JP7056091B2

JP7056091B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール

Info

Publication number: JP7056091B2
Application number: JP2017219712A
Authority: JP
Inventors: 法葭原; 聡名合; 弘榎本; 圭祐坂口; 信彦中切
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: JP2019089462A

Description

本発明は、電動車両の繊維強化樹脂製のホイールに関する。詳しくは、車両を駆動する電動モーターハウジングと一体成形された繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールに関する。

車両用ホイールは、主にタイヤを保持するリム部とリム部を支持するスポーク部と車軸の回転ベアリング部からなり、このホイールは、電動モーターを含むモーター保持部と連結されている。従来、ホイール部は一般的に鉄やアルミニュウムのような金属製であり、ホイールは内燃エンジンにより駆動するモーターとトランスミッションを通して連結されていた。環境規制の対応で、内燃エンジンから電動化が進むのに伴い、軽量化のためにトランスミッションなどを除くなど電動化に伴う構造設計も進められているが、軽量化は不十分であった。一方、特許文献１に開示されているように、生産性が高い射出成形によるホイール材料の短繊維強化熱可塑性樹脂化による軽量化の検討も進められているが、厳しい使用環境のためには力学的性能が不足し実用化は進んでいなかった。強度や弾性率が極めて高い繊維強化樹枝材料の開発が進み、ホイールの樹脂化検討が再開した。樹脂化による軽量化と、ハブモーターをホイールに装着した構造設計による軽量化の組み合わせが、特許文献２や非特許文献１に開示されている。力学的性能は向上したが、熱硬化性樹脂の成形や連続繊維の配置に長時間を要し、生産性が低く、工業化が進まなかった。また、駆動モーター部を一体化するとホイールの質量が増大し、慣性モーメントが大きくなることや、リムに装着されたモーターは、自動車本体に装備されたモーターより、より厳しい衝撃荷重を受けるためモーターの耐久性に問題があった。ホイールの樹脂化による軽量化を実用化するために、生産性と耐久性と効率の改善が求められていた。
また、リム部の内部や表面にバッテリを搭載することにより、伝送機構を簡略化する軽量化も開示されている（特許文献３）。しかし、やはり生産性と耐久性で実用化には課題があった。

特表２０１７－５２０４４８号公報米国特許第９４２１８５９号公報特開２０１６－８３９８５号公報

Ａｄｖａｎｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒａｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐ３４５，Ｗｉｌｅｙ（２０１４）

本発明は、かかる従来技術の課題を背景になされたものである。すなわち、本発明の目的は、生産性が高く、耐久性があり、軽量化した、電動モーターハウジングと一体成形された繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールを提供することにある。

本発明者らは、長繊維強化熱可塑性樹脂の圧縮成形において、変形方向や場所によらず強度や剛性を高くし、機械的性質の信頼性が高い成形品を得、モーターのハウジング部をホイールと一体化して、耐久性を改善すべき鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
１．駆動輪を駆動する電動モーターのハウジングと一体成形されたことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。
２．繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維が１００ｍｍ以下の不連続繊維からなることを特徴とする１．に記載の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。
３．二輪車用であることを特徴とする１．または２．に記載の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。
４．電動モーターが内側に回転部、外側に固定部を有することを特徴とする１．～３．のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。

駆動モーターハウジングと一体成形された繊維強化樹脂製のホイールを提供する本発明により、車両用のホイールが、軽量化と高生産化と高耐久化が可能となり、樹脂製ホイールの実用性が高められる。

繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールの側面図。繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールの縦断面図（上半分は、図１のＡ－Ａ’断面、下半分は、図１のＢ－Ｂ’断面）。

以下、本発明を詳述する。
本発明は、駆動輪を駆動する電動モーターハウジングと一体成形されたことを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールであり、強化樹脂が、生産性の高い熱可塑性樹脂であることを特徴とし、更に好ましくは、強化繊維が１００ｍｍ以下の不連続繊維束からなることを特徴とする。また、ホイールが二輪車用であることが好ましく、更に、電動モーターが内側に回転部、外側に固定部を有することが好ましい繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールである。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールは、タイヤを受けるリム部とリム部を支持するスポーク部からなる車輪用ホイール部と、車輪を駆動するモーターハウジングが一体成形される。車輪用ホイール部は、繊維強化樹脂からなる。強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、石墨繊維、スチール繊維、アラミド繊維等弾性率や強度が著しく高いスーパー繊維が使用される。車体の軽量化や重量下での変形を抑制する面から、ガラス繊維や炭素繊維が好ましく、特に炭素繊維が、比弾性率や比強度が高いので軽量化の面から好ましい。強化繊維は、連続繊維や連続繊維の織物や編み物や不織布も使用可能であるが、１００ｍｍ以下の不連続繊維であることが好ましい。強化繊維は、より好ましくは１０ｍｍ～１００ｍｍ、特に好ましくは２５ｍｍ～５０ｍｍの不連続繊維束であることが、成形性と機械的性質を両立できるから好ましい。１０ｍｍ未満では補強効果が低下し、また１００ｍｍを超えると成形時の流動性が低下して、薄肉部を有する成形品の成形条件幅が狭くなる。また強化繊維は、５０００～１０００００本が繊維束を成していることが好ましい。５０００本未満では、高い繊維含有率の強化熱可塑性樹脂の製造が難しい。また１０００００本を超えると繊維分布の緻密性が低下する。

