JP4455951B2

JP4455951B2 - 回転補助翼付きの車両用ホイール

Info

Publication number: JP4455951B2
Application number: JP2004228685A
Authority: JP
Inventors: 一郎島
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: JP2006044474A

Description

本発明は、自動車その他の、ある程度の速度で走行する車両に用いられるホイールに関する。特には、タイヤ等の転がり抵抗を実質上低減させて、低燃費化を実現できるホイールに関する。

近年、自動車の低燃費化に対する社会的要請が高まり、タイヤの転がり抵抗を低減させる低燃費化技術の開発が盛んに行なわれている（例えば特許文献１〜３）。タイヤの転がり抵抗は、粘弾性体であるゴムとタイヤコードとからなるタイヤが、たわみながら回転することによる抵抗であり、エネルギーロスを発生させる。

この転がり抵抗を低減させるためには、タイヤ回転時に生じるタイヤ全体の変形を抑えるか、または、路面接触の際に生じる繰り返し圧縮運動によるエネルギーロスを抑える必要がある。このためには、タイヤの形状や構造（プロファイル）を最適化するか（特許文献３など）、または、ゴム配合組成を最適化する検討が行われている。タイヤの転がり抵抗を低減させたならば、特には、高速道路走行時といった定常速度走行時における車両の低燃費化に大きく寄与できる。

しかし、これら従来の方法では、転がり抵抗の改善のために、耐摩耗性やウェット性能といった他の性能の低下を招くことが多かった。例えば、補強剤であるカーボンブラックの配合量を減らすといった方法では、耐摩耗性の低下を招くおそれがあった。

一方、ホイール中に吸振構造を設けることにより、転がり抵抗を低減することも試みられている（特許文献１〜２）。リムを備えた第１のディスクと、車両への取り付け部を備えた第２のディスクとを、ゴム部材を介して結合するというものである。このような構造により、タイヤが転動する際の変形・歪みの抑制と、これによるヒステリシスロスの低減が図られている。しかし、この場合、舗装状態の良好な路面を定常速度で走行する場合の転がり抵抗の低減はあまり期待できない。

他方、航空機用車輪においては、着陸時の摩耗を軽減すべく、着地前に車輪の回転を開始させるための回転力生成翼をホイールキャップ等に設けることも提案されている（特許文献４）。しかし、この回転力生成翼は、車両を定常走行させるための車輪に設けられたものでなく、走行時の低燃費化を実現するものでない。
特開２００３−２６０９０２特開２００１−８８５０６特開２００４−９８８３８特開２００２−１５４４８５

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、他の性能の低下を招くことなく定常走行時の低燃費化を実現できる車両用ホイールを提供しようとする。

本発明の車両用ホイールは、外面に、車両走行時に空気流から受ける力を回転駆動力に変換する複数の回転補助翼が設けられ、ホイール周方向に均等に分布することを特徴とする。

本発明の好ましい態様によると、前記回転補助翼が、車両走行時に上端位置から下端位置へと移るにしたがって、車両走行方向から見た場合の面積が増大するように設けられる。このようであると、車両回転軸の上側で空気抵抗により車両の走行を妨げる回転力の生成をなるべく小さくするとともに、車両回転軸の下側で、車両の走行を促進する回転力の生成を大きくできる。したがって、全体として、容易に、補助的な回転駆動力を生成し、低燃費化または低動力化を実現できる。

本発明の他の好ましい態様によると、前記回転補助翼は、回転方向の前面に向かって凸の形状をなし、回転方向の後面が凹面または前記前面に比べて扁平な面をなす。

転がり抵抗を実質上低減させて、低燃費化または低動力化を実現できる。

実施例１について、図１〜６を用いて説明する。図１は、実走行状態における実施例のホイール２及びその周辺の構造を示す模式的な外観斜視図である。図２は、回転補助翼の形態をタイヤから取り外した状態で示す平面的な斜視図である。また、図３は、図１の状態について示す模式的な垂直方向断面図である。

図１〜３に示すように、ホイール２の左右に備えられたホイールキャップ２６の外面には、ホイールの径方向及び回転軸方向に沿って延びる略平板状の回転補助翼２１が設けられている。図示の例によると、左右の各ホイールキャップ２６の外面には、４個の回転補助翼２１-1〜２１-4が、周方向に均等に分布するように設けられている。ここで、このホイールキャップ２６は、ホイール本体に、ネジ止め等により回転不能に取り付けられたものである。

