JP2008164029A - 駆動用ローラチェーン - Google Patents

Abstract

【課題】リンクプレートの形状を最適化して重量の最小化を図り、軽量の駆動用ローラチェーンを提供する。
【解決手段】外プレート４が、１対のリンクピン孔の間に形成されたほぼ矩形の外窓１１を有し、内プレート７が、１対のブッシュ孔５の間に形成されたほぼ矩形の内窓１０を有している。外窓および内窓の隅には丸みがとってある。外プレート４および内プレート７は、長さ方向両端部の円弧部分と円弧部分から長さ方向中央に、かつ外プレートおよび内プレートの幅方向外側に略直線的に向かう辺４２，７２とから形成されている。辺４２，７２は、外プレート７の円弧部分４１，７１の端部接線方向に対して内側に向かうように設定されている。外プレートおよび内プレートは、高炭素クロム軸受鋼にオーステンパ処理を施した。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動用ローラチェーンに関し、特に、軽量化と高強度化を図るのに好適な駆動用ローラチェーンに関する。

従来、高強度の駆動用ローラチェーンを軽量化する試みがなされている。例えば、特開２００６−０６４０４９号公報には、リンクピンのピン孔から先端側の外形が、ピン孔の中心から見て中心線から４５°の方向で最大となるように一様に滑らかに膨出させたリンクプレートを有するローラチェーンが記載されている。このローラチェーンのリンクプレートによれば、重量の増大を少なくして強度を増大させることができる。

また、特開平４−２１０１４４号公報には、荷重に対する変形量をリンクプレートと同じにすることによってリンクピンにかかる応力を低減することができるサイレントチェーンのガイドリンクプレートが記載されている。このガイドリンクプレートには、リンクピンを通すピン孔以外に開口またはスリットが形成されている。

また、駆動用ローラチェーンのプレート材料として、価格と性能バランスの観点からクロムモリブデン鋼や炭素鋼を採用し、これらを成型後、焼き入れ・焼き戻し、またはマルクェンチ等の熱処理を施して使用することがなされていた。

さらに、駆動用ローラチェーンを軽量化するためには、ローラチェーンを構成するプレート材料の種類を他に求めることも検討されている。例えば、特開２００３−３０１８８８号公報には、インナーリンクプレートを、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼、高炭素クロム軸受鋼および合金工具鋼の一種に対して熱硬化処理を施したものを基材として構成したサイレントチェーンが開示されている。また、特開２００４−２９２９３０号公報には、熱処理後の耐衝撃性や耐摩耗性に優れ、使用中に水素に起因する粒界割れが発生しにくい高靱性鋼板として、炭素量を低くしたチェーンプレート用鋼板が開示されている。
特開２００６−０６４０４９号公報 特開平４−２１０１４４号公報 特開２００３−３０１８８８号公報 特開２００４−２９２９３０号公報

大きい駆動力を伝達するときの塑性変形を小さく（つまり伸びを小さく）するには、特許文献１に記載されたローラチェーンのように、その程度が小さいというものの、膨出部を形成することになるので、重量の軽減は困難であった。一方、特許文献２に記載されたサイレントチェーンでは、開口やスリットがあるのである程度の軽量化は望める。しかし、変形量をリンクプレートと同じにするようにガイドリンクプレートの形状が決定されているだけであり、強度を維持して荷重に対する変形を抑えつつ、併せて軽量化を図るという点では満足のいく形状を提供していない。

また、高強度化と軽量化のために特許文献３，４に記載されたような材料を使用した場合、価格と要求性能とのバランスつまりコストパフォーマンスがよいとはいえず、熱処理等によるさらなる改善が重要な課題となっている。

本発明の目的は、荷重に対する十分な強度を有していながら、軽量化を図ることができる駆動用ローラチェーンを提供することにある。

上記課題を解決するための本発明は、過共析組成を有する炭素鋼からなるリンクプレートを備え、前記リンクプレートがオーステンパ処理されている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記炭素鋼が、高炭素クロム軸受鋼である点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記オーステンパリング処理が、前記リンクプレートをオーステナイト化温度以上の焼き入れ温度に加熱し、１７０℃〜２１０℃の高温冷却媒体で予定時間保持する処理である点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記高温冷却媒体での保持時間が、１０〜２４時間である点に第４の特徴がある。

