましい。すなわち、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄは、直接、配向角９０°の炭素繊維層ｂに積層されることがない。

一般的に、せん断主軸方向への力に対しては、配向角９０°の炭素繊維層ｂが最も弱い。また、前述したように、リム部５の表部に配置された、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄには、最もクラック等が生じやすい。このため、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄと配向角９０°の炭素繊維層ｂとを直接積層すると、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄで生じたクラックが厚み中心方向の配向角９０°の炭素繊維層ｂへ伝播しやすい。

一方、せん断主軸方向への力に対しては、配向角０°の炭素繊維層ａが最も強い。このため、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄと配向角０°の炭素繊維層ａとを直接積層することで、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄで生じたクラックが厚み中心方向へ伝播するのを、配向角０°の炭素繊維層ａで止めることができる。すなわち、リム部５の強度を高めることができる。

また、仮に配向角９０°の炭素繊維層ｂにクラックが生じた場合でも、配向角９０°の炭素繊維層ｂは、これと直交する配向角０°の炭素繊維層ａとを直接積層されるため、クラックの伝播が生じにくい。

また、表１に示すように、厚み方向の中央（積層構造の対称軸）を除き、互いに異なる配向角の炭素繊維層が積層される。すなわち、繊維群の方向が同一の炭素繊維層の連続積層数は、最大で２層であることが好ましい。通常、配向角が異なる層間の方が、層間のクラックの伝播が起こりにくい。このため、同一の配向角の炭素繊維層の連続積層数を２層以下とすることで、各層間のクラックの伝播を抑制し、高い破断強度を得ることができる。

次に、リム部５の製造方法について一例を説明する。なお、リム部５の製造方法は以下に示す例には限られず、公知の如何なる製造方法も適用可能である。図４（ａ）は、金型２０を示す図である。金型２０は、金型Ａ２０ａと金型Ｂ２０ｂとで構成され、接続面２０ｃで金型Ａ２０ａと金型Ｂ２０ｂが嵌め合いにより結合されている。なお、金型２０の外周面形状は、得るべき車両用ホイールのリム部５の内周面形状に倣い形成されている。

図３Ａに示すように、リム部５は、内向きに湾曲し、脱型時にはアンダーカットとなる形状を有する。これに対し、金型２０は、金型Ａ２０ａと金型Ｂ２０ｂの２つに分割されているので、金型２０の表面上に後述する炭素繊維シートが積層されてなるシート積層体を金型２０から脱型することが可能となる。なお、金型２０の周方向（図中Ｂ’方向）が、成形されるリム部５の周方向（図２のＢ方向）に対応する。

図４（ｂ）〜図４（ｅ）は、リム部５の製造で用いられるシート材（プリプレグ）である炭素繊維シート２１ａ〜２１ｄを示す概念図である。炭素繊維シート２１ａ〜２１ｄは各々炭素繊維層ａ〜ｄを有し、いずれの炭素繊維層ａ〜ｄも一方向に繊維群が引き揃えられており、炭素繊維層ａ〜ｄは、それぞれ、繊維群の配向方向が異なる。なお、図中の点線は、繊維群の配向方向を示す。炭素繊維シート２１ａ〜２１ｄは、例えば、東レ製の炭素繊維Ｔ３００（製品名）又はＴ８００（製品名）に未硬化の高耐熱性エポキシ樹脂＃２５００を含浸させたいわゆる一方向プリプレグのシート材である。

図４（ｂ）に示すように、炭素繊維シート２１ａは、金型２０の周方向に対応する方向（図中Ｂ’）に炭素繊維が引き揃えられた繊維群からなる炭素繊維層ａを有している。すなわち、炭素繊維シート２１ａは、これを積層してリム部５を形成した後に、その繊維群が、前述したせん断主軸に沿う方向（図２のＢ方向）に配置され、その繊維群の配向角が０°となる炭素繊維層ａを有している。

炭素繊維シート２１ｂは、炭素繊維シート２１ａの繊維群の配向方向に対して、略直交する方向に炭素繊維が引き揃えられた繊維群からなる炭素繊維層ｂを有する。すなわち、炭素繊維シート２１ｂは、これを積層してリム部５を形成した後に、その繊維群が、リム部５の略軸方向に沿った一方向（図２のＣ方向）に配置され、その繊維群の配向角が９０°となる炭素繊維層ｂを有している。

炭素繊維シート２１ｃは、炭素繊維シート２１ａの炭素繊維層ａおよび炭素繊維シート２１ｂの炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群からなる炭素繊維層ｃを有する。具体的には、炭素繊維シート２１ｃは、これを積層してリム部５を形成した後に、その繊維群が、炭素繊維層ａおよび炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するよう配置され、その繊維群の配向角が−４５°となる炭素繊維層ｃを有している。

