WO2015002289A1 - 回転体軸および回転体構造ならびに車輪 - Google Patents

回転体軸および回転体構造ならびに車輪 Download PDF

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WO2015002289A1
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rotating body
outer peripheral
peripheral surface
shaft
height
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PCT/JP2014/067883
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隆浩 野邊
晃二 鎌田
勇郷 高野
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Ｔｐｒ株式会社
Ｔｐｒ工業株式会社
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Publication date
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B22C9/28—Moulds for peculiarly-shaped castings for wheels, rolls, or rollers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/02—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end
    • F16D1/08—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key
    • F16D1/0852—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with radial clamping between the mating surfaces of the hub and shaft
    • F16D1/0858—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with radial clamping between the mating surfaces of the hub and shaft due to the elasticity of the hub (including shrink fits)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C3/02—Shafts; Axles
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    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2300/00—Special features for couplings or clutches
    • F16D2300/10—Surface characteristics; Details related to material surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a rotating body shaft, a rotating body structure, and a wheel.
  • a wheel for a motorcycle has a rotating body (wheel or the like) and a rotating body shaft (center boss or the like) provided at the center thereof.
  • a spline hole is provided on the inner peripheral surface of the rotating body shaft.
  • a spline provided on the outer periphery of the axle for transmitting an external torsional moment is connected to the spline hole.
  • the outer peripheral surface of the rotating body shaft has a petal shape or a blade shape in a cross section perpendicular to the axis so as to provide a detent effect between the rotating body and a convex shape extending in the longitudinal direction of the shaft.
  • This convex shape is complicatedly machined.
  • the rotating body shaft and the rotating body main body are integrally formed by casting the rotating body shaft with a rotating body main body formed of, for example, an aluminum (hereinafter abbreviated as aluminum) alloy which is a lightweight material. Be joined.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 describes integral joining in which a hub insert having a protrusion for preventing rotation is cast on a hub portion of an aluminum wheel corresponding to a rotating body.
  • the conventional rotating body shaft requires complicated machining in order to form a convex shape having an anti-rotation effect between the rotating body shaft and the rotating body main body on the outer peripheral surface thereof.
  • This complicated machining increases the cost of the rotating shaft and the rotating structure (wheel or the like) having the rotating shaft. Further, in order to reduce the cost, it is preferable to adopt a shape having a smooth outer peripheral surface, but this does not ensure sufficient torsional strength.
  • the present invention has been made under such a background, and is capable of reducing cost and ensuring sufficient torsional strength and transmitting an external torsional moment to the main body of the rotating body. It is an object of the present invention to provide a shaft, a rotating body structure having the rotating body shaft, and a wheel.
  • the first aspect of the present invention is a viewpoint as a rotating body axis.
  • the present invention provides a rotating shaft that is cast at the rotation center of the rotating body and transmits a torsional moment from the outside to the rotating body.
  • the specific gravity of the material of the rotating body is the same as that of the material of the rotating body. More than the specific gravity, a plurality of protrusions are formed in the state of a casting material on the outer peripheral surface of the rotating body shaft, and the shape of the protrusions consists of three parts from the outer peripheral side to the inner peripheral side, and the tip part is a dome shape.
  • the middle part has a constricted shape
  • the base part has a substantially conical shape
  • the protrusions having a height of 0.3 mm (millimeters) or more from the outer peripheral surface are at a height of 0.3 mm.
  • the ratio of the sum of the cross-sectional areas surrounded by the contour lines to the area of the outer peripheral surface is 5% or more and 50% or less.
  • the ratio of the sum of the cross-sectional areas surrounded by the contour line at the height of 0.3 mm to the area of the outer peripheral surface is 10%. or more and 45% or less, the number of 1 cm 2 per the projections of the outer peripheral surface from 0.3mm or more 2.0mm or less in height is preferably 10 or more 60 or less.
  • the ratio of the sum of the cross-sectional areas to the area of the outer peripheral surface is an average value of 25% to 40%, and the protrusion having a height of 0.3 mm to 2.0 mm from the outer peripheral surface.
  • the number per 1 cm 2 is preferably 15 to 55 in average.
  • the second aspect of the present invention is a viewpoint as a rotating body structure.
  • the present invention has a rotating body main body, and a rotating body shaft cast into the rotation center of the rotating body main body, and an external torsional moment applied to the rotating body shaft is applied to the rotating body main body via the rotating body shaft.
  • the specific gravity of the material of the rotating body is smaller than the specific gravity of the material of the rotating body shaft, and a plurality of protrusions are formed on the outer peripheral surface of the rotating body shaft in the state of a casting material.
  • the shape is composed of three parts from the outer peripheral side toward the inner peripheral side, the tip part is dome-shaped, the intermediate part is constricted, the base part is substantially conical, and the outer periphery of the protrusions
  • the ratio of the sum of the cross-sectional areas surrounded by the contour line at the height position of 0.3 mm to the area of the outer peripheral surface is 5% or more and 50% or less for those having a height of 0.3 mm or more from the surface It is.
  • the material of the rotating body is an aluminum alloy
  • the material of the rotating body shaft is cast steel or stainless cast steel formed by centrifugal casting.
  • the material of the rotating body is a resin material or a rubber material that is integrally bonded to the rotating body shaft, and the material of the rotating body shaft is formed by centrifugal casting. You may make it be an aluminum alloy or a magnesium alloy.
  • the third aspect of the present invention is a viewpoint as a wheel.
  • This invention is a wheel which has the rotary body structure of this invention, and a rotary body axis
  • a rotating body shaft, a rotating body structure, and a wheel capable of suppressing the cost to a low level and ensuring a sufficient torsional strength and transmitting an external torsional moment to the rotating body main body.
  • FIG. 2 is a perspective view of a rotating body shaft used in the rotating body structure of FIG. 1 and a partially enlarged sectional view thereof.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method of measuring the sum of the cross-sectional areas of the protrusions of the rotating body shaft in FIG. 2 surrounded by contour lines at a predetermined height position from the outer peripheral surface of the rotating body shaft. It is a figure which shows the state of irradiation of the laser beam to the protrusion in the measuring method shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing the cross-sectional area of each protrusion in the state shown in FIG.
  • FIG. 1 shows an example in which a rotating body structure 1 according to an embodiment of the present invention is realized as an aluminum wheel for a motorcycle.
  • the rotating body structure 1 includes a rotating body main body 2 and a rotating body shaft 3 whose outer peripheral surface is cast in the state of a casting material at the rotation center of the rotating body main body 2.
  • the material of the rotating body 2 is a lightweight metal aluminum alloy.
  • a lightweight metal a magnesium alloy can be used in addition to an aluminum alloy.
  • the material of the rotating body shaft 3 is stainless steel cast iron-based material by centrifugal casting.
  • the iron base material cast iron and spheroidal graphite cast iron can be used in addition to stainless cast steel.
  • the rotating body shaft 3 has a spline hole 4 having a spline groove 4a at the center thereof, and the spline hole 4 is fitted to a spline shaft (not shown) such as an axle.
  • a plurality of protrusions 5 are formed on the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3 in the state of a casting material. Since the rotating body shaft 3 is cast in the rotating body 2, the protrusion 5 is covered with a material (for example, aluminum alloy) forming the rotating body 2.
  • a material for example, aluminum alloy
  • FIG. 2 is a perspective view of the rotating body shaft 3 and a partially enlarged sectional view thereof.
  • the shape of the protrusion consists of three parts from the outer peripheral side to the inner peripheral side, the tip part is a dome shape, the middle part is a constricted shape, and the base part is a substantially conical shape.
  • a plurality of protrusions 5 are formed on the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3.
  • the protrusions 5 are formed in the state of the casting material of the rotating body shaft 3, the positions of the protrusions 5 are random and are distributed almost uniformly over the entire outer peripheral surface of the rotating body shaft 3.
  • the protrusion 5 plays a role of exerting an anti-rotation effect between the rotating body main body 2 and the rotating body shaft 3. For this reason, the protrusion 5 having an extremely low height does not have the effect as the above-described detent. Therefore, among the plurality of formed protrusions 5, those having a height from the outer peripheral surface of, for example, 0.3 mm or more are considered to be within the specification. In reality, there are cases where the height from the outer peripheral surface is less than 0.3 mm, but the protrusions 5 in the following description are all within the specifications unless otherwise specified. To do.
