JPH011602A - 自動車用ホイ−ルの疲労強度改善方法 - 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 この発明は自動車（二輪車を含む）に使用する車輪のホ
イールに係り、特にディスクに穿設された風孔部の疲労
強度の改善方法に関する。

技術的背景 自動車用ホイールは自動車の安全走行上重要な部品であ
り、構造上十分な強度を有する必要があるか、その他に
も以下に示すような役割、機能を必要とする。

■　耐久性 ホイールは車体重量や積載重量を常に支持する必要がお
るが、これらがホイールの回転に伴って繰返し荷重とし
て働くため、ホイールには半径方向に作用する荷重に対
する耐久性が必要でおること、またコーナーリング時に
車体に働く遠心力はホイールには曲げモーメントとして
動くので、回転曲げ下の耐久性が要求される。

■　軽量性 自動車の悪路走行時の乗心地はバネ下重聞と関連してお
り、ホイールの軽微化は乗心地性の向上に役立つ。また
、燃料費を低減させるためにも必要とされる。

■　冷却機能 自動車のホイール取付は部に配されているブレーキは断
続的な制動により大量の＠擦熱を発生するため、例えば
ディスクブレーキの場合ロータが高温になるとブレーキ
性能を著しく低下させ、非常に危険でおる。従って、ホ
イールに風穴を設けたり、フィンを付けたりして冷却機
能を持たせている。また、ホイールはこのようなブレー
キ用の部品を収容するスペース（例えばディスクブレー
キのロータ径を十分確保できるスペース）を有する必要
がある。

■　意匠性 ホイールは車体の外側に取付けられる関係上、一般の目
に触れる機会が多いため、デザイン性に優れたものが市
場で好まれる傾向が強い。従って、ホイールの形状は勿
論のこと、風穴の形状および個数等にも意匠性が考慮さ
れている。

■　耐食性 自動車は塩分の多い環境下で使用されたり、また屋外に
駐車されることが多いため、ホイールは耐食性を有する
必要がある。

これらの条件を満足すべく最近の動向としては、ハイテ
ン鋼、アルミ合金、マグネシウム合金、ＦＲＰ等の新し
い素材を用いたホイールが製造されているが、強度、耐
久性、溶接性、コスト等に問題があり、広く普及するま
でに至っていない状況である。

ところで、スティール製ホイールの一般的な構゛造とし
ては、第６図に示ずごとく、タイヤを保持するリム（１
）とハブに取付けるためのディスク（２）とから構成さ
れており、両者はアーク溶接、スポット溶接、リベット
等によって一体に接合されている。

リム（１）にはリムフランジ部（１−１）、ビードシー
ト部（１−２）、ウェル部（１−３）とバルブ孔（１−
４）が形成され、ディスク（２）にはセンター穴（２−
１）、ボルト孔（２−２）、風穴（２−３）が穿設され
、さらに軸方向に張出したハツト部（２−４）が形成さ
れている。

ハツト部はディスクの座屈を防止し、構造的に強度を増
加させるための機能を果している。

また、ディスク（２）の内側の当り面とリム中心線との
間にはオフセットの距離が設けられている。

これは、内側にブレーキ関係の部品を納めるための空間
を確保するのと、悪路走行時等の接地力の衝撃の伝播を
弱める働きをしている。

ディスクはこのような非対称な形状をしている薄板で作
られていることから、ホイールにかかるほとんどの荷重
下で曲げの変形・応力状態となる。

また、ハツト部や風穴およびセンター穴の部分は応力が
集中し易い部分であり、特に風穴の周囲は応力の集中部
であり、ホイールの回転に伴う疲労亀裂が生じ易い箇所
である。

