JP5115195B2 - 車両用ホイール - Google Patents

Description

本発明は、重量バランスが調節された車両用ホイールに関し、特にタイヤ内の空気圧を検出するTPMS（直接式タイヤ空気圧警報システム）を設けた時の重量バランスが調節された車両用ホイールとその製造方法、及び車両用ホイール用の旋盤加工装置に関する。

自動車のロードホイールには種々の材質及び構造のものがあるが、軽量化及び外観や意匠性の向上を目的として、アルミホイール等の軽合金製のホイールの使用比率が増大している。軽合金製ホイールは、低圧鋳造法やグラビティ鋳造法による鋳造、及び旋盤加工によって製造される。

自動車の足回りにおける最近の技術として、タイヤの内圧を常に監視するためのTPMSがあり、これを装着した車両用ホイールが欧米を中心に販売されており、特に高級車に使用されてきている。通常バルブ穴に装着されたTPMSが、タイヤの内圧を常に監視することにより、自動車の安全走行を確保する。TPMSは、それ自体の重量が数十グラムあるため、単に従来のホイールに装着すると重量バランスを狂わせてしまう。よってTPMSを装着するには専用のホイールを製造し、重量バランスを調整する必要がある。

ホイールのディスク面の形状を変更することにより重量バランスを調整する方法として、例えば特開2002-166704号は、ディスク面に複数設けられる開口部を場所によって異なる大きさとすることにより、重量バランスを調整する方法を記載している。しかしディスク面の開口部の大きさを変えることは、デザイン上大きな制約となる。またTPMSを装着する車両用と装着しない車両用に２種類の車両用ホイールを製造しなければならないため、２種類の鋳造用金型が必要となり、金型交換による手間や歩留まりの低下が避けられず、経済性の悪化が問題であった。

別のホイールの重量バランス調整法として、ディスク面の裏側の鋳抜き部に、一部駄肉を設けて局所的に重くする方法もある。特開2002-166705号は、素形材の状態で所望の重量の肉付け部又は肉抜き部を局部的に設けることにより、重量バランスを調整する方法を記載している。この技術も上記と同様、２種類の鋳造用金型が必要となり、経済性や生産効率の悪化を招いた。

さらに別のホイールの重量バランス調整法として、リム部でバランスを取ることが検討されている。特開2002-166702号は、中心軸を偏心させた旋盤加工によりリム部の外周面又は内周面を偏心加工し、肉厚を変動させてバランスを取る方法を記載している。この方法は、旋盤加工によってバランス調節を行うため、鋳造用金型が１種類で済み、生産性が良いが、旋盤加工の中心軸を偏心させるには旋盤加工機にホイールを固定し直さなければならず、工程が複雑化する。また鋳造ホイールは溶体化処理後に水焼入れを行うため、リムやディスク部の面が歪みやすく、常に同じ状態で旋盤加工機に固定するのは非常に困難である。またTPMS分のバランスを取るために偏心させる中心軸の距離は僅かであり、この距離を寸分の狂いなく旋盤加工機で出すのは非常に難しい。旋盤加工機の固定板全体をずらして中心軸を偏心させることも考えられるが、旋盤加工機の回転板の重心が旋盤加工の回転中心軸とずれるため、加工中に振動が発生し、リム部の真円度が不足する。

従って本発明の目的は、TPMSの有無にかかわらず１種類の鋳造用金型で製造でき、かつ容易に重量バランスを調整できる車両用ホイール及びその製造方法、並びにかかるホイールの旋盤加工装置を提供することである。

上記目的に艦み鋭意研究の結果、本発明者らは、車両用ホイールのバルブ穴に比較的重い部品を装着するために、ディスク部より形状が単純で加工の容易なリム部に、周方向で局部的に偏厚部又は偏薄部を旋盤加工で形成することにより、重量バランスを簡単かつ確実に調整することができることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の車両用ホイールは、バルブ穴に比較的重い部品を装着するために重量バランスを調節したもので、前記部品を装着した後の前記ホイールの重心がその中心軸に位置するように、リム部に周方向に局部的な偏厚部又は偏薄部を有することを特徴とする。

