JPS63179230A - 自動車用ホイ−ルの疲労耐久寿命推定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野］ 本発明は自動車用ホイールの曲げモーメント耐久寿命推
定方法に関するもので、自動車用ホイールが疲労破壊す
る以前に耐久寿命を推定する事を目的とするものである
。

［従来の技術および問題点］ 自動車用ホイールは足まオ〕り部品の中でも特に重要保
安部品として位置づけられているため、疲労耐久性の確
保は重大なポイントであり必須条件でもある。

特に最近の技術動向として使用材料を高強度化する事で
板厚を減少させてホイールの軽量化を図ろうとする動き
が活発であるため、疲労耐久性の確保は従来にも増して
重要課題となっている。

したがってホイールメーカーではホイール製造時に疲労
耐久性を重要管理項Ｌ１として常時監視しており、耐久
寿命が一定水準に達しないものは不合格となって市場に
は出荷されない。

ホイールの耐久寿命は、使用材料、ホイールデザイン、
１１２造工程の変更、プレス金型の摩耗などの製造時の
変りｊ要因等によって大きく影響されるため、ホイール
生産時の品質管理は疲労耐久性確保の点から重要な役割
を担っている。

自動車用ホイールの耐久試験は直線走行時の負荷条件の
場合と、急旋１ｎ１時の負荷条件の場合の二種類の試験
法で行われるが、ホイールの軽量化（高強度化）で特に
問題となるのは急旋回時にホイ・−ルが受けるくり返し
横荷重下での耐久寿命であり、これはホイール耐久試験
装置を用いた曲げモーメント耐久試験でテストされる。

この場合、供試したホイールに疲労き裂が発生、進展し
て疲労破壊に至る寿命をもって耐久寿命とする方法が一
般的であり、−条件の試験を行うためには一個のホイー
ルが疲労破壊に至るまで耐久試験を続ける事が必要であ
る。

通フ；１゛、ホイールが疲労破壊に至るまでは長い時間
を要するため必然的に能率低下を生ずる。

さらに、当然の事ながらホイールが疲労破壊するまでは
疲労寿命の予測は不可能である。

本発明者らは自ＩＪ＋　ＩＬ川用イールを曲げモーメン
ト耐久試験に供試した場合、試験開始後１０〜２０分で
動的な安定状態に入り、ホイールに疲労き裂が発生しで
ある大きさに成長するまでこの状態は維持される事を見
出した。

この動的な安定時期は、ホイール耐久試験中の動変位が
安定する時期に一致している。

したがってこの安定時期に各種の８１す定を行い、得ら
れたデータから当該ホイールの耐久寿命を予知できれば
大幅な時間短縮となり、ホイール耐久試験の能率向りが
可能となる。

このような発想から、ホイール耐久試験中の安定時期に
動変位測定を行って得られた動変位の値から耐久寿命を
予測する方法を考案し、迅速試験方法として過去に「製
鉄研究Ｊ（Ｎｏ３１２５９（１９８４））に発表してい
る。

〔発明が解決しようとする問題点］ ホイールの耐久性に影響をおよぼす要因を大別すれば、
ホイール製造時に関わる構造要因とホイールに使用する
材料に関オ】る材料要因とに分けられる。

構造要因としては、ホイールデザイン、ホイール組ｑで
精度、プレス加工後の仕−にかり精度などがあるが、こ
れらの影響度合いを総合的に示す値として動変位があげ
られる。

動変位はホイールに静的負荷を加えた時の変位に近い値
であり、ホイール全体の剛性を表わす指標となるもので
あるが、同一変位に対する耐久寿命のバラツキが大きい
ため、前記の迅速試験方法では精度の良い耐久寿命の推
定は不可能であった。

また本発明者らは、耐久試験中のホイール表面より検出
される動的ひずみ振幅と動変位とに相関性のある事を前
出「製鉄研究」誌に述べており、同様の発想により動的
ひずみ振幅の値から耐久寿命を予測する事も考えられる
が、精度を向上させるためには数多くのひずみゲージを
ホイール表面に添付する作業が必要で、前準備が煩雑辷
なる事。

およびひずみゲージ添付位随と疲労クラック発生位置を
一致させる事が必要となるが、疲労クラック発生位置の
事前の予測が困難である事などの問題点があって実用的
ではなかった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は本発明者らがその後の実験から、ホイール耐久
試験中の動変位の安定する時期に赤外線温度測定装置を
使用して第１図に示すようなホイール表面の温度分布を
８１１定する方法を開発した事に基づく。

