JP5091276B2 - 歯付ベルトとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、芯糸に撚り合わせた花糸によって歯元部を強化した動力伝達用の歯付ベルトとその製造方法に関するものである。

従来、たとえば、自動車のエンジンや工作機械等における二軸間で動力伝達する部材として、歯付ベルトが広く採用されている。特に、エンジンで使用される歯付ベルトは「タイミングベルト」とも呼ばれている。

歯付ベルトは一般に合成ゴムやポリウレタン樹脂から形成されており、金属からなるローラーチェーンと比較して軽量であり、柔軟であることから回転時にも低騒音であって、さらに潤滑作業も不要である。その一方で、歯付ベルトは素材自体の強度が低く、素材の劣化による切れが発生しやすいことから剛性や耐久性に関する課題も含んでいる。

そこで、従来の歯付ベルトにおいては、歯付ベルト内部にたとえばガラス繊維やアラミド繊維からなる心線を埋設し、ベルト歯部表面をナイロン織布からなる歯布で補強することで歯付ベルトの長手方向の伸びを抑制し、歯付ベルト全体の剛性を向上させている。

ここで、図５を参照して、上記する従来の歯付ベルトを説明する。同図において、歯付ベルトＢにはベルト歯部Ｔとベルト溝部Ｄが交互に形成されており、その内部に複数のアラミド繊維を撚り合わせた心線Ｃを埋設し、歯先側の表面を歯布Ｓで覆い、それらをベルト材Ｇで一体に形成している。

しかし、上記する歯付ベルトＢにおいては、動力伝達の際にベルト歯部Ｔに力Ｆが作用すると、ベルト歯部Ｔが力Ｆ方向に倒れるように変形し、ベルト歯部Ｔとベルト溝部Ｄの境界となる歯元部の境界部Ｐに応力が集中する。そして、それが所定の応力にまで到達すると境界部Ｐにおいて切れが発生し、それを起点としてベルト歯部Ｔの反対側の境界部Ｑに向かって剪断破壊が進展し（破線Ｌ）、その上部のベルト歯部が欠けてしまう。したがって、高負荷条件下においてもベルト歯部の変形を抑制して、ベルト歯部の破損を効果的に抑止できる歯付ベルトの開発が望まれている。

上記する課題に対して、歯元部を強化した歯付ベルトが特許文献１〜３に開示されている。特許文献１に開示の歯付ベルトは、内部に埋設される心線をマルチフィラメントから作製し、その複数のフィラメントの端部をマルチフィラメントの外周面から外方向へ突出するように配することで、ゴムとの接着面積を増加させ、歯付ベルト全体の強化をおこなうものである。また、特許文献２に開示の歯付ベルトは、心線と共にベルト歯部を補強する湾曲部を有するベルト歯部補強用心線をベルト内部に埋設することで、ベルト歯部の強化をおこなうものである。また、特許文献３に開示の歯付ベルトは、心線の巻き付けによって発生する圧力で不織布を歯元部に圧入するとともに、不織布が含有する短繊維を成形時に歯元部に拡散させ、ベルト歯元部を強化するものである。

特開昭５０−６９４５２号公報 実開昭６３−１３７１４９号公報 特開平７−１５６２８８号公報

特許文献１に開示の歯付ベルトにおいては、歯付ベルトの長手方向に対して均一に複数のフィラメントの端部を突出させることができず、心線の強度がその長手方向で不均一となることで、歯付ベルト全体の強度が不均一となってしまう。さらに、このようなマルチフィラメントの作製は複雑であり、製造コストの高騰にも繋がる。また、特許文献２に開示の歯付ベルトにおいては、ベルト歯部補強用心線を心線と共に作製する（撚り合わせる）際に、ベルト歯部のピッチや寸法に合わせて作製する必要がある。さらに、ベルト歯部補強用心線はベルト歯部の外周面に沿うように配置されるため、補強の必要な歯元部のみならず、歯先部を含むベルト歯部全体の剛性が増加し、騒音等の新たな問題が生じ得る。また、特許文献３に開示の歯付ベルトは、不織布の配置において、上記する特許文献２と同様にベルト歯部のピッチに合わせた不織布の配置が必要となる。さらに、成形時のポリウレタンの流動とともにベルト歯部に拡散する不織布の短繊維の配置を制御することは困難で、歯付ベルトの歯元部を効果的に強化することはできない。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、心線の作製が容易であり、歯元部を効果的に強化できる歯付ベルトとその製造方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による歯付ベルトは、少なくとも芯糸と花糸からなる心線が内部に埋設され、ベルト歯部とベルト溝部が交互に形成された歯付ベルトであって、前記芯糸と前記花糸が撚り合わされて、該芯糸の周りに該花糸が複数のループ状に形成されており、ループ状の前記花糸が前記ベルト歯部の歯元部に入り込んで、前記心線と前記ベルト歯部と前記ベルト溝部がベルト材で一体となり、該歯元部が強化されているものである。

