JP6807212B2 - Vリブドベルト及び動力伝達機構 - Google Patents
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Description
背面を形成する伸張層と、
前記伸張層の一方面に設けられ、当該Vリブドベルトの長手方向に沿って互いに平行して延びる複数のリブを有する圧縮層と、
前記伸張層と前記圧縮層との間に当該Vリブドベルトの長手方向に沿って埋設される芯体と、を備え、
前記圧縮層は、当該Vリブドベルトの幅方向に延びる複数の溝を有し、
前記溝は、当該Vリブドベルトの幅方向に対して角度θ=10〜30°で斜めに配置され、
前記溝の間隔は、当該Vリブドベルト周内で不規則な間隔で配置され、
前記溝の形状は、底部が円弧状で、深さ方向に亘って均一な溝幅を有するU字形状をしており、
前記溝の深さが、前記リブ高さの65〜90%の範囲、
前記溝の幅が、1.2〜1.6mmの範囲、
前記溝の深さ/前記溝の幅の値が、0.81〜2.2の範囲、
の条件を満たすことを特徴とするVリブドベルトである。
ただし、圧縮層に溝を設けることで、圧縮層に設けられたリブが不連続的にプーリに出入りするため、出入りによる特有の動作音(不連続リブの調和音のピーク)が溝の間隔周期に応じて発生し大きな騒音となる場合がある。特に溝をVリブドベルトの幅方向に対して平行(θ=0°)に配置すると、Vリブドベルトの幅方向に存在する複数の不連続リブのプーリへの出入りが同時に起こるため、全体的な騒音のレベルが高くなるが、幅方向に対して傾斜(θ=10〜30°)させて配置することで、不連続リブの出入りが一方の端部から他方の端部へと順次進むので(不連続リブのプーリへの出入りが分散する)、全体としての騒音レベルを低減させることができる。
溝をVリブドベルトの幅方向に対して傾斜させて配置することで全体の騒音レベルは低減されるが、不連続リブの調和音のピーク騒音が依然として残る場合がある。そこで、溝の間隔(ピッチパターン)をVリブドベルト周内で不規則(ランダム)にすることで、調和音のピーク騒音も低減することができる。
また、溝の形状をV字形状ではなく、U字形状にすることで、屈曲したときにリブ根元(リブ底)部付近に発生する圧縮応力を低減することができる。その結果、Vリブドベルトの内部発熱を低減することができる。
また、溝の幅が狭すぎると、Vリブドベルトの屈曲損失の低減が不充分となり、一方で、溝の幅が広すぎると、騒音レベルが高くなってしまう。また、溝の深さが小さすぎると、Vリブドベルトの屈曲損失の低減が不充分となり、一方で、溝の深さが大きすぎると、Vリブドベルトの屈曲時に心線付近にかかる歪みエネルギーが大きくなり、心線のポップアウトに繋がる場合がある。そこで、溝の深さをリブ高さの65〜90%の範囲、溝の幅を1.2〜1.6mmの範囲、溝の深さ/前記溝の幅の値を0.81〜2.2の範囲にすることで、伝達性能を維持しつつ、トルクロス低減、騒音低減、歪みエネルギーの低減(耐ポップアウト)、ベルトの内部発熱の低減(ゴム硬度の上昇が抑制される)による耐久性の向上を実現することができる。
そこで、溝の数を、Vリブドベルトの長手方向の長さ100mmあたり、15〜16本にすることにより、十分なトルクロス低減効果、及び、伝達性能を得ることができる。
前記Vリブドベルトが巻き掛けられる複数のプーリと、を備え、
前記複数のプーリの少なくとも1つは、外径が65mm以下であることを特徴とする動力伝達機構である。
以下、図面を参照しつつ、本願発明に係るVリブドベルト及びVリブドベルトを使用した動力伝達機構の実施形態を説明する。
本実施形態のVリブドベルト1は、図2に示すように、ゴム組成物で構成され、Vリブドベルト背面1Aを形成する伸張層11と、伸張層11の一方面に設けられ、Vリブドベルト長手方向Mに沿って互いに平行して延びる複数のリブ13を有する圧縮層12と、伸張層11と圧縮層12との間にVリブドベルト長手方向Mに沿って埋設される芯体14と、伸張層11と圧縮層12との間に設けられた接着層15とを備えている。なお、接着層15は、必須のものではなく、芯体14、伸張層11及び圧縮層12の接着性を向上させる目的で設けられるものであり、本実施形態のように接着層15と伸張層11との間に芯体14を埋設する形態の他に、接着層15に芯体14を埋設する形態でもよく、圧縮層12と接着層15との間に芯体14を埋設する形態であってもよい。
