JP6383102B2 - 圧縮スパンをもつベルト駆動 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮スパンをもつベルト駆動装置に関し、特に、歯付ベルトが歯付ベルト圧縮スパンの所で第１、第２スプロケットの間に自ら（free-standing）弧状スパンを形成するように、歯付ベルト長さよりも短い駆動長さをもつ歯付ベルト駆動装置に関する。

最初のベルト装着時のテンションが、同期ベルトの駆動を成功させる最も重要な要素となる。同期ベルト駆動装置は、同期条件が必要とされる機械を駆動するのに使用される。同期ベルトは、所望するタイミング効果を実現するために歯付ベルトを使用する。

従来の同期ベルト駆動装置は、張り側張力と緩み側張力との比で表される張力比を、良好な結果を得るため、およそ“８”にすることを要求する。およそ８の張力比を使用することは、一定荷重駆動、例えばファン駆動、コンベアベルト駆動などに対して好ましいアプローチであることが証明されている。

自動車産業は、高品質な同期ベルトの開発とともに、トランスファーケース製品用の金属チェーンを同期ベルトに替えて使用する可能性を探求してきた。従来のトランスファーケースでは、エンジンからのパワーを前輪と後輪に分配する金属チェーンを使用している。この構成では、チェーンガイド、密閉ケース、そして注油を必要とする。ベルト駆動装置の利点は、いわゆる乾式トランスファーケースに対するオイルの完全除去にある。

乾式トランスファーケースの課題は、ベルトの初期装着時のテンションにある。トランスファーケースに伝達されるトルクにはたくさんのバリエーションがあるため、仮に張力比「８」が使用されると、必要とされる初期張力は非常に高くなってしまう。高い初期テンションは、低い駆動効率およびベルトノイズ発生を招く。一方、初期張力が低すぎると、高トルクを受けたときにベルトが歯をジャンプする可能性がある。

張力なし（zero tension）駆動装置を達成するためにベルト後ろ側湾曲を使用するという発想は、従来研究されてきた。このアイデアは、駆動長さよりも長いベルトピッチ長さを使用し、緩み側スパン上でベルトを後ろ向きに湾曲させるというものである。従来技術の装置では、２つのベアリングが緩み側スパンの出入り口に配置され、ベルトを所望する後ろ向き湾曲に導くガイドとして機能する。前方トルクがかかると、余分なベルト長さが弧の型を形成する後ろ向き湾曲によって取り除かれる。ベルト後方曲げ剛性は、ベルトの後ろ向き湾曲を可能にすることと関連性がある。

対する金属チェーン駆動装置では、柔軟なチェーンのリンク接続のために曲げ剛性がなく、後ろ向き湾曲を実現することができない。

従来技術の代表として米国特許第８，３０８，５８９号は、乗り物用あるいは入力シャフトと出力シャフトがフレーム上で支持される駆動技術において使用されるベルトおよびチェーン駆動装置であって、入力シャフトと出力シャフトがフレームから突出するベルトおよびチェーン駆動装置を開示し、ベルトおよびチェーン駆動装置は、ａ）ベルトおよびチェーン駆動装置として具現化されているギアホイール付ギアトランスミッションが、入力シャフトと出力シャフトとの間に配置され、ｂ）動作中、ギアホイールすべてが一定速度で回転し、ｃ）入力シャフトと出力シャフトとの間に配置されたギアトランスミッションが、牽引機構としての歯付ベルトとギアホイールとしてのプーリーとを備えたベルトおよびチェーン駆動装置として具現化されており、ｄ）牽引機構が、アラミド、ケブラー（登録商標）、カーボンファイバーあるいは他の繊維質材料で強化されており、ｅ）牽引機構は、無負荷回転中、少なくとも１つのコンポーネントによってプーリー上で腎臓の形となるように押され、負荷の影響下ではコンポーネントは牽引機構と接触せず、ｆ）無負荷回転中での牽引機構の腎臓の形は、駆動側の凸状湾曲部と緩み側の凹状湾曲部によって形成されており、そしてｇ）負荷下の牽引機構の腎臓の形は、駆動側の直線形状と緩み側の強まった凹状湾曲部によって形成される、という特徴をもつ。

歯付ベルトが、歯付ベルトの圧縮スパン上において第１、第２スプロケットの間で自ら（free-standing）弧状スパンを形成するように、歯付ベルト長さよりも短い駆動長さをもつ歯付ベルト駆動装置が求められる。

本発明の一態様は、歯付きベルト圧縮スパン上で前記第１、第２スプロケットの間に自ら（free-standing）弧状スパンを形成するように、歯付きベルト長さよりも短い駆動長さをもつ歯付ベルト駆動装置を提供する。

