JP5323783B2

JP5323783B2 - 車両用軽合金ホイール

Info

Publication number: JP5323783B2
Application number: JP2010181730A
Authority: JP
Inventors: 修二郎稲谷; 和則伊藤; 努廣政
Original assignee: 株式会社レイズエンジニアリング
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2030-08-16
Also published as: JP2012040903A

Description

本発明は、軽量化と意匠性を両立しつつ、回転曲げ試験に対する機械的強度の低下を防ぐことができる車両用軽合金ホイールに関する。

車両用ホイールは、様々な材質、製法、構造のものがあるが、燃費向上ならびに装備充実化のため、車両本体と同様に軽量化の要請が求められている。しかも、意匠性にも富んだ形状のものが益々好まれ、その形状は年々多様化してきている。このような経緯より、材質的にはアルミニウム合金を主とした軽合金ホイールが主流となっている。また、構造的にはディスク面の意匠性に影響を与えないスポーク部の裏面側に鋳抜き部を形成する構造が採用されている（特許文献１）。

特開２００５−８１４２号公報

ところで、車両用ホイールの更なる軽量化のためにスポーク部に凹部を設けることも可能であるが、単なる凹部を設けたのみでは、意匠性を低下させ、回転曲げに対する機械的強度の低下を招いてしまう。
本発明は、このような事情に鑑みて成されたものであり、軽量化と意匠性を両立しつつ回転曲げ強度を有する車両用軽合金ホイールを提供することを課題とする。

本発明に係る車両用軽合金ホイールは、
スポーク部及び該スポーク部間に形成される窓部を有するディスク部と、リム部と、ホイール固定部とを有する車両用軽合金ホイールにおいて、
前記スポーク部の窓部側に面する側面には、前記ホイール固定部から前記リム部付近までの間に凹部が形成され、且つ前記凹部を径方向に分けるリブ部が形成され、
前記凹部は、１つの窓部に隣接する２本のスポーク部の対向した側面に前記ホイール固定部にまで延在して連続的に形成されているものである。
これにより、前記凹部により軽量化を図ることができ、且つ前記リブ部によりスポーク部の回転曲げ強度を確保することができる。しかも、前記凹部及び前記リブ部は、前記スポーク部の窓部側に面する側面に形成されるので、ディスク面の意匠性を低下させることはなく、むしろ側方から見た意匠性に富んだものとなる。

前記リブ部は、前記凹部を形成したスポーク部に対して回転曲げ試験で脆弱となるスポーク部の位置又はその近傍の少なくとも１箇所に形成されるのが好ましい。これにより、凹部を設けたスポーク部において回転曲げに対する応力を効果的に緩和させることができる。

前記リブ部は、側面がＲを有する凹形状に形成されるのが好ましい。これにより、側方からの意匠性を高めつつ、リブ部の厚みを抑えて軽量化を図ると共にスポーク部の回転曲げ強度を確保することができる。すなわち、Ｒを設けることによってリブ部の脆弱化が防止されるので、その結果として意匠性を高めつつスポーク部の回転曲げ強度を効果的に確保することができる。

前記凹部は、切削加工により形成され、該切削加工の未加工部位として前記リブ部が形成されるのが好ましい。これは、車両用軽合金ホイールを鋳造や鍛造で製造する際に前記凹部や前記リブ部を形成するとなれば、型を離型可能とするには型が複雑となる。これに対して、前記凹部を切削加工で形成し、その切削加工の未加工部位を前記リブとして形成すれば、従来どおりに車両用軽合金ホイールを鋳造や鍛造で製造することができ、しかも、鋳造や鍛造の後に前記凹部や前記リブ部を容易に形成することができる。

なお、前記スポーク部は、意匠面又は／及び裏面に凹欠部が形成されてもよいし、また、表裏に貫通する貫通孔が形成されてもよい。この場合は、更なる軽量化を図ることができる。

