JP2019183958A - チェーン用スプロケットおよびエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦損失を低減することができるチェーン用スプロケットを提供する。【解決手段】回転軸に取付けられるとともに、ローラチェーン又はブシュチェーンが噛み合うようにチェーン用スプロケット９の周方向に配設された複数の歯１１，１２を備えるチェーン用スプロケット９において、複数の歯１１，１２は、それぞれ、回転方向一方側に配置される第一側面１１ｃ、１２ｃと、回転方向他方側に配置される第二側面１１ｂ，１２ｂと、を有し、第一側面１１ｃ，１２ｃの回転軸方向の幅が第二側面１１ｂ，１２ｂの回転軸方向の幅よりも狭くなるように、第一側面１１ｃ，１２ｃにおける両側縁部の少なくとも一方には面取りされたカット部２１，２２，２３，２４が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、チェーン用スプロケットに関し、より特定的には、チェーンに噛み合って動力を伝達するチェーン用スプロケット、およびそのスプロケットを備えたエンジンに関するものである。

車載用エンジンに用いられる従来のスプロケットは、たとえば特開平１１−３３６８７９号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１には、スプロケットの外周に複数の歯が形成されるとともに、各歯の底面である歯底面に歯すじ方向に沿ってその中央部を頂きとする曲面が形成されたスプロケットが開示されている。このような構成のスプロケットにおいては、スプロケットの装着される支軸が撓むような場合であっても、スプロケットの歯底面の端縁からローラチェーンのローラに対して押し上げる力等は加わらず、ローラチェーンのローラはスプロケットの歯底面に対し、均等に面圧がかかった状態で摺接されるようになる。このため、ローラチェーンのローラとスプロケットの歯底面との間の面圧が均等に維持され、それらスプロケット及びローラチェーン間のフリクションが低減される。

特開平１１−３３６８７９号公報

ところで、車載用エンジンにおいては、一般的に、クランクシャフトの回転力を用いてカムシャフトを回転させ、カムシャフトに取付けられたカムにより吸気および排気バルブを駆動させる方法が採用されている。この構造では、クランクシャフトに取り付けられたチェーン用スプロケット及びカムシャフトに取り付けられたチェーン用スプロケットにタイミングチェーンが噛み合うように、両チェーン用スプロケットにタイミングチェーンが掛けられる。そして、クランクシャフトの回転は、クランクシャフトのチェーン用スプロケットから、タイミングチェーン、およびカムシャフトのチェーン用スプロケットを介してカムシャフトへ伝達される。

上記のようにタイミングチェーンがチェーン用スプロケットに噛み合うことでクランクシャフトから動力が伝達されるが、タイミングチェーンがチェーン用スプロケットに噛み合う時には両部材が摩擦摺動するため摩擦損失が発生する。エンジンの燃費向上のためには、このタイミングチェーンがチェーン用スプロケットに噛みあう際の摩擦損失を低減する必要がある。

そこで、この発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、チェーンとの噛み合い時の摩擦損失を低減することが可能なチェーン用スプロケット、およびそのチェーン用スプロケットを備えたエンジンを提供することを目的とするものである。

本発明者は、チェーン用スプロケットの歯とチェーンとが噛み合う過程における摩擦損失を低減するために鋭意検討を行った。一方向に動力を伝達するチェーン用スプロケットとチェーンとの組み合わせ（逆回転しないチェーン用スプロケットとチェーンとの組み合わせ）においては、チェーン用スプロケットの歯の特定部分にチェーンとの間の最大の押しつけ力が加わるため、この部分では歯の軸方向幅を大きくする必要がある。しかしながら、他の部分でも歯の軸方向幅を大きくすると、歯とチェーンとの接触面積が大きくなるため、歯とチェーンが接触する際の摩擦損失が大きくなる。また、スプロケットの各歯における特定部分以外の部分では、押し付け力が特定部分よりも小さくなるため、歯の軸方向幅を特定部分ほど大きくする必要はない。そのため、スプロケットの歯において、チェーンとの間での押しつけ力が小さい部分では歯の軸方向幅を小さくすることでチェーンと歯との接触を抑制して、摩擦損失を低減できることを見出した。そして、たとえばチェーン用スプロケットを車載用エンジンで用いた場合には、チェーンとスプロケットの摩擦損失を低減することで燃費の向上を図ることができる。

