(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とリム部を有する車両用軽合金ホイールであって、前記リム部とディスク部との交差部のＤＡＳ値より前記ハブ部に設けられたボルト穴近傍のＤＡＳ値の方が小さいことを特徴とする車両用軽合金ホイール。
【請求項２】
ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とリム部を有する車両用軽合金ホイールであって、前記リム部とディスク部との交差部のＤＡＳ値より前記ハブ部に設けられたボルト穴近傍のＤＡＳ値の方が小さく、前記ハブ部に設けられたボルト穴近傍のＤＡＳ値が３０μｍ未満であることを特徴とする車両用軽合金ホイール。
【請求項３】
前記車両用軽合金ホイールは鋳造の際に少なくともハブ部の金型キャビティから溶湯を注湯する鋳造方法により製造された請求項１または２に記載の車両用軽合金ホイール。
【請求項４】
前記車両用軽合金ホイールのディスク面の、前記ハブ部のボルト穴の周囲にはボルト穴用凹部が設けられ、前記ボルト穴用凹部のテーパ部傾きが５．０°以下である請求項１〜３のいずれかに記載の車両用軽合金ホイール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用軽合金ホイールに関して特に安全性および意匠性の高いものに関する。また、その車両用軽合金ホイールを製造するための鋳造用金型、特に低圧鋳造用の金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用ホイールの1つである自動車のロードホイールには種々の材質、構造のものがあるが、自動車の軽量化及び外観や意匠性の向上を目的として、鉄製からアルミニウム合金、マグネシウム合金やチタン合金などの軽合金製への変換が進んでおり、とくにアルミニウム合金製のアルミホイールを装着する比率が増大している。
【０００３】
図４に示すように一般に軽合金製ホイール３０は、ボルトとナットにより車軸に取付けられる厚肉のハブ部３１と厚肉部と薄肉部が混在するデザイン部３２からなるディスク部と、タイヤが取着される薄肉のリム部３３から構成されている。また、リム部３３はフロントフランジ部、リアフランジ部、リム部とディスク部が交差する交差部、リム中央部からなる。デザイン部３２にはスポーク部と意匠穴が設けられている。ハブ部３１にはボルトで車体と固着するためのボルト穴３４が設けられている。
【０００４】
ホイールは車両の外観性を左右するものであり、種々多様の形状で生産されている。大別してスポークタイプ、ディッシュタイプ、フィンタイプ、メッシュタイプ等のタイプがある。また、ボルト穴の周囲に形成される凹形状のボルト穴用凹部の周囲も前記のタイプや仕様によってさらに様々な形態をもつ。
【０００５】
このボルト穴用凹部の底に形成されるボルト穴の部分は車体とボルト締めにより固定され、駆動力をタイヤに伝えるために負荷がかかる。しかしながら軽合金ホイールに要望される軽量化から厚肉・強化することは難しい。また、鋳造法案的にこのハブ部近傍は最終凝固部となることが多く、冷却速度が遅いために強度の向上が難しいという問題があり、まだ検討の余地を残していた。また、ボルト穴用凹部を成形する金型は凸形状となり、溶湯による離型材の損耗が激しい。特にハブ部キャビティから溶湯が注湯される鋳造法案のものでは顕著である。そのために始終金型の手直しが必要であり、生産性の悪化に繋がっていた。さらにはボルト穴用凹部のテーパ部傾きが小さいものをつくろうとしても金型との離型がうまく行かず、カジリ等の傷が残りやすかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