以上のように、本発明に係る車両用軽合金ホイールによれば、軽量化と回転曲げ強度とを両立させることができ、しかも側方からの意匠性を高めることができる。

実施例１の車両用ホイール形状として、スポーク部側面に凹部及びリブ部を設けた車両用ホイールを示す斜視図である。実施例１の車両用ホイールにおいて、応力解析した結果のスポーク部付近を示す拡大斜視図である。実施例２の車両用ホイール形状として、スポーク部側面に凹部及びリブ部を設けた車両用ホイールを示す斜視図である。実施例２の車両用ホイールにおいて、応力解析した結果のスポーク部付近を示す拡大斜視図である。スポーク部側面が未加工の車両用ホイールを示す斜視図である。スポーク部側面が未加工の車両用ホイールにおいて、応力解析した結果のスポーク部付近を示す拡大斜視図である。スポーク部側面に凹部のみを設けた車両用ホイールを示す斜視図である。スポーク部側面に凹部のみを設けた車両用ホイールにおいて、応力解析した結果のスポーク部付近を示す拡大斜視図である。

以下に、実施の形態を説明する。
図１に示すように、実施の形態による車両用ホイール１は、スポーク部２及び該スポーク部２間に形成される窓部３を有するディスク部４と、タイヤが装着されるリム部５と、車軸に取り付けられるホイール固定部６とを有する。スポーク部２は、リム部５とホイール固定部６との間に放射状に複数本設けられている。図１に示す車両用ホイール１では、１２本のスポーク部２が設けられ、スポーク部２間の窓部３が１２個設けられているが、これに限らずスポーク部２の本数は任意に設定できる。また、この車両用ホイール１の材質は、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの軽合金である。

そして、スポーク部２の窓部３側に面する側面には、前記ホイール固定部６から前記リム部５付近までの間に凹部７が形成され、且つ回転曲げ試験で脆弱となるスポーク部２の位置又はその近傍に前記凹部７を径方向に分けるリブ部８が形成されている。すなわち、前記リブ部８は、径方向に延びる凹部７を２分するように車両用ホイール１の表裏方向に延設される。これにより、前記凹部７により軽量化を図ることができ、且つ前記リブ部８によりスポーク部２の回転曲げ強度を確保することができる。しかも、前記凹部７及び前記リブ部８は、前記スポーク部２の窓部３側に面する側面に形成されるので、これら凹部７やリブ部８を有しない車両用ホイール１と比べて、側方から見たディスク面の意匠性が富んだものとなる。

車両用ホイール１は、一般に鋳造又は鍛造により製造されるが、いずれの製法でも型を有するため、離型可能な形状であることが前提となるが、前記凹部７や前記リブ部８を鋳造又は鍛造により形成するとなれば、型を離型可能とするには型が複雑となる。そこで、車両用ホイール１の外形を鋳造又は鍛造で形成した後、前記凹部７を切削加工で形成し、その切削加工の未加工部位を前記リブ部８として形成する。これにより、従来どおりに車両用ホイール１を鋳造や鍛造で製造することができ、しかも、鋳造や鍛造の後に前記凹部７や前記リブ部８を容易に形成することができる。

前記凹部７は、１つの窓部３に隣接する２本のスポーク部２の対向した側面に前記ホイール固定部６にまで延在して連続的に形成される。これにより、前記凹部７を多く確保して一層軽量化することができ、且つ側方からの意匠性を高めることができる。この凹部７は、複数の窓部３のうちの等間隔に配置される幾つかの窓部３において隣接する２本のスポーク部２に形成するようにしてもよく、例えば、図１に示す車両用ホイール１では、凹部７は、１２個の窓部３のうち１つ置きに等間隔に配置される６個の窓部３において隣接する２本のスポーク部２の対向した側面に対してホイール固定部６にまで延在して連続的に形成されている。これにより、車両用ホイール１の負荷バランスを保つことができ、しかも側方からの意匠性を高めることができる。なお、凹部７は、全てのスポーク部２に形成してもよいし、何本かのスポーク部２にのみ形成してもよい。また、凹部７は、スポーク部２の両側面に対して形成するようにしてもよいし、一側面にのみ形成するようにしてもよい。さらに、凹部７は、ホイール固定部６に延在することなくスポーク部２の側面に形成されるようにしてもよい。

