JP7458886B2 - スプロケット - Google Patents

Description

本発明は、スプロケットに関する。

例えば自動二輪車等において、チェインとスプロケットとを用いて回転力（駆動力又は制動力）を伝達する機構が広く利用されている。スプロケットには、強度と軽量化という相反する要求がある。このため、例えば特許文献１には、強度を損なわない程度にスプロケットに軽量化のための開口を形成することが記載されている。

実用新案登録第３２２４２６７号公報

特許文献１では、円形の開口を形成しているが、より高度に強度向上と軽量化とを行うためには開口の形状及び配置を工夫する必要がある。本発明は、強度が大きく軽量なスプロケットを提供することを課題とする。

本発明の一態様に係るスプロケットは、周方向に等間隔に形成される取付孔と、外周に設けられる複数のスプロケット歯と、概略三角形状に形成され、２つの角がそれぞれ前記取付孔に対向し、残り１つの角が外周側に配置される第１開口と、概略三角形状に形成され、１つの角が前記取付孔に対向し、残り２つの角が外周側に配置され、前記第１開口との間に駆動力と負荷反力とが対向する第１桟及び駆動力と負荷反力とが相反する第２桟を画定する第２開口と、を備える。

前記態様のスプロケットにおいて、前記第１桟の幅が最少となる部分における中心線の径方向に対する傾斜角度は、前記第２桟の幅が最少となる部分における中心線の径方向に対する傾斜角度よりも小さくてもよい。

前記態様のスプロケットにおいて、前記取付孔の中心を通り、前記第１桟の幅が最少となる部分における中心線と平行な第１基準線と、前記取付孔の中心を通り、前記第２桟の幅が最少となる部分における中心線と平行な第２基準線との交点は、前記スプロケット歯の刃先円近傍に位置してもよい。

前記態様のスプロケットにおいて、回転中心を基準として、前記交点から前記第１桟側の前記取付孔までの角度の隣接する２つの前記取付孔の間の角度に対する比は、０．２０以上０．４５以下であってもよい。

前記態様のスプロケットにおいて、前記第１桟の最小幅は、前記第２桟の最小幅よりも小さくてもよい。

前記態様のスプロケットにおいて、前記第１桟の幅が最少となる部分における前記第１開口側の側縁の接線は、前記取付孔よりも回転中心側を通り、前記第１桟の幅が最少となる部分における前記第２開口側の側縁の接線は、前記取付孔よりも外周側を通り、前記第２桟の幅が最少となる部分における前記第１開口側の側縁の接線は、前記取付孔を通り、前記第２桟の幅が最少となる部分における前記第２開口側の側縁の接線は、前記取付孔よりも外周側を通ってもよい。

本発明によれば、強度が大きく軽量なスプロケットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るスプロケットの平面図である。 図１のスプロケットの詳細形状を説明する部分拡大図である。 実施例に係るスプロケットのモデルの形状を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るスプロケット１を示す平面図（回転軸方向から見た図）である。図２は、スプロケット１の詳細形状を説明する部分拡大平面図である。

図１のスプロケット１は、不図示のチェインによって駆動され、スプロケット１に固定される不図示の回転軸を回転駆動するための従動スプロケットである。このスプロケット１は、反時計回りに回転する。つまり、スプロケット１は、外周がチェインによって駆動され、反時計方向のトルクを伝達する。

スプロケット１は、概略円板状に形成され、中央開口１０と、複数の取付孔２０と、複数のスプロケット歯３０と、複数の第１開口４０と、複数の第２開口５０と、を備える。スプロケット１の回転中心Ｃｓから見て、第１開口４０と第２開口５０とは、周方向に交互に形成される。

スプロケット１において、中央開口１０と第１開口４０との間には、取付孔２０が形成される部分の間を接続する接続桟６０が画定される。第２開口５０と第１開口４０との間には、駆動力と負荷反力とが対向する第１桟７０と駆動力と負荷反力とが相反する第２桟８０とが画定される。取付孔２０の径方向外側には、スプロケット歯３０を支持する外周桟９０が画定される。なお、「駆動力と負荷反力とが対向する」とは、桟に作用する駆動力及び負荷反力が全体として圧縮方向に作用することを意味し、「駆動力と負荷反力とが相反する」とは、桟に作用する駆動力及び負荷反力が全体として引張方向に作用することを意味する。

