JP5044416B2 - 駆動ベルト - Google Patents
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Description
バンドールネプッシュベルトは多数の横方向エレメントを備えている。この横方向エレメントは引張要素の全周一杯に配置されている。その結果として、変速機のプーリ間で駆動力を伝達可能であり、横方向エレメントは引張手段によって支持および案内されて前進する。同様に金属によって形成された公知のチェーンの場合または複合材料によって製作された公知のVベルトの場合両方共、引張力によって駆動力を伝達するが、これらの場合とは違って、事実上連続する一連の横方向エレメントはプーリシーブの間で締付けられるので、作動中このプーリによって駆動ベルトに加えられる締付け力は、比較的多数の接触面にわたっておよそ均一に分配される。従って、締付け力の結果として駆動ベルトすなわちその横方向エレメントとプーリシーブとの間で生じる接触圧力は、比較的制限されたままである。
特許文献4と特許文献5と特許文献6はすべて本出願人の名前で出願され、特許文献5,6は本願の優先日前に公開されていない。この3つの特許文献は、種々の作用を達成するために、少なくとも1個のシーブの走行面を凸形に形成することを提案している。使用される凸形の正確な形状はその都度、達成すべき作用に依存している。凸形プーリシーブとの最適な相互作用を可能にするために、横方向エレメントの接触面を適切に湾曲させることが知られている。すなわち、変速機の4個のプーリシーブの凸形走行面のために使用される、プーリ軸に対して垂直な径方向に対して定められた、プーリ角度として知られている範囲が、前記接触面の凸形湾曲部において使用される。
この目的を達成するために、本発明は、以下の図に基づく説明において詳述する分析に従って、請求項1記載の手段の組み合わせを使用する変速機を提供する。この種の変速機において、駆動ベルトの接触面の径方向曲率半径またはそのプロファイルは、プーリシーブのために使用される接線方向の曲率半径のプロファイルとも適合している。ここで、駆動ベルトのプーリシーブに対するスリップの防止は、最も重要な設計基準である。その結果、特に作動中の接触面の摩耗は均一に分配され、一部分それに起因して、有利なことに小さい。
図1は、2個のプーリと駆動ベルトと備えた従来技術による無段変速機の断面を示す図である。
図2は図1の変速機の簡略化した側面図である。
図3は、本発明による変速機において駆動ベルトとして有利に使用可能である、プッシュベルトとして知られているベルトの断面図である。
図4は図3に示したプッシュベルトの横方向エレメントの側面図である。
図5は、本発明による変速機において図3のプッシュベルトと組み合わせて使用可能であるプーリシーブと特にその走行面を詳細に示す図である。
図6は、2個のプーリについて規定された一定のプーリ角度を有する変速機の変速比に対して、理論的な分析方法によって近似的に求めた変速機の平衡締付け力比を示す第1例のグラフである。
図7は、変速機の一次プーリについて規定された各々のプーリ角度の輪郭と変速機の二次プーリについて規定された各々のプーリ角度の輪郭を有する変速機の変速比に対して、理論的な分析方法によって近似的に求めた変速機の平衡締付け力比を示す第2例のグラフである。
図8は前記第2例について、二次プーリと駆動ベルトの間の接触圧力を示すグラフであり、この場合横方向エレメントの接触面は一定の径方向曲率半径を有するものである。
図9は図8に一致するグラフであるが、本発明に従って最適化された、横方向エレメントの接触面の径方向曲率半径を有するものである。
変速機1の変速比Rs/Rpは駆動ベルト10の二次回転半径Rsと一次回転半径Rpとの比によって、すなわち各プーリ2,3のプーリシーブ21,22,31,32の間における駆動ベルトの有効径方向位置によって決定される。変速機1の前記回転半径Rp,Rsと、本発明に従って定められた変速比Rs/Rpは、変位可能なシーブ22,32を各プーリ軸20,30に沿って軸方向に移動させることによって変更可能である。図1は低い変速比Rs/Rpを有する変速機1、すなわち一次回転半径Rpが相対的に大きく、二次回転半径Rsが相対的に小さい変速機1を一例として示している。
図2は軸方向に見た側面図の形態で公知の変速機1を示している。この場合、一次プーリ2は図の左側に一次軸20を有し、二次プーリ3は図の右側に二次軸30を有する。この図には、図1と異なり、比較的に高い変速比Rs/Rpを有する変速機1が示してある。この変速比の場合、一次回転半径Rpは二次回転半径Rsよりも小さい。図示した駆動ベルト10はプッシュベルト10として知られているものである。このプッシュベルトは簡単化するために一部だけを示した実質的に連続する一連の横方向エレメント11と、互いに入れ子式に径方向に重ねられた、連続する平らで薄い多数の金属リングの少なくとも1つのセット12とからなっている。
