JP2019184056A - はす歯ベルトおよびベルト伝動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
背部と、
前記背部に、ベルト幅方向に配列されて埋設された、心線と、
前記背部の一方の表面にベルト長手方向に沿って所定間隔で設けられ、それぞれがベルト幅方向に対して傾斜する複数の歯部と、
を有するはす歯ベルトであって、
前記歯部の表面および前記背部の前記一方の表面の一部が、歯布で構成されており、
前記複数の歯部の歯ピッチが、1.5mm以上2.0mm未満であり、
前記背部の厚みが、0.4mm以上1.2mm以下であって、
前記心線は、高強度ガラス繊維または炭素繊維を含む撚りコードであり、
前記ベルト幅方向に隣り合う心線と心線との間隔の合計値の、ベルト幅に対する割合が、20%以上60%以下の範囲である。
このように背部の剛性を高めたことで、はす歯ベルトが、高負荷又は高速回転で駆動されるベルト伝動装置に使用されても、歯部がプーリの歯部と噛み合う際に生じる、はす歯ベルトの心線を中心とした振動(弦振動)を抑制できる。これにより、振動により生じる騒音を低減することができる。
また、上記はす歯ベルトは、歯ピッチが1.5mm以上2.0mm未満で、背部の厚みは0.4mm以上1.2mm以下である。これらの値に関して、例えば、自動車用の電動パワーステアリング装置の減速装置に用いられる従来のはす歯ベルトに比べて、背部の厚みに関しては同程度であるが、歯ピッチに関しては比較的小さい。このように歯ピッチが比較的小さい値であることから、これに対応して歯部のスケール(歯部のベルト長手方向の長さ、及び、歯部の歯高さ)も小さくなっている。そのため、従来に比べて、背部の厚みを大きくすることなく背部の剛性を高めて、耐屈曲疲労性を充分に確保することができ、尚且つ、歯部のスケール(歯部のベルト長手方向の長さ、及び、歯部の歯高さ)を比較的小さくしていることから振動および騒音をより抑制することができる。
上記構成のはす歯ベルトでは、歯部の歯高さを、0.6mm以上1.0mm以下の範囲で、且つ、歯ピッチに対して40〜50%の範囲の高さに制限することにより、高負荷又は高速回転で駆動されるベルト伝動装置に使用されても、振動及び騒音の抑制と、歯飛び(ジャンピング)の生じ難さとのバランスをとった走行を可能にすることができる。
従動プーリと、
前記駆動プーリおよび前記従動プーリに巻き掛けられる、上記はす歯ベルトと、
を備えるベルト伝動装置である。
前記ベルト伝動装置が、自動車用の電動パワーステアリング装置の減速装置である。
電動パワーステアリング(EPS)装置1は、ステアリングホイール2に連結されたステアリングシャフト3と、ステアリングシャフト3に連結された中間軸4と、中間軸4に連結されて、ステアリングホイール2の回転に連動して車輪9を操舵する操舵機構5とを有する。
図3に示すように、はす歯ベルト30は、心線33がベルト長手方向に沿って螺旋状に埋設された背部31と、背部31の内周面(背部31の一方の表面に相当)にベルト長手方向に沿って所定間隔で設けられた複数の歯部32とを有する。本実施形態では、複数の歯部32は、背部31の内周面に一体成形されている。また、図4に示すように、歯部32は、ベルト幅方向に対して傾斜して延びている。また、はす歯ベルト30の内周面、即ち、歯部32の表面および背部31の内周面の一部は、歯布35で被覆されている。なお、本実施形態では、背部31の外周面(背部31の他方の表面に相当)は、布等では被覆されていないが、背布によって被覆されていてもよい。
