JP7339777B2 - ホイール - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の車両に設けられるホイールに関するものである。

乗用車等の自動車のホイールは、空気入りゴムタイヤなどのタイヤと、タイヤのビード部を保持するリムとを有して構成される。
リムは、その内径側に設けられるディスクを介して、車両のサスペンション装置に設けられたハブに締結され、車軸回りにハブとともに回転する。
リム及びディスク（これらのみがホイールと称される場合もあるが、本明細書、特許請求の範囲等においては、タイヤを含めたものをホイールと称して以下説明する。）は、例えば、アルミニウム系合金等の金属材料によって一体に、あるいは、別部品を締結、溶接等により固定して構成されることが一般的である。
このようなホイールに関する従来技術として、特許文献１には、防振性、防音性、制動性能、対偏摩耗性能を向上する目的で、リムとディスクとの間に、ホイールの半径方向に対して所定の方向に傾斜した接合面部を有する弾性体を介在させることが記載されている。
また、特許文献２には、車両のサスペンション側に、車輪のキャンバ自由度を確保するための湾曲スライダを設けることが記載されている。

国際公開ＷＯ２００２／０３０６８４号公報 特開２００３－１１８３３８号公報

従来、ホイールは、主に旋回時を考慮したタイヤ横力に対する高剛性化と軽量化とを両立させることを考慮して設計される場合が多く、以下説明するタイヤ接地荷重によるリムの変形に対する配慮には乏しかった。
通常、リムの内径側には、ハブやブレーキ装置の各種部品を収容する必要があることから、ディスク及びそのリムとの接合箇所は、リム幅の中央に対して車幅方向外側にオフセットされている場合が多い。
このような構成とした場合、タイヤの接地荷重によってリムの周上における接地箇所付近の部分において、リム幅方向におけるディスク側とは反対側の端部（一般的には車幅方向内側の端部）が持ち上がる方向のねじりモーメントが発生し、リムがディスクに対して回動するモードの変形が生じる場合がある。
このような変形が発生した場合、接地荷重の変動に応じてキャンバ（タイヤの傾き）が変動し、タイヤの接地面形状や接地面圧分布が変動する不安定な状態となり、さらにキャンバスラスト（キャンバ角に起因するタイヤ横力）が発生し、例えば直進時にふらつきが発生するなどして車両の走行安定性が損なわれてしまう。
また、リムがディスクに拘束されていることにより、路面にアンジュレーション（うねり）が存在する場合には、対地キャンバが変動して接地面の状態変動が生じてしまう。

これに対し、例えば特許文献１に記載された技術のように、リムとディスクとの間にゴムなどの弾性体を介在させ、弾性体の変形を利用してキャンバ変化を抑制することも考えられるが、車両の接地荷重を負担することを考慮すると、この弾性体は相当剛性を高くする必要があり、その変形によって十分なキャンバ抑制効果を得ることは困難であると考えられる。
また、仮に弾性体の剛性を低下させることが可能であったとしても、この場合キャンバ剛性やトー剛性などの確保が困難となり、操縦性としてもダイレクト感に乏しいものとなることが懸念される。
また、特許文献２に記載された技術は、車両のサスペンション自体を特殊な構造のものとする必要があり、既存の車両の取り付けることが困難であって汎用性が著しく低い。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、タイヤの接地状態を効果的に安定化したホイールを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、外周面部に形成されたトレッド及び内周縁部に設けられた一対のビード部を有するタイヤと、円環状に形成され軸方向における両端部で前記一対のビード部を保持するリムと、車両に設けられたハブに締結されるディスクとを備え、前記ディスクと前記リムとの連結箇所に設けられ、前記リムを前記ディスクに対して前記リムの接線方向に沿った軸回りに回動可能に支持する回転支承部を有し、前記回転支承部の回転中心を、前記リムの本体部及び前記タイヤのビードに対して外径側に張り出した位置に配置したことを特徴とするホイールである。
これによれば、ディスクからリムを回転支承部を介して支持することにより、リムのねじり方向の変形がディスクにより拘束されることがない。
このため、接地荷重の変動や、路面のアンジュレーションがあった場合であっても、タイヤのトレッド（接地面）が路面に沿うように、リムがディスクに対して相対回転することにより接地面の状態を安定化し、接地荷重によるディスクに対するリムの倒れに起因するキャンバ変化や、路面のアンジュレーションに起因する接地状態の変化を抑制することができる。
これによって、直進状態におけるキャンバスラスト力及びその変動を小さくすることができ、車両のふらつきを防止して直進安定性を向上することができる。
また、回転支承部をタイヤの接地箇所付近ではリムの本体部に対して低い位置（路面に近い位置）に配置することが可能となり、上述した効果を促進することができる。

