JP7112314B2 - 車両用ベルト - Google Patents

Description

本発明は、車両用ベルトに関する。

例えば、特許文献１に示すように、車両の走行状態に応じてエンジンから出力を取り出す装置として、自動変速機（Automatic Transmission）が知られている。自動変速機としては、エンジンの出力側で変速比を無段階に制御できる無段変速機（ＣＶＴ：Continuously Variable Transmission）と呼ばれる方式が一般的になっている。

無段変速機は、互いに並行に配置される入力軸と出力軸に別々に取り付けられる入力プーリと出力プーリを有している。入力プーリと出力プーリに跨るようにして、変速ベルトとしてのＣＶＴベルトが巻き掛けられる。ＣＶＴベルトは、一般的に、多数の金属エレメントを金属リングに配置（積層）した構成を有している。エンジンからのトルクが入力軸を介して入力プーリに伝達されると、当該トルクがＣＶＴベルトを介して入力プーリから出力プーリに伝達され、当該トルクが出力軸を介して出力プーリから車両駆動系に伝達される。

特開２０１４－２２８０２２号公報

しかしながら、本発明者の鋭意研究によると、従来のＣＶＴベルトは、入力プーリと出力プーリに巻き掛けられた状態での変形許容量が小さいため、無段変速機を長期間に亘って使用した場合の耐久性について改良の余地があることが判明した。

また、ＣＶＴベルトを含む変速ベルト全般及びその他の車両用ベルト（例えば、タイミングベルト、オルタネーターベルト、エアコンベルト、パワーステアリングベルト等）においても同様の課題があり、車両の設置部に設置したときの変形許容量が小さいため、長期間に亘って使用した場合の耐久性が低くなるおそれがある。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、車両の設置部に設置したときの変形許容量を大きく確保して、長期間に亘って使用した場合の耐久性をより一層向上することができる車両用ベルトを提供することを目的とする。

本実施形態の車両用ベルトは、車両の設置部に設置される車両用ベルトであって、小径ループ部と、大径ループ部と、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、を有し、前記小径ループ部と前記大径ループ部は、自由状態で略円環状をなしており、前記渦巻部が渦巻空間を利用して圧縮されることにより、略楕円環状に変形可能である、ことを特徴としている。
本実施形態の車両用ベルトは、車両の設置部に設置される車両用ベルトであって、小径ループ部と、大径ループ部と、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、を有し、前記小径ループ部と前記大径ループ部と前記渦巻部は、繊維状補強材に熱硬化性樹脂を含浸させてなる繊維強化プリプレグを巻回積層して加熱硬化することにより構成される、ことを特徴としている。
本実施形態の車両用ベルトは、車両の設置部に設置される車両用ベルトであって、小径ループ部と、大径ループ部と、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、を有し、前記小径ループ部と前記大径ループ部と前記渦巻部は、繊維強化プラスチックからなる一体成形品又は繊維強化プラスチックとゴム材料の複合成形品から構成される、ことを特徴としている。

前記車両用ベルトは、入力プーリと出力プーリに巻き掛けられるとともに、前記入力プーリから前記出力プーリにトルクを伝達する変速ベルトから構成されてもよい。

本発明によれば、車両の設置部に設置したときの変形許容量を大きく確保して、長期間に亘って使用した場合の耐久性をより一層向上することができる車両用ベルトを提供することができる。

一実施形態によるＣＶＴベルトを搭載した無段変速機の一例を示す側面図である。 一実施形態によるＣＶＴベルトの自由状態を示す斜視図である。 一実施形態によるＣＶＴベルトの自由状態を示す断面図である。 一実施形態によるＣＶＴベルトの変形状態を示す断面図である。 一実施形態によるＣＶＴベルトの製造方法を示す第１の図である。 一実施形態によるＣＶＴベルトの製造方法を示す第２の図である。 一実施形態によるＣＶＴベルトの製造方法を示す第３の図である。

≪ＣＶＴベルト（変速ベルト）への適用例≫
図１～図７を参照して、車両用ベルト１０をＣＶＴベルト（変速ベルト）に適用した一実施形態について説明する。図１～図７は、一実施形態によるＣＶＴベルト１０及びその製造方法、並びに、ＣＶＴベルト１０を搭載した無段変速機１００の一例を示している。