圧縮層12を形成するゴム組成物のゴム成分としては、加硫又は架橋可能なゴム、例えば、ジエン系ゴム(天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(ニトリルゴム)、水素化ニトリルゴムなど)、エチレン−α−オレフィンエラストマー、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、アルキル化クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、アクリル系ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴムなどが例示できる。これらのゴム成分は単独で又は二種以上組み合わせて使用してもよい。好ましいゴム成分は、エチレン−α−オレフィンエラストマー(エチレン−プロピレン共重合体(EPM)、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)などのエチレン−α−オレフィン系ゴム)、クロロプレンゴムである。特に好ましいゴム成分は、クロロプレンゴムに対し耐久性に優れ、ハロゲンを含まないエチレン−α−オレフィンエラストマーである。EPDMのジエンモノマーの例としては、ジシクロペンタジエン、メチレンノルボルネン、エチリデンノルボルネン、1,4−ヘキサジエン、シクロオクタジエンなどを挙げることができる。
伸張層11は、外被布(補強布)またはゴム組成物で形成される。伸張層11が外被布で形成されている場合、外被布としては、例えば、織布、広角度帆布、編布、不織布などの布材(好ましくは織布)であってもよい。伸張層がゴム組成物で形成されている場合、伸張層を構成するゴム組成物は、圧縮層12を形成するゴム組成物と同じもので形成されていてもよい。伸張層の厚みは、例えば0.6〜4mm、好ましくは0.7〜3mm、さらに好ましくは0.8〜2mm程度である。
接着層15は、ゴム組成物としてエチレンとα−オレフィンと非共役ジエンとの共重合体であるEPDMまたはその他の種類ゴムからなる相手ゴムを混ぜ合わせたブレンドゴムを用いている。エチレンとα−オレフィンと非共役ジエンとの共重合体であるEPDMにブレンドする相手ゴムとしては、ブタジエンゴム(BR)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)、水素化ニトリルゴム(H−NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、天然ゴム(NR)の少なくとも一種のゴムを挙げることができる。なお、上述したように、接着層15は、必須のものではなく、芯体14、伸張層11及び圧縮層12の接着性を向上させる目的で設けられるものであり、本実施形態のように接着層15と伸張層11との間に芯体14を埋設する形態の他に、接着層15に芯体14を埋設する形態でもよく、圧縮層12と接着層15との間に芯体14を埋設する形態であってもよい。
芯体14としては、特に限定されないが、通常、ベルト幅方向Nに所定間隔で配列した心線(撚りコード)を使用できる。心線としては、例えばポリブチレンテレフタレート(PBT)繊維、ポリエチレンテレフタレート(PET)繊維、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)繊維、ポリエチレンナフタレート(PEN)繊維などのポリエステル繊維、6ナイロン繊維、66ナイロン繊維、46ナイロン繊維などのナイロン繊維、コポリパラフェニレン・3,4’オキシジフェニレン・テレフタルアミド繊維、ポリ−p−フェニレンテレフタルアミド繊維などのアラミド繊維、ポリアリレート繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、PBO繊維などを用いることができる。これらの繊維は単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。繊維はマルチフィラメント糸、例えば、繊度2000〜10000デニール(特に4000〜8000デニール)程度のマルチフィラメント糸であってもよい。