ここで、本発明の「芯糸」とは、心線の長手方向の剛性を保持するための高耐熱性かつ高剛性の繊維または繊維束であって、たとえば、パラ系アラミド繊維やメタ系アラミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、超高分子量ポリエステル繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維などを使用できる。

また、本発明の「花糸」とは、上記する芯糸の繊維または繊維束に一体となって撚り合わせた繊維または繊維束であって、芯糸の周りにループ状に形成されており、既述する芯糸の繊維の他に、たとえば、ポリエステル、ナイロン、ポリプロピレン等の合成繊維、レーヨン等の再生繊維、綿、絹等の天然繊維も使用できる。ここで、後述するように、ループ状の花糸（ループ状繊維）は、溶融したベルト素材の流動方向に案内されるような柔軟性を有しているのが好ましい。

また、本発明のベルト材としては、たとえばゴムや、ゴムよりも剛性の高いポリウレタン樹脂を使用することができる。

なお、上記する本発明の芯糸や花糸は、ゴムの加硫温度以上の融点を有する繊維またはポリウレタン樹脂の硬化温度以上の融点を有する繊維から構成されているものである。

上記する形態によれば、芯糸に撚り合わされたループ状の花糸がベルト歯部の歯元部に入り込んでベルト材で一体となり、歯元部において、その花糸が歯付ベルトの長手方向に略均一に配置されることで、歯先部の剛性の増加を抑止しながら、歯元部の全領域を効果的に強化できる。また、心線においては、ベルト歯部のピッチに応じてループ状の花糸を形成する必要がないことから、心線の作製が容易となる。

また、芯糸と花糸が接着糸で接着されていれば、芯糸と花糸の解れを抑止することができる。たとえば、接着糸として融点110〜130℃程度の低融点ナイロン、融点160〜180℃程度の低融点ポリエステル、または鞘部が芯部より相対的に低融点であるポリマーを用いた芯鞘型繊維からなる市販の熱接着糸（「メルター」ともいう）を使用し、芯糸や花糸と共に撚り合わせた熱溶着糸を高温雰囲気下で溶融して芯糸と花糸を接着することで、心線を成形型に巻き付けるまでの芯糸と花糸の解れを確実に防止できる。なお、熱接着糸は、芯糸側または花糸側のいずれに付与してもよく、またその両側に付与してもよい。さらに、この接着糸を花糸自体として使用することもできる。

また、本発明の歯付ベルトの製造方法によれば、少なくとも芯糸と花糸からなる心線が歯付ベルトの内部に埋設され、ベルト歯部とベルト溝部が交互に形成された歯付ベルトの製造方法であって、前記芯糸の周りに前記花糸が複数のループ状に形成されるように、該芯糸と該花糸が撚り合わされた心線を準備する第１の工程と、前記心線に当接させてベルト素材を配設する第２の工程と、高温雰囲気下で前記ベルト素材を溶融させ、前記心線と前記ベルト歯部と前記ベルト溝部をベルト材で一体として、前記ベルト歯部と前記ベルト溝部を形成する第３の工程からなり、前記第３の工程において、ループ状の前記花糸が前記ベルト歯部の歯元部に入り込んで該ベルト歯部を形成し、該歯元部が強化される。

上記する本発明の製造方法によれば、まず、第１の工程において、ベルト歯部のピッチに影響されず、芯糸に花糸をループ状に撚り合わせて心線を準備することができる。なお、ループ状の花糸の大きさ（ループ径、ループ寸法等）は、補強の必要な歯元部にループ状の花糸が配置されるように設定されるのが好ましい。そして、第２の工程において、心線にベルト素材を当接させ、第３の工程において、高温雰囲気下でベルト素材を溶融させることで、溶融してベルト歯部の歯元部へ流れるベルト素材の圧力によって、ループ状の花糸もこの歯元部へ押し込まれることとなる。そして、ベルト素材が硬化することにより、花糸と歯元部がベルト材にて一体とされ、歯元部が花糸にて強化されたベルト歯部が形成される。このように歯元部に入り込んだループ状の花糸は、歯付ベルトの長手方向に略均一に配置されることから、歯先部の剛性の増加を抑止して、効果的に歯元部の全領域を強化することができる。