第１図の１〜６は曲げモーメント耐久試験装置部の例で
、７〜１：１は赤外線温度ＢＭ定定置置部例である。図
においてホイール耐久装置はホイールＷのナツト座部を
負荷アーム端部２で固定し、他端をベアリング５で回転
自在に挿着し、該ベアリング５の外部にアンバランス重
錘４を設け、且つ該ベアリング５をフレキシブルシャフ
ト３で回転するように構成されいている。

ホイールＷの耐久試験を行う場合はフレキシブルシャフ
ト３を回転し、負荷アームｌを重錘４の回転によって、
点線で示すように揺動せしめ、ホイールＷを取り付けた
負荷アーム端部２に負荷を与える。

該負荷アーム１の変位を耐久試験中の動的安定時期に非
接触式変位計６で測定し、動変位を求める。　一方、同
図に示すように上記固定ホイールＷの上方に赤外線温度
測定装置を配置し、ホイールの表面温度を測定する。

一般的な温度測定の方法としては熱電対法やサーモペイ
ント法などが良く知られているが、これらの方法は以ド
に述べるような理由からホイール表面の温度測定には適
していない。

耐久試験中のホイール表面は常温近傍でのわずかな温度
変化となるため、表面温度に影響を及ぼさないように、
非接触でなおかつ微小な温度差の検出がｉＩｆ能な８１
’ｌ定方法が望ましい。

しかも時々刻々変化するホイールの表面全体の温度分布
を同時に、もしくはごく短時間に測定可能な方法が望ま
しい。

これらの点から、Ｃｄ−１１ｇ検出子を用いた高感度セ
ンサーと、ホイール全体の温度分布を同時に、しかもビ
ジュアルに表示できる特長を持つ赤外線温度測定装置と
を併用する方法が最適である。

ホイールは形状が複雑であるため、耐久試験中のホイー
ル全体の応力分布は不均一となりやすい。

したがって、局部的な応力集中部位には高いくり返し応
力によって微弱な発熱現象が生ずる一方、応力分布に対
応した熱弾性現象も生ずるため、これらの相乗効果によ
って耐久試験中のホイール表面からは赤外線による温度
の強弱パターンが放出されている。

この赤外線信−Ｊ・はそのホイールに固有の特性や負荷
条件に応じた特有なパターンを表示する事からその信号
には数多くの有益な情報が含まれているが、放出レベル
がきわめて微弱であるためにこれを検出するためには高
感度の赤外線センサーが必要となる。

この場合、８１す定装盾周辺の照明や大気対流などの外
的要因によって微小な温度の検出に影響が及ばないよう
に、対象ホイールおよび赤外線センサーを暗幕でおおう
などの配慮が必要である。

ここで、１−記赤外線温度測定装置について第１図にも
とづき、更に説明する。

耐久試験中のホイールＷの表面より発した赤外線信号は
反射ミラー８を介して集光レンズ９により高感度センサ
ーｌＯに集められる。

その後コントローラ！１でビデオ信号に変換され、カラ
ーモニター１２でホイール表面の温度分布が温度の高低
に応じて色分は表示される。

また必要に応じてビデオ信号はＶ　’ｒＲ１３に記録で
きる。

この赤外線温度８１す定装置を使用して耐久試験中のホ
イール表面の温度分布を測定した結果、第２図に示すよ
うにホイール表面の温度が高くなるにしたがって、全体
的な温度分布のアンバランス度合いが大きくなり、この
状態を維持したまへやがて動的な安定時期に入る。

さらに安定時期に最高温度を示した例えば部位Ａは、そ
の後の試験中の温度−ヒ昇が大きく、最終的にはこの部
位に疲労き裂が発生してホイールの破断寿命を決めてい
る事を発見した。

本発明はこのような知見にもとずいてなされたものであ
って、ホイールの曲げモーメント耐久試験中に当該ホイ
ールの動変位を測定し、動変位の安定する時期に赤外線
温度８！１１定装置を用いてホイール表面の温度分布を
測定して、局部的な最高温度部位の耐久試験開始直後か
らの温度上昇度合いを検出し、得られた動変位および温
度上昇度合いの値を用いて・μ前に作成した較正線図か
ら耐久寿命を読みとる１μによって精度の高い耐久寿命
の推定を可能とするものである。