  • the ratio of the sum of the cross-sectional areas of the protrusions 5 surrounded by the contour line at a height position of 0.3 mm from the outer peripheral surface D of the rotating body shaft 3 to the area of the outer peripheral surface D of the rotating body shaft 3 is 10%. It is 45% or less.
  • the ratio of the sum of the cross-sectional areas surrounded by the contour lines of the protrusion 5 at the contour line position of a predetermined height from the outer peripheral surface D of the rotating body shaft 3 to the area of the outer peripheral surface D of the rotating body shaft 3 is as follows. Is referred to as the protrusion area ratio.
  • the lower limit of the protrusion area ratio at the height of 0.3 mm is 10%, and when the protrusion area ratio is less than 10%, the bonding strength (or adhesion strength) between the rotating body 2 and the rotating shaft 3 is allowed.
  • This is a numerical value in which there is a possibility that the projection torque on the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3 is damaged and the limit torque becomes lower than the practical strength.
  • 5%, 7%, and 9% are often acceptable. That is, it may be 5% or more depending on the application.
  • the protrusion area ratio of the rotating body shaft 3 is preferably 45% as an upper limit.
  • the upper limit may be 50%. That is, it may be 50% or less depending on the application.
  • the height of the protrusions 5 is 2.0 mm or less, and the number of protrusions 5 per 1 cm 2 is 10 or more and 60 or less. If the number of protrusions 5 per 1 cm 2 is less than 10, the bonding strength becomes less than the allowable bonding strength, and the shearing force due to the torsional moment applied to each protrusion increases, resulting in damage to the protrusions themselves. It is a numerical value that is likely to become.
  • the number of protrusions 5 per 1 cm 2 exceeds 60, the distance between the protrusions becomes narrower, and the molten metal on the outer peripheral surface between the protrusions when the rotor body 3 is cast with the rotor body 2 is melted.
  • the fluidity of the water becomes worse and the hot water circulation becomes insufficient.
  • a cavity is formed in the contact surface between the rotating body main body 2 and the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3, and the presence of this cavity deteriorates the adhesion between the rotating body main body 2 and the rotating body shaft 3.
  • slippage is induced in the rotation direction of the joint surface, which may result in a decrease in the limit torque, which is not preferable.
  • the number of protrusions 5 per 1 cm 2 is more preferably 50 or less.
  • the height of the protrusion 5 is preferably 2.0 mm or less in order to stably form the protrusion 5. If it is 2.0 mm or more, the height of the protrusion 5 becomes uneven on the manufacturing surface, and the outer diameter accuracy is lowered. At this time, the thickness of the coating layer is 2.0 mm. Furthermore, it is more preferable that the average height of the protrusions 5 is 1.7 mm or less.
  • the rotating body shaft 3 having the plurality of protrusions 5 is cast into the rotating body main body 2, whereby the rotating body shaft 3 and the rotating body main body 2 are firmly joined, and the protrusion 5 is the above-described detent.
  • a predetermined torsional strength is ensured by producing the effect. For this reason, the external torsional moment given to the rotating body shaft 3 is transmitted to the rotating body main body 2 through the rotating body shaft 3.
  • the rotating body shaft 3 is manufactured by a centrifugal casting method.
  • Centrifugal casting is a method in which a coating layer is formed by spray coating a coating material on the inner surface of a rotating mold (mold), and casting is performed by casting a molten metal into the formed coating layer. It is.
  • the coating material is prepared by mixing diatomaceous earth, bentonite (binding agent), water, and a surfactant at a predetermined ratio. Subsequently, a coating material is sprayed and applied to the inside of a mold that is heated to 200 ° C. to 400 ° C. and rotates. Thereby, a coating layer is formed on the inner surface of the mold. Due to the action of the surfactant contained in the coating material, a plurality of concave holes are formed in the coating layer by bubbles of vapor generated from the high temperature coating layer.
  • the molten metal is cast into a rotating mold. Thereby, the molten metal is filled in the concave holes of the coating layer, and a plurality of substantially uniform protrusions 5 are formed at random positions.
  • the rotating body shaft 3 is taken out of the mold together with the coating layer.
  • the coating layer is removed, and the rotating body shaft 3 having a plurality of substantially cylindrical or constricted projections 5 on the outer peripheral surface is manufactured.
  • the spline hole 4 which has the spline groove
  • Rotating body shaft 3 is casted by rotating body main body 2 by placing rotating body shaft 3 manufactured in this way at a predetermined position of the mold of rotating body main body 2 and pouring molten metal into the mold. In this way, the rotating body structure 1 is manufactured.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method for measuring the contour lines of the protrusion 5.
  • the rotating body shaft 3 is placed on the test table 7 so that the laser beam irradiation part of the three-dimensional laser measuring device 6 and the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3 face each other.
  • the laser beam V emitted from the three-dimensional laser measuring device 6 is emitted so as to be substantially orthogonal to the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3.
  • the laser beam V irradiated to the protrusion 5 is reflected by the surface of the protrusion 5 and enters the three-dimensional laser measuring device 6 again.
  • the image processing device 8 measures the distance between the three-dimensional laser measuring device 6 and the surface of the protrusion 5 from the time required for the reciprocation of the laser beam V, and displays or prints out the contour map of the protrusion 5.
  • FIG. 5 shows the relationship between the outer peripheral surface D of the rotating body shaft 3 and the contour lines L0 to L15.
  • a contour line L0 having the same height as the outer peripheral surface D
  • a contour line L3 having a height of 0.3 mm from the outer peripheral surface D
  • a contour line L6 having a height of 0.6 mm from the outer peripheral surface D
  • a height from the outer peripheral surface D As shown in FIG. 5, a contour line L0 having the same height as the outer peripheral surface D, a contour line L3 having a height of 0.3 mm from the outer peripheral surface D, a contour line L6 having a height of 0.6 mm from the outer peripheral surface D.
  • a contour map L9 of 0.9 mm, a contour line L12 having a height of 1.2 mm from the outer peripheral surface D, and a contour line L15 having a height of 1.5 mm from the outer peripheral surface D are drawn from the image processing apparatus 8. Is output. Note that the contour line L12 having a height of 1.2 mm from the outer peripheral surface D corresponds to the constricted portion of the protrusion 5 and is hidden in the upper part of the protrusion 5, and therefore does not appear in the contour map output from the image processing apparatus 8. . In FIG. 6, the hidden line of the contour line L12 is shown by a broken line.
  • FIG. 5 illustrates a cross-sectional shape passing through the standard central axis of the protrusion 5, but as described above, the protrusion 5 of the rotating body shaft 3 is in a cast material state, and thus the shape thereof varies.
  • the protrusion 5 having a height of less than 0.3 mm is not defined and is not regarded as the protrusion 5.
  • the contour lines are set at intervals of 0.3 mm, but the specified height of the protrusion 5 is 0.3 mm or more. Therefore, as long as a contour line of 0.3 mm is obtained, the interval between the contour lines exceeding 0.3 mm may be anything.
  • FIG. 7 shows a state in which the protrusion 5 is cut by the cut surface at the position of the contour line L3 of the protrusion 5 with respect to the protrusion 5 distributed in a unit area (W1 ⁇ W2) (for example, 1 cm 2 ). ing.
  • the number of regions R surrounded by the contour line L ⁇ b> 3, that is, the regions R indicated by oblique lines in FIG. 7 can be counted, which corresponds to the number of protrusions 5.
  • the total area of the region R is the sum of the cross-sectional areas of the protrusions 5 when the protrusions 5 are cut by the cut surface at the position of the contour line L3 of the protrusions 5 (see FIG. 8).
  • FIG. 9 shows an outline of a method for testing the limit torque in the rotating body structure 1.
  • the test apparatus 10 used Shimadzu autograph model AG-2000A, and measured the load and the amount of change at the load point of the arm portion 12.
  • the cylinder 2A corresponding to the rotator main body 2 uses an aluminum alloy as a material, and the rotator shaft 3 is cast on the inner periphery.
  • the test apparatus 10 includes a main body portion 11 corresponding to a rotation shaft (spline shaft), an arm portion 12 for applying a torsional moment T to the main body portion 11, and a displacement sensor 13 for detecting a load point of the arm portion 12. .
  • the horizontal axis represents the amount of displacement
  • the vertical axis represents the load P (N).
  • the load P (N) and the displacement amount are in a linear relationship, but the displacement amount suddenly increases from a certain load, and the displacement at this time
  • the limit torque load Pmax of the rotating body shaft 3 can be measured based on the output result of the displacement sensor 13.