したがって、ホイールのディスクは発生応力を低く抑え
疲労強度の優れた構造とすることが必要である。

従来の技術 ホイールディスクの疲労強度を向上させる方法としては
、以下に示す方法が知られている。

■　ディスクのプロフィルを特定し、ディスク肉厚の変
動が少なくとも２０％得られるように肉厚の変化を数値
限定したちのく特開昭５５−８９９３）。

■　ディスクに車輪の回転軸線に対して同心円的に円形
の剛性連続要素、すなわち別部材を固着することにより
強度を持たせたもの（特開昭５４−１４０３０１）。

■　ディスク中央部の等肉厚部の外側に溝を設け、その
外周部を圧延ロールでテーパ加工する方法（特開昭５６
−５０７４２）。

■　開口部の強度向上を目的として、ディスク取付は穴
のナラ１−座にコイニング加工を施す方法（特開昭５６
−１２０４０１　）と、風穴を打法く箇所に対応する外
周端縁部にコイニング加工を施す方法（特開昭５８−１
１６９４４）等がある。

従来技術の問題点 ディスクの疲労強度向上対策としで提案されている技術
のうち、■■の方法を適用した従来のディスクは、応力
が集中し易い開口部の強度向上が考慮されていないため
、ホイールの回転に伴う疲労亀裂が開口部付近に発生し
易い欠点がおる。

また、ディスクに別の部品を付ける■の方法は、応力が
集中する部分に別部品を固着して補強することはできる
が、その別部品を新たに用意する必要がありコストが高
くつく上、ディスクの重量が増しホイールの重量増につ
ながり好ましくないという欠点がある。

また、■のディスク取付は穴のナツト座をコイニング加
工する方法は、ナツト座周辺部の強度向上対策としては
有効であっても、特に応力の集中する風穴の周囲の応力
低減効果はなく、風穴部分に疲労亀裂が生じ易い欠点が
ある。ざらに、風穴を打扱く箇所をコイニング加工する
方法は、風穴打扱きの際の亀裂発生の防止を目的とした
ものであり、ホイールの回転に伴う疲労亀裂の防止は全
く考慮されていない。

ところで、一般に材料の疲労強度を向上させる方法とし
て表面加工処理があり、この処理により硬度の増加とと
もに疲労限界を上昇させ得ることが知られている。この
表面加工処理技術としては、金属細片の吹付けによる表
面硬化法（ショットピーニング法、ショツトブラスト法
）、加圧による表面硬化法（ロール圧延）等が知られて
おり、これらの技術をホイールの疲労強度向上対策に利
用した方法も提案されている。

例えば、■ディスクとリムの接合部に施した溶接ビード
のリム側にショットピーニングによる表面処理を施すこ
とにより圧縮残留応力を付与し、リム側の亀裂発生を低
下させ耐久性を向上させる方法（特開昭５９−２９０１
）、■リムの製造において、外側ロールを比較的大径と
し、比較的小径に形成したリング状素材を内側ロールの
半径方向への移動によって両ロールで圧延加工すること
により、リムに大きな加工硬化を付与し耐久性を向上さ
せる方法（特開昭５９−７４３３９）がある。

しかし、上記の表面加工処理技術を利用したものは、い
ずれもリムの強度向上を目的としたものであり、ホイー
ルディスクを対象としたものではない。したがって、こ
れらの技術には、表面加工処理技術を採用してホイール
ディスクの風穴品等開口部の疲労強度を向上させる方法
についても全く開示されていない。

この発明は、従来の前記実状にかんがみなされたもので
あり、特に応力の集中部でおり、ホイールの回転に伴う
疲労亀裂が生じ易い風穴部を表面加工処理することによ
って、ホイールディスクの疲労強度の向上をはかった自
動車用ホイールを提案せんとするものである。

問題点を解決するための手段 この発明はホイールディスクにおいて応力が集中する風
穴の周囲を冷間でロール圧延することによって疲労強度
を向上させるに際し、冷間圧延が過度になると素材肉厚
が減少するために、かえってホイール全体の疲労強度を
低下させることになるが、適正条件が必ず存在すると考
えられることに着目してこの発明を完成した。

