JP2020159365A - スプロケット及び伝動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷トルク変動に対応したチェーンの張力変動の影響を軽減し、騒音や振動を抑制しつつ、高強度化、軽量化を図ることができ、生産性の高いスプロケットおよびこのスプロケットを用いた伝動機構を提供すること。【解決手段】高剛性材料製のスプロケット基体１１０における歯部１１１の歯面に緩衝材層１１５が設けられることによりスプロケット歯１０１が構成され、スプロケット歯１０１が緩衝材層１１５の厚さが異なるものを含む構成とされる。【選択図】図１

Description

本発明は、チェーンと噛み合う複数のスプロケット歯が形成されたスプロケット及びこのスプロケットを用いた伝動機構に関するものである。

回転を確実に伝達する伝動機構として、周面に複数のスプロケット歯が形成されたスプロケットにチェーンを掛け回す伝動機構が慣用されている。
スプロケット歯がチェーンと噛み合うことによって、複数のスプロケットの間で、タイミングと回転力が確実に伝えられるが、スプロケット歯とチェーンとの噛み合いに伴って騒音や振動が発生することは避けられない。プラスチック製のスプロケットでは、噛合い音自体は小さいが、耐強度不足の問題がある。

一方、回転に伴って周期的に負荷トルクが変動する伝動機構の場合、負荷トルクの周期変動に同期させて張力変動を軽減するように、複数のスプロケット歯を各スプロケット歯が等間隔でチェーンと噛み合う位相をゼロとした場合、正側及び負側に交互に位相が変動する位相変動パターンを形成するように配置することで、負荷トルク変動に対応した張力変動の影響を軽減し、騒音や振動を抑制したスプロケットが公知である（例えば、特許文献１，２等参照）。

特許第４５８９５９８号公報 特許第４２３５２４２号公報

公知のスプロケットでは、チェーンの張力変動が軽減されることでチェーンの振動による騒音を抑制することは可能であるが、負荷トルク変動が周期的であることから、その周期に対応した次数音の発生は不可避であった。
また、負荷トルク変動の位相がずれた場合や、スプロケットの回転数とチェーンの固有振動数との関係で共振した場合には、逆にチェーンの張力変動が増大したり、騒音や振動が増加したりする可能性があった。
また、チェーン張力が小さく負荷トルクが小さい場合や、チェーン張力の影響を受けずに噛み合っている領域では、スプロケットの複数の歯が位相変動パターンを形成するように配置されていることで、スプロケットの形状が逆にチェーンの張力変動や振動や騒音の要因になる虞もあった。
さらにまた、スプロケット歯のピッチが一定ではないため、例えば削りホブ切り加工が不可であるなど、スプロケットの製造方法が制限されてしまう問題があった。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、負荷トルク変動に対応したチェーンの張力変動の影響を軽減し、騒音や振動を抑制することができ、しかも、高強度を維持しながら軽量化を図ることができるとともに高い生産性を得ることのできるスプロケットおよびこのスプロケットを用いた伝動機構を提供することを目的とする。

本発明に係るスプロケットは、チェーンと噛み合う複数のスプロット歯が形成されたスプロケットであって、周面に複数の歯部が形成された高剛性材料製のスプロケット基体と、前記複数の歯部の各々の少なくとも歯面に設けられ前記歯部とともに前記スプロケット歯を形成する緩衝材層とを備え、前記スプロケット歯は、前記緩衝材層の厚さが異なるものを含む構成であることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係るスプロケットによれば、スプロケット歯の表面における緩衝材層自体のクッション性（衝撃吸収性）によって振動騒音低減効果（ＮＶ低減効果）を得ることができるとともに緩衝材層の厚さ変化によりチェーンからスプロケットへの振動伝達特性を変化させることでＮＶ低減効果を得ることができる。このため、トルク変動に動的に対応してチェーンの張力変動の影響を軽減し、騒音や振動を抑制することができる。
しかも、各スプロケット歯が高剛性材料製のスプロケット基体の歯部と緩衝材層とにより構成されることによって、高強度を維持しながらスプロケットの軽量化を図ることができる。

本請求項２に係る構成によれば、スプロケット基体は、製造方法に関して制限を受けることがないので、緩衝材層の厚みを調整することによって所期のスプロケットを確実に得ることができて高い生産性を得ることができる。

本請求項３に係る構成によれば、周期的な負荷トルク変動に対応したチェーンの張力変動の影響を軽減し、騒音や振動を抑制することができ、しかも、エンジンの剛性低減や吸音材等を削減することができ、軽量化、低コスト化を図ることができる。

