JP5559771B2 - 同期ベルト・スプロケット - Google Patents

Description

本発明は同期ベルト・スプロケットに関し、より詳しくは、溝先端丸み半径が直線フランク部によって溝弧状共役フランク部に接合された同期ベルト・スプロケットに関する。

同期ベルト伝動システムは、シャフト間においてトルクを伝達し、かつ／または、シャフト間で運動を並進的に移動するのに、チェーン駆動あるいは歯車列の代替品として、工業分野において広範囲に用いられている。

ベルト伝動装置において、ピッチラインはベルト歯およびスプロケット歯からずらされ、ベルト抗張部材内に配置される。ずらされたピッチラインは、様々なベルト負荷、スプロケット直径において、ベルト歯がなるべく干渉することなくスプロケット溝に上手く進入することを保証する上で問題を発生する。

ベルト歯／スプロケット歯の相互干渉の問題は、ベルト歯とスプロケット歯の間に僅かなピッチ差をもたらすベルト製造およびスプロケット製造における公差、スプロケット歯とベルト歯フランク面（歯面）の輪郭形状に僅かな違いをもたらす工作公差(tooling tolerances)、ベルト歯形状を理想よりも小さくする成形工程におけるポリマーの収縮、噛合い始めと噛合い終わりにベルト歯／スプロケット歯の相互干渉をもたらす負荷状態でのベルト歯の回転と歪み、そして、ベルト歯とスプロケット歯の間に外見上のピッチ差をもたらすスプロケット溝深さ／ベルト歯高さの差によって発生する多角形効果(chordal effect)によって更に悪化する。

このベルト歯とスプロケット歯の間のピッチずれにより、ベルト歯のフランク面（歯面）の上側部分が、プーリ歯の上側の部分、特にスプロケット歯先丸み半径が曲面を含むスプロケットのフランク面（歯面）と交わる部分によって擦られ、最終的にはベルト歯の被覆が弱ってベルト歯の破壊に至る。

この技術の代表は、米国特許第４，６０５，３８９号明細書であり、追跡曲線形状のフランク面（歯面）を有する歯付ベルト、および追跡曲線形状のフランク面（歯面）を有するスプロケット歯を備えるベルト・スプロケットを開示するとともに、これらのベルトとスプロケットがスムーズな走行と歯飛びしない特性を示すことも開示する。

必要とされているのは、溝先端丸み半径が直線フランク部によって溝弧状共役フランク部に接合されるスプロケットである。本発明はこの要求に合致する。

本発明の主たる特徴は、溝先端丸み半径が直線フランク部によって溝弧状共役フランク部に接合されるスプロケットを提供することである。

本発明の他の特徴は本発明の以下の説明と添付された図面により説明され、明らかにされる。

本発明には、歯付ベルトに係合する少なくとも一つの溝を備え、前記溝がフランク面を有し、前記フランク面の溝先端丸み半径（Ｒ１）が、前記歯付ベルトがラック形状とされるときのベルト歯元丸み半径（Ｒ８）の約１０５％〜約１２５％の間にあり、前記溝先端丸み半径が直線フランク部（２０２）により溝弧状共役フランク部（２００）に接合され、前記直線フランク部が溝中心線（ＣＬ）に関して約１８°〜約２４°の角度（Φ）で配置されるとともに、その長さがスプロケット溝深さ（ｈ）の約２０％以上であるスプロケットが含まれる。

この明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、説明とともに本発明の原理を説明するために用いられる。
従来技術のベルトとスプロケットの噛合い係合の断面図である。 従来技術の溝の輪郭の断面図である。 従来技術のベルト構造の断面図である。 本発明のスプロケット溝の断面図である。 本発明のスプロケット溝に係合するベルト歯の断面図である。 本発明のスプロケットに噛合うベルトの断面図である。 図６の詳細図である。 寸法とともに示す本発明のスプロケット溝の断面図である。 図７のスプロケット溝の輪郭に係合されるベルト歯の外形を示す。 寸法とともに示す本発明スプロケット溝の断面図である。 従来技術のベルトと従来技術のスプロケットと本発明のスプロケットとの間の歯荷重分布を比較する図である。