本発明のVリブドベルト1の製造方法は特に制限されず、公知又は慣用の方法が採用できる。例えば、圧縮層12と、芯体14が埋設された接着層15と、伸張層11とを、それぞれ未加硫ゴム組成物で形成して積層し、この積層体を成形型で筒状に成形し、加硫してスリーブを成形し、この加硫スリーブを所定幅にカッティングすることにより、個々のVリブドベルト1を形成できる。より詳細には、以下の方法でVリブドベルト1を製造できる。
先ず、表面が平滑な円筒状の成形モールドに伸張層用シートを巻きつけ、このシート上に芯体14を形成する心線(撚りコード)を螺旋状にスピニングし、さらに接着層用シート、圧縮ゴム層用シートを順次巻き付けて積層し、筒状の未加硫成形体を作製する。その後、加硫用ジャケットを成形体の上から被せて金型(成形型)を加硫缶内に収容し、所定の加硫条件で加硫した後、成形モールドから脱型して筒状の加硫スリーブを得る。そして、この加硫スリーブの外表面(圧縮ゴム層)を研削ホイールにより研磨して複数のリブ13を形成した後、カッターを用いてこの加硫スリーブをVリブドベルト長手方向Mに所定の幅にカットしてVリブドベルト1に仕上げる。なお、カットしたVリブドベルト1を反転させることにより、内周面にリブ13を有する圧縮層12を備えたVリブドベルト1が得られる。
先ず、内型として外周面に可撓性ジャケットを装着した円筒状内型を用い、外周面の可撓性ジャケットに未加硫の伸張層用シートを巻きつけ、このシート上に芯体14を形成する心線を螺旋状にスピニングし、さらに未加硫の圧縮層用シートを巻き付けて積層体を作製する。次に、前記内型に装着可能な外型として、内周面に複数のリブ型が刻設された筒状外型を用い、この外型内に、前記積層体が巻き付けられた内型を、同心円状に設置する。その後、可撓性ジャケットを外型の内周面(リブ型)に向かって膨張させて積層体(圧縮ゴム層)をリブ型に圧入し、加硫する。そして、外型より内型を抜き取り、複数のリブ13を有する加硫スリーブを外型から脱型した後、カッターを用いて、加硫スリーブをVリブドベルト長手方向Mに所定の幅にカットしてVリブドベルト1に仕上げる。この方法においても、Vリブドベルト幅方向Nに横断する傾斜した溝18は、加硫スリーブや、所定幅にカットして仕上げたVリブドベルト1において、公知の機械的加工法により切り込んで溝18を形成する。
また、本発明は、上記に記載したVリブドベルト1と、このVリブドベルト1が巻き掛けられる複数のプーリ(例えば、駆動プーリと従動プーリの2個)とを備え、複数のプーリの少なくとも1つが、外径が65mm以下である、動力伝達機構10としても実施される(図1参照)。なお、プーリの1つが、外径65mm以下であれば良いため、プーリの個数は制限されない(図12の試験機参照)。
以下に、実施例に基づいて本発明に係るVリブドベルト1をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。以下の例において、実施例に係るVリブドベルト1に用いた原料、各物性における測定方法及び評価方法を以下に示す。なお、特にことわりのない限り、「部」及び「%」は質量基準である。
EPDM:三井化学(株)製「EPT2060M」
ナイロン短繊維:66ナイロン、平均繊維径27μm、平均繊維長3mm
綿短繊維:デニム、平均繊維径13μm、平均繊維長6mm
酸化亜鉛:正同化学工業(株)製「酸化亜鉛3種」
ステアリン酸:日油(株)製「ステアリン酸つばき」