本請求項４に係る構成によれば、負荷トルクの変動周期と位相変動パターンの増減変動の周期の位相のずれるタイミングを円滑に変化させることができ、さらに次数音の発生を抑制することができる。
また、噛合い音（騒音）の低減によりエンジンの剛性低減や吸音材等の削減を図ることができ、スプロケットを含むチェーン伝動機構が搭載されるエンジン等の軽量化及び低コスト化を図ることができる。

本請求項５に係る構成によれば、主たる騒音や振動の原因となるトルク変動に対する影響を効果的に軽減することが可能となる。

本請求項６に係る構成によれば、チェーンと噛み合った状態において、スプロケット歯に作用する曲げ応力に対して十分に高い強度を維持することができるとともに、スプロケット歯における圧力の小さい部位を緩衝材層で形成することできるため、軽量化を図ることができる。また、チェーンと噛み合う時の曲げ応力発生部位の曲率半径を大きくすることが可能となるため、応力切欠き係数が低減しこの点においても高強度を維持することができ、また、緩衝材層に生ずる熱応力を低減することができる。

本請求項７に係る伝動機構によれば、上記のスプロケットを備えていることにより、負荷トルク変動に対応したチェーンの張力変動の影響を軽減し、騒音や振動を抑制することができる。

本発明に係る伝動機構の一例における構成を概略的に示す図である。 図１に示す伝動機構に用いられた本発明に係るスプロケットの一部を拡大して示す図である。 位相変動パターンの一例を示す図である。 位相変動パターンの他の例を示す図である。 本発明におけるスプロケットのスプロケット歯とチェーンのローラとの噛合接触時の状態を概略的に示す図である。 比較例におけるスプロケットのスプロケット歯とチェーンのローラとの噛合接触時の状態を概略的に示す図である。 本発明に係るスプロケットの他の構成例における一部を拡大して示す図である。

本発明のスプロケットは、チェーンと噛み合う複数のスプロット歯が形成されたスプロケットであって、周面に複数の歯部が形成された高剛性材料製のスプロケット基体と、複数の歯部の各々の少なくとも歯面に設けられ前記歯部とともにスプロケット歯を形成する緩衝材層とを備え、スプロケット歯は、緩衝材層の厚さが異なるものを含むものであれば、その具体的な構成はいかなるものであってもよい。

また、本発明の伝動機構は、複数のスプロケットと、複数のスプロケットに掛け回されるチェーンとを有する伝動機構であって、少なくとも１つのスプロケットが、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載されたスプロケットにより構成されるものであれば、その具体的な構成はいかなるものであってもよい。

スプロケットに掛け回されるチェーンは、サイレントチェーン、ローラチェーン、ブシュチェーン等いかなるものであってもよく、また、スプロケットの歯と噛み合う構造のものであれば、タイミングベルト等の可撓性伝動部材であってもよい。

以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、スプロケット１００は、チェーン、本実施形態ではローラチェーンのローラＲと噛み合う複数のスプロケット歯１０１が周面に形成されている。
スプロケット１００は、図２において一部を拡大して示すように、スプロケット基体１１０と、緩衝材層１１５とを備えている。

スプロケット基体１１０は、スプロケット１００の回転中心Ｏを中心としたピッチ円上に形成された複数の歯部１１１を有する。
本実施形態のスプロケット１００においては、複数の歯部１１１が互いに同一の形状を有し、等ピッチで形成されたものとされている。
スプロケット基体１１０は、例えば鋼などの金属やセラミックスなどの高剛性材料により構成されている。

本実施形態のスプロケット１００においては、緩衝材層１１５は、スプロケット基体１１０の各歯部１１１の歯面１１２の表面および隣接する歯部１１１間に位置される歯底面１１３の表面に設けられている。そして、スプロケット基体１１０の歯部１１１とその歯面１１２に設けられた緩衝材層１１５とによりスプロケット歯１０１が構成される。
緩衝材層１１５を構成する材料としては、弾性を有しチェーンとの接触音（噛合い音）が低減されるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば合成樹脂材料などを用いることができる。緩衝材層１１５は、例えばインサート成形により形成することができる。

而して、本実施形態に係るスプロケット１００においては、緩衝材層１１５が円周方向で厚さが連続的に変化するように設けられており、従って、複数のスプロケット歯１０１が、各スプロケット歯が等間隔でチェーンと噛み合う位相をゼロとした場合に、正側及び負側に位相が変動する波形の位相変動パターンを形成するように配置された構成とされている。

