JP2017067152A - ベルトテンショナ - Google Patents

Abstract

【課題】伝動ベルトの長短にかかわらずセット張力をほぼ一定に保つ。
【解決手段】ベルトテンショナ（１０）は、プーリ（１０１）の回転軸回りに回動自在にされた第１アーム（１１）と、第１アーム（１１）の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム（１１）の第１端部（１１２）に連結された第２アーム（１２）と、第１アーム（１１）の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム（１１）の第２端部（１１３）に軸支された第１テンションローラ（１３）と、第１アーム（１１）の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第２アーム（１２）の、反第１アーム側である第１端部（１２２）に軸支された第２テンションローラ（１４）と、両端（１５１，１５２）が第１アーム（１１）の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム（１１）の第３端部（１１４）および第２アーム（１２）の第２端部（１２３）にそれぞれ連結された圧縮バネユニット（１５）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベルトテンショナに関し、特に、プーリに巻き掛けられた伝動ベルトをプーリの回転上流側と回転下流側の両側から２つのテンションローラで加圧するベルトテンショナに関する。

一般に、複数の気筒を備えた内燃機関において気筒列方向の前端部に補機駆動装置が設置されている。補機駆動装置は、内燃機関のクランクシャフトの先端に装着されたクランクシャフトプーリと各種エンジン補機の駆動用プーリとの間に伝動ベルトを巻き掛けてなる。各種エンジン補機には、クランクシャフトプーリによって循環駆動される伝動ベルトにより動力が伝達される。このような補機駆動装置において、伝動ベルトの伸びや摩耗さらには製造ばらつきによる長短によらずセット張力（エンジン組み付け時点でベルトに発生する張力）を一定に保つために、通常、伝動ベルトの緩み側スパンにオートテンショナ（ベルトテンショナ）が設置される。

エンジン補機の一つであるオルタネータ（スタータ兼発電機）は、内燃機関の動作時には伝動ベルトにより動力が伝達されて発電機として動作するが、エンジン始動時には伝動ベルトを循環駆動して内燃機関を始動させるスタータ（モータ）として動作する。したがって、オルタネータの駆動用プーリの回転上流側と回転下流側で伝動ベルトの緩み側と張り側が切り替わる。このため、特にオルタネータの駆動用プーリには、円弧状のテンションバネの両端に設けられた２つのテンションローラでプーリの回転上流側と回転下流側の両側から伝動ベルトを挟み込んで伝動ベルトを加圧するベルトテンショナが設けられることがある（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−２８７７７６号公報

特許文献１に開示されたタイプの従来のベルトテンショナでは、伝動ベルト長がノミナル値（設計値）よりも多少長くても伝動ベルトが緩まないようにテンションバネのバネ定数が設定される。このため、ノミナル値どおりに製造された伝動ベルトを基準として、ベルト長が短ければ伝動ベルトが張り気味になってテンションバネが押し広げられる。この結果、テンションバネが大きなバネ力で伝動ベルトを加圧することとなり、伝動ベルトのテンションは大きくなる。一方、ベルト長が長ければ伝動ベルトが緩み気味になってテンションバネの押し広げ量が減ることでテンションバネのバネ力が弱まり、伝動ベルトのテンションは小さくなる。このように、従来のベルトテンショナでは、ベルト長によってセット張力がばらついてしまう。特に、セット張力が大きくなるとベルト駆動トルクが大きくなってエンジンの機械抵抗が大きくなるという問題がある。

上記問題に鑑み、本発明は、伝動ベルトの長短にかかわらずセット張力をほぼ一定に保つことができるベルトテンショナを提供することを目的とする。

本発明の一局面に従ったベルトテンショナは、プーリに巻き掛けられた伝動ベルトの外周面をプーリの回転上流側と回転下流側の両側から２つのテンションローラで加圧するベルトテンショナであって、プーリの回転軸回りに回動自在にされた第１アームと、第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アームの第１端部に連結された第２アームと、第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アームの第２端部に軸支された第１テンションローラと、第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に第２アームの、反第１アーム側である第１端部に軸支された第２テンションローラと、両端が第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アームの第３端部および第２アームの第２端部にそれぞれ連結された圧縮バネユニットとを備えたものである。