また、車両用ホイール１の回転曲げに対する応力は、ディスク面の意匠形状にもよるが、スポーク部２のホイール固定部６付近に集中的に生じ易いため、前記リブ部８は、前記ホイール固定部６付近に形成される。これにより、スポーク部２にかかる応力集中を確実に緩和させることができる。なお、スポーク部２において、回転曲げに対する応力が集中的に作用する部位がリム部５付近であれば、前記リブ部８は、リム部５付近に形成され、要するに、リブ部８は、凹部７を設けたスポーク部２において回転曲げ試験で脆弱となる位置又はその近傍に少なくとも１箇所形成されればよい。また、前記リブ部８は、その両側面がＲを有する凹形状の一例として球凹面状に形成され、リブ幅が中央部から両端部へ向かう程に太幅に形成されている。これにより、Ｒを設けることによってリブ部８の脆弱化が防止され、その結果、側方からの意匠性を高めつつ、リブ部８の厚みを抑えて軽量化を図ると共にスポーク部２の回転曲げ強度を効果的に確保することができる。なお、リブ部８の両側面は、球凹面状に限らず、Ｒを有する凹形状であればよく、また、Ｒを有しない角を尖らせた形状でもよい。さらには、リブ部８のリブ幅は、全体的に同一幅で形成されてもよいし、また、両端部を太く形成するものでもよい。

一例として、スポーク部２は、ディスク面の周方向の幅が１０ｍｍ、高さ（表裏方向の長さ）が２５ｍｍ〜３０ｍｍ、径方向の長さが１２０ｍｍ〜１３０ｍｍとした場合、凹部７は、幅が１５ｍｍ〜２０ｍｍ、深さが５ｍｍとし、リブ部８の幅は、狭幅の中央部が５ｍｍ、広幅の両端部が１５ｍｍ〜２５ｍｍとすることができる。

なお、前記スポーク部２は、意匠面又は／及び裏面に凹欠部が形成されてもよいし、また、表裏に貫通する貫通孔が形成されてもよい。この場合は、更なる軽量化を図ることができる。

ところで、スポーク部２の側面に前記凹部７を設ける切削加工を行う場合、凹部７がないスポーク断面形状と比較してスポーク部２の強度低下が懸念されるため、その補強策として、スポーク断面厚、すなわちディスク断面厚、あるいはスポーク意匠面におけるスポーク幅を増やすことで強度を上げようとすることが一般的な発想である。この場合、ディスク裏面が肉厚化されると、年々大型化しているブレーキキャリパーなどとの干渉も避けられないなどといった不具合が生じることもある。その一方、ディスク表面が肉厚化されると、ディスク意匠面の変更を要する他、ディスク・スポーク形状等によってはリム部５のリムフランジよりも突出することが避けられない事態となることもある。このスポーク部２の突出により法規上装着できない車両用ホイール１となることもある。他方、スポーク幅を広げることで対処すると、意匠そのものが変わってしまい、カーメーカなどのユーザーが要望するデザインに沿った形状を実現することが難しくなる。

そこで、本実施形態では、車両用ホイール１は、設計段階において回転曲げ試験を想定して応力解析を行っていることに着目し、ディスク・スポーク断面厚、さらにはスポーク意匠幅を変更することなく、前述したスポーク部２側面の凹部７の有無での応力解析結果に基づいて、凹部７を設けたときに応力集中が生じる該当部位にリブ部８を形成することで応力集中を緩和させるようにした。

具体的に解析手法は以下の手順にて行う。まず、解析モデルとして車両用ホイール１の３次元形状データを３次元ＣＡＤで作成する。このとき、意匠面形状をカーメーカなどのユーザーが要望するデザインに沿って作成すると共に、スポーク部２の側面の凹部７を作成する。なお、意匠裏面の鋳抜き等の所謂ヌスミとした凹欠部を設けてもよい。