  • test piece 14 of 20 mm ⁇ 20 mm is produced from the joint portion of the rotating body main body 2 and the rotating body shaft 3.
  • the test piece 14 includes a rotating body shaft 2A and a rotating body main body 1A.
  • the dedicated jigs 15 and 16 are bonded to the rotating body shaft 2A and the rotating body main body 1A with an adhesive.
  • the test piece 14 is pulled in the direction of the arrow (the vertical direction in the figure) with a tensile tester, and the strength at which the rotating body shaft 2A and the rotating body main body 1A are peeled is defined as the bonding strength.
  • Example 1 Next, specific examples are shown in Table 1.
  • the outer diameter is 44 mm
  • the recess of the spline groove 4a is 29 mm in inner diameter
  • the protrusion of the spline groove 4a is 28 mm in inner diameter
  • the pitch of the spline grooves 4a is 1 mm
  • the shape of the spline grooves 4a is rectangular
  • a rotating body shaft 3 of 40 mm in length and made of cast stainless steel (equivalent to SC450) was used.
  • the projection area ratio, the number of projections, and the projection height were variously changed, and the measurement results of the limit torque when the length L of the arm portion 12 is 250 mm are shown in Table 1 with the test apparatus of FIG. .
  • Table 1 shows the test results of the rotating body shaft 3 of the present invention.
  • the data types in Table 1 are, from the left, the projection area ratio average value S 1 (%) in the cross-sectional area of the projection 5 at the projection height of 0.3 mm, and the individual projection area ratio values S 2 (%) per cm 2 Average number of protrusions (pieces / cm 2 ), individual value of the number of protrusions per 1 cm 2 (pieces / cm 2 ), average value of protrusion height (mm), individual value of protrusion height (mm), limit torque ( Nm).
  • Rotating body shafts 31 to 39 (corresponding to tests No. 1 to No.
  • peripheral cast axis means test No. in the example. 1-No. No. 9 rotating body shafts 31 to 39 and comparative test Nos. 1-No. This means that the outer peripheral surfaces of the three rotating body shafts 301 to 303 are the same as the casting material.
  • the “peripheral machined shaft” refers to the test No. 4 means that the outer peripheral surface of the rotating body shaft 304 is smoothly machined.
  • Test No. of Example 1 has a protrusion area ratio average of 12% at a height of 0.3 mm, and individual protrusion area ratios at a height of 0.3 mm are 10.0 to 13.5%.
  • the average value of the number of protrusions is 15 pieces / cm 2
  • the individual value of the number of protrusions is 10 to 19 pieces / cm 2
  • the average value of the protrusion height is 1.05 mm
  • the limit torque is 1450 Nm.
  • Test No. of Example 2 has an average protrusion area ratio of 11% at a height of 0.3 mm, and the individual protrusion area ratio at a height of 0.3 mm is 10.2 to 12.8%.
  • the average number of protrusions is 31 pieces / cm 2
  • the individual value of the number of protrusions is 27 to 36 pieces / cm 2
  • the average value of the protrusion height is 0.7 mm
  • the limit torque is 1230 Nm.
  • Test No. of Example 3 has a protrusion area ratio average of 12% at a height of 0.3 mm, and the individual protrusion area ratios at a height of 0.3 mm are 10.1 to 13.9%.
  • the average number of protrusions is 52 / cm 2
  • the individual number of protrusions is 44 to 58 / cm 2
  • the average value of protrusion height is 0.45 mm
  • the limit torque is 1150 Nm.
  • Test No. of Example 4 has a protrusion area ratio average of 26% at the 0.3 mm height position, and individual protrusion area ratio values at the 0.3 mm height position are 23.5 to 30.0%.
  • the average number of protrusions is 16 pieces / cm 2
  • the individual value of the number of protrusions is 10 to 20 pieces / cm 2
  • the average value of the protrusion height is 1.3 mm
  • the individual value of the protrusion height Is 1.05 to 1.60 mm
  • the limit torque is 2030 Nm.
  • Test No. of Example 5 has a protrusion area ratio average of 27% at a height of 0.3 mm, and individual protrusion area ratios at a height of 0.3 mm are 24.5 to 31.2%.
  • the average number of protrusions is 30 pieces / cm 2
  • the individual number of protrusions is 25 to 34 pieces / cm 2
  • the average height of protrusions is 0.90 mm
  • the limit torque is 1820 Nm.
  • Test No. of Example 6 has a protrusion area ratio average of 25% at a height of 0.3 mm, and individual protrusion area ratios at a height of 0.3 mm are 23.0 to 29.4%.
  • the average number of protrusions is 46 / cm 2
  • the individual number of protrusions is 41 to 50 / cm 2
  • the average value of protrusion height is 0.50 mm
  • the individual values of protrusion height Is 0.30 to 0.75 mm
  • the limit torque is 1610 Nm.
  • Test No. of Example 7 has a protrusion area ratio average of 40% at a height of 0.3 mm, and individual protrusion area ratios at a height of 0.3 mm of 34.8 to 45.0%.
  • the average number of protrusions is 15 pieces / cm 2
  • the individual number of protrusions is 10 to 21 pieces / cm 2
  • the average value of protrusion heights is 1.7 mm
  • the individual values of protrusion heights Is 1.45 to 2.00 mm
  • the limit torque is 2420 Nm.
  • Test No. of Example 8 has a protrusion area ratio average of 39% at the 0.3 mm height position, and individual protrusion area ratio values at the 0.3 mm height position are 34.5 to 44.4%.
  • the average number of protrusions is 32 / cm 2
  • the individual number of protrusions is 27 to 38 / cm 2
  • the average value of protrusion height is 1.35 mm
  • the individual values of protrusion height Is 1.10 to 1.60 mm
  • the limit torque is 2150 Nm.
  • Test No. of Example 9 has a protrusion area ratio average of 40% at a height position of 0.3 mm, and individual protrusion area ratio values at a height position of 0.3 mm are 36.3 to 45.0%.
  • the average number of protrusions is 55 / cm 2
  • the individual number of protrusions is 48 to 60 / cm 2
  • the average value of protrusion height is 0.85 mm
  • the limit torque is 2060 Nm.
  • Test No. of the comparative example. 1 has a protrusion area ratio average of 6.5% at a height position of 0.3 mm, and individual protrusion area ratio values at a height position of 0.3 mm are 5.0 to 8.6. %,
  • the average number of protrusions is 14 / cm 2
  • the individual value of the number of protrusions is 10 to 19 / cm 2
  • the average value of the protrusion height is 0.48 mm
  • the limit torque is 725 Nm.
  • Test No. of the comparative example. 2 has a protrusion area ratio average of 6.4% at a height position of 0.3 mm, and individual protrusion area ratio values at a height position of 0.3 mm are 5.0 to 8.2. %,
  • the average number of protrusions is 54 pieces / cm 2
  • the individual number of protrusions is 46 to 59 pieces / cm 2
  • the average height of protrusions is 0.40 mm
  • the individual protrusion heights are Is 0.30 to 0.55 mm
  • the limit torque is 675 Nm.
  • the rotation axis 303 of No. 3 has an average protrusion area ratio at a height of 0.3 mm of 45%, and the individual protrusion area ratio at a height of 0.3 mm is 43.5 to 50.0%.
  • the average number of protrusions is 55 / cm 2
  • the individual value of the number of protrusions is 47 to 60 / cm 2
  • the average value of the protrusion height is 1.30 mm
  • the individual value of the protrusion height is It is 0.95 to 1.60 mm
  • the limit torque is 1335 Nm.
  • Comparative test No. No. 4 rotating body shaft 304 has a smooth outer peripheral surface and a limit torque of 440 Nm.
  • the limit torque is 440 Nm when the protrusion 5 is not provided, and is extremely limited compared to the other rotor shafts 31 to 39 and 301 to 303 having the protrusion 5. It can be seen that the torque is low. As a result, it is possible to confirm the effect of increasing the limit torque due to the rotating body shafts 31 to 39 and 301 to 303 having the protrusions 5.
  • test No. of the comparative example whose protrusion area ratio average value is less than 10%.
  • the first and second rotor shafts 301 and 302 have a limit torque of less than 1000 Nm.
  • the limit torque is required to be 1000 Nm or more, so the validity of setting the lower limit of the protrusion area ratio to 10% can be confirmed.
  • the lower limit of the protrusion area ratio may be less than 10%, for example, 5%, depending on the purpose of use that can be used with a lower limit torque than that for motorcycles.