スプロケット１において、主に第１桟７０がトルクを伝達し、第２桟８０は第１桟７０の傾斜角度を保持して第１桟７０の変形による応力集中を抑制する。従動スプロケットでは、第１桟７０は、取付孔２０から外周に向かって回転方向後側に傾斜して延び、第２桟８０は、取付孔２０から外周に向かって回転方向前側に傾斜して延びる。駆動スプロケットにおいては、回転方向が反対となる。

中央開口１０は、スプロケット１の中央に形成され、回転軸が配置される空間を形成する。また、中央開口１０は、スプロケット１の軽量化にも資する。中央開口１０の大きさは、要求仕様によって特定され得る。

取付孔２０は、中央開口１０の近傍に周方向に等間隔に形成され、回転軸に固定される不図示のハブにスプロケット１を取り付けるためのボルトが挿通される。取付孔２０と中央開口１０との距離は、ボルトの締結に必要な最小限の面積を確保できる距離とすることができる。取付孔２０の外側には、ボルトによる締結のために、座ぐり２１等の補助構造が形成されてもよい。取付孔２０の大きさ、数、径方向位置等は、要求仕様によって特定され得る。

スプロケット歯３０は、スプロケット１の外周に、チェインと咬合するよう、所定の形状及び所定のピッチで形成される。スプロケット歯３０の形状及び数は、要求仕様によって特定され得る。このため、スプロケット１の外径は、スプロケット歯３０の要求仕様によって決定され得る。

第１開口４０は、概略三角形状、本実施形態では角部が面取りされた三角形状に形成される。第１開口４０の２つの角は、それぞれ取付孔２０に対向し、第１開口４０の残り１つの角は、外周側に配置されてスプロケット歯３０に対向する。なお、「概略三角形状」とは、相対的に曲率が小さい３つの辺と、相対的に曲率が大きい３つの角とを有する形状、より詳しくは、その外縁上の重心から見た角度が３０°異なる点との接線の角度差が連続して１０°以上である領域として定義される角部を３箇所有する形状を意味する。つまり、第１開口４０の各辺は、相対的に角部よりも曲率が小さい曲線状であってもよく、第１開口４０の各角の面取り形状は局所的に曲率が大きい部分を有するよう多段に屈曲してもよい。特に、第１開口４０の取付孔２０に対向する２つの角を結ぶ辺は、接続桟６０の幅を略一定にするよう、中央開口１０と同心の円弧状であることが好ましい。一方、第１開口４０の残りの２つの辺は、第１開口４０の面積を大きくしつつ、第１桟７０及び第２桟８０の強度を確保するために、少なくとも部分的に直線状に形成されることが好ましい。また、角が取付孔に「対向」とは、前記角部において取付孔に最接近することを意味する。

第２開口５０は、概略三角形状に形成される。第２開口５０の１つの角は、取付孔２０に対向し、第２開口５０の残りの２つの角は、外周側に配置されてスプロケット歯３０に対向する。第２開口５０の各辺も曲線状であってもよく、特に、外周側に配置された２つの角を結ぶ辺は、スプロケット歯３０を支持する幅が一定の外周桟９０を画定するよう、中央開口１０と同心の円弧状であることが好ましい。一方、第２開口５０の残りの２つの辺は、第２開口５０の面積を大きくしつつ、第１桟７０及び第２桟８０の強度を確保するために、少なくとも部分的に第１桟７０及び第２桟８０の第１開口４０側の側縁と平行な直線状にそれぞれ形成されることが好ましい。

第１桟７０の最小幅は、第２桟８０の最小幅よりも大きいことが好ましい。つまり、主にトルクを伝達する第１桟７０の幅は、強度を得るために比較的大きいことが好ましく、第１桟７０を補助する第２桟８０の幅は、軽量化のために比較的小さいことが好ましい。

第１桟７０の幅が最少となる部分における第１開口４０側の側縁の接線Ｌ７１は、取付孔２０よりも回転中心Ｃｓ側に位置することが好ましい。また、第１桟７０の幅が最少となる部分における第２開口５０側の側縁の接線Ｌ７２は、取付孔２０よりも外周側に位置することが好ましい。つまり、第１桟７０の最小幅は、伝達されるトルクに対して必要とされる断面積を有するボルトが挿入される大きさを有する取付孔２０の径よりも大きいことが好ましい。