また、前記第３の工程において、芯糸の周りに形成されたループ状の前記花糸が、前記ベルト素材の溶融によって該芯糸の前記歯元部側へ案内されることが好ましい。

ループ状の花糸が、溶融したベルト素材の流動方向に案内される柔軟性を有していれば、この花糸を歯元部側に集中して配置でき、さらに歯元部の強化を図ることができる。

また、第１の工程において、撚り合わせた芯糸と花糸を接着糸で接着することで、その心線を成形型に巻き付けるまでの芯糸と花糸の解れを確実に防止できる。

本発明の製造方法によって得られた歯付ベルトは、ベルト歯部の歯元部にループ状の花糸が入り込んでベルト歯部が形成されることで、歯元部が強化された歯付ベルトとなる。また本発明で使用される心線は、ベルト歯部のピッチ等に影響されないことから、その作製が容易である。また、本発明の歯付ベルトの製造方法により、芯糸の周りに形成されたループ状の花糸を、溶融して流れてきたベルト素材から受ける圧力によって、芯糸の歯元部側に配向して配置することができ、さらにベルト歯部の歯元部の強化を図ることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の歯付ベルトとその製造方法によれば、歯付ベルトを構成する心線の作製が容易であり、騒音等の発生を抑制でき、ベルト歯部の歯元部が強化されて破損が抑制された歯付ベルトを提供することができる。

本発明の歯付ベルトを示した縦断面図である。 本発明の歯付ベルトを製造するための心線を示した図であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 歯付ベルトを製造する工程を説明した図であって、（ａ）は固定型に心線とベルト素材を配置する工程を説明した図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して説明した図である。 図３に続いて、歯付ベルトを製造する工程を説明した図であって、（ａ）は高温雰囲気下でベルト素材を溶融させる工程を説明した図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して説明した図である。 従来構造の歯付ベルトを示した縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の歯付ベルトを示した図である。また、図２は、本発明の歯付ベルトを製造するための心線を示した図、図３，４は、図２で示す心線を使用して歯付ベルトを製造する工程を示した図である。

図１で示す歯付ベルト１０は、アラミド繊維からなる芯糸１とナイロン繊維からなる花糸２から構成される心線３をその内部に有し、ベルト歯部４とベルト溝部５が交互に形成され、ゴム７でそれらが一体となることで、その大略が構成されている。ここで、芯糸１と花糸２が一体に撚り合わされ、芯糸１の周りに花糸２が複数のループ状に形成されて、芯糸１と花糸２が不図示の接着糸で接着されている。なお、花糸２はその形状から「ループ状繊維」とも称される。また、ベルト歯部４とベルト溝部５の表面には歯布６が配されることで、ベルト表面が補強され、ベルト全体の剛性も向上している。なお、上記する心線３は、歯付ベルト１０の内部に複数本備えられており、それらが歯付ベルト１０の幅方向に離間して埋設されている。

上記するベルト歯部４は、ベルト歯部の歯の先端付近の歯先部８と、ベルト歯部の心線３に近い歯元部９に大別することができる。ベルト歯部４とベルト溝部５の境界となる境界部９ａにおいては、歯付ベルト１０の回転時にベルト歯部４に力が作用すると、その力方向にベルト歯部４が傾くように変形して応力が集中する可能性がある。そこで、本発明の歯付ベルト１０においては、ループ状の花糸２が歯元部９に入り込んでベルト全体がゴム７で一体となり、歯元部９における歯付ベルトの長手方向の全領域に亘って略均一にループ状の花糸２が配置されていることで、それらが補強材として機能し、歯元部９の変形を抑制することができる。したがって、境界部９ａにおける応力の集中を抑制して、ベルト歯部４の破損を抑止できる。また、歯先部８においては、花糸２のループが存在しないことから、歯先部８の剛性の増加を抑制して回転時の騒音等の発生を回避できる。

次に、図２〜４を参照して、本発明の歯付ベルトを製造する工程を説明する。図２ａは、本発明の歯付ベルトを製造するために準備する心線の側面図、図２ｂは図２ａのＢ−Ｂ矢視図である。また、図３ａは、固定型に歯布と心線とベルト素材を配置する工程を説明した図であり、図３ｂはその一部の拡大図である。また、図４ａは、高温雰囲気下でベルト素材を溶融させて歯付ベルトを成形する工程を説明した図であり、図４ｂはその一部の拡大図である。