前記偏厚部又は偏薄部は前記リム部に周方向になめらかに接続するのが好ましい。

前記偏厚部又は偏薄部は、ほぼ同じ肉厚の平坦部とその周囲の傾斜部とを有するのが好ましい。

前記偏厚部は、前記中心軸に関して前記バルブ穴にほぼ対象となる位置に設けられているのが好ましい。また前記偏薄部は、前記バルブ穴の周辺に設けられているのが好ましい。

前記ホイールは一体鋳造品であるのが好ましい。前記リム部の内周面及び外周面は同軸的であるのが好ましい。

バルブ穴に比較的重い部品を装着するために重量バランスを調節した車両用ホイールを製造する本発明の方法は、前記ホイールのリム部を旋盤加工する際、前記ホイールが所定の回転位置になった時に切削工具を前記ホイールの径方向に移動させ、前記リム部に偏厚部又は偏薄部を設けることを特徴とする。

バルブ穴に比較的重い部品を装着するために重量バランスを調節した車両用ホイールを製造する本発明の旋盤加工装置は、鋳造したままのホイールを固定した状態で回転する把持部と、前記鋳造したままのホイールのリム部を切削する工具と、前記切削工具を前記ホイールの径方向に移動させる機構とを有し、前記鋳造したままのホイールの回転位置に応じて、前記切削工具を前記鋳造したままのホイールの径方向に移動させ、もって前記リム部に周方向に局部的な偏厚部又は偏薄部を形成する。

前記切削工具移動機構がカム機構であるのが好ましい。

本発明の車両用ホイールは、リム部の外周面又は内周面に偏厚部又は偏薄部を有するため、TPMSを装着した場合に優れた重量バランスを示す。また本発明の車両用ホイールは偏厚部又は偏薄部を除けば通常のホイールと同じ形状を有するので、同じデザインでTPMSを装着するものとしないものの両方の設計が可能である。偏厚部又は偏薄部は、リム部の旋盤加工の際に形成できるため、工程数が増えることもなく、かつ１つの鋳造用金型だけで良いので、経済的に有利である。さらにリム部の同軸的切削が可能であるので、旋盤加工装置の回転機構の重量バランスが狂うこともなく、真円度等の加工精度が高い。

本発明の第一の実施態様による車両用ホイールを示す断面図である。 本発明の第二の実施態様による車両用ホイールを示す断面図である。 本発明の第三の実施態様による車両用ホイールを示す断面図である。 本発明の第四の実施態様による車両用ホイールを示す断面図である。 図１(a)のA-A断面図である。 図１(c)のB-B断面図である。 本発明の一実施態様による旋盤加工装置の要部を示す概略図である。 鋳造したままのホイールと切削工具駆動装置との関係を示す概略図である。 カムの形状を示す概略図である。 偏厚部をその曲率を誇張して示す部分断面図である。 本発明のさらに別の実施態様による車両用ホイールを示す部分断面図である。 図８(a)のD-D拡大断面図である。 横型内の鋳造したままのホイールを示す平面図である。 横型を開放した時の鋳造したままのホイールの形状を示す部分断面平面図である。

[1] 車両用ホイールの構造
TPMSを装着したときの重量バランスの調整を可能にするため、本発明の車両用ホイールは中心軸から重心位置がずれるようにリム部に偏厚部又は偏薄部を有する。ここで、用語「偏厚部」は局部的に厚肉の部分を意味し、用語「偏薄部」は局部的に薄肉の部分を意味する。偏厚部の場合について以下詳細に説明するが、特に断りがなければその説明は偏薄部にも適用できる。

偏厚部は旋盤加工により形成できるので、本発明の車両用ホイールは設計の自由度が大きい。以下本発明の車両用ホイールの形状を図面を参照して詳細に説明するが、同じ部分には同じ参照番号を付与し、重複する説明は省略する。従って、ある実施態様でした説明は、特に断りがなければ他の実施態様にも適用できる。