  • the test No. of the comparative example in which the average value of the protrusion area ratio is 45% and the individual value of the protrusion area ratio is 43.5% to 50.0%. 3 has a limit torque of 1335 Nm.
  • the projection area ratio average value of 9 (the limit torque is 2060 Nm) is 40%, and it is considered in comparison with the rotating body shaft 39 whose projection area ratio individual value is 36.3% to 45.0%.
  • the rotating body shaft 303 has a lower limit torque than the rotating body shaft 39 having a smaller protrusion area ratio, and it is reasonable to set the upper limit of the protrusion area ratio to 40%. .
  • the upper limit of the protrusion area ratio may exceed 40%, for example, 45%, depending on the purpose of use that can be used with a lower limit torque than that for motorcycles.
  • the number of protrusions 5 having a height of 0.3 mm or more from each outer peripheral surface per cm 2 is 10 or more and 60 or less, and the average value is 15 or more and 55
  • the protrusion area ratio is 23.0% or more and 45.0% or less, and the average value is 25% or more and 40% or less.
  • the rotating body shaft 3 that can keep the cost low and secure a sufficient torsional strength and transmit an external torsional moment to the rotating body 2. Moreover, the wheel as the rotating body structure 1 having such a rotating body shaft 3 has a sufficient torsional strength while keeping the cost low.
  • reference data is an example, and the configuration of the rotating body structure 1 is not limited thereby.
  • the material of the rotating body 2 is an aluminum alloy or magnesium alloy which is a lightweight metal
  • the specific gravity is less than 5 g / cm 3
  • the specific gravity of the aluminum alloy is 2.7 g / cm 3 and the specific gravity of the magnesium alloy. Is 1.7 g / cm 3 .
  • the material of the rotor shaft 3 is cast steel or stainless cast steel, which is an iron base material
  • the specific gravity is 6 g / cm 3 or more
  • the specific gravity of the iron base material is 7.0 g / cm 3 to 8.0 g / cm 3 .
  • a motorcycle it is preferable for a motorcycle to have a spline hole 4 having a length of about 5 mm to 100 mm and an outer diameter of about 25 mm to 100 mm.
  • a spline hole 4 having a length of about 5 mm to 100 mm and an outer diameter of about 25 mm to 100 mm.
  • the rotating body structure 1 according to the above-described embodiment has been described assuming an aluminum wheel for a motorcycle.
  • the rotating body structure 1 may be a wheel for an electric wheelchair, a steering handle, a pulley bearing,
  • the material may be a synthetic resin or rubber.
  • the material of the rotating body shaft 3 can be, for example, stainless cast steel by centrifugal casting, aluminum alloy, or magnesium alloy.
  • the rotator shaft 3 is placed at a predetermined position of a molding die of the rotator main body 2 and injection molding is performed, so that the rotator shaft 3 is turned into the rotator main body 2.
  • the rotating body shaft 3 is bonded to the rotating body main body 2 by vulcanization molding or vulcanization adhesion.
  • the resin material has a specific gravity of 0.9 g / cm 3 to 1.6 g / cm 3
  • the rubber material has a specific gravity of 0.8 g / cm 3 to 1.3 g / cm 3 .
  • Such a wheel made of synthetic resin or rubber can be used for a transport vehicle that runs at a low speed inside a factory such as an unmanned self-propelled carriage. Alternatively, it can be used as a driving wheel for a non-electric wheelchair or a belt conveyor.
  • the protrusions that are not regarded as the protrusions 5 formed on the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3 are removed by blasting or the like, and the outer peripheral surface other than the protrusion 5 forming portion is removed. It may be processed smoothly. According to this, when casting the rotating body shaft 3 with the rotating body main body 2, the fluidity of the rotating body main body is improved, and voids in the joint surface between the rotating body main body 2 and the outer peripheral surface of the rotating body shaft 3 are improved. A decrease in adhesion due to generation can be suppressed.
  • 1-No. No. 2 cannot be adopted when the limit torque is 1000 Nm or less and a value exceeding 1000 Nm is used as the specification value.
  • the specification value (standard value) of the limit torque is 600 Nm or more
  • the test No. of the comparative example. 1-No. 3 can be adopted.
  • the protrusion area ratio may be in the range of 5% to 50%.
  • the purpose of use such that the specification value of the limit torque is 600 Nm or more includes a transport vehicle that runs at a low speed indoors such as the above-mentioned factories, driving wheels of wheelchairs and belt conveyors, or a cart that runs at low speed in a golf course. There is a purpose of using the drive wheels.