さらに、第１桟７０の幅が最少となる部分における中心線Ｌｃ１は、取付孔２０を通ることがより好ましい。なお、中心線Ｌｃ１は、第１開口４０と第２開口５０との最短距離を示す線分（最接近点間を結ぶ線分）の垂直二等分線である。このような構成とすることにより、チェインから第１桟７０を介して伝達されるトルクを取付孔２０を利用してスプロケット１が取付られたハブに対して効率よく伝達することができる。

第２桟８０の幅が最少となる部分における第１開口４０側の側縁の接線Ｌ８１は、取付孔２０を通ることが好ましく、取付孔２０の中心Ｃｈを通ることがより好ましい。また、第２桟８０の幅が最少となる部分における第２開口５０側の側縁の接線Ｌ８２は、取付孔２０よりも外周側に位置することが好ましい。さらに、第２桟８０の幅が最少となる部分における中心線Ｌｃ２は、取付孔２０を通ることが好ましい。このような構成とすることにより、スプロケット１を可能な限り軽量化しつつ、第１桟７０の変形を抑制してスプロケット１の強度を大きくすることができる。特に、第２桟８０の幅が最少となる部分における第１開口４０側の側縁の接線Ｌ８１が取付孔２０を通ることで、第１開口４０を大きくしてスプロケット１を軽量化する効果が大きくなる。

第１桟７０の中心線Ｌｃ１のスプロケット１の径方向に対する傾斜角度αは、第２桟８０の中心線Ｌｃ２の径方向に対する傾斜角度βよりも小さいことが好ましい。第１桟７０の傾斜角度αが第２桟８０の傾斜角度βよりも小さいことで、第１桟７０の長さが第２桟８０の長さよりも小さくなるので、強度を向上するために第１桟７０の幅を大きくした場合のスプロケット１の面積ひいては質量の増加が比較的小さくなる。

具体的には、第１桟７０の中心線Ｌｃ１の傾斜角度αの下限としては、４０°が好ましく、４５°がより好ましい。一方、第１桟７０の中心線Ｌｃ１の傾斜角度αの下限としては、６０°が好ましく、５５°がより好ましい。第１桟７０の傾斜角度αをこのような範囲とすることによって、典型的な自動二輪車において、第１桟７０に作用する曲げ応力及び剪断応力を比較的小さくすることができるので、スプロケット１に作用するトルクを比較的効率よく伝達することができる。

取付孔２０の中心Ｃｈを通り、第１桟７０の中心線Ｌｃ１と平行な第１基準線Ｌｒ１と、取付孔２０の中心Ｃｈを通り、第２桟８０の中心線Ｌｃ２と平行な第２基準線Ｌｒ２との交点Ｐは、スプロケット歯３０の刃先円近傍に位置することが好ましい。なお、「刃先円近傍」とは、刃先円からの径方向距離が歯たけ以下、好ましくは歯末のたけ以下であることを意味するものとする。このような構成とすることにより、チェインから伝わる力を第１桟７０に沿ってトルクを伝達する成分と、第１桟７０に直交し、第２桟８０によって吸収される成分と、に正確に分割することができるので、効率よくトルクを伝達できる。

スプロケット１の回転中心Ｃｓを基準として、第１基準線Ｌｒ１と第２基準線Ｌｒ２との交点Ｐから、第１桟７０側の取付孔２０の中心Ｃｈまでの角度γの、隣接する２つの取付孔２０の間の角度θに対する比（γ／θ：以下、桟角度比という）の下限としては、０．２０が好ましく、０．３０がより好ましい。一方、桟角度比の上限としては、０．４５が好ましく、０．４０がより好ましい。桟角度比を前記下限以上とすることによって、第１桟７０に作用する最大応力を比較的小さくすることができる。また、桟角度比を前記上限以下とすることによって、第１桟７０及び第２桟８０の合計長さを抑制することができるので、第１桟７０及び第２桟８０の面積を小さくすることによりスプロケット１を軽量化できる。

以上のように、スプロケット１は、取付孔２０から駆動力と負荷反力とが対向するよう傾斜して延びる第１桟７０と、取付孔２０から駆動力と負荷反力とが相反するよう傾斜して延びる第２桟８０と、を画定するよう形成される第１開口４０及び第２開口５０を備えることで、強度が大きく、より大きなトルクを伝達できるにもかかわらず、比較的軽量である。