まず、歯付ベルトの製造に当たり、図２ａで示す芯糸１Ａと花糸２Ａからなる心線３Ａを準備する。ここで、芯糸１Ａは複数本のアラミド繊維からなる撚糸であり、花糸２Ａはナイロン繊維から構成されている。なお、それらの繊維の種類や撚り合わせる繊維の基数や太さ等は図示例に限定されず、所望の強度等に応じて変更できる。

上記する心線３Ａの作製においては、複数本のアラミド繊維を撚り合わせて芯糸１Ａを作製する際に、その周りにループ状にナイロン繊維からなる花糸２Ａを撚り合わせることにより、芯糸１Ａと花糸２Ａが一体となった心線３Ａが作製される。したがって、図２ｂで示すように、芯糸１Ａの周りには複数のループ状の花糸２Ａ（ループ状繊維）が略均一に配されることとなる。

ここで、心線３Ａの作製の際に、たとえば低融点ナイロン繊維からなる、少なくとも芯糸より融点の低い熱接着糸を共に撚り合わせるのが好ましい。芯糸と花糸と熱接着糸からなる心線を、熱接着糸の融点以上かつ少なくとも芯糸の融点以下の高温雰囲気下に設置して熱接着糸を溶融し、それを再び常温まで冷却して熱接着糸の接着剤を硬化させることで、芯糸と花糸を接着固定できる。したがって、撚り合わされて一体となった芯糸と花糸の解れをより確実に抑止できる。

上記する心線３Ａの作製方法として、以下に述べる方法を挙げることができる。まず、花糸が漏斗状のウエストゲージに回転または糸振りさせながら供給され、芯糸と熱接着糸が花糸の少なくとも一部を挟み込むように供給される。ここで、ウエストゲージとは、上部が上方に開放され、出口を構成する下部が狭くなった漏斗状の器具であり、その上部に糸を落として供給することができ、下部が狭くなっていることで供給された糸をその出口付近に一時的に貯めることができるようになっている。次いで、花糸と芯糸と熱接着糸を撚糸機によって撚り合わせることで心線が作製される。なお、その心線は、撚糸機によって実撚りをかけて作製されるものである。すなわち、撚糸機は少なくともボビンとリングとトラベラーを有しており、ボビンがモータ駆動で回転し、ボビンの周りに組み込まれたリングとトラベラーがそのボビンの回転より遅れて回転することで、トラベラーを通過してボビンに巻き付けられる心線に実撚りがかけられる。そして、たとえば、低融点の芯糸が融着する例えば90〜180℃の雰囲気下において、約1秒〜20分程度、熱処理を施すことで、熱接着糸によって芯糸と花糸が接着されて、複数のループ状の花糸が略均一に配され、芯糸と花糸が接着固定された心線が作製される。なお、上記する熱処理工程においては、1kg/cm²以上で加圧されているのが好ましい。

次いで、図３ａで示す外周面に歯型を有する円筒状の固定型Ｓ１と可動型Ｓ２からなる成形型（金型）を用意する。なお、固定型Ｓ１の上面と下面には、可動型Ｓ２を位置決めするための平板Ｓ１１が備えられており、同図においてはその一部を切り欠くことで内部が視認できるようになっている。また、ゴムとの接着性を有するナイロン織布からなる歯布シートを予め所望の寸法に裁断しておき、その端部を縫合して、円筒形状の歯布を準備しておく。

図示するように、上記する端部を縫合した円筒形状の歯布６Ｂを固定型Ｓ１の外周面を覆うように装着する。そして、その周囲に図２で準備した心線３Ｂを螺旋状に巻き付け、さらにその周囲に予め所望の寸法に裁断した平板上のゴム素材７Ｂを巻き付ける。

この工程においては、図３ｂで示すように、芯糸ｌＢに撚り合わされたループ状の花糸２Ｂは、芯糸１Ｂの内周面側（固定型Ｓ１側）と外周面側に略均一に配置されている。

そして、図４ａで示すように、固定型Ｓ１の周囲に巻き付けたゴム素材の周囲を可動型Ｓ２で覆い、それらを加硫工程へと移動して高温雰囲気下でゴム素材を溶融させる。

上記する工程においては、溶融したゴム素材７Ｃが固定型Ｓ１に螺旋状に巻き付けられた心線３Ｃの間を通って、可動型Ｓ２から固定型Ｓ１の方向へ流れていく。その溶融したベルト素材７Ｃの圧力によって、ループ状の花糸２Ｃは芯糸１Ｃの歯元部９Ｃ側へ配向され、芯糸１Ｃの周りに形成されたループ状の花糸２Ｃがベルト歯部４Ｃの歯元部９Ｃに押し込まれることとなる。