カーボンブラックHAF:東海カーボン(株)製「シースト3」、平均粒径28nm
含水シリカ:東ソー・シリカ(株)製「Nipsil VN3」
パラフィン系オイル(軟化剤):出光興産(株)製「ダイアナプロセスオイルPW−90」
有機過酸化物:日油(株)製「パークミルD−40」
加硫促進剤A:テトラメチルチウラム・ジスルフィド(TMTD)
加硫促進剤B:N−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジル−スルフェンアミド(CBS)
共架橋剤:p,p’−ジベンジルキノンジオキシム、大内新興化学工業(株)製「バルノックDGM」
心線:1,000デニールのPET繊維を2×3の撚り構成で、上撚り係数3.0、下撚り係数3.0で諸撚りしたトータルデニール6,000のコードを接着処理した撚糸コード、心線径1.0mm。
表1に示す圧縮層形成用のゴム組成物及び接着層形成用のゴム組成物を、それぞれバンバリーミキサーなどの公知の方法を用いてゴム練りを行い、この練りゴムをカレンダーロールに通して所定の厚みを有する圧縮層形成用シート及び接着層形成用シートを作製した。
得られたVリブドベルト1は、図6及び表2に示すように、心線中央[2]からVリブドベルト背面[1]までの距離aを1.00mm、心線底部[3]からVリブドベルト背面[1]までの距離bを1.50mm、リブ底部[4]からVリブドベルト背面[1]までの距離cを2.30mm、リブ先端部[5]からVリブドベルト背面[1]までの距離dを4.30mm、リブピッチeを3.56mm、心線底部[3]からリブ底部[4]までの距離hを0.80mm、リブ先端部[5]からリブ底部[4]までの距離iを2.00mm、リブ先端部[5]から心線底部[3]までの距離jを2.80mmに調整した。
Vリブドベルト1が屈曲されることにより発生する応力をFEM解析した。ここでは屈曲性を確認するための解析なので、圧縮層12に設ける溝18(スリット)は斜めにせず(傾斜角度θ=0°)、間隔P=7.0mmで設けたモデルを含む3タイプ(A、B、C)のVリブドベルト1について解析した。図8に3タイプのVリブドベルト1を示す。
(A)溝18がない場合
(B)U字形状の溝18(底R=0.4mm、溝の深さ=2.0mm、側面角度(K)=0°)を設けた場合
(C)溝幅が広がる形状の溝18(底R=1.0mm、溝の深さ=2.0mm、側面角度(K)=15°)を設けた場合
上記のように、U字形状の溝18(タイプB)を設けることで、ベルト屈曲により圧縮層12(特にリブ先端付近)に生じる応力が低減されるが、曲げ変形による応力が集中する部位が溝18の底部付近(底R付近)に移動する。特に、溝18の底Rに近い接着層15の芯体14下側付近に変形応力(歪み応力)が集中する。芯体14付近が変形応力(歪み応力)を受けると、芯体14と接着層15との界面で剥離が生じやすくなり、Vリブドベルト1の端部に露出する芯体14においては、その剥離によってVリブドベルト1から抜け出すポップアウト現象が生じるおそれがある。
図10に示すように、直径55mmの駆動(Dr)プーリと、直径55mmの従動(Dn)プーリで構成される2軸走行試験機にVリブドベルト1(リブ13の数6個、長さ1100mm)を巻き掛け、100〜900N/ベルト1本の張力範囲でVリブドベルト1に所定の初張力を付与し、従動プーリ無負荷で駆動プーリを2000rpmで回転させたときの駆動トルクと従動トルクとの差をトルクロスとして算出した。表4に、675N/ベルト1本の初張力を付与したときのトルクロスを示した。
上記のフリクションロス測定の試験において、Vリブドベルト1のリブ13表面の温度を測定した。測定は、表面温度計(FLIR SYSTEMS社製SC620)を用い、(A)溝のないVリブドベルト1と、(B)トルクロス低減効果のあった溝18の深さ1.5mm、溝18の幅1.4mm [傾斜角度θ=20°、ランダム間隔(15本/ベルト100mm)、U字形状]のVリブドベルト1とを比較した。