炭素繊維シート２１ｄは、炭素繊維シート２１ａの炭素繊維層ａ、炭素繊維シート２１ｂの炭素繊維層ｂおよび炭素繊維シート２１ｃの炭素繊維層ｃのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群からなる炭素繊維層ｄを有する。具体的には、炭素繊維シート２１ｄは、これを積層してリム部５を形成した後に、その繊維群が、炭素繊維層ｃの繊維群と略直交し、炭素繊維層ａおよび炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するよう配置され、その繊維群の配向角が＋４５°となる炭素繊維層ｄを有している。

まず、上記のように炭素繊維層ａ〜ｄを含む炭素繊維シート２１ａ〜２１ｄは、あらかじめ裁断等によって、最終的なリム部５の形状に合うよう、その形状が調整される。図５は、表１においてｎ＝１の積層構造となるよう、調整された各炭素繊維シート２１ａ〜２１ｄを金型２０上に積層する工程を示す図である。

まずリム部５の成形のための金型２０を準備し、次いで、最内層である２０層目となる、せん断主軸に対する配向角−４５°の炭素繊維層ｃを有する炭素繊維シート２１ｃ、１９層目となる配向角＋４５°の炭素繊維層ｄを有する炭素繊維シート２１ｄを順に金型２０に敷き詰める。この際、炭素繊維シート２１ｃの端部２２ｃ、２３ｃが、金型２０からはみ出すように配置され、炭素繊維シート２１ｄの端部２２ｄ、２３ｄが、金型２０からはみ出すように配置される。すなわち、端部２２ｃ、２２ｄ、端部２３ｃ、２３ｄもそれぞれ積層される。

さらに、−４５°／＋４５°の炭素繊維シート２１ｃ、２１ｄの積層シートの上に、１８層目となるせん断主軸に対する配向角０°の炭素繊維層ａを有する炭素繊維シート２１ａ、１７層目となる配向角９０°の炭素繊維層ｂを有する炭素繊維シート２１ｂを順に敷き詰める。この際、炭素繊維シート２１ａの端部２２ａ、２３ａが、金型２０からはみ出すように配置され、炭素繊維シート２１ｂの端部２２ｂ、２３ｂが、金型２０からはみ出すように配置される。すなわち、端部２２ｃ、２２ｄ上に、端部２２ａ、２２ｂが積層され、端部２３ｃ、２３ｄ上に端部２３ａ、２３ｂが積層される。なお、１７層目以降、１６層〜１１層となる炭素繊維シート２１ａ（配向角０°）、炭素繊維シート２１ａ（配向角９０°）も上記と同様に積層される。

このように、最内面である２０層から順に１１層へ向かい、配向角−４５°、＋４５°、０°、９０°、０°、９０°、０°、９０°、０°および９０°の順に炭素繊維シートが積層され、金型２０の外周面形状に倣い略リム部５の形状に賦形された積層炭素繊維シートが形成される。

次に、図６（ａ）に示す様に、リム部５におけるフランジ部５ａ、５ｇを構成する樹脂部９ａ、９ｅを、積層炭素繊維シート２５の外面の所定の位置に配置する。樹脂部９ａ、９ｅとしては、例えば、ポリアミドやポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、エポキシなどの熱可塑性樹脂など各種樹脂で形成された樹脂部を使用することができる。なお、以下の図において、前述した端部２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが積層された部位を端部２６と示し、前述した端部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが積層された部位を端部２７と示す。

次に、図６（ｂ）に示すように、賦形された積層炭素繊維シート２５の端部２６、２７を、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように処理する。なお、図７（ａ）は端部２６、２７の処理前、図７（ｂ）は端部２６、２７の処理後の状態を示す部分断面図である。図７（ａ）に示すように、積層炭素繊維シート２５の左端部となっている端部２６及び積層炭素繊維シート２５の右端部となっている端部２７を、樹脂部９ａ、９ｅを芯として径方向において外側へ折り曲げる（図中矢印Ｄ）。そして、図７（ｂ）に示すように、折り曲げられた端部２６、２７で樹脂部９ａ及び９ｅを囲い込むように折りたたみ、炭素繊維シートで包み込まれた樹脂部９ａ、９ｅを両端部に有する積層炭素繊維シート２５を形成する。

次に、図８（ａ）に示すように、積層炭素繊維シート２５の上に、ハンプ部５ｃ、５ｅ並びにドロップ部５ｄを構成するための樹脂部９ｂ、９ｃ及び９ｄをそれぞれ敷設する。その後、図８（ｂ）に示すように、敷設された樹脂部９ｂ、９ｃ及び９ｄを覆うように、先ほどとは逆に、１１層の外層である１０層から最表層である１層へ向かい、配向角９０°、０°、９０°、０°、９０°、０°、９０°、０°、＋４５°および−４５°の順に炭素繊維シートを積層する。すなわち、積層炭素繊維シート２５は、厚み方向の中央を境にして、対称になるように、各炭素繊維シート２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが所定の順序で積層される。なお、この際にも、両端には、端部２６、２７が金型よりはみ出す。