繊維強化熱可塑性樹脂の母相をなす樹脂としては、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、飽和ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂のような熱可塑性樹脂が使用される。成形の生産性の面から熱可塑性樹脂が好ましい。特に、ポリアミド樹脂やポリプロピレン樹脂やポリフェニレンスルフィド樹脂が好ましい。樹脂には、耐熱性や耐候性の安定剤や成形性改良材や離型剤を予め添加しておくことが好ましい。

成形方法としては、予め強化繊維に樹脂を含浸して作製したプリプレグの圧縮成形、強化繊維のプリホームを使用したレジントランファー成形、強化繊維と熱可塑性樹脂を混練して得たシートを圧縮成形するＬＦＴ－Ｄ成形、射出―圧縮成形、射出成形が適応されるが、本発明の目的である高い強度と高い生産性とするために、好ましくは、プリプレグの圧縮成形、レジントランスファー成形である。特に、連続強化繊維に溶融樹脂を含浸し、引き抜き成形して得られた、樹脂含浸テープを１０～１００ｍｍにカットして得た短冊状のテープを２次元面内ランダムに分散し、積層して得られた厚さ１～１０ｍｍのプリプレグシートを特定の温度に加熱し、金型に配置して、圧縮成形することが好ましい。成形品の一部に、一方向性の繊維強化樹脂やテキスタイル状の繊維強化樹脂を配置し、前述のプリプレグシートと圧縮成形することも可能である。

モーターハウジング部は、ホイールの回転ベアリングの周囲に配置し、好ましくは、コイル巻き線からなる回転部を内側、磁性材からなる固定部を外側になるようにすると、慣性モーメントが抑制され、耐久性の向上のために好ましい。モーターハウジング部の材料とホイールのスポーク部は同じ材料とすると、材料の連続化で使用環境における歪みの発現が抑制され好ましい。モーターハウジング部とホイールを一体成形すると、組み立て工程での接合手間が省け、また強度を高くかつ耐疲労性を高くすることができるので好ましい。
本発明におけるモーターは、オンボード方式やインホイール方式いずれかに限定されない。またモーターのステーター部はホイール成形時に、ホイール部や車軸部にインサート成形することもできる。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールは、電動二輪車、電動三輪車、電動車椅子、軽四輪車、四輪車、バス、トラックなどに使用されるが、繊維強化樹脂製の電動ホイールは、負荷の小さい電動二輪車、電動三輪車が耐久性の面から好ましい。特に、電動二輪車用が好ましい。

本発明には、繊維長が１００ｍｍ以下の炭素長繊維を使用することが好ましい。繊維長は、５０ｍｍ以下がより好ましく、また好ましくは２０ｍｍ以上、より好ましくは３０ｍｍ以上である。機械物性上は連続繊維が好ましいが、成形時の金型内における流動性が必要なことから、プリプレグとして、１００ｍｍ以下、さらには５０ｍｍ以下に切断されたものが使用される。炭素繊維としては、製造法に特に制限されないが、ポリアクリロニトル繊維やセルロース繊維などの繊維を空気中で２００～３００℃にて処理した後、不活性ガス中で１０００～３０００℃以上で焼成され炭化製造された引張り強度２０ｔ／ｃｍ^２以上、引張り弾性率２００ＧＰａ以上の炭素繊維が好ましい。本発明に使用される炭素繊維の単繊維径は、特に制限されないが、複合化の製造ライン工程から３～２５μｍが好ましく、特に４～１５μｍが好ましい。３μｍ未満では、含浸や脱泡が難しく、２５μｍを超えると、比表面積が小さくなり、複合化の効果が小さくなる。本発明に使用される炭素繊維は、空気や硝酸による湿式酸化、乾式酸化、ヒートクリーニング、ウイスカライジングなどによる接着性改良のための処理されたものが好ましい。また本発明の複合材料製造に使用される炭素繊維は、作業工程の取り扱い性から、１００℃以下で軟化する集束剤により集束されていることが好ましい。集束フィラメント数には特に制限ないが、１０００～３００００フィラメントが好ましく、３０００～２５０００フィラメントがより好ましい。本発明に使用される炭素繊維の集束剤は特に限定されないが、母相がポリアミド樹脂の場合、炭素繊維とポリアミド樹脂に高い接着力を有するウレタン系やエポキシ系集束剤が好ましい。