図１に示すように、無段変速機１００は、入力プーリ（プライマリプーリ、車両の設置部）１１０と出力プーリ（セカンダリプーリ、車両の設置部）１２０を有している。入力プーリ１１０は、入力軸１３０に軸支されており、エンジン（図示略）からのトルクが入力軸１３０を介して伝達される。出力プーリ１２０は、出力軸１４０に軸支されており、出力軸１４０を介してエンジンからのトルクを車両駆動系（図示略）に伝達する。

図示は省略しているが、入力プーリ１１０と出力プーリ１２０は、それぞれ、第１円錐面を有する第１ディスクと、第２円錐面を有する第２ディスクとを有している。第１ディスクと第２ディスクの一方は、入力軸１３０及び／又は出力軸１４０と平行な方向に延びるシャフトを有しており、第１ディスクと第２ディスクの他方は、入力軸１３０及び／又は出力軸１４０と平行な方向にシャフトを受ける軸受面を有している。その結果、第１ディスクと第２ディスクは、第１円錐面と第２円錐面が近接離間するように移動することができる。第１ディスクと第２ディスクの第１円錐面と第２円錐面の間には、ＣＶＴベルト１０を巻き掛けるための巻回溝が形成される。

ＣＶＴベルト１０は、入力プーリ１１０と出力プーリ１２０に巻き掛けられる（車両の設置部に設置される）とともに、入力プーリ１１０から出力プーリ１２０にトルクを伝達する。より具体的に、エンジン（図示略）からのトルクが入力軸１３０を介して入力プーリ１１０に伝達されると、当該トルクがＣＶＴベルト１０を介して入力プーリ１１０から出力プーリ１２０に伝達され、当該トルクが出力軸１４０を介して出力プーリ１２０から車両駆動系（図示略）に伝達される。

以上のように構成された無段変速機１００は、入力プーリ１１０にＣＶＴベルト１０が巻き掛けられている駆動領域ＫＤと、入力プーリ１１０より送り出されたＣＶＴベルト１０が進行方向Ｔに隣接する渦巻部４０（後述）の当該部分を押すようにして動力を伝達する押圧領域ＴＤ１と、出力プーリ１２０にＣＶＴベルト１０が巻き掛けられている従動領域ＪＤと、出力プーリ１２０より送り出されたＣＶＴベルト１０が進行方向Ｔに隣接する渦巻部４０（後述）の当該部分により引っ張られて動力を伝達する引張領域ＴＤ２とに区画される。

図２～図４を参照して、ＣＶＴベルト１０の構成について説明する。

ＣＶＴベルト１０（後述する小径ループ部２０と大径ループ部３０と渦巻部４０）は、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）等の各種の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）からなる一体成形品又は繊維強化プラスチックとゴム材料との複合成形品とすることができる。

ＣＶＴベルト１０は、小径ループ部２０と大径ループ部３０と渦巻部４０を有している。渦巻部４０は、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面を繋ぐとともに、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面の間を渦巻いている。渦巻部４０の一端部と小径ループ部２０の外周面の接続部に符号Ｐ１を付し、渦巻部４０の他端部と大径ループ部３０の内周面の接続部に符号Ｐ２を付している。

ＣＶＴベルト１０（小径ループ部２０、大径ループ部３０、渦巻部４０）の軸方向の長さには自由度があり、用途や適用対象等に応じて種々の設計変更が可能である。

図２、図３に示すように、小径ループ部２０と大径ループ部３０は、自由状態で略円環状をなしている（小径ループ部２０と大径ループ部３０が略同心状に位置している）。図１、図４に示すように、小径ループ部２０と大径ループ部３０は、渦巻部４０が渦巻空間を利用して圧縮されることにより、入力プーリ１１０と出力プーリ１２０に巻き掛けられる略楕円環状（略瓢箪型形状）に変形可能となっている。