本発明の他の態様は、本発明の明細書および添付図面によって提示され、明らかにされる。

本発明は、圧縮スパンをもつ歯付きベルト駆動装置であって、第１スプロケットと、第２スプロケットと、歯付きベルト長さを有し、第１スプロケットと第２スプロケットの間で掛け回される歯付きベルトと、歯付きベルトと協同的な関係にあって、歯付きベルトからあらかじめ定められた距離（Ｂ）で配置される第１の直線状ガイド部材と、歯付きベルトと協同的な関係にあって、歯付きベルトからあらかじめ定められた距離（Ｂ）で配置される第２の直線状ガイド部材とを備え、歯付きベルトが、歯付きベルト圧縮スパン上で第１、第２スプロケットの間に自ら（free-standing）弧状スパンを形成するように、歯付きベルト長さが駆動長さよりも長い。

明細書の一部として組み込まれる添付図面は、記載とともに本発明の実施形態を例示し、本発明の原理を説明する。
システムの概略図である。 誘導トルク対押し出し力のチャートである。 誘導トルク対押し出し力のチャートである。

図１は、システムの概略図である。システム１００は、第１スプロケット１０と第２スプロケット２０を備えている。歯付ベルト３０は、スプロケット間で掛け回されている。第１の直線状ガイド４０は、第１スプロケットと第２スプロケットの間で歯付ベルトと協同的な関係をもつ。第２直線状ガイド５０は、第１スプロケットと第２スプロケットの間で歯付ベルトと協同的に関係をもつ。

ベルト３０の弧状部分３１は、第１スプロケットと第２スプロケット間の圧縮スパンに形成されている。凹状の弓型スパン３１は、図１において直線状ガイド５０と関連している。スプロケット２０が駆動スプロケットの場合、凹状スパン３１は描かれた位置で形成される。スプロケット１０が駆動スプロケットになる場合、スパン３２が凹状になる。弧状の凹型スパンは、支持部材など無しで形成されており、ベルトの緩み側だけに形成される。凹状であるベルトの緩み側は軸圧縮下にある。

図１では、スパン３２は引張状態であり、スパン３１は圧縮状態にある。逆方向にトルクがかかると、スパン３２は凹状となり、そしてスパン３１が引張状態となる。例示されたシステムのパラメータは、以下のようになっている。

ベルト全体長さ ７８４ｍｍ
ベルトピッチ長さ １４ｍｍ
スプロケット中心間距離（Ａ） ２１９ｍｍ
駆動長さとベルト長さの差 １０ｍｍ
初期のガイドギャップクリアランス（Ｂ） ２ｍｍ
各スプロケット ２４歯

ベルト長さは、ベルト歯数にベルトピッチ長さを乗じることによって定められる。スプロケット径が同じ場合、駆動長さは、第１スプロケット（１０）の歯数の１／２および第２スプロケット（２０）の歯数の１／２にベルトピッチ長さをそれぞれ乗じ、それをスプロケット間距離（Ａ）の２倍に加えたものである。式では、以下のようになる。

駆動長さ＝２×（Ａ）＋（スプロケット１０の歯数×１／２）×ベルトピッチ長さ
＋（スプロケット２０の歯数×１／２）×ベルトピッチ長さ

ナイロンまたは他の適切な低摩擦材質から成る２つの固定された直線状ガイドを使用し、ベルトスパンに対して平行に直線状ガイドを置くことによって、安定したベルトの後ろ向きへの湾曲、すなわち、ベルト緩み側での前方および逆方向荷重の下での凹状の弧部分を実現することができる。

固定された直線状ガイド４０、５０とベルトとの隙間（Ｂ）は、調整可能である。適切な隙間（Ｂ）は、１ｍｍ〜２ｍｍの間に定められる。１０ｍｍとすると、ベルト長さと駆動長さとの差は、２１９ｍｍの固定された中心間距離（Ａ）を与える。パラメータの数値はすべて例示であり、本発明を限定する意図はない。

このような駆動システムは、一方の側の張力スパンと他方の側の圧縮スパンとの組合せを備えている。システムの圧縮側は、軸圧縮力を受ける直線梁としてモデル化することができる。荷重が限界値、すなわち曲げ荷重に達すると、梁（ここではベルト）が曲がる。曲げの形は、境界条件、すなわちクランプ支持と単純な蝶番支持に従う。これは、梁曲げの不安定と呼ばれる。梁がどちらの側に曲がるのかを予測できず、システムにとって２つの解がある場合、どちらに起こるかは半々である。一方の側にガイドを置くことによって梁はガイドから離れる方向に湾曲し、これによって１つの方向を解とする駆動システムになる。すなわち、ガイドは境界条件を形成する。凹状スパンは、一度形成されると自己永続的である、すなわち、動作中に凹状スパンが自身の凹形状を維持するため、直線状ガイドのような他の装置をベルト凹部分に対して機械的に接触させるようなことを必要としない。