動的な安定時期は動変位８（す定値の安定する時期と一
致しているため、動変位の挙動から判断する方法が迅速
かつ簡便で、しかも正確である。

この場合、動的な安定時期以前のホイール表面温度は第
２図に見られるように変動が大きいため、測定時のタイ
ミングによる８１１定誤差を生じやすい事や各部位の温
度差がまだ小さいため最高温度部位の判定が困難である
事などの理由から温度測定には適さない。

また動的な安定時期を脱した時点では、すでに疲労き裂
が発生して進展しつつある時期であるため、耐久試験初
期の温度分布状態とは大幅に異なるパターンとなってお
り、検出される最高温度部位と疲労寿命との相関がみら
れなくなる事から、やはり温度測定には適さない。

本発明による方法は、ホイールの生産工程で通常行われ
ている−・定負荷条件下でのホイールの曲げモーメント
耐久試験はもとより、新製品開発時のホイール試作段階
やホイールデザイン変更時に行オ）れるような異なる負
荷条件下でのホイールの曲げモーメント耐久試験におい
ても適用が可能であり、どちらの条件下でも精度の良い
耐久寿命の推定が可能である。

以ドに本発明について、さらに詳細に説明する。

まず対象ホイールを２個以上準備し、これを曲げモーメ
ント耐久試験に供試して測定中の動変位が安定する時期
をもって動的な安定時期とみなし。

この安定時期におけるホイール表面の温度分布を測定し
て最高温度部位の温度−１〕昇度合いを検出する。

対象ホイールのデザイン形状によっては、単独の赤外線
センサーではホイール表面の全域をカバーする！１１が
困難となるが、この場合には第３図に示すように複数の
センサーを用いてホイールの周辺に配置し、あろいはホ
イールの周辺を回転させるなどの方法を採る事が必要で
ある。

対象ホイールはそのまＮ耐久試験を継続し、それぞれの
疲労破断寿命をもとめる。

このようにして、対象ホイールの耐久試験中の安定時期
に得られた値から、ホイール表面の最高温度部位の試験
開始直後からの温度上昇度合いとホイール破断寿命との
関係をプロットして、当該ホイールの動変位および最高
温度部位の較正線図を得る。

以後は、対象ホイールを曲げモーメント耐久試験に供試
して耐久試験中の動変位安定時期にホイール表面の最高
温度をｎ＋ｌｌ定して耐久試験開始直後からの温度」−
昇度合いを検出すれば、得られたホイール表面の最高温
度部位の温度、１；昇度合いの値を用いて、較正線図か
ら対象ホイールの疲労耐久寿命を良好な精度で推定する
事が可能となる。

［実施例］ 以下に実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。

実施例−１ 先ずホイールＡを３個準備し、ａ、ｂ、ｃとした上で各
ホー１’−）Ｌｌヲ負負荷モー１卜８２００１４０ｋｇ
ｆ−ｍの３種類の異なる条件下で曲げモーメント耐久試
験に供試し、それぞれの負荷条件下での動的安定時期（
動変位が安定する時期）に入った時よりおよそ１０分経
過した時点でホイール表面での最高温度部位の温度上昇
度合いおよび動変位を測定した。

各ホイールは１ｌｌｑ定後も耐久試験を続行し、それぞ
れの耐久寿命を求めた。

得られたホイール表面での最高温度部位の温度上昇度合
いと回・ホイールの疲労耐久寿命との関係を第１表およ
び第４図に、また比較のために同一時期に測定した動変
位と同一ホイールの疲労耐久寿命との関係を第２表およ
び第５図に示す。

すなわち第４図はホイールＡのホイール表面での最高温
度部位の温度上昇度合いの較正線図で，先ずホイールＡ
−ａ（負荷モーメント２００ｋｇｆ−ｍ）の上記温度上
昇度合いと耐久寿命との関係から図中ａをプロットし１
次にホイールＡ−ｂ（負荷モーメント１６０ｋｇｆ−ｍ
）の各データからｂをプロットし、同様にホイールΔ−
Ｃ（負荷モーメント１４０ｋｇｆ−ｓ＋）の各データか
らＣをプロットする．かくして、ホイールへの正確な較
正線図を作成する。

第　　　１　　　表　　ホイールΔ 較正線図作成のためのデータ（温度上昇分）第　　　２
　　　表　　ホイールＡ 較正線図作成のためのデータ（動変位）また第５図はホ
イールＡの動変位と耐久寿命の較正線図であり、に記と
同様にして作成する。

