JP2838593B2 - 軽合金製車輛用ホイール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、軽合金製車輛用ホイールに関するものであ
る。

背景技術 近年、車輛数の増加につれて車輛への軽合金製ホイー
ルの装着率が高まっている。軽合金製車輛用ホイールと
しては、バネ下荷重の軽減とデザイン的な美しさから例
えばアルミニウム、マグネシウムなどの軽金属を主体と
する軽金属製ホイールが多用されている。それらの製造
方法については、鋳造法や鍛造法が主流であり、更に
は、高密度鋳造法あるいは、プリホーム鋳造後熱間鍛造
を行うところの、通常、鋳造鍛造法（casting forgin
g）等が掲げられ、鍛造法の加工段階ではスピニング法
やプレス法などが用いられている。更にホイールの構造
的特徴からいえば、１ピースホイール、２ピースホイー
ル、３ピースホイールなどがあり、とりわけ１ピースホ
イールは剛性、機能性、重量などの点で優れているもの
である。

当出願人が既に提案した鍛造１ピースホイールの製造
技術についての特公平３−2573号公報や特公平３−2574
号公報により、鍛造によるホイールの製造についての技
術は既に確立されている。

ところで、ホイールの構造はリム部（外側リムと内側
リム）とディスク部の２つの要素から成り立っている。
そして、ディスク部は円板状で複雑なデザイン模様を有
しており、リム部はドラム状で撓みに対する剛性が求め
られる。従ってこの２つの要素をうまく融合させるに
は、リム部とディスク部のそれぞれを別途に製造してそ
れらを相互に接合することが望ましい。又、一体型鍛造
ホイールにおける内側リム部の製造では、通常スピニン
グ法が用いられているが、厚みを４〜5mm程度に薄く塑
性変形させるので、加工時間が長く、又歩留まりを低下
させる要因となっている。

一般的に２つの金属部材を接合する場合、接合部端面
を電気あるいはガスなどのエネルギー源を用いて溶融
し、冷却後に双方を接合するいわゆる溶接法が用いられ
るが、高温加熱のため構造体に歪みを生じやすく、又有
害な酸化物の封じ込みが起こり易いものである。更に
は、固相接合法と称せられる接合法があり、その主たる
ものとしては、拡散接合法、摩擦圧接法、常温接合法、
爆発圧接法、ガス圧接法、超音波接合法、熱間圧接法、
クラッシュ溶接法などが掲げられる。本発明の趣旨から
して、所要時間、作業の容易性、被接合物の大きさなど
を考慮すると摩擦圧接法が最も好適と考えられる。

摩擦圧接法を用いて製造されたホイールについての開
示された製造技術としては、古くは特開昭55−109586に
みることができる。この中で主張されるところは、ディ
スク部とリム部の接合方法がホイールの回転軸（Ｘ−Ｘ
線）に平行で、接合箇所がリム部の側面に境する円錐曲
面のエッジのすぐ隣に位置するようにしていることであ
る。又、特開平１−168501においては、外側リム部と内
側リム部及びディスク部の接合方向がホイールの回転軸
に対してラジアル方向である点を特徴としている。更に
は特開平４−334601においては、軽金属からなる外側リ
ム部とディスク部に対して鋼材からなる内側リム部を接
合し、接合部の構造に新規性を主張している。これらの
技術の共通するところは、概ね、ホイールの構造、使用
する素材の加工の難易度、あるいは製造コストの低減に
関するものが多い。

しかしながら、車輛用ホイールを装着した車輛の操縦
性能について、バネ下荷重の軽量化と材料の靭性を考慮
した被接合部材の組合せについての記載が従来技術には
見られず、品質の維持及び製造所要時間についても何ら
配慮されているものはなかった。

上記事情に鑑み、デザイン模様をディスク部に有する
軽合金車輛用ホイールの走行時における応力分布がどの
ような状態にあるのか337Kgf・ｍの曲げモーメントを与
えてシュミレーションテストしその一例を図６に示し
た。歪みゲージを取り付けた位置を図７に示した。この
結果ら、ディスク部に大きな応力が発生することが判断
できる。従ってディスク部、リム部を構成する部材の材
質を選択するとしても従来の鍛造ホイールに匹敵する性
能を維持するためには、鋳造鍛造やスクイズキャスティ
ング、無孔性ダイキャストに代表される高圧鋳造等を用
いて一般軽合金鋳造材質より強度の優れた軽合金鋳造部
材の材質を選択採用することが望まれるが、少なくとも
ディスク部は鍛造製あるいは鋳造鍛造製であることが望
ましいことが分かる。