請求項２に係る発明は、前記回転支承部はボールジョイントを有することを特徴とする請求項１に記載のホイールである。
これによれば、簡単な構成により上述した効果を確実に得ることができる。
また、鉛直方向や車幅方向の荷重に対しては高い剛性を確保することが可能であり、ディスクに対するリムの並進方向への変位等による操縦安定性への悪影響を防止することができる。
さらに、衝突時にはボールジョイントが破断してディスクからリムが外れることにより、リムが車室に衝突して車室を変形させたり、リムが車室内に侵入することによる乗員の傷害を抑制することができる。

請求項３に係る発明は、前記回転支承部の回転中心は、前記リムのリム幅方向における中央部に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のホイールである。
これによれば、タイヤの接地荷重の作用中心と、回転支承部の回転中心とのリム幅方向における位置を近づけることにより、接地荷重によるリムのねじりモーメントを低減し、リムの挙動を安定化してキャンバ変化をよりいっそう抑制することができる。

請求項４に係る発明は、前記タイヤの接地面から前記回転支承部の回転中心までの高さをａとし、前記タイヤの接地幅をｂとし、前記タイヤに作用するコーナリングフォースの最大値をＣＦｍａｘとし、前記ＣＦｍａｘが発生する際の前記タイヤの接地荷重をＷとしたときに、
ａ／ｂ ＜ ０．５Ｗ／ＣＦｍａｘ
を充足することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のホイールである。
これによれば、車両の旋回時に、タイヤの接地面の旋回外側の端部に作用する接地荷重とコーナリングフォースとの合力が、タイヤを路面から浮き上がらせる方向のねじりモーメントとしてリムに作用することがなく、タイヤの接地状態をさらに安定化させることができる。

請求項５に係る発明は、前記リムの周方向における前記回転支承部から離間した領域において、前記回転支承部が設けられる領域に対して相対的に剛性を高くしたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のホイールである。
これによれば、回転支承部が設けられディスクによって支持される領域以外の領域を補剛することにより、回転支承部の周囲でリムがディスクに対して回動し、リムのねじり変形が発生した場合であっても、ホイール全周でのリムのねじれ剛性の変動を小さくし、接地性の変動及びこれによる振動を抑制することができる。

請求項６に係る発明は、前記リムが前記ディスクに対して前記リムの接線方向に沿った軸回りに回動可能な範囲を規制する回動角度規制部を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のホイールである。
これによれば、例えば悪路走行や段差の乗り上げなどで突発的に著大な接地荷重等が作用した場合であっても、リムがディスクに対して過剰に変位することを防止できる。

請求項７に係る発明は、前記リムと前記ディスクとの少なくとも一方を炭素繊維強化樹脂により形成したことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のホイールである。
これによれば、ホイールを軽量化するとともに適度な弾性を与えることが可能となり、上述した効果をより一層促進することができる。