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Abstract

　コストを低く抑えると共に、十分なねじり強度を確保した回転体軸、回転体構造および車輪を提供すること。　外周面が鋳造素材状態で複数の突起を有した回転体軸３は、回転体本体２の回転中心に鋳包まれ、外部からのねじりモーメントを回転体本体２に伝達する。そして、回転体本体２の材料の比重は、回転体軸３の材料の比重よりも小さく、回転体軸３の外周面に鋳造素材の状態で突起５が複数形成され、突起５の形状は外周側から内周側に向かって３つの部分からなり、先端部分がドーム状であり、中間部分が括れ形状であり、基底部分が略円錐状であり、突起５のうちで回転体軸３の外周面から０．３ｍｍの高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と回転体軸３の外周面の面積との比が５％以上５０％以下である構成とする。

Description

回転体軸および回転体構造ならびに車輪
　本発明は、回転体軸および回転体構造ならびに車輪に関する。
　自動二輪車用の車輪は、回転体本体（ホイール等）とその中心に備えられる回転体軸（センターボス等）とを有する。回転体軸の内周面には、スプライン穴が設けられている。このスプライン穴には、外部のねじりモーメントを伝達する車軸の外周に設けられたスプラインが接続する。この結果、車軸により伝達されるねじりモーメントは回転体軸を経由して回転体本体に作用する。
　この回転体軸の外周面は、回転体本体との間の回り止め効果を奏するように軸直角断面が花びら状または羽根状であり、軸長手方向に伸延する凸形状を有している。この凸形状は複雑に機械加工される。この回転体軸を、たとえば軽量材料であるアルミニウム（以下では、アルミと略す。）合金等により形成される回転体本体によって鋳包むことで、前記回転体軸と前記回転体本体とは一体的に接合される。また、特許文献１では、回転体本体にあたるアルミホイールのハブ部分に回り止め用の突部を有するハブインサートを鋳包む一体接合が記載されている。これら回り止め効果により、所定のねじり強度が確保される。これにより、回転体軸に外部から強いねじりモーメントが与えられても回転体軸と回転体本体との間に滑りが生じることがなく、回転体軸に与えられるねじりモーメントはそのまま回転体本体に作用する。
特開平９－１１８１０６号公報
　上述のように、従来の回転体軸は、その外周面に、回転体軸と回転体本体との間の回り止め効果を奏する凸形状を形成するために、複雑な機械加工が必要である。この複雑な機械加工が回転体軸およびこれを有する回転体構造（車輪等）のコストを高くしている。また、コストを安くするには、外周面が平滑な形状のものを採用するのがよいが、それでは十分なねじり強度を確保できない。
　本発明は、このような背景の下に行われたものであって、コストを低く抑えると共に、十分なねじり強度を確保して外部からのねじりモーメントを回転体本体に伝達することができる回転体軸およびこの回転体軸を有する回転体構造ならびに車輪を提供することを目的とする。
　本発明の第一の観点は、回転体軸としての観点である。本発明は、回転体本体の回転中心に鋳包まれ、外部からのねじりモーメントを前記回転体本体に伝達する回転体軸において、前記回転体軸の材料の比重は、前記回転体本体の材料の比重よりも大きく、前記回転体軸の外周面に鋳造素材の状態で突起が複数形成され、前記突起の形状は外周側から内周側に向かって３つの部分からなり、先端部分がドーム状であり、中間部分が括れ形状であり、基底部分が略円錐状であり、前記突起のうちで前記外周面から０．３ｍｍ（ミリメートル）の高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と前記外周面の面積との比が５％以上５０％以下であるものである。
　前記突起のうちで前記外周面から０．３ｍｍの高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と前記外周面の面積との比が１０％以上４５％以下であり、前記外周面から０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の高さの前記突起の１ｃｍ2当たりの個数は、１０個以上６０個以下であることが好ましい。 
　さらに好ましくは、上述の断面積の総和と前記外周面の面積との比は平均値で２５％以上４０％以下であり、前記外周面から０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の高さの前記突起の１ｃｍ2当たりの個数は、平均値で１５個以上５５個以下であるようにすることがよい。 
　本発明の第二の観点は、回転体構造としての観点である。本発明は、回転体本体と、回転体本体の回転中心に鋳包まれる回転体軸と、を有し、回転体軸に与えられる外部からのねじりモーメントが回転体軸を介して回転体本体に伝達される回転体構造において、前記回転体本体の材料の比重は、前記回転体軸の材料の比重よりも小さく、回転体軸の外周面に鋳造素材の状態で突起が複数形成され、前記突起の形状は外周側から内周側に向かって３つの部分からなり、先端部分がドーム状であり、中間部分が括れ形状であり、基底部分が略円錐状であり、前記突起のうちで前記外周面から０．３ｍｍの高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と前記外周面の面積との比が５％以上５０％以下であるものである。
　さらに具体的には、上述の本発明の回転体構造においては、たとえば、回転体本体の材料は、アルミ合金であり、回転体軸の材料は、遠心鋳造により形成される鋳鋼またはステンレス鋳鋼である。
　または、上述の本発明の回転体構造においては、回転体本体の材料は、回転体軸と一体に接合される樹脂材料またはゴム材料であり、回転体軸の材料は、遠心鋳造により形成されるアルミ合金またはマグネシウム合金であるようにしてもよい。
　本発明の第三の観点は、車輪としての観点である。本発明は、本発明の回転体構造を有し、回転体軸が車軸に接続される車輪である。
　本発明によれば、コストを低く抑えると共に、十分なねじり強度を確保して外部からのねじりモーメントを回転体本体に伝達することができる回転体軸および回転体構造ならびに車輪を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る回転体構造の一例である自動二輪車用のアルミホイールを回転軸方向から見た図である。 図１の回転体構造に使用されている回転体軸の斜視図とその一部拡大断面図である。 図２の回転体軸の突起について、回転体軸の外周面から所定の高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和を測る方法を示す図である。 図３に示す測定方法における突起へのレーザ光の照射の状態を示す図である。 図２に示す回転体軸の外周面に形成された突起に対する等高線を回転体軸の外周面からの高さ位置で示す図であり本図の場合突起の高さは１．５ｍｍを示す。 図５に示す等高線による突起の等高線図を示す図である。 図２に示す突起を所定の等高線で切断した状態を示す図で、単位面積当たりに分布する突起の断面を示す図である。 図７に示す状態における各突起の断面積を１つの領域にまとめて示す図で、単位面積に占める突起面積率の概念を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回転体構造の限界トルク試験の試験方法を示すモデル図である。 図９に示す限界トルク試験における回転体軸外周面と回転体本体との接合面における荷重と変位量の関係を示す図である。 回転体軸と回転体本体の接合強度の測定方法を示す図である。
　本発明の実施の形態に係る回転体構造１を自動二輪車用のアルミホイールとして実現した例を図１に示す。回転体構造１は、回転体本体２と、回転体本体２の回転中心に外周面が鋳造素材の状態で鋳包まれる回転体軸３と、を有する。
　図１に示すアルミホイールの例では、回転体本体２の材料は、軽量金属のアルミ合金である。軽量金属としては、アルミ合金の他に、マグネシウム合金も利用可能である。回転体軸３の材料は、遠心鋳造による鉄基材料のステンレス鋳鋼である。鉄基材料としては、ステンレス鋳鋼の他に、鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄も利用可能である。
　回転体軸３は、その中央にスプライン溝４ａを有するスプライン穴４を有し、スプライン穴４は、車軸等のスプライン軸（不図示）と嵌合する。回転体軸３の外周面には、鋳造素材の状態で突起５が複数形成される。回転体軸３は、回転体本体２に鋳包まれているので、突起５は、回転体本体２を形成する材料（たとえばアルミ合金）によって覆われている。なお、図１におけるスプライン溝４ａや突起５の形状および個数は、分かり易くするため概念的に示してあり、図１に示すスプライン溝４ａや突起５の形状および個数は、回転体構造１の構成を限定するものではない。
　図２は、回転体軸３の斜視図とその一部拡大断面図である。図２に示すように、前記突起の形状は外周側から内周側に向かって３つの部分からなり、先端部分がドーム状であり、中間部分が括れ形状であり、基底部分が略円錐状であり、突起５が回転体軸３の外周面に複数形成される。また、突起５は、回転体軸３の鋳造素材の状態で形成されているので、突起５の配置位置はランダムであり、回転体軸３の外周面の全面にわたりほぼ均等に分布している。突起５は、回転体本体２と回転体軸３との間で回り止めの効果を奏する役割を担っている。このため、極端に、高さの低い突起５は、上述の回り止めとしての効果を奏さない。そこで、複数形成された突起５のうちで前記外周面からの高さがたとえば０．３ｍｍ以上のものを規定内にあるとみなす。なお、現実には前記外周面からの高さが０．３ｍｍ未満のものが存在する場合があるが、以下の説明における突起５は、特に説明しない限り、全て規定内にあるものを指すこととする。
　このとき、回転体軸３の外周面Ｄから０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた突起５の断面積の総和と回転体軸３の外周面Ｄの面積との比は１０％以上４５％以下である。このように、回転体軸３の外周面Ｄから所定の高さの等高線位置での突起５の等高線により囲まれた断面積の総和と回転体軸３の外周面Ｄの面積との比を以下では突起面積率と称する。０．３ｍｍの高さ位置での突起面積率の下限である１０％は、突起面積率が１０％未満になると、回転体本体２と回転体軸３との接合強度（又は密着強度）が許容される接合強度以下になり、また回転体軸３の外周面にある突起が損傷し、限界トルクが実用強度を下回るトルクとなる可能性が生じる数値である。ただし、自動二輪車用以外の場合は、５％や７％や９％としてもよい場合が多い。すなわち、用途によっては５％以上としてもよい。この場合も、前述と同様に５％未満になると、回転体本体２と回転体軸３との接合強度が許容される接合強度以下になり、また回転体軸３の外周面にある突起が損傷し、限界トルクが実用強度を下回るトルクとなる可能性が生じる数値である。