発明の開示 本発明は、少なくともディスク部には鍛造製又は鋳造
鍛造製部材を用い、外側リム部及び内側リム部又は内側
リム部を別途加工し、これらを接合して新たな校正の軽
合金製車輛用ホイールを提供せんとするものである。

本発明は、軽合金製車輛ホイールについて、（１）外
側リム部と内側リム部ディスク部とを有する軽合金製車
輛用ホイールであって、外側リム部とディスク部とを一
体成形した軽合金鍛造部材と軽合金鋳造性の内側リム部
材とを摩擦圧接法により接合される部分において、接合
境界面より接合する各部材の方向へ、少なくとも約10mm
の範囲に亘り厚肉と成し、摩擦圧接後に所定の強度を得
られるようにしたものでる。更に、（２）この軽合金製
車輛用ホイールにおいて、外側リム部とディスク部とを
一体成形した部材が、軽合金鋳造鍛造製（casting forg
ing）と成したものである。

又、本発明は、（３）外側リム部と内側リム部とディ
スク部とを有する軽合金製車輛用ホイールであって、外
側リム部と軽合金鍛造製のディスク部とを摩擦圧接法に
より接合される部分において、接合境界面より接合する
各部材の方向へ、少なくとも約10mmの範囲に亘り肉厚と
なし、摩擦圧接後に所定の強度を得られるようにしたも
のである。更に、（４）この軽合金製車輛用ホイールに
おいて、外側リム部と内側リム部が一体であり、このリ
ム部の原体が軽合金鋳造製部材から成り、該部材が鍛造
後にスピニング加工等のロール成形法により成形されて
外側リム部及び内側リム部として一体に成形して成るも
のである。上記の鋳造鍛造部材としてはスクイズキャス
ティング、無孔性ダイキャスト溶湯鍛造等の加圧したも
のが用いられる。

上記のように、構成された軽合金製車輌用ホイール
は、摩擦圧接する際の熱による接合面近辺の強度の低下
を効果的に防ぐことができるので、この種の鍛造製ある
いは、鋳造鍛造製ディスクを含むホイールを摩擦圧接に
よるものの実用化が図れる。

又、鍛造製ディスク部においては中心部から円周部に
向かって鍛流線を有する金属組織を示しており、接合面
に至る界面迄当該鍛流線が存在する構造となっている。

接合に際しては固相接合法のうちでは、被加工物が回
転体であることと、発熱が接合部全体に同時に発生し、
更にその温度が一般の溶接法に加べて20％程度低いので
熱変形を防止し且つ加工時間が数10秒ときわめて短い点
で摩擦圧接法が最も有利である。

上記のように構成された軽合金製車輌用ホイールは、
応力の負荷の大きいディスク部に強靭な金属組織を持つ
鍛造製造部材が用いられているので、当該ホイールの強
度が維持される。

また、摩擦圧接法により一体型ホイールを得ることが
できるので、ディスク部や内側リム部あるいは外側リム
部を適宜別々に製作して鍛造の難度の高い工程を軽減す
ることができる。さらに、鋳造鍛造法を採用することで
ディスク部の多彩なデザイン模様面にかかる費用が軽減
されるほか、材料歩留を向上させるなど軽合金製車輌用
ホイールの製造原価を抑制することができる。