さらに、本発明は、第１〜第４の特徴に加え、前記リンクプレートが、一対のリンクピン孔を有する外リンクプレートと、一対のブッシュ孔を有する内リンクプレートとからなり、前記内リンクプレートのブッシュ孔に両端が嵌合されたブッシュと該ブッシュに挿通され両端が前記リンクピン孔に嵌合されたリンクピンとで前記外リンクプレートおよび内リンクプレートを互いに連結してなり、前記外リンクプレートが、前記１対のリンクピン孔の間に形成された外窓を有し、前記内リンクプレートが、前記１対のブッシュ孔の間に形成された内窓を有している点に第５の特徴がある。

第１〜第５の特徴によれば、高硬度、高強度のリンクプレートを有する駆動用ローラチェーンが得られるので、リンクプレートを小さくでき、駆動用ローラチェーンの軽量化が可能である。

特に、オーステンパ処理によって容易にベイナイト組織を得ることができるとともに、残留オーステナイトの粒界を強化して耐遅れ破壊性を高めることができる。

また、第５の特徴によれば、外リンクプレートおよび内リンクプレートに窓が開けられていることによって、第１〜第４の特徴と協働して駆動用ローラチェーンのより一層の軽量化が図られる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図３は本発明の一実施形態に係る駆動用ローラチェーンの要部斜視図、図４は同上面図である。この駆動用ローラチェーンは、例えば、自動二輪車においてエンジンの出力を駆動輪に伝達するために用いられる。駆動ローラチェーン１は、内リンク２と外リンク３とを順次連結して必要な長さのものに形成される。内リンク２は一対の内リンクプレート（以下、単に「内プレート」という）４と該内プレート４に形成されたブッシュ孔５に嵌挿されるブッシュ６とからなる。一方、外リンク３は一対の外リンクプレート（以下、単に「外プレート」という）７と該外プレート７に形成されたピン孔８に嵌挿されるリンクピン９とからなる。

内プレート４には、２個一対のブッシュ孔５の他に、該ブッシュ孔５間に位置する矩形の開口（以下、「内窓」という）１０を有する。同様に、外プレート７には、２個一対のピン孔８の他に、該ピン孔８間に位置する矩形の開口（以下、「外窓」という）１１を有する。

組み立て時、内プレート４のブッシュ孔５にブッシュ６を嵌挿して内リンク２を形成する。また、１枚の外プレート７のピン孔８にリンクピン９の一端を嵌挿しておく。次いで、内リンク２の一側面に外プレート７に嵌挿されたリンクピン９の先端をあてがい、リンクピン９をブッシュ６内に挿通遊嵌させる。そして、ブッシュ６を貫通させて反対側に突出させたこのリンクピン９の他端をもう１枚の外プレート７のピン孔８に嵌挿する。このようにして１組の駆動用ローラチェーン１が組み立てられる。

なお、ブッシュ６はブッシュ孔５に所定の締め代で塑性域圧入され、ローラピン９はピン孔８に所定の締め代で塑性域圧入される。また、上記組み立て順序は一例であり、種々変形できる。

内プレート４および外プレート７の形状をさらに説明する。図１は内プレート４の正面図、図２は外プレート７の正面図であり、いずれも１／４モデルで表示している。つまり内プレート４および外プレートはその長さ方向および幅方向のいずれにおいても対称形状をなしている。

図１から分かるように、内窓１０は内プレート４の長さ方向（ブッシュ孔５，５をつなぐ線方向）に直交する方向（つまり幅方向）での寸法ｈ１がブッシュ孔５の直径ｄ１とほぼ同一である。

同様に、図２において、外窓１１は外プレート７の長さ方向（ピン孔８，８をつなぐ線方向）に直交する方向（つまり幅方向）での寸法ｈ２がピン孔８の直径ｄ２とほぼ同一である。

また、内プレート４および外プレート７は、それぞれの長さ方向両端を形成している部分円４１，７１の円弧角α１，α２は、従来の内プレートや外プレートの円弧角より小さく設定されている。比較のため、図中に鎖線で従来の内プレートと外プレートの外形と端部円弧角（符号α１−０，α２−０を付している）とを示す。つまり、本実施形態の内プレート４および外プレート７は、従来、大きく設定されていた端部部分円の面積を小さくする一方、内プレート４および外プレート７の幅方向の外形部分（辺）４２，７２をほぼ直線的に形成して端部部分円の接線方向Ｔより内側に延長されるように設定している。