背部31及び歯部32は、ゴム組成物で構成され、このゴム組成物のゴム成分としては、クロロプレンゴム(CR)、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム(HNBR)、エチレン−プロピレン共重合体(EPM)、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム等が用いられる。これらのゴム成分は、単独または組み合わせて使用できる。好ましいゴム成分は、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)であり、クロロプレンゴム、水素化ニトリルゴム(HNBR)も好適に用いられる。特に好ましくは、少なくともエチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)または水素化ニトリルゴム(HNBR)を含む構成である。本実施形態では、背部31及び歯部32は、同じゴム組成物で形成されているが、異なるゴム組成物で形成されていてもよい。
心線33は、背部31に、ベルト長手方向に沿って、ベルト幅方向に所定の間隔d(0.5mm以上0.6mm以下)を空けて螺旋状に埋設されている。即ち、心線33は、図5に示すように、背部31に、ベルト幅方向に所定の間隔dを空けて配列されている。より詳細には、ベルト幅方向に隣り合う心線33と心線33との間隔dの合計値の、ベルト幅Wに対する割合(%)が、20%以上60%以下の範囲(好ましくは20%以上40%以下の範囲)になるように、心線33は背部31に埋設されている。なお、ベルト幅方向に隣り合う心線33と心線33との間隔dの合計値には、ベルトの端と心線33との間隔も含まれる(両端部分)。即ち、本発明の、ベルト幅方向に隣り合う心線33と心線33との間隔dの合計値は、「ベルト幅」の値から「心線径の合計(心線径×心線の本数)」の値を減算した値といえる。従って、ベルト幅方向に隣り合う心線33と心線33との間隔dの合計値の、ベルト幅Wに対する割合(%)は、「心線径Dと心線ピッチSPの関係式」に置換可能である(数1参照)。ここで、ベルト幅方向に隣り合う心線33と心線33との間隔dの合計値の、ベルト幅Wに対する割合(%)が小さな値になるほど、心線33と心線33との間隔dが小さくなることから、心線配列の密度の程度が密になるといえる。
もっとも、実際は、心線33は螺旋状に埋設されていることから、1本の無端状のはす歯ベルト30の中でも断面を採取する部位により、心線33の配置態様が異なること、裁断されて断面視が円形でない心線33もベルトの強力(弾性率)へ与える影響は無視できないことから、実用的には、各心線ピッチSPが、0.45mm以上1.0mm以下の範囲の一定の値である場合には、ベルト幅を心線ピッチSP(0.45mm以上1.0mm以下の範囲の一定の値)で割った計算値から小数点以下の値を切り捨てた値を、概算的な「心線の本数」(有効本数)と見做している。例えば、ベルト幅25mm、心線ピッチSPが0.56mmならば、計算値は44.64となり、「心線の本数」(有効本数)は44本と見做している。また、ベルト幅25mm、心線ピッチSPが0.52mmならば、計算値は48.07となり、「心線の本数」(有効本数)は48本と見做している。また、ベルト幅25mm、心線ピッチSPが0.60mmならば、計算値は41.67となり、「心線の本数」(有効本数)は41本と見做している。
歯布35は、経糸と緯糸を一定の規則によって縦横に交錯させて織られた織布で構成されることが好ましい。織布の織り方は、綾織り、朱子織等のいずれでもよい。経糸および緯糸の形態は、フィラメント(長繊維)を引き揃えたり、撚り合せたマルチフィラメント糸、1本の長繊維であるモノフィラメント糸、短繊維を撚り合せたスパン糸(紡績糸)のいずれであってもよい。経糸または緯糸がマルチフィラメント糸またはスパン糸の場合、複数種類の繊維を用いた混撚糸または混紡糸であってもよい。緯糸は、伸縮性を有する弾性糸を含むことが好ましい。弾性糸としては、例えば、ポリウレタンからなるスパンデックスのように材質自体が伸縮性を有するものや、繊維を伸縮加工(例えばウーリー加工、巻縮加工等)した加工糸が用いられる。通常、経糸には弾性糸を用いない。そのため、製織が容易である。そして、歯布35としては、織布の経糸をベルト幅方向に、緯糸をベルト長手方向に延びるように配置するのが好ましい。それにより、歯布35のベルト長手方向の伸縮性を確保できる。なお、歯布35は、織布の緯糸をベルト幅方向に、経糸をベルト長手方向に延びるように配置してもよい。この場合、経糸として、伸縮性を有する弾性糸を用いてもよい。歯布35を構成する繊維の材質としては、ナイロン、アラミド、ポリエステル、ポリベンゾオキサゾール、綿等の何れかまたはこれらの組み合わせを採用できる。