よって本発明の目的は従来にない高強度、安全性及び高意匠の抜け勾配の形状を成形し、シャープ感を出したホイールを安価に提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両用軽合金ホイールは、上記の問題に伴い検討した結果、従来に無い冷却構造を設けたことで解決に至った。つまり本発明は、ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とリム部を有する車両用軽合金ホイールであって、前記リム部とディスク部との交差部のＤＡＳ値より前記ハブ部に設けられたボルト穴近傍のＤＡＳ値の方が小さいことを特徴とする。また、ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とリム部を有する車両用軽合金ホイールであって、前記リム部とディスク部との交差部のＤＡＳ値より前記ハブ部に設けられたボルト穴近傍のＤＡＳ値の方が小さく、前記ハブ部に設けられたボルト穴近傍の少なくとも一部のＤＡＳ値が３０μｍ未満であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の車両用ホイールに見られる特徴としてハブ部の冷却速度を従来よりも速めることが可能である。その結果、ボルト穴近傍、さらにはハブ部でのＤＡＳ値が従来よりもはるかに小さく強度向上も果たせるものである。また、センターゲート近傍の冷却を行うことで製造上不具合が劇的に改善され、複雑形状であるハブ部での金型と鋳造ホイールとのカジリがなくなる。これにより離型時のホイール表面の傷がなくなり、不良の発生が少なくなる。さらにはこのボルト穴用凹部を形成する凸形状の金型部分での溶湯による溶損がなくなり、生産効率が向上する。本発明においてボルト穴近傍のＤＡＳ値は図３に示す斜線部の部分で測定した。図中、３４はボルト穴でありボルト穴用凹部３７から入れられたナットがボルト接触部３９で接触して車体とホイールとが固定される。３８は所定寸法に加工されたハブ穴であり、３６はスポーク部の端部である。湯口は通常、図中でハブ穴３８の下部に備えられた状態で鋳造される。
【０００９】
溶湯の鋳造性の観点から本技術の利点を記載する。ハブ部のボルト穴近傍はナットによりかしめられるため強度を必要とする部分である。ハブ部のみから溶湯を注湯する法案（センターゲート法案）ではボルト穴近傍が湯口に近いため溶湯の冷却速度は遅くなり強度が他の部分に比べて落ちやすい。ディスク部一面の強度を向上させるにはハブ部近傍、特にボルト穴付近での冷却が特に重要である。
【００１０】
センターゲート法案においてはこの部分を冷却するとハブ部での溶湯が先に凝固してリム部での押し湯効果が不足しやすいため、他の部分の金型冷却を適宜設定することが重要である。また、リム部を形成するキャビティ部分に溶湯の堰を設けて注湯するサイドゲート法案で行なうことも可能である。また、ハブ部とリム部を形成するキャビティ部分各々に溶湯の堰を設けて注湯するマルチゲート法案のアルミホイールの一体鋳造で行えばハブ部近傍での冷却を行なっても他の部分の冷却機構と組合せて押湯効果を効かせた指向性凝固をする設定がしやすく好ましい。スポーク部のひけ巣防止のための押し湯効果はリム部側の堰（サイドゲート）からの圧力である程度まかなえるため、ボルト穴となる部分に冷却機構を設けても鋳造不良を起こすことなく鋳造サイクルの短縮とハブ部での強度向上がバランス良く行える。特にボルト穴近傍はボルトが締め付けられ、車体に固定される部分であり強度が必要である。冷却速度が速いためボルト穴周囲の強度を向上させるため薄肉軽量化しても問題がない。本発明の冷却条件ではディスク部への溶湯押湯効果時間が比較的短くなるため、リム部の体積が比較して大きいものに適用しやすい。具体的には製造に適するホイールの形状はリム部とディスク部の重量比率で表せばリム部：ディスク部＝６：４かリム部がそれ以上の比率を占めるものである。
【００１１】