請求項８に係る発明は、前記ディスクは、車両のハブに締結される中央部、及び、前記中央部から外径側に放射状に突出したスポーク部を有し、前記回転支承部は、前記スポーク部の突端部に設けられることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のホイールである。
これによれば、周方向に離散的に設けられるスポークの先端部に回転支承部を設けてリムを支持することにより、回転支承部の回転に伴う適度なリムのねじり変形を許容しつつリムを適切に支持することができ、上述した効果を確保することができる。

以上説明したように、本発明によれば、タイヤの接地状態を効果的に安定化したホイールを提供することができる。

本発明を適用したホイールの実施形態を車軸方向から見た図である。 図１のII－II部矢視断面図である。 図１のIII－III部矢視断面図である。 実施形態のホイールに作用する力の関係を模式的に示す図である。

以下、本発明を適用したホイールの実施形態について説明する。
実施形態のホイールは、例えば、乗用車等の四輪の自動車の左右前後輪として用いられるものである。
図１は、実施形態のホイールを車軸方向から見た図である。
図２、図３は、図１のII－II部、III－III部矢視断面図である。
ホイール１は、タイヤ１０、リム２０、ディスク３０、ボールジョイント４０等を備えて構成されている。

タイヤ１０は、例えばスチールベルテッドラジアル等の空気入りゴム製チューブレスタイヤである。
図２等において、タイヤ１０のプライコード、ベルト、ベルト補強層や各種ゴム層等の公知の内部構造に関しては図示を省略する。
タイヤ１０は、トレッド１１、サイドウォール１２、ビード１３等を有して構成されている。

トレッド１１は、タイヤ１０が路面ＲＳと接する踏面（接地面）を有する略円筒状の部分である。
サイドウォール１２は、トレッド１１の幅方向（車軸方向）における両端部から内径側に張り出して形成された部分である。
サイドウォール１２の内周縁部は、リム２０のフランジ部２２に沿って配置されている。
ビード１３は、サイドウォール１２の内周縁部に埋設された円環状の構造部材である。
ビード１３は、例えばスチールワイヤを巻きまわして形成された芯材である。

リム２０は、タイヤ１０が取り付けられる円環状の部材である。
リム２０は、本体部２１、フランジ部２２、マウント部２３、ドロップ部２４等を有して構成されている。

本体部２１は、車軸と同心に配置された円筒状の部分であって、タイヤ１０の内径側に配置されている。
フランジ部２２は、本体部２１の幅方向（車軸方向）における両端部から外径側に張り出して形成された部分である。
フランジ部２２は、タイヤ１０のビード１３の周辺部を、タイヤ幅方向における外側から支持するとともに、タイヤ１０の内圧によりビード１３周辺のゴムが圧着され、タイヤ内部の空気を保持する機能（タイヤ１０とリム２０との隙間をシールする機能）を有する。

マウント部２３は、ボールジョイント４０のボール４１が取り付けられる部分である。
図２に示すように、マウント部２３は、本体部２１の幅方向における中央部を、外径側に張り出させて構成されている。
マウント部２３は、リム２０の内径側から見たときに、ボックス状の凹部が形成されるよう構成されている。
マウント部２３のリム２０の本体部２１からの突出量は、車両の走行時にトレッド１１の内面（インナーライナ面）が干渉しない程度に設定されている。
図１に示すように、マウント部２３は、ホイール１の周方向において、スポーク３１の突端部３２が設けられる箇所に配置されている。
例えば、実施形態の場合には、マウント部２３は、ホイール１の中心軸（車軸）回りに、１２０°間隔で３箇所に設けられている。

ドロップ部２４は、リム２０の本体部２１の幅方向における中央部を、内径側に張り出させて構成されている。
図１に示すように、ドロップ部２４は、リム２０の周方向において、マウント部２３の間隔の領域（マウント部２３が設けられない領域）に配置されている。
ドロップ部２４は、リム２０を外径側に見たときに、周方向に沿って伸びた溝状となるように構成されている。
ドロップ部２４は、リム２０にタイヤ１０を着脱する際に、ビード１３の周辺部を溝内に落とし込むことにより、ビード１３を過度に引張することなくフランジ部２２を乗り越えられる状態とするものである。
ドロップ部２４が設けられた領域は、ドロップ部２４が存在することで極断面係数、断面係数が増加することなどにより、マウント部２３が設けられた領域などの他の領域に対して、リム２０のねじり剛性及び曲げ剛性が高くなるようになっている。

