JP6227847B1 - コグ付ｖベルト及びそれを用いた伝動システム - Google Patents

Abstract

ベルト(S)の内周面に、ベルト幅方向に沿って延びるコグ(11)を、ベルト長さ方向に一定の間隔をあけて並設する。コグ(11)の突出方向における先端部(12)と、コグ(11)間に設けられた溝部(13)の底部(14)とをいずれも断面円弧状の曲面で形成し、溝部底部(14)の断面形状における曲率半径(R1)をコグ先端部(12)の断面形状における曲率半径(R2)よりも大きくする。

Description

本発明は、コグ付Ｖベルト及びそれを用いた伝動システムに関する。

従来、ベルト方式の伝動システムにおいて、プーリ間で動力を伝達するための伝動ベルトとしてコグ付Ｖベルトが一般的に知られている。このコグ付Ｖベルトは、その内周面や外周面に複数のコグがベルト長さ方向に並んで突設されたものであり、ベルトに厚みをもたせることで、プーリからのベルトの側面方向への圧力に対する剛性を維持しつつ、屈曲性に優れるという利点を有しており、さまざまな技術が開示されている（例えば特許文献１）。

特開２０１４−７０６４４号公報

ところで、そのようなコグ付Ｖベルトを、例えば農機などの大型機械の伝動システムに用いる場合には、ベルトの剛性を維持するためにベルトサイズを大型化する必要があり、それによってベルトの屈曲性が低下するのを避けられず、小径のプーリへの取り付けが困難になるという問題が生じていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大型機械の伝動システムなどに用いるコグ付Ｖベルトの形状に工夫を加えることにより、ベルト剛性を維持しつつ屈曲性を向上させることにある。

前記の目的を達成するために、本発明では、ベルトにおけるコグ間に形成される溝部に着目し、その溝部底部の断面形状における曲率半径をコグ先端部の断面形状における曲率半径よりも大きくすることで、ベルトの屈曲性を向上させることとした。

具体的には、第１の発明は、内周面及び外周面の少なくとも一方に、ベルト幅方向に沿って延びる複数のコグがベルト長さ方向に一定の間隔をあけて並んだ状態で設けられたコグ付Ｖベルトであって、前記隣接するコグ間には、該コグの突出方向と反対向きに凹嵌した溝部が設けられており、前記各コグの突出方向における先端部と、前記各溝部の底部とは断面円弧状の曲面で形成され、前記溝部底部の断面形状における曲率半径は、前記コグ先端部の断面形状における曲率半径よりも大きいことを特徴とする。

上記構成とすることで、コグ間に形成された溝部底部の断面形状の曲率半径がコグ先端部の断面形状における曲率半径よりも大きいため、ベルトを容易に曲げることが可能となる。これによって、コグを設けてベルトに厚みをもたせて側面方向からの圧力に対するベルト剛性の確保を行いつつ、ベルトの屈曲性を向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記コグの先端部と、該コグに隣接する前記溝部の底部とは、両者の間に位置する平面によって接続されており、前記溝部両側の前記平面同士の交差角度は２０°以上３０°以下の値であることを特徴とする。

上記構成とすることで、曲面のみでコグ及び溝部が形成されたベルトと比較して、平面が存在する分だけ、コグ間の溝部をより深く形成することが可能となり、ベルトの屈曲性をさらに向上させることができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記各コグは、前記ベルト長さ方向と垂直で該コグの厚さ方向中央を通る対称面に対して面対称となるように形成されていることを特徴とする。

上記構成とすることで、ベルトの走行方向がベルト長さ方向の一方向に限定されないこととなり、ベルトがベルト長さ方向の両方向に走行する伝動システムに対して、本発明を適用することができる。

第４の発明は、第１〜第３のいずれかの発明のコグ付Ｖベルトが複数のプーリに巻き付けられたことを特徴とする伝動システムです。

上記の構成によれば、コグ付Ｖベルトにコグを設けてベルトに厚みをもたせて側面方向からの圧力に対するベルト剛性の確保を行いつつ、ベルトの屈曲性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、コグ間に形成された溝部の底部と、コグ先端部とを断面円弧状の曲面で形成し、溝部底部の断面形状における曲率半径をコグ先端部の断面形状における曲率半径より大きくしたことにより、コグ付Ｖベルトの剛性を維持しつつ屈曲性を高めることが可能となり、大型農機などの伝動システムに好適に用いられるコグ付Ｖベルトを実現することができる。