上記試験で用いた寸法形状のVリブドベルト1を、高温低張力逆曲げ試験機にて耐久走行を行い、ベルト温度推移と、耐久寿命を検証した(寿命の目標は200hr以上)。
高温低張力逆曲げ試験は、図12に示すように、駆動プーリ(Dr,直径120mm)、アイドラープーリ(Id,直径85mm)、従動プーリ(Dn,直径120mm)、そしてテンションプーリ(Ten,直径45mm)を順に配置して構成した試験機の各プーリにVリブドベルト1(リブ13の数6個、長さ1100mm)を掛架し、Vリブドベルト1のテンションプーリへの巻き付け角度を90度に、アイドラープーリへの巻き付け角度を120度にして雰囲気温度120℃、駆動プーリの回転数4900rpm、ベルト張力40kgf/3リブの試験条件で、駆動プーリに荷重を付与してVリブドベルト1を走行させ、また従動プーリには負荷12PSを与えて走行させた。
上記の試験において、(A)溝のないVリブドベルト1と、(B)トルクロス低減効果のあった溝18の深さ1.5mm、幅1.4mm [傾斜角度θ=20°,ランダム間隔(15本/ベルト100mm)、U字形状]のVリブドベルト1とを、耐久走行させて比較した。耐久走行において表面温度計(FLIR SYSTEMS社製SC620)で測定したVリブドベルト1のリブ13の表面温度の推移を図13に示す。走行の初期では、高い初張力でプーリに巻き掛かっているためプーリへの接触が強く、摩擦熱の影響で表面温度が高くなったが、走行の経過に伴い張力が安定してくると、溝18を設けたVリブドベルト1の表面温度は、溝18のないVリブドベルト1と比較して低く推移した。その結果、溝18のないVリブドベルト1は447時間で寿命となったが、溝18を設けたVリブドベルト1は750時間まで走行して寿命となった。溝18を設けることで、走行中のVリブドベルト1のゴムの熱による劣化が抑制され、耐久寿命が向上することが分かる。
(A)溝18のないVリブドベルト1と、(B)トルクロス低減効果のあった溝18の深さ1.5mm、幅1.4mm [傾斜角度θ=20°,ランダム間隔(15本/ベルト100mm)、U字形状]のVリブドベルト1とについて、下記の方法で伝達性能を比較した。
図14に示すように、直径120mmの駆動(Dr.)プーリと、直径120mmの従動(Dn.)プーリで構成される2軸走行試験機にVリブドベルト1(リブ13の数6個、長さ1100mm)を巻き掛け、初張力(200、300N/ベルト1本の2水準)をVリブドベルト1に付与した後、駆動プーリ回転数2000rpm、室温雰囲気の条件で従動プーリの負荷(従動トルク)を上げていき、従動プーリに対するVリブドベルト1のスリップ率が2%になったときの従動トルクを測定した。従動トルクの数値が高いほどVリブドベルト1の伝達性能が優れていることを意味する。測定は、Vリブドベルト1ベルトに注水(300ml/分で1分間)した場合(WET)と、注水しない場合(DRY)について、それぞれ行った(図14参照)。
伝達性能試験の結果を図15に示す。これによれば、DRY、WETのいずれの環境下においても、溝18を設けたVリブドベルト1と、溝18がないVリブドベルト1とは大きな差がなく、同じ水準の伝達性能を維持できることが分かった。
図10に示す、直径55mmの駆動(Dr)プーリと、直径55mmの従動(Dn)プーリで構成される2軸走行試験機にVリブドベルト1(リブ13の数6個、長さ1100mm)を巻き掛け、600N/ベルト1本の初張力を付与し、従動プーリ無負荷で駆動プーリを5000rpmで回転させて走行させたときに生じる発音を測定した。
(B)直角溝(傾斜角度θ=0°,等間隔)
(C)斜め溝(傾斜角度θ=20°,等間隔)
(D)斜めランダム溝(傾斜角度θ=20°,ランダムな間隔)
以上の結果から、トルクロス低減(省燃費性)、騒音低減(耐発音性)、耐久寿命、耐ポップアウト性、伝達性能の要求に対して、バランス良く適応できる溝18(スリット)の深さと幅の設計範囲としては、例えば、リブ高さi=2.0mmのVリブドベルト1の場合、溝18の深さが1.3〜1.8mm(リブ高さiの65〜90%)、溝18の幅が1.2〜1.6mm、溝18の深さ/溝幅の値が0.81〜1.5の範囲と云える。