このように構成されたＣＶＴベルト１０は、自由状態と変形状態に亘って、小径ループ部２０と大径ループ部３０によるループ形状を維持することができる（ループ形状の破壊を防止することができる）。また、ＣＶＴベルト１０は、渦巻部４０の渦巻空間を利用して大変形（例えばループ形状を押し潰すような変形）が可能である。ループ形状を維持しながら大変形を可能とすることで、ＣＶＴベルト１０の耐久性を高めることができる。すなわち、ＣＶＴベルト１０を入力プーリ１１０と出力プーリ１２０に巻き掛けることで無段変速機１００に搭載した場合（車両の設置部に設置した場合）であっても、ＣＶＴベルト１０の変形許容量を大きく確保して、無段変速機１００を長期間に亘って使用した場合の耐久性をより一層向上することができる。

図５～図７を参照して、ＣＶＴベルト１０の製造方法について説明する。

図５に示すように、軸方向に亘って略同径である棒状のマンドレル（芯金）５０を準備する。炭素繊維等の繊維状補強材にエポキシ等の熱硬化性樹脂を含浸させてなる繊維強化プリプレグ６０を準備する。繊維強化プリプレグ６０は矩形シート状をなしており、繊維強化プリプレグ６０の短手方向の長さはマンドレル５０の軸方向の長さよりも短く設定されており、繊維強化プリプレグ６０の長手方向の長さはマンドレル５０の周方向の長さの数十倍に設定されている。ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリイミドフィルム等の材料からなるフィルムに離型処理を施した、離型シート７０を準備する。離型シート７０は矩形シート状をなしており、離型シート７０の短手方向の長さは繊維強化プリプレグ６０の短手方向の長さと略同一に設定されており、離型シート７０の長手方向の長さは繊維強化プリプレグ６０の長手方向の長さよりも短く設定されている。

繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を短手方向に位置合わせして、繊維強化プリプレグ６０の長手方向の中間部に離型シート７０を重ね合わせる。この重ね合わせ状態では、離型シート７０の長手方向の両端部から繊維強化プリプレグ６０の長手方向の両端部がはみ出す。繊維強化プリプレグ６０の長手方向の両端部のはみ出し量は、マンドレル５０の周方向の長さより大きくする。なお、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を所定の位置関係で予め貼り合わせておいてもよい。

マンドレル５０の外周面に、内周側から外周側に向かって順に、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を巻回していく。まず、繊維強化プリプレグ６０のうち、離型シート７０の長手方向の一端部からはみ出した部分を一周より多い巻回量で巻回する（第１巻回工程）。次いで、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０が重なった部分を二周以上に亘って巻回する（第２巻回工程）。最後に、繊維強化プリプレグ６０のうち、離型シート７０の長手方向の他端部からはみ出した部分を一周より多い巻回量で巻回する（第３巻回工程）。

このように、マンドレル５０の外周面に、内周側から外周側に向かって順に、繊維強化プリプレグ６０を一周より多い巻回量で巻回する第１巻回工程と、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を重ねた状態で二周以上に亘って巻回する第２巻回工程と、繊維強化プリプレグ６０を一周より多い巻回量で巻回する第３巻回工程とを実行する。

図６に示すように、第２巻回工程では、離型シート７０に張力を加えながら、繊維強化プリプレグ６０と離型シート７０を重ねた状態で二周以上に亘って巻回することが好ましい。

マンドレル５０の外周面に巻回した繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化する。すると、第１巻回工程で巻回した繊維強化プリプレグ６０のオーバーラップ部分が一体化することによって小径ループ部２０が形成され、第３巻回工程で巻回した繊維強化プリプレグ６０のオーバーラップ部分が一体化することによって大径ループ部３０が形成される。これに対して、第２巻回工程で、離型シート７０と重ねた状態で巻回した繊維強化プリプレグ６０の該当部分は、内外に隣接する層間に必ず離型シート７０が存在するため、一体化することはなく、小径ループ部２０の外周面と大径ループ部３０の内周面の間を繋いで渦巻く渦巻部４０を形成する。離型シート７０の巻回開始位置にある繊維強化プリプレグ６０との境界部は、渦巻部４０の一端部と小径ループ部２０の外周面の接続部Ｐ１に対応する。離型シート７０の巻回終了位置にある繊維強化プリプレグ６０との境界部は、渦巻部４０の他端部と大径ループ部３０の内周面の接続部Ｐ２に対応する。