本発明においては交差部のＤＡＳ値とボルト穴近傍のＤＡＳ値との関係を規定しているがその技術的理由を述べる。前記２つのＤＡＳ値の比較はリム側とディスク中心部の湯口からの押し湯効果についてどちらを最終的に残すべきかを検討したものである。例えば細いスポーク部をもつ車両用ホイールをマルチゲート法案で一体鋳造するには早めにディスク中心部からの押し湯効果を終了させ、残った未凝固の部分をリム部からの押し湯効果でもって指向性凝固させることがホイールの鋳造上好ましいということを知見した。これにより複雑形状で意匠性を主に司るディスク部の冷却を速め、気泡混入等の鋳造性を良好にできる。結果蒸着メッキ等の被覆処理を行なっても外観性に問題なく処理可能である。よってサイドゲートが設けられるリム部よりもハブ部を重点的に冷却することが好ましい。実施例においてはボルト穴の中でもスポーク部に近い図３に示す測定部（スポークにハブ部側から押し湯効果を与える部分）のＤＡＳ値と交差部（スポークにリム部側から押湯効果を与える部分）でのＤＡＳ値で比較している。これはセンターゲート法案でもリム部周囲に押湯手段を設けることで達成でき、またサイドゲートでもハブ部近傍に押湯手段を設けることで達成できる。
【００１２】
本発明に好適な車両用軽合金ホイールの鋳造用金型として、ディスク部を形成する金型キャビティの中央にセンターゲートを備え、リム部を形成する金型キャビティにサイドゲートを備え、前記リム部での金型冷却の強さより前記ハブ部での金型冷却の強さの方が大きくすることが可能な金型冷却構造を具備することが好ましい。金型冷却の強さは鋳造品の鋳出し後に下型と横型の金型表面温度をサーモグラフィ等で測定すれば判別可能である。
【００１３】
ＤＡＳ値はアルミ鋳物材において強度をしめすものであり小さい程高強度となる。本発明のようにスポーク部のＤＡＳ値を小さくできたのは、ハブ部及びデザイン部を含むディスク部とリム部を有する車両用軽合金ホイール用の鋳造用金型であって、前記ハブ部のボルト穴形成用凸部の中に冷却手段を設けたことを特徴とする鋳造用金型を用いることで達成された。さらにこの冷却手段は前記ボルト穴形成用凸部の凸方向に向かって空洞となる冷却部が形成され、かつ前記冷却部の凸部近傍側にミストを吹き付けるための噴出口を備えさせた冷却管を冷却部内に備えた構造が好適である。また別の構造として、前記ボルト穴形成用凸部の凸方向に向かって内装された外筒と内筒からなる２重管構造を備えた構造が好適である。詳細は実施例にて述べる。
【００１４】
ボルト穴凹部を形成するための金型では図１、２中のボルト穴形成用凸部８１となるが、この部分はセンターゲート法案などで溶湯が最初にキャビティ内に入る位置に近く、高熱になる。また、略円筒状のリム部と異なりボルト穴などを有する比較的複雑形状である。鋳込まれる溶湯からみれば垂直方向の壁状であり、この壁面で金型の溶損、溶湯の焼き付き等が発生しやすい。よってボルト穴近傍を強く冷却するようにボルト穴用凹部に沿って冷却管を設けるような構造の金型を用いることが非常に好ましい。また、離型性も向上し、テーパ部傾きが５．０°以下、さらには３．０°以下のボルト穴用凹部を形成可能である。
【００１５】
テーパ部傾きの小さなボルト穴形状とするためには金型から凝固したホイールを取り出す際に、厳密な金型の駆動制御が必要である。ディスク部を形成する下型または上型を型開けする際、可動プラテンを３ヶ所以上で同期に押し上げする平行制御駆動装置を用いて動かすことが好ましい。上型プラテンに同期ピストンを設け、上板を押し上げ、最下端の位置にある上板を２０〜３０ｍｍ程度の高さまで平行に移動させればよい。もしくは下型プラテンに３ヶ所以上の同期の油圧シリンダを設けて、直接可動プラテンを押し上げても良い。２ヶ所以下であると可動プラテンが傾きやすく、テーパ部傾きの小さい製品は作り難い。
【００１６】
