JPH03125601A - 樹脂ホイール - 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］ 本発明は樹脂ホイールに係り、特に衝撃強度。

曲げ強度、剛性、耐熱性、耐疲労性、耐クリープ性等の
機械的特性の均一性（ユニフォーミティ）に優れると共
に、量産性も良好な樹脂ホイールに関する。

［従来の技術］ 従来、樹脂ホイールのうち、例えば自動車用ホイールは
、一般にスチール又は軽合金（アルミ合金、マグネシウ
ム合金）で製造されている。

スチール製ホイールは、プレス又はロール成形により製
造されているが、成形寸法のバラツキが多く、特にリム
のビードシート部の真円度に狂いが生じ易いという欠点
があり、また、重量が重いため重量の点でも自動車部品
の軽量化の面で好ましいものではない。

これに対し、軽合金製ホイールは成形寸法が安定してお
り、重量の点でもスチール製ホイールの１／３と大幅に
軽量化がなされているものの、スチール製ホイールに比
し材料コストが３〜５倍と非常に高価なものであるとい
う欠点がある。

ところで、近年重視されている省エネルギーの観点から
、自動車部品の軽量化は極めて重要な要件となるが、と
りわけ、ホイールのようなバネ下部材は、燃費の改善１
機動性の向上の点から、より一層の軽量化が望まれてい
る。

このような背景のもとに、最近になって、軽量性、成形
安定性を満足し、かつ低コストなものとして、樹脂製ホ
イールが提案された。樹脂製ホイールは、樹脂に短繊維
又は長繊維の強化１ａ維を混合したＦＲＰを主材料とし
て成形されたもので、金属製ホイールに比し軽量で成形
寸法の安定性に優れる上に、生産性も良好で製品のコス
トダウンが図れ、しかも彩色等のデザイン性の面におい
ても極めて優れるものと期待がよせられる。

このような樹脂製ホイールに要求される特性としては、 ■　破壊防止の面から、衝撃強度が高いこと。

■　ホイールからのタイヤの脱離防止の面から、クリー
プが小さいこと。

■　ブレーキドラムの熱に対して耐熱性に優れること。

■　ユニフォーミティに優れること。即ち、ホイールは
自動車にとって重要な部品の一つであるため、成形品に
不均一部や欠陥部があるものは、ホイールとして使用す
ることはできない。

■　量産化が可能であること。

等が挙げられる。

従来、樹脂製ホイールの製造法としては、圧縮成形法、
射出成形法、フィラメントワインディング法、ハンドレ
イアップ法等が提案されている。

これらのうち、圧縮成形法によるものは、汎用のＦＲＰ
製造技術をそのまま利用したものであって、不飽和ポリ
エステル、エポキシ等の熱硬化性樹脂とガラス繊維等よ
りなるＦＲＰをプレス成形してホイールとするものであ
る（特開昭６１−１３５８０１号）。射出成形法による
ものは、主として短繊維強化熱可塑樹脂を射出成形して
ホイールとするものである（特開昭６０−３８２０３号
）。フィラメントワインディング法によるものは、樹脂
を含浸したロービングをドラムに所定の方向に巻きつけ
て硬化させてホイールとするものである（特開昭５５−
１５３３９号）。ハンドレイアップ法は、補強繊維を予
めホイールに近い形状に賦形しておき、これにローラー
等で樹脂を含浸させる方法である（特開昭５６−１２３
号）。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来法のうち、圧縮成形により製造されたホイール
は、成形時の繊維損傷が比較的軽微であるため、剛性１
強度等の点で優れる。しかも、用いる樹脂も熱硬化樹脂
が主体であるため、耐熱性、耐クリープ性も良好である
。しかしながら、複雑形状物（例えば、肉厚変化が著し
いもの）の成形には不同きであり、また成形サイクルも
長いことから生産性が悪いという欠点がある。

これに対し、射出成形法は極めて生産性が高く、生産コ
ストの点で優れているが、一般に射出成形品は圧縮成形
品に比べ強度が１／３〜１１５と低いという欠点がある
。これは、樹脂の混練りや流動時に招けるｉａ　ｍの破
損、流動によって生じる繊維及び分子の配向、樹脂合流
点でのウェルドラインの発生などにより、成形品を構成
する材料の物性が不均一化ないし劣化され、強度が低下
することに起因する。更に、射出成形法では材料の流動
性を上げるために圧縮成形に用いる材料（ＢＭＣ，ＳＭ
Ｃ等）に比べ、補強繊維長さが極めて短く、通常１ｍｍ
以下であることも製品の強度、剛性が十分に満たされな
い原因となっている。