これによると、伝動ベルトが短いほど圧縮バネユニットの縮みが大きくなって圧縮バネ力が強くなるが圧縮バネ力が第２アームに作用する角度が浅くなり、伝動ベルトが長いほど圧縮バネユニットの縮みが小さくなって圧縮バネ力が弱くなるが圧縮バネ力が第２アームに作用する角度が深くなる。したがって、伝動ベルトの長短にかかわらず第２テンションローラが伝動ベルトを押しつける力はほぼ一定となり、伝動ベルトのテンションがほぼ一定に保たれる。

上記のベルトテンショナにおいて、圧縮バネユニットは圧縮バネとしてのつる巻きバネを有していてもよい。

これによると、バネ定数を比較的大きく設定することができ、伝動ベルトが組み付けられる補機駆動装置の固有振動数を内燃機関の起振周波数から外しやすくなり、共振を抑制することができる。

また、上記のベルトテンショナにおいて、プーリは、例えば、複数の補機を伝動ベルトで駆動する補機駆動装置において最もイナーシャが大きい補機を駆動するプーリである。

これによると、イナーシャが大きい、すなわち、角速度変動の大きい部位にベルトテンショナが配置されることで、より大きな駆動ロス低減効果を得ることができる。

本発明によると、伝動ベルトの長短にかかわらずセット張力をほぼ一定に保つことができる。

本発明の一実施形態に係るベルトテンショナを組み付けた補機駆動装置の平面図 ベルトテンショナの平面図 ベルトテンショナの平面断面図 ベルトテンショナの分解図 図１のＶ−Ｖ断面図 ベルトテンショナの動作原理を説明する図 ベルト長さとベルトテンションとの関係を表すグラフ

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者らは、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、厚み、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。

図１は、本発明の一実施形態に係るベルトテンショナを組み付けた補機駆動装置の平面図である。補機駆動装置１００において、オルタネータ駆動プーリ１０１は、図略のオルタネータの回転軸の先端に装着されたプーリである。クランクシャフトプーリ１０２は、図略の内燃機関のクランクシャフトの先端に装着されたプーリであり、その直径はオルタネータ駆動プーリ１０１の直径よりも十分に大きい。エアコン駆動プーリ１０３は、図略のエアコンコンプレッサの回転軸の先端に装着されたプーリであり、その直径はオルタネータ駆動プーリ１０１の直径よりも十分に大きい。補機駆動装置１００は、これらプーリ１０１〜１０３に伝動ベルト１０４が巻き掛けて構成される。

伝動ベルト１０４は、アラミド繊維などを用いた心線をキャンバスと水素添加ニトリルゴムなどの防水ゴムで被覆して形成されたＶベルトやコグドベルトなどである。このような伝動ベルト１０４は、軽量で屈曲変形や摩耗や伸びが少なく、また、プーリ径の許容量が小さいためオルタネータ駆動プーリ１０１などの比較的小径のプーリに使用可能であるといった特徴を有する。

図略の内燃機関が動作しているときにはクランクシャフトプーリ１０２が駆動プーリとなって伝動ベルト１０４を所定方向に循環させて、従動プーリとしてのオルタネータ駆動プーリ１０１およびエアコン駆動プーリ１０３に動力を伝達する。これにより、図略のオルタネータが発電機として動作して発電を行う。一方、エンジン始動時には図略のオルタネータがスタータ（モータ）として動作し、オルタネータ駆動プーリ１０１が駆動プーリとなって伝動ベルト１０４を所定方向に循環させて、従動プーリとしてのクランクシャフトプーリ１０２に動力を伝達する。これにより、図略の内燃機関が始動する。

補機駆動装置１００において、ベルトテンショナ１０がオルタネータ駆動プーリ１０１に取り付けられている。より詳細には、ベルトテンショナ１０は、図略のオルタネータ本体またはエンジンに固着された取り付けプレート２０に取り付けられている。ベルトテンショナ１０は、オルタネータ駆動プーリ１０１に巻き掛けられた伝動ベルト１０４の外周面を、オルタネータ駆動プーリ１０１の回転上流側と回転下流側の両側から２つのテンションローラで加圧するベルトテンショナである。ベルトテンショナ１０を設けることにより、セット張力がほぼ一定に保たれる。