すなわち、この発明は材料自体の疲労強度を向上させる
方法として知られている冷間でのロール圧延法をホイー
ルディスクの風穴部の疲労強度向上手段に採用したもの
であり、その要旨は、ディスクに穿設される風孔の縁か
ら半径方向の内側および外側に、素材肉厚の１〜５倍の
範囲にわたって、ディスク中心から同心円状に、ヘルツ
圧５００〜７００　ｋｓｆＪで、圧下量が素材肉厚の５
〜１５％に冷間圧延することにより、風孔部の疲労強度
を改善する方法である。

作　　　用 冷間圧延領域をディスクの風孔の縁から半径方向の内側
および外側にディスク中心から同心円状とするのは、風
孔の周囲の疲労強度を改善するためであり、同心円状と
することによりディスクの風孔をすべて一度に、かつロ
ール等を用いて連続的に冷間圧延するためであり、すべ
ての風孔を均一に低コストで加工することができる。そ
の範囲を素材肉厚の１〜５倍とするのは、１倍未満では
疲労強度の改善効果が十分に得られず、１倍以上で疲労
強度を十分に改善できるが、作業の変動を考慮すると５
倍以下の範囲が安全でおる。

ディスクを冷間圧延するに際し、ヘルツ圧を５００〜７
００ｋｓｆＪとするのは、５００ｋｓｆＪ未満では疲労
強度の改善効果が十分得られず、他方７００ｋｓｆＪを
超えると、いったん改善された疲労強度が再び低下する
ためである。

また、圧下層を素材肉厚の５〜１５％とするのは、５％
以下では加工量が少なくて疲労強度の改善が十分ではな
く、他方１５％を超えて圧下されると素材の肉厚が薄く
なり、かえってディスク全体の疲労強度を低下させるた
めである。

図面に基づ〈発明の開示 第１図はこの発明の一実施例を示す概略図で、ホイール
ディスクのプレス成形前に風穴部をロール圧延する方法
を例示したものである。

図中、（１１）はディスク用素材、（１１−１）は風穴
、（１１−２）はセンター穴、（１１−３）はボルト穴
、（１２）は金型、（１３）は圧延ロール、（１４）は
ロール軸受をそれぞれ示す。

すなわち、ディスク用素材（１１）に風穴（ｉｉ−１）
、センター穴（１１−２）およびボルト穴（１１−３）
を穿孔後、該ディスク素材（１１）を金型（１２）の上
に載置し、ロール軸受（１４）に圧延荷重をかけながら
該軸受の中心軸（１４−１）を中心にして圧延ロール（
１３）を回転させて風穴（１１−１）の周囲をロール圧
延する。

第２図（ａ）は風穴の周囲をロール圧延した場合の圧延
幅を斜線で示す平面図、同図（ｂ）は図（ａ）の一部を
拡大して示す平面図である。

第１図に示す方法でロール圧延すると、斜線で示す部分
がロール圧延される。このロール圧延する領域は、第２
図（ｂ）に拡大して示すごとく風穴（１１−１）の内面
より少なくとも素材肉厚に相当する幅以上の領域（忌日
部分を完全に含む領域）とするのが好ましい。

風穴部をロール圧延した場合、ディスク素材の肉厚は当
然のことながら減少する。ここで、圧延前の肉厚をｈ、
減少量をΔｈとすると、圧延後の素材肉厚は（ｈ−Δｈ
）となる。したがって、ロール圧延前の素材の疲労強度
σＷの増加量（α倍。

α〉１）と肉厚の減少量Δｈとが以下に示す関係を満足
するようにロールの圧下量を調整することがディスクの
耐久性を増す上で効果的である。

すなわち、ホイールに曲げモーメントが負荷されたとき
はもとより、半径方向に荷重が負荷されても、ディスク
にはほとんど曲げ荷重として働いているので、曲げモー
メントＭの下での断面２次モーメントＩ、表面の発生応
力σはロール圧延前と圧延後で下記（１）、　（２］式
で表わせる。