次に、図９（ａ）に示すように、金型２０を金型Ａ２０ａと金型Ｂ２０ｂに分離し、積層炭素繊維シート２５から金型Ａ２０ａと金型Ｂ２０ｂを抜き取る。なお、前述したように、金型２０の外周面上に積層された積層炭素繊維シート２５は、金型２０の外周面形状に倣い略リム部５の形状に賦形されている。

次に、図９（ｂ）に示すように、積層炭素繊維シート２５の端部２６、２７を、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように処理する。なお、図１０（ａ）は端部２６、２７の処理前、図１０（ｂ）は端部２６、２７の処理後の状態を示す部分断面図である。図１０（ａ）に示すように、積層炭素繊維シート２５の左端部となっている端部２６及び積層炭素繊維シート２５の右端部となっている端部２７を、樹脂部９ｂ、９ｃ及び９ｄを芯として径方向の内側へ折り曲げる（図中矢印Ｆ）。そして、図１０（ｂ）に示すように、折り曲げられた端部２６、２７で樹脂部９ｂ、９ｃ及び９ｄを囲い込むように折りたたみ、炭素繊維シートで包み込まれた樹脂部９ｂ、９ｃ及び９ｄを両端部に有する積層炭素繊維シート２５を形成する。

次に、積層炭素繊維シート２５に再び金型２０を装着し、この積層炭素繊維シート２５にフィルム等を被せ、内部を真空にしてシート材に含まれる樹脂の硬化処理を実施し、必要な部位に貫通孔１３を形成することで、リム部５が完成する。

なお、前述したように、上記工程における樹脂部９ａ及び９ｅに対応する部位が、硬化処理後にリム部５のフランジ部５ａ、５ｇとなり、樹脂部９ｂ、９ｄ及び９ｃに対応する部位が、ハンプ部５ｃ、５ｅ並びにドロップ部５ｄとなる。すなわち、結合部５ｈを含む、リム部５における厚みの厚い部位には、複数の炭素繊維層（炭素繊維シート）のうち２の炭素繊維層の間に設けられた樹脂を主体とする樹脂部が配置される。なお、各樹脂部は必ずしも必要ではない。

リム部５の結合部５ｈにおける強度を評価するため、当該結合部５ｈを模すように形成した炭素繊維層の積層構成を変えたＣＦＲＰ積層板を作成し、それぞれのＣＦＲＰ積層板のせん断強度を測定した。図１１は、試験方法を示す図である。まず、所定の積層構成で積層したＣＦＲＰ積層板３０を準備した。積層する炭素繊維層は、東レ製の炭素繊維Ｔ８００（製品名）一方向プリプレグ炭素繊維シートを用いた。ＣＦＲＰ積層板３０のサイズは、幅２５ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ１．６ｍｍとした。また、ＣＦＲＰ積層板３０の積層構成は、表１に示したｎ＝０〜５とし、図２に示したせん断主軸Ｂに相当する下記試験の引張方向（ＣＦＲＰ積層板３０の長手方向）に繊維群が沿うよう炭素繊維層ａを配置し、その配向角を０°とした。なお、ｎ＝１〜４の積層構成の場合が本発明の範囲内である実施例に該当し、ｎ＝０および５の積層構成の場合は本発明の範囲外である比較例に該当する。

ＣＦＲＰ積層板３０の端部を一対のアルミニウム板３１で挟み込んだ。アルミニウム板３１は、ＪＩＳ ＡＣ４ＣＨ材であり、幅２５ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ１．６ｍｍとした。なお、アルミニウム板３１とＣＦＲＰ積層板３０のラップ長Ｉは２５ｍｍとした。

アルミニウム板３１とＣＦＲＰ積層板３０のラップの略中央において、ＣＦＲＰ積層板３０に孔３０ａを設け、アルミニウム板３１に孔３１ａを設けた。孔３０ａ、３１ａは、８φとした。アルミニウム板３１とＣＦＲＰ積層板３０のラップ部において、孔３１ａ、３０ａ、３１ａは一直線上に並び、孔３０ａ、３１ａへカラー３５を挿通し、さらに、カラー３５へボルト３３を挿通した。ボルト３３は、ワッシャ３７とナット３９とで固定した。なお、カラー３５の材質はＳ４５Ｃ、ボルト３３、ワッシャ３７、ナット３９はＳＵＳ３０４とした。また、ボルト３３はＭ６を用い、トルク９Ｎ・ｍで締めこんだ。