位相変動パターンは、例えば図３−Ａに示すように、位相ずらし振幅の増減変動が一定の周期で複数回繰り返されるように設定されていてもよいが、図３−Ｂに示すように、位相ずらし振幅の増減変動が周方向に大から小または小から大に連続して変化する周期で複数回繰り返されるように設定されることが好ましい。
また、位相変動パターンは、増減変動の周期が主たるトルク変動の周期と同じ部分を含むように設定されることがさらに好ましい。例えば、主の入力荷重変動周期の変動周期の半分の周期あるいは倍の周期を含んで連続的に変化するように設定することができる。
さらにまた、位相変動パターンは、位相ずらし振幅の増減変動が負荷トルク変動の周期と同一となる最大周期を含んで連続的に変化するように、あるいは、増減変動が最大周期と最大周期の半分となる最小周期とを含んで連続的に変化するように設定されていてもよく、また、増減変動の変動量（位相ずらし量）が周方向に大から小または小から大に連続して変化するように設定されていてもよい。

本実施形態のスプロケット１００においては、図２に示すように、緩衝材層１１５の厚さを調整して各スプロケット歯１０１のピッチ（・・・，Ｐ＋α，Ｐ−α，Ｐ＋β，・・・）を変化させることで、位相変動パターンを形成している。図２において、Ｐは、スプロケット基体１１０の歯部１１１のピッチであり、αおよびβは、互いに異なる数値である。
位相変動パターンを形成する具体的な構成としては、各スプロケット歯１０１のピッチを変化させるのが好適であるが、緩衝材層１１５の厚さを調整してスプロケット歯１０１の歯面（噛合面）の形状、半径方向のスプロケット歯１０１とチェーンとの噛合位置等を変化させてもよい。

また、本実施形態のスプロケット１００においては、図４Ａに示すように、スプロケット歯１０１のチェーンとの噛合接触点Ｃにおけるスプロケット歯１０１の歯面の法線Ｎに対して、スプロケット基体１１０の歯部１１１の歯先が径方向外方に位置されるように、緩衝材層１１５が設けられる。図４Ａにおいて、Ｔは噛合接触点Ｃにおけるスプロケット歯１０１の歯面の接線、Ｌは半径線、θは噛合圧力角である。
例えば、図４Ｂに示すように、スプロケット歯１０１のチェーンとの噛合接触点Ｃにおけるスプロケット歯１０１の歯面の法線Ｎに対して、スプロケット基体１１０の歯部１１１の歯先が径方向内方に位置されるように、緩衝材層１１５が設けられる場合には、プラスチック製のスプロケットと同様に、噛合い音自体を小さくすることが可能となるが、耐強度が不足する虞がある。

本実施形態のスプロケット１００によれば、スプロケット歯１０１の表面における緩衝材層１１５自体のクッション性（衝撃吸収性）によって振動騒音低減効果（ＮＶ低減効果）を得ることができるとともに緩衝材層１１５の厚さ変化によりチェーンからスプロケット１００への振動伝達特性を変化させることでＮＶ低減効果を得ることができる。このため、トルク変動に動的に対応して張力変動の影響を軽減し、騒音や振動を抑制することができる。
さらに、緩衝材層１１５の厚さ調整により形成される位相変動パターンに応じて次のような効果が奏される。

すなわち、増減変動が周方向に大から小または小から大に連続して変化する周期で複数回繰り返す位相変動パターンを形成するように緩衝材層１１５の厚さを調整することにより、周期に対応した次数音の発生を抑制し、噛合い音（騒音）を低減することができる。

また、増減変動の周期が主たるトルク変動の周期と同じ部分を含む位相変動パターンを形成するように緩衝材層１１５の厚さを調整することにより、位相変動によるチェーン張力の変動周期を連続的に変動させて周期性を無くし、張力ピークの出やすい固有周波数との一致を回避することができるため（共振ピーク低減効果）、チェーン張力ピーク（噛合い力ピーク）を低減することができる。タイミングシステムで入力荷重に変動周期がある場合には、位相変動パターンを主の入力荷重変動周期の変動周期の半分の周期あるいは倍の周期を含んで連続的に変化させることにより、上記効果を一層確実に得ることができる。