本発明の実施形態１に係るコグ付Ｖベルトの一部を示す斜視図である。 図１におけるII−II断面図である。 コグ付Ｖベルトを用いた伝動システムを模式的に示す正面図である。 図３における平面図である。 実施形態２に係るコグ付Ｖベルトを示す図２相当図である。 実施例におけるベルト剛性の解析モデルを示す模式図である。 ベルトの曲げ抵抗力の解析モデルを示す模式図である。 コグ先端部と溝部とを結ぶ平面の交差角度と、コグ先端部の半径との関係を示すグラフである。 コグ先端部と溝部とを結ぶ平面の交差角度と、ベルト剛性との関係の解析結果を示すグラフである。 コグ先端部と溝部とを結ぶ平面の交差角度と、ベルトの曲げ抵抗力との関係の解析結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係るコグ付ＶベルトＳを示し、このベルトＳは、閉じたループを形成するようにエンドレスに構成されており、例えば大型機械の伝動システムなどに用いられる。ベルトＳは、ベルト長手方向に延びる心線７が埋設された心線埋設部１と、心線埋設部１の内周面側（図１における下面側）に一体に設けられた圧縮部２と、心線埋設部１の外周面側（図１における上面側）に設けられた伸長部３とを備える。そして、伸長部３の外周面側には帆布４が一体的に積層されている。

そして、ベルトＳは、ベルト長手方向に垂直な平面における断面形状が、外周面側から内周面側に向かうにつれてベルト幅方向の長さが短くなる台形状となるように形成されている。

心線埋設部１は、ゴム組成物で形成された接着ゴム層８と、該接着ゴム層８の内部にベルト幅方向に互いに隣り合うように並べられた状態で螺旋状に配置されて埋設され、撚られた繊維からなる心線７，７，…とからなる。

接着ゴム層８を構成するゴム組成物のゴム成分としては、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレン・プロピレン・ジエン・ターポリマーゴム（ＥＰＤＭ）などを用いることができる。心線７は、例えばポリエステル（ＰＥＴ）繊維等の撚り糸をレゾルシン・ホルマリン・ラテックス水溶液などに浸漬した後に、乾燥処理を施して製造することができる。

伸長部３は、短繊維がベルト幅方向に配向するように混合分散されたゴム組成物で形成されており、ゴム組成物のゴム成分としては、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレン・プロピレン・ジエン・ターポリマーゴム（ＥＰＤＭ）などを用いることができる。

帆布４は、ナイロン繊維、綿、アラミド繊維、及びそれらの混合繊維等からなる伸性を有する織布にゴム糊に浸漬した後に乾燥させる接着処理を施して製造することができる。

圧縮部２は、短繊維がベルト幅方向に配向するように混合分散されたゴム組成物で成形されており、ゴム組成物のゴム成分としては、クロロプレンゴム（ＣＲ）、エチレン・プロピレン・ジエン・ターポリマーゴム（ＥＰＤＭ）などを用いることができる。

圧縮部２には、ベルト幅方向に沿って延び且つベルト内側方向に突出した凸条からなる複数のコグ１１，１１，…が、ベルト長さ方向に一定のピッチ（間隔）をあけて並設されている。各コグ１１は、前記ベルト長さ方向と垂直で該コグ１１の厚さ方向中央を通る対称面１６に対して面対称となるように形成されている。

そして、図２に示すように、隣接するコグ１１，１１間には、コグ１１の突出方向と反対向きに凹陥した凹条からなる溝部１３が設けられている。各コグ１１の突出方向における先端部１２と、各溝部１３の底部１４とはいずれも断面円弧状の曲面で形成されており、溝部底部１４の断面形状における曲率半径Ｒ２は、コグ先端部１２の断面形状における曲率半径Ｒ１よりも大きくなっている（Ｒ１＜Ｒ２）。

さらに、コグ先端部１２と、該コグに隣接する溝部底部１４との間は平面１５に形成されており、コグ先端部１２と溝部底部１４とはそれらの曲面間に位置する平面１５によって滑らかに接続されている。そして、溝部１３両側（ベルト長さ方向の両側）に位置する平面１５，１５同士の交差角度Ａの大きさは２０°以上３０°以下（２０°≦Ａ≦３０°）であり、図示例では例えば２７°となっている。この交差角度Ａは、２０°未満の場合、Ｒ１＜Ｒ２の関係を保ったままコグ１１，１１，…を形成することが困難となり、その一方で３０°よりも大きい場合には、側圧からの剛性が著しく低くなることから２０°以上３０°以下が好ましい。