ディスク３０は、リム２０の内径側に設けられ、図示しないボルト穴を用いて車両の図示しないハブに締結される円盤状の部分である。
ディスク３０は、外径側に放射状に突出して形成された複数のスポーク３１を有する。
スポーク３１は、実施形態の場合には、例えば３本が、周方向に等間隔に分散して配置されている。
スポーク３１の突端部３２（ディスク３０の外径側の端部）は、ボールジョイント４０を介してリム２０と連結されている。

ディスク３０は、通常リム幅の中央に対して、車幅方向外側にオフセットして配置されている。
スポーク３１の突端部３２は、リム幅の中央に配置されており、このためスポーク３１は、図２に示すように、湾曲した断面形状を有する。
スポーク３１の突端部３２の表面は、車両の通常走行時において、リム２０のマウント部２３の内面と、所定の間隔を隔てて対向して配置されている。
これらは、スポーク３１とリム２０との、リム２０の接線方向（接地箇所付近においてはホイール１の進行方向）に沿った軸回りにおける相対回転が所定の角度に達したときに当接し、過度な相対回転を防止するストッパとして機能するよう設定されている。

ボールジョイント４０は、リム２０のマウント部２３と、スポーク３１の突端部３２とを、所定の回転中心回りに相対回動可能な状態で連結するものである。
ボールジョイント４０は、ボール４１、レース４２を有するスフェリカルベアリングとして構成されている。

ボール４１は、リム２０のマウント部２３の凹部内に配置された球体状の部材である。
ボール４１は、外周面部の一部からホイール１の外径側に張り出した突起を、マウント部２３の凹部の底面部に取り付けて固定されている。
レース４２は、ボール４１の外面（凸曲面）に沿って形成された凹曲面状の内面を有し、ボール４１を受容する部材である。
ボール４１とレース４２とは、接触面部が摺動することにより、ボール４１の中心回りに相対回動可能となっている。
レース４２は、スポーク３１の突端部に固定されている。

ボールジョイント４０のボール４１、レース４２は、例えばステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
ボール４１とレース４２との摺動面部には、例えばＰＴＦＥなどの固体潤滑性を有する材料からなる図示しないライナが介在して設けられている。
リム２０は、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＰＲ）などの弾性を有する複合材により、一体に形成されている。
ディスク３０及びスポーク３１は、例えばＣＦＲＰなどの複合材により、一体に形成されている。