なお、本実施形態では、背部31の外周面(背部31の他方の表面に相当)は、布等によって被覆されていないが、背布36によって被覆されていてもよい。背部31の外周面を、背布36で被覆する場合、背布36は、編糸で編まれた編布、または、経糸と緯糸を一定の規則によって縦横に交錯させて織られた織布で構成されることが好ましい。
はす歯ベルト30は、例えば以下の手順で製造される。
先ず、はす歯ベルト30の複数の歯部32に対応する複数の溝部を有する円筒状モールド(図示せず)に、歯布35を形成する接着処理が施された織布を巻き付ける。続いて、巻き付けられた織布の外周面に、心線33を構成する撚りコードを螺旋状にスピニングする。さらにその外周側に、背部31及び歯部32を形成するための未加硫のゴムシートを巻き付けて、未加硫のベルト成形体を形成する。
そこで、本実施例では、実施例1〜18、及び、比較例1〜5に係る、はす歯ベルトを作製し、音圧測定試験とジャンピング試験を行い、比較検証を行った。
ここで、表2に示した心線(長手方向)の弾性率(引張弾性率)の測定方法について説明する。オートグラフ((株)島津製作所製「AGS−J10kN」)の下側固定部と上側ロードセル連結部にチャックを取り付け、心線を固定する。次に、上側チャックを上昇させて、心線が緩まない程度に応力(約10N)を掛けた。この状態にある上側チャック位置を初期位置とし、250mm/分の速度で上側チャックを上昇させて、心線の応力が200Nに到達後、直ちに上側チャックを下降させて、初期位置まで戻した。このとき測定された応力−歪み曲線において比較的直線関係にある領域(100〜200N)の直線の傾き(平均傾斜)を心線の引張弾性率として算出した。
※2 デンカ社製「PM−40」
※3 日本ゼオン社製「Zetpole2021」
※4 大内新興化学工業社製「ノクラックMB」
※5 大内新興化学工業社製「N−シクロヘキシル−2ベンゾチアゾールスルフェンアミド」
※6 東海カーボン社製「シースト3」
※7 正同化学工業社製「酸化亜鉛3種」
実施例1〜18および比較例1〜5のはす歯ベルト(ベルト長手方向)についてベルト弾性率(引張弾性率)を測定した。ベルト弾性率の測定方法について説明する。オートグラフ((株)島津製作所製「AGS−J10kN」)の下側固定部と上側ロードセル連結部に一対のプーリ(30歯 外径18.6mm)を取り付け、はす歯ベルトをプーリに掛けた。次に、上側プーリを上昇させて、はす歯ベルトが緩まない程度に張力(約10N)を掛けた。この状態にある上側プーリの位置を初期位置とし、50mm/分の速度で上側プーリを上昇させて、はす歯ベルトの張力が500Nに到達後、直ちに上側プーリを下降させて、初期位置まで戻した。このとき測定されたベルト張力(N)とベルト伸長率(%)との関係を示す応力−歪み曲線(S−S線図)において、比較的直線関係にある領域(100〜500N)の直線の傾き(平均傾斜)から、ベルト伸長率(%)に対するベルト張力(N)の値(N/%)を算出し、これをベルト弾性率(引張弾性率)とした。そして、ベルト幅1mmあたりのベルト弾性率に換算して、その値が22N/%以上の場合には、はす歯ベルトの剛性が高いと評価した。