(1) 第一の実施態様
図１(a)及び図２は本発明の第一の実施態様による車両用ホイール10aを示す。このホイール10aはスポークタイプのディスク部11を有するが、フィンタイプ又はメッシュタイプのディスク部でもよい。ホイール10aは、ボルトとナットにより車軸に取付けられる厚肉のハブ部11a及びスポークタイプ等の各種のデザインを有するデザイン部11bを有するディスク部11と、タイヤが装着される薄肉のリム部12とから構成される。ハブ部11aには車軸と連結するための貫通孔13を有する。リム部12は、中央のリム胴部12aと、リム胴部12aの両側（軸線方向端部）のアウタービードシート部17a及びアウターフランジ18aと、インナービードシート部17b及びインナーフランジ18bとからなる。ビードシート部17a，17bは密封のためにタイヤと接触する面である。リム部12にはバルブ穴14が設けられており、バルブ穴14の近傍にTPMS 15が装着される。

この実施態様では、リム部12の外周面で、アウタービードシート部17aとリム胴部12aとの接続領域に偏厚部16aが形成されている。偏厚部16aは、例えば図７に誇張して示すように、その端部Rは徐々に勾配を変えてリム部12に滑らかに接続する形状を有する。そのため、応力集中が起こりにくく、かつタイヤをはめ込む時も引っかかりがない。偏厚部16aは、中心Cに関してTPMS 15の位置と対称の位置に設けられている。このようにリム部12aに偏厚部16aを設けるので、リム部12aの内外周面は同心円状に旋盤加工して良い。

偏厚部16aの円周方向幅を中心角θで表すと、中心角θは180°以内が好ましく、90°以内がより好ましく、60°以内がさらに好ましく、45°以内がさらに好ましく、10°以内がさらに好ましく、特に10°以内が好ましい。中心角θが小さくなるほど加工精度の管理が容易になる。ただし、偏厚部16aの中心角θが小さすぎると、偏厚部16aが厚くなりすぎ、タイヤを装着する時に邪魔になる。なお中心角θの下限は１°が好ましく、３°がより好ましく、５°が特に好ましい。

(2) 第二の実施態様
図１(b)に示す第二の実施態様による車両用ホイール10bは、リム胴部12aの外周面全体に偏厚部16bを有する以外、車両用ホイール10aと同じである。図示の例では偏厚部16bはリム胴部12aの軸線方向全域にわたって延在するが、偏厚部16bをリム胴部12aの一部の範囲に設けても良い。偏厚部16bの形状は適宜設定でき、例えば軸線方向を長くして周方向の幅を狭くしても良く、また軸線方向を短くして周方向の幅を広くしても良い。

(3) 第三の実施態様
図１(c)及び図３に示す本発明の第三の実施態様による車両用ホイール10cは、リム部12の内周面に偏厚部16cを有する以外、車両用ホイール10aと同じである。偏厚部16cはTPMS 15の位置と点対象の位置にあり、偏厚部16cの円周方向幅を表す中心角θは10°以内が好ましい。

(4) 第四の実施態様
図１(d)に示す第四の実施態様による車両用ホイール10dは、ほぼリム胴部12aの内周面全体に偏厚部16dを有する以外、車両用ホイール10aと同じである。

(5) 偏厚部の形状
偏厚部の形状は上記のものに限らず、例えば図８(a)及び図８(b)に示すように、平坦部とその両側の傾斜部とからなるものでも良い。中央を平坦部にすることにより、偏厚部16の加工精度の管理が容易になる。勿論、偏厚部16の各傾斜部は徐々に勾配を変えてリム部12及び平坦部に滑らかに接続するのが好ましい。

偏厚部の高さは0.5 mm以上であるのが好ましく、１mm以上であるのがさらに好ましい。ここで偏厚部の「高さ」は、図７に示すように、リム部12の外周面の半径Rrと、偏厚部16の頂点の半径Rpとの差t（Rp−Rr）である。偏厚部16がある程度の高さを持っていれば、バルブ穴14にTPMS等の比較的重い部品を装着すべきホイールを識別できるので好ましい。偏厚部16が高すぎるとタイヤを装着する時に邪魔になるので、高さは10 mm以内であるのが好ましい。

偏厚部16は、リム部12の内外周面のいずれに設けても良い。リム部12の外周面に設ける場合、偏厚部16はリム胴部12aに位置するのが好ましい。タイヤが装着されるビードシート部17a，17bに偏厚部16が設けられると、タイヤとホイールの密着性が悪くなる。一方、リム部12の内周面に偏厚部16を設ける場合、タイヤ装着後でも重量バランスの微調整のために偏厚部16を切削できるという利点がある。