図４は、実施形態のホイールに作用する力の関係を模式的に示す図である。
図４は、車両の旋回時におけるホイール１の接地面近傍を、ホイール１の進行方向（リム２０の接線方向）から見た状態を示している。
図４において、ボールジョイント４０の回転中心のタイヤ接地面からの高さをａ、タイヤ１０のトレッド１１の接地幅をｂとする。
また、車両の走行時においてタイヤ１０が発生するコーナリングフォースをＣｆ、このときのタイヤの接地荷重をＷとする。
例えば、車両の最大求心加速度（いわゆる横Ｇ）が１Ｇである場合には、コーナリングフォースＣｆの最大値は、接地荷重Ｗとほぼ等しくなる。（Ｃｆ：Ｗ≒１：１）
このとき、ａ／ｂ＜０．５となるように（θ＜４５°となるように）設定することにより、コーナリングフォースＣｆと荷重Ｗとの合力によりトレッド１１の外側接地点回りに発生するモーメントＭを、タイヤ１０を路面に押し付ける（路面から浮かせない）方向に作用させて接地状態を改善することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）リム２０を、ボールジョイント４０を介してディスク３０から支持することにより、リム２０のねじり方向の変形がディスク３０により拘束されることがない。
このため、タイヤ１０のトレッド１１が路面ＲＳに沿うように、リム２０がディスク３０に対して相対回転することにより、接地面の状態を安定化し、接地荷重Ｗによるディスク３０に対するリム２０の倒れに起因するキャンバ変化や、路面ＲＳのアンジュレーションに起因する対地キャンバ変化を抑制することができる。
これによって、直進状態におけるキャンバスラスト力及びその変動を小さくすることができ、車両のふらつきを防止して直進安定性を向上することができる。
（２）スポーク３１の突端部３２とリム２０のマウント部２３との接続箇所にボールジョイント４０を有する構成としたことにより、簡単な構成により上述した効果を確実に得ることができる。
また、鉛直方向や車幅方向の荷重に対しては高い剛性を確保することが可能であり、ディスク３０に対するリム２０の並進方向への変位等による操縦安定性への悪影響を防止することができる。
さらに、衝突時にはボールジョイント４０が破断してスポーク３１からリム２０が外れることにより、リム２０が車室を変形させたり、車室内に侵入することによる乗員の傷害を抑制することができる。
（３）ボールジョイント４０の回転中心をリム２０の幅方向における中央部に配置したことにより、タイヤ１０の接地荷重の作用中心と、回転支承部の回転中心とのリム幅方向における位置を近づけることができ、接地荷重によるリム２０のねじりモーメントを低減し、リム２０の挙動を安定化してキャンバ変化をよりいっそう抑制することができる。
（４）ボールジョイント４０の回転中心の高さａ、タイヤ１０のトレッド１１の幅ｂを、ａ／ｂ＜０．５となるよう設定したことにより、車両の旋回時に、タイヤ１０の接地面の旋回外側の端部に作用する接地荷重ＷとコーナリングフォースＣｆとの合力が、タイヤ１０を路面ＲＳから浮き上がらせる方向のモーメントとしてリム２０に作用することがなく、タイヤ１０の接地状態をさらに安定化させることができる。
（５）リム２０におけるマウント部２３が設けられる領域に対して、ドロップ部２４が設けられる領域のねじり剛性を相対的に高くしたことにより、ボールジョイント４０の周囲でリム２０がディスク３０に対して回動し、リム２０のねじり変形が発生した場合であっても、ホイール１の全周でのリム２０のねじれ剛性の変動を小さくし、接地性の変動及びこれによる振動を抑制することができる。
（６）ボールジョイント４０の回転中心を、リム２０の本体部２１に対して外径側に張り出した位置に配置したことにより、ボールジョイント４０をタイヤ１０の接地箇所付近ではリム２０の本体部２１に対して低い位置に配置することが可能となり、上述した効果を促進することができる。
（７）スポーク３１の突端部３２とマウント部２３の内面とが、ボールジョイント４０の揺動角度が所定の角度に達したときに当接するよう構成したことにより、悪路走行や段差の乗り上げなどで突発的に著大な接地荷重等が作用した場合であっても、リム２０がディスク３０に対して過剰に変位することを防止できる。
（８）リム２０及びディスク３０を炭素繊維強化樹脂により形成したことによって、ホイール１を軽量化するとともに適度な弾性を与えることが可能となり、上述した効果をより一層促進することができる。
（９）ボールジョイント４０がディスク３０から放射状に突出し周方向に離散的に配置されるスポーク３１の突端部３２に設けられることにより、ボールジョイント４０の回転に伴う適度なリム２０のねじり変形を許容しつつリム２０を適切に支持することができ、上述した効果を確保することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）ホイールの構成は上述した実施形態に限定されず、適宜変更することが可能である。ホイールを構成する各部材の形状、構造、材質、製法などは、適宜変更することができる。
例えば、実施形態においては、リム及びディスクを炭素繊維強化樹脂によって形成しているが、これに限らず、例えばアルミニウム系合金、マグネシウム系合金などの金属材料による鍛造あるいは鋳造としてもよい。また、鋼板等の金属板を塑性加工してリム、ディスクを形成してもよい。
（２）実施形態においては、車両の最大求心加速度を例えば１Ｇとした場合について説明したが、車両の最大求心加速度がこれとは異なる場合であっても、タイヤの接地面から回転支承部の回転中心までの高さをａとし、タイヤの接地幅をｂとし、タイヤに作用するコーナリングフォースの最大値をＣＦｍａｘとし、ＣＦｍａｘが発生する際のタイヤの接地荷重をＷとしたときに、ａ／ｂ ＜ ０．５Ｗ／ＣＦｍａｘを充足するようａ，ｂを設定すれば、実施形態と同様にコーナリングフォースと接地荷重との合力がタイヤを浮かせる方向のモーメントを発生することを防止できる。
（３）実施形態においては、回転支承部としてボールジョイントを用いているが、これに限らず、例えばリムの接線方向に沿った回転中心軸回りにリムとディスクとを相対回転可能とする構成としてもよい。
（４）実施形態においては、リムにおける回転支承部近傍以外の領域にドロップ部を設けることによって当該部位のねじり剛性、曲げ剛性を高めているが、剛性向上手法はこれに限らず、適宜変更することができる。
例えば、リムの表面にリブ等の補剛部を形成する構成としてもよい。
また、リムの肉厚を部分的に大きくした構成としてもよい。

