JP4610492B2 - 車両用ホイール - Google Patents

Description

本発明は、自動車、農耕用車両、産業用車両等の車両用ホイールに関し、詳しくはリムのドロップ部にディスクを嵌合し溶接した車両用ホイールに関する。

いわゆる２ピース構造のスチールホイールとして、ディスクとリムのドロップ部とを溶接接合するホイールが知られている。この型のホイールについて、本発明者らは、ディスク形状寸法を低減して軽量化を図ることができる技術を提案している（例えば、特許文献１参照）。この技術は、図７に示すように、スチール製ディスク１００の外縁を折返し、軸方向に沿って内側に延設してフランジ１００ａを形成し、フランジ外面をリム２０のドロップ部２０ｃ内面に嵌合し、両者の嵌合部５０の内側をアーク溶接（Ｗ１００）するものである。
なお、「外側」とは、ホイールを車両に取付けた際、ホイールの軸方向から見て外面側となる部分をいい、「内側」は内面側をいう。

この技術は、アーク溶接を用いることで溶接長さが短くても溶接強度が充分に確保できることに着目し、ディスク１００のベンチレーション（水抜き）Ｓの端縁をディスク立上がり部（フランジ）の端縁１００ｂから軸方向外方に凹む弧状に大きく取ることで、ディスクの軽量化を実現したものである。従って、ベンチレーションＳでは溶接が行われない。又、この技術は、Ｓの端縁のうち最も外側にある部分１００ｃを端縁１００ｂより外側に位置させることで（図７の距離ｈに相当）、ホイールの振れを軽減している。
ここで、水抜き穴は、ディスクとリムで囲まれるホイール内部空間に溜った水や泥を排出し、ホイールバランスを改善させ、ホイール内側にあるブレーキから発生する熱を放散するものである。

さらに、この技術は、アーク溶接により溶接強度が確保された分、リムとディスクの嵌合部長さｍの設定の自由度が増すため、最適なｍ寸法（３〜４０ｍｍ）を採用して耐久強度を向上させることができる。ここでｍは、リム２０におけるドロップ部２０ｃと外側サイドウォール部２０ａとを接続する湾曲部２０ｂのＲ中心と、端縁１００ｂとの距離であり、この技術では端縁１００ｂはＲ中心より内側に位置する。

一方、ディスクとリムのドロップ部を溶接するものではないが、板材を成形して成るリムの外側ビードシートの内面に鋳造ディスクを嵌合し、嵌合部の外側を全周隅肉溶接してアルミホイールを製造する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、外側フランジはディスクと別の板材リムから成るため、ディスクとリムが一体鋳造されるアルミホイールに比べ、外力によるリムの欠損等が少ないとされる。
但し、この技術は、リムの外側ビードシートの内周面に、前記ベンチレーションＳのような凹部が無いディスクを嵌合し、嵌合部の外側を全周隅肉溶接する、所謂、セミフルデザインホイールと云われるホイールで、且つ、アルミホイールに関するものであり、上記スチールホイールのような水抜き穴は形成されていない。
特許３４６０７６４号公報 特開平７−３２８０５号公報

しかしながら、上記した特許文献１記載の技術の場合、依然として溶接部が最も強度が低い部位となるため、ディスク厚を薄くすることが難しく、ホイールの軽量化が充分でない。又、ディスク強度を規格値以上に維持するためには、ｍ寸法、ｈ寸法、及び溶接長さについて適切な組み合わせを必要とし、これらを設定するための自由度が制約される。ここで、ｍ寸法とは、ディスクのフランジの端縁と、リムの外側ドロップ部の肩に相当する湾曲部のＲ中心との距離である。又、ｈ寸法とは、上記したディスクの水抜きＳの弧状凹部のうち最奥部と、上記湾曲部のＲ中心との距離である。
さらに、ディスク強度（剛性）が低下すると、車両運行時のハンドルの切りに対する車体の追随性が低下し、車両の操縦安定性が悪化する場合がある。このようなことから、上記技術の場合、ディスク剛性を確保するためにディスクが厚くなって重量減が制限されるという問題が生じる。