図２〜３に示す例で、各回転補助翼２１は、ホイール径方向に延びる１枚の矩形状のゴムシート２２と、ゴムシート２２のホイール径方向内側の縁部をホイールキャップ２６から支持する固定棒２３と、ゴムシート２２のホイール径方向外側の縁部に接続する可動棒２４とからなる。ゴムシート２２は、タイヤ半径方向の両縁部２２Ｂが円柱状であり、これらの間に均等な厚みのゴムシート本体２２Ａが掛け渡された状態となっている。また、固定棒２３及び可動棒２４は、図示の例で１本の直線状の細い丸棒であり、ゴムシート２２の円柱状縁部２２Ｂの芯をなす芯部２３Ｂ，２４Ｂと、根部２３Ａ，２４Ａとからなる。固定棒２３の根部２３Ａは、ホイールキャップ２６に、溶接またはネジ止めなどにより接続される。これに対し、可動棒２４の根部２４Ａは、芯部２４Ｂよりも格段に径の大きい短円筒状であり、鉄等の密度の大きい材料から形成されて、比較的大きな質量を有する。

可動棒２４の根部２４Ａと、固定棒２３の根部２３Ａとの間に、鋼等からなるコイル状のバネ２９が掛け渡されている。可動棒２４の根部２４Ａは、ホイールキャップ２６に設けられたガイド構造によりホイール径方向に案内されており、バネ２９及びゴムシート２２の弾性力と、可動棒２４の根部２４Ａが受ける重力及び遠心力との作用を受けて、これらの力が均衡する位置へと、逐次移動する。車両走行中に、図３中に示すように回転補助翼２１が上端位置に来た場合には、可動棒２４の根部２４Ａの重力が、遠心力の作用を打ち消すかまたは上回る。そのため、バネ２９及びゴムシート２２は、ホイール径方向の長さが、外力を受けない場合の寸法またはこれより少し小さな寸法となる。

一方、図３中に示すように回転補助翼２１が下端位置に来た場合には、可動棒２４の根部２４Ａの重力と遠心力とを合わせた力により、バネ２９及びゴムシート２２がホイール径方向に引き伸ばされる。以上のようにして、空気流を受ける回転補助翼２１の面積は、上端位置付近で小さくなり、下端位置付近で大きくなる。回転補助翼２１は、ホイール２の下方で車輪の回転駆動を促進する作用を行い、ホイールの上で車輪の回転駆動を阻害する逆方向の回転力を生成するが、回転補助翼２１の面積が上記のように変化することにより、全体として回転駆動を促進する回転補助力を生成するように設計されている。

図示の例で、可動棒２４の根部２４Ａ及び固定棒２３の根部２３Ａは、ホイールキャップ２６の内面側に突き出しており、したがって、バネ２９もホイールキャップ２６の内面側に配されている。また、ホイールキャップ２６を貫くスリット２７が、ホイール径方向のガイド構造をなしている。

ゴムシート２２は、タイヤを構成するゴム組成物に類似のゴム組成により設けることができる。例えば天然ゴム、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の樹脂にカーボンブラック等の補強剤及び劣化防止剤を配合した組成により設けることができる。一方、固定棒２３及び可動棒２４は、一般鋼、ステンレス鋼、アルミ合金その他の金属で設けることができる他、繊維強化プラスチックの成形物などにより設けることができる。

具体例において、ホイール２は、トラック、バスまたは軽トラックに用いられるものであり、リム径が２０インチである。すなわち、回転軸からリム先端までの半径が０．２５４ｍである。これに装着されるタイヤ１は、例えばTOYO 12.00 R 20 14PRである。回転補助翼２１のホイール径方向の中心位置（重力及び遠心力による伸長がないとした場合の中心位置）は、例えば、回転軸を中心としたタイヤの半径（Ｒ）の１／５の個所にある。回転補助翼２１のゴムシート２２は、ゴムシート本体２２Ａの厚みが１ｍｍであり、固定棒２３と可動棒２４との間の間隔Ｗが５ｃｍ、ホイールキャップ２６外面から垂直方向に突き出す寸法Ｈが３ｃｍである。ここでの間隔Ｗは、遠心力及び重力が作用しないときの値である。

以下に、図４〜５を用いて、上記実施例の回転補助翼２１が生成する回転補助力について行ったシミュレーションについて説明する。ここでは、タイヤの回転軸からトレッド面に至るタイヤ半径Ｒを０．３ｍ、回転補助翼２１の中心位置がタイヤ半径Ｒの１／５の個所とし、車両が時速６０ｋｍ（１６．６７ｍ／ｓｅｃ）で走行する場合を想定した。また、錘（おもり）としての、可動棒２４の根部２４Ａの質量が０．０１ｋｇであるとした。