横方向エレメント11の底区間15は側方から見たとき、少なくとも実質的に径方向内側へ先細になっている。それによって、隣接する横方向エレメント11が相対的に傾動可能であり、プッシュベルト10が弧を描くことができる。例えばこの弧のところで、プッシュベルトは各プーリ2,3のプーリシーブ21,22,31,32の間に挟まれる。プッシュベルト10の上記の有効径方向位置、すなわち有効回転半径Rpは、横方向エレメント11の底区間15の上側部の径方向位置にほぼ一致している。この上側部は横方向エレメント11の傾動ライン17と呼ばれる。この傾動ラインに沿って、横方向エレメントは前記弧内で互いに接触している。底区間15は両側に、所謂接触面16を有する。この接触面を介して、横方向エレメント11はプーリシーブ21,22;31,32の間で挟まれ、そして駆動プーリ2の回転が挟まれた横方向エレメント11に摩擦によって伝達される。これにより、横方向エレメント11の間にはかなり大きな押圧力が生じる。その結果、横方向エレメントはリングセット12に沿って被駆動プーリ3の方へ進む。そして、プッシュベルト10が被駆動プーリ3のシーブ31,32の間で挟まれている場所において、横方向エレメント11の間に存在する押圧力は摩擦によってほとんど完全に伝達される。横方向エレメント11は最後に互いに押し合って、被駆動プーリ3から駆動プーリ2へ比較的に小さな押圧力で戻る。これに関連して、リング12のセットは、横方向エレメント11がプッシュベルト10に対し意図された経路に沿い続けることを確実にする。
更に、プーリシーブ43の走行面40は、円錐形状のため、曲率半径Rt40 で接線方向に湾曲している。この曲率半径はプーリシ−ブ43における前記接触点Pの径方向位置Rp,Rs、すなわち駆動ベルト10の各回転半径Rp,Rsと共に変化する。従って、走行面40の接線方向曲率半径Rt40は変速比Rs/Rpに関連して定めることができる。次式(一例として二次プーリ3について書かれている)はこのいわゆる接線方向凸形輪郭Rt40(Rs/Rp)に当てはまる。
しかしながら、従来技術では、横方向エレメント11の設計においてこの接触角度αの範囲をどの位にすべきであるかについて、すなわちどのような接触角度輪郭α(h)に従って横方向エレメント11の接触面16を湾曲させるべきであるかについて詳細に論じられていない。ここで、接触角度輪郭α(h)は図3,4に示した接触面16の垂直方向寸法全体Hについて、接触面上の垂直方向または径方向の位置hに対する接触角度αの輪郭として定めることができる。更に詳しく言うと、従来技術は、径方向曲率半径Rr16または接触面16に関するこの径方向曲率半径の輪郭について少しも開示していない。従って、当業者は一般的に、できるだけ大きな一定の径方向曲率半径Rr16を用いようとする。この曲率径によって、必要な接触角度αの範囲が、接触面16の使用可能な垂直方向寸法全体H内で達成される。しかしながら、本発明によれば、この種の設計は一般的に最適な解決策ではない。
一般的に知られ、そして例えば特許文献6に記載されているように、必要な最小一次締付け力Kp、すなわち駆動ベルト10と一次プーリ2間で供給偶力Tpを伝達するのに充分な大きさの、この駆動ベルトと一次プーリ間の摩擦力を達成するために必要な最小の垂直力は、次式によって少なくとも近似的に求められる。
変速機1の平衡状況のため、すなわち一定の変速比のために必要とされ、平衡締付け力比KpKsとして知られる締付け力Kp,Ks間の比は、次のような平衡状態で発生する。すなわち、各プーリ2,3について、引張力Ftが駆動ベルト10のリング12のセット内で生じ、かつこの引張力が互いに等しい平衡状態で発生する。各プーリ2,3についての引張力Ftは駆動ベルト10に対して径方向に作用する径方向力Frp,Frsの結果として生じる。この径方向力Frp,Frsは局所接触角度λp,λsと、各プーリ2,3のシーブ21,22と31,32の間に加えられる、ほぼ軸方向の締付け力Kp,Ksとの結果として生じる。従って、平衡締付け力比KpKsは、各変速機1に使用される固有の一次プーリ角度輪郭線λp(Rs/Rp)と、二次プーリ角度輪郭線λs(Rs/Rp)によって影響を受ける。
