JP2020122577A - 歯付ベルトドライブ - Google Patents

Abstract

【課題】可能な限り小さい騒音で、噛合いの際の衝撃無しに作動するとともに、高回転であってもベルト走行において振動および揺れをほとんど生じないベルトドライブを提供する。【解決手段】歯付ベルトを有するとともに、好ましくははすば状の少なくとも２つの歯付プーリを有する歯付ベルトドライブであって、歯付ベルトが、歯付プーリの周りに、その円周の部分領域にわたって巻き付き、歯付ベルトの歯が、歯付プーリの歯溝内へ噛合い式に係合し、空隙ＥｓまたはＥｓ（ｍｋ）であって、公称ピッチＰに関連するとともに歯の高さの中央におけるそれぞれの歯付プーリの歯溝の幅ｅｓと歯付ベルトの歯の幅ｅＲの差から決定される空隙ＥｓまたはＥｓ（ｍｋ）が、歯付ベルトの歯の数ＺＲおよび歯付プーリの歯の数ｚまたは比較的小さい歯付プーリの歯の数ｚｋおよび比較的大きい歯付プーリの歯の数ｚｇに依存するやり方で構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、１つの歯付ベルトと、少なくとも２つの、好ましくははすば状の歯付プーリとを有する歯付ベルトドライブであって、歯付ベルトが、歯付プロファイルが設けられた少なくとも１つのドライブ側を有し、歯付プーリが、ベルトの歯付プロファイルの歯付プロファイルと相補的な歯付プロファイルを有し、歯付ベルトが、歯付プーリの円周の部分領域にわたって歯付プーリに巻き付き、歯付プーリの歯間において歯付ベルトの歯が噛み合う、歯付ベルトドライブに関する。

そのような歯付ベルトドライブを設計する場合の課題の１つは、可能な限り静かな歯付ベルトドライブを提供すること、および、騒音の発生を可能な限り最小化することにある。作動音が、特に、歯付ベルトプーリと歯が噛み合うときの構造的および幾何学的条件から、ならびに、それから生じるベルト走行における振動および揺れからもたらされる。平歯車が付いた歯付ベルトドライブからはすば状歯付ベルトドライブへ変更することにより騒音の減少が既に可能であるとしても、歯付ベルトドライブにおいて依然として存在する騒音の発生は、それにも関わらずかなりのものであり望ましくない。

特許文献１は、はすば状歯付ベルトドライブであって、遊び（バックラッシ「Ｄ」）、すなわちはすば状歯付ベルトと歯付プーリとの間のバックラッシが、特定の歯傾斜角度および歯付ベルトの所定の幅での歯ピッチに対する特定の比率に設定されるという点で、騒音および振動が最小化されるはすば状歯付ベルトドライブを開示する。欧州特許第２８０３８７９Ａ１号明細書は、特に、電気式パワーステアリングアセンブリにおける歯付ベルトドライブの場合の騒音の減少のために、同様の対応策を提案する。ここでも、歯の遊びは、歯の幅および歯の高さに依存するように設定される。

欧州特許第１６１４９３３Ｂ１明細書

したがって、歯付ベルトの対応部としての歯付プーリのプロファイルおよびはすば状歯付ベルトドライブにおける歯付ベルトのプロファイルの設計は、とりわけ、ベルトの製造公差、および、可変張力、および、巻き付けられた弧における可変張力の結果としての異なるピッチ長さを補償するために、歯付プーリに対して円周方向に変位されることになるベルトの特定の性能を補償するように、常に特定の度合いの遊び、すなわち特定の度合いの「バックラッシ」を想定する。両方の歯付プーリへの歯付ベルトのスムーズな突き当て（ｒｕｎ−ｉｎ）が、空気および衝撃からの騒音の発生が最小化されるように達成されるように遊びが構成されることは、本明細書における上位の目的である。