従来のホイール鋳造機においては単に１本の油圧シリンダーで可動プラテンを引き上げ、単純に型開きを行っていた。しかしホイールの鋳造においては下型プラテンの近傍に保持炉を備える構造であり、そのような構成においては下型プラテンが熱膨張しやすい。上型プラテンと下型プラテンの熱膨張による寸法差が異なる為、ガイドの内径とガイドポストの外径とは０．３〜０．５ｍｍ程の隙間を取る必要がある。しかしこの隙間により可動プラテンは絶えずどこか一方で傾きながら上昇するという現象を起こす。スポーク部やハブ部の凹部等に６．０〜８．０°のテーパ部傾きが設けているものであれば上記可動プラテンの傾きは問題にならない許容範囲であり、成形品の形状を損なうことなく製品を離型することができたが、テーパ部傾きが５°以下の製品ではこの傾きが起こるとスポーク部やハブ部の凹部でカジリが発生しやすい。下型からの離型時、製品は４００〜４５０℃有り、強度が低い。特にデザイン面が複雑な形状をしている場合、下型に取られやすくまた引き抜き方向に対して強度が弱く、垂直にスムーズに上昇させないとデザイン部のカジリを起す。よって離型時の上型が備えられた可動プラテンの詳細な配慮は非常に重要な技術である。上型が下型に対して平行上昇しなければいけない距離は、型締め位置から最大で５〜２０ｍｍ程度である。それより上昇してしまえば多少可動プラテンが傾いてもデザイン面と下型がぶつかることは無い。この程度まで厳密な制御によって可動プラテンを持ち上げるためには上型または上型と固着している可動プラテンでの３箇所以上を同時に同じ移動量で押し上げる平行移動制御をさせる必要がある。４本同期の垂直シリンダー方式が特に有効である。シリンダーの駆動は電流制御バルブやサーボバルブを用いれば良い。
【００１７】
また、鋳造上型は一般的に２００ｋＮ型締め力で下型を押している。油圧で１０ＭＰａ程度である為、この１０ＭＰａを０．０１秒未満の速さで実質０ＭＰａにまで落とすと鋳造機にかかる応力による変形も１度に開放され、油圧回路中にサージ圧が発生しこれにより、鋳造機全体が振動し、可動プラテンが下型に対して平行に移動しなかったり、下型に対して上型が横方向に移動し、下型とデザイン面のカジリを起こしやすくする。実際のバルブが全開になるまでの時間は０．０２秒ほどであるが、型締め力が０ＭＰａになるのはその半分ほどの時間である。よって型締め力を０．０５秒以上、さらに好ましくは０．１０秒以上の長い時間をかけて型締め力を抜くことで急激な油の減圧による鋳造機の衝撃を和らげ、結果カジリの無いデザイン面を成形可能である。
【００１８】
また、型締めの際には不要な振動・応力を与えないように型締め力を上げていくことが好ましい。急激に型締めを行うと鋳造記全体に振動が発生してしまう。可動プラテンや下型の重量を総和すると３〜４トン近くなり、上型プラテンや下型プラテンに、垂直方向に１ｍｍほどの応力歪を発生させる。また、型締めの際、平行方向にも影響を与える為、テーパ部傾きの少ないアルミホイールを製造するには所定の速度で型締めを行うことが好ましい。
【００１９】
リム部でのサイドゲートを用いて鋳造する場合、湯口位置は少なくともデザイン部表面よりも上にあることが好ましく、さらにはデザイン部裏面よりも高いことが好ましい。このようにすればデザイン面でのセンターゲートとサイドゲートとから注湯された溶湯の湯境面の発生を低減できる。さらにはサイドゲートを高く設けることでセンターゲート近傍を早めに凝固してもリム部に残る溶湯の重量による押し湯効果で不良の発生を低減できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の詳細を図面により説明する。
図７は本願発明の車両用軽合金製ホイールの鋳造を行う１例で、アルミニウム合金製のホイールを低圧鋳造で行う場合の設備の概略を示す図である。密閉容器１内に保持炉２があり、密閉容器１の上に下型プラテン３が取り付けられ、密閉容器１を密閉している。下型プラテン３には中央部にアルミニウム合金の溶湯５を金型に補給するストーク４が取り付けてあり、各ストークの下端は保持炉２中の溶湯５に浸漬されている。ストークの上端は、下型プラテン３および金型の下型８に嵌入された湯口ブッシュ６を介し金型の湯口部７に連なっている。ストーク４を介して注湯される溶湯は下型８に流れ込み、ホイールのハブ部を形成するキャビティに注湯される。