上記のように、オルタネータ駆動プーリ１０１は状況に応じて従動プーリまたは駆動プーリとして切り替わる。オルタネータ駆動プーリ１０１が従動プーリとして動作するとき、オルタネータ駆動プーリ１０１の回転上流側では伝動ベルト１０４は緩み気味になり、回転下流側では伝動ベルト１０４は張り気味になる。一方、オルタネータ駆動プーリ１０１が駆動プーリとして動作するとき、オルタネータ駆動プーリ１０１の回転上流側では伝動ベルト１０４は張り気味になり、回転下流側では伝動ベルト１０４は緩み気味になる。このように、オルタネータ駆動プーリ１０１の回転上流側および回転下流側において、伝動ベルト１０４の張り側と緩み側が切り替わる。また、オルタネータ駆動プーリ１０１は他のプーリ１０２、１０３よりも直径が小さい分、イナーシャも大きい。ベルトテンショナ１０は、そのようなプーリ（オルタネータ駆動プーリ１０１）に取り付けられる。このように、イナーシャが大きい、すなわち、角速度変動の大きい部位にベルトテンショナ１０を配置することで、より大きな駆動ロス低減効果を得ることができる。

次に、図面を参照してベルトテンショナ１０の構成について詳細に説明する。図２は、ベルトテンショナ１０の平面図である。図３は、ベルトテンショナ１０の平面断面図である。図４は、ベルトテンショナ１０の分解図である。図５は、図１のＶ−Ｖ断面図である。

ベルトテンショナ１０は、第１アーム１１、第２アーム１２、第１テンションローラ１３、第２テンションローラ１４、および圧縮バネユニット１５からなる。

第１アーム１１は、中央部１１１が大きく円形に開口した概して平坦な略三角形状の部材である。取り付けプレート２０もまた、中央部が大きく円形に開口した概して平坦な略三角形状の部材である。図５に示すように、第１アーム１１の中央部１１１の円形開口の周りに平面視円形のフランジ１１０が形成されている。また、取り付けプレート２０の中央部の円形開口の周りにもオルタネータ１０５の回転軸１０６を取り囲むように平面視円形のフランジ２００が形成されている。フランジ２００の直径よりもフランジ１１０の直径の方がわずかに大きく、フランジ１１０とフランジ２００とは嵌合するようになっている。フランジ２００の外周面とフランジ１１０の内周面との間に軸受け３０が設けられる。軸受け３０として、例えば、スリーブベアリングや樹脂ブッシュなどを用いることができる。すなわち、第１アーム１１は、取り付けプレート２０に軸支されてオルタネータ駆動プーリ１０１の回転軸１０６回りに回動自在になっている。

なお、第１アーム１１の回動軸とオルタネータ駆動プーリ１０１の回転軸１０６とを正確に一致させなくてもよい。第１アーム１１は、オルタネータ駆動プーリ１０１の回転軸１０６と平行な軸回りに回動自在であればよい。

第２アーム１２は、略棒状の部材である。第２アーム１２は、第１アーム１１の回動軸、すなわち、オルタネータ１０５の回転軸１０６（図５参照）と平行な軸回りに回動自在に第１アーム１１の第１端部１１２に連結されている。

具体的には、第１アーム１１の第１端部１１１を突出軸として形成するとともに第２アーム１２の中央部１２１を軸受孔として形成する、あるいは、第１アーム１１の第１端部１１１を軸受孔として形成するとともに第２アーム１２の中央部１２１を突出軸として形成することで、第２アーム１２を第１アーム１１の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム１１の第１端部１１２に連結することができる。あるいは、第１アーム１１の第１端部１１１および第２アーム１２の中央部１２１をいずれも軸受孔として形成して図略のビスを両軸受孔に挿通させることで、第２アーム１２を第１アーム１１の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム１１の第１端部１１２に連結することができる。

なお、第１アーム１１、第２アーム１２、取り付けプレート２０は、例えば、アルミダイキャストで形成することができる。

第１アーム１１の第２端部１１３において、第１テンションローラ１３が、第１アーム１１の回動軸、すなわち、オルタネータ１０５の回転軸１０６（図５参照）と平行な軸回りに回動自在に軸支されている。また、第２アーム１２の反第１アーム１１側の第１端部１２２において、第２テンションローラ１４が、第１アーム１１の回動軸、すなわち、オルタネータ１０５の回転軸１０６（図５参照）と平行な軸回りに回動自在に軸支されている。

具体的には、第１アーム１１の第２端部１１３および第２アーム１２の第１端部１２２をいずれも突出軸として形成して、これら突出軸を第１テンションローラ１３および第２テンションローラ１４の軸受孔に挿通させることで、第１テンションローラ１３および第２テンションローラ１４を第１アーム１１の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム１１の第２端部１１３および第２アーム１２の第１端部１２２にそれぞれ軸支させることができる。