図１は、噛合い係合する従来技術のベルトとスプロケットの断面図である。ベルトの噛合い特性がそのフランク面（歯面）の形状にどのように依存するかを示すため、歯高さ（ｈ２）対歯元幅（ｂ）の比が約０．７０である従来技術の歯付ベルトの外形が、３２歯の従来技術のスプロケット１２の一部に噛合う。スプロケット凹部１６に完全に噛合わされたベルト歯１４との間の嵌合には相互干渉はないものの、スプロケット溝２０に進入するベルト歯１８とスプロケット溝２４から離脱するベルト歯２２は、重複エリア３４、３６として示されるように、スプロケット溝のフランク３０、３２の側面上部と擦れるほど“急勾配”とされるフランク面２６、２８を有する。歯のフランク面と溝のフランク面との間の摩擦は、ベルトが運転されている間ノイズを発生させ、望ましくないベルト振動を誘導するであろう。相互干渉のない歯の進入と離脱を容易にする目的で、例えば重複エリア３４、３６から歯の一部を取り除いて、スプロケットのフランク面間の距離を狭めると、各ベルト歯は、スプロケット溝のフランク面と接触する位置へ単に移動し、ベルト歯の干渉が再び生じるであろう。

図２は、従来技術の歯付ベルトのフランク面の輪郭を形成するのに用いられる追跡曲線９２、９４の構成をベルト歯がラック形状とされる場合について示す。

一般に、追跡曲線は懸垂線のインボリュートとして定義される。追跡曲線の特徴は、曲線上の接点と直交座標軸の１つとの間で接線部分が一定距離を保つことである。ベルト歯がスプロケット歯に干渉することなくスプロケット溝に進入する際のベルト歯の相対的な移動方向は、各接線の方向によって実質的に近似される。

従来技術の歯のフランク面、あるいは溝のフランク面に対する追跡曲線９２の形状は、直交座標において次式で表せる。

ｙ=Ａ｛ｌｎ［Ａ／ｘ＋√（（Ａ／ｘ）^２−１）］−√（１−（ｘ／Ａ）^２）｝

ここで、
ｙ軸はベルト長手方向軸に直交；
ｘ軸はベルト長手方向軸に平行；
ｙ＝ｙ軸座標；
ｘ＝ｘ軸座標；
Ａ＝追跡曲線上の接点とｙ軸との間で一定である上記接線部分。

追跡曲線９２は、ベルト歯先上の点に対応する点（ｘ，ｙ）から始まる。図において、点ｘはｙ軸から距離A離れて配置され、直線Ａは点（ｘ，ｙ）におけるこの曲線の接線でもある。点（ｘ２，ｙ２）において、接線Ａ２は線分Ａと長さが等しい。曲線９２が延長されて行くと、点（ｘ３，ｙ３）における接線Ａ３は、接線Ａ２および線分Ａの長さに一致する。曲線９２は、図示されるように続き、直線９３の延長線上の点（ｘ４，ｙ４）まで、ドットで描かれた線のように延出する。直線９３はベルト歯のランド面の位置であるｙ軸座標に対応する。点（ｘ４，ｙ４）は、ベルト歯の高さに対応するｘ軸から距離ｈ２離れて配置される。曲線９２は、半径Ｒを用いて直線９３へと接合される。

追跡曲線９４は、点（ｘ，ｙ）から距離Ｌ隔てられた点（ｘ５，ｙ５）から始めて、同様の方法で生成される。曲線９４は、点（ｘ４，ｙ４）から距離b隔てられた点（ｘ６，ｙ６）まで生成されるように継ぎ足される。距離bはベルト歯の歯元の幅を規定する。

図３は、従来技術のベルト構造の断面図である。一般的な従来技術の歯付ベルトは、弾性体９６からなり、一方の面には多数のベルト歯９８が設けられ、他方の面は平面１００や波形１０２など、要求に応じた任意の形状のバックレイヤが形成される。本体は、天然ゴム、合成ゴムや、それらの混合物、あるいはポリウレタンのようなキャスト加工可能なエラストマなどの任意の適切なエラストマを用いて既知の方法で成型、あるいはキャスト加工される。