【００２１】
金型の下型８は下型プラテン３に取り付けられている。下型８は固定型で、ホイールではデザイン部を形成する面である。本実施例においては最小のテーパ部傾きを３．５°とし、スポーク部の最小断面積を１００〜２５０ｍｍ２をとした。また、軸方向の厚さは２５ｍｍ以上、最小幅を４．０〜１０．０ｍｍとし、スポーク部のテーパ部傾きの５０％以上の部分でテーパ部傾き３．５°とした。両横は横可動型１０で、ホイールのリム部の外周面を形成する。金型の上型１２は、可動プラテン１４に取り付けられている。上型１２は所謂可動型で、ホイールを車に取り付けるデザイン部裏面及びリム部の内周面を形成する。可動プラテン１４はガイドポスト１５に固着されており、ガイドポスト１５は上型プラテン１３に備えられたガイド１６に沿って上下に動くことが可能である。また、前記ガイドポスト１５は上端を上板１７に固定され、上型プラテンに備えられた油圧シリンダー２１がこの上板を動かし、それに追従して可動プラテン１４および上型１２が上下して動く。図７中、上板１７が最下端まで来た位置を破線で示す。この最下端の位置は上型１２が横型１０および下型８と型締めされた際の位置である。
【００２２】
下型８の詳細な形態を図２に示す。図２に示すように下型８には冷却用の水冷機構５０、５１を内部に配置している。水冷機構５１は主にハブ部近傍を冷却するようにホイールのディスク面に形成されるボルト穴用凹部となるボルト穴形成用凸部８１に端部を向けて配置されている。ボルト穴形成用凸部８１のテーパ部傾きは３．０〜５．０°である。冷却水をボルト穴形成用凸部８１に向かって水冷機構５０の外管５０ａに内管５０ｂ内を介して流しこむ。冷却部は二重管構造であり、内管中の水の流れ方向と外管５０ａと内管５０ｂの間の水の流れは逆方向になるように構成されている。ボルト穴形成用凸部８１の先端に内管から到達した冷却水は外管５０ｂの中を流れて戻る構成になっている。冷却部には２本の冷却管５０ｃが設けられ、冷却水が所定の鋳造タイミングで内部を通るよう制御されている。また、ディスク部（特にスポーク部）を冷却するための冷却機構５１は下型のスポーク部金型８２近傍にホイール軸を中心として略円形状となるように下型下部に溝５１ａが形成され、その溝５１ａを密封部材５１ｂにより密封し、冷却水通路としている。この冷却水通路に冷却管５１ｃから水を流してスポーク部金型８２近傍を冷却する。ボルト穴形成用凸部８１のテーパ部傾きが３〜５°の場合、ボルト穴形成用凸部での金型表面温度が４５０°以上であると塗型がはがれ金型と溶湯が反応して焼き付きをおこすので最高温度がその温度以下になるよう冷却条件を定めている。
【００２３】
鋳造作業は、以下の手順による。下型８、上型１２、横型１０の金型を閉じた後、空気や不活性ガス等の０．０２〜０．０５ＭＰａの加圧気体を加圧気体送入管１８より密閉容器内１に送り込む。送り込まれた加圧気体により、保持炉２内で約７００℃に保持されたアルミの溶湯５がストーク４ｂを介して押し上げられ金型温度を３５０〜４５０℃に保持された金型内のキャビテイに入る。金型のキャビテイ部は保温と離型を兼ねた塗型でコーテイングが施してある。約２〜３分の後、加圧を排気し、未凝固のストーク４内の溶湯５を保持炉２に戻し、金型内の溶湯が凝固するのを待つ。金型内の溶湯の凝固が完了し、約４００〜４５０℃の取り出し温度に達したところで金型を開き、上型に鋳造製品（ホイール）がついた状態のまま上型を上昇させる。ある程度上昇した時点で上型プラテンに固着した押し出しピンによりホイールを上型から離し脱着アーム１１を用いてホイールを取り出す。このサイクルを繰り返し、製品を鋳造していく。
【００２４】
