JP6829388B2

JP6829388B2 - 歯付ベルト伝動装置

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Publication number: JP6829388B2
Application number: JP2017034981A
Authority: JP
Inventors: 近能　雅彦; 雅彦近能; 章一郎清水; 正人友渕; 善金森
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: US20180245672A1; JP2018141496A; US10816062B2; DE102018202715A1; CN108506433B; CN108506433A

Description

本発明は、ベルト歯を有した歯付ベルトとプーリ歯を有した歯付プーリとを噛み合わせて回転を伝達する歯付ベルト伝動装置に関する。

従来、ベルト歯を有した歯付ベルトとプーリ歯を有した歯付プーリとから成る歯付ベルト伝動装置は、自動車用エンジンのクランク軸とカム軸間の回転の伝達等、駆動軸および従動軸間で回転の伝達を要する用途で幅広く用いられている（例えば、特許文献１、２を参照）。

このような歯付ベルト伝動装置では、装置の駆動時に騒音が発生することから、例えば、ベルト歯やプーリ歯を回転軸に対して斜めに切ったはすば状に形成して、歯当たりを分散して騒音を抑制する等、騒音抑制のための様々な工夫が試みられている。

特開２０１０−１０１３９５号公報特開２０１０−０９６２５７号公報

ところが、近年、自動車の電動化に伴い、モータ等を用いて電気由来の力で補助する装置（ベルトドライブ式の電動パワーステアリング装置等の減速機構）等に歯付ベルト伝動装置を導入することもあり、従来のエンジン用タイミングベルトのような防音カバーでなく補機類が簡素であるため、搭乗者に騒音が届きやすいことから、騒音抑制に対する要求水準が一段と高くなり、更なる騒音抑制のための工夫が要求されていた。

そこで、本出願人が、騒音の発生要因について検討を重ねた結果、歯付ベルトの歯底部と歯付プーリの歯先部との衝突が騒音発生の一因になっていることが分かった。すなわち、高いトルクの伝達が要求される用途で使用される歯付ベルトでは、歯付ベルト１２０の引張強度を確保するために、図８に示すように、ガラス繊維やアラミド繊維等の硬い材料から形成される心線１２３が歯底部１２０ｂ付近に埋設されており、図８のＤ部に示すように、この心線１２３が埋設された歯付ベルト１２０の歯底部１２０ｂが金属製の歯付プーリ１３０の歯先部１３０ａに衝突することが、騒音発生の一因になっていた。

そこで、本発明は、これらの問題点を解決するものであり、歯付ベルトと歯付プーリとの噛合に起因した騒音や振動を低減し、しかも、歯付ベルトの耐久性を向上する歯付ベルト伝動装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、ベルト歯を有した歯付ベルトとプーリ歯を有した歯付プーリとを噛み合わせて回転を伝達する歯付ベルト伝動装置であって、前記歯付ベルトの歯丈および前記歯付プーリの歯丈は、前記歯付ベルトと前記歯付プーリとの噛合開始時において、前記歯付ベルトの歯底部と前記歯付プーリの歯先部とが接触する前に、前記歯付ベルトの歯先部と前記歯付プーリの歯底部とが接触するように設定され、前記ベルト歯は、前記歯付ベルトの歯底部に連続する歯元側凹状湾曲部を有し、前記プーリ歯は、前記歯付プーリの歯先部に連続する歯先側凸状湾曲部を有し、前記歯付ベルトと前記歯付プーリとの噛合開始時において、前記歯付ベルトの前記歯先部と前記歯付プーリの前記歯底部とが接触した後に、前記歯付ベルトの前記歯元側凹状湾曲部と前記歯付プーリの前記歯先側凸状湾曲部とが接触し、さらにその後に、前記歯付ベルトの前記歯底部と前記歯付プーリの前記歯先部とが接触するとともに、前記歯付ベルトの前記歯先部および前記歯付プーリの前記歯底部の間の接触箇所と、前記歯付ベルトの前記歯元側凹状湾曲部および前記歯付プーリの前記歯先側凸状湾曲部の間の接触箇所との間において、前記ベルト歯および前記プーリ歯の側面部分同士が接触するように、前記歯付ベルトおよび前記歯付プーリが形成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１、２に係る発明によれば、歯付ベルトと歯付プーリとの噛合開始時において、歯付ベルトの歯底部と歯付プーリの歯先部とが接触する前に、歯付ベルトの歯先部と歯付プーリの歯底部とが接触するように、歯付ベルトの歯丈および歯付プーリの歯丈が設定されている。
これにより、歯付ベルトと歯付プーリとの噛合開始時の衝撃を、ゴム等の弾性材料で形成された歯付ベルトの歯先部の弾性変形によって緩衝した後に、歯付ベルトの歯底部と歯付プーリの歯先部とを接触させることが可能であるため、ガラス繊維やアラミド繊維等の硬い材料から成る心線が埋設された歯付ベルトの歯底部と、金属等から成る歯付プーリの歯先部との接触に起因して発生する騒音や振動を低減することができる。
また、噛合時の衝撃を歯付ベルトの歯先部の弾性変形によって緩衝した後に、歯付ベルトの歯底部と歯付プーリの歯先部とを接触させることにより、硬い心線が埋設された歯付ベルトの歯底部と金属製の歯付プーリの歯先部との擦れに起因した、歯付ベルトの歯底部の摩耗を抑制することが可能であるため、歯付ベルトの寿命を延ばすことができ、また、歯付ベルトの歯丈を長く設定することで、ベルト歯がプーリ歯に掛かるアンカー効果を向上することが可能であるため、歯飛びの発生を抑制でき、これにより、歯付ベルトの高速運転等にも対応できる等、歯付ベルト伝動装置の使用用途を拡大することができる。