さらにまた、増減変動が負荷トルク変動の周期と同一となる最大周期を含んで連続的に変化する位相変動パターン、あるいは、増減変動が最大周期と最大周期の半分となる最小周期とを含んで連続的に変化する位相変動パターンを形成するように、緩衝材層１１５の厚さを調整することにより、巻き掛部のチェーン張力を低減することができる。

さらにまた、増減変動の変動量（位相ずらし量）が周方向に大から小または小から大に連続して変化する位相変動パターンを形成するように、緩衝材層１１５の厚さを調整することにより、チェーン強度低下させることなくチェーン張力を低減することができる。

以上、本発明の一実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
例えば、緩衝材層は、スプロケット基体の少なくとも歯部の歯面に設けられていればよく、歯底面の表面に設けられていなくてもよい。
また、スプロケット基体における複数の歯部は、互いに同一形状である必要はなく、歯部の形状が異なるものを含むものであってもよい。具体的には例えば、歯部の高さ、歯部の歯面の形状、歯底円の半径の大きさおよびその他の構成が異なるものを含んでいてもよい。さらに、複数の歯部のピッチは、等ピッチでなくてもよい。

また、上記実施形態では、ローラチェーンのローラと噛み合うスプロケットを例に挙げて説明したが、本発明のスプロケットは、サイレントチェーンのプレート歯と噛み合うスプロケットであってもよい。このようなスプロケットにおいても、図５に示すように、高剛性材料製のスプロケット基体２１０と、スプロケット基体２１０の周面に設けられスプロケット基体２１０の歯部２１１とともにスプロケット歯２０１を形成する緩衝材層２１５とを備え、スプロケット歯２０１が緩衝材層２１５の厚さが異なるものを含む構成とされていればよい。本実施形態のスプロケットは、各歯部２１１の歯面２１２および隣接する歯部２１１間の歯底面２１３の表面に緩衝材層２１５が設けられており、緩衝材層２１５の厚さを調整して各スプロケット歯２０１のピッチ（・・・，Ｐ＋α，Ｐ−α，Ｐ＋β，・・・）を変化させることで、位相変動パターンを形成するように構成されている。位相変動パターンを形成する具体的な構成は、特に限定されない。

１００ ・・・ スプロケット
１０１，２０１ ・・・ スプロケット歯
１１０，２１０ ・・・ スプロケット基体
１１１，２１１ ・・・ 歯部
１１２，２１２ ・・・ 歯面
１１３，２１３ ・・・ 歯底面
１１５，２１５ ・・・ 緩衝材層
Ｏ ・・・ スプロケットの回転中心
Ｒ ・・・ ローラ
Ｎ ・・・ 歯面の法線
Ｔ ・・・ 歯面の接線
Ｌ ・・・ 半径線
θ ・・・ チェーンとの噛合圧力角
Ｃ ・・・ 噛合接触点

Claims (7)

1. チェーンと噛み合う複数のスプロット歯が形成されたスプロケットであって、
   周面に複数の歯部が形成された高剛性材料製のスプロケット基体と、前記複数の歯部の各々の少なくとも歯面に設けられ前記歯部とともに前記スプロケット歯を形成する緩衝材層とを備え、
   前記スプロケット歯は、前記緩衝材層の厚さが異なるものを含むことを特徴とするスプロケット。
2. 前記スプロケット基体における前記複数の歯部は、互いに同一形状であって、スプロケットの回転中心を中心としたピッチ円上に等ピッチで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスプロケット。
3. 前記緩衝材層は、厚さが円周方向で連続的に変化するように設けられ、
   前記複数のスプロケット歯は、各スプロケット歯が等間隔でチェーンと噛み合う位相をゼロとした場合、正側及び負側に位相が変動する波形の位相変動パターンを形成するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のスプロケット。
4. 前記位相変動パターンは、増減変動が複数回繰り返され、前記増減変動の周期が周方向に大から小または小から大に連続して変化するように設定されていることを特徴とする請求項３に記載のスプロケット。
5. 前記位相変動パターンが、増減変動が複数回繰り返され、前記増減変動の周期が主たるトルク変動の周期と同じ部分を含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のスプロケット。
6. 前記スプロケット歯のチェーンとの噛合接触点における該スプロケット歯の歯面の法線に対して、該スプロケット歯に係る前記スプロケット基体の歯部の歯先が径方向外方に位置されるように、前記緩衝材層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のスプロケット。
7. 複数のスプロケットと、前記複数のスプロケットに掛け回されるチェーンとを有する伝動機構であって、
   少なくとも１つのスプロケットが、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載されたスプロケットであることを特徴とする伝動機構。

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