このように、繊維状補強材に熱硬化性樹脂を含浸させてなる繊維強化プリプレグ６０を巻回積層して加熱硬化することにより、ＣＶＴベルト１０の小径ループ部２０と大径ループ部３０と渦巻部４０が構成される。

繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化して得られた小径ループ部２０の内周面からマンドレル５０を除去する。このとき、離型シート７０は、繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化して得られた渦巻部４０の層間に残存している。この時点での成形体は、軸方向に長いロールケーキ状のものなので、必要に応じて、図７に示すように、カット治具８０を使用して、軸方向の長さを調整した所望のサイズにカットしてもよい。

最後に、繊維強化プリプレグ６０を加熱硬化して得られた渦巻部４０の層間から離型シート７０を除去する。これにより、小径ループ部２０と大径ループ部３０と渦巻部４０とを有するＣＶＴベルト１０が取り出される（製造される）。

以上の実施形態では、車両用ベルト１０をＣＶＴベルトに適用した場合を例示して説明したが、車両用ベルト１０は、ＣＶＴベルトを含む変速ベルト全般及びその他の車両用ベルトにも同様に適用可能である。以下ではこれらの適用例について説明する。

≪ＣＶＴベルトを含む変速ベルト全般への適用例≫
変速ベルトは、基本構成として、ドライブプーリ（例えばエンジンからのトルクを伝達するプーリ）とドリブンプーリ（例えばトルクをタイヤへ伝達するプーリ）を有している。従来、ドライブプーリとドリブンプーリに巻き掛けられて両者を繋ぐベルトとして、スチールベルトとゴムベルトが知られている。スチールベルトは、自動車用途で主流となっており、ゴムベルトは、自動車の高負荷に耐えられないため、スクーター、スノーモービル、農機等への使用が主流となっている。

変速ゴムベルトは、例えば、アラミド繊維等の心線と、それを覆う接着ゴム層および背面の伸張ゴム層と、内側（歯部）の圧縮ゴム層とで構成されている。変速ゴムベルトの内側には、タイミングプーリの外歯に噛み合うように、一定間隔の溝が形成されている。変速ゴムベルトの長所として、屈曲性に優れている、滑りが少なくトルクの伝達効率が良い、油の潤滑が不要である、摩耗による張力低下が少ないこと等が挙げられる。一方、変速ゴムベルトの短所として、長期使用による伸びやクラックの発生等が挙げられる。

本実施形態の車両用ベルト１０は、例えば、上述した変速ゴムベルトの長所を生かしつつ、変速ゴムベルトの短所である耐久性能の面において、自動車用途に適用可能なスチールベルトと同等の耐久性能を実現することができる。つまり、本実施形態の車両用ベルト１０は、従来の変速ベルト（スチールベルトとゴムベルト）の技術課題を解決するための全く新規な構造を備えている。

≪タイミングベルトへの適用例≫
例えば、エンジンを構成する部品の１つとして、ピストン運動を回転運動に変換する軸部材としてのクランクシャフトが知られている。このクランクシャフトの回転運動をカムシャフトに伝達するための伝達部材として、タイミングベルト又はタイミングチェーンが使用される。

従来のタイミングベルトは、例えば、ガラス繊維やアラミド繊維等の心線をゴムで覆った構造を有している。タイミングベルトの内側には、タイミングプーリの外歯に噛み合うように、一定間隔の溝が形成されている。タイミングベルトの長所として、エンジン音が静かである、チェーン式より安価で軽量である、保守に油の潤滑が不要であること等が挙げられる。タイミングベルトの短所として、長期使用でゴムが伸びるためチェーン式より寿命が短いことが挙げられる。

従来のタイミングチェーンは、例えば、金属製のリンクプレートを連結ピンで長手方向及び幅方向（短手方向）に連結した構造を有している。タイミングチェーンの長所として、ベルト式より耐久性が高いことが挙げられ、近年では、静粛性を高めたサイレントチェーンが主流になってきている。タイミングチェーンの短所として、ベルト式より重く高価であり、リンクプレート同士の擦れ合いにより摩擦抵抗が発生し、駆動ロスが大きく、耐久性がオイル潤滑性能に依存すること等が挙げられる。