しかしながら、歯付ベルトドライブの場合の、空気および衝撃からの騒音を低減するための現況技術において既知の対応策は、比較的大きい歯付プーリと小さい歯付プーリとの間の相互作用の場合、したがって、特に、比較的大きいギヤ比のための歯付ベルトドライブにおいてもはや十分ではない。特に、高い正／負ギヤ比を有し、例えば、駆動入力から駆動出力への回転をかなり減らす歯付ベルトドライブの場合、とりわけ、小さい歯付プーリ／スプロケットへ突き当たるときの噛合条件が、大きい歯付プーリへ突き当たるときの噛合条件と著しく異なることから、言及された対応策はそれ自体無効である。

したがって、本発明は、異なる直径／歯数の歯付プーリの場合、およびまた比較的高いギヤ比の場合に、可能な限り小さい騒音で、噛合いの際の衝撃無しに作動するとともに、高回転であってもベルト走行おいて振動および揺れをほとんど生じないベルトドライブを提供するという目的に基づく。

この目的は、等位の請求項１および２の特徴により達成される。さらなる有利な構成が、サブクレームにおいて開示される。

本明細書における請求項１によると、バックラッシＥ_Ｓであって、公称ピッチＰに関連するとともに、歯の平均高さにおける、それぞれの歯付プーリの歯間の幅ｅ_Ｓと歯付ベルトの歯の幅ｅ_Ｒとの差に起因するバックラッシＥ_Ｓは、歯付ベルトの歯数ｚ_Ｒおよび歯付プーリの歯数ｚに依存して、

となるように構成され、Ｃ_Ｓは、歯付ベルトドライブの場合の標準的なバックラッシのための定数として０．０６≦Ｃ_Ｓ≦０．０８の範囲において事前に定義される。標準的なバックラッシについてのこの定数は、歯付プーリが比較的大きくおよそ同一の直径を有するとき、または直径および歯数に関してわずかにのみ異なるときのいずれも、実質的に常に使用され得る。

本明細書における歯付ベルトおよび歯付プーリの公称ピッチＰは、有効なコードラインの高さでの、すなわち歯付プーリに巻き付く歯付ベルトのコードの中央部（コード中央部）により確立される半径上のピッチである。したがって、公称ピッチライン、または公称ピッチ弧は、それぞれ、歯付プーリの歯の半径方向に外側にある。

本発明によりバックラッシを設定することは、その製造からのベルトおよびベルトプーリの歯数の比ならびにベルトの異なる曲率が、その後、ベルトプーリでの作動において考慮されるという点で、ベルト走行における衝撃音および揺れを減少させる。各歯付プーリでのバックラッシは、ドライブに参加している全ての歯数を用いるとともにそれらに基づきつつ、最良の可能なやり方で設計される。開示された設計原理は、実験に基づく一律のパラメータを適用する代わりに、実際の有効な技術的メカニズムを反映する。

先行技術において、具体的には、ベルトの歯数ならびに小さいおよび大きい歯付プーリの歯数から算出されたギヤ比、例えば、アセンブリを操縦するためのはすば状二重プーリドライブにおいて一般に使用されるものなどは、現在まで十分に検討されていない。そのようなベルトドライブは、高いギヤ比を有することができ、駆動入力から駆動出力への回転を著しく、しばしばおよそ３分の１まで減少させる。

相互作用する小さいおよび比較的大きい歯付プーリが検討される場合はいつでも、したがって、歯付プーリが著しく異なる直径／歯数を有する場合、すなわち、歯付ベルトドライブにおける比較的高いギヤ比の場合、本目的は、請求項２に含まれる本発明による構成により達成される。

より小さい歯付プーリで、本明細書における空隙Ｅ_{Ｓ（ｍｋ）}であって、公称ピッチＰに関連するとともに、歯の平均高さでの、それぞれのより小さい歯付プーリの歯間の幅ｅ_Ｓｍｋと、歯付ベルトの歯の幅ｅ_Ｒとの差に起因する空隙Ｅ_{Ｓ（ｍｋ）}は、歯付ベルトの歯数ｚ_Ｒおよび、より小さい歯付プーリの歯数ｚ_ｋ、およびより大きい歯付プーリのｚ_ｇに依存して、

