JP6836778B2 - 車両用軽合金ホイール - Google Patents

Description

本発明は、軽量化と意匠性を両立しつつ、回転曲げ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もの（特許文献１）、スポーク側面に切削で凹部を設けるもの（特許文献２）、スポーク表面に切削で凹部を設けるもの（特許文献３）がある。

特開２００５−８１４２号公報 特開２０１２−４０９０３号公報 特開２０１５−４４５５１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孔を設けることが考えられるが、単純に孔を設けると、意匠性を低下させ、また、ホイール強度の評価試験をクリアするに至らない強度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、さらなる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、
スポーク部及び当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、ホイール外径のリム部と、ホイール中心のホイール締結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、複数の貫通孔が設けられ、
前記複数の貫通孔は、スポーク長さ方向に一列に並ぶように配列され、
前記複数の貫通孔は、３つ以上有し、隣りの貫通孔との間隔がホイール外径側ほど広くなるように配置されているものとする。

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、複数の貫通孔をスポーク長さ方向に一列に並ぶように配列することにより、スポーク部にかかる応力を分散させて特定箇所に応力が集中しないようにしつつ軽量化を図ることができ、また、側方から見たディスク面の意匠性をも向上することができる。従って、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。

実施形態による車両用ホイールの表側から見た斜視図である。 実施形態による車両用ホイールの裏側から見た斜視図である。 スポーク部の長さ方向に沿った断面図である。 スポーク部の幅方向に沿った断面図である。 スポーク部の貫通孔の形態を示す平面図である。 実施例１の車両用ホイールにおける応力解析の結果として、スポーク部を斜め上（上図）、側方（中図）、斜め下（下図）から眺めた応力解析図である。 実施例２の車両用ホイールにおける応力解析の結果として、スポーク部を斜め上（上図）、側方（中図）、斜め下（下図）から眺めた応力解析図である。 比較例の車両用ホイールにおける応力解析の結果として、スポーク部を斜め上（上図）、側方（中図）、斜め下（下図）から眺めた応力解析図である。

以下に、実施の形態を説明する。
図１、図２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ホイール外径のリム部５と、車両ハブに取り付けられるホイール中心のホイール締結部６とを有する。スポーク部２は、リム部５とホイール締結部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、６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６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。

図３、図４も参照して、スポーク部２は、裏面にはホイール締結部６からリム部５付近までスポーク長さ方向に延びる凹欠溝２１が設けられた断面コ字形に形成され、また、天面にはリム部５の近接位置に穴部２２が設けられている。これにより、スポーク部２から多くの駄肉を除去でき、車両用ホイール１の軽量化を図ることができる。また、凹欠溝２１は、各スポーク部２の裏面においてホイール締結部６からリム部５付近まで延びるように設けるので、回転曲げの応力が特定箇所に集中することを回避でき、また、ディスク面の意匠性を損なうこともない。穴部２２は、各スポーク部２の天面においてホイール外径側のリム部５付近に設けるので、ホイール外径側では回転曲げの応力の集中が少なく強度を低下させることがなく軽量化を図ることができ、また、穴部２２は、同一円周上に配置されるので、ディスク面の意匠性を損なうこともない。

図５も参照して、スポーク部２の窓部３側に面した両側面には、ホイール締結部６からリム部５付近までスポーク長さ方向に延びる凹部７が形成されている。そして、このスポーク部２の側面には、凹部７内に複数の貫通孔８が設けられている。これにより、車両用ホイール１の更なる軽量化を実現することができる。この場合、スポーク部２の側面に凹部７を設け且つ凹部７内に単純に複数の貫通孔８を設けるとスポーク部２の特定箇所に応力が集中するおそれがあるが、複数の貫通孔８を凹部７内においてスポーク長さ方向に一列に並ぶように配列することにより、スポーク部２にかかる応力を分散させて特定箇所に応力が集中しないようにしつつ軽量化を図ることができ、また、側方から見たディスク面の意匠性をも向上することができる。

本実施形態では、図５（ａ）に示すように、複数の貫通孔８は、１本のスポーク部２の側面に対して３つ設けられており、ホイール中心に最も近く配置される第１貫通孔８１と、第１貫通孔８１の隣りに配置される第２貫通孔８２と、第２貫通孔８２の隣りでありホイール外径側に配置される第３貫通孔８３とを有する。これらの貫通孔８は、スポーク側面視において、第１貫通孔８１が三角形状に形成され、第２貫通孔８２が菱形形状に形成され、第３貫通孔８３が小判型形状に形成されている。なお、本発明では、複数の貫通孔８の形状は、上記に限らず、三角形、台形、菱形等その他の多角形、小判型等その他の各種形状とすることができ、また、各貫通孔８（８１，８２，８３等）は、同一形状又は異種形状とすることができる。例えば、各貫通孔８１，８２，８３は、図５（ａ）のようなものに限らず、図５（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すような形状、組み合せとすることができる。また、各貫通孔８は、後述するリブ部９の形状、配置等を考慮して、各種形状を採用することもできる。