このような知見によりなされたこの発明に従ったチェーン用スプロケットは、回転軸に取付けられるとともに、ローラチェーン又はブシュチェーンが噛み合うようにチェーン用スプロケット周方向に配設された複数の歯を備えるチェーン用スプロケットにおいて、複数の歯は、それぞれ、回転方向一方側に配置される第一側面と、回転方向他方側に配置される第二側面と、を有し、第一側面の回転軸方向の幅が第二側面の回転軸方向の幅よりも狭くなるように、第一側面における両側縁部の少なくとも一方には面取りされたカット部が設けられている。

このように構成されたチェーン用スプロケットにおいては、チェーンとの押しつけ力が最大となる部分を第二側面とすることで、回転軸方向の幅が広い第二側面において最大の押しつけ力を受けることができる。これに対して、第一側面の回転軸方向の幅が小さいため、第一側面とチェーンとの間の摩擦損失を低減することができる。第一側面の回転軸方向の幅は小さいが、第一側面にはチェーンとの間の最大押しつけ力が加わらないようにすることで、信頼性を確保して動力を確実に伝達することができる。さらに、第一の側面の回転軸方向の幅を小さくすることで、第一の側面の回転軸方向の幅を小さくしない場合と比較してチェーン用スプロケットを軽量化することができる。特に外周部分に位置する歯を軽量化することで、チェーン用スプロケットの回転軸まわりの慣性モーメントを小さくすることができる。その結果、このチェーン用スプロケットをたとえばエンジンに用いるとチェーン用スプロケットを回転させるためのエネルギーを小さくすることができ燃費を向上させることができる。

好ましくは、複数の歯の第一側面はローラチェーンのローラ又はブシュチェーンのブシュと接触する面であり、ローラ又はブシュとの押しつけ力に応じて第一側面の回転軸方向の幅が設定されており、ローラ又はブシュとの押しつけ力が小さい部分の幅がローラ又はブシュとの押しつけ力が大きい部分の幅よりも狭くなるようにカット部が設けられている。この場合、ローラ又はブシュとの押しつけ力に対して必要十分な第一側面の回転軸方向の幅を確保することができ、第一側面を最大限に軽量化することができる。

好ましくは、駆動軸及び従動軸に取付けられた上記のチェーン用スプロケットと、駆動軸のチェーン用スプロケット及び従動軸のチェーン用スプロケットの両方に噛み合うように巻き掛けられたローラチェーン又はブシュチェーンからなるタイミングチェーンとを備える。

この場合、チェーン用スプロケットとタイミングチェーンとの摩擦損失を低減することができるため、燃焼により生じたエネルギーを損失させることなく多くのエネルギーを走行のために用いることができるため、燃費に優れたエンジンを提供することができる。

この発明に従えば、チェーンとの摩擦損失を低減することができるチェーン用スプロケットを提供することができる。

さらに燃費が優れたエンジンを提供することができる。

実施の形態１に従ったチェーン用スプロケットと、そのチェーン用スプロケットに噛み合うチェーンとを示す正面図である。 図１中のＩＩで囲んだ部分を拡大して示すことでチェーン用スプロケットとチェーンとの噛み合い部分を示す正面図である。 図２中の矢印ＩＩＩで示す方向から見たチェーン用スプロケットの平面図である。 実施の形態１に従ったチェーン用スプロケットを用いたエンジンの正面図である。 ２つの歯の間で移動するチェーンのローラを示す正面図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 従来の溝内でのローラの位相（横軸）と、ローラと側面との接触部での押しつけ力Ｆ（縦軸）との関係を示すグラフである。 実施の形態２に従ったチェーン用スプロケットの正面図である。 図８中のＩＸで囲んだ部分を拡大して示す正面図である。 図９中の矢印Ｘで示す方向から見たチェーン用スプロケットの平面図である。