となるように構成され、ここで、Ｃ_Ｓは、０．０６≦Ｃ_Ｓ≦０．０８の範囲において予め定義され、Ｃ_ｍｋは、歯付ベルトドライブの場合のバックラッシのためのさらなる修正された定数として、１．００≦Ｃ_ｍｋ≦２．００において予め定義される。

独立したパラメータは、以下でより詳細に説明される図と併せて見たときに最もよく特定および説明され得る。

公式および図面において、
Ｃ_ｍｋは、小さいプーリの修正されたバックラッシの定数であり、
Ｃ_Ｓは、標準的なバックラッシの定数であり、
Ｅ_Ｓｍｋは、小さいプーリの修正されたバックラッシであり、
Ｅ_Ｓは、標準的なバックラッシであり、
ｅ_Ｓｍｋは、修正された小さい歯付プーリの間隙幅であり、
ｅ_Ｓは、歯付プーリの間隙幅であり、
ｅ_Ｒは、ベルトの歯の幅であり、
Ｐは、公称ピッチであり、
ｕは、有効なライン間隔であり、
ｚは、歯付プーリの歯数であり、
ｚ_ｇは、大きい歯付プーリの歯数であり、
ｚ_ｋは、小さい歯付プーリの歯数であり、
ｚ_Ｒは、歯付ベルトの歯数である。

先行技術とは対照的に、ギア比は、請求項１に記載の、それぞれ、バックラッシまたは遊びの本発明による構成により考慮に入れられ、突き当たる歯付ベルトが各歯付プーリ上の対応する歯間内に衝撃の無いやり方で落ち着き得るときに最適な低騒音作動が保証される。衝撃の無い突き当てが同様に意味するのは、既に占有された巻き付けられた弧におけるベルト噛合ピッチからプーリ噛合ピッチへの複数のずれが合算され、バックラッシが部分的に使い切られる場合であっても、外端歯先円／噛合い円での歯付プーリの間隙が、いずれの不整合も無く突き当たる次の噛合ピッチ（公称ピッチとは反対に）を受け入れるには依然として十分に大きくないということである。

さらに、条件は、長手方向剛性からのピッチ長さと局所的に見られるベルト走行力との両方の点で、ならびに歯付プーリ直径の点で、各プーリの突き当てにおいて根本的に異なる。歯付ベルト公称ピッチは、歯ベルトのそれぞれの型での製造時に確立されるが、噛合ピッチであって、コード中央部より下にあり、有効なライン間隔だけコード中央部から間隔を空けて配された噛合ピッチは、歯付プーリが小さくなるにつれて減少する。そこから、小さい歯付プーリの場合、拡大されたバックラッシが設定されるということになる。本明細書における「コード中央部」は、長手方向牽引部材がベルトの実質的な張力を吸収する際の、それぞれ、歯付ベルト本体内に埋め込まれたか、ベルトへと加硫処理された強化要素のそれぞれ中央部、または中央平面である。したがって、コード中央部は、歯付ベルトが歯付ベルトプーリと噛み合うときの張力の有効な方向を決定する。

本発明の有利な一改良形態は、歯付プーリのうちの１つまたはより小さい歯付プーリが、ｄ≦４５ｍｍのピッチ円直径を有するという点にある。実際には、これらの直径の場合において騒音減少の効果が特に顕著であることが例証された。同じことが、２０〜６０の歯数を有する歯付プーリのうちの１つまたはより小さい歯付プーリからなるさらなる有利な設計実施形態に当てはまる。

上で既に示唆されたとおり、このような歯付ベルトドライブは、動力車における、特にはすば歯車を有して構成された電気式ステアリングギアボックスにおいて特に積極的に使用され得る。

本発明は、例示的な実施形態に基づきより詳細に説明される。

高い減少ギア比を有するはすば状歯付ベルトドライブを、ダイアグラムの形で示す。 請求項１のとおりの本発明による構成において歯付ベルトと歯付プーリとの間に見られる噛合条件を示す。 請求項２のとおりの本発明による構成において歯付ベルトと小さい歯付プーリとの間に見られる噛合条件を示す。 歯数に対してプロットされた、本発明により構成された歯の遊び／バックラッシについての変量ダイアグラムを示す。 本発明によるベルトドライブの構成の場合に、定量的に達成可能な騒音の減少のダイアグラムを示す。