本請求項３に係る発明によれば、ベルト歯の歯面の歯元側凹状湾曲部の曲率半径が、プーリ歯の歯面の歯先側凸状湾曲部の曲率半径以上に設定されていることにより、歯付ベルトと歯付プーリとの噛合途中で、ベルト歯の歯元側凹状湾曲部と歯付プーリの歯先側凸状湾曲部とを確実に接触させることが可能であるため、ベルト歯の歯元側凹状湾曲部と歯付プーリの歯先側凸状湾曲部とを滑らかに接触させ、噛合時の衝撃を緩衝することができるばかりでなく、以下の効果を奏することができる。すなわち、歯付ベルトと歯付プーリとが噛み合った状態で、ベルト歯の歯元側凹状湾曲部と歯付プーリの歯先側凸状湾曲部とを接触させることにより、ベルト歯の歯元側において、プーリ歯に対してベルト歯が前後方向（ベルト長手方向）に動くことを抑制するため、往復運転を要する装置や自動車特有の爆発変動が発生するエンジンに歯付ベルト伝動装置を適用した場合であっても、ベルト歯とプーリ歯とが前後方向に衝突することに起因した騒音や振動の発生を抑制でき、また、ベルト歯の歯元に掛かるせん断力も同様に低減できるので、歯欠け等を防止でき、歯付ベルトの寿命を延ばすことができる。
本請求項４に係る発明によれば、ベルト歯の歯面の圧力角が、プーリ歯の歯面の圧力角よりも大きく設定されていることにより、歯付ベルトと歯付プーリとの噛合時に、ベルト歯およびプーリ歯の側面部分においてベルト歯とプーリ歯の歯面間に空隙が生じるため、歯面間に挟み込まれた空気が封じ込められることなく、圧縮空気を歯筋方向に開放して、破裂音による噛合騒音の一因を回避すると同時に、前記歯面間の空隙によって噛合衝撃力を弾力的に緩和することができる。また、前記歯面間の空隙に、弾性変形したベルト歯の弾性材料を逃がすことが可能であるため、衝突のエネルギーを緩和することができ、また、弾性変形したベルト歯の弾性材料が前記歯面間の空隙を埋めることで、ベルト歯がプーリ歯に掛かるアンカー効果を向上して、歯飛びの発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る歯付ベルト伝動装置を示す斜視図。歯付ベルトおよび歯付プーリを示す説明図。歯付ベルトおよび歯付プーリの噛合途中の状態を示す説明図。歯付ベルトの第１変形例を示す説明図。歯付ベルトの第２変形例を示す説明図。歯付ベルトの第３変形例を示す説明図。歯付プーリの変形例を示す説明図。参考例である歯付ベルトおよび歯付プーリを示す説明図。

以下に、本発明の一実施形態に係る歯付ベルト伝動装置１０について、図面に基づいて説明する。

まず、歯付ベルト伝動装置１０は、図１に示すように、ベルト歯２２を内周側に有した歯付ベルト２０と、プーリ歯３２を外周側に有した複数の歯付プーリ３０とから構成され、歯付プーリ３０に歯付ベルト２０を掛け回すことにより、駆動側の歯付プーリ３０から従動側の歯付プーリ３０に回転を伝達するようになっている。