一方、特許文献２記載の技術は、上記したようにディスクが厚肉かつ一体に鋳造されたアルミホイールに関するものであり、リムの外側ビードシートの内周面に、前記凹部が無いディスクを嵌合し嵌合部の外側を全周隅肉溶接する、所謂、セミフルデザインホイールと云われるホイールに関するもので、板材を折り返したディスクをリムのドロップ部内周に嵌合し溶接するスチールホイールとは構造が異なる。さらに、この技術はリム部のフランジの強度向上を図るものであり、スチールディスクの強度向上について検討されたものではない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、リムのドロップ部の外側にディスクを嵌合溶接して成る車両用ホイールにおいて、溶接強度及びホイールの耐久強度を向上でき、ホイールの軽量化を図ることができる車両用ホイールの提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の車両用ホイールは、外側ビードシートを経て外側サイドウォール部から湾曲部を経て縮径となり、軸方向に平行なドロップ部を有するリムと、外縁を軸方向に沿って内側に折り返して成るフランジを有するディスクとを備え、前記ディスクの外縁に前記フランジより縮径の凹部が形成され、前記凹部の端縁は前記フランジの端縁から軸方向外側に凹む弧状をなし、かつ前記凹部の端縁のうち最も外側にある部分が前記湾曲部のＲ中心より外側に位置し、前記ドロップ部の外側内周面と前記フランジの外周面との嵌合部のうち前記凹部の前記リムと前記ディスクが接触しない部分を除いた外側部分のみの一部が溶接され、前記フランジの端縁が前記湾曲部のＲ中心から内側へ１５ｍｍ向かう位置より外側に位置することを特徴とする。
このようにすると、ドロップ部とフランジとの嵌合部の外側部分が溶接されているため、ホイールが回転中に径方向に嵌合面を広げる応力が作用しても、ドロップ部とフランジとの嵌合部の内側部分を溶接した場合のように梃子の原理によって溶接部に過大な応力がかかることがなく、溶接部の強度が向上する。
又、本発明において、嵌合部の外側部分はＶ形の開先を形成するため、溶接が容易かつ確実となり、溶接強度が向上する。
又、ディスク素材用の板が小さくて済み、又前記凹部の切り欠け面積が大きくなるため、ディスクが軽量化される。又、上記した最も外側にある部分が前記湾曲部のＲ中心より外側に５ｍｍ以上の位置にあると、この部分がＲ中心より軸方向の外側に離間しているので、ディスクに複数の前記凹部を形成した場合に、その１つがリムに接触して剛性アンバランスを生じることが抑制され、ホイールの振れを抑制できる。

ＪＩＳ Ｄ ４１０３「自動車部品―ディスクホイール―性能及び表示」による耐久強度の規定を満たすことが好ましい。
ＪＩＳの規定する耐久強度を満足することで、自動車用ホイールをはじめとする全ての車両用ホイールに適用できる。

前記ドロップ部の外側内周面の形状に沿うよう、前記フランジの外周面が削られていることが好ましい。
このようにすると、リム内周面との接触がより緊密になり、リムとディスクの嵌合面積が増大してより確実に溶接できると共に、ホイールの振れ精度が向上する。

前記嵌合部から外側に向かって形成される開先の角度が広がるよう、前記フランジの外周面又は前記ドロップ部の外側内周面が削られていることが好ましい。
このようにすると、溶接の溶け込み深さを深くして、溶接を確実に行うことができる。

本発明によれば、リムのドロップ部外側にディスクを嵌合溶接して成る車両用ホイールにおいて、溶接強度及びホイールの耐久強度を向上でき、ホイールの軽量化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明ではスチールホイールを例示するが、本発明はスチールホイールの他、板材の外周を絞り加工等によって折り返してフランジを形成して、ディスクに成形できる材料（例えば、チタン、チタン合金）を対象とすることができる。
一方、アルミニウム、マグネシウム等はスチール等に比べて比強度が高いため、鋳造によって厚肉のディスクを一体に製造するのが通常であり、飾り穴周辺の強度低下の問題は少ない。本発明ではこのような厚肉に一体成形された鋳造（鍛造）ディスクを対象としない。
又、本発明によるホイールは、溶接強度の向上によりホイールの軽量化を図るものであり、公式な耐久強度の規定を満たすものであることが好ましい。但し、公式な耐久強度の規定を有しない産業車両用（農耕用）ホイールや応急使用ホイール（自動車用テンパーホイールを含む）等であっても本発明を適用することができる。
ここで、公式な耐久強度は我国のＪＩＳ Ｄ ４１０３「自動車部品―ディスクホイール―性能及び表示」 であるが、将来、規格が変わった場合は、その時点で我国の日本工業規格ＪＩＳ（及び／又は国際標準化機構ＩＳＯ）が定めるホイールの公式な耐久強度をいう。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用ホイールの一例を示す断面図である。本発明の実施形態の車両用（スチール）ホイールは、スチール製のリム２とスチール製のディスク１０とをリムのドロップ部外側に嵌合し、溶接して成るホイールである。
なお、以下の説明で「外側」とは、ホイールを車両に取付けた際、ホイールの軸方向から見て外側となる部分をいい、「内側」とは内側となる部分をいう。
また、リム及びディスクの径方向については、「内周面」又は「外周面」と表記する。