スプロケット１の設計は、必ずしも限定されないが、要求仕様に基づいて中央開口１０、取付孔２０及びスプロケット歯３０を配置する工程と、接続桟６０の外縁（第１開口４０の取付孔２０に対向する２つの角を接続する辺）を定める円及び外周桟９０の内縁を定める円（第２開口５０の外周側に配置された２つの角を接続する辺）を描く工程と、第１基準線Ｌｒ１及び第２基準線Ｌｒ２を設定する工程と、第１基準線Ｌｒ１及び第２基準線Ｌｒ２と平行な直線として、第１桟７０及び第２桟８０の側縁を画定する第１開口４０及び第２開口５０の２つの辺を定める工程と、第１開口４０及び第２開口５０の角を面取りする工程と、を備える方法によって行うことができる。

第１基準線Ｌｒ１及び第２基準線Ｌｒ２を設定する工程では、取付孔２０の中心Ｃｈを通る第１基準線Ｌｒ１を描き、スプロケット歯３０の刃先円の近傍で第１基準線Ｌｒ１の上に交点Ｐを設定してから、この交点Ｐと隣接する取付孔２０とを結ぶ第２基準線Ｌｒ２を描いてもよい。このとき、交点Ｐの位置は、第１基準線Ｌｒ１と歯先円との交点としてもよいが、径が切りのよい大きさとなりにくい歯先円ではなく、分かりやすい径を有する仮想円との交点としてもよい。

以上、本発明の一実施形態に係るスプロケット１について説明したが、本発明に係るスプロケットの構成及びその効果は、上述したものに限定されない。例として、本発明に係るスプロケットの第１開口及び第２開口は、回転方向に対称な第１桟及び第２桟を画定するよう、それぞれ概略二等辺三角形状に形成されてもよい。また、本発明に係るスプロケットの第１開口及び第２開口の辺及び面取りの形状は、連続的又は段階的に変化してもよい。

以下に、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されない。

（モデル番号１）
モデル番号１として、上記実施形態に従って、図３に示すスプロケットをモデリングした。モデル番号１のスプロケットは、中央開口の半径が６５ｍｍ、取付孔の直径が８．５ｍｍ、取付孔のピッチ円の半径が７５ｍｍ、取付孔の数が６つ、歯先円の直径が１２７ｍｍ、歯底円の半径が１１９ｍｍである。接続桟６０の外縁の半径は７０ｍｍ、外周桟９０の内縁の半径は１０８ｍｍとした。取付孔の中心から、径方向に対して６０°傾斜した第１基準線を引き、半径１２８ｍｍの仮想円との交点（桟角度比γ／θ＝０．３９）と隣接する取付孔の中心とを結ぶ第２基準線を引いた。モデル番号１では、第１桟の幅を１２ｍｍ、第２桟の幅を８ｍｍに設定し、第１基準線を回転中心側に５．０ｍｍオフセットした直線を第１桟の第１開口側の側縁とし、第２基準線（回転中心側へのオフセット量が０ｍｍの直線）を第２桟の第１開口側の側縁とした。

（モデル番号２～１７）
モデル番号２～５は、モデル番号１と桟角度比が異なるモデルである。モデル番号６～９は、モデル番号１と第１桟の幅Ｗ１（第１開口側の側縁の第１基準線からの回転中心側オフセット量Ａ）が異なるモデルである。モデル番号１０～１３は、モデル番号１と第２桟の幅Ｗ２（第２開口側の側縁の第２基準線からのオフセット量）が異なるモデルである。モデル番号１４～１７は、モデル番号１と第２桟の第２開口側の側縁の第２基準線からのオフセット量が異なる（幅は等しい）モデルである。

これらのモデル番号１～１７について、コンピュータシミュレーションによって最大応力を算出すると共に、スプロケットの重量（体積）を算出した。この結果を、モデル１を１００％とする値として、次の表１に示す。

このように、第１基準線と第２基準線との交点から、第１桟側の取付孔の中心までの回転中心を基準とする角度の、隣接する２つの取付孔の間の角度に対する比を所定の範囲とすることによって、重量の増大を抑制しながら、最大応力を小さくしてトルク伝達に係る強度を向上することができる。また、重量を増加させずに効率よく最大応力を小さくするために、第１桟の中心線は取付孔の中心近傍を通ることが好ましく、第２桟の第１開口側の側縁は取付孔の中心の近くに位置することが好ましい。