以下、各実施形態に係るチェーン用スプロケットについて図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
（構成）
図１は、実施の形態１に従ったチェーン用スプロケットと、そのチェーン用スプロケットに噛み合うチェーンとを示す正面図である。図１で示すように、チェーン用スプロケット９は外周部に位置する歯面１０と、歯面１０より内側に位置するボス部８とを有する。歯面１０にチェーン４が噛み合っている。

チェーン４は内プレート２ａ、外プレート２ｂ、ローラ１を有する。内プレート２ａは対となってローラ１を挟み込む。外プレート２ｂは、対となってローラ１および内プレート２ａを挟み込む。

ローラ１は、内プレート２ａおよび外プレート２ｂによって回転可能に保持されている。より詳しくは、内プレート２ａおよび外プレート２ｂを貫通するようにピン（図示せず）が設けられている。ピンは内プレート２ａおよび外プレート２ｂとともに、チェーン４に加えられる荷重を保持し、かつ、内プレート２ａおよび外プレート２ｂが互いに屈曲するようにこれらを保持する。ピンの外周にローラ１が設けられており、ピンとローラ１との間にはカラーが設けられていてもよく、設けられていなくてもよい。

この実施の形態では、ローラ１は内プレート２ａおよび外プレート２ｂに対して回転する例を示しているが、ローラ１が回転しなくてもよい。ローラ１が回転しない、いわゆるブシュチェーンの場合には、ローラ１を回転させるための機構を省略することができるので、ピンを大型化することができる。その結果、チェーンに加わる荷重を大きくすることができる。

チェーン用スプロケット９がたとえばクランクシャフトに取り付けられると、図１に示すように、チェーン用スプロケット９はクランクシャフトとともに矢印Ｒで示す方向にのみ回転する。この一方向の回転に伴って、歯面１０に噛み合うチェーン４に回転力が付与される。

図２は、図１中のＩＩで囲んだ部分を拡大して示すことでチェーン用スプロケットとチェーンとの噛み合い部分を示す正面図である。図２で示すように、チェーン用スプロケット９の歯面１０は複数の歯１１，１２を有する。歯１１，１２は、回転方向一方側の第一側面１１ｃ，１２ｃと、回転方向他方側の第二側面１２ｂ，１２ｂと、第一側面１１ｃ，１２ｃと第二側面１１ｂ，１２ｂの間の頂面１１ａ，１２ａとを有する。

歯１１と歯１２との間の溝７にローラ１が入り込む。チェーン用スプロケット９が回転するとローラ１が第二側面１１ｂと接触して第二側面１１ｂからローラ１へ回転力が付与される。これにより、チェーン用スプロケット９の回転がチェーン４へ伝達される。

図３は、図２中の矢印ＩＩＩで示す方向から見たチェーン用スプロケットの平面図である。図３で示すように、チェーン用スプロケット９は複数の歯１１，１２を備える。複数の歯１１，１２は、回転方向一方側の第一側面１１ｃ、１２ｃと、回転方向他方側の第二側面１１ｂ、１２ｂと、を有する。第一側面１１ｃ、１２ｃにおける両側縁部の少なくとも一方は面取りされてカット部２１，２２，２３，２４が設けられている。第一側面１１ｃ、１２ｃの回転軸方向（矢印Ｌ）の幅は、第二側面１１ｂ、１２ｂの回転軸方向の幅よりも狭い。

この実施の形態では、第一側面１１ｃ，１２ｃの両側にカット部２１，２２，２３，２４を設けたが、少なくとも一部分にカット部２１，２２，２３，２４が設けられていればよい。たとえば、第一側面１１ｃにカット部２１，２２のいずれか一方が設けられればよい。第一側面１２ｃにカット部２３，２４のいずれか一方が設けられればよい。第一側面１１ｃにカット部２１，２２のいずれか一方が設けられ、第一側面１２ｃにカット部２３，２４が設けられなくてもよい。カット部２１，２２，２３，２４の幅は頂面１１ａ，１２ａから遠ざかるにつれて小さくなっている。

チェーン用スプロケット９がクランクシャフトに取り付けられる場合には、ボス部８にクランクシャフトが挿入される。ボス部８の回転軸方向長さは、他の部分よりも長くなっている。これは、ボス部８にシャフトを挿入し、シャフトから大きな力が加わるからである。