本実施形態では、図５（ａ）に示すように、第１貫通孔８１における隣りの第２貫通孔８２と対向した辺（８１ａ）は、スポーク側面視にて天面側から裏面側に近づくにつれスポーク厚み方向に対してホイール締結部６側に向かって傾いた斜辺８１ａとなるように形成されている。第２貫通孔８２における隣の第１貫通孔８１と対向した辺（８２ａ）は、第１貫通孔８１の斜辺８１ａと略平行に延びる斜辺８２ａとなるように形成されている。これより、第１貫通孔８１と第２貫通孔８２との間のスポーク母材部分は、スポーク側面視にて天面側から裏面側に近づくにつれスポーク厚み方向に対してホイール締結部６側に向かって傾いた傾斜リブ部９１（９）が構成される。

すなわち、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のホイール締結部６に近いディスク裏面に集中的に生じやすいため、傾斜リブ部９１は、ディスク裏面に近づくにつれてホイール締結部６に近い側に向かうようにスポーク厚み方向に対して角度を振って形成されている。これにより、傾斜リブ部９１がトラス構造として機能してスポーク部２の特定箇所に脆弱部を生じさせることなく応力分散させることが可能であり、貫通孔８の孔面積を最大限に広げて軽量化を図ることができ、しかも意匠性を高めることができる。従って、スポーク部２にかかる回転曲げの応力集中を回避させながら貫通孔８を設けて軽量化を図ることができ、また、側方から見たディスク面の意匠性にも富んだものとなる。また、傾斜リブ部９１は、スポーク厚み方向に対してスポーク長さ方向に角度を振った形に形成されているので、スポーク厚み方向やスポーク長さ方向での強度低下を防ぐことも可能となる。

なお、スポーク部２において回転曲げの応力集中部位が天面側であれば、傾斜リブ部９１は、裏面側から応力集中部位の天面側に向かってスポーク厚み方向に対して角度を振って形成するようにしてもよい。また、スポーク部２のホイール締結部６に近いディスク裏面に生じる応力集中回避の構成は、第１貫通孔８１が上記のような斜辺８１ａを有することにより、第１貫通孔８１と第２貫通孔８２との間のスポーク母材部分が応力集中の生じやすいスポーク部２の部位に向かって傾いた形状を構成していればよく、それゆえ、第２貫通孔８２は、第１貫通孔８１と対向した辺（８２ａ）が必ずしも第１貫通孔８１の斜辺８１ａと略平行に延びる形状でなくてもよい。

また、第２貫通孔８２は菱形形状に形成され、隣りの第３貫通孔８３はスポーク長さ方向に延びる小判型形状に形成され且つ全体的にスポーク部２の天面側寄りに配置されているので、第２貫通孔８２と第３貫通孔８３との間のスポーク母材部分は、スポーク部２の裏面側に比較的厚みのあるリブ部９２（９）が形成される。これにより、スポーク部２の裏面側に生じやすい回転曲げの応力を回避させながら貫通孔８による軽量化を図ることができ、また、側方から見たディスク面の意匠性にも富んだものとなる。

要するに、リブ部９（９１，９２）は、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箇所以上形成されればよい。また、複数の貫通孔８は、角部がＲを有して丸みを帯びた形状に形成されているので、各貫通孔８の隅部がエッジとなって脆弱部となることを防止している。以上のような複数の貫通孔８を凹部７を設けたスポーク部２の側面に形成することにより、側方からの意匠性を高めつつ、軽量化を図るとともにスポーク部２の回転曲げ強度を効果的に確保することができる。

また、スポーク部２は、スポーク厚み方向の重量分布が天面側又は裏面側に大きくなるように形成されている場合、複数の貫通孔８は、孔の重心がスポーク厚み方向における重量分布の大きい側に位置するように配置されるのが好ましい。これにより、スポーク部２の重量分布の小さい部位に回転曲げの応力集中が生じることを回避することができる。また、複数の貫通孔８は、各貫通孔８間のスポーク母材部分がスポーク側面視にてトラス構造のリブ部９を構成するように三角形、菱形、台形等その他の多角形の各種形状を組み合せた構成とすることでもよい。これにより、トラス構造のリブ部９によりスポーク部２にかかる応力を効果的に緩和させ、スポーク部２の回転曲げ強度を確保することができる。また、複数の貫通孔８は、３つ以上有し、隣りの貫通孔８との間隔がホイール外径側ほど広くなるように配置されるのが好ましく、これにより、回転曲げ応力がスポーク部２のホイール締結部６寄りに集中することを回避することができる。