上記実施例のような回転補助翼２１が、ホイール２の外面に１個のみ設けられていると仮定して、錘（おもり）としての、可動棒２４の根部２４Ａに作用する力（遠心力＋重力）を試算すると次のとおりである。ここでは遠心力方向を負とし、路面４から最も遠い上端位置からの回転角度θに対する関数として示した。なお、下記数式においてabs(cosθ)はcosθの絶対値である。

θ=-90〜+90°：F(θ)=(-1) x 0.01 x (16.67/5)2/(0.3/5) ＋ 0.01 x 9.8 x abs(cosθ)
θ＝90〜270°：F(θ)=(-1) x 0.01 x (16.67/5)2/(0.3/5) − 0.01 x 9.8 x abs(cosθ)
さらに、バネ２９及びゴムシート２２の全体としてのバネ定数Ｋが181N/mであるとすると、回転補助翼２１が下端位置に来たときの固定棒２３と可動棒２４との間の間隔Ｗは約０．１０５ｍであり、下端位置に来たときの間隔Ｗが０．０９５ｍである。したがって、上端位置から下端位置に至る間の寸法変化は約１０ｍｍである。ホイール径方向の寸法がこのときの上下端位置間での面積変化率は約１０％となる。ここで、面積変化率（％）は、次式により得られる値である。

面積変化率（％）＝（１−下端位置での走行方向への投影面積
÷上端位置での走行方向への投影面積）×１００
図４に示すシミュレーション結果から知られるように、回転角θが90〜270°の間に生じる正の回転駆動力は、回転角θが-90〜+90°の間に生じる負の回転駆動力よりも大きい。したがって、全体として回転駆動を補助し、タイヤの転がり抵抗を低減させるような効果を発揮する。

図５には、上記と同様のシミュレーションにおいて、回転補助翼２１の中心位置が、タイヤ径の１／３の個所にあるとした場合の結果について示す。回転角θが90〜270°の間に生じる正の回転駆動力は、回転角θが-90〜+90°の間に生じる負の回転駆動力にほぼ等しい。このことから、面積変化率が約１０％となるような条件では、回転補助翼２１の中心位置が、タイヤ径の１／３より内側の領域に位置する場合にのみ、全体として、正の駆動回転力が生成することが知られる。

ホイールの径は、一般にタイヤ径の約１／３〜２／３である。そのため、装着される預タイヤの径に比べてリム径の小さいホイールの場合、リムに近い個所に可動棒２４のスリット２７の外側端が位置するような構成であっても良い。ホイールの径がタイヤ径の約１／２〜２／３である場合、各回転補助翼２１は、ホイール径方向の中心位置が、ホイール半径の例えば１０〜７０％の領域内に設定することができる。回転補助翼２１が充分にホイール径方向内側にある場合、面積変化率が約５％であっても回転補助効果を発揮できる。面積変化率は大きい方が好ましいが、固定棒２３及び可動棒２４の面積があることから、理論的にも約９０％が限界である。

表１には、前述した具体例と同様のホイールを用いた場合について、回転補助翼２１の位置、数、面積変化率を段階的に変化させた場合の、タイヤの実質的な転がり抵抗をシミュレーションにより求めた結果を示す。ホイールに装着するタイヤは、TOYO 12.00 R 20 14PR（リムサイズ20inch×7.50inch）であり、ホイールの本体もこれに適した標準的な形態のものである。一方、回転補助翼の寸法は、上記具体例と同一であるとした。すなわち、ゴムシート２２が矩形状をなし、固定棒２３と可動棒２４との間の間隔Ｗが５ｃｍで、突出寸法Ｈが３ｃｍであるとした。回転補助翼２１の中心位置は、回転軸からの距離を基準に、タイヤ径の３８％または２０％（１／５）であるとし、ホイール片面における回転補助翼２１の数は、４個または８個とした。なお、表１中において、転がり抵抗は、回転補助翼を設けなかった場合の値を１００とする指数で示す。なお、ホイールに回転補助翼のない場合のタイヤ（TOYO 12.00 R 20 14PR）の転がり抵抗は、ドラム式転がり抵抗試験機により、タイヤ空気圧700kPa、荷重24.5kN、測定温度25±1℃の条件で測定したものであり、シミュレーションは、この条件で回転補助翼が及ぼす影響を算出したものである。