偏厚部16は、中心Cに関してバルブ穴14にほぼ対象となる位置に設けるのが好ましい。この位置に設ける場合、偏厚部16は一つで済むが、それ以外の部分で重量バランスを取ろうとすると、複数箇所に偏厚部16を設けなければならない。

(6) 偏薄部の形状
偏薄部は偏厚部と逆に局部的にリム部を薄くすることにより設けることができる。偏薄部はバルブ穴14の周辺に設けるのが好ましい。偏薄部を形成する場合、偏薄部の強度を保つために、偏薄部以外のリム部を厚くする必要があり、軽量化の妨げになる。このため偏薄部より偏厚部を設ける方が好ましい。

(7) ディスク部の形状
ディスク部11のデザイン部11bはいかなる形状でも良く、例えばメッシュ形状、フィン形状、スポーク形状、ディッシュ形状等が可能であるが、中でもメッシュ形状及びフィン形状が好ましい。メッシュ形状及びフィン形状ではスポークの幅が狭いので、リム部に設けた偏厚部又は偏薄部による重量バランス調整は非常に有効である。

[2] 車両用ホイールの製造方法
本発明の車両用ホイールは、低圧鋳造方法等の一体鋳造法による鋳造工程、T6処理等の熱処理工程、得られたアズキャスト品（鋳造したままのホイール）のリム部に偏厚部又は偏薄部を形成するための旋盤加工工程、及び塗装・焼きつけ工程等により製造する。

(1) 鋳造工程
本発明のホイールは低圧鋳造法等により一体鋳造するのが好ましい。リム部を展伸材から作る場合、リム部の形成後に偏厚部又は偏薄部を形成する必要がある。鋳造したままのホイールは、リム部に必ず旋盤加工を施こすので、既存の製造ラインをそのまま使用できる。また以下の旋盤加工工程で偏厚部又は偏薄部を形成すれば良いので、TPMSを装着するホイールと装着しないホイールを同じ金型で鋳造することができる。

軽量化のために、本発明のホイールは、例えばJISに定めるAC4C，AC4CH等のアルミニウム合金により鋳造するのが好ましい。好ましいアルミニウム合金組成は、例えば、Si：6.5〜7.5質量％、Mg：0.25〜0.45質量％、Cu：0.2質量％以下、不可避不純物：１質量％以下、及び残部：Alである。

鋳造金型は下型、上型、及び左右の横型の主に４つの型からなる。図９(a)及び図９(b)に示すように、通常横型50，50の開きを容易にするため、鋳造したままのホイール10pのリム部12の外周面は、離型面50a，50aに近接する部分（図９(b)の点線で囲んだ部分10k）で他の部分より膨らみ、抜き勾配を有する。すなわち、鋳造したままのホイール10pのリム部12は、内周面が円形で外周面側はほぼ楕円形である。重量バランス調整のための偏厚部を、離型面50a，50aに近接する部分10kに設けるのが好ましい。

(2) 熱処理工程
鋳造したままのホイールに対しては、T6処理等の熱処理するのが好ましい。熱処理条件自体は公知のものを使用することができるので、詳細な説明は省略する。

(3) 旋盤加工工程
(a) 旋盤加工装置
図４に示すように、本発明の車両用ホイールを製造するための旋盤加工装置20は、鋳造したままのホイール10pを固定した状態で回転するチャック装置30と、鋳造したままのホイール10pのリム部12を切削する切削工具48をホイール10pの軸線方向及び径方向に移動させる切削工具駆動装置40とを具備する。チャック装置30は、装置本体32との間にホイール10pのアウターフランジ18aを把持するための爪部材31を有するクランプ33と、加工装置本体に連結する手段37とを有する。また切削工具駆動装置40はNC制御やカムを用いた駆動機構を有する。