この状態で、ＣＦＲＰ積層板３０とアルミニウム板３１とをそれらの長手方向に沿い互いに逆方向に引っ張り（図中矢印Ｇ）、荷重と変位とを測定した。

得られた荷重−変位曲線に基づいて、荷重負荷初期の直線領域（弾性変形領域）から外れた点を、初期損傷発生点として定義した。すなわち、荷重負荷初期の直線領域（弾性変形領域）から外れた荷重を、初期クラックが発生した荷重とみなし、この初期損傷発生点の荷重をＬ、ＣＦＲＰ積層板３０の板厚をｔ、孔３０ａの直径をｄとしたとき、Ｌ／（ｔ×ｄ）で算出される面圧応力で比較した。結果を表２に示す。

表の「０／９０比率」は、炭素繊維層の積層方向の断面における、全ての炭素繊維層に対する配向角０°／９０°の炭素繊維層ａ，ｂの比率であり、「±４５比率」は、炭素繊維層の積層方向の断面における、全ての炭素繊維層に対する配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄの比率である。また、「面圧応力」は、ｎ＝０〜５のそれぞれの積層構成のＣＦＲＰ積層板３０の、前述した初期損傷発生時の応力であり、「面圧応力比」は、ｎ＝５のＣＦＲＰ積層板３０の初期損傷発生時の面圧応力を１とした際のｎ＝０〜４のそれぞれの初期損傷発生時の面圧応力の比である。

図１２は、±４５比率に対する面圧応力比を示したグラフである。図より、ｎ＝１〜４の場合、すなわち±４５比率が２０％〜８０％の際に、面圧応力比がｎ＝５の場合に較べ１．５倍以上と高くなった。したがって、前述した結合部５ｈにおける炭素繊維層ａ〜ｄの積層方向の断面において、配向角−４５°／＋４５°の炭素繊維層ｃ、ｄが全ての炭素繊維層に対して２０〜８０％を占めるようにすることで、高い接合強度を確保することができることが判った。特に、±４５比率が４０％の際に、最も面圧応力比が高くなった。一方で、本発明の範囲外である、０／９０比率が１００％のｎ＝０の場合、±４５比率が１００％のｎ＝５の場合には、面圧応力比が低く、接合強度が劣ることが判った。

なお、同様の評価は、試験片の幅を４０ｍｍに代えても同様の傾向であった。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………車両用ホイール
３………ディスク部
３ａ………ハブ部
３ｂ………スポーク部
５………リム部
５ａ、５ｇ………フランジ部
５ｂ、５ｆ………ビードシート部
５ｃ、５ｅ………ハンプ部
５ｄ………ドロップ部
５ｈ………結合部
７………ボルト
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ………樹脂部
１１………樹脂被覆部
１３………貫通孔
１５………雌ネジ部
２０………金型
２０ａ………金型Ａ
２０ｂ………金型Ｂ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ………炭素繊維シート
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２６、２７………端部
３０………ＣＦＲＰ積層板
３０ａ、３１ａ………孔
３１………アルミニウム板
３３………ボルト
３５………カラー
３７………ワッシャ
３９………ナット

Claims (4)

1. 炭素繊維強化樹脂で形成された略円環形状のリム部と、前記リム部に結合されたディスク部とを有する車両用ホイールであって、
   前記リム部と前記ディスク部とを結合する機械的結合要素を有し、
   前記リム部は、複数の炭素繊維層が積層されて形成され、前記機械的結合要素が挿通される貫通孔が形成された結合部を有し、
   前記結合部では、
   せん断主軸に沿う方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ａと、
   前記炭素繊維層ａの繊維群に対し略直交し、前記リム部の略軸方向に沿った一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｂと、
   前記炭素繊維層ａおよび前記炭素繊維層ｂのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｃと、
   前記炭素繊維層ａ、前記炭素繊維層ｂおよび前記炭素繊維層ｃのいずれの繊維群に対しても交差するように配置された、一方向に引き揃えられた繊維群を有する炭素繊維層ｄとが、積層されており、
   それぞれの前記炭素繊維層の積層方向における断面において、前記結合部では、前記炭素繊維層ｃおよび前記炭素繊維層ｄが全ての前記炭素繊維層に対して２０〜８０％を占めることを特徴とする車両用ホイール。
2. 前記繊維群の方向が同一の前記炭素繊維層の連続積層数が最大２層であることを特徴とする請求項１記載の車両用ホイール。
3. 前記炭素繊維層ｃまたは前記炭素繊維層ｄは、前記炭素繊維層ａを介し前記炭素繊維層ｂに積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用ホイール。
4. 前記結合部の表部では、前記炭素繊維層ｃおよび前記炭素繊維層ｄが積層されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の車両用ホイール。

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