本発明には、繊維長さが１００ｍｍ以下のガラス繊維を使用することもできる。繊維長さは、５０ｍｍ以下が好ましく、また好ましくは２０ｍｍ以上、より好ましくは３０ｍｍ以上である。プリプレグとして、１００ｍｍ、さらには５０ｍｍ以下に切断されたものが使用される。ガラス繊維の材質としては、特に限定されないが、Ｅガラス、Ｓガラスが好ましい。本発明に使用されるガラス繊維の単繊維径は、特に制限されないが、９～１８μｍが好ましく、特に１３～１６μｍが好ましい。９μｍ未満では熱可塑性樹脂の含浸が難しく、１８μｍを超えると、比表面積が小さくなり、複合化の効果が小さくなり、強度や弾性率が低下するので好ましくない。また、本発明に使用されるガラス繊維は、１００℃以下で軟化する集束剤により集束されていることが作業性上好ましい。集束フィラメント数には特に制限ないが、１０００～１００００フィラメントが好ましく、特に３０００～８０００フィラメントが好ましい。本発明に使用されるガラス繊維には、ガラス繊維と熱可塑性樹脂の接着強度を高めるカップリング剤と集束剤処理されているものが好ましい。カップリング剤としては特に限定されないが、エポキシ系、ウレタン系、アクリル系、無水マレイン酸変性ポリオレフィン系が好ましい。

本発明には、上記したようにプリプレグシートを用いることが好ましい。本発明には、プリプレグシート上の任意のｘ軸方向とこれと直交するｙ軸方向に切削した試験片の曲げ弾性率の比が、０．８～１．２、好ましくは０．８５～１．１５であるランダム強化タイププリプレグシートが予備成形体として使用される。試験片切削の軸はシート面上任意の方向でよいから、面上のある方向の曲げ弾性率に対してどの方向の曲げ弾性率も０．８～１．２であり、方向による差、すなわち異方性が小さいランダム強化タイプのプリプレグシートが予備成形体として使用される。この比が、０．８未満や１．２を超えたプリプレグシートの予備成形体を圧縮成形すると、予備成形体の曲げ弾性率が低い方向に流れにくく、曲げ弾性率が高い方向に流れやすい。強化繊維は流れ方向に配向しやすいから、成形により、弾性率の差は予備成形体のそれより拡大し、異方性が大きくなる。曲げ弾性率の異方性が、成形時の流動性において、逆の差となる関係を示すことが見出せたことが本発明の要件のひとつとなっている。本発明の効果は、プリプレグシートの厚さに拠らないが、厚さは１～１０ｍｍ、好ましくは２～７ｍｍ、特に２～５ｍｍが流動性の方向依存性が小さい面から好ましい。

一般的なシートモールディングコンパウンドやバルクモールディングコンパウンドやスタンパブルシートの圧縮成形の場合、通常成形材料を金型のキャビティ中央部に高く積み重ねて、型締めと共に、上型と成形材料が接し、成形材料にかかる圧力により、中央部の成形材料を金型内に流動し、充填することで成形品を得ている。これらの成形材料を成形する場合、金型内に成形材料を広げて配置すると、型締めにより材料の流動が開始してから充填圧がかかるまでの時間が短いので充填が不均一となる回避が必要であるためである。本発明では、短冊状のプリプレグ単位で流動するので、流動開始から充填圧がかかるまで短時間でも均一になりやすい。

本発明に使用されるプリプレグシートと併用して、成形品の容積と成す繊維強化樹脂シートは、特に限定されない。ランダムシート状プリプレグ、マット状プリプレグ、クロス状プリプレグのいずれか、またはこれらの組み合わせることができる。またこれらの金型への配置はとくに限定されない。本発明に用いられるプリプレグシートが、先行して均一に流動・充填するため、他の材料配置は特に制限を受けないためと考察される。

以下実施例を示すが、本発明は、実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で、態様を組み合わせて実施可能である。

繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールの成形品は、次のように試験・検査した。
（１）真円度
２３℃５０％ＲＨに調節にした試験室に、２０時間放置した繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール成形品を定盤上に置き、ミツトヨ製マニュアル３次元測定機により、リム部の３２点の座表を入力して、最大外径と最小外径を求めて、その差を真円度とした。
（２）平面度
２３℃５０％ＲＨに調節にした試験室に、２０時間放置した繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール成形品を定盤上に置き、ミツトヨ製マニュアル３次元測定器により、リム部の１６点の座表を入力して、それぞれの高さ座表の平均から最低の高さ座表を引き、平面度とした。
（３）圧縮強度
島津製作所製オートグラフＡＧ－Ｘ（１００ＫＮ）に圧縮ロードセルを配置して、クロスバーとの間で、２３℃５０％ＲＨに調節にした試験室に、２０時間放置した電動ホイールのリム部を保持し、毎分１ｍｍの速度でクロスバーを低下して、変位―荷重曲線の最大荷重を圧縮強さとした。

実施例１
５０体積パーセントの炭素繊維（東レ製トレカＴ７００）に５０体積パーセントの無水マレイン酸変性ポリプロピレン（東洋紡株式会社試作品Ｇ２Ｈ）を含浸賦形して得られたプリプレグテープを３５ｍｍにカットした短冊をその繊維軸が、面内ランダムになるように縦６００ｍｍ、横６００ｍｍ、高さ３０ｍｍの金属箔製箱内に散布した。これを、１００ｍｍの面盤間隔の位置で、上下面盤が２００℃に温度調節した神藤金属工業製圧縮成形機（型締め２０Ｔ）に挟み、面盤を狭め、１０ＭＰａの圧力で５分圧縮した後、面盤を開き、金属箔ごと熱い面盤から、冷却用の面盤に移動して、１０ＭＰａで１５分間加圧冷却した後、面盤を開き、厚さ約３ｍｍのシートを得た。このシートの周囲１５ｍｍをトリミングした後、上下面の金属箔を剥離して、不連続炭素繊維と変性プロピレンからなる擬似等方性の縦５７０ｍｍ，横５７０ｍｍ、厚さ３ｍｍのプリプレグシートを得た。このプレートから外半径５５０ｍｍ、内半径８０ｍｍのリング状円盤を切削した。

型締能力１００Ｔの神藤金属工業製圧縮成形機の取り付け盤にタイヤ装着ホイール部と電動モーターハウジング部が一体化した成形品が得られるキャビティを形成する上下金型を取り付け、上下金型を共に棒状ヒーターで加熱し、１３０℃に温度調節した。切削で得られたリング状プルプレグを遠赤外線ヒーターで２２０℃に加熱し、下金型のキャビティに投入し、上型を閉じ、１０ＭＰａの圧力下２分間圧縮した。その後、金型を開き、下型に配した突き出しピンにより、繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールを得た。ホイールのリム部の真円度と平面度は、１．３ｍｍ、０．９ｍｍであった。また圧縮強さは、２４ＫＮであった。

実施例２
実施例１の無水マレイン酸変性ポリプロピレンをポリアミド６樹脂（東洋紡株式会社製グラマイドＴ８０３）に変更し、面盤温度を２００℃から２６０℃に、金型温度を１３０℃から１８０℃に、遠赤外線ヒーター加熱温度を２２０℃を２８０℃に変更した以外は実施例１と全く同様に圧縮成形して繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールを得た。ホイールのリム部の真円度と平面度は、１．４ｍｍ、１．１ｍｍであった。また圧縮強さは、３５ＫＮであった。

実施例３
実施例１の炭素繊維をガラス繊維（日本電気ガラス製ＥＲ２３１０）に変更した以外は、実施例１と全く同様に成形して、繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールを得た。ホイールのリム部の真円度と平面度は、１．０ｍｍ、１．２ｍｍであった。また圧縮強さは、２１ＫＮであった。

車両用のホイールにおいて、軽量化と高生産化と高耐久化が可能となり、特に電動二輪車などで樹脂製ホイールの実用性が高められる。

１１：リム部（タイヤ装着部）
１２：ハブ部
１３：モーターハウジング部
１４：モーター
１５：軸受け部
１６：軸部

Claims

駆動輪を駆動する電動モーターのハウジングと一体成形された繊維強化熱可塑性樹脂製ホイールであり、前記繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維が１０ｍｍ～１００ｍｍの不連続繊維からなることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。
繊維強化熱可塑性樹脂の強化繊維が２５ｍｍ～１００ｍｍの不連続繊維からなることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。
二輪車用であることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。
電動モーターが内側に回転部、外側に固定部を有することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の繊維強化熱可塑性樹脂製ホイール。