以下に、図３及び図４に基づき、本実施形態のベルトＳを用いた伝動システムＶについて説明する。

伝動システムＶは、図３に示すように、互いに離間して配置されて回転軸２２，２２回りに回転する２つのＶプーリからなるプーリＴ，Ｔに本実施形態のベルトＳが巻き付けられたものであり、一方側（例えば図３右側）のプーリＴの動力を、ベルトＳを介して他方側のプーリＴに伝達するようになっている。尚、プーリＴ，Ｔは正転方向（図３では実線の矢印の方向）のみならず逆転方向（同破線の矢印の方向）に回転することで、ベルトＳにより動力を伝達するようになっていてもよい。

ここで、図４に示すように、各プーリＴには、断面Ｖ字状に凹嵌したプーリ溝２１（Ｖ溝）が設けられており、このプーリ溝２１に断面Ｖ字状のベルトＳが嵌合するように巻き付けられている。そして、一方側の駆動プーリＴが回転することに伴い、そのプーリＴのプーリ溝２１にベルトＳが楔効果で食い込むことで、所定の張力がベルトＳに加わり、ベルトＳが駆動プーリＴの回転方向に沿って走行することとなる。このベルトＳの走行に伴って、他方側の従動プーリＴのプーリ溝２１にベルトＳが楔効果で食い込み、そのプーリＴが同一の方向に回転することとなるが、ベルトＳは張力の加わる方向に引っ張られると共にプーリＴ，Ｔの中心方向へ向かってプーリ溝２１に押し付けられ、そのプーリ溝２１からの反力としてプーリ溝２１の側壁２３から圧力を受けることとなる。

ここで、ベルトＳの内周面にコグ１１，１１，…が形成されていることで、プーリ溝２１の側壁２３からの圧力を受ける面積を大きくすることができ、該圧力に対するベルト剛性を確保することができる。そして、コグ１１，１１間に位置する溝部１３の底部１４の断面形状における曲率半径Ｒ２が、コグ１１の先端部１２の断面形状における曲率半径Ｒ１よりも大きくなっていることで、ベルトＳの屈曲性が高められ、ベルトＳを折り曲げてプーリＴ，Ｔに巻き付けることが容易となる。

また、コグ先端部１２と、該コグに隣接する溝部底部１４とが、その間に位置する平面１５によって接続されていることで、仮に平面１５がなくて曲面のコグ先端部１２及び溝部底部１４が直接に接続されている場合に比べてコグ１１をより深く形成することができ、その分、ベルトＳの屈曲性を高めることができる。このとき、溝部１３両側の前記平面１５，１５同士の交差角度は２０°以上３０°以下であることから、ベルトＳの側圧剛性を良好に確保することができる。

以上より、この実施形態においては、ベルトＳの内周面にコグ１１，１１，…が形成されており、さらにコグ１１，１１間に位置する溝部１３の底部１４の断面形状における曲率半径Ｒ２が、コグ１１の先端部１２の断面形状における曲率半径Ｒ１よりも大きいため、プーリＴにおけるプーリ溝２１の側壁２３からの圧力に対するベルト剛性を確保しつつ屈曲性を高めることが可能となり、それによって曲げ抵抗を抑えることができる。こうして曲げ抵抗を抑えることにより、ベルトＳの屈曲疲労にも有利となり、ベルトＳの発熱を抑え寿命を延ばすことができる。

さらに、コグ１１がベルト長さ方向と垂直で該コグ１１の厚さ方向中央を通る対称面１６に対して面対称となるように形成されているため、ベルトＳの走行方向が限定されないこととなり、プーリＴ，Ｔが正転方向及び逆転方向の両方向に回転する伝動システムＶであってもベルトＳを使用することができる。

（実施形態２）
図５は本発明の実施形態２に係るベルトＳ′を示している。尚、図１及び図２と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態では、伸長部３の外周面（図５における上側面）に、ベルト幅方向に沿って延び且つベルト外側方向に突出した凸条からなる複数の外側コグ１８，１８，…が形成されている。ここで各外側コグ１８の形状や外側コグ１８，１８間のピッチは任意とすることができるが、内周側のコグ１１と同様の構成を有していてもよい。つまり、隣接する外側コグ１８間に外側コグ１８の突出方向と反対向きに凹嵌した溝部が設けられると共に、各外側コグ１８の突出方向における先端部と、各溝部の底部とが断面円弧状の曲面で形成され、且つ溝部底部の断面形状における曲率半径が、コグ先端部の断面形状における曲率半径よりも大きくてもよい。その他の構成は実施形態１と同様である。