歯付ベルト２０は、図１に示すように、ベルト本体２１と、ベルト本体２１の内周面にベルト長手方向に所定間隔を置いて形成された複数のベルト歯２２とを有している。ベルト本体２１およびベルト歯２２は、ゴム等の弾性材料から形成されている。

また、ベルト本体２１内には、図１や図２に示すように、ガラス繊維やアラミド繊維等から成る心線２３が埋設されている。この心線２３は、ベルト長手方向に沿って延び、歯付ベルト２０の歯底部２０ｂよりも僅かに内側に配置されている。また、ベルト歯２２の表面には、図１に示すように、歯布２４が設けられている。

歯付プーリ３０は、金属等から成り、図１に示すように、プーリ本体３１と、プーリ本体３１の外周面にプーリ周方向に所定間隔を置いて形成された複数のプーリ歯３２とを有している。

本実施形態では、ベルト歯２２やプーリ歯３２が、回転軸に対して斜めに切ったはすば状に形成されている。なお、図１においては、ベルト歯２２やプーリ歯３２が回転軸に対して平行に切った平歯状に形成されているものとして図示した。

各ベルト歯２２の歯面は、図２に示すように、歯付ベルト２０の歯底部２０ｂに連続する歯元側凹状湾曲部２２ａと、歯付ベルト２０の歯先部２０ａの頂点に連続する歯先側凸状湾曲部２２ｂとを有している。また、各ベルト歯２２は、ベルト長手方向に前後対称に形成され、言い替えると、（歯付ベルト２０の歯先部２０ａの頂点を通る）ベルト歯２２の半径線Ｌ１を挟んで対称に形成されている。

各プーリ歯３２の歯面は、図２に示すように、歯付プーリ３０の歯先部３０ａに連続する歯先側凸状湾曲部３２ａと、歯付プーリ３０の歯底部３０ｂの頂点に連続する歯元側凹状湾曲部３２ｂとを有している。（歯付プーリ３０の歯底部３０ｂの頂点を通る）プーリ歯３２の半径線Ｌ２を挟んで対向するプーリ歯３２の歯面は、半径線Ｌ２を挟んで対称に形成されている。

歯付ベルト２０と歯付プーリ３０との噛合時には、ベルト歯２２の歯元側凹状湾曲部２２ａとプーリ歯３２の歯先側凸状湾曲部３２ａとが対向して接触するとともに、ベルト歯２２の歯先側凸状湾曲部２２ｂとプーリ歯３２の歯元側凹状湾曲部３２ｂとが対向して接触する。

なお、本実施形態では、これら湾曲部２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂが、円弧状に形成されているが、これら湾曲部２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂの具体的態様は上記に限定されず、例えば、曲率半径が連続的に変化する円弧に近い曲線、二次曲線、放物線等から湾曲部２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂを形成してもよい。

また、ベルト歯２２の歯元側凹状湾曲部２２ａと歯先側凸状湾曲部２２ｂとを直接的に滑らかに連続させてもよく、また、歯元側凹状湾曲部２２ａと歯先側凸状湾曲部２２ｂとの間に他の平坦部や湾曲部を介在させてもよい。
同様に、プーリ歯３２の歯先側凸状湾曲部３２ａと歯元側凹状湾曲部３２ｂとを直接的に滑らかに連続させてもよく、また、歯先側凸状湾曲部３２ａと歯元側凹状湾曲部３２ｂとの間に他の平坦部や湾曲部を介在させてもよい。

次に、本実施形態の歯付ベルト伝動装置１０が特徴とする歯付ベルト２０および歯付プーリ３０の設計の関係性について、以下に説明する。

まず、歯付ベルト２０の歯丈Ｅ１および歯付プーリ３０の歯丈Ｅ２は、歯付ベルト２０と歯付プーリ３０との噛合開始時において、歯付ベルト２０の歯底部２０ｂと歯付プーリ３０の歯先部３０ａとが接触する前に、歯付ベルト２０の歯先部２０ａと歯付プーリ３０の歯底部３０ｂとが接触するように設定されており、本実施形態の場合、図２に示すように、歯付ベルト２０の歯丈Ｅ１が、歯付プーリ３０の歯丈Ｅ２よりも大きく設定されている。