１）リム
リム２は略円筒状をなし、その両端に形成された外側フランジ及び内側フランジの間にタイヤを収容するようになっている。外側フランジの内側にはタイヤのビードを受ける外側ビードシートが形成されている。外側ビードシートより内側には最も小径のドロップ部２ｃが形成され、外側ビードシートとドロップ部（外側）２ｃはサイドウォール部２ａを介して滑らかに接続されている。又、ドロップ部２ｃとサイドウォール部２ａとは断面が半円状の湾曲部２ｂを介して接続されている。ドロップ部２ｃより内側にはサイドウォール部を介して内側ビードシートが形成され、内側ビードシートは内側フランジに接続されている。以下の説明では、「ドロップ部」は、ドロップ部の外側部分（外側ビードシートに接続する部分）をいう。
リム２は、例えば所定形状の圧延形鋼を円筒形に丸めて製造することができ、又は、鋼板を丸めて円筒形にした後、ロール成形等によって所定の断面形状としてもよいが、これらの方法に限られない。

２）ディスク
ディスク１０は略円盤状をなし、中心にハブ穴が開口され、ハブ穴より外周側にハブを取付けるためのボルト孔が形成されている。
ディスクの外縁は軸方向に沿って内側へ折返されてフランジ１０ａを形成し、フランジ１０ａはフランジ端縁１０ｂに至っている。
ディスク１０は、例えば正方形の鋼板の四隅を円形に打ち抜いたものを絞り加工（プレス加工）して成形することができる（特許文献１の図３参照）。この場合、図２に示すように、鋼板の円形に打ち抜かれた部分がディスクのフランジ端縁１０ａとなり、鋼板のそれ以外の部分は凹部１１となる。凹部１１はフランジ１０ａより縮径に形成され、凹部１１の端縁はフランジの端縁１０ｂから軸方向外側に凹む弧状をなし、最も外側となる中央付近で最奥部１０ｃを形成する。

図３は、図１の車両用スチールホイールの部分正面図である。この図において、ディスク１０の外縁には、フランジ１０ａより縮径の凹部１１が形成されている。凹部１１は、ディスク外周円を４等分した位置にそれぞれ形成されている。
最奥部１０ｃが前記湾曲部のＲ中心から外側に位置する場合、ディスク１０をリム２のドロップ部２ｃ内周面に嵌合した際に、凹部１１とドロップ部２ｃ内周面との間に隙間が形成され、これが水抜き穴１２となる。

又、ディスクの外縁から所定距離内側の周上には、円形の飾り窓１０ｅが複数個開口している。飾り窓１０ｅは通常、軽量化及び放熱のために形成される。

なお、リムの端にはバルブ穴１５が形成されるが、ディスク１０とリム２を溶接する際に溶接ビードがバルブ穴１５に接近して穴縁が溶けることを防止するため、バルブ穴１５に水抜き穴１２が対向するよう、ディスク１０とリム２の嵌合位置を調整することが好ましい。

３）溶接接合
次に、上記したリム２とディスク１０とを嵌合し、溶接接合する態様について、図１及び図４を参照して説明する。図４は、図１の部分拡大図である。
図１において、リム２のドロップ部２ｃの内周面にディスク１０のフランジ１０ａの外周面が嵌合されて嵌合部が形成される。そして、嵌合部の外側部分５が溶接され（溶接部Ｗ）、リム２とディスク１０が接合される。ここで、フランジ１０ａの端縁１０ｂと湾曲部２ｂのＲ中心との距離をｍとする。
図４（ａ）は、ｍ>０となるよう（端縁１０ｂがＲ中心より内側に位置するよう）嵌合した場合を示す。この場合、フランジ１０ａとリム２との嵌合長さ（軸方向の長さ）が長くなるので、継手構造全体で強度を確保するとともに、振れを抑制することができる。又、ディスクとリムの大きさによっては、嵌合長さを適宜調整してディスクとリムの強度をバランスさせてホイールの耐久強度を向上させることができる。一方、ｍが大きくなると、余分な嵌合長さが生じてホイール重量が増える。
このようなことから、本発明において、ｍの上限を１５ｍｍとする。つまり、フランジの端縁１０ｂが湾曲部のＲ中心から内側へ１５ｍｍ向かう位置より外側に位置する。