なお、外プレート４の辺４２は内プレート７の辺７２よりやや直線度を緩めて弧を描いている。これは、外プレート７の場合、端部円弧部分から辺４２を直線的に伸ばすと、ブッシュ孔５の縁と辺４２との間が短くなりすぎて、十分な荷重を伝達することができないからである。辺４２を少し外側に膨らますことで耐荷重を十分なものにしている。辺４２を辺７２と同様の直線的にするためには、円弧角α１を円弧角α２より少し大きめに設定すればよい。こうすることによって、ブッシュ孔５と辺４２の縁との距離を大きく確保することができる。

内窓１０および外窓１１は矩形に限らず、図２に示すように外プレート７や内プレート４の長さ方向中央部でやや幅を絞った形状としてもよい。また、内窓１０や外窓１１の隅は応力集中を回避できるように丸みをつける（いわゆるｒをとる）のがよい。

このように、本実施形態の駆動用ローラチェーン１は、内プレート４および外プレート７に内窓１０および外窓１１をそれぞれ設けるとともに、端部部分円４１，７１を、その円弧角が小さいものにして面積を減らしているので、従来品と比較して大幅な軽量化が図られている。例えば、図１，図２に示したものでは、約２３％の軽量化が図られている。

次に、上記軽量化された内プレート４および外プレート７の形状決定に至る手順を説明する。図５は、形状決定の手順を示すフローチャートである。この形状決定手順には、位相最適化、形状最適化、および応力比較を含んでいる。

まずステップＳ１では、設計変数を外プレートの１／４モデルの全域におけるメッシュ密度、目的関数を重量最小化、制約条件を剛性同等として位相最適化を行う。

位相最適化は、密度法を採用して行った。密度法では、外プレート７の材料の縦弾性係数Ｅが密度ρのＮ乗に比例する（Ｅ＝ρNＥ０）と仮定して、各メッシュの密度比を設計変数として最適位相を求める。Ｅ０は設定した縦弾性係数である。各メッシュの密度ρを０．０〜１．０で変化させることによって、位相最適化の計算で使われる縦弾性係数Ｅが０．０〜Ｅ０に変動する。最適化計算では、モデル１２の全域の各メッシュを設計変数とし、この設計変数が、剛性を初期形状と同等とする制約条件を満たしながら、目的関数としての重量の最小化を実現するために繰り返し計算を行って最適解を求める。最適解を求めるための有限要素解析ソフトや有限要素モデル作成プログラム等は既存のものを使用することができる。

図６は、位相最適化対象としてのローラチェーンモデルのメッシュデータを示す図である。有限要素モデル１２は、従来のローラチェーンに用いられている外プレートの１／４モデルである。解析は、モデル１２の対称境界１３を拘束し、ピン孔８に対して矢印１５方向に作用する荷重Ｐを与えて行った。なお、分割メッシュは図示を省略している。

図６の濃淡模様は位相最適化計算による最適解としての歪みエネルギー分布を示す。模様の濃い部分が薄い部分より歪みエネルギーが大きい領域であり、この領域では外プレートが仕事をしてより大きい力を伝達する。つまり、ローラチェーンの外プレートとしては、濃度の高い部分がエネルギー伝達のために重要な部分であり、濃度の低い部分はさほど重要でない部分と判断できる。特に、モデル１２のうち、白抜きで表している領域１６，１７，１８等はローラチェーンの外プレートとしてはほとんど重要性はなく、削除可能と考えられる。

図５のステップＳ２では、形状トポロジーの決定を行う。ステップＳ２では、位相最適化で得られた重要部分とそうでない部分とに基づいて、外プレート７の望ましい形状を抽出する。つまり、図６の模様の濃淡から判断できる歪みエネルギーを分担できる最適な形状を解析者が判断して、手作業で制御点を決定する。

図７は、決定された形状のトポロジーを示す図であり、符号１８は制御点を示す。つまり、図６に示した濃度の高い部分を含む領域を特徴点としての制御点１８によって定義し、外プレート７の形状を決定している。ピン孔８の形状は半径で定義される。

形状のトポロジーが決定されたならば、ステップＳ３で形状最適化を行う。ステップＳ２では、外プレート７の特徴点を決定しただけであるので、ステップＳ３では、これに寸法を与える計算を行う。計算は、形状最適化のための既存のプログラムを使用する。形状最適化では、目的関数は重量最小化、設計変数は制御点の移動量、制約条件は剛性同等である。図８は、形状最適化されて制御点が移動した結果のメッシュデータを示す図である。

図５のステップＳ４では、ステップＳ１〜Ｓ３で形状を決定した外プレート７と、従来形状の外プレートとのＣＡＥによる応力比較を行う。応力の評価はミーゼス応力を計算して行った。ミーゼス応力の計算は汎用の構造解析プログラムによって実行することができる。なお、応力の評価は、ミーゼス応力の計算によって行うものに限定されない。