図１は、１つの歯付ベルト２と、駆動出力プーリとしての１つの大きい歯付プーリ３と、駆動入力プーリとしての１つの小さい歯付プーリ４とを有する、高い減少ギア比を有するはすば状歯付ベルトドライブ１を示す。歯付ベルト２は、歯付プロファイルが設けられたそのドライブ側により、突き当て領域５において小さい歯付プーリ４に乗り上げる。小さい歯付プーリ４は、ベルトの歯付プロファイルに相補的な歯付プロファイルを有し、歯付ベルトは、歯付プーリに、それらの円周の部分領域にわたって巻き付き、歯付ベルトの歯が歯付プーリの歯間において噛み合う。同じことが、大きい歯付プーリ３に類似のやり方で当てはまる。

拡大図の図２は、請求項１のとおりの本発明による構成において歯付ベルト２と歯付プーリ４との間に見られる噛合条件を示す。ここで示されるのは、パラメータｅ_Ｓ、すなわち歯付プーリの間隙幅、およびｅ_Ｒ、すなわちベルトの歯付幅であり、コード中央部６、すなわち歯付ベルトへと加硫処理された強化要素の中央平面は、有効なコードラインとも呼ばれる。

このコード中央部または有効なコードライン６は、請求項２のとおりの本発明による構成において見られる噛合条件を示す図３においても再び見ることができる。ここで見られるのはまた、修正された小さい歯付プーリの間隙幅ｅ_Ｓｍｋであり、これは、ここでは、図２からの歯付プーリの間隙幅ｅ_Ｓに比べて比較的高いギヤ比を有する歯付ドライブのための本発明による構成を強調するために示される。請求項２に記載の構成（より小さい歯付車輪、より高いギヤ比、異なる歯数および直径）における比較的小さい歯付車輪のためのバックラッシＥ_{Ｓ（ｍｋ）}＝ｅ_Ｓｍｋ−ｅ_Ｒは、この場合、請求項１のとおりの構成におけるバックラッシＥ_Ｓ＝ｅ_Ｓ−ｅ_Ｒより大きいことがこの図において明らかに分かり得、バックラッシＥ_Ｓ＝ｅ_Ｓ−ｅ_Ｒは、実質的に、比較的大きい歯付車輪の設計のためのものである。

それぞれのバックラッシはまた、歯の遊びまたは、国際的には「バックラッシ」と呼ばれ、歯の平均高さの半径８により確立され、本明細書においては歯付プーリおよび歯付ベルトの公称ピッチＰに関連する。

パラメータとして、請求項２の主題と関連する公式において再び見られることになる有効なライン間隔ｕが、図３においても示されている。有効なライン間隔ｕは、（本明細書においてはより小さい）歯付プーリ４の外端歯先円半径７と、巻き付け弧におけるコード中央部６の半径との差を説明する。

全体として、可能な限り騒音の無い作動のために、各歯付プーリのバックラッシは、このとき、２つの部分的に対向する効果により、根本的に整列させられ、それにより歯付ベルトの製造状態も考慮される。これは、あるタイプの「標準ルール（ｓｔａｎｄａｒｄ ｒｕｌｅ）」が、ベルトの歯数および前記ベルトの製造プロセスの結果としてのドラム上でのベルトの形状、ならびに請求項１に開示されたそれぞれのプーリの歯数を考慮に入れるという点で行われる。上で既に示されたとおり、本発明によるこの構成は、歯付プーリが、比較的大きくおよそ同一の直径を有するとき、または、直径および歯数に関してわずかにのみ異なるときのいずれの場合も、低騒音ベルトドライブの設計に特に好適である。騒音に関連する決定的因子は、外端歯先円での噛合ピッチが実際にかなりのものとなるように、歯付プーリの外端歯先円での妨げられない噛合いである。