　また、突起面積率が大きくなれば、回転体本体２と回転体軸３との接合強度はある程度までは強くなるが、その一方で、回転体本体２と回転体軸３との接合面において突起間の回転体本体２の材料実質部が減少し、この材料実質部が圧縮変形し、限界トルクが実用強度を下回るトルクとなる可能性が生じる。その回転体本体２にとっては、回転体軸３の突起面積率は４５％を上限とすることが好ましい。しかし、自動二輪車用以外の場合は、上限を５０％としてもよい。すなわち、用途によっては５０％以下としてもよい。この場合も、前述と同様に５０％を超えると、回転体本体２と回転体軸３との接合面において突起間の回転体本体２の材料実質部が減少し、この材料実質部が圧縮変形し、限界トルクが実用強度を下回るトルクとなる可能性が生じる。
　また、突起５の高さは２．０ｍｍ以下であり、突起５の１ｃｍ2当たりの個数は、１０個以上６０個以下である。突起５の１ｃｍ2当たりの個数が１０個未満になると、接合強度が許容される接合強度以下になり、また、突起１個当たりにかかるねじりモーメントによるせん断力が大きくなり突起自身が損傷することになる可能性が生じる数値である。
　また、突起５の１ｃｍ2当たりの個数が６０個を超えると突起間の間隔がより狭くなり、回転体本体２で回転体軸３を鋳包む際の突起と突起の間の外周面への溶湯の流動性が悪化し湯廻りが不十分となる。この結果、回転体本体２と回転体軸３の外周面との接触面に空洞が形成されるようになり、この空洞の存在は回転体本体２と回転体軸３との密着性を悪化させること、また接合面の回転方向に滑りを誘発し、返って限界トルクの低下を招く可能性が生じることになり好ましくない。なお、上述の湯廻りの劣化の観点からみると、突起５の１ｃｍ2当たりの個数は、５０個以下がさらに好ましい。
　また、突起５の高さは２．０ｍｍ以下とすることが突起５を安定的に形成するために好ましい。２．０ｍｍ以上になると製造面で突起５の高さが不均一となり、外径精度が低下する。この時、塗型層の厚さは２．０ｍｍである。さらには、突起５の高さの平均値が１．７ｍｍ以下とすることがより好ましい。
　このように、複数の突起５を有する回転体軸３が回転体本体２に鋳包まれることで、回転体軸３と回転体本体２とが強固に接合されて突起５が上述の回り止めの効果を奏することにより所定のねじり強度が確保される。このため、回転体軸３に与えられる外部からのねじりモーメントが回転体軸３を介して回転体本体２に伝達される。
　以下では、上述の回転体構造１について、その製造方法、突起面積率の測定方法、および限界トルクの試験方法とその結果について詳細に説明する。
　はじめに、回転体構造１の製造方法について説明するが、その説明に当っては主に回転体軸３の製造方法を説明する。回転体軸３は、遠心鋳造法により製造される。遠心鋳造法は、回転する鋳型（金型）の内面に塗型材を噴霧塗布することで塗型層を形成し、形成された塗型層に対して金属溶湯を鋳込むことで鋳造を行う方法である。
　塗型材は、珪藻土、ベントナイト（粘結剤）、水、および界面活性剤を所定の割合で混合して作製する。続いて、２００℃～４００℃に加熱されて回転する鋳型の内側に塗型材が噴霧塗布される。これにより、鋳型の内面に塗型層が形成される。塗型材に含まれる界面活性剤の作用により、高温の塗型層内から発生する蒸気の泡によって塗型層に複数の凹穴が形成される。
　塗型層を冷却して乾燥した後、回転する鋳型内に金属溶湯を鋳込む。これにより、塗型層の凹穴に溶湯が充填され、ほぼ均一な複数の突起５がランダムな位置に形成される。溶湯が硬化して回転体軸３が形成された後、塗型層と共に回転体軸３が鋳型から取り出される。ブラスト処理により、塗型層が除去され、外周面に略円柱状または括れ形状の突起５を複数有する回転体軸３が製造される。さらに、回転体軸３の内周面には、機械加工によってスプライン溝４ａを有するスプライン穴４が形成される。
　このようにして製造された回転体軸３を、回転体本体２の鋳型の所定の位置に置き、その鋳型に溶湯を流し込むことで、回転体軸３は、回転体本体２によって鋳包まれる。このようにして、回転体構造１は製造される。
　次に、回転体軸３の突起面積率の測定方法について、図３～図８を参照しながら説明する。図３は、突起５の等高線の測定方法を示す図である。図３に示すように、３次元レーザ測定器６のレーザ光照射部と回転体軸３の外周面とが対向するように、回転体軸３を試験台７に載置する。図４に示すように、３次元レーザ測定器６から照射されるレーザ光Ｖは、回転体軸３の外周面に対して略直交するように照射される。突起５に照射されたレーザ光Ｖは、突起５の表面で反射し、再び、３次元レーザ測定器６に入射する。画像処理装置８は、レーザ光Ｖの往復に要した時間から３次元レーザ測定器６と突起５の表面との間の距離を測定し、突起５の等高線図を画像表示またはプリントアウトする。
　突起５の等高線図について、図５および図６を参照しながら説明する。図５の矢示Ｙ方向が回転体軸３の外周面Ｄからの突起５の高さ方向である。図５は、回転体軸３の外周面Ｄと等高線Ｌ０～Ｌ１５との関係を示す。図５に示すように、外周面Ｄと同じ高さの等高線Ｌ０、外周面Ｄから高さ０．３ｍｍの等高線Ｌ３、外周面Ｄから高さ０．６ｍｍの等高線Ｌ６、外周面Ｄから高さ０．９ｍｍの等高線Ｌ９、外周面Ｄから高さ１．２ｍｍの等高線Ｌ１２、外周面Ｄから高さ１．５ｍｍの等高線Ｌ１５のそれぞれについて、図６に示すように、画像処理装置８から等高線図が出力される。なお、外周面Ｄからの高さ１．２ｍｍの等高線Ｌ１２は、突起５の括れ部分に相当し、突起５の上部に隠れているため、画像処理装置８から出力される等高線図には現れない。図６には、破線により等高線Ｌ１２の隠れ線を示している。
　図５には、突起５の標準的な中心軸を通る断面形状を図示したが、上述のように、回転体軸３の突起５は、鋳造素材の状態なので、その形状にはバラツキがある。特に、突起５の高さのバラツキについては、既に説明したように、極端に高さが低いものは、回転体本体２と回転体軸３との間で回り止めとしての効果を奏さない。そこで、突起５のうちで高さが０．３ｍｍ未満のものは規定外として突起５とはみなさないこととする。なお、図５および図６の例では、突起５の高さの下限が０．３ｍｍであるため、等高線を０．３ｍｍ間隔としたが、突起５の規定の高さが０．３ｍｍ以上であることから、０．３ｍｍの等高線が得られれば、０．３ｍｍを超える部分の等高線の間隔については、どのようであってもよい。
　図７は、単位面積（Ｗ１×Ｗ２）（たとえば１ｃｍ2）に分布する突起５に対し、突起５の等高線Ｌ３の位置での切断面により突起５を切断した状態（斜線で示すもの）を示している。図７において、等高線Ｌ３に囲まれた領域Ｒ、すなわち、図７の斜線で示す領域Ｒの個数が計数でき、これは突起５の個数に相当する。また、領域Ｒの合計面積は、突起５の等高線Ｌ３の位置での切断面により突起５を切断した場合の突起５の断面積の総和(図８参照)である。
　これにより、突起面積率Ｓは、単位面積（Ｗ１×Ｗ２）に占める領域Ｒの合計面積として算出される。すなわち、
　Ｓ＝（（領域Ｒの合計面積）／（Ｗ１×Ｗ２））×１００（％）
によって計算できる。図８は、単位面積（Ｗ１×Ｗ２）と領域Ｒの合計面積との関係を概念的に示す。
　次に、回転体構造１に対する限界トルクの試験方法とその結果について、図９および図１０を参照しながら説明する。図９にこの回転体構造１における限界トルクの試験方法の概要を示す。試験装置１０は、島津製オートグラフモデルAG-2000Aを使用し、アーム部１２の荷重点における荷重および変化量を計測した。
　図９に示す試験片９において、回転体本体２に相当する円筒２Ａは、材料としてアルミ合金を用いており、内周に、回転体軸３を鋳包んでいる。試験装置１０は、回転軸（スプライン軸）に相当する本体部１１と、本体部１１にねじりモーメントＴを与えるためのアーム部１２と、アーム部１２の荷重点を検出する変位センサ１３とを有する。
　本体部１１にアーム部１２が固定されており、アーム部１２の先端部には、徐々に増加する荷重Ｐ（Ｎ）が不図示の上記島津製オートグラフモデルＡＧ－２０００Ａにより加えられる。これにより、本体部１１にアーム部１２が固定されている中心点から荷重Ｐ（Ｎ）が加えられる点までの長さをＬ（ｍ）とすれば、Ｔ＝ＰＬ（Ｎ・ｍ）のねじりモーメントが本体部１１に発生する。
　このような試験装置１０において、試験が開始されると、アーム部１２の先端部には、荷重Ｐ（Ｎ）がゼロ（Ｎ）から徐々に増加するように加えられる。これにより、本体部１１に発生したねじりモーメントは、回転体軸３を介して円筒２Ａに伝達される。このとき、円筒２Ａは、固定具（不図示）によって固定されている。アーム部１２に荷重Ｐ（Ｎ）が加えられると、本体部１１にねじりモーメントが与えられるが、円筒２Ａは固定されているので、回転体軸３は動かない。
　アーム部１２に荷重Ｐ（Ｎ）をゼロ（Ｎ）から徐々に増加するように加えていくと、やがて、回転体軸３には、本体部１１から限界トルクに相当するトルク以上のトルクが与えられる。その結果、突起５の変形または破壊あるいは突起５を覆っている回転体本体２の部材の変形または破壊により、突起５とこれを覆う部材との間に隙間が生じる。これにより、回転体軸３と円筒２Ａとの間の突起５の回り止めの効果が低下して回転体軸３と円筒２Ａとの間で滑りが発生する。このため、変位センサ１３が検出する変位量の値は急に増加する。
　上述のアーム部１２の荷重点の変位量と荷重Ｐ（Ｎ）との関係を図１０を参照しながら説明する。図１０は、横軸に変位量をとり、縦軸に荷重Ｐ（Ｎ）をとる。図１０に示すように、ある荷重Ｐ（Ｎ）までは、荷重Ｐ（Ｎ）と変位量とは直線の関係にあるが、ある荷重から変位量が急に増加しており、このときの変位量を「変化点」とすると、変化量の変化点位置で、限界トルクの荷重に達したことを、グラフの傾きの変化で認識することができる。このようにして、変位センサ１３の出力結果に基づき、回転体軸３の限界トルクの荷重Ｐｍａｘを測定することができる。これにより、限界トルクＴｍａｘは、
　Ｔｍａｘ＝Ｐｍａｘ・Ｌ（Ｎ・ｍ）
として求めることができる。
　また、回転体本体２と回転体軸３における接合強度の試験方法は、図１１に示すように行う。回転体本体２と回転体軸３における接合強度の試験方法について、図１１を参照しながら説明する。回転体本体２と回転体軸３の接合部分から２０ｍｍ×２０ｍｍのテストピース１４を作製する。テストピース１４は、回転体軸２Ａと回転体本体１Ａとから成る。回転体軸２Ａと回転体本体１Ａの各々に専用治具１５，１６を接着剤で接着する。テストピース１４を引張り試験機で矢印方向（図の上下方向）に引っ張り、回転体軸２Ａと回転体本体１Ａが剥がれた強度を接合強度とする。
（実施例）