これにより、歯付ベルト２０と歯付プーリ３０との噛合開始時に、図３のＤ部において、歯付ベルト２０の歯底部２０ｂと歯付プーリ３０の歯先部３０ａとが接触する前に、図３のＡ部において、歯付ベルト２０の歯先部２０ａと歯付プーリ３０の歯底部３０ｂとが接触する。その結果、歯付ベルト２０と歯付プーリ３０との噛合時の衝撃を、図３のＡ部において、ゴム等の弾性材料で形成される歯付ベルト２０の歯先部２０ａの弾性変形によって緩衝した後に、図３のＤ部において、歯付ベルト２０の歯底部２０ｂと歯付プーリ３０の歯先部３０ａとを接触させることができる。

また、ベルト歯２２の歯元側凹状湾曲部２２ａの曲率半径Ｒ１は、プーリ歯３２の歯先側凸状湾曲部３２ａの曲率半径Ｒ２以上に設定されている。これにより、歯付ベルト２０と歯付プーリ３０との噛合途中で、図３のＣ部において、各ベルト歯２２の歯元側凹状湾曲部２２ａと各プーリ歯３２の歯先側凸状湾曲部３２ａとを確実に接触させることが可能であるため、ベルト歯２２とプーリ歯３２とが噛み合った状態で、ベルト歯２２の歯元側において、プーリ歯３２に対してベルト歯２２が前後方向（ベルト長手方向）に動くことを抑制することができる。

また、ベルト歯２２の歯面の圧力角α１は、プーリ歯３２の歯面の圧力角α２よりも大きく設定されていることにより、図３のＢ部に示すように、ベルト歯２２およびプーリ歯３２の側面部分（歯付ベルト２０の歯先部２０ａと歯元側凹状湾曲部２２ａとの間、または、歯付プーリ３０の歯底部３０ｂとの歯先側凸状湾曲部３２ａとの間）において、ベルト歯２２とプーリ歯３２の歯面間に空隙を確実に生じさせることができる。

なお、「ベルト歯２２の歯面の圧力角α１」とは、基準部（噛合部）におけるベルト歯２２の歯面の接線と、（歯付ベルト２０の歯先部２０ａの頂点を通る）歯付ベルト２０の半径線Ｌ１との間に形成される角度のことを意味する。
同様に、「プーリ歯３２の歯面の圧力角α２」とは、基準部（噛合部）におけるプーリ歯３２の歯面の接線と、（歯付プーリ３０の歯底部３０ｂの頂点を通る）歯付プーリ３０の半径線Ｌ２との間に形成される角度のことを意味する。

また、歯付ベルト２０と歯付プーリ３０とが噛み合った状態では、ベルト歯２２の歯面がプーリ歯３２の歯面に馴染むように弾性変形するので、図３のＤ部において、歯付ベルト２０の歯底部２０ｂと歯付プーリ３０の歯先部３０ａとが接触するとともに、最終的にベルト歯２２の歯面がプーリ歯３２の歯面に対して全体的に接触して、伝達すべき動力が、局所的に応力集中することなく、ベルト歯２２とプーリ歯３２との相互間で充分に伝達される。

また、本実施形態では、図３のＣ部において、ベルト歯２２の歯元側凹状湾曲部２２ａとプーリ歯３２の歯先側凸状湾曲部３２ａとが接触する前に、図３のＡ部において、歯付ベルト２０の歯先部２０ａと歯付プーリ３０の歯底部３０ｂとが接触するように構成されているが、反対に、図３のＣ部において、ベルト歯２２の歯元側凹状湾曲部２２ａとプーリ歯３２の歯先側凸状湾曲部３２ａとが接触した後に、図３のＡ部において、歯付ベルト２０の歯先部２０ａと歯付プーリ３０の歯底部３０ｂとが接触するように構成してもよい。

また、本実施形態では、図３のＣ部において、ベルト歯２２の歯元側凹状湾曲部２２ａとプーリ歯３２の歯先側凸状湾曲部３２ａとが接触した後に、図３のＤ部において、歯付ベルト２０の歯底部２０ｂと歯付プーリ３０の歯先部３０ａとが接触するように構成されている。