実施例1〜18および比較例1〜5のはす歯ベルトについて音圧測定試験を行って、ベルト走行中の騒音の評価を行った。試験には2軸走行試験機を使用した。この2軸走行試験機は、図2に示す減速装置20と同様に、駆動プーリ21と、駆動プーリ21よりも大径の従動プーリ22とを有する構成とした。駆動プーリ21と従動プーリ22には、表12に示す歯数のプーリを使用した。駆動プーリ21と従動プーリ22との間にはす歯ベルトを巻き掛けて、ベルト張力が90Nとなるようにプーリの軸間距離を調整し、従動プーリに5Nmの負荷をかけて、駆動プーリを回転速度1200rpmで回転させ、はす歯ベルトを走行させた。雰囲気温度は23℃とした。そして、騒音計の集音マイクMで音圧(騒音レベル)を測定した。なお、集音マイクMの位置を説明するために、図2に示す減速装置20に集音マイクMを表示した。具体的には、集音マイクMは、駆動プーリ21の中心位置Sを通り、且つ、駆動プーリ21の中心位置Sと従動プーリ22の中心位置Kを通る直線Tに対して垂直な、直線Aを従動プーリ22の方向に25mm平行移動させて、はす歯ベルト30の外周面と接した部分Bから、はす歯ベルト30の外周面に対して垂直方向外側に30mm離れた位置に配置した。集音マイクMで測定した測定結果を表5〜表10に示す。なお、表5〜表10の測定結果では、音圧の値は、小数点第一位を四捨五入した整数値として記載している。その結果から、音圧の数値によってランクA、B、Cを使ってランク付けを行い、音圧(小数点第一位を四捨五入した整数値)が55dBA以下の場合はランクA、56〜57dBAの場合はランクB、58dBA以上の場合はランクCとした。はす歯ベルトの実用上の騒音レベルとしての適正の観点からは、ランクA、Bのベルトが好適であり、特にランクAのベルトが好適に用いられる。
実施例1〜18および比較例1〜5のはす歯ベルトについてジャンピング試験を行った。試験には2軸トルク測定試験機を使用した。上記の音圧測定試験で用いたレイアウトで、駆動プーリと従動プーリとの間にはす歯ベルトを巻き掛けて、ベルト張力が50Nとなるようにプーリの軸間距離を調整した。そして、図6に示すように、従動プーリが回転しないようにあらかじめ固定した上で、駆動プーリの軸に挿入した六角レンチを、手動で図6の矢印方向に回して駆動プーリを回転させ、歯飛び(ジャンピング)が発生した時の駆動軸に掛かる負荷トルクをジャンピングトルクとして測定した。測定結果を表5〜表10に示す。ジャンピング性(歯飛びの生じにくさ)の判定として、ジャンピングトルクの数値を指標(トルク値が大きいほど歯飛びしにくい)とし、ジャンピングトルク値が11.2N・m以上の場合をランクA、11.0N・m以上11.2N・m未満の場合をランクB、11.0N・m未満の場合をランクCとした。本用途での実使用に対する適正の観点から、ランクA、Bのベルトを合格レベルとした。
また、上記音圧測定試験と同じレイアウトの2軸走行試験機を使用して、耐寒性(低温耐久性)の試験を実施した。雰囲気温度は−40℃として、無負荷で、駆動プーリ21を回転速度2000rpmで回転させた。6秒間走行させた後、10分間停止させる動作を、1サイクルとして、1000サイクル行った。そして、500サイクル目と1000サイクル目に、はす歯ベルトの背部の表面にクラックが生じているかどうかを目視で確認した。
その確認結果を、ランクA、B、Cを使って表5〜表10に示した。ランクAは、1000サイクル目でもクラックが発生していなかった場合である。ランクBは、500サイクル目ではクラックが発生しておらず、1000サイクル目でクラックが発生していた場合である。ランクCは、500サイクル目でクラックが発生していた場合である。耐寒性(低温耐久性)の指標としては、最低気温が−40℃に達するような寒冷地域でベルトを使用する場合、ランクAのベルトに比べ、ランクB、Cの順にクラック寿命に達しやすい低温耐久性に劣るグレードの位置づけになる。最低気温が−40℃に達するような寒冷地域での実使用に対する適正の観点からは、ランクA、Bのベルトが好適であり、特にランクAのベルトが好適に用いられる。
実施例1〜18、比較例1〜5のはす歯ベルトについて、ベルト弾性率の測定値、及び音圧試験、ジャンピング試験、耐寒性試験での各ランク付けの結果から、下記の基準で総合的な優劣判定を行った。 ・A判定:すべての試験項目でランクAの場合