この場合においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、外側コグ１８，１８，…が形成されることで、プーリ溝２１の側壁２３からの圧力を受ける面積を一層大きくすることができ、該圧力に対するベルト剛性をさらに高めることができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態１及び２では、コグ１１の先端部１２と、該コグ１１に隣接する溝部１３の底部１４とが平面１５によって接続された構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、コグ先端部１２と溝部底部１４とが直接接続された構成であってもよい。

上記実施形態１では、ベルトＳの内周面のみにコグ１１，１１，…が設けられた構成とし、上記実施形態２では、ベルトＳの内周面にコグ１１，１１，…及び外周面に外面コグ１８，１８，…がそれぞれ設けられた構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、ベルトＳの外周面のみにベルト幅方向に沿って延びる複数のコグがベルト長さ方向に一定の間隔をあけて並んだ状態で設けられた構成であって、隣接するコグ間にコグの突出方向と反対向きに凹嵌した溝部が設けられると共に、各コグの突出方向における先端部と、各溝部の底部とが断面円弧状の曲面で形成され、且つ溝部底部の断面形状における曲率半径が、コグ先端部の断面形状における曲率半径よりも大きいものであってもよい。

上記実施形態１では、ベルトＳが２つのプーリＴ，Ｔに巻き付けられた伝動システムとしたが、特にこれに限定されるものではなく、ベルトＳが３つ以上の複数のプーリＴ，Ｔに巻き付けられた伝動システムであってもよい。

以下において、具体的な本発明の実施例について説明する。

（実施例１〜４）
ベルトの厚さ１５ｍｍ、コグ１１，１１間の溝部１３の深さ６ｍｍ、コグ１１，１１間のピッチ１３ｍｍである上記実施形態１と同様の構成のコグベルトＳについて、溝部底部１４の断面形状における曲率半径Ｒ２を３．５ｍｍと固定した上で、コグ先端部１２の断面形状における曲率半径Ｒ１を変化させた。半径Ｒ１と平面１５，１５同士の交差角度Ａとの関係を図８に示す。なお、コグベルトＳの構造上、交差角度Ａは２０°以上とした。続いて以下の解析を行った。

（ベルト剛性の解析）
図６に示すように、上述の交差角度Ａを変化させた各ベルトＳについて、ＶプーリからなるプーリＴのプーリ溝２１に挟んだ上で、各ベルトＳの外周面の幅方向中央部をベルト長さ方向の押さえ棒Ｕ（図では半割状態で示す）で押圧して３点曲げ状態で発生する反力とたわみ量とから剛性Ｇ（単位Ｎ／ｍｍ）を求めるＦＥＭ（有限要素法）解析を行った。その解析結果を図９に示した。

ここで解析条件として、プーリＴの有効直径を４０５ｍｍ、プーリ溝２１のＶ溝角を２６°、押さえ棒Ｕの直径を１０ｍｍとし、ベルトＳを６面体要素、プーリＴと押さえ棒Ｕとを剛体としてモデル化した。

（曲げ抵抗の解析）
図７に示すように、上述の交差角度Ａを変化させたベルトＳについて、プーリＴのプーリ溝２１に挟んだ上で、ベルト長さ方向に所定の張力を加えながらプーリＴに巻き付けた際の曲げ抵抗Ｍ（単位Ｎ・ｍｍ）を求めるＦＥＭ解析を行った。その解析結果を図１０に示した。

ここで解析条件として、プーリＴの有効直径を４０５ｍｍ、プーリ溝２１のＶ溝角を２６°、ベルト張力を３５０Ｎ、コグ１１の１ピッチ分のベルト巻き付け角Ｂを０．０５６６ｒａｄ、ベルトＳを６面体要素、プーリＴと押さえ棒Ｕを剛体としてモデル化した。

（解析結果）
図９及び図１０に示すように、実施例１として交差角度Ａ＝２０°とした場合、Ｒ１＝３．０ｍｍ、ベルト剛性Ｇ＝７０Ｎ／ｍｍ、曲げ抵抗Ｍ＝３１２Ｎ・ｍｍという結果となった。