従来技術の駆動装置、すなわちチェーン駆動装置あるいはベルト駆動装置は、スパンを凹型湾曲にするため、アイドラーあるいはテンショナを使用する。また、従来技術のシステムにおいては、アイドラーあるいは緩み側スパンが引張状況にある。チェーン駆動装置は、非固定のリンク接合のためチェーンが崩れることから、圧縮下で動作することができない。

本システムでは、安定した凹状の弧部分の形成を確実にするため、ベルト長さと駆動長さとの適切な差を選択しなければならない。ベルト長さと駆動長さの差を大きくするほど、凹状弧部分の凹の形がより顕著になる。ベルトが長すぎると、凹状の弧部分は過度に険しくなり、凹状弧部分を通過するときのベルトコードの鋭い曲りのため、ベルトの寿命が縮まる。ベルト長さが短すぎると、凹状の弧部分は浅くなって不安定となり、直線状ガイドと接触する前方向へ曲がる可能性がある。これは、エンジンの捩じり振動によってベルトがガイドに打ち当たるとき、ノイズを生成する。

ベルトピッチ長さによって分割される駆動長さは、ベルト歯数を決定する。表記Ｎ_ｆが使用可能であり、“Ｎ”は整数、“ｆ”は分数を表す。ｆ＝０の場合、あるいはベルト長さが駆動長さと合致している場合、“Ｎ＋１”のベルト長さが選択される、すなわち、ベルト長さが、駆動長さより１ベルトピッチ（１つの歯）だけ長くなる。０＜ｆ＜１／２の場合、“Ｎ＋１”歯のベルト長さが選択される。ｆ＞１／２の場合、“Ｎ＋２”歯のベルト長さが選択される、すなわち、ベルト長さが、駆動長さの（１×１／２）よりも大きくなり、これによって、２つの歯すなわちベルトピッチ長さの２倍となる。上で説明された方策を使うと、ベルト長さと駆動長さとの差は、ベルトピッチ長さの１／２からベルトピッチ長さの（１×１／２）の間となる。例えば、１４ｍｍピッチベルトの場合、範囲は（０．５）×１４ｍｍ＝７ｍｍから１．５×１４ｍｍ＝２１ｍｍの範囲となる。

また、駆動長さに対するベルトの全体長さの違いは、以下のように説明できる。引張荷重下では、接点１１と接点２１との間のベルトスパン長さは、中心間距離（Ａ）と等しい。安定した凹部分の形成は、接点１１と接点２１との間のベルト区間３１の長さが中心間距離（Ａ）よりも長くなることを要求する。必要な追加分のベルト長さは、ベルトピッチ長さの１／２倍からベルトピッチ長さの１．５倍の範囲になる。本実施形態例では、ベルトピッチ長さが１４ｍｍであることから、駆動長さを超える余分なベルト長さの範囲は、およそ７ｍｍ〜２１ｍｍとなる。

本駆動システムは、ロックセンタードライブの使用に有効である。ロックセンタードライブでは、各スプロケットの装着位置が固定されているため、スプロケットの中心間距離（Ａ）を変更する対策がされていない。説明したように、ベルト長さは、スプロケット間の中心距離（Ａ）よりもわずかに長く、そうでなければ、ベルトスパン３１、３２両方が直線状になり、曲がって弧状にならない。余分なベルト長さは、緩み側の凹状弧部分３１、３２に使われる。

本駆動システムはまた、システムのコストに重大なインパクトを与える。駆動長さより長いベルト長さと、余分なベルト長さを緩み側凹状弧部に当てることができるため、典型的システムにおいてベルト長さを駆動長さに合わせるために分数のピッチを定める必要性が、完全に除去される。

動作中、ガイド４０、５０はベルトに接触しない。ガイドは、適切な方向、すなわちスプロケット間での凹部形成を確実にする境界条件を与えるだけである。言い換えれば、凹部分が一度形成されると、ガイドはベルトと継続して接触しない。また、凹の形を維持するためにベルトと接触しない。凹部分は支持部材など無しで現れており、弧状の形を維持するための機械的介在を必要としない。ガイド４０、５０は、駆動システムがトルクを切り替える、すなわち、駆動側が被駆動側になって被駆動側が駆動側になるとき、一時的にベルトをガイドする。凹状スパンはトルク反転下で直線状スパンとなるが、それでも隙間（Ｂ）があるためにベルトは継続してガイドに接触しない。