さらに、図４ｂで示すように、図３ｂにおいて芯糸の外周面側に形成されたループ状の花糸も、溶融したゴム素材７Ｃの圧力によって、ベルト歯部４Ｃの歯元部９Ｃ側へ配向されて、ベルト歯部４Ｃの歯元部９Ｃにループ状の花糸２Ｃが集中して配置されることとなる。したがって、歯元部９Ｃにおけるループ状の花糸２Ｃの密度が増加し、更なる歯元部の強化を図ることができる。なお、図示するように、ベルト溝部５Ｃにおいてもループ状の花糸２Ｃは芯糸１Ａの内周面側に配置されることとなる。

ここで、上記する心線においては、ベルト歯部と心線の位置が変化しても、ベルト歯部の歯元部にループ状の花糸を配置することができる。したがって、ベルト歯部のピッチに応じて心線を設計する必要がないことから、心線を容易に作製することができる。

溶融したゴム素材７Ｃが固定型Ｓ１に装着された歯布４Ｃまで到達し、ゴム素材７Ｃと歯布６Ｃが接着すると、それらを常温状態まで冷却させる。そして、溶融したゴム素材が硬化することにより、心線３Ｃとベルト歯部４Ｃとベルト溝部５Ｃと歯布６Ｃがゴムで一体とされ、歯元部９Ｃにおいてループ状の花糸２Ｃがベルト長手方向で略均一に配置されて、歯元部９Ｃが強化された歯付ベルトが形成される。

なお、既述する歯付ベルトの成形品においては、脱型後、その背面を研磨して表面処理し、ロットナンバー等を背面に印刷してロールカッター等で所望の幅に裁断される。

このように、歯元部にループ状の花糸が入り込むことにより、歯元部が強化された歯付ベルトを製造することができる。また、花糸の材質、ループ径やループ寸法、その基数等を変更することで、ベルト歯部の剛性を制御できる。

なお、上記する実施の形態の心線においては、ベルト歯部に対応する位置にループ状の花糸を密に配置し、ベルト溝部に対応する位置にその花糸を疎に配置する形態であってもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…芯糸、２…花糸、３…心線、４…ベルト歯部、５…ベルト溝部、６…歯布、７…ゴム、８…歯先部、９…歯元部、１０…歯付ベルト、Ｓ１…固定型、Ｓ２…可動型

Claims (6)

1. 少なくとも芯糸と花糸からなる心線が内部に埋設され、ベルト歯部とベルト溝部が交互に形成された歯付ベルトであって、
   前記歯付ベルトの内部には、該歯付ベルトの幅方向に複数本の心線が離間して埋設されており、
   前記芯糸と前記花糸が撚り合わされて、該芯糸の周りに該花糸が複数のループ状に形成されており、
   ループ状の前記花糸が前記ベルト歯部の歯元部に入り込んで、前記心線と前記ベルト歯部と前記ベルト溝部がベルト材で一体となり、該歯元部が強化されている歯付ベルト。
2. 前記芯糸と前記花糸が接着糸で接着されている、請求項１に記載の歯付ベルト。
3. 前記ベルト材が、ゴムまたはポリウレタン樹脂のいずれかからなる、請求項１または２に記載の歯付ベルト。
4. 少なくとも芯糸と花糸からなる心線が歯付ベルトの内部に埋設され、ベルト歯部とベルト溝部が交互に形成された歯付ベルトの製造方法であって、
   前記芯糸の周りに前記花糸が複数のループ状に形成されるように、該芯糸と該花糸が撚り合わされた心線を準備する第１の工程と、
   前記歯付ベルトの幅方向に複数本の心線を離間して配置し、前記心線に当接させてベルト素材を配設する第２の工程と、
   高温雰囲気下で前記ベルト素材を溶融させ、前記心線と前記ベルト歯部と前記ベルト溝部をベルト材で一体として、前記ベルト歯部と前記ベルト溝部を形成する第３の工程からなり、
   前記第３の工程において、ループ状の前記花糸が前記ベルト歯部の歯元部に入り込んで該ベルト歯部を形成し、該歯元部が強化される、歯付ベルトの製造方法。
5. 前記前記第３の工程において、芯糸の周りに形成されたループ状の前記花糸が、溶融した前記ベルト素材が心線の間を通って流れることによって該芯糸の前記歯元部側へ案内される、請求項４に記載の歯付ベルトの製造方法。
6. 前記第１の工程において、撚り合わされた前記芯糸と前記花糸を接着糸で接着する、請求項４または５に記載の歯付ベルトの製造方法。

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