一方、フィラメントワインディング法は、長繊維を所定
の方向に配向できるため、強度、剛性の点では優れたホ
イールが期待できるが、成形サイクルが極めて長く、生
産性に劣るという欠点がある。

ハンドレイアップ法は、フィラメントワインディング法
と同様に成形サイクルが長い上に、極めて労働集約的な
方法であることから、製品品質にバラツキが生じ易く、
生産性は非常に劣るという欠点がある。

本発明は、上記従来の問題点を、成形材料及び成形法を
改良することにより解決し、曲げ強度剛性、衝撃強度、
耐熱性、耐疲労性、耐クリープ性等に優れ、ホイール全
体に亘って均質な物性を保有し、しかも低コストで大量
生産が可能な樹脂ホイールを提供することを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ 本発明の樹脂ホイールは、ホイールを構成するリム、デ
ィスク、ハブの少なくとも一つが繊維補強合成樹脂を用
いる射出圧縮成形により構成されていることを特徴とす
る。

［作　用］ 本発明で採用する射出圧縮成形法によれば、補強繊維の
切断を極力柱え、繊維配向、ウェルドの発生を低減しか
つ成形品の場所によるばらつきを押えて、圧縮成形品に
近い強度物性を有する成形品を、射出成形法と同等の生
産性で製造することができる。射出圧縮成形法とは、前
もって金型を少し開いておくか、もしくは、弱い型締力
で金型を閉じておき、そこへ材料を射出した後型締力を
増加させて圧縮成形する方法である。

特に、本発明で述べる射出圧縮成形法としては、溶融し
た樹脂を射出シリンダー又は押出機でプレス間に設置さ
れた上下の金型内に注入し、樹脂の供給が終了する前又
は終了した後金型は型閉めされる成形方法が好適である
。この場合、第２図（ａ）に示す如く、溶融樹脂３０を
上金型３１ａ及び下金型３１ｂよりなる金型３１内（本
例では下金型３１ｂ内）に掘込まれた流入溝３２を通し
て射出シリンダ３３より注入する方法と、第２図（ｂ）
に示す如く、溶融樹脂３０を開いた金型３１ａ−１３１
ｂ間に、金型の外から挿入された挿入筒３４及びノズル
３５を通して射出シリンダ３３より注入する方法がある
。上記いずれの方法も本発明に好適であるが、樹脂の保
温、金型の移動距離などを考えると、前者（第２図（ａ
）に示す方法）がより望ましい。また、この第２図（ａ
）に示す射出圧縮成形法では、上下の金型を完全には間
かない状態に保ち、内部のガス抜き真空化及び不活性ガ
スによる置換も可能であるという利点もある。

このような成形法によれば射出時の流動抵抗が減少する
ために繊維破断が減少し、しかも圧縮工程においてキャ
ビティ全体に均一な圧力がかかるため流れ方向に圧力勾
配が発生せず、圧力方向に直角に繊維配向がおこる。そ
のため等方１等買な成形品が得られ、残留応力低下に基
く反りや成形収縮が少なく、成形品の強度や剛性も向上
する。

即ち、射出成形では、ゲートが冷却固化するまで保圧の
影響を受け、ゲートシール後に等比容の冷却が起こるた
め、キャビティ内圧は冷却するにつれ低くなる。そのた
め、ヒケや反りが発生し易くなる。これに対し、射出圧
縮成形ではゲートシール後に圧縮をかけキャビティを縮
小するため、キャビティ内に高い圧力が発生し、その後
等比容冷却を行うためヒケや反り、ボイドが少く、寸法
精度の良い、高密度化された成形品が得られる。また射
出成形では、保圧時にも溶融材料の動きが残るため、ゲ
ート付近に配向が起こり易い。

特に、Ｌ／ｌ　（Ｌは成形品のゲートからの最長の距離
、ｔは成形品肉厚）の大きい製品はど配向が現れ易い。

一方、射出圧縮成形では、金型を開いて射出するため流
動抵抗が小さくその分圧力勾配も緩和され、繊維や分子
の配向も生じ難い。従って、偏肉厚の大きい製品や大型
製品でも反りの発生を抑えることができ、極めて高品質
な成形品を得ることができる。また、粘度の高い樹脂や
繊維含有量の多い樹脂材料を用いる場合、通常の射出成
形では流れ抵抗が大とく成形困難であるが、射出圧縮成
形では流路を一時的に拡張するため、この問題も解決さ
れることから、使用可能な樹脂の種類や繊維含有量の範
囲も拡大できるという利点もある。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は本発明の樹脂ホイールの一実施例を示す断面図
であり、１はリム部、２はディスク部。