次に、完成した３次元形状データを用いて、この形状による車両用ホイール１の回転曲げ試験に対する応力解析などの強度解析を行い、応力値を色などで識別・グラフィック化された解析結果を作成し確認する。この際、応力値が高く示されて応力集中が発生する部位において、スポーク部２の側面の凹部７をなくすようにリブ部８を形成した３次元形状データへ修正、変更する。なお、応力値が許容値を超える部位にはリブ部８を少なくとも１つ設ける必要があるが、リブ部８を複数設けるようにしてもよい。また、応力集中箇所が複数ある場合は、応力集中箇所毎にリブ部８を複数設けてもよい。さらには、応力値が許容範囲にある場合は、リブ部８を設けて強度の見直しをする必要性はないが、意匠面からリブ部８を増やすことは構わない。

このようにして、応力集中箇所の応力値が許容範囲内となるようにリブ部８を設ける。なお、リブ部８の数が増えると当然ながら凹部７により軽量化できる重量は減少するため、これを補うように凹部７の幅や深さを大きくするように見直すことも可能である。これにより、リブ部８の重量増は、凹部７による軽量化に比べて微量な範囲にとどめることができる。

以上の実施形態の車両用ホイール１によれば、スポーク部２の側面に凹部７を設けることによって回転曲げ試験における応力集中を想定した応力解析を行い、その解析結果を把握した上で製品設計を適切な形状とすることができる。すなわち、応力解析を行った際に、回転曲げ試験において許容値を超えるような応力値が示された脆弱部位には、凹部７を施さずにリブ部８を形成することで応力の局部的集中を回避することが可能となる。つまり、スポーク部２の側面に軽量化のための凹部７を切削加工で形成することを前提としながら、リブ部８によって強度低下を回避しつつ、前記凹部７を設けない車両用ホイール１Ａに比べて軽量化することが可能となり、さらには、切削未加工部位を残してこれをリブ部８とするという従来にない発想による新たな意匠性をも具備したスポーク形状とすることができる。また、リブ部８は、形状・大きさを任意とし、かつ１本のスポーク部２上のリブ数についても応力集中箇所に配置したい任意の箇所に適宜に配置することで応力集中の緩和といった機械的特性の強化とホイール意匠性を高めるという創作性の２面性を兼ね備えた製品を提供することが可能である。従って、本実施形態によれば、軽量化と回転曲げ強度とを両立させることができ、しかも側方からの意匠性を高めることができる車両用ホイール１が実現される。

以下に、実施例を挙げて具体的に説明する。
（実施例１）
＜凹部無しのホイール＞
まず、図５に示すように、スポーク部２の側面に凹部７を形成しないスポーク形状を持つ車両用ホイール１Ａの３次元データを３次元ＣＡＤで作成した。
この車両用ホイール１Ａは、ＪＩＳで定めたＡ６０６１−T６相当のアルミ合金材からなり、スポーク裏面には鋳抜き等によるヌスミ（凹欠部）を有しないものである。この車両用ホイール１Ａの各サイズは、以下のとおりである。
ホイール径：１９インチ
スポーク部２の長さ：１２０ｍｍ
スポーク部２の表裏方向の高さ：２５ｍｍ〜３０ｍｍ
スポーク部２の周方向の幅：１０ｍｍ
ホイール重量：９．３３６ｋｇ
なお、この車両用ホイール１Ａの形状は、ユーザーから要求されたものである。
そして、この車両用ホイール１Ａにおいて、回転曲げ試験に対する応力解析をした結果、図６に示すように、スポーク部２のホイール固定部６付近に応力集中が見られ、その最大応力値が１３５Ｎ／ｍｍ^２であった。

＜凹部のみを設けたホイール＞
次に、図５の車両用ホイール１Ａに対して、１つ置きの６つの窓部３において隣接する２本のスポーク部２の対向した側面に対してホイール固定部６にまで延在して連続した凹部７を設けた車両用ホイール１Ｂの３次元データを３次元ＣＡＤで作成した。この車両用ホイール１Ｂを図７に示す。
この際、凹部７は、幅が１５ｍｍ〜２０ｍｍ、深さが５ｍｍである。ホイール重量は、９．２０７ｋｇとなり、図５のモデルに比べ、凹部７により０．１２９ｋｇの軽量化がなされた。
そして、この車両用ホイール１Ｂにおいて、回転曲げ試験に対する応力解析をした結果、図８に示すように、ホイール固定部６近傍側スポーク部２の応力集中は、最大応力値が１４０Ｎ／ｍｍ^２以上となり、しかも図５のモデルに比べて１３５Ｎ／ｍｍ^２以上の応力集中範囲も２ｍｍ（図６）から２０ｍｍへ肥大化した。