図４は、実施の形態１に従ったチェーン用スプロケットを用いたエンジンの正面図である。図４で示すようにチェーン用スプロケット９は、エンジン１００（４ストロークエンジン）のクランクシャフト１０１に取り付けられる。チェーン用スプロケット９はチェーン４（タイミングチェーン）と噛み合っている。チェーン４は吸気側のカムシャフト１０２に接続されるチェーン用スプロケット１０９および排気側のカムシャフト１０３に接続されるチェーン用スプロケット２０９にも噛み合う。図４ではエンジンの構成要素であるシリンダブロック、シリンダヘッドなどは省略し、３つのチェーン用スプロケット９，１０９，２０９と、それらに巻きかけられるチェーン４のみが図示されている。

クランクシャフトの回転に伴ってチェーン用スプロケット９が回転すると、この回転がチェーン４を介してチェーン用スプロケット１０９，２０９に伝達される。これにより、吸気側および排気側のカムシャフト１０２，１０３が回転する。チェーン用スプロケット９，１０９，２０９のいずれかに、図２および図３で示すカット部２１から２４の少なくとも一つが設けられればよい。

図５は、２つの歯の間で移動するチェーンのローラを示す正面図である。図５で示すように、歯１１と歯１２との間の溝７にローラ１が嵌り合う。チェーン用スプロケット９が駆動軸に取付けられた場合には、チェーン用スプロケット９が駆動してチェーン４を動かすことになる。すなわち、チェーン４のローラ１はチェーン用スプロケット９から矢印Ｒで示す方向の回転力を受けることとなり、チェーン４のローラ１は、チェーン用スプロケット９の１つの歯１２の第一側面１２ｃから回転方向と反対側に隣合う歯１１の第二側面１１ｂへと移動する。また、チェーン用スプロケット９が従動軸に取付けられる場合には、チェーン４がチェーン用スプロケット９を回転させるので、チェーン４のローラ１は、チェーン用スプロケット９の１つの歯１１の第二側面１１ｂから回転方向と反対側に隣り合う歯１２の第一側面１２ｃへと移動する。

図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図６で示すように、カット部２３，２４が存在するため、ローラ１と第一側面１２ｃとの接触面積が小さくなる。カット部２３，２４の断面の輪郭は図６で示すように直線状であってもよく、曲線状であってもよい。

（効果１：摩擦低減による燃費の向上）
図７は、従来の溝内でのローラの位相（横軸）と、ローラと側面との接触部での押しつけ力Ｆ（縦軸）との関係を示すグラフである。従来のスプロケットでは、カット部２１，２２，２３，２４が設けられていないため、歯の幅が一定である。図７で示すように、ローラ１の位相と押しつけ力Ｆとは関連し、位相に応じて押しつけ力Ｆが変化する。押しつけ力Ｆを接触面積Ｓ（接触長さと歯の幅との積）で割ったものが接触面圧Ｐ（＝Ｆ／Ｓ）である。従来のチェーン用スプロケット９では、接触長さおよび歯の幅が一定である。一方の頂面１１ａから他方の頂面１２ａの間の歯面にローラ１が接触する。チェーン用スプロケット９が矢印Ｒで示す方向に回転することでチェーン４に動力を伝達する場合には、ローラ１に最大押しつけ力を与える点が第二側面１１ｂ上に存在する。チェーン用スプロケット９の設計においては、この最大押しつけ力に耐えうる軸方向の幅を有するように歯１１，１２のプロファイルを決定する。従来は第一側面１１ｃ，１２ｃと第二側面１１ｂ，１２ｂの幅がほぼ等しかったため、第一側面１２ｃおよび第二側面１１ｂにおいて矢印ｄ１からｄ４で示す余裕（最大押しつけ力と実際の押しつけ力との差）があった。すなわち押しつけ力が小さい部分においても、必要以上（最大押しつけ力に耐えうるような）の軸方向の幅を歯１１，１２に付与していた。この必要以上の幅が与えられた部分では、ローラ１と歯１１，１２との接触面積が増加していた。チェーン４とチェーン用スプロケット９との摩擦損失が発生する要因としては（１）チェーン４の張力と、（２）ローラ１および歯１１，１２間の接触面積と、がある。ここで、ローラ１と歯１１，１２との接触面積が大きいとローラ１と歯１１，１２とが固体接触する領域が大きくなるので、摩擦損失が増加することとなる。