歯付ベルトの製造における製造差異が合算されて歯付ベルトのピッチになると仮定すると、車輪における歯数が少ないほどバックラッシはより小さくなり得るという効果がもたらされる。これは、プーリ車輪に巻き付けられているベルトの曲率が、車輪における歯数が少なくなるほどそれに応じて空隙がより大きくなるように、外端歯先円での真に決定的な噛合ピッチを修正するというさらなる効果と対照をなす。

したがって、請求項２のとおりの本発明による構成が提供され、そのために、小さい歯付プーリと大きい歯付プーリとの間の曲率の差を考慮に入れる追加的な修正形態が、２つのプーリのうちの小さい方のために存在する。成形ドラムにより加硫処理され／凍結され、したがって予め定義された曲率は、このようにして歯付ベルトの製造において既に存在し、一方で、前者の曲率とは異なる２つのさらなる曲率が運転中および歯付プーリへの巻き付きの際に生じる。

請求項２のとおりの実施形態において、これらの３つの異なる曲率の影響は、小さい歯付プーリおよび大きい歯付プーリの歯数により、ならびに、標準的なバックラッシおよび両方のプーリに適用する請求項１から引き継がれた項によるベルトの製造による影響のためのベルトの歯数により表される。驚くことに、請求項１および２に開示された発明の構成により、歯付ベルトが標準的なやり方で製造されていたとしても、歯付ベルトドライブの特に低騒音の設計が達成される。

図４は、上記の対向する効果を、それぞれの変量ダイアグラムにおいて示す。ここでの歯の遊び／バックラッシは、歯数に対してプロットされる。実線は、請求項１によるバックラッシの構成および設計の場合の定数Ｃ_Ｓにより予め定義された限界内になる変量範囲を表す。鎖線は、請求項２による対応する構成の場合の定数Ｃ_Ｓおよび請求項２による対応する構成の場合の定数Ｃ_ｍｋにより得られる変量範囲を表す

請求項１または請求項２のとおりの個別の設計の差はまた、図４により極めて良好に強調され得る。設計ポイント、または変量対１０は、それぞれ、請求項１のとおりに比較的大きい直径／より多い歯数の歯付プーリの場合のバックラッシの構成を示し、噛み合ったときの騒音の発生はここでは成功裏に減少する。

しかしながら、請求項１による構成によるより小さい直径／より少ない歯数の歯付プーリが設計されることになった場合、設計ポイント／変量対１１（バックラッシがより少ない）がもたらされる。しかしながら、より小さい車輪における噛み合ったときの騒音の発生は、この配置の場合は減少し得ない。これは、請求項２において開示されたとおりの構成による設計が実施されるときにのみ、可能である。そのような設計により、変量対／設計ポイント１２（より大きいバックラッシ）による空隙が達成される。騒音のかなりの減少がしたがって達成される。

図５は、同様に純粋に定量的なやり方で、図１のとおりの本発明によるベルトドライブの構成の場合に達成可能な騒音の減少を示す。正常な条件下の騒音テストを既に受けてきた、したがって、先行技術からの通常の歯付プーリを使用してテストされた様々な歯付ベルトが、調査のために提供された。これらの先行技術のテストは、騒音の放出との関連において様々な品質クラスに、具体的には「第１品質」クラス、「第２品質」クラス、および「不合格品」クラスにグループ分けされたテスト済み歯付ベルトをもたらした。

次いで、これらのベルトは再び騒音の放出に関してテストされたが、今回は、それぞれのより小さい歯付プーリが本発明により構成されたベルトドライブであって、そのバックラッシが具体的には請求項２により修正されたベルトドライブにおいてテストされた。

図５におけるグラフは、これにより達成された騒音の放出に関する向上を示す。これは、最大で５．２ｄＢの衝撃音の減少をもたらした。

標準的な基準下での騒音のこのようなかなりの減少は、騒音挙動における「第１品質」と「不合格品」との間の間隔に対応する。したがって、本発明による歯付ベルトドライブ／歯付プーリの構成により、その騒音挙動を視野に入れて、先に不合格品として分類されたベルトは、前記ベルトが、騒音の放出に関して、良質の製品として依然として使用され得る程度に再び分類され得る。これは、本発明による歯付ベルトドライブまたはその歯付プーリの構成ならびに歯付プーリのバックラッシが、標準歯付ベルトの場合であっても歯付ベルトドライブの騒音の放出のかなりの向上をもたらすことを明らかに示す。