図５はカム駆動機構を有する切削工具駆動装置40の一例を示す。切削工具駆動装置40は、垂直回転軸41と、垂直回転軸41と歯車を介して係合する水平回転軸42と、水平回転軸42の端部に設けられたカム43と、カム43に係合する垂直可動軸44と、可動軸44が連結する空圧シリンダー45と、空圧シリンダー45に弁を介して接続するポンプ46と、垂直可動軸44に固定された工具保持手段47と、工具保持手段47の先端に取り付けられた切削工具48とを具備する。空圧シリンダー45は垂直可動軸44を一定の圧力でカム43に押圧するための手段である。カム43のカム部43aの回転方向位置は、偏厚部が中心Cに関してバルブ穴14とほぼ対象の位置に形成されるように設定する。垂直回転軸41及び水平回転軸42はフレーム49に回転自在に支持されており、空圧シリンダー45はフレーム49に固定されている。フレーム49は三次元可動アーム（図示せず）に支持されている。

(b) 偏厚部の形成工程
ホイール10pのアウターフランジ18aを把持したチャック装置30を回転させた状態で三次元可動アームを駆動し、切削工具48をホイール10pのリム部12に沿って移動させる。このようにしてリム部12の内周面及び外周面を同軸的に切削加工する。図５に示す例では、切削工具48がアウタービードシート部17aとリム胴部12aとの接続領域内で、ホイール10pのバルブ穴14の反対側部分に到達すると、チャック装置30に設けられた角度センサーからの信号により水平回転軸42が回転し、図６に示すように、カム43のカム部43aが垂直可動軸44の先端と接触して、切削工具48が上昇する。カム部43aの凸面形状に応じて切削工具48が上昇するので、その分だけ切削深さが小さくなり、偏厚部16が形成される。カム部43aの上記回転方向位置のために、偏厚部16は中心Cに関してバルブ穴14とほぼ対象の位置に形成される。切削工具48が偏厚部16の形成領域を通過すると、水平回転軸42の回転が停止し、以後は同じ深さでリム12を切削する。

リム部12に偏厚部を精確に形成するため、三次元可動アーム、垂直回転軸41及びチャック装置30のいずれもコンピュータ制御により駆動するのが好ましい。なおディスク部の裏面も切削加工し、またハブ穴やボルト穴をドリルにより形成する。その後、別のチャック装置を用い、ホイール10pのインナーフランジ18bの端面を固定し、残ったアウターフランジ18aの周辺を切削加工する。

上記旋盤加工装置により、リム部12の内周面及び外周面は同軸的に切削加工できる。このため、特開2002-166702号に記載の方法のように、中心軸を意図的に僅かにずらして鋳造したままのホイールを旋盤加工装置に固定するなどの特別な製造工程は不要である。またこのカム機能を駆動させずに切削加工を行えば、偏厚部がない以外全く同じ形状のホイールを製造することができる。

バルブ穴14の周辺に偏薄部を形成する場合には、凹曲面状のカム部を有するカムを使用し、偏薄部加工部位で切削工具48が下降する機構とする以外、上記と同じ構造の旋盤加工装置を使用すれば良い。

(4) 塗装・焼きつけ工程
旋盤加工後のホイールに対して塗装・焼き付け処理等の仕上げ加工を行い、最終製品とする。塗装及び焼き付け処理は公知のものを使用することができるので、詳細な説明は省略する。

Claims (4)

1. バルブ穴に比較的重い部品を装着するために重量バランスを調節した車両用ホイールであって、前記部品を装着した後の前記ホイールの重心がその中心軸に位置するように、リム部に周方向に局部的な偏厚部又は偏薄部を有し、前記偏厚部又は偏薄部は、ほぼ同じ肉厚の平坦部とその周方向両側の傾斜部とからなり、前記傾斜部は徐々に勾配を変えてリム部及び平坦部に滑らかに接続し、円周方向幅が中心角で5〜45°であり、前記リム部の内周面及び外周面は同軸的であることを特徴とする車両用ホイール。
2. 請求項１に記載の車両用ホイールにおいて、前記偏厚部は、前記中心軸に関して前記バルブ穴にほぼ対象となる位置に設けられていることを特徴とする車両用ホイール。
3. 請求項１に記載の車両用ホイールにおいて、前記偏薄部は、前記バルブ穴の周辺に設けられていることを特徴とする車両用ホイール。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の車両用ホイールにおいて、一体鋳造品であることを特徴とする車両用ホイール。

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