・B判定:ランクCの試験項目は無いが、1つでもランクBの試験項目がある場合
・C判定:1つでもランクCの試験項目がある場合
表5に示す、実施例1〜4および比較例1〜2のはす歯ベルトは、歯ピッチPを変量したこと以外は同じ構成のはす歯ベルトである。実施例1〜4のはす歯ベルトは、従来の歯ピッチ(2.0mm)のはす歯ベルト(比較例2)よりも音圧が低減し(ランクA、若しくはランクB)、ジャンピング性、耐寒性も合格レベル(ランクA)であり、総合判定でA判定若しくはB判定となった。
一方、比較例1は、実施例1〜4より、歯ピッチPを更に縮小した例(1.40mm)であるが、音圧は低減したものの、ジャンピング性の面で不合格(ランクC)となった。
表6に示す、実施例5〜8のはす歯ベルトは、実施例2(歯ピッチ1.75mm)のはす歯ベルトをベースに、歯ピッチ1.75mmのまま、歯高さhbを変量した例である。歯高さhbが歯ピッチPに対して40〜50%の範囲の高さである実施例6(41%)、実施例2(44%)、実施例7(49%)では、音圧が低減(ランクA)し、ジャンピング性、耐寒性も合格レベル(ランクA)であり、総合判定でA判定となった。歯高さhbが歯ピッチPに対して37%である実施例5は、ジャンピング性が若干小さい(ランクB)ことで、また、歯高さhbが歯ピッチPに対して54%である実施例8は音圧が若干大きい(ランクB)ことで、総合判定でB判定となった。
表7に示す、実施例9〜11、比較例3のはす歯ベルトは、実施例2(背部厚み0.85mm)のはす歯ベルトをベースに、背部の厚みtbを変量した例である。ベルト背部の厚みtbが0.4〜1.2mmの範囲の厚みである実施例9(0.4mm)、実施例10(0.6mm)、実施例11(1.2mm)では、音圧が低減(ランクAまたはB)し、ジャンピング性、耐寒性も合格レベル(ランクAまたはB)であり、総合判定でAまたはB判定となった。一方、背部の厚みが1.35mmと大きい比較例3では、ベルトの屈曲性の低下によって耐寒性(低温耐久性)が不合格(ランクC)となったことから、総合判定でC判定となった。
表8に示す、実施例12〜13のはす歯ベルトは、実施例2(EPDM)のはす歯ベルトをベースに、ゴム成分を変更した例である。ゴム成分がCRである実施例12、H−NBRである実施例13でも、実施例2(EPDM)と同様に音圧が低減(ランクA)する効果が見られ、ジャンピング性も同等であった。ただし、CR、H−NBRの特性から、実施例12、13では耐寒性が若干劣る(ランクB)ことで、総合判定でB判定となった。
表9に示す、実施例14〜16、比較例4のはす歯ベルトは、実施例2(ベルト幅Wに対する間隔dの合計値の割合:37.5%)のはす歯ベルトをベースに、心線ピッチSPを変えることで前記割合を変量した例である。ベルト幅Wに対する間隔dの合計値の割合が20%以上60%以下の範囲である実施例14(22.2%)、実施例15(46.2%)、実施例16(56.3%)では、音圧が低減(ランクAまたはB)し、ジャンピング性、耐寒性も合格レベル(ランクAまたはB)であり、総合判定でAまたはB判定となった。一方、ベルト幅Wに対する間隔dの合計値の割合が61.1%と大きい比較例4では、心線配列の密度が小さいことから、振動を抑制できる程のベルト弾性率が得られず(ベルト幅1mmあたり22N/%未満)であり、音圧が低減しなかった(ランクC)ので、総合判定でC判定となった。
表10に示す、実施例17〜18、比較例5のはす歯ベルトは、実施例2(Kガラス繊維:A1)のはす歯ベルトをベースに、心線を構成する繊維材料を変更した例である。実施例2とは別の高強度ガラス繊維(Uガラス繊維:A2)の心線を用いた実施例17、炭素繊維(A4)の心線を用いた実施例18では、実施例2と同等の性能であった。一方、比較例5は、高強度ガラス繊維でないガラス繊維(Eガラス繊維:A3)の心線を用いた例であるが、振動を抑えられず音圧は低減しなかった(ランクC)。さらに、ジャンピング性も不合格となった(ランクC)。