１ 歯付ベルトドライブ
２ 歯付ベルト
３ 歯付プーリ（出力ドライブプーリ）
４ 歯付プーリ（入力ドライブプーリ）
５ 突き当て領域
６ コード中央部の半径
７ スプロケット（小さい歯付プーリ）の外端歯先円半径
８ 歯の平均高さの半径
９ スプロケット（小さい歯付プーリ）のルート円半径
１０ バックラッシのための変量／設計ポイントの対
１１ バックラッシのための変量／設計ポイントの対
１２ バックラッシのための変量／設計ポイントの対

Claims (6)

1. １つの歯付ベルト（２）と、少なくとも２つの、好ましくははすば状の歯付プーリ（３、４）とを有する歯付ベルトドライブ（１）であって、前記歯付ベルト（２）が、歯付プロファイルが設けられた少なくとも１つのドライブ側を有し、前記歯付プーリ（３、４）が前記ベルトの歯付プロファイルと相補的な歯付プロファイルを有し、前記歯付ベルトが、前記歯付プーリの円周の部分領域にわたって前記歯付プーリに巻き付き、前記歯付ベルト（２）の歯が前記歯付プーリ（３、４）の歯間において噛み合う歯付ベルトドライブ（１）において、空隙Ｅ_Ｓであって、公称ピッチＰに関連するとともに、前記歯の平均高さでの前記それぞれの歯付プーリの前記歯間の幅ｅ_Ｓと前記歯付ベルトの前記歯の幅ｅ_Ｒとの差に起因する空隙Ｅ_Ｓが、前記歯付ベルトの歯数ｚ_Ｒおよび前記歯付プーリの歯数ｚに依存して、
   

   

   となるように構成され、
   Ｃ_Ｓが、歯付ベルトドライブの場合の標準的なバックラッシのための定数として、
   ０．０６≦Ｃ_ｓ≦０．０８
   の範囲において事前に定義されることを特徴とする、歯付ベルトドライブ（１）。
2. 特に、異なる直径の少なくとも２つの歯付プーリを有する、請求項１の前提部に記載の歯付ベルトドライブにおいて、より小さい歯付プーリで、空隙Ｅ_{Ｓ（ｍｋ）}であって、公称ピッチＰに関連するとともに、前記歯の平均高さでの前記それぞれのより小さい歯付プーリの歯間の幅ｅ_Ｓｍｋと前記歯付ベルトの前記歯の幅ｅ_Ｒとの差に起因する空隙Ｅ_{Ｓ（ｍｋ）}が、前記歯付ベルトの歯数ｚ_Ｒおよび前記より小さい歯付プーリの歯数ｚ_ｋおよびより大きい歯付プーリのｚ_ｇに依存して、
   

   

   となるように構成され
   Ｃ_Ｓが、
   ０．０６≦Ｃ_ｓ≦０．０８
   の範囲において予め定義され、
   Ｃ_ｍｋが、歯付ベルトドライブの場合の間隙のための修正された定数として、
   １．００≦Ｃ_ｍｋ≦２．００
   の範囲において予め定義されることを特徴とする、請求項１の前提部に記載の歯付ベルトドライブ。
3. 前記歯付プーリのうちの１つまたは前記より小さい歯付プーリがｄ≦４５ｍｍのピッチ円直径を有する、請求項１または２に記載の歯付ベルトドライブ。
4. 前記歯付プーリのうちの１つまたは前記より小さい歯付プーリが２０〜６０の歯数を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の歯付ベルトドライブ。
5. 歯付ベルトドライブにおける、特に、電気式ステアリングギアの歯付ベルトドライブにおける使用のための歯付プーリであって、前記歯付プーリの前記バックラッシが、請求項１〜４のいずれか一項に記載のとおりに構成される、歯付プーリ。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の歯付ベルトドライブを有する、動力車のための電気式パワーステアリングギア。

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