第１テンションローラ１３および第２テンションローラ１４の本体は金属製（例えば、ボールベアリング）であり、外周は樹脂で覆われている。第１テンションローラ１３および第２テンションローラ１４は、オルタネータ駆動プーリ１０１の回転上流側および回転下流側の両側において、その外周で伝動ベルト１０４を押さえつけるように伝動ベルト１０４の表面に当接して、循環駆動される伝動ベルト１０４のテンションをほぼ一定に保つ。

圧縮バネユニット１５は、伸縮自在の略棒状の部材である。圧縮バネユニット１５の第１端部１５１は、第１アーム１１の回動軸、すなわち、オルタネータ１０５の回転軸１０６（図５参照）と平行な軸回りに回動自在に第１アーム１１の第３端部１１４に連結されている。また、圧縮バネユニット１５の第２端部１５２は、第１アーム１１の回動軸、すなわち、オルタネータ１０５の回転軸１０６（図５参照）と平行な軸回りに回動自在に第２アーム１１の第２端部１２３に連結されている。

具体的には、第１アーム１１の第３端部１１４を突出軸として形成するとともに圧縮バネユニット１５の第１端部１５１を軸受孔として形成する、あるいは、第１アーム１１の第３端部１１４を軸受孔として形成するとともに圧縮バネユニット１５の第１端部１５１を突出軸として形成することで、圧縮バネユニット１５の第１端部１５１を第１アーム１１の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム１１の第３端部１１４に連結することができる。あるいは、第１アーム１１の第３端部１１４および圧縮バネユニット１５の第１端部１５１をいずれも軸受孔として形成して図略のビスを両軸受孔に挿通させることで、圧縮バネユニット１５の第１端部１５１を第１アーム１１の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第１アーム１１の第３端部１１４に連結することができる。

同様に、第２アーム１２の第２端部１２３を突出軸として形成するとともに圧縮バネユニット１５の第２端部１５２を軸受孔として形成する、あるいは、第２アーム１２の第２端部１２３を軸受孔として形成するとともに圧縮バネユニット１５の第２端部１５２を突出軸として形成することで、圧縮バネユニット１５の第２端部１５２を第２アーム１１の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第２アーム１２の第２端部１２３に連結することができる。あるいは、第２アーム１２の第２端部１２３および圧縮バネユニット１５の第２端部１５２をいずれも軸受孔として形成して図略のビスを両軸受孔に挿通させることで、圧縮バネユニット１５の第２端部１５２を第１アーム１１の回動軸と平行な軸回りに回動自在に第２アーム１２の第２端部１２３に連結することができる。

図３に示すように、圧縮バネユニット１５は、圧縮バネとしてのつる巻きバネ１５０を有する。すなわち、圧縮バネユニット１５は全長方向に押し縮められるとそれを押し返すようなバネ力が働く。このような圧縮バネユニット１５の両端が第１アーム１１の第３端部１１４および第２アーム１２の第２端部１２３に連結され、さらに、第２アーム１２が第１アーム１１の第１端部１１２に回動自在に連結されていることにより、第１テンションローラ１３および第２テンションローラ１４は、第１アーム１１の第１端部１１２を軸にしてオルタネータ駆動プーリ１０１の回転上流側および回転下流側の両側から伝動ベルト１０４を挟み込むように付勢される。

なお、圧縮バネとして板バネを用いることも可能だが、バネ定数を大きく設定できる点でつる巻きバネの方が好ましい。バネ定数が大きく設定できると、図略の内燃機関の常用域で発生する爆発力を起因とする起振周波数から補機駆動装置１００の固有振動数を外しやすくなり、共振を抑制することができる。

次に、図６を参照しながらベルトテンショナ１０の動作原理について説明する。なお、説明の便宜のため、図６において、ベルトテンショナ１０の各部材を簡略化して（例えば、第２アーム１２は線分として）描いている。

第２アーム１２は、中央部１２１を支点、第２端部１２３を力点、第１端部１２２を作用点とする「第１種てこ」として動作する。力点としての第２端部１２３には圧縮バネユニット１５による圧縮バネ力が働く。そして、作用点としての第１端部１２２に働く力が、第２テンションローラ１４を伝動ベルト１０４に押しつける力となる。

伝動ベルト１０４の長さがノミナル値よりも長い場合、伝動ベルト１０４は第２テンションローラ１４によって深く押し込まれる。一方、伝動ベルト１０４の長さがノミナル値よりも短い場合、第２テンションローラ１４による伝動ベルト１０４の押し込みは浅くなる。