抗張体１０４は本体内に配置され、ピッチライン１０６、すなわち長手方向軸を規定し、運転中、この軸の周りにベルトは曲げられる。抗張体は、螺旋スチールケーブル、ガラス繊維コード、ケブラー（商標）あるいはケブラー４９として販売されているアラミド繊維など、任意の適切な高弾性率の材料から作られるであろう。炭素繊維コードを抗張体１０４に用いてもよい。

モジュラスを高めるために従来知られている繊維材料を適宜ベルト歯に配置してもよく、また適宜、耐摩耗性繊維１０８を歯の仕上げ面として配置してもよい。

従来技術のベルト歯の各々は、ベルト歯がラック形状にあるとき、図２を参照して説明された方法で生成される追跡曲線形状を実質的に呈するフランク面１１２、１１４の主要部１００を少なくとも備える。追跡曲線は半径Ｒを用いてランド面１１５と接合される。同様に、長さLを有するであろうベルト歯先１１６への接合には、追跡曲線の延長である一定の半径が用いられる。

ベルト歯同士は、長手方向断面図に示されるように、ピッチＰで離間され、各々基部幅ｂおよび高さｈ２を有する。フランク面の急な勾配は、歯飛び防止の効果を有し、比Ａ／ｈ２によって制御される。Ａ／ｈ２の比は約０．５５〜０．９０である。

歯飛び防止の効果も有するベルト歯の深さは、ｈ／ｂの比で制御される。ｈ／ｂの比は約０．３０〜１．０である。

比ｂ／Ｐは、噛合い始め、あるいは噛合い終わりにおいて、ベルト歯とスプロケットの重なり合いによる干渉を低減するために部分的に用いられる。ｂ／Ｐの比は約０．８０〜０．３５である。

開示した各比において、ｂ／２の値は、追跡曲線９２、９４が理論上相互に重なるのを防止するためには常に（Ａ−ｘ４）の値よりも大きい。

ここでのベルト歯のフランク面の説明は、ベルト歯がラック形状とされるとき、つまりｙ軸がピッチラインに対して垂直、すなわちベルトが平面に押圧されたかのように平らな条件の下でのものである。ベルトがスプロケットに追随して曲がるとき、ｙ軸はベルト歯に固定された関係にあるため、ピッチラインに対して垂直ではなくなる。

本発明によれば、スプロケット溝のフランク面２００は、前述のベルト歯と共役となるように設計され、得られた共役な幅に、所望ベルト幅とスプロケット溝幅の間のクリアランス分を足した距離、それらは隔てられる。本発明のスプロケット溝の底面は、僅かに凸状か、僅かに凹状、あるいはフラットであるが、その形状は本発明の本来の働きにとって重要ではない。外径（ＯＤ１）からスプロケット溝の底面まで、スプロケット溝の中心線に沿って測ったスプロケット溝深さ（“ｈ”図４参照）は、ベルトランド線からベルト歯先まで測ったベルト歯高さ（ｈ２）よりも約２％小さい値から約４％大きい値までである（図３参照）。

スプロケット溝のフランク面（２０２）の直線部の長さは、スプロケット溝深さ（ｈ）の約２０％〜約５０％である。各フランク部２０２は、スプロケット溝の中心線（ＣＬ）に対して約１８°〜約２４°の間の角度（Φ）で配置される。前述の範囲における角度Φは、スプロケットピッチ（Ｐ）、スプロケット外径（ＯＤ１）、および要求される歯飛び抵抗の程度に依存する。一般的により急な勾配は、システムにより大きな歯飛び抵抗を与えるが、噛合い時の干渉にはより不寛容である。

スプロケット歯先丸み半径（Ｒ１、図７参照）は、ベルトがラック形状とされるとき、ベルト歯元丸み半径（Ｒ８、図５参照）の約１０５％〜約１２５％の範囲にある。

この設計パラメータの組合せは、ベルト歯のフランクに過度の局部的な剪断荷重をかけることなく、ベルト歯がスプロケット溝に進入し離脱するときにベルト歯を適切な位置に案内する「ファンネル」効果を備えたスプロケット溝を与える。これはベルト寿命を著しく長くし、歯の剪断荷重を十分に分散して多角形作用を最小にし、ベルト歯の回転を最小限に抑える。