３はハブ部である。本発明の樹脂ホイールは、これらリ
ム部１．ディスク部２．ハブ部３の少なくとも１つの部
分を、繊維補強合成樹脂を用いて射出圧縮成形により成
形してなるものである。

本発明で用いる合成樹脂としては、射出成形可能な樹脂
であればいずれの合成樹脂であっても良く、各種の熱硬
化性樹脂又は熱可塑性樹脂等が挙げられる。

具体的には、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステ
ル樹脂、ポリウレタン樹脂。

フタル酸ジアリル樹脂、アルキド樹脂、ユリア樹脂、メ
ラミン樹脂あるいはこれらの変性物等を用いることがで
きる。これらのうち、不飽和ポリエステル樹脂、ビニル
エステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等が好ま
しく、とりわけ、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエス
テル樹脂が望ましい、これらの熱硬化性樹脂は１種を単
独で用いても２種以上の混合物として用いても良い。

また、熱可塑性樹脂としては、各種ポリアミド樹脂、具
体的には、ナイロン６．６・６゜４・６．６・ｔｏ、１
０．１１．１２等、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢ
Ｔ）、ポリフェニレンスルフィド（ｐｐｓ）、アセター
ル樹脂（ｐｏＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエ
チレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ｐ
ｐ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）。

ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルエーテルケトン
（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンオキサイド（ｐｐｏ）、
ポリアミドイミド（ＦＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポ
リエステル、各種液晶ポリマー等を用いることができる
。これらのうち、各種ボリア　ミド樹脂、ＰＢＴ、ＰＰ
Ｓ、ＰＯＭ。

ＰＣ，ＰＥＳ、ＰＩ、ＰＡＩ、ＰＥＥＫ、　　ポリエス
テル、各種液晶ポリマー等が好ましい。これらの熱可塑
性樹脂は１種を単独で用いても２種以上の混合物として
用いても良い。

これらの合成樹脂には、耐候性、耐熱性、耐摩耗性、流
動性、熱膨張性、Ｈ燃性、耐薬品性などを改良する目的
で各種の充填剤、老化防止剤。

架橋剤、第１′ル、可塑剤、オリゴマー、エラストマー
などの必要量を混合することも可能である。

本発明において、上記合成樹脂に配合する補強繊維とし
ては、ガラス、カーボン、グラファイト、アラミド、ポ
リエチレン、セラミック（Ｓ　ｉ　Ｃ，Ａ１１２０３な
ど）、金属（ボロン、ステンレスなど）等の繊維が挙げ
られる。このような補強繊維の直径は、あまりに小さい
と十分な補強効果が得られず、逆にあまりに大きいと射
出圧縮成形が困難となり、成形性が悪くなる。このため
、補強繊維の直径は０．１〜１００μｍ、特に０．５〜
５０ｔ１ｍの範囲とするのが好ましい。

また繊維長は２〜３０ｍｍであることが好ましい。

このような補強繊維の配合量が少な過ぎると十分な補強
効果が得られず、逆に多過ぎるとマトリックス樹脂が不
足して成形性が悪くなる。このため、補強繊維の配合量
は成形材料に対する配合割合で５〜７０体積％とするの
が好ましく、特に１０〜６０体積％とするのが好ましい
。

本発明において、特に好ましい成形材料としては、連続
繊維と熱可塑性樹脂を用い、これを引抜き成形法で成形
した直径２．５〜３ｍｍの棒状体を例えば１０ｍｍ長に
切断した粒状体が挙げられる。この場合、上述の如く、
含有される補強繊維長さは切断長さで任意に調整で台る
。また、引抜き成形で成形されるため長繊維にもかかわ
らず繊維間への樹脂含浸性は十分である。また、この種
の長繊維強化樹脂は、上述の如く、通常の短繊維補強樹
脂に比べ機械物性は著しく向上するにもかかわらず、成
形性、加工性は損なわれることは殆どなく、同程度の成
形性、加工性を得ることができる。なお、これらの長繊
維補強物の加工性などを改良するために、通常の短繊維
補強樹脂を混合して使用することは極めて有効である。