図面の簡単な説明 図１のＡは本発明の軽合金製車両用ホイールの一実施
例を示す半断面図であり、Ｂはその一部の拡大図であ
る。

図２は本発明の軽合金製車両用ホイールの他の実施例
を示す半断面図である。

図３は外側リム部と、内側リム部となる原体をスピニ
ングする状態を示す断面図である。

図４はディスク部と外側リム部を鋳造鍛造法により作
る場合を示すプリホーム鋳造時の半断面図である。

図５のＡおよびＢは摩擦圧接の結合状況を実証するた
めのテストに用いた試験体の断面図である。

図６はデザイン模様をディスク部に有する軽合金製車
両用ホイールの走行シュミレーションの応力分布のグラ
フを示す図表である。

図７は図６のグラフにおいて示される測定位置を明示
するためのホイールディスク部分の一部を示す平面図で
ある。

図８は図５の試験体を用い摩擦圧接法により接合して
なる両試験体の接合境界面よりの距離に応じた硬度を線
図化したグラフを示す図表である。

図９は図５に示す寸法にて作成したテスト品のテスト
条件を示す図表である。

図10は摩擦圧接接合を終えたテスト品から作成した試
験体の引張強さを測定した結果を示す図表である。

図11は圧接部を中心にしてどれくらいの長さまで硬度
の変化が見られるかを調査した実験測定値を示す図表で
ある。

発明を実施するための最良の形態 実施例１ 先ず摩擦圧接法による接合状況を実証するためにテス
トを行った。材料としては図５のＡ及びＢに示すような
形状の試験体を用いた。Ａの21は熱処理済みの鋳造品で
材質はAC4C−T6であり、熱処理条件は、溶体化処理とし
て530℃,8時間の加熱を行い、水冷後に170℃,4時間の時
効処理を行った。Ｂの22は熱処理済みの鍛造品で材質は
A6061−T6であり、溶体化処理として525℃,1時間の加熱
を行い、水冷後に180℃,8時間の時効処理を行った。23
及び24はそれぞれの接合面であり、これらの接合面23,2
4は中心線（一点鎖線）を中心に回転される。

この摩擦圧接試験体を図５に示す寸法にて４組作成し
テスト品とした。各組のテスト品のテスト条件を図９に
示した。更に摩擦圧接接合を終えたテスト品から巾15mm
で厚さ5mmの試験片を作成し接合部の引張強さを測定し
た。その結果を図10に示した。軽合金製ホイールの場
合、図10の表中の伸びについては５％前後が望まれる値
であり、この点からしてまず「問題なし」と判断され
る。図10における試験片はあらかじめ熱処理を行い摩擦
圧接後は再熱処理を行っていないものである。

圧接部を中心にしてどれくらいの範囲まで硬度の変化
が見られるかで熱影響部の範囲を判断した。摩擦圧接時
の熱が接合周辺にどのような影響を与えているのかその
周辺の硬度を測定することで調査を行った、その分布状
況をグラフに表したのが図８である。なお、図８は図11
の表に示した測定値をプロットしたものである。硬度は
マイクロビッカース硬度で示してある。

図８から判断すると鋳造及び鍛造側とともに硬度の急
激な変化状況からみて、接合境界面から15mm程度迄は熱
の影響を受けたことが判る。従って、軽合金製ホイール
の外側リム部あるいはディスク部等と内側リム部とを接
合する場合、外側リム部あるいはディスク部から少なく
とも15mm以上離れた位置で接合することが好ましい。

実施例２ 図1Aは本発明になる軽合金製車輌用ホイールの摩擦圧
接接合時の断面図であり、一部を拡大したのが図1Bであ
る。図1Aには旋削により得られる完成品断面を破線で示
した。本実施例では、ディスク部１と外側リム部２を一
体として鍛造法により成形したものであり材質はA6061
−T6である。又、内側リム部３は鋳造製であり材質はAC
4C−T6である。摩擦圧接の条件としては、図９の表に示
すテスト品番号１組の仕様にて行った。図１中点線Ｃの
位置から16mmのところで接合面を作ることによって、外
側リム部２とディスク部１への熱の影響を回避してい
る。又、接合部の補強を行うため、図1Bに示すように、
接合部を中心にして30mmに亘り肉厚部Ｄを設けている。
肉厚Ｔを従来の鍛造一体型ホイールと比較して6mmのと
ころを本例においては20％程度肉厚にして接合境界面を
中心に20mmに亘り7.2mmとし端部ではなだらかな傾斜を
付けて厚みを減じた。４−１及び４−２はバリであり旋
削の際に除去される。