図２は、誘導トルク（INDUCING TORQUE）と押出し力(PUSH OUT FORCE)の対抗チャートである。この例では、ベルトの幅は５０ｍｍ、ピッチが１４ｍｍとなっている。押し出し力は、凹部分を押して駆動スプロケットから離すのに必要な力を示す。押し出し力は、ベルト長さと駆動長さとの差（DIFFERENCE BETWEEN THE BELT LENGTH AND THE DRIVE LENGTH ）が大きくなるにつれて増加する。

誘導トルクは、緩み側スパンを凹状弧部分３１へ導くのに必要なトルクを示す。運転開始時、凹状弧部分は存在するが、ベルトは膨らみ効果によってガイド４０、５０と接点で接触しようとする。誘導トルクが加えられると、膨らみ部分が直線状になり、隙間（Ｂ）がガイドとベルトの間に現れる。誘導トルクが低いほど、ベルトは容易に凹状弧部分を形成する。

誘導トルクは、ベルト長さと駆動長さとの差が大きくなるにつれて減少する。ベルト長さと駆動長さとの差は、ベルトの凹部すなわち湾曲部分の“深さ”を決定する。

図３は、誘導トルク対押し出し力のチャートである。この例では、ベルトの幅は図２のベルトの半分であり、２５ｍｍである。

発明の態様をここまで記載してきたが、ここに記載した本発明の精神及び範囲から離れることなく、構成および関連するパーツにおいて他のバリエーションが作り出されることは、当業者にとって明らかである。

Claims (6)

1. 圧縮スパンをもつ歯付きベルト駆動装置であって、
   第１スプロケットと、
   第２スプロケットと、
   歯付きベルト長さを有し、前記第１スプロケットと前記第２スプロケットの間で掛け回される歯付きベルトと、
   前記歯付きベルトと協同的な関係にあって、前記歯付きベルトからあらかじめ定められた距離（Ｂ）で配置される第１の直線状ガイド部材と、
   前記歯付きベルトと協同的な関係にあって、前記歯付きベルトからあらかじめ定められた距離（Ｂ）で配置される第２の直線状ガイド部材とを備え、
   前記歯付きベルトが、歯付きベルト圧縮スパン上で前記第１、第２スプロケットの間に自ら（free-standing）弧状スパンを形成するように、歯付きベルト長さが駆動長さよりも長いことを特徴とする歯付きベルト駆動装置。
2. 駆動長さと歯付きベルト長さの差が、少なくとも歯付きベルトピッチ長さの１／２倍であることを特徴とする請求項１に記載の歯付きベルト駆動装置。
3. 前記弧状スパンが、前記第１の直線状ガイド部材に対して凹状であることを特徴とする請求項１に記載のベルト駆動装置。
4. 前記弧状スパンが、前記第２の直線状ガイド部材に対して凹状であることを特徴とする請求項１に記載のベルト駆動装置。
5. 圧縮スパンをもつ歯付きベルト駆動装置であって、
   第１スプロケットと、
   第２スプロケットと、
   歯付きベルト長さを有し、前記第１スプロケットと前記第２スプロケットの間で掛け回される歯付きベルトと、
   歯付きベルト第１スパンと協同的な関係にある第１の直線状ガイド部材と、
   歯付きベルト第２スパンと協同的な関係にある第２の直線状ガイド部材とを備え、
   前記歯付きベルト第１スパンが、圧縮状態で弧状凹部の形をもつことを特徴とする歯付きベルト駆動装置。
6. 圧縮スパンをもつ歯付きベルト駆動装置であって、
   第１スプロケットと、
   第２スプロケットと、
   歯付きベルト長さを有し、前記第１スプロケットと前記第２スプロケットの間で掛け回される歯付きベルトと、
   前記歯付きベルトと協同的な関係にあって、前記歯付きベルトからあらかじめ定められた距離（Ｂ）で配置される第１の直線状ガイド部材と、
   前記歯付きベルトと協同的な関係にあって、前記歯付きベルトからあらかじめ定められた距離（Ｂ）で配置される第２の直線状ガイド部材とを備え、
   前記歯付きベルトが、前記第１、第２スプロケットの間に弧状スパンを形成するように、前記歯付きベルト長さが駆動長さより少なくとも１ベルトピッチ長さ分大きいことを特徴とする歯付きベルト駆動装置。
   
   
   

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