この場合、短繊維補強樹脂の混合率は重量で全体の６０
％以下、望ましくは５０％以下、より望ましくは４０％
以下とするのが好ましい。

また、製品品質を向上させるために、次のような機構を
金型に付与することもできる。

■型内真空引き機構 これは予め型内の空気を排出した後、材料を射出・充填
するもので高速充填が可能となり、型内に付着している
異物を排除するという効果も期待できる。この場合、型
内の真空度は１０ｔｏｒｒ以下であれば十分な効果を得
ることができる。

■型内ガス抜き機構 ■の真空引き機構と類似の手法であって、射出成形材料
から放出されるガスやキャビティー内のエアを強制的に
排出することにより、成形品の焼けを防止し、特にウェ
ルド強度の改善には効果がある。

■金型局部加熱機構 ウェルド強度改善には局部加熱も有効である。

ウェルド生成が予想される金型箇所にヒーター又は高周
波加熱用コイルを埋め込んでおき、局部的に高温にして
おくと、溶融したままの状態で樹脂が互いに接触８合体
するため、ウェルド部の強度低下は最小限に抑えられる
。

■型内打抜ぎ機構 これは金型内に組み込まれたパンチシリンダを用いて圧
縮・冷却工程中に所定の部分を打抜くもので、滑らかな
切り口を得ることができる上に、打抜き精度の向上など
の点で有利である。特に、ホイールにおいてはハブ穴、
ボルト穴、飾り穴（Ｊｕｌ穴）、バルブ穴などを設ける
ため、通常の射出成形だけではこれらの穴の周囲に必ず
フェルドラインが生成し、強度低下の最大要因となフて
いる。射出圧縮成形法に加えて各種穴部に相当する部分
に穴の断面形状をした打抜き棒を備えた打抜ぎ機構を金
型に組込んでおぎ、圧縮工程において、樹脂が完全に固
化する以前の柔軟な状態にあるときを見計らって、打抜
き機構を作動させ、所定の形状の穴を打抜くことにより
、フェルドラインをより完全に排除することができる。

ところで、自動車用ホイールにはその使用中に様々な力
が作用する。第１図に示すリム部１にはタイヤ空気圧に
加えて車体を支えるための垂直荷重が、また溝に落ちた
り、突起物や縁域に乗り上げたりした時には衝撃力が加
わる。一方、ディスク部２には垂直荷重の他に、カーブ
を切った時に加わる曲げモーメント、また跳ねた石や岩
などによる衝撃力が作用する。このように、ホイールは
極めて苛酷な条件下で使用される。

一方、近年、社会環境的な要請から省エネルギーがさけ
ばれ、前述の如く、自動車部材にも軽量化が望まれてい
る。特に、バネ下部材はその効果が大きく、また機動性
の点からも軽量化が要求されている。

このようなことから、ホイールには、更に強度向上のた
めの補強構造や、軽量化構造を組合せることが好ましい
、これらの構造を導入する部位はホイール全体でも、リ
ム部のみ、ディスク部のみ又はハブ部のみでも良く、そ
の他必要な部位に適宜用いることができる。

補強構造としては、例えば第３図に示す如く、ある種の
補強層、具体的には補強ｉａ　ｉａの配合量を増した層
、又は補強部材等を、ホイール本体１゜の中間層Ａとし
て、あるいは表面層Ｂ又はＣとして導入した構造等を採
用することができる。

この場合、補強層に用いる材料としては、ガラス、カー
ボン、グラファイト、アラミド、セラミック（Ｓ　ｉ　
Ｃ，Ａｊ２ｚ　Ｏｓなど）、金属（ボロン、ステンレス
など）などが挙げられ、それらの形態としては、ロービ
ングなどの一方向長繊維。

クロス、ＮＡ組、より線、網、及びこれらを配列して樹
脂で固めた線状又は板状物（ＦＲＰ）、三次元織物など
が最適である。

一方、軽量化構造としては、第４図に示す如く、ホイー
ル本体１０の材料力学で示すところの低応力部分である
断面中央部に中空部１１を形成した中空構造、又は、第
５図に示す如く、該部分に超軽量物１２を充填した構造
を採用することができる。この場合、充填する超軽量物
としては、ハニカム、波形体、凹凸形体、有孔板、網状
体。