実施の形態１では、チェーン４のローラ１との押しつけ力が小さくなるチェーン用スプロケット９の周方向に配置された複数の歯１１，１２における第一側面１１ｃ，１２ｃにカット部２１，２２，２３，２４を設けることで、第一側面１１ｃ，１２ｃとローラ１との接触面積を減少させている。その結果、第一側面１１ｃ，１２ｃとローラ１との摩擦損失を低減させることで、エンジンで発生したエネルギーを摩擦で損失させることなく駆動力として用いることができる。その結果、燃費が向上する。

さらに、ローラ１と第一側面１１ｃ，１２ｃとの接触時の押しつけ力に応じて第一側面１１ｃ，１２ｃの回転軸方向の幅が決められる場合には、第一側面１１ｃ、１２ｃの幅を最大限減少させることができるため、摩擦損失を最小限にすることができる。すなわち、ローラ１との押しつけ力が小さい部分の幅がローラ１との押しつけ力が大きい部分の幅よりも狭くなるようにカット部２１，２２，２３，２４が設けられる。

（効果２：軽量化および慣性モーメント低減による燃費の向上）
チェーン用スプロケット９をクランクシャフトまたはカムシャフト等に接続すると、チェーン用スプロケット９はクランクシャフトの回転数またはクランクシャフトの回転数の半分の回転数で回転する。このように高速回転するチェーン用スプロケット９にカット部２１，２２，２３，２４を設けることでチェーン用スプロケット９を回転させるために必要なエネルギーを小さくすることができる。特に、歯１１，１２はチェーン用スプロケット９の外周に位置するため、外周にカット部２１，２２，２３，２４を設けることで、内周側を軽量化した場合と比較して回転軸周りの慣性モーメントを減少させることができる。慣性モーメントは回転半径の二乗に比例するため、外周部にカット部２１，２２，２３，２４を設けて質量を減少させることにより、慣性モーメントを効果的に減少させることができる。その結果、チェーン用スプロケット９を回転させるためのエネルギーを小さくして、多くのエネルギーを駆動力として用いることができる。その結果、燃費が向上する。

（効果３：信頼性の維持）
チェーン用スプロケット９の信頼性は、基本的に接触面圧と曲げ応力で決定される。接触面圧は、チェーン用スプロケット９の歯１１，１２の各部位の材質が同じであると仮定すると押しつけ力と回転軸方向の幅（厚み）で決定される。幅が大きい場合には接触面積が大きくなるので、接触面圧を低下させることができる。このため、この実施形態では、最大接触面圧がかかる側の面である第二側面１１ｂ，１２ｂの特定部分にはカット部２１，２２，２３，２４を設けることがない。具体的には、図７において、第二側面１１ｂで押しつけ力Ｆが最も大きい部分にはカット部２１，２２，２３，２４を設けない。このため、押しつけ力Ｆが最も大きい部分において接触面圧が増加することなく、チェーン用スプロケット９の信頼性が悪化するという問題は発生しない。これに対して、図７において押しつけ力が最大の部分以外では、最大押しつけ力と実際の押しつけ力との差に応じた幅のカット部２１，２２，２３，２４を設ける。なお、カット部２１，２２，２３，２４が設けられる第一側面１１ｃ、１２ｃにおいても、接触面圧が曲げ応力限界よりも小さくなるように、カット部２１，２２，２３，２４の幅が調整される。

なお、これらの効果１から３は、チェーン用スプロケット９がチェーン４を駆動する場合のみならず、チェーン４がチェーン用スプロケット９を駆動する場合でも奏することできる。チェーン４がチェーン用スプロケット９を駆動する場合にはチェーン用スプロケット９が矢印Ｒで示す方向に回転するとすれば、図２の歯１１，１２の左側の面において最大接触面圧の点が存在することとなるため、各歯１１，１２の左側が第二側面１１ｂ、１２ｂとなり、右側が第一側面１１ｃ，１２ｃとなり、第一側面１１ｃ，１２ｃにカット部２１から２４の少なくとも一つが設けられる。