図４（ｂ）は、ｍ≦０となるよう（端縁１０ｂがＲ中心と同一位置か外側に位置するよう）嵌合した場合を示す。この場合、フランジ１０ａとリム２との嵌合長さ（軸方向の長さ）が短くなるので、継手構造による強度向上効果が少なくなるが、後述する理由により溶接強度が向上するため、全体としてホイール強度を維持することができる。そして、ｍを小さくできるため、ホイール重量が軽減される。この場合のｍの値は、ホイールの寸法に応じて異なるが、例えばｍ＝−５ｍｍ〜−３ｍｍとすることができる。
なお、ｍ≦０とする場合、ディスクがリムに対して斜めに嵌合しないよう、所定の治具を用いて嵌合するとよい。

４）作用
本発明においては嵌合部の外側部分５が溶接されるため、従来のように嵌合部の内側（図７の溶接部Ｗ１００）を溶接した場合に比べ、溶接部の強度が向上する。この理由としては以下のことが考えられる。まず、回転中のディスクは楕円状にゆがむため、ディスクの径方向（図１の左右方向）に、ディスク１０とリム２の嵌合部を広げる(左右に開く)応力が作用する。このため、嵌合部の内側を溶接した場合、嵌合部を広げる応力は嵌合部の外側（図７の５０）から溶接部（図７のＷ１００）に伝達し、この際、梃子の原理により溶接部に掛かる応力が高くなると考えられる。
一方、嵌合部の外側（図１のＷ）を溶接した場合、嵌合部を広げる応力は嵌合部の外側の溶接部に直接負荷されるだけであり、溶接部に掛かる応力は従来に比べて低くなる。
そのため、本発明においては従来に比べて溶接強度を確保できる。その結果として、ホイールの耐久強度が向上するので、その分だけディスク厚を薄くしたり、凹部（図２の１１）による切欠きの面積を大きくすることによりディスクを軽量化し、ひいてはホイールを軽量化することができる。
又、ディスク厚、前記凹部の面積及びｍ寸法等の組み合わせにより、溶接部を全周溶接しなくともよくなる場合がある。つまり、本発明においては溶接部に掛かる応力が低減されるため、ディスク厚、前記凹部の面積及びｍ寸法等の組み合わせにより、断続溶接でも充分な溶接強度が確保される場合がある。

又、嵌合部の外側部分５において、湾曲部２ｂから外側サイドウォール部２ａに広がる内周面と、フランジ１０ａからディスク外側へ広がる外周面との間でＶ形の開先を形成する。そのため、外側部分５への溶接が容易かつ確実となり、溶接強度が向上する。

又、嵌合部の外側部分を溶接すると、ディスクの飾り穴の周囲の応力振幅が低減することが考えられる。一般に、ホイール（ディスク）の最も弱い部位は飾り穴の縁である。従って、飾り穴の周囲の応力振幅が低減すれば、ディスク強度が向上し、又ディスクを薄くして軽量化を計ることもできる。さらに、ディスク強度（剛性）が高くなると、車両運行時のハンドルの切りに対する車体の追随性が良くなり、車両の操縦安定性も向上する。そして、飾り穴縁の応力が低下すると歪みも低下するので、ディスク剛性が向上することが考えられる。

なお、溶接方法は特に制限されず、例えば、ＣＯ_２−アーク溶接、ＭＡＧ溶接、サブマージアーク溶接、及びＴＩＧ溶接等を用いることができる。但し、溶接部分がホイール外面になるので、溶接ビード表面がきれいなＴＩＧ溶接を用いることが外観上好ましい。特に、コスト、溶接強度信頼性、外観の点からは、ホットワイヤーＴＩＧ溶接又はサブマージアーク溶接が好ましい。