凹部７は、１つの窓部３に隣接する２本のスポーク部２の対向した側面にホイール締結部６にまで延在して連続的に形成されている。これにより、凹部７をホイール締結部６を含む広い範囲に設けて多くの駄肉を除去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。なお、本実施形態では、凹部７は、ホイール締結部６にも延在して形成しているが、ホイール締結部６に延在することなくスポーク部２の側面の範囲内にのみ形成するようにしてもよい。また、凹部７は、すべてのスポーク部２の両側面に形成されているが、何本かのスポーク部２にのみ形成してもよいし、また、スポーク部２の一側面にのみ形成するようにしてもよい。例えば、凹部７は、全部で６個の窓部３のうち１つ置きに等間隔に配置される３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形成するようにしてもよく、この場合であれば、車両用ホイール１の負荷バランスも保つことができ、しかも側方からの意匠性も高めることができる。

複数の貫通孔８も、凹部７を設けたスポーク部２にのみ設けるようにしてもよいし、また、凹部７の有無にかかわらず、すべてのスポーク部２に設けてもよいし何本かのスポーク部２にのみ設けるようにしてもよい。また、貫通孔８の数や形状も回転曲げ試験で脆弱となる位置を避けるように設計すればよい。

一方、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、いずれの製法でも金型を有するため、離型可能な形状であることが前提となるが、スポーク部２の側面に対して凹部７や貫通孔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、スポーク部２の側面において凹部７を切削加工で形成し、さらに凹部７内に切削穴加工で貫通孔８を形成する。また、スポーク部２の天面において穴部２２を切削穴加工で形成する。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、鋳造や鍛造の後に凹部７、貫通孔８、穴部２２を一般的に使用される加工機で切削加工、穴加工すれば新たな特別な機械等を有さず容易に形成することができる。なお、スポーク部２の裏面の凹欠溝２１は、鋳造又は鍛造で型抜き可能に形成してもよいし、鋳造又は鍛造の後に切削加工で形成してもよい。

ところで、スポーク部２の側面に凹部７を設ける切削加工を施すこと自体、凹部７が無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ことは言うまでもない。凹部７を設けた上で貫通孔８を施すに十分な強度を具備するホイールであれば両方を、そうでなければ、凹部７を省いた貫通孔８を施すことも考えられる。

本実施形態では、車両用ホイール１は、設計段階においてスポーク側面に凹部７を施す前提で、貫通孔８の無い場合と貫通孔８を施した場合の回転曲げ試験を想定した応力解析を行って評価するものとした。なお、上記比較に際しては元となるディスク・スポーク断面厚、さらにはスポーク意匠幅は当然ながら変更することなく、同一のもので評価するものとする。前述したスポーク部２の二側面の凹部７有りの状態を基準とし、貫通孔８の形状・配置を変えることで応力解析結果に基づいて、貫通孔８やリブ部９の大きさ、ならびに配置を思慮し、これらを設けたときの応力集中が悪化せぬようにした。

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顧客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を形成する。なお、意匠裏面の鋳抜き等の所謂ヌスミとした凹欠溝２１や、意匠表面の穴部２２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の回転曲げ試験を想定した応力解析を行い、グラフィック化された解析結果に基づき、表示される応力分布で値を色や数値などで識別・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があってはならない。貫通孔８を施して十分な応力値であることを確認したうえで、スポーク部２の側面の凹部７に重なる範囲において応力値が高い付近にリブ部９を形成するよう、貫通孔８を配置した３次元形状データを作成、変更していく。なお、応力値が許容値を超えない限り、貫通孔８とリブ部９は２以上設けて構わないが、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９が配置されるよう貫通孔８とリブ部９の配置・大きさを考慮するものとする。応力値が許容範囲にある場合は、強度の許す限りで貫通孔８とリブ部９の数を任意に増やして意匠面に付加要素を加えてもよい。

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貫通孔８とリブ部９を設ける。なお、貫通孔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に加えて軽量化できることになる。

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に加えて貫通孔８とリブ部９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・意匠設定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ないよう、応力値で示された脆弱部位には、貫通孔８を施さずにリブ部９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だけでなく、貫通孔８も含めて切削加工で形成することを前提としながら、リブ部９によって強度低下を回避しつつ、凹部７を設けただけの車両用ホイール１に比べて軽量化することが可能となり、さらには、切削にて貫通孔８の間にリブ部９を残して開口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、貫通孔８とリブ部９は、強度の許す範囲で形状・大きさを任意とし、かつ１本のスポーク部２上の穴数・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低下を回避しながら機械的特性面で問題なく、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が、実施にあたり、貫通孔８の無い凹部７のみを設けたホイールを基準に比較・確認していく。なお貫通孔８とリブ部９のみで凹部７の無いホイールであっても貫通孔８の無いホイールを基準として同様の評価が可能である。

