(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
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。
【発明を実施するための形態】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【実施例】
【0027】
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。
【0028】
(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。
【0029】
(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。
【0030】
(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。