図９は、従来の外プレートのミーゼス応力、図１０は本実施形態の上記手順で決定された外プレート７のミーゼス応力をそれぞれ示す図である。これらの図において、応力の大きい部分２０，２１は、いずれもピン孔８の周辺近くにあって、外プレート７の外窓１１を除いた領域に分布している。これから分かるように、本実施形態の外プレート７は従来の外プレートにおいて応力の小さい部分を削除し、応力の大きい部分は残した形状になっている。つまり、本実施形態の外プレート７は従来品の無駄な部分を削除したものに対応し、位相最適化および形状最適化手法により、重量最小化が達成されている。

なお、計算による応力解析と併せて、従来品の外プレートのピン孔に外プレートの長手外周方向へ荷重をかけて引張り試験を行い、ピン孔周りの４か所で応力−歪み線図を作成した。その結果、応力の増大に伴うピン孔周辺で外プレートの長さ方向の歪みは極めて小さく、この部分が剛性に関して無駄な領域であることが分かった。この結果は、上述のミーゼス応力の分布と符合する。

上述の位相最適化、形状最適化並びに応力比較、引張り試験等により、最適に軽量化された外プレート７の形状が決定され、内プレート４の形状も同様の手法で決定することができる。

続いて、上記外プレート７および内プレート４の材料について説明する。外プレート７および内プレート４等の材料つまりプレート材料としては、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ）を用いた。鋼炭素クロム軸受鋼は、クロムを例えば０．９〜１．６％含む、高炭素（例えばＣ：０．９５〜１．１０重量％）の過共析鋼であり、焼き入れ性を高めるため、さらにモリブデンを含むこともある。

この高炭素クロム軸受鋼を素材とし、外プレートおよび内プレートを成形した後、次の熱処理を施し、仕上げ処理をして成品とする。熱処理はロックウェル硬度（ＨＲＣ）６０以上のベイナイト組織を得ることを目標として熱処理温度や保持時間等の条件を決定した。図１１は、プレート材料の一例であるＳＵＪ２の化学成分の一例を示す図である。

図１１に示したプレート材料の熱処理後の硬度を測定した結果を図１２〜図１４に示す。熱処理は、焼き入れ温度に加熱したプレート材料（ＳＵＪ２）を高温冷却媒体に焼き入れして恒温変態を完了させるオーステンパ処理を適用する。焼き入れ温度、恒温冷却媒体の温度（以下、「焼き戻し温度」という）、および保持時間を決定するため、これらのパラメータを変化させて硬度を測定した。

図１２は、焼き入れ温度と硬度との関係を示す図である。この例では、焼き戻し温度２００℃、保持時間２４時間としている。図示のように焼き入れ温度は高いほど硬度が上がっており、特に焼き入れ温度８５０℃以上で目的の硬度６０以上が得られている。

図１３は、焼き戻し温度と硬度との関係を示す図である。この例では、焼き入れ温度８６５℃、焼き戻し温度での保持時間は２４時間である。図示のように焼き戻し温度が２１０℃以上では、硬度が急激に低下する。そして、焼き戻し温度が２１０℃以下では、目的の硬度６０以上が得られている。

図１４は、焼き戻し温度保持時間と硬度との関係を示す図である。この例では、焼き入れ温度８６５℃、焼き戻し温度２００℃である。図示のように、焼き戻し温度での保持時間が長くなると硬度は増大していく傾向にあり、保持時間１０時間以上で、目的硬度６０以上が得られている。焼き戻し温度で長時間保持するほど、完全ベイナイト化され、硬度の低い残留オーステナイトも少なくなる。保持時間２４時間で硬度は６２に達している。

これらの硬度測定結果から、ロックウェル硬度６０以上を得るためには、焼き入れ温度は組織がオーステナイト化する温度である８５０℃以上、焼き戻し温度１７０℃〜２１０℃、焼き戻し温度での保持時間は１０〜２４時間とした。なお、焼き入れ温度は、高すぎると結晶粒子が過大となるので、８９０℃を上限とするのがよい。また、焼き戻し温度が低すぎると急冷され、結晶粒子が大きいままとなるので、硬度６０以上が確保されている１７０℃を下限とした。