なお、供試した３個のホイールの疲労クラックはいずれ
もホイール表面の最高温度部位より発生している。

ここでホイールへの耐久寿命を推定するために。

新たにホイール八を３個用意し、　Ｎｏ、１．２．３と
した上で負荷モーメント１８０ｋｇｆ−ｍ、　１５０ｋ
ｇｆ−ｍ、　１３０ｋｇｆ−ｍの３種類の異なる負荷条
件下で耐久試験に供試して、耐久試験中の動変位安定時
期に入った時よりおよそ１０分経過した時点でホイール
表面の最高温度部位の温度上昇度合い、および動変位を
測定した。

本発明の耐久寿命推定方法では上記測定が終ったあとは
耐久試験を中止するが、今回は本発明の方法によるホイ
ールへの推定寿命を検証する［１的から８１’ｌ定後も
耐久試験を続行し、各対象ホイールの実際の耐久寿命を
求めた。

ホイールＡ−１，−２，−３の耐久試験中の動変位安定
時期にホイール表面の最高温度部位の温度上昇度合いの
測定結果を第３表の温度上昇分（”Ｃ）の欄に、この値
から先に求めた第４図の最高温度部位の温度、上昇度合
いの較正線図を用いて推定したホイールへのそれぞれの
推定寿命を第３表の推定寿命（Ａ）の欄に、同一ホイー
ルのそれぞれの実際の耐久寿命を第３表の実績寿命（Ｉ
３）の欄に、本発明の方法による推定精度を第３表の精
度（％）の欄に示す・ 本発明の方法の推定精度は、いずれも１１％〜１４％と
良好な値を示した。

なお第４図中に１本発明の方法による耐久寿命の推定方
法を点線で示した。

第４表にはホイールＡの表面温度１１１１１定と同一チ
ャンスに測定した各ホイールのｌｊＪ変位の値を動変位
（ａｍ）の欄に、この値から先に求めた第５図の動変位
の較正線図を用いて比較のために推定したホイールへの
それぞれの推定寿命を推定寿命（Ｃ）の欄に、同一ホイ
ールのそれぞれの実際の耐久寿命を実績寿命（Ｉ４　）
の欄に、この場合の推定精度を精度（％）の欄に示すが
、推定精度はいずれも３０％前後であり、良好とはいい
難い。

実施例−２ 次にホイールＢを３個準備し、ｄ、　ｅ、　ｆとした上
で負荷モーメント１５０ｋｇｆ−＋ａの同一条件下で曲
げモーメント耐久試験に供試し、それぞれの動変位安定
時期に入った時よりおよそ１０分経過した時点でホイー
ル表面での最高温度部位の温度上熟度合い、および！Ｉ
！ｌＩ変位を測定した。

各ホイールは測定後も耐久試験を続行し、それぞれの耐
久寿命を求めた。

得られたホイール表面での最高温度部位の温度上昇度合
いと同一ホイールの疲労耐久寿命との関係を第５表およ
び第６図に、また比較のため同一時期に測定した動変位
と同一ホイールの疲労耐久寿命との関係を第６表及び第
７図に示す。

すなわち第６図はホイールＢのホイール表面での最高温
度部位の温度上昇度合いと耐久寿命（プロット４．５．
６）の較正線図、第７図はホイールＩ３の動変位と耐久
スー命（プロット４．５．６）の較正線図である。なお
、供試した３個のホイールの疲労第　　　５　　　表　
　ホイールＢ 第　　　６　　　表　　　ホイール１３クラツクはいず
れもホイール表面の最高湿度部位より発生している。

ここでホイール１３の耐久寿命を推定するために。

新たにホイールＢを３個用意し、Ｎｏ、４．５．６とし
た上で負荷モーメント１５０ｋｇｆ−ｍの同一条件下で
耐久試験に供試して、耐久試験中の動変位安定時期に入
った時よりおよそ１０分経過した時点でホイール表面の
最高温度部位の温度−１−昇度合い、および動変位を測
定した。

本発明の耐久寿命推定方法では」１記測定が終ったあと
は耐久試験を中止するが、今回は本発明の方法によるホ
イールＢの推定寿命を検証する目的から測定後も耐久試
験を続行し、各対象ホイールの実際の耐久寿命を求めた
。

ホイールｌ５−４．−５．−６の耐久試験中の動変位安
定時期にホイール表面の最高温度部位の温度上昇度合い
の測定結果を第７表の温度上昇分（’Ｃ）の欄に、この
値から先に求めた第６図の最高温度部位の温度に昇度合
いの較正線図を用いて推定したホイール１１のそれぞれ
の推定寿命を第７表の推定寿命（Ｄ）の欄に、同一ホイ
ールのそれぞれの実際の耐久寿命を第７表の実績寿命（
Ｅ）の欄に１本発明の方法による推定精度を第７表の精
度（％）の欄に示す。