０．２０秒かけて下降油圧圧力を１０ＭＰａから０ＭＰａにまで落とし、上型を下型に対して上昇させた。油圧は０．２０秒を通して徐々に下がり鋳造機に大きな振動を与えることはなかった。さらに可動プラテンは終始ほとんど傾かずに上型プラテンに対して平行度を保ったまま上昇していくことを確認した。またスポーク部のテーパ部傾きの５０％以上の部分で５°以下の車両用軽合金ホイールを２０ヶ製造し、デザイン面でのカジリ、変形があるか観察を行った。意匠面のカジリの発生は確認されず、良好な形状を有するホイールが得られた。また表１に図４で示す▲１▼〜▲３▼の部分を測定したＤＡＳの値を記す。また、ボルト穴近傍の組織観察写真を図５に示す。ボルト穴近傍のＤＡＳ値が非常に小さく、交差部よりも小さい値であることを確認した。また、表中のＤＡＳの値はサイドゲート位置断面での測定であるが、その９０°側でのＤＡＳ値も同様の傾向が見られた。また、サイドゲート法、マルチゲート法で行っても同様の効果が得られた。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
（比較例１）
図２に記載の水冷機構５１のみに冷却水を流し、水冷機構５０には冷却水を流さず鋳造を行った。鋳造を２００〜３００サイクルほど行うと図２のボルト穴形成用凸部８１の周囲に溶湯の焼き付きが発生し、製品の不良成形となった。又、金型のメンテナンスに時間を費やさなければ成らなかった。ＤＡＳ値の測定値を表１に併記する。特にボルト穴近傍でのＤＡＳ値が本発明のものとは異り大きい。組織観察写真を図６に示す。
【００２７】
（実施例２）
また、別の下型の詳細な形態を図１に示す。図１と図２で同一の構造のものは同一符号で示す。図１に示すように下型８には冷却用の水冷機構５２、５１を内部に配置している。水冷機構５２は主にハブ部近傍を冷却するようにホイールのディスク面に形成されるボルト穴用凹部となるボルト穴形成用凸部８１内に凸方向に延出した空洞部５２ａが配置されている。前記空洞部５２ａの奥にまで冷却管５２ｂを挿入し、外部冷却管５２ｃからミストを供給し、空洞部内を冷却した。排出されたミストは凸部近傍を冷却した後、冷却管５２ｂと空洞部５２ａの間を介して戻り、連通部８３から下型外へ排出される。
【００２８】
【発明の効果】
以上に記述の如く、本発明によれば、下形のボルト穴形成用凹部に最適な冷却構造を内装したことで、従来よりもはるかに強度がよく、安全性の高いホイールを提供できた。また、離型性が良くなったことで溶湯をハブ部から注湯する法案においてもテーパ部傾きの少ないボルト穴用凹部を形成することが可能である。
また、本発明の金型を用いることでホイール離型時のカジリが発生しなくなり、作業効率の向上を計ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】下型の冷却機構を示す断面図である。
【図２】別の下型の冷却機構を示す断面図である。
【図３】ボルト穴周辺の要部断面図である。
【図４】ホイールの断面形状を示す図である。
【図５】本発明のボルト穴近傍の金属組織写真である。
【図６】従来のセンターゲート法案でのボルト穴近傍の金属組織写真である。
【図７】本発明に用いた鋳造機の１例である。
【符号の説明】
１：密閉容器、２：保持炉、３：下型プラテン、４：ストーク、５：溶湯、６：湯口ブッシュ、７：湯口部、８：下型、９：ガイドピン、１０：横型、１１：脱着アーム、１２：上型、１３：上型プラテン、１４：可動プラテン、１５：ガイドポスト、１６：ガイド、１７：上板、１８：加圧気体挿入管、２０：４本同期ピストン、２１：油圧シリンダ、３０：アルミホイール、３１：ハブ部、３２：デザイン部、３３：リム部、３４：スポーク部、３５：意匠穴、３６：ボルト穴用凹部、３７：ボルト穴、３８：ハブ穴、３９ボルト接触部、４０：テーパ部傾き、４１：意匠面側、４２：天井肉厚、４３：鋳抜き部抜け勾配、４４：鋳抜き部、５０，５１：冷却機構、８１：ボルト穴形成用凸部、８２スポーク部金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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