ここで、ｂは対象としている範囲の板幅であるが、単位
幅と考えてよい。

また、ロール圧延前と圧延後の疲労強度は下記（３）、
　（４）式で表わせる。

ロール圧延前：σＷ　　　　　　　・・・（３）ロール
圧延後：ασＷ　〈α〉１）・・・（４）α：疲労強度
の増加係数 ホイールの耐久性を増加させるには、発生応力と疲労強
度は下記（５）式の関係を満す必要があり、（５）式に
前記（１）および（２）式を代入すると、肉厚の減少率
は下記（６）式の範囲に抑えるのが好ましい。

σｒ　　　ασＷ −〈□＝α　　　　　　　　　　　　　・・・・・・（
５）σ０　　　σＷ 例えば、引張強さσＢが６０ｋｓｆ４程度の鋼の場合、
圧下量△ｈｔｆｉｏ、ｉ〜０．２ｍｍで、ヘルツ圧が引
張強ざσＢの８〜１２倍の範囲にある場合には、疲労強
度の増加係数αは１．４であるので、前記（６）式より
肉厚の減少率△ｈ／ｈは約１５％以下に抑えるのが好ま
しい。

上記風穴部のロール圧延はプレス成形後あるいはリムと
の溶接後に行なうこともできるが、この段階ではディス
ク形状に成形されているのでディスク形状に沿ったロー
ルや金型を必要とする。したがって、ロール圧延は風穴
等の穿孔後プレス成形前の段階で行なうのが有利である
。

第３図はディスクとリムを一体化して形成したホイール
の一部を示す縦断面図で、（２１）はディスク、（２２
）はリムで、図中の交叉斜線部が風穴部のロール圧延領
域（３０）である。

実　　施　　例 材質５ＨＡ６０Ｂの母材より、寸法３８５ｘ　３８５ｍ
ｍ、肉厚４１ＴＩｗｌと３．５ｍｍの２種の１４インチ
径ホイールのディスク用素材を製作し、それぞれ３５　
Ｘ　３０ｍｍの矩形の風穴を穿孔した侵、第１図に示す
方法で径３０ｍｍφのロールにより風穴周囲幅５ｍｍの
領域をカバーするようにロール圧延した。その際、加圧
力はヘルツ圧で５００〜７００ｋｓｆ々の範囲で与え、
肉厚の変化量△ｈは０．２〜０．３＋ｙｕｎ、減少率△
ｈ／ｈは５〜９％の範囲とした。

その結果、母材（ディスク素材）の硬度Ｈｖ（５）２３
０に対し、いずれもロール圧延後の風穴周囲の硬度はＨ
ｖ　（５）３２０に増加した。

次に、発生応力を調べるため、上記素材肉厚３．５ｍｍ
のプレス成形したディスクと、素材寸法２１０Ｘ　１０
６０ｍｍ、肉厚２．９ｍｍのリム素材を用いて成形した
リムとで１４インチ径のホイールを製作し、ディスクの
ボルト穴部を固定し、リム・フランジ部に曲げモーメン
トＭ−１２０ｋｓｆ−山を負荷した時のディスク部に生
じる子午線方向応力と周方向応力の実測値を、同一素材
肉厚でロール圧延しないディスクを用いたホイールと比
較して第１表に示す。

なお、第４図は上記の応力測定位置（３１）を示す説明
図でおり、風孔中心部に線上で、風孔の縁より３ｍｍ離
れた位置で測定した。

第１表より、ロール圧延したものは、肉厚が減少した分
だけ発生応力は圧延しなかったものより大きい。しかし
、これは肉厚の減少による発生応力の増加を評価すると
、発生応力は肉厚の逆数の二乗に比例するので、 となる。つまり、２０％の応力の増加が見積れる。