本実施形態の車両用ベルト１０は、例えば、上述した従来のタイミングベルトとタイミングチェーンの長所を生かしつつ（例えば駆動時の静粛性を維持しつつ）、優れた耐久性を実現することができる。つまり、本実施形態の車両用ベルト１０は、従来のタイミングベルトとタイミングチェーンの技術課題を解決するための全く新規な構造を備えている。

≪補機ベルトへの適用例≫
補機ベルトは、例えば、エンジンのクランクシャフトの回転から動力をとって自動車を動かすために必要なエンジンの機構（充電装置のオルタネーター、冷却装置のウォーターポンプ、油圧パワーステアリングシステムのパワーステアリングポンプ、エアコンのコンプレッサ等）を駆動させるためのベルトである。エンジンのタイプによって、補機ベルト一本で全ての補機を駆動させるものと、クランクシャフトプーリが２、３連で備えられて複数のベルトで駆動させるものとが存在する。

補機ベルトは、例えば、断面に多数のＶ溝を備えたＶリブベルトが主に使われており、ポリエステル繊維等の心線をゴムで覆った構造を有している。あるいは、補機ベルトの背面を帆布で保護したタイプも知られている。補機ベルトの長所として、屈曲性に優れている、滑りが少なくトルクの伝達効率が良い、油の潤滑が不要である、摩耗による張力低下が少ないこと等が挙げられる。補機ベルトの短所として、摩擦伝動のため水や油が付着すると性能が低下する、長期使用による伸びやクラックの発生等が挙げられる。

本実施形態の車両用ベルト１０は、例えば、上述した従来の補機ベルトの長所を生かしつつ、優れた耐久性を実現することができる。つまり、本実施形態の車両用ベルト１０は、従来の補機ベルトの技術課題を解決するための全く新規な構造を備えている。

１０ １０’ ＣＶＴベルト（車両用ベルト、変速ベルト）
２０ 小径ループ部
３０ 大径ループ部
４０ 渦巻部
５０ マンドレル（芯金）
６０ 繊維強化プリプレグ
７０ 離型シート
８０ カット治具
１００ 無段変速機
１１０ 入力プーリ（プライマリプーリ、車両の設置部）
１２０ 出力プーリ（セカンダリプーリ、車両の設置部）
１３０ 入力軸
１４０ 出力軸
ＫＤ 駆動領域
ＪＤ 従動領域
ＴＤ１ 押圧領域
ＴＤ２ 引張領域

Claims (4)

1. 車両の設置部に設置される車両用ベルトであって、
   小径ループ部と、
   大径ループ部と、
   前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、
   を有し、
   前記小径ループ部と前記大径ループ部は、自由状態で略円環状をなしており、前記渦巻部が渦巻空間を利用して圧縮されることにより、略楕円環状に変形可能である、
   ことを特徴とする車両用ベルト。
2. 車両の設置部に設置される車両用ベルトであって、
   小径ループ部と、
   大径ループ部と、
   前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、
   を有し、
   前記小径ループ部と前記大径ループ部と前記渦巻部は、繊維状補強材に熱硬化性樹脂を含浸させてなる繊維強化プリプレグを巻回積層して加熱硬化することにより構成される、
   ことを特徴とする車両用ベルト。
3. 車両の設置部に設置される車両用ベルトであって、
   小径ループ部と、
   大径ループ部と、
   前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面を繋ぐとともに、前記小径ループ部の外周面と前記大径ループ部の内周面の間を渦巻く渦巻部と、
   を有し、
   前記小径ループ部と前記大径ループ部と前記渦巻部は、繊維強化プラスチックからなる一体成形品又は繊維強化プラスチックとゴム材料の複合成形品から構成される、
   ことを特徴とする車両用ベルト。
4. 前記車両用ベルトは、入力プーリと出力プーリに巻き掛けられるとともに、前記入力プーリから前記出力プーリにトルクを伝達する変速ベルトから構成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の車両用ベルト。

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