図２は外側リム部及び内側リム部を鋳造法により一体
成形してリム部５を作成し、鍛造製ディスク部６と摩擦
圧接接合を行った１例である。図中t₁は摩擦圧接時の影
響を受けるのでt₁を従来品に比較して10％肉厚にして補
強した。摩擦圧接条件は図９のテスト品番号４組に準じ
た。但し圧接面速度は同じになるように回転数を変更し
ている。圧接面は摩擦圧接寄り代方向（回転軸に平行）
にくの字形断面とした。

実施例３ 図３は外側リム部７と内側リム部の原体８を一体に鋳
造し、約400℃に加熱して、スピニング機のマンドレル
９及び10で挾持し回転させながら、ローラー11で内側リ
ム部の原体８を延展し一点鎖線で示す内側リム部を成形
し、外側リム部及び内側リム部を一体に形成して、前出
同様鍛造製ディスクと摩擦接合を行った。

実施例４ 本例は鋳造鍛造法に基づく実施例である。先ず図４に
示すように外側リム部12及びディスク部13を一体に鋳造
しプリホームとした。材質はAl−Si共晶系合金にMgとCu
を添加したものを用いた。蛍光探傷検査を経てプリホー
ムを加熱し熱間鍛造を行った。本例の利点は、ビレット
からの鍛造に比較して荒型が不要で鍛造コストを著しく
減少できることである。更に鋳造鍛造の場合、ディスク
部における意匠性については自由度が高く繊細なメッシ
ュ構造も可能である。なお熱間鍛造後トリミングを行
い、T6の熱処理後、実施例２に準じて内側リムを摩擦圧
接法により接合した。

産業上の利用可能性 本発明になる軽合金製車輌用ホイールは、摩擦圧接法
を用い応力の負担の大きいディスク部に強靭な金属組織
を持つ鍛造製部材を用いる際に、摩擦による熱の接合面
近辺への影響を考慮して所定のホイールの強度を維持す
るために形状を工夫したものである。

本発明になる軽合金製車輌用ホイールは、摩擦圧接法
により一体型ホイールの形で得ることができるものであ
り、そのために、ディスク部や内側リム部あるいは外側
リム部を適宜別々に製作することができ、鍛造の難度の
高い工程を軽減することができるようになる。さらに、
本発明によれば、鋳造鍛造法を採用することでディスク
部の多彩なデザイン模様面にかかる費用を軽減できるほ
か、材料歩留りを向上させるなど軽合金製車輌用ホイー
ルの製造原価を抑制することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ６０Ｂ 25/02 Ｂ６０Ｂ 25/02 Ｅ (56)参考文献 特開 平４−262883（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−138081（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−172001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−115640（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−109586（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−334601（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−39923（ＪＰ，Ｂ２) 欧州公開547313（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B60B 3/00 - 3/06 B60B 21/00 - 25/02 B23K 20/12 B21K 1/32,1/38

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外側リム部と内側リム部とディスク部とを
   有する軽合金製車輌用ホイールであって、外側リム部と
   ディスク部とを一体成形した軽合金鍛造部材と軽合金鋳
   造製の内側リム部材とを摩擦圧接法により接合される部
   分において、接合境界面より接合する各部材の方向へ、
   少なくとも約10mmの範囲に亘り厚肉と成し、摩擦圧接後
   に所定の強度を得られる構造にした軽合金製車輌用ホイ
   ール。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載した軽合金製車輌
   用ホイールにおいて、外側リム部とディスク部とを一体
   成形した部材が軽合金鋳造鍛造製（casting forging）
   である軽合金車輌用ホイール。
3. 【請求項３】外側リム部と内側リム部とディスク部とを
   有する軽合金製車輌用ホイールであって、外側リム部と
   軽合金鍛造製のディスク部とを摩擦圧接法により接合さ
   れる部分において、接合境界面より接合する各部材の方
   向へ、少なくとも約10mmの範囲に亘り厚肉となし、摩擦
   圧接後に所定の強度を得られる構造にした軽合金製車両
   用ホイール。
4. 【請求項４】請求の範囲第３項に記載した軽合金製車輌
   用ホイールにおいて、外側リム部と内側リム部が一体で
   あり、このリム部の原体が軽合金鋳造製部材から成り、
   該部材が鍛造後にスピニング加工等のロール成形法によ
   り成形されて外側リム部及び内側リム部として一体に成
   形して成る軽合金製車輌用ホイール。