一方、実測の風穴周囲の発生応力の比は、子午線方向応
力（σ【′）、周方向応力（σｒ）の成分で、各々 であり、約２０％の応力の増加であり、前記予測値とほ
ぼ一致する。

このような発生応力の増加は、ロール圧延による疲労強
度の増加が約４０％（σＢ　＝６０ｋｌｆＪの鋼の場合
、圧下厘Δｔｌ　＝　０．１＋ｎｍ程度以上、ヘルツ圧
８σＢ〜１２σＢ）であり、ホイールの耐久性にとって
問題とはならない。

次に、ディスク肉厚３．５ｍｍと４　ｍｍのものについ
て、ボルト穴を固定し、リムフランジ部に曲げモーメン
トを加えた状態でホイールを回転させて回転曲げ耐久性
試験を実施したときの試験条件と試験結果を第２表に、
疲労破壊までの回転量Ｎと曲げモーメントＭの関係をロ
ール圧延の有無で比較して第５図にそれぞれ示す。

本実施例では、曲げモーメントを２４０ｋｓｆ　−ｍと
１８０ｋｑｆ　−Ｉｎの２種として試験した。

第２表および第５図より、ディスクの風穴部にロール圧
延を施すことにより耐久性は相当向上することがわかる
。

また、肉厚３．５ｍｍのロール圧延したものと、肉厚４
ｍｍでロール圧延なしのものとは、はぼ同等の耐久性を
示しているので、設計上ディスク素材の肉厚を減らすこ
とが可能となり、ホイール全体の重量を第２表に示すご
とく９゜０−から８．５１に軽量化できる。

ざらに、ロール圧延幅、ヘルツ圧を種々変化させて上記
と同様の回転曲げ試験を実施した結果を第３表に示す。

第３表より、ヘルツ圧は５００〜７００１ｉｆ、！の範
囲、すなわち引張強さσｅ　＝６０ｋｓｆＪの８〜１２
倍の範囲が効果的であることがわかる。また、圧延幅は
最小幅が３．５ｍｍ、すなわち素材肉厚相当以上の幅と
することにより耐久性が安定することがわかる。

以下余白 発明の詳細 な説明したごとく、この発明方法によるホイールは、特
に応力が集中するホイールディスクの風穴周囲をロール
圧延することによって、風穴周囲の疲労強度を向上させ
たディスクで構成されたものであるから、ホイールの耐
久性が増大する効果を奏し、安全性の高い高品質の車輪
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略図で、ホイール
ディスクのプレス成形前に風穴部をロール圧延する方法
を例示した図である。 第２図（ａ）は風穴の周囲をロール圧延した場合の圧延
幅を示すディスクの平面図、同図（ｂ）は図（ａ）の一
部を拡大して示す平面図でおる。 第３図はこの発明のディスクと通常のリムとを一体化し
て形成したホイールの一部を示す縦断面図である。 第４図はこの発明の実施例における応力測定方法を示す
説明図でおる。 第５図は同上実力伍例における疲労破壊までの回転数と
曲げモーメントの関係を示す図でおる。 第６図は従来の一般的な鋼製ホイールを示す図で、同図
（ａ）正面図、同図（ｂ）は縦断側面図である。 １１・・・ディスク用素材　　１１−１・・・風穴１１
−２・・・センター穴　　　１１−３・・・ボルト穴１
２・・・金型　　　　　　　１３・・・圧延ロール１４
・・・ロール軸受　　　　２１・・・ディスク２２・・
・リム 出願人　　住友金属工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ディスクに風孔を有する自動車用ホイールにおいて、該
   風孔の縁から半径方向の内側および外側に、素材肉厚の
   １〜５倍の範囲にわたって、ディスク中心から同心円状
   に、ヘルツ圧５００〜７００Ｋｇｆ／ｍｍ＾２で圧下量
   が素材肉厚の５〜１５％に冷間圧延することを特徴とす
   る自動車用ホイールの疲労強度改善方法。