図6からわかるように、2つのプーリ角度が一定で等しい11°の値を有する少なくともこの変速機設計については、平衡締付け力比KpKsがローの1よりも小さな値から、オーバードライブの1よりも大きな値まで変化する。それに対して、図7では、少なくとも、図示したプーリ角度分布λp(Rs/Rp),λs(Rs/Rp)が使用される変速機設計について、平衡締付け力比KpKsが常に1よりも大きいので、この場合一定の変速比Rs/Rpのために必要な一次締付け力Kpは、この目的のために必要な二次締付け力Ksよりも常に大きい。
このスリップは一般的に短時間発生するが、その後、トルクレベルが再び低下するかまたは各締付け力Kp,Ksが上昇したトルクレベルに合わせられるので、特に発生した熱により、特に駆動ベルト10が接着摩耗することになる。これに関連して、特に、駆動ベルト10と各プーリ2,3間の瞬間接触圧力は、摩耗の程度の決定要因である。変速機1、特に駆動ベルト10の満足できる寿命を得るために、設計時に、前記接触圧力の最大値を順守する必要がある。原則的には、この許容最大値は効率から見て接触圧力のための最適値を形成するからである。というのは、この値が使用されると、一方では変速機1が最小の容積を有することができ、他方では少なくとも適用可能なトライポロジー法則によれば、前記トルク伝達率μTが高い値を採り、その結果一定のトルクレベルで小さな締付け力Kp,Ksが有利に使用可能である。
この場合、接触面16の高さHにわたる最適な径方向曲率半径Rr16の輪郭は、実験によって経験的に決定されるがしかし、接触面16と走行面40の局所的接触点における接触圧力について、ヘルツ(Hertzian)の楕円点接触モデルに基づいて計算により決定可能である。このモデルは、プーリ2,3と駆動ベルト10の間の点接触に適用すると、次の法則a〜eを生じる。
a)局所的接触点における低下した半径R[m]として知られていること:
上記の2つの実用的な情報項目からわかるように、接触面16の前記の最適な径方向曲率径Rr16は一般的に、それを走行面40の接線方向丸み付け半径Rt40に単純に適合させることにより、すなわち次式(3’)
d)楕円点接触の所謂ヘルツの式:
この場合、本発明を用いるときに実施すべき計算および/または試験の簡単化と実際の適用のため、接触面16の径方向曲率半径Rr16のプロファイルは、充分な精度で近似値を求めることが可能である。これは、制限された数、例えば10個の不連続変速比Rs/Rpの中でプロファイルにとって最適値を決定し、そして少なくとも4次の多項式関数に計算値を合わせて側面輪郭Rr16(Rs/Rp)全体を決定することによって行われる。この4次の多項式関数は、境界条件として接触角度αと現在の径方向曲率半径Rr16についての2つの限界値、すなわち変速機1の変速比Rs/Rp範囲の最高と最低の値(ロー;オーバードライブ)において接触点Pの位置で必要な限界値を用いる。
図8は、変速比Rs/Rpに対する、二次プーリ3の走行面の接線方向曲率半径Rt40の、関連する変速機設計によって規定されたプロファイル、すなわち前記接線方向凸形輪郭Rt40(Rs/Rp)を示している。この図は更に、ヘルツの接触圧力pHを示している。この接触圧力は接触面16の径方向曲率半径Rr16の最大可能な一定値を有するこの側面輪郭Rr16(Rs/Rp)が使用される場合に生じる。この値は本例では63mmであり、接触面16の有効高さHと接触角度αの範囲(すなわち、図7によれば約7.2〜10.1°)によって定められる。
上記において提案した本発明による方法の単純化、すなわち多項式を有する側面輪郭Rr16(Rs/Rp)の概算、式(3)における因子1/Rr40の無視可能性および/または式(5)の垂直力Fの概算が行われる場合、実際に生じるヘルツ接触圧力pHは、この圧力の平均値を中心にして約10%の誤差で変化する。この誤差はまだ、図8の従来設計された変速機1の誤差よりも常に精度が2倍もよい。更に、本発明は上述のように、ヘルツ接触圧力pHの(最高)レベルのかなりの低下あるいはその代わりに接触面16の要求高さHの有利な低下をもたらす。
Claims (1)
- 一連の横方向エレメント(11)と1組のリング(12)を備え、前記横方向エレメントが両側に接触面(16)を有し、前記接触面が径方向輪郭(Rr16(Rs/Rp))を備え、前記リングが前記横方向エレメント(11)の切欠き内に収容され、前記横方向エレメント(11)が前記1組のリング(12)の周方向に沿って移動できるように駆動ベルト(10)内に収容されている、無段変速機(1)用の駆動ベルトにおいて、
前記接触面(16)の前記径方向輪郭(Rr16(Rs/Rp))の局所的曲率半径(Rr16)が、径方向内側に向かって、最初は急速に縮小し、その後、それよりゆっくりと縮小するか、又は、一定に維持される、
ことを特徴とする駆動ベルト。
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