本発明の方法の推定精度は、いずれも１１〜１４％と良
好な値を示した。

なお第６図中に、本発明の方法による耐久寿命の推定方
法を点線で示した。

第８表にはホイール１３の表面温度測定と同一チャンス
に測定した各ホイールのｌｊｒ変位の値を動変位（ＩＩ
ＩＩｌ）の欄に、この値から先に求めた第７図の動変位
の較正線図を用いて比較のために推定したホイール１３
のそれぞれの推定寿命を推定寿命（Ｆ）の捕に、同一ホ
イールのそれぞれの実際の耐久寿命を実績寿命（＋・：
）の欄に、この場合の推定精度を精度（％）の欄に示す
が、推定精度はいずれも３０％前後であり、良好とはい
い難い。

［発明の効果］ 本発明の方法である赤外線温度測定装置を使用して耐久
試験中のホイール表面の温度分布を測定する事により、
先に述べたホイールの耐久性に影響をおよぼす要因の実
態が明らかとなる。

すなわち、構造要因と材料要因との分離はもとより、ホ
イールデザインの良否、プレス加工精度や組立て精度の
良否などの詳細な影響因子を明確に、しかも比較的短時
間に把握する事が可能となる。

この方法をホイールの生産工程に適用した場合、当該ホ
イールの耐久寿命の推定はもちろんのこと。

動変位の測定結果からホイール組立精度の検出、ホイー
ル表面温度分布の測定結果からホイールディスクのプレ
ス加工後の板厚の不均一度合いの検出などに巾広く応用
でき、製造工程上の問題点に対して迅速に対応できる工
程管理上のメリットもある。

またこの方法を試作段階のホイール耐久試験に適用した
′場合、動変位の測定結果から当該ホイールの剛性の検
出、ホイール表面温度分布の測定結果から負荷応力の分
布状態の検出などのデータが得られ、ホイール設計段階
での問題点の迅速な抽出が可能である。

耐久試験中のホイール挙動は、赤外線温度測定で詳細に
＃１ｌｔｘすることが可能である。すなわち耐久試験中
のホイール表面温度分布の経時変化を詳細に観察する事
は、初期の微小き裂の検出に効果的であり、動変位のみ
では不可能な疲労き裂発生寿命の測定に応用できる。

さらに、本発明では当該ホイールは非破壊の状態で耐久
試験が可能となるため、複数条件の耐久試験が一度に一
個のホイールを使用するだけで実現できる長所もある。

なお本発明はホイールの使用材料が鉄鋼である場合はも
とより、それ以外の軽金属、たとえばアルミニウム、チ
タン、マグネシウム等やこれらの合金材料、さらにプラ
スチック等の非金属材料を用いたホイールの場合にも適
用でき、有効な耐久寿命８１ｑ定方法となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はホイールの曲げモーメント耐久試験装置と赤外
線温度測定装置およびこれら装置の関係図、第２図は赤
外線温度測定装置を用いて８１ｇ定したホイール各部位
の表面温度の経時変化を示した説明図、第３図は赤外線
センサーを複数個使用する場合の説明図である。第４図
は実施例に用いたホイール八表面の最高温度部位の温度
上昇度合いと同一ホイールの耐久寿命との関係を示した
図で。 又第５図はホイールＡの動変位と同一ホイールの耐久寿
命との関係を示した図で、いずれも実施例における較正
線図として使用した図である。第６図は実施例に用いた
ホイール８表面の最高温度部位の温度上昇度合いと同一
ホイールの耐久寿命との関係を示した図で、又第７図は
ホイールＢの動変位と同一ホイールの耐久寿命との関係
を示した図で、いずれも実施例における較正線図として
使用した図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 自動車用ホィールの同一または異なる負荷条件下での曲
   げモーメント耐久試験において、耐久試験中の負荷アー
   ムの変位（以下動変位と呼ぶ）が安定する時期（動的な
   安定時期）に、赤外線温度測定装置を用いて試験中のホ
   ィール表面の温度分布を測定し、局部的な最高温度を検
   出して、試験開始直後からの最高温度部位の温度上昇度
   合いから、ホィールの耐久寿命を推定する事を特徴とす
   る自動車用ホィールの耐久寿命推定方法