15 電動モータ(駆動源)
20 減速装置(ベルト伝動装置)
21 駆動プーリ
22 従動プーリ
30 はす歯ベルト
31 背部
32 歯部
33 心線
35 歯布
P 歯ピッチ
SP 心線ピッチ
hW 歯部のベルト長手方向の長さ
t はす歯ベルトの総厚
tb 背部の厚み
hb 歯部の歯高さ
Claims (14)
- 背部と、
前記背部に、ベルト幅方向に配列されて埋設された、心線と、
前記背部の一方の表面にベルト長手方向に沿って所定間隔で設けられ、それぞれがベルト幅方向に対して傾斜する複数の歯部と、
を有するはす歯ベルトであって、
前記歯部の表面および前記背部の前記一方の表面の一部が、歯布で構成されており、
前記複数の歯部の歯ピッチが、1.5mm以上2.0mm未満であり、
前記背部の厚みが、0.4mm以上1.2mm以下であって、
前記心線は、高強度ガラス繊維または炭素繊維を含む撚りコードであり、
前記ベルト幅方向に隣り合う心線と心線との間隔の合計値の、ベルト幅に対する割合が、20%以上60%以下の範囲である、はす歯ベルト。 - 前記心線は、径が0.2mm以上0.6mm以下の範囲である、請求項1に記載のはす歯ベルト。
- 前記心線と心線との間の各心線ピッチが、0.45mm以上1.0mm以下の範囲になるように配列されている、請求項1又は2に記載のはす歯ベルト。
- 前記背部に埋設された前記心線は、当該はす歯ベルトのベルト幅方向の一方の端から他方の端にかけて、前記各心線ピッチが、0.45mm以上1.0mm以下の範囲の一定の値になるように配列されている、請求項3に記載のはす歯ベルト。
- 前記歯部の歯高さが、0.6mm以上1.0mm以下の範囲で、且つ、前記歯ピッチに対して40〜50%の範囲の高さである、請求項1〜4の何れか一項に記載のはす歯ベルト。
- 前記背部がゴム成分を含み、該ゴム成分が少なくともエチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体または水素化ニトリルゴムを含む、請求項1〜5の何れか一項に記載のはす歯ベルト。
- 前記歯布が経糸および緯糸を含む織布で構成されており、経糸または緯糸がベルト長手方向に延びるように配置されており、該ベルト長手方向に延びるように配置された経糸または緯糸が伸縮性を有する弾性糸を含む、請求項1〜6の何れか一項に記載のはす歯ベルト。
- 前記歯布を構成する繊維が、ナイロン、アラミド、ポリエステル、ポリベンゾオキサゾール、および綿からなる群から選択される少なくとも一種の繊維を含む、請求項1〜7の何れか一項に記載のはす歯ベルト。
- 前記背部の他方の表面が、背布で構成されており、
前記背布を構成する繊維が、ナイロン、アラミド、およびポリエステルからなる群から選択される少なくとも一種の繊維を含む、請求項1〜8の何れか一項に記載のはす歯ベルト。 - 所定の取付張力でプーリ間に巻き掛けられる際の、ベルト伸長率(%)に対するベルト幅1mmあたりのベルト張力(N)で定義されるベルト弾性率が、22N/%以上である、請求項1〜9の何れか一項に記載のはす歯ベルト。
- 駆動源によって回転駆動される駆動プーリと、
従動プーリと、
前記駆動プーリおよび前記従動プーリに巻き掛けられる、請求項1〜10の何れか一項に記載のはす歯ベルトと、
を備えるベルト伝動装置。 - 前記駆動プーリの回転速度が1000rpm以上4000rpm以下である、請求項11に記載のベルト伝動装置。
- 前記従動プーリの負荷が0.5kW以上3kW以下である、請求項11又は12に記載のベルト伝動装置。
- 前記従動プーリの外径が、前記駆動プーリの外径より大きく、
前記ベルト伝動装置が、自動車用の電動パワーステアリング装置の減速装置である、請求項11〜13の何れか一項に記載のベルト伝動装置。
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