　次に、具体的な実施例を表１に示す。表１に示す実施例は、外径が直径４４ｍｍ、スプライン溝４ａの凹部が内径２９ｍｍ、スプライン溝４ａの凸部が内径２８ｍｍ、スプライン溝４ａのピッチが１ｍｍ、スプライン溝４ａの形状が矩形、長さが４０ｍｍ、材質がステンレス鋳鋼（ＳＣ４５０相当）の回転体軸３を使用した。この実施例において、突起面積率、突起数、および突起高さを様々に変更し、図９の試験装置で、アーム部１２の長さＬ＝２５０ｍｍでの限界トルクの測定結果を表１に示す。
　なお、表１を作成する際の測定方法としては、回転体軸３の中心軸に直交する任意の断面において、該中心軸を通り、互いに直交する２本の線と交差する外周面の４箇所を測定し、これらの平均をとって全体の測定結果とする方法とした。たとえば、表１のデータ種別で、突起面積率個々の値Ｓ２（％）、１ｃｍ2当たりの突起数個々の値（個／ｃｍ２）、突起高さ個々の値（ｍｍ）は、実施例の回転体軸３および比較例の回転体軸のそれぞれの外周面の上述の４箇所を測定したときの個々の測定結果がとる数値範囲を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１は、本発明の回転体軸３の試験結果を表したものである。表１のデータ種別は、左側から、突起高さ０．３ｍｍ位置の突起５の断面積における突起面積率平均値Ｓ１（％）、突起面積率個々の値Ｓ２（％）、１ｃｍ2当たりの突起数平均値（個／ｃｍ２）、１ｃｍ2当たりの突起数個々の値（個／ｃｍ２）、突起高さ平均値（ｍｍ）、突起高さ個々の値（ｍｍ）、限界トルク（Ｎｍ）である。この試験に使われた回転体軸３１～３９（表１の実施例の試験Ｎｏ．１～Ｎｏ．９に相当）は、本発明の回転体軸３の実施例であり、請求項１～４に係る各発明の技術的範囲に属するものである。また、回転体軸３０１～３０４（表１の比較例の試験Ｎｏ．１～Ｎｏ．４に相当）は比較例であり、請求項１～４に係る一部又は全部の発明の技術的範囲に属さない。
　なお、仕様の欄で、「外周鋳肌軸」とは、実施例の試験Ｎｏ．１～Ｎｏ．９の回転体軸３１～３９および比較例の試験Ｎｏ．１～Ｎｏ．３の回転体軸３０１～３０３の外周面が鋳造素材そのままであることを意味する。一方で、「外周機械加工軸」とは、比較例の試験Ｎｏ．４の回転体軸３０４の外周面が滑らかに機械加工が施されていることを意味する。
　実施例の試験Ｎｏ．１の回転体軸３１は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が１２％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が１０．０～１３．５％であり、突起数平均値が１５個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が１０～１９個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が１．０５ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．８３～１．２５ｍｍであり、限界トルクは１４５０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．２の回転体軸３２は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が１１％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が１０．２～１２．８％であり、突起数平均値が３１個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が２７～３６個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が０．７ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．５０～０．９５ｍｍであり、限界トルクは１２３０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．３の回転体軸３３は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が１２％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が１０．１～１３．９％であり、突起数平均値が５２個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が４４～５８個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が０．４５ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．３０～０．６０ｍｍであり、限界トルクは１１５０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．４の回転体軸３４は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が２６％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が２３．５～３０．０％であり、突起数平均値が１６個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が１０～２０個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が１．３ｍｍであり、突起高さの個々の値が１．０５～１．６０ｍｍであり、限界トルクは２０３０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．５の回転体軸３５は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が２７％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が２４．５～３１．２％であり、突起数平均値が３０個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が２５～３４個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が０．９０ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．６５～１．０５ｍｍであり、限界トルクは１８２０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．６の回転体軸３６は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が２５％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が２３．０～２９．４％であり、突起数平均値が４６個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が４１～５０個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が０．５０ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．３０～０．７５ｍｍであり、限界トルクは１６１０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．７の回転体軸３７は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が４０％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が３４．８～４５．０％であり、突起数平均値が１５個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が１０～２１個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が１．７ｍｍであり、突起高さの個々の値が１．４５～２．００ｍｍであり、限界トルクは２４２０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．８の回転体軸３８は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が３９％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が３４．５～４４．４％であり、突起数平均値が３２個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が２７～３８個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が１．３５ｍｍであり、突起高さの個々の値が１．１０～１．６０ｍｍであり、限界トルクは２１５０Ｎｍである。
　実施例の試験Ｎｏ．９の回転体軸３９は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が４０％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が３６．３～４５．０％であり、突起数平均値が５５個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が４８～６０個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が０．８５ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．５５～１．１７ｍｍであり、限界トルクは２０６０Ｎｍである。
　比較例の試験Ｎｏ．１の回転体軸３０１は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が６．５％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が５．０～８．６％であり、突起数平均値が１４個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が１０～１９個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が０．４８ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．３２～０．６５ｍｍであり、限界トルクは７２５Ｎｍである。