実施例２として交差角度Ａ＝３０°とした場合、Ｒ１＝２．８８ｍｍ、ベルト剛性Ｇ＝６９．８Ｎ／ｍｍ、曲げ抵抗Ｍ＝３１７．５Ｎ・ｍｍという結果となった。

実施例３として交差角度Ａ＝４０°とした場合、Ｒ１＝２．７ｍｍ、ベルト剛性Ｇ＝６９．３Ｎ／ｍｍ、曲げ抵抗Ｍ＝３２１Ｎ・ｍｍという結果となった。

実施例４として交差角度Ａ＝５０°とした場合、Ｒ１＝２．３３ｍｍ、ベルト剛性Ｇ＝６８．３Ｎ／ｍｍ、曲げ抵抗Ｍ＝３２３．５Ｎ・ｍｍという結果となった。

（比較例）
コグ先端部１２の半径Ｒ１が溝部底部１４の半径Ｒ２よりも大きい（Ｒ１＝３．０ｍｍ、Ｒ２＝１．５ｍｍ）既存のコグベルトについて、前記と同様の解析を行った。その結果、ベルト剛性＝１０３Ｎ／ｍｍ、曲げ抵抗＝７９０Ｎ・ｍｍとなった。

（解析結果の考察）
実施例１〜実施例４は、比較例と比べていずれも曲げ抵抗が４０パーセント程度にまで抑えられている。その一方で、ベルト剛性については６５パーセント程度の低下となっている。つまり、ベルト剛性の低下を抑える形で曲げ抵抗を低下させることができている。このことより、本発明によってベルトの剛性を維持しつつ屈曲性を高めることができることが明らかである。

ここで、図８から読み取れるように、交差角度Ａを大きくするとＲ１が小さくなりベルト側面の面積が小さくなる。それに伴い、図９からも読み取れるように、ベルト剛性Ｇが低下する。そして図１０より、交差角度Ａを大きくすると、曲げ抵抗Ｍが逆に増加することを読み取ることができる。

これらのことから、ベルト剛性の低下を抑えつつ屈曲性を確保するためには、交差角度Ａは２０°〜３０°が好ましい。

以上説明したように、本発明は、コグ付Ｖベルト及びそれを用いた伝動システムに極めて有用である。

Ｓ コグ付Ｖベルト
Ｔ プーリ
Ｖ 伝動システム
１ 心線埋設部
２ 圧縮部
３ 伸長部
４ 帆布
７ 心線
８ 接着ゴム層
１１ コグ
１２ 先端部
１３ 溝部
１４ 底部
１５ 平面
１６ 対称面
１８ 外側コグ
２１ プーリ溝
２２ 回転軸
２３ 側壁

Claims (5)

1. 内周面に、ベルト幅方向に沿って延びる複数のコグがベルト長さ方向に一定の間隔をあけて並んだ状態で設けられたコグ付Ｖベルトであって、
   前記隣接するコグ間には、該コグの突出方向と反対向きに凹嵌した溝部が設けられており、
   前記各コグの突出方向における先端部と、前記各溝部の底部とは断面円弧状の曲面で形成され、
   前記溝部底部の断面形状における曲率半径は、前記コグ先端部の断面形状における曲率半径よりも大きく、
   心線が埋設された心線埋設部と、該心線埋設部の内周面側に設けられた圧縮部と、を備え、前記コグ及び前記溝部が前記圧縮部に設けられていることを特徴とするコグ付Ｖベルト。
2. 請求項１において、
   前記コグの先端部と、該コグに隣接する前記溝部の底部とは、両者の間に位置する平面によって接続されており、
   前記溝部両側の前記平面同士の交差角度は２０°以上３０°以下の値であることを特徴とするコグ付Ｖベルト。
3. 請求項１又は２において、
   前記各コグは、前記ベルト長さ方向と垂直で該コグの厚さ方向中央を通る対称面に対して面対称となるように形成されていることを特徴とするコグ付Ｖベルト。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記心線埋設部がゴム組成物で形成された接着ゴム層を有するとともに、前記圧縮部がゴム組成物で形成されていることを特徴とするコグ付Ｖベルト。
5. 請求項１乃至４のいずれかのコグ付Ｖベルトが複数のプーリに巻き付けられたことを特徴とする伝動システム。

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