１ ホイール １０ タイヤ
１１ トレッド １２ サイドウォール
１３ ビード ２０ リム
２１ 本体部 ２２ フランジ部
２３ マウント部 ２４ ドロップ部
３０ ディスク ３１ スポーク
３２ 突端部 ４０ ボールジョイント
４１ ボール ４２ レース
ＲＳ 路面

Claims (8)

1. 外周面部に形成されたトレッド及び内周縁部に設けられた一対のビード部を有するタイヤと、
   円環状に形成され軸方向における両端部で前記一対のビード部を保持するリムと、
   車両に設けられたハブに締結されるディスクとを備え、
   前記ディスクと前記リムとの連結箇所に設けられ、前記リムを前記ディスクに対して前記リムの接線方向に沿った軸回りに回動可能に支持する回転支承部を有し、
   前記回転支承部の回転中心を、前記リムの本体部及び前記タイヤのビードに対して外径側に張り出した位置に配置したこと
   を特徴とするホイール。
2. 前記回転支承部はボールジョイントを有すること
   を特徴とする請求項１に記載のホイール。
3. 前記回転支承部の回転中心は、前記リムのリム幅方向における中央部に配置されること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のホイール。
4. 前記タイヤの接地面から前記回転支承部の回転中心までの高さをａとし、前記タイヤの接地幅をｂとし、前記タイヤに作用するコーナリングフォースの最大値をＣＦｍａｘとし、前記ＣＦｍａｘが発生する際の前記タイヤの接地荷重をＷとしたときに、
   ａ／ｂ ＜ ０．５Ｗ／ＣＦｍａｘ
   を充足すること
   を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のホイール。
5. 前記リムの周方向における前記回転支承部から離間した領域において、前記回転支承部が設けられる領域に対して相対的に剛性を高くしたこと
   を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のホイール。
6. 前記リムが前記ディスクに対して前記リムの接線方向に沿った軸回りに回動可能な範囲を規制する回動角度規制部を有すること
   を特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のホイール。
7. 前記リムと前記ディスクとの少なくとも一方を炭素繊維強化樹脂により形成したこと
   を特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のホイール。
8. 前記ディスクは、車両のハブに締結される中央部、及び、前記中央部から外径側に放射状に突出したスポーク部を有し、
   前記回転支承部は、前記スポーク部の突端部に設けられること
   を特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のホイール。
   

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