以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。

例えば、上述した実施形態では、歯付ベルト伝動装置１０が電動パワーステアリング装置に組み込まれて使用されるものとして説明したが、本発明の歯付ベルト伝動装置１０の用途は、これに限定されず、例えば、自動車エンジン用のタイミングシステムに組み込んで使用してもよい。
また、上述した実施形態では、ベルト歯２２およびプーリ歯３２が、はすば状に形成されているものとして説明したが、ベルト歯２２およびプーリ歯３２の具体的態様は上記に限定されず、例えば、ベルト歯２２およびプーリ歯３２を平歯状に形成してもよい。
また、上述した実施形態では、図２に示すように、歯付ベルト２０の歯先部２０ａが凸状の湾曲部として形成されているが、歯付ベルト２０の歯先部２０ａの形状は如何なるものでもよく、例えば、歯付ベルト２０の歯先部２０ａを平坦面状に形成してもよい。
また、図４〜図７に示すように、歯付ベルト２０の歯先部２０ａや歯付プーリ３０の歯底部３０ｂに１つまたは複数の凹部２０ｃ、３０ｃを形成してもよく、この場合、歯付ベルト２０の歯先部２０ａと歯付プーリ３０の歯底部３０ｂとの接触時に、歯付ベルト２０の歯先部２０ａと歯付プーリ３０の歯底部３０ｂとの間に挟み込まれた空気が封じ込められることなく、圧縮空気を歯筋方向に逃がして騒音の一因を回避できるとともに、前記空隙に、弾性変形したベルト歯２２の弾性材料を逃がすことが可能であるため、衝突のエネルギーを緩和することができる。

１０・・・歯付ベルト伝動装置
２０・・・歯付ベルト
２０ａ・・・歯先部
２０ｂ・・・歯底部
２０ｃ・・・凹部
２１・・・ベルト本体
２２・・・ベルト歯
２２ａ・・・歯元側凹状湾曲部
２２ｂ・・・歯先側凸状湾曲部
２３・・・心線
２４・・・歯布
３０・・・歯付プーリ
３０ａ・・・歯先部
３０ｂ・・・歯底部
３０ｃ・・・凹部
３１・・・プーリ本体
３２・・・プーリ歯
３２ａ・・・歯先側凸状湾曲部
３２ｂ・・・歯元側凹状湾曲部
Ｌ１・・・歯付ベルトの半径線
Ｌ２・・・歯付プーリの半径線
Ｅ１・・・歯付ベルトの歯丈
Ｅ２・・・歯付プーリの歯丈
Ｒ１・・・ベルト歯の歯元側凹状湾曲部の曲率半径
Ｒ２・・・プーリ歯の歯先側凸状湾曲部の曲率半径
α１・・・ベルト歯の歯面の圧力角
α２・・・プーリ歯の歯面の圧力角

Claims

ベルト歯を有した歯付ベルトとプーリ歯を有した歯付プーリとを噛み合わせて回転を伝達する歯付ベルト伝動装置であって、
前記歯付ベルトの歯丈および前記歯付プーリの歯丈は、前記歯付ベルトと前記歯付プーリとの噛合開始時において、前記歯付ベルトの歯底部と前記歯付プーリの歯先部とが接触する前に、前記歯付ベルトの歯先部と前記歯付プーリの歯底部とが接触するように設定され、
前記ベルト歯は、前記歯付ベルトの歯底部に連続する歯元側凹状湾曲部を有し、
前記プーリ歯は、前記歯付プーリの歯先部に連続する歯先側凸状湾曲部を有し、
前記歯付ベルトと前記歯付プーリとの噛合開始時において、
前記歯付ベルトの前記歯先部と前記歯付プーリの前記歯底部とが接触した後に、前記歯付ベルトの前記歯元側凹状湾曲部と前記歯付プーリの前記歯先側凸状湾曲部とが接触し、
さらにその後に、
前記歯付ベルトの前記歯底部と前記歯付プーリの前記歯先部とが接触するとともに、
前記歯付ベルトの前記歯先部および前記歯付プーリの前記歯底部の間の接触箇所と、前記歯付ベルトの前記歯元側凹状湾曲部および前記歯付プーリの前記歯先側凸状湾曲部の間の接触箇所との間において、前記ベルト歯および前記プーリ歯の側面部分同士が接触するように、
前記歯付ベルトおよび前記歯付プーリが形成されていることを特徴とする歯付ベルト伝動装置。
前記歯付ベルトの歯丈は、前記歯付プーリの歯丈よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の歯付ベルト伝動装置。
前記ベルト歯の前記歯元側凹状湾曲部の曲率半径は、前記プーリ歯の前記歯先側凸状湾曲部の曲率半径以上に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の歯付ベルト伝動装置。
前記ベルト歯の歯面の圧力角は、前記プーリ歯の歯面の圧力角よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の歯付ベルト伝動装置。