　比較例の試験Ｎｏ．２の回転体軸３０２は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が６．４％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が５．０～８．２％であり、突起数平均値が５４個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が４６～５９個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が０．４０ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．３０～０．５５ｍｍであり、限界トルクは６７５Ｎｍである。
　比較例の試験Ｎｏ．３の回転軸３０３は、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率平均が４５％であり、０．３ｍｍ高さ位置での突起面積率個々の値が４３．５～５０．０％であり、突起数平均値が５５個／ｃｍ2であり、突起数個々の値が４７～６０個／ｃｍ2であり、突起高さ平均値が１．３０ｍｍであり、突起高さの個々の値が０．９５～１．６０ｍｍであり、限界トルクは１３３５Ｎｍである。
　比較例の試験Ｎｏ．４の回転体軸３０４は、外周面が平滑であり、限界トルクは４４０Ｎｍである。なお、比較例の試験Ｎｏ．４の回転体軸３０４の外周面の表面粗さは、ＪＩＳ(Japanese Industrial Standards Committee)規格の表面粗さで表すと、軸長手方向がＲａ＝０．６μｍ～０．９μｍであり、周方向がＲａ＝１．３μｍ～１．８μｍである。
　以上のように、表１の限界トルクの測定結果によれば、比較例の試験Ｎｏ．４の回転体軸３０４のように、突起５を有さない場合には限界トルクが４４０Ｎｍであり、突起５を有する他の回転体軸３１～３９、３０１～３０３に比べて、極端に、限界トルクが低いことがわかる。これにより、回転体軸３１～３９、３０１～３０３が突起５を有することによる限界トルクを高める効果が確認できる。
　また、突起面積率平均値が１０％未満である比較例の試験Ｎｏ．１，２の回転体軸３０１，３０２は、限界トルクが１０００Ｎｍ未満である。回転体構造１を自動二輪車用のアルミホイールに適用する場合を考えると、限界トルクは１０００Ｎｍ以上であることが要求されるので、突起面積率の下限を１０％とすることの妥当性が確認できる。なお、自動二輪車用よりも低い限界トルクで使用可能となる使用目的によっては、突起面積率の下限は１０％未満であってもよく、たとえば５％としてもよい。
　また、突起面積率平均値が４５％であり、突起面積率個々の値が４３．５％～５０．０％である比較例の試験Ｎｏ．３の回転体軸３０３は、限界トルクが１３３５Ｎｍである。これと実施例の試験Ｎｏ．９（限界トルクが２０６０Ｎｍ）の突起面積率平均値が４０％であり、突起面積率個々の値が３６．３％～４５．０％の回転体軸３９と対比して考察する。これによれば、回転体軸３０３は、突起面積率がより小さい回転体軸３９に比べて限界トルクが低くなっており、突起面積率の上限は４０％とすることが妥当であることがわかる。これは回転体本体２と回転体軸３との接合面において突起間の回転体本体２の材料実質部が減少し、この材料実質部が圧縮変形し、限界トルクが実用強度を下回るトルクとなる。なお、自動二輪車用よりも低い限界トルクで使用可能となる使用目的によっては、突起面積率の上限は４０％を超えてもよく、たとえば４５％としてもよい。
　また、最低でも１６１０Ｎｍの限界トルクを確保している実施例の試験Ｎｏ．４～Ｎｏ．９の回転体軸３４～３９において、夫々の外周面から０．３ｍｍの高さ以上の突起５の１ｃｍ2当たりの個数は、１０個以上６０個以下であり、平均値で１５個以上５５個以下であり、突起面積率は、２３．０％以上４５．０％以下であり、平均値で２５％以上４０％以下である。
　以上説明したように、コストを低く抑えると共に、十分なねじり強度を確保して外部からのねじりモーメントを回転体本体２に伝達することができる回転体軸３を提供することができる。また、このような回転体軸３を有する回転体構造１としての車輪は、コストを低く抑えると共に、十分なねじり強度を有するものとなる。
　（参考データ）
　次に、回転体構造１に係る好ましい参考データを以下に示す。ただし、この参考データは、一例であって、これにより回転体構造１の構成を限定するものではない。たとえば、回転体本体２の材料が軽量金属であるアルミ合金またはマグネシウム合金である場合、その比重は５ｇ／ｃｍ3未満であり、アルミ合金の比重は、２．７ｇ／ｃｍ3、マグネシウム合金の比重は、１．７ｇ／ｃｍ3である。回転体軸３の材料が、鉄基材料である鋳鋼またはステンレス鋳鋼である場合、その比重は６ｇ／ｃｍ3以上であり、鉄基材料の比重は、７．０ｇ／ｃｍ3～８．０ｇ／ｃｍ3である。このように回転体本体２の材料の比重を回転体軸３の材料の比重より小さくするのが好ましい。しかも両者を異なる材料で形成するのが好ましい。
　たとえば、回転体軸３は、長さが５ｍｍ～１００ｍｍ程度であり、外径が２５ｍｍ～１００ｍｍ程度のスプライン穴４を有するものとするのが自動二輪車用には好ましい。しかし、他の用途や自動二輪車用であってもこの寸法に限定されない。
（その他の実施の形態）
　上述の実施の形態は、その要旨を逸脱しない限り、様々に変更が可能である。たとえば、上述の実施の形態に係る回転体構造１は、自動二輪車用のアルミホイールを想定して説明したが、電動車椅子用の車輪、操縦用ハンドル、プーリー軸受けであったり、回転体本体２の材料が合成樹脂やゴムであってもよい。これらの場合、回転体軸３の材料は、たとえば、遠心鋳造によるステンレス鋳鋼またはアルミ合金もしくはマグネシウム合金とすることができる。
　たとえば、回転体本体２の材料が合成樹脂の場合、回転体軸３を回転体本体２の成形用金型の所定の位置に載置し、射出成形を行って回転体軸３を回転体本体２に接合し、ゴム材料の場合には、加硫成形または加硫接着を行って回転体軸３を回転体本体２に接合する。この場合、樹脂材料は比重が０．９ｇ／ｃｍ3～１．６ｇ／ｃｍ3であり、ゴム材料は比重が０．８ｇ／ｃｍ3～１．３ｇ／ｃｍ3である。
　このような合成樹脂製またはゴム製のホイールは、たとえば無人自走台車等のように、工場内などの屋内を低速走行する搬送車に用いることができる。あるいは、電動ではない車椅子やベルトコンベア等の駆動輪として用いることができる。
　また、規定内の高さにある突起５以外に、回転体軸３の外周面に形成された突起５とみなさない凸部を、ブラスト処理等によって除去し、突起５形成部分以外の外周面を滑らかに加工してもよい。これによれば、回転体軸３を回転体本体２で鋳包む際に、回転体本体材料の流動性が向上し、回転体本体２と回転体軸３の外周面との接合面における空隙の生成による密着性の低下を抑制することができる。
　さらに、表１に示した比較例の試験Ｎｏ．１～Ｎｏ．２は、限界トルクが１０００Ｎｍ以下であり、１０００Ｎｍを超える値を仕様値としている場合には採用することができない。しかし、限界トルクの仕様値（規格値）が６００Ｎｍ以上である場合は、比較例の試験Ｎｏ．１～Ｎｏ．３を採用することができる。この場合には、突起面積率は５％～５０％の範囲でよい。限界トルクの仕様値が６００Ｎｍ以上であるような使用目的としては、前述した工場内などの屋内を低速走行する搬送車、車椅子やベルトコンベアの駆動輪等、あるいは、ゴルフ場内を低速で走行するカートの駆動輪等の使用目的がある。
１…回転体構造、２…回転体本体、３…回転体軸、４…スプライン穴、４ａ…スプライン溝、５…突起、９…試験片、Ｄ…外周面、Ｒ…断面積
 

Claims (7)

  1. 　回転体本体の回転中心に鋳包まれ、外部からのねじりモーメントを前記回転体本体に伝達する回転体軸において、
    　前記回転体軸の材料の比重は、前記回転体本体の材料の比重よりも大きく、前記回転体軸の外周面に鋳造素材の状態で突起が複数形成され、前記突起の形状は外周側から内周側に向かって３つの部分からなり、先端部分がドーム状であり、中間部分が括れ形状であり、基底部分が略円錐状であり、前記突起のうちで前記外周面から０．３ｍｍ（ミリメートル）の高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と前記外周面の面積との比が５％以上５０％以下である、
    　ことを特徴とする回転体軸。
  2. 　請求項１記載の回転体軸において、
    　前記突起のうちで前記外周面から０．３ｍｍの高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と前記外周面の面積との比が１０％以上４５％以下であり、前記外周面から０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の高さの前記突起の１ｃｍ2当たりの個数は、１０個以上６０個以下である、
    　ことを特徴とする回転体軸。
  3. 　請求項２記載の回転体軸において、
    　前記突起のうちで前記外周面から０．３ｍｍの高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と前記外周面の面積との比は平均値で２５％以上４０％以下であり、前記外周面から０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の高さの前記突起の１ｃｍ2当たりの個数は、平均値で１５個以上５５個以下である、
    　ことを特徴とする回転体軸。
  4. 　外部からのねじりモーメントが前記回転体軸に与えられ、前記回転体本体に伝達される回転体構造において、
    　前記回転体本体はその材料の比重が、前記回転体軸の材料の比重よりも小さく、
    　前記回転体軸は、その外周面に鋳造素材の状態で突起が複数形成され、前記突起の形状は外周側から内周側に向かって３つの部分からなり、先端部分がドーム状であり、中間部分が括れ形状であり、基底部分が略円錐状であり、前記突起のうちで前記外周面から０．３ｍｍの高さ以上のものに関して、０．３ｍｍの高さ位置での等高線により囲まれた断面積の総和と前記外周面の面積との比が５％以上５０％以下であり、前記回転体本体の回転中心に鋳包まれ、
    　前記回転体本体と前記回転体軸とが前記回転体軸の外周面に形成された複数の前記突起により接合されている、
    　ことを特徴とする回転体構造。
  5. 　請求項４記載の回転体構造において、
    　前記回転体本体の材料は、アルミ合金であり、前記回転体軸の材料は、遠心鋳造により形成される鋳鋼またはステンレス鋳鋼である、
    　ことを特徴とする回転体構造。
  6. 　請求項４記載の回転体構造において、
    　前記回転体本体の材料は、前記回転体軸と一体に接合される樹脂材料またはゴム材料であり、前記回転体軸の材料は、遠心鋳造により形成されるアルミ合金またはマグネシウム合金である、
    　ことを特徴とする回転体構造。
  7. 　請求項４から６のいずれか１項に記載の回転体構造を有し、前記回転体軸が車軸に接続される車輪。



     
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