（実施の形態２）
図８は、実施の形態２に従ったチェーン用スプロケットの正面図である。図９は、図８中のＩＸで囲んだ部分を拡大して示す正面図である。図８および図９で示すように、チェーン用スプロケット９は矢印ＲＲで示す方向に回転する。歯の数が多いチェーン用スプロケット９において、カット部２２，２４を設けてもよい。チェーン用スプロケット９は、たとえばカムシャフトに取り付けられる。

カムシャフトは従動軸であり、チェーン用スプロケット９により回転させられる。チェーン４のローラ１が歯１１，１２に回転力を与えることで、チェーン用スプロケット９が矢印ＲＲで示す方向に回転する。チェーン４のローラ１は、チェーン用スプロケット９に係合してから係合が解除されるまでの間において、溝７内を移動し、ローラ１からチェーン用スプロケット９へ回転力が付与されている間は、ローラ１は第二側面１１ｂに接触している。

図１０は、図９中の矢印Ｘで示す方向から見たチェーン用スプロケットの平面図である。実施の形態２のチェーン用スプロケット９ではカット部２１，２２の幅がほぼ一定である。なお、チェーン用スプロケット９の歯数が多くなると図１０のようなカット部２１，２２の形状にする必要はなく、歯数の多いチェーン用スプロケット９であっても、実施の形態１のカット部２１，２２と同様の形状としてもよい。

チェーン用スプロケット９がカムシャフトに取り付けられる場合には、動力の伝達経路が実施の形態１と異なる。カムシャフトはそれ自身で駆動せず、チェーン４がカムシャフトを駆動させる。そのため、回転力はチェーン４のローラ１からチェーン用スプロケット９の歯１１，１２へ伝達される。

なお、チェーン用スプロケット９は、エンジン内で用いられる場合には、たとえばバランサを回転させるためのチェーン用スプロケット９として用いられていてもよい。さらに、エンジン外でチェーン用スプロケット９が用いられていてもよい。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえばエンジンのチェーン用スプロケットにおいて用いることができる。

１ ローラ、２ａ 内プレート、２ｂ 外プレート、４ チェーン、７ 溝、８ ボス部、９，１０９，２０９ チェーン用スプロケット、１０ 歯面、１１，１２ 歯、１１ａ，１２ａ 頂面、１１ｂ，１２ｂ 第二側面、１１ｃ，１２ｃ 第一側面、２１，２２，２３，２４ カット部、１００ エンジン。

Claims (3)

1. 回転軸に取付けられるとともに、ローラチェーン又はブシュチェーンが噛み合うようにチェーン用スプロケットの周方向に配設された複数の歯を備えるチェーン用スプロケットにおいて、
   前記複数の歯は、それぞれ、回転方向一方側に配置される第一側面と、回転方向他方側に配置される第二側面と、を有し、
   前記第一側面の回転軸方向の幅が前記第二側面の回転軸方向の幅よりも狭くなるように、前記第一側面における両側縁部の少なくとも一方には面取りされたカット部が設けられている、チェーン用スプロケット。
2. 前記複数の歯の前記第一側面は前記ローラチェーンのローラ又は前記ブシュチェーンのブシュと接触する面であり、前記ローラ又はブシュとの押しつけ力に応じて前記第一側面の回転軸方向の幅が設定されており、前記ローラ又はブシュとの押しつけ力が小さい部分の幅が前記ローラ又はブシュとの押しつけ力が大きい部分の幅よりも狭くなるように前記カット部が設けられている、請求項１に記載のチェーン用スプロケット。
3. 駆動軸及び従動軸に取付けられた請求項１または２に記載のチェーン用スプロケットと、
   前記駆動軸のチェーン用スプロケット及び前記従動軸のチェーン用スプロケットの両方に噛み合うように巻き掛けられたローラチェーン又はブシュチェーンからなるタイミングチェーンとを備えた、エンジン。

Images