（比較例）
比較例は、６本すべてのスポーク部２の裏面にはホイール締結部６からリム部５付近までスポーク長さ方向に延びる凹欠溝２１を有し、また、６本すべてのスポーク部２の天面のリム部５付近に穴部２２を設けた車両用ホイール１について、６本すべてのスポーク部２の両側面には、凹部７のみを設けた３次元モデル（凹部７のみモデル）を作成した（図８参照）。凹部７は、ホイール締結部６からリム部５付近までスポーク長さ方向に延び、且つ１つの窓孔に隣接する２本のスポーク部２の対向した側面にホイール締結部６にまで延在して連続的に形成されている。
この比較例の凹部７のみモデルについて、回転曲げ試験に対する応力解析を行った結果、図８に示すように、スポーク裏面において中央付近からホイール締結部６寄りの範囲で応力集中が見られ、中央付近のややホイール締結部６寄りの位置で最も応力が集中し、その最大応力値は１４１Ｎ／ｍｍ^２であった。

（実施例１）
実施例１では、比較例の凹部７のみモデルに対して、６本すべてのスポーク部２の側面には、凹部７内に３つの貫通孔８をスポーク長さ方向に一列に並べて設けた３次元モデルを作成した（図６参照）。具体的に、実施例１の貫通孔８を設けたモデルでは、比較例の応力解析の結果（図８参照）を参考に、ホイール締結部６に最も近い第１貫通孔８１は天面側から裏面側に近づくにつれスポーク厚み方向に対してホイール締結部６側に向かって傾いた斜辺８１ａを有する略直角三角形状とし、また、第１貫通孔８１の隣りの第２貫通孔８２及び第２貫通孔８２の隣りの第３貫通孔８３はともに略逆三角形状とすることにより、第１貫通孔８１と第２貫通孔８２との間のスポーク母材部分、及び第２貫通孔８２と第３貫通孔８３との間のスポーク母材部分は、スポーク部２の裏面側に向かって末広がりとなる略三角形状のリブ部９を構成するようにした。
この実施例１の貫通孔８を設けたモデルでは、比較例の凹部７のみモデルに比べ、貫通孔８の形成により０．２５ｋｇの軽量化がなされた。
また、実施例１のモデルについて、回転曲げ試験に対する応力解析を行った結果、図６に示すように、スポーク部２の裏面中央付近の応力集中は、最大応力値が１６１Ｎ／ｍｍ^２となり、比較例のモデルに比べて２０Ｎ／ｍｍ^２の応力が上がるものの、許容値１７０Ｎ／ｍｍ^２以下の１６１Ｎ／ｍｍ^２に抑えられ製品強度の確保ができた。

（実施例２）
実施例２では、図１、図２に示すように、実施例１の応力解析の結果（図６）を参考に、貫通孔８の孔形状を修正したモデルを作成した（図７参照）。具体的に、実施例２の貫通孔８を設けたモデルでは、第２貫通孔８２の孔形状を菱形形状とし、第１貫通孔８１と第２貫通孔８２との間のスポーク母材部分が天面から裏面に近づくにつれてホイール締結部６側に向かって傾いた傾斜リブ部９１を構成し、さらに第３貫通孔８３はスポーク長さ方向に延びる小判型形状とし且つ穴の重心が天面側寄りに配置するようにした。
この実施例２の貫通孔８を設けたモデルでは、比較例の凹部７のみモデルに比べ、貫通孔８の形成により０．３ｋｇの軽量化がなされた。
また、この実施例２のモデルについて、回転曲げ試験に対する応力解析を行った結果、図７に示すように、スポーク部２の裏面中央付近の応力集中は、最大応力値が１４８Ｎ／ｍｍ^２となり、比較例のモデルに比べて７Ｎ／ｍｍ^２の応力が上がる程度に抑えられ大幅悪化にならず、また許容値１７０Ｎ／ｍｍ^２以下の１４８Ｎ／ｍｍ^２であり製品強度の確保ができた。

１ 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 ホイール締結部
７ 凹部
８ 貫通孔
９ リブ部
２１ 凹欠溝
２２ 穴部
８１ 第１貫通孔
８２ 第２貫通孔
８３ 第３貫通孔
８１ａ 斜辺（第１貫通孔の斜辺）
８２ａ 斜辺（第２貫通孔の斜辺）
９１ リブ部（第１貫通孔と第２貫通孔との間の傾斜リブ部）
９２ リブ部（第２貫通孔と第３貫通孔との間のリブ部）

Claims (1)

1. スポーク部及び当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、ホイール外径のリム部と、ホイール中心のホイール締結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、複数の貫通孔が設けられ、
   前記複数の貫通孔は、スポーク長さ方向に一列に並ぶように配列され、
   前記複数の貫通孔は、３つ以上有し、隣りの貫通孔との間隔がホイール外径側ほど広くなるように配置されている車両用軽合金ホイール。