なお、凹部１１の最奥部１０ｃと湾曲部のＲ中心との距離をｈとした場合、最奥部１０ｃの縁がＲ中心より外側に位置することが好ましい（ｈ>０）。
このようにすると、特許文献１記載の技術と同様な理由によりディスク素材用の板が小さくて済み、又凹部１１の切り欠け面積が大きくなるため、ディスクが軽量化される。ｈは好ましくは５ｍｍ以上とする。この理由も特許文献１記載の技術と同様であり、最奥部１０ｃがＲ中心より軸方向の外側に離間しているので、ディスクに複数の凹部を形成した場合に、その１つがリムに接触して剛性アンバランスを生じることが抑制されるためである。その結果、ホイールの振れを抑制することができる。

５）その他の実施態様
本発明において水抜き穴１２が存在する場合、１ヶ所の溶接Ｗの長さ（ディスク１０の外周方向の溶接長さ）は、最長で、隣接する水抜き穴１２に挟まれたフランジ１０ｆの周方向長さとなるが、既に述べたように溶接強度が応力に対して充分確保されるため、１ヶ所の溶接長さが１５ｍｍ以上であれば足りる。従って、ホイールの強度と生産性の観点から、上記範囲で１ヶ所の溶接長さを設定すればよい。

又、図５に示すように、ディスクのフランジ１０ａの外周面１４を、湾曲部２ｂ及びドロップ部２ｃ内周面の形状に沿うように削ってもよい。図５は、図４に対応する溶接部分の拡大図である。これにより、リム２内周面とフランジ１０ａの接触がより緊密になるため、リムとディスクの嵌合部の面積が増大してより確実に溶接できると共に、ホイールの振れ精度を向上させることができる。外周面１４は、例えば旋削等によって削ることができる。

又、図６に示すように、フランジ１０ａの外周面のうち、嵌合部の外側部分に該当する領域１６を削ってもよい。図６は、図４に対応する溶接部分の拡大図である。これにより、嵌合部外側より更に外側に向かって開先の角度が広がり、溶接の溶け込み深さを深くして、溶接を確実に行うことができる。なお、開先の角度をさらに広げることを目的として、フランジ１０ａの外周面１６の代わりに、又はそれに加え、ドロップ部の外側内周面のうち、嵌合部の外側部分に該当する領域を削ってもよい。

本発明の実施形態に係る車両用スチールホイールの一例を示す断面図である。 ディスクを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る車両用スチールホイールを示す正面図である。 図１の部分拡大図である。 ディスクとリムの嵌合部の形態を示す図である。 ディスクとリムの嵌合部の形態を示す別の図である。 従来の車両用スチールホイールの一例を示す断面図である。

符号の説明

２ リム
２ａ 外側サイドウォール
２ｂ 湾曲部
２ｃ （外側）ドロップ部
５ 嵌合部の外側部分
１０ ディスク
１０ａ （ディスクの）フランジ
１０ｂ フランジの端縁
１０ｃ （凹部の端縁の）最奥部
１１ 凹部
１２ 水抜き穴

Claims (4)

1. 外側ビードシートを経て外側サイドウォール部から湾曲部を経て縮径となり、軸方向に平行なドロップ部を有するリムと、外縁を前記軸方向に沿って内側に折り返して成るフランジを有するディスクとを備えた車両用ホイールであって、
   前記ディスクの外縁に前記フランジより縮径の凹部が形成され、前記凹部の端縁は前記フランジの端縁から軸方向外側に凹む弧状をなし、かつ前記凹部の端縁のうち最も外側にある部分が前記湾曲部のＲ中心より外側に位置し、
   前記ドロップ部の外側内周面と前記フランジの外周面との嵌合部のうち前記凹部の前記リムと前記ディスクが接触しない部分を除いた外側部分のみの一部が溶接され、前記フランジの端縁が前記湾曲部のＲ中心から内側へ１５ｍｍ向かう位置より外側に位置することを特徴とする車両用ホイール。
2. ＪＩＳ Ｄ ４１０３ による耐久強度の規定を満たすことを特徴とする請求項１に記載の車両用ホイール。
3. 前記ドロップ部の外側内周面の形状に沿うよう、前記フランジの外周面が削られていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用ホイール。
4. 前記嵌合部から外側に向かって形成される開先の角度が広がるよう、前記フランジの外周面又は前記ドロップ部の外側内周面が削られていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用ホイール。