＜凹部及びリブ部を設けたホイール＞
以上の図７のモデルに基づいて、応力集中範囲中の最大応力値１４０Ｎ／ｍｍ^２以上を示した近傍のスポーク部２の側面において、凹部７を未加工の状態に戻す形でリブ部８を形成した車両用ホイール１の３次元データを３次元ＣＡＤで作成した。この車両用ホイール１を図１に示す。
この際、リブ部８は、両側面が球凹面状に形成され、リブ幅が中央部から両端部へ向かう程に太幅に形成されている。このリブ部８は、中央部の狭幅で５ｍｍ、両端部の広幅で最大２５ｍｍとなるように形成した。ホイール重量は、９．２２４ｋｇとなり、図５のモデルに比べ、凹部７により０．１１２ｋｇの軽量化がなされた。
そして、この車両用ホイール１において、回転曲げ試験に対する応力解析をした結果、図２に示すように、スポーク部２のホイール固定部６付近の応力集中は、最大応力値が１３５Ｎ／ｍｍ^２となり、図７のモデルよりも応力値が５Ｎ／ｍｍ^２緩和され、図５の凹部７を設けないモデルとほぼ同等の回転曲げ強度を有するようにできた。また、この１３５Ｎ／ｍｍ^２の応力集中範囲も図５の凹部７を設けないモデルとほぼ同等の４ｍｍに緩和された。

（実施例２）
図７のモデルに基づいて、最も応力値が高かった位置ではなく、次に応力値が高かったディスク外径方向の応力集中箇所の近傍において、スポーク部２の側面の凹部７を未加工状態に戻す形でリブ部８を形成した以外は、実施例１と同様に車両用ホイール１Ｘの３次元データを３次元ＣＡＤで作成した。この車両用ホイール１Ｘを図３に示す。
ホイール重量は、実施例１と同様に９．２２４ｋｇとなり、図５のモデルに比べ、凹部７により０．１１２ｋｇの軽量化がなされた。
そして、この車両用ホイール１Ｘにおいて、回転曲げ試験に対する応力解析をした結果、図４に示すように、応力集中範囲は図７のモデルと変わりなかったが、スポーク部２のホイール固定部６付近の応力集中は、最大応力値が１３５Ｎ／ｍｍ^２となり、図７のモデルよりも応力値が５Ｎ／ｍｍ^２緩和され、図５の凹部７を設けないモデルとほぼ同等の回転曲げ強度を有するようにできた。

１，１Ｘ車両用ホイール
２スポーク部
３窓部
４ディスク部
５リム部
６ホイール固定部
７凹部
８リブ部

Claims

スポーク部及び該スポーク部間に形成される窓部を有するディスク部と、リム部と、ホイール固定部とを有する車両用軽合金ホイールにおいて、
前記スポーク部の窓部側に面する側面には、前記ホイール固定部から前記リム部付近までの間に凹部が形成され、且つ前記凹部を径方向に分けるリブ部が形成され、
前記凹部は、１つの窓部に隣接する２本のスポーク部の対向した側面に前記ホイール固定部にまで延在して連続的に形成されている車両用軽合金ホイール。
請求項１に記載の車両用軽合金ホイールにおいて、
前記リブ部は、前記凹部を形成したスポーク部に対して回転曲げ試験で脆弱となる位置又はその近傍の少なくとも１箇所に形成されている車両用軽合金ホイール。
請求項１又は２に記載の車両用軽合金ホイールにおいて、
前記リブ部は、側面がＲを有する凹形状に形成されている車両用軽合金ホイール。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用軽合金ホイールにおいて、
前記凹部は、切削加工により形成され、該切削加工の未加工部位として前記リブ部が形成される車両用軽合金ホイール。