図４は、本発明に関わるスプロケット溝の断面図である。この場合、溝の弧状フランク面２００のＰ３からＰ４までの部分は、ここに説明されたベルト歯フランク面１１４と共役な関係にあり、要求されたスプロケット溝からベルト歯までのクリアランス２０１の分、すなわちＰ４からＰ５まで、中心線ＣＬからオフセットされる。部分２０１は溝深さ（ｈ）に等しい深さに配置される。

フランク部２００は、半径Ｒ２とＲ３を備える（図７参照）。半径Ｒ２とＲ３は等しくてもよく（Ｒ２＝Ｒ３）、あるいは等しくなくてもよい（Ｒ２≠Ｒ３）。

フランクの直線部２０２は、スプロケット溝の中心線ＣＬに対して角度Φで配置され、部分２０２は、点Ｐ３においてスプロケット溝の下側の弧状フランク面から接線方向外側に延出する。スプロケットの歯先丸み半径（Ｒ１）は、ラック形状においてベルト歯元丸み半径（Ｒ８）よりも大きく、直線スプロケット溝のフランク部への点Ｐ２における接線からスプロケットの外径ＯＤ１まで延在する。

図５には、本発明の３２溝１４ｍｍスプロケットに係合するラック形状における１４ｍｍピッチの従来のベルト歯が示される。溝はベルト歯に比べ多少オーバーサイズである。ラック形状においてピッチライン１０６は直線である。

図６には、本発明のスプロケットに噛合う従来技術のベルトが示される。各歯１４、１８、２２は各溝１６０、１８０、１９０とそれぞれ噛合う。本図には、ベルト歯の上側フランク面１１４と歯元丸み半径Ｒ８（図５、７参照）、およびスプロケット溝の上側フランク面２０２と歯先丸み半径Ｒ１（図５参照）の間のクリアランスが示される。これは、このようなクリアランスが存在しない図１に示される従来技術のベルト歯とスプロケット溝の係合とよい対照をなす。図６Ａは図６の詳細図である。

図７は、本発明の実施形態である。３２溝の１４mmピッチスプロケットが示される。この場合には、スプロケット溝深さ（ｈ）は、約０．２３インチのベルト歯高さ（ｈ２）に等しくなるように選定される。スプロケット溝２００の下側共役部は、全溝深さ（ｈ）の約３６．２％を占める。部分２００は、半径Ｒ２およびＲ３の組合せとして例示的な目的をもって示されるが、追跡曲線、あるいはベルト歯との共役関係を近似する他の幾つかの曲線を含む組合せであってもよい。数値は例であり、本発明の範囲を限定するものではない。

点Ｐ２、Ｐ２’の間を計測されるスプロケット溝の下側フランク幅は、ベルト歯共役幅に約０．０１インチの設計クリアランス（２０１）を加えたものに等しい。溝底部、Ｒ４は、僅かに窪んでいるが、一般的には略直線である。上側直線フランク部２０２は、点Ｐ２からＰ１へと延在し、スプロケット溝の中心線に対して約２３°の角度をなす。部分２０２の全長は、スプロケット溝の中心線（ＣＬ）に沿って測定されたスプロケット溝深さ（ｈ）の約４３％である。スプロケット溝の歯先は、約０．０６インチの半径Ｒ１を有する。Ｒ１は、点Ｐ０においてスプロケットの外径に接し、点Ｐ１においてスプロケット溝の上側直線フランク部に接する。半径Ｒ１は、ラック形状においてベルト歯元丸み半径（Ｒ８）の約１２４％である。数値例は例示に過ぎず、本発明の範囲の限定するものではない。

この図７において、Ｐ４およびＰ５の間の区間は、溝を僅かに窪んだ底面とする僅かな半径を有する。その曲面は、僅かに凸面であってもよい。図４において、この区間は直線である。したがって、区間Ｐ４〜Ｐ５には、本発明に悪い影響を与えることなく、曲線や直線にできる。本実施形態において、フランク部２００は半径Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有する。