表１に示すように、回転補助翼２１の中心位置とホイール回転軸２８との間の距離がタイヤ外寸半径の３８％である場合、回転補助翼の面積変化率が１０％であるなら、タイヤの実質上の転がり抵抗が１〜２％低下した。実施例1-1と1-2との比較から知られるように、４枚配置する場合よりも、８枚配置する方が効果は大きい。

一方、実施例2-2の結果から知られるように、回転補助翼の位置が、ホイール回転軸２８に近接した場合、回転補助翼の面積変化率が５％という比較的小さい値であっても、同様の転がり抵抗低減の効果が得られた。

図６には、変形例１のホイール及びその関連構造について模式的に示す。本変形例では、可動棒２４の根部２４Ａ’、すなわち錘の個所が磁石をなしている。車体のフェンダー部に、可動棒２４の根部２４Ａ’と反発し合う磁性を帯びた磁性体５を配置するならば、下方への磁力により、面積変化率を大きくすることができる。図示の例では、可動棒２４の根部２４Ａ’及びフェンダー部の磁性体５のいずれもがＮ極となっている。このような構成により、回転補助翼２１が上端位置付近に来た場合には、反発磁性により可動棒２４がその下方の固定棒２３の方へと押されることで回転補助翼２１の面積が、より小さくなる。一方、回転補助翼２１が下端位置付近に来た場合には、反発磁性により可動棒２４がその上方の固定棒２３から引き離され、回転補助翼２１の面積が、より大きくなる。

図７には、変形例２のホイール２’及びその回転補助翼２１’について示す。変形例の回転補助翼２１’は、上記実施例と同様の構成において、比較的肉厚のゴムシート２２’及びその両端の固定棒２３’及び可動棒２４’が、タイヤ回転方向の後方へと滑らかに湾曲している。回転補助翼２１’の断面形状は、例えば、低速の風を用いて発電等を行うための「サボニウム型」の風車の羽根と同様とする。このような構成であると、面積変化率が小さくとも、車両走行中に受ける空圧は、車輪の回転軸の下方側で大きく、回転軸の上方側で大きくなる。したがって、タイヤ回転方向の駆動力が得られる。

実走行状態における実施例のホイール及びその周辺の構造を示す模式的な外観斜視図である。回転補助翼の形態をホイールから取り外した状態で示す平面的な斜視図である。実走行状態における実施例のホイール及びその周辺の構造を示す模式的な垂直断面図である。回転補助翼の中心位置が、回転軸から、タイヤ径の１／５だけ離れた個所にある場合についての、回転補助翼の回転位置と、回転駆動力との関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。回転補助翼の中心位置が、回転軸から、タイヤ径の１／５だけ離れた個所にある場合についての、図４と同様のグラフである。変形例１のホイール及びその関連構造について示す模式的な外観図である。変形例２のホイールにおける回転補助翼の構造を示す模式的な外観斜視図である。

符号の説明

１タイヤ１５トレッド
２車両用ホイール２１-1〜２１-4 回転補助翼
２２ゴムシート２３固定棒
２３Ａ固定棒の根部２４可動棒
２４Ａ可動棒の根部（錘）２５リム
２６ホイールキャップ２７可動棒の根部２４Ａを案内するスリット
２８ホイール回転軸２９コイル状のバネ
３車両４路面

Claims

トラック、バス、軽トラック、または、その他の自動車に用いられる車両用ホイール(2)であって、
外面に、車両走行時に空気流から受ける力を回転駆動力に変換する複数の回転補助翼(21-1〜21-4)が、ホイール周方向に均等に分布するように設けられ、
前記回転補助翼(21)が、車両走行時に上端位置から下端位置へと移るにしたがって、車両走行方向から見た場合の面積が増大するように設けられたことを特徴とする車両用ホイール。
前記回転補助翼(21)は、下端位置を基準とした前記面積の変化率が５〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の車両用ホイール。
前記各回転補助翼(21)が、ホイール径方向に整列された複数の棒状部材(23,24)と、これらの間に掛け渡された弾性の板状部材(22)とからなり、一の前記棒状部材(23)がホイール(2)の外面に固定され、他の前記棒状部材(24)がホイール径方向に沿って移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ホイール。
前記回転補助翼(21')は、回転方向の前面に向かって凸の形状をなし、回転方向の後面が凹面または前記前面に比べて扁平な面をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ホイール。
ホイール(2)の上端部が、車体のフェンダー部の内側に位置することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の車両用ホイール。