発泡体、線又は棒状体、粉粒体等の軽量な高強度体が好
ましい。

上述した補強構造及び軽量化構造はそれぞれ単独で採用
することもできるし、両者を組合せて採用することもで
きる０例えば、第４図に示す中空部の壁面を、前記補強
層で構成することもできる。

ホイール内に補強層や超軽量物を充填配置する場合には
、所定形状の充填物を予め成形し、これを金型の所定位
置に設置して射出成形するインサート成形が有利である
。

ところで、通常、ホイールはハブボルトを介して、ブレ
ーキドラム又はブレーキディスクに隣接する円板に取付
けられる。そのためハブボルト穴周辺はブレーキ発熱の
影響を直接受けることになリ、長期の使用中には樹脂の
軟化、クリープに伴い、応力緩和が発生し、ハブナツト
の緩みが生じてくる。この問題を解決するために、例え
ば箪６図（ａ）（ハブ部近傍の断面図）、（ｂ）（第６
図（ａ）のＢ部の拡大図）及び（Ｃ）（第６図（ｂ）の
Ｃ−Ｃ線に沿う断面図）に示す如く、ハブボルト２１の
穴２２部に高剛性、高強度、耐熱性を兼ね備えた部材２
０を嵌合しハブナツト２２の締め付は力はこの嵌合駒を
介してブレーキドラム２４に伝達される構造とするのが
好ましい。

（図中、２５はタイヤである。）この場合、嵌合する部
材２０の材料としては、金属、耐熱性プラスチック、及
びそれらのＦＲＰ、炭素繊維強化炭素コンポジット、セ
ラミックなどが最適である。

このような部材２０をホイールハブ部に嵌合、固着させ
るには、該部材２０を予め別途成形し、これを金型の所
定の位置に配置した後射出成形するインサート成形が最
適である。

また、ブレーキドラムからの熱を遮断するためにハブ部
のブレーキドラム側の面に断熱材をインサート成形する
方法が考えられる。この場合、断熱材としては、耐熱性
プラスチック、セラミックス又は無機材料やその補強物
からなる板状体、アスベスト等で構成されるスレート板
などが挙げられるが、断熱性と強度を備えたものであれ
ばいずれも使用可能である。

本発明の射出圧縮成形法による樹脂製ホイールの場合、
別の機能を持ったデバイスをホイール中に埋め込んで一
体成形することができるという利点もある。例えば、タ
イヤのバンク警報装置等の異常警報装置をホイール中に
埋め込んで一体成形することにより、ホイールとタイヤ
とで一体としての安全な自動車足回り部品が提供される
。

また、ホイールのリム部にリブを立てるなどのフェール
セーフ機構をホイールと一体成形することも容易である
。

［発明の効果］ 以上詳述した通り、本発明の樹脂製ホイールは、 ■　軽量で強度、特に曲げ強度、耐衝撃強度。

剛性、耐熱性、耐疲労性、耐クリープ性等の特性に優れ
る。

■　ユニフォーミティに優れ、製品品質のバラツキも殆
どない。

■　量産性に優れ、製品のコストダウンが図れる。

■　軽量化構造、補強構造を容易に採用することができ
る。

等の効果を有する。本発明によれば、極めて実用性の高
い樹脂製ホイールが提供される。

このような本発明の樹脂製ホイールは乗用車、バス、ト
ラック等の狭義の自動車用ホイールとしてはもちろん、
鉄道車輌、地下鉄用車輌、リニアモーターカー車輌、航
空機、自動二輪、自転車、ゴルフや遊園地用などのレジ
ャー用ゴーカートなどの広義の自動車用ホイールとして
も適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の樹脂ホイールの一実施例を示す断面図
、第２図は射出圧縮成形法を示す断面図、第３図、第４
図及び第５図は各々本発明の他の実施例を示す断面図で
ある。第６図（ａ）は本発明の別の実施例を示すハブ部
近傍の断面図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）のＢ部の拡
大図、第６図（Ｃ）は第６図Ｃｂ）のＣ−Ｃ線に沿う断
面図である。 １・・・リム部、　　　　　２・・・ディスク部、３・
・・ハブ部、　　　　　１０・・・ホイール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ホイールを構成するリム、ディスク。 ハブの少なくとも一つが繊維補強合成樹脂を用いる射出
   圧縮成形により構成されていることを特徴とする樹脂ホ
   ィール。