ただし、圧縮層12に溝18を設けることで、圧縮層12に設けられたリブ13が不連続的にプーリ(駆動プーリ2や従動プーリ3)に出入りするため、出入りによる特有の動作音(不連続リブの調和音のピーク)が溝18の間隔周期に応じて発生し大きな騒音となる場合がある。特に溝18をVリブドベルト1のVリブドベルト幅方向Nに対して平行(θ=0°)に配置すると、Vリブドベルト1のVリブドベルト幅方向Nに存在する複数の不連続リブ13のプーリへの出入りが同時に起こるため、全体的な騒音のレベルが高くなるが、Vリブドベルト幅方向Nに対して傾斜(θ=10〜30°)させて配置することで、不連続リブ13の出入りが一方の端部から他方の端部へと順次進むので(不連続リブ13のプーリへの出入りが分散する)、全体としての騒音レベルを低減させることができる。
溝18をVリブドベルト1のVリブドベルト幅方向Nに対して傾斜させて配置することで全体の騒音レベルは低減されるが、不連続リブ13の調和音のピーク騒音が依然として残る場合がある。そこで、溝18の間隔P(ピッチパターンP)をVリブドベルト1周内で不規則(ランダム)にすることで、調和音のピーク騒音も低減することができる。
また、溝18の形状をV字形状ではなく、U字形状にすることで、屈曲したときにリブ根元(リブ13底)部付近に発生する圧縮応力を低減することができる。その結果、Vリブドベルト1の内部発熱を低減することができる。
また、溝18の幅が狭すぎると、Vリブドベルト1の屈曲損失の低減が不充分となり、一方で、溝18の幅が広すぎると、騒音レベルが高くなってしまう。また、溝18の深さが小さすぎると、Vリブドベルト1の屈曲損失の低減が不充分となり、一方で、溝18の深さが大きすぎると、Vリブドベルト1の屈曲時に心線付近にかかる歪みエネルギーが大きくなり、芯体14のポップアウトに繋がる場合がある。そこで、溝18の深さをリブ高さiの65〜90%の範囲、溝18の幅を1.2〜1.6mmの範囲、溝18の深さ/溝18の幅の値を0.81〜2.2の範囲にすることで、伝達性能を維持しつつ、トルクロス低減、騒音低減、歪みエネルギーの低減(耐ポップアウト)、ベルトの内部発熱の低減(ゴム硬度の上昇が抑制される)による耐久性の向上を実現することができる。
2 駆動プーリ
3 従動プーリ
10 動力伝達機構
11 伸張層
12 圧縮層
13 リブ
14 芯体
15 接着層
18 溝(スリット)
M Vリブドベルト長手方向
N Vリブドベルト幅方向
P 間隔(ピッチパターン)
Claims (3)
- プーリに巻き掛けて使用されるVリブドベルトであって、
背面を形成する伸張層と、
前記伸張層の一方面に設けられ、当該Vリブドベルトの長手方向に沿って互いに平行して延びる複数のリブを有する圧縮層と、
前記伸張層と前記圧縮層との間に当該Vリブドベルトの長手方向に沿って埋設される芯体と、を備え、
前記圧縮層は、当該Vリブドベルトの幅方向に延びる複数の溝を有し、
前記溝は、当該Vリブドベルトの幅方向に対して角度θ=10〜30°で斜めに配置され、
前記溝の間隔は、当該Vリブドベルト周内で不規則な間隔で配置され、
前記溝の形状は、底部が円弧状で、深さ方向に亘って均一な溝幅を有するU字形状をしており、
前記溝の深さが、前記リブ高さの65〜90%の範囲、
前記溝の幅が、1.2〜1.6mmの範囲、
前記溝の深さ/前記溝の幅の値が、0.81〜2.2の範囲、
の条件を満たすことを特徴とするVリブドベルト。 - 前記溝の数は、当該Vリブドベルトの長手方向の長さ100mmあたり、15〜16本であることを特徴とする請求項1に記載のVリブドベルト。
- 請求項1又は2に記載のVリブドベルトと、
前記Vリブドベルトが巻き掛けられる複数のプーリと、を備え、
前記複数のプーリの少なくとも1つは、外径が65mm以下であることを特徴とする動力伝達機構。
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