一方、第２アーム１２の中間部１２１および圧縮バネユニット１５の第１端部１５１は、伸縮方向の両端がそれぞれ、第１アーム１１の第２端部１１２および第３端部１１４に連結されていることから、第２アーム１２の中間部１２１と圧縮バネユニット１５の第１端部１５１との相対的な位置関係は変化しない。このため、伝動ベルト１０４の長さがノミナル値よりも長い場合、第２アーム１２の第２端部１２３と圧縮バネユニット１５の第１端部１５１との距離、すなわち、圧縮バネユニット１５の全長は長くなって圧縮バネ力は弱くなる。一方、伝動ベルト１０４の長さがノミナル値よりも短い場合、圧縮バネユニット１５の全長は短くなる、すなわち、圧縮バネユニット１５が押し縮められることで、圧縮バネ力は強くなる。

ここで、第２アーム１２の第２端部１２３に圧縮バネユニット１５の延長方向に働く力をＦとし、圧縮バネ力が第２アーム１２の第２端部１２３に作用する角度をθとし、中間部１２１から第２端部１２３までの距離を単位長「１」とする。このとき、第２アーム１２に生じるモーメントＭは、
Ｍ＝Ｆ・ｓｉｎθ
で表される。

伝動ベルト１０４がノミナル値よりも長い場合と短い場合とを比較すると、力Ｆは、伝動ベルト１０４が長い方が小さく、伝動ベルト１０４が短い方が大きい。一方、角度θの正弦（ｓｉｎθ）は、力Ｆとは逆に、伝動ベルト１０４が長い方が大きく、伝動ベルト１０４が短い方が小さい。したがって、Ｆとｓｉｎθの積で表されるモーメントＭは、伝動ベルト１０４の長短にかかわらずほぼ一定に保たれる。

図７は、ベルト長さとベルトテンションとの関係を表すグラフである。従来のベルトテンショナでは、伝動ベルト１０４のテンションは、伝動ベルト１０４がノミナル値よりも短い場合には大きくなり、ノミナル値よりも長い場合には小さくなる。一方、本実施形態に係るベルトテンショナ１０によると、伝動ベルト１０４がノミナル値に対して若干短くまたは長くなっても、伝動ベルト１０４のテンションはほぼ一定に保たれる。

以上のように、本実施形態によると、ノミナル値よりも長く製造された伝動ベルト１０４が長期使用で伸びて伝動ベルト１０４の長さが変わってもセット張力を初期値のまま維持することができる。さらに、伝動ベルト１０４の張り側から吸収したエネルギーを圧縮バネユニット１５を介して伝動ベルト１０４の緩み側の付勢力として利用できるため、タイミングベルトシステムの駆動ロスを低減することができる。

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

１０ ベルトテンショナ
１１ 第１アーム
１１２ 第１端部（第１アームの第１端部）
１１３ 第２端部（第１アームの第２端部）
１１４ 第３端部
１２ 第２アーム
１２２ 第１端部（第２アームの第１端部）
１２３ 第２端部（第２アームの第２端部）
１３ 第１テンションローラ
１４ 第２テンションローラ
１５ 圧縮バネユニット
１５０ つる巻きバネ
１００ 補機駆動装置
１０１ オルタネータ駆動プーリ（プーリ）
１０４ 伝動ベルト

Claims (3)

1. プーリに巻き掛けられた伝動ベルトの外周面を前記プーリの回転上流側と回転下流側の両側から２つのテンションローラで加圧するベルトテンショナであって、
   前記プーリの回転軸回りに回動自在にされた第１アームと、
   前記第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に前記第１アームの第１端部に連結された第２アームと、
   前記第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に前記第１アームの第２端部に軸支された第１テンションローラと、
   前記第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に前記第２アームの、反第１アーム側である第１端部に軸支された第２テンションローラと、
   両端が前記第１アームの回動軸と平行な軸回りに回動自在に前記第１アームの第３端部および前記第２アームの第２端部にそれぞれ連結された圧縮バネユニットとを備えたベルトテンショナ。
2. 前記圧縮バネユニットは圧縮バネとしてのつる巻きバネを有する、請求項１に記載のベルトテンショナ。
3. 前記プーリは、複数の補機を前記伝動ベルトで駆動する補機駆動装置において最もイナーシャが大きい補機を駆動するプーリである、請求項１または請求項２に記載のベルトテンショナ。

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