１ スプロケット
１０ 中央開口
２０ 取付孔
３０ スプロケット歯
４０ 第１開口
５０ 第２開口
６０ 接続桟
７０ 第１桟
８０ 第２桟
９０ 外周桟
Ｃｈ 取付孔の中心
Ｃｓ 回転中心
Ｌ７１，Ｌ７２，Ｌ８１，Ｌ８２ 接線
Ｌｃ１ 第１桟の中心線
Ｌｃ２ 第２桟の中心線
Ｌｒ１ 第１基準線
Ｌｒ２ 第２基準線
Ｐ 第１基準線と第２基準線の交点

Claims (5)

1. 周方向に等間隔に形成される取付孔と、
   外周に設けられる複数のスプロケット歯と、
   概略三角形状に形成され、２つの角がそれぞれ前記取付孔に対向し、残り１つの角が外周側に配置される第１開口と、
   概略三角形状に形成され、１つの角が前記取付孔に対向し、残り２つの角が外周側に配置され、前記第１開口との間に駆動力と負荷反力とが対向する第１桟及び駆動力と負荷反力とが相反する第２桟を画定する第２開口と、
   を備え、
   前記第１桟の幅が最少となる部分における中心線の径方向に対する傾斜角度は、前記第２桟の幅が最少となる部分における中心線の径方向に対する傾斜角度よりも小さい、スプロケット。
2. 周方向に等間隔に形成される取付孔と、
   外周に設けられる複数のスプロケット歯と、
   概略三角形状に形成され、２つの角がそれぞれ前記取付孔に対向し、残り１つの角が外周側に配置される第１開口と、
   概略三角形状に形成され、１つの角が前記取付孔に対向し、残り２つの角が外周側に配置され、前記第１開口との間に駆動力と負荷反力とが対向する第１桟及び駆動力と負荷反力とが相反する第２桟を画定する第２開口と、
   を備え、
   前記取付孔の中心を通り、前記第１桟の幅が最少となる部分における中心線と平行な第１基準線と、前記取付孔の中心を通り、前記第２桟の幅が最少となる部分における中心線と平行な第２基準線との交点は、前記スプロケット歯の刃先円近傍に位置する、スプロケット。
3. 回転中心を基準として、前記交点から前記第１桟側の前記取付孔までの角度の隣接する２つの前記取付孔の間の角度に対する比は、０．２０以上０．４５以下である、請求項２に記載のスプロケット。
4. 周方向に等間隔に形成される取付孔と、
   外周に設けられる複数のスプロケット歯と、
   概略三角形状に形成され、２つの角がそれぞれ前記取付孔に対向し、残り１つの角が外周側に配置される第１開口と、
   概略三角形状に形成され、１つの角が前記取付孔に対向し、残り２つの角が外周側に配置され、前記第１開口との間に駆動力と負荷反力とが対向する第１桟及び駆動力と負荷反力とが相反する第２桟を画定する第２開口と、
   を備え、
   前記第１桟の最小幅は、前記第２桟の最小幅よりも大きい、スプロケット。
5. 周方向に等間隔に形成される取付孔と、
   外周に設けられる複数のスプロケット歯と、
   概略三角形状に形成され、２つの角がそれぞれ前記取付孔に対向し、残り１つの角が外周側に配置される第１開口と、
   概略三角形状に形成され、１つの角が前記取付孔に対向し、残り２つの角が外周側に配置され、前記第１開口との間に駆動力と負荷反力とが対向する第１桟及び駆動力と負荷反力とが相反する第２桟を画定する第２開口と、
   を備え、
   前記第１桟の幅が最少となる部分における前記第１開口側の側縁の接線は、前記取付孔よりも回転中心側を通り、
   前記第１桟の幅が最少となる部分における前記第２開口側の側縁の接線は、前記取付孔よりも外周側を通り、
   前記第２桟の幅が最少となる部分における前記第１開口側の側縁の接線は、前記取付孔を通り、
   前記第２桟の幅が最少となる部分における前記第２開口側の側縁の接線は、前記取付孔よりも外周側を通る、スプロケット。

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