図１２〜図１４に示す硬度測定結果に基づき、プレート材料を焼き入れ温度８９０℃、８６５℃、焼き戻し温度２１０℃、焼き入れ温度保持時間２４時間でオーステンパリング処理したプレート材料の引張試験を行った。比較のため従来使用材料（ＳＣＭ４３５）の引張試験結果も合わせて示す。図１５は、引張験結果を示す図であり、図１６は応力歪み線図である。

図１５，図１６に示すように、引張強さは、従来材料と比べて（ＳＣＭ比）１３２〜１５３％であり、硬度は、従来材料が４８．５であるのに対して６０以上である。高強度化、高硬度化に伴い、延びも小さくなり、駆動ローラチェーンに適した性能になっている。

高炭素クロム軸受鋼を上記熱処理条件でオーステンパ処理を行ったプレート材料は、駆動ローラチェーンに必要な高強度、高硬度、低伸びの各性能を併せ持つ好適な材料であり、これらの性能により、上記形状最適化によって決定されたリンクプレートを、さらに厚さを薄くするなどしてより軽量化することができる。
このように本実施形態によれば、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）を使用し、これをオーステンパリング処理することにより、組織をベイナイト化・炭化物微細粒化することで、耐遅れ破壊性を確保可能な限界水素量を増大できる。

なお、本実施形態では、一例として図１１に示す成分の材料を選択しているが、本発明は、この材料に限定されず、炭素を０．８５％以上含む過共析鋼であって、耐遅れ破壊特性を確保するためＰ（リン）やＳ（硫黄）を極力低減したものであればよい。一般的に高温焼き戻しにより残留オーステナイトが多くなり硬度が低下することから、ＰやＳを低減することにより、残留オーステナイト粒界の強化を図ることができるからである。例えば、ＰやＳの低い工具用炭素鋼を上記熱処理条件でオーステンパリング処理してもよい。

本発明の一実施形態に係る駆動用ローラチェーンを構成する内リンクプレートの正面図である。 本発明の一実施形態に係る駆動用ローラチェーンを構成する外リンクプレートの正面図である。 本発明の一実施形態に係る駆動用ローラチェーンの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る駆動用ローラチェーンの上面図である。 外リンクプレートの形状決定手順のフローチャートである。 位相最適化対象としてのローラチェーンモデルに係る歪みエネルギーのメッシュデータを示す図である。 形状のトポロジーを示す図である。 形状最適化されて制御点が移動した結果のメッシュデータを示す図である。 従来の外プレートのミーゼス応力を示す図である。 本実施形態の手順で決定された外プレートのミーゼス応力を示す図である。 外プレートおよび内プレートの材料の一例である高炭素クロム軸受鋼の成分の一例を示す図である。 焼き入れ温度と硬度との関係を示す図である。 焼き戻し温度と硬度との関係を示す図である。 焼き戻し温度保持時間と硬度との関係を示す図である。 引張試験結果を示す図である。 引張り試験結果に基づく応力歪み線図である。

符号の説明

１…駆動用ローラチェーン、 ２…内リンク、 ３…外リンク、 ４…内プレート、 ５…ブッシュ孔、 ６…ブッシュ、 ７…外プレート、 ８…ピン孔、 ９…リンクピン、 １０…内窓、 １１…外窓、

Claims (5)

1. 過共析組成を有する炭素鋼からなるリンクプレートを備え、
   前記リンクプレートがオーステンパ処理されていることを特徴とする駆動用ローラチェーン。
2. 前記炭素鋼が、高炭素クロム軸受鋼であることを特徴とする請求項１記載の駆動用ローラチェーン。
3. 前記オーステンパリング処理が、前記リンクプレートをオーステナイト化温度以上の焼き入れ温度に加熱し、１７０℃〜２１０℃の高温冷却媒体で予定時間保持する処理であることを特徴とする請求項１または２記載の駆動用ローラチェーン。
4. 前記高温冷却媒体での保持時間が、１０〜２４時間であることを特徴とする請求項３記載の駆動用ローラチェーン。
5. 前記リンクプレートが、一対のリンクピン孔を有する外リンクプレートと、一対のブッシュ孔を有する内リンクプレートとからなり、前記内リンクプレートのブッシュ孔に両端が嵌合されたブッシュと該ブッシュに挿通され両端が前記リンクピン孔に嵌合されたリンクピンとで前記外リンクプレートおよび内リンクプレートを互いに連結してなる駆動用ローラチェーンにおいて、
   前記外リンクプレートが、前記１対のリンクピン孔の間に形成された外窓を有し、
   前記内リンクプレートが、前記１対のブッシュ孔の間に形成された内窓を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の駆動用ローラチェーン。

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