図８は、図７のスプロケット溝に係合されたベルト歯の外形を示す。

次の表１の結果によって示されるように、本発明に関わるシステムは、従来技術に対して著しく向上している。図７、図９に示されるデザインを用いた、従来技術の３２溝１４mmピッチのスプロケット、および本発明の３２溝１４mmのスプロケットに従来技術のベルトを装着し、周知の工業規格試験を用いて試験を行った。テストプログラムの結果は以下の通りである。
表１
ベルト破損までの時間
スプロケットの型 試験＃１ 試験＃２ 角度Φ
従来技術の輪郭 （試験せず） ２１８時間 曲線
図７の輪郭 ５９８時間 （試験せず） 約２３°
図９の輪郭 １５１時間 ３６３時間 約１８°

図９は寸法とともに本発明のスプロケット溝を示す断面図である。寸法は一例として示され、本発明の範囲を限定するものではない。本実施形態において、フランク部２００は、上側フランク部２０２が１８°の角度Φを有するとともに、半径Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を備える。

図１０は、従来技術のベルトと従来技術のスプロケットと本発明のスプロケットの間の歯荷重分布を比較した図である。

従来技術のベルトと従来技術のスプロケットとの間の係合においては、剪断荷重は主にランド面１１５に交差する（略Ｒ８に沿った）歯元に集中する。これは歯元に亀裂をもたらす可能性がある。歯元の亀裂は最終的にベルトの破壊を引き起こす。

従来技術のベルトと本発明のスプロケットとの間の係合の場合、直線フランク部２０２の使用により、剪断荷重は実質的に歯フランク面１１４の全体に沿ってベルト歯に伝達される。これは歯元に剪断力が集中することを回避し、それによりベルトの使用期間は大幅に増大される。

ここでは、本発明の１つの形態が説明されたが、当業者にとっては、ここで説明された本発明の精神と範囲を逸脱することなく、その構成や構成部の関係に種々の変形を施すことは容易である。

Claims (6)

1. 歯付ベルトに係合する少なくとも一つの溝を備え、
   前記溝がフランク面を有し、前記フランク面の溝先端丸み半径（Ｒ１）が、前記歯付ベルトがラック形状とされるときのベルト歯元丸み半径（Ｒ８）の約１０５％〜約１２５％の間にあり、
   前記溝先端丸み半径が直線フランク部（２０２）により溝弧状共役フランク部（２００）に接合され、
   前記直線フランク部が溝中心線（ＣＬ）に関して約１８°〜約２４°の角度（Φ）で配置されるとともに、その長さがスプロケット溝深さ（ｈ）の約２０％以上であり、
   前記スプロケット溝深さ（ｈ）が、歯付ベルト歯高さ（ｈ２）よりも０％から約４％大きい値の範囲にある
   ことを特徴とするスプロケット。
2. 前記直線フランク部（２０２）の長さが、前記溝中心線（ＣＬ）上で測定される前記スプロケット溝深さ（ｈ）の約５０％よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のスプロケット。
3. 前記歯付ベルトのフランク面に対する追跡曲線の形状が、ｘ座標をベルト長手方向軸に沿った座標、ｙ座標をベルト長手方向に直交する座標とするとき、所定値Ａに対して、ｙ=Ａ｛ｌｎ［Ａ／ｘ＋√（（Ａ／ｘ） ^２ −１）］−√（１−（ｘ／Ａ） ^２ ）｝で表され、前記所定値Ａとベルト歯高さ（ｈ２）の比が約０．５５〜０．９０であることを特徴とする請求項１〜２の何れか一項に記載のスプロケット。
4. 前記ベルト歯高さ（ｈ２）と前記歯付ベルトの基部幅（ｂ）の比が約０．３０〜１．０であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のスプロケット。
5. 前記基部幅（ｂ）と前記歯付ベルトのピッチ（Ｐ）の比が約０．８０〜０．３５であることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のスプロケット。
6. ｙ=Ａ｛ｌｎ［Ａ／ｘ＋√（（Ａ／ｘ） ^２ −１）］−√（１−（ｘ／Ａ） ^２ ）｝の式において、ベルト歯先位置でのｙの値を０、ｙ＝ｈ２を満たすｘの値をｘ４とするとき、ｘ４の値、前記ベルト歯付ベルトの基部幅（ｂ）、前記所定値（Ａ）の間にはｂ／２＞（Ａ−ｘ４）の関係が成り立つことを特徴とする請求項３に記載のスプロケット。

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