(57)【要約】【課題】ベルトの耐摩耗性及び耐歯欠け性を向上させる。【解決手段】エンジンのクランク軸に装着されたクランクプーリ１１と、その歯部と噛合する歯部を有するベルト１２とを備えた駆動装置において、クランクプーリ１１の歯ピッチを周期的に変化させると共に、バネ定数が４５Ｎ／ｍｍ２以上であり且つ６５Ｎ／ｍｍ２以下であるベルト１２を用いる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのクランク軸に装着され且つ複数の歯部が外周面に形成されたクランクプーリと、前記クランクプーリの複数の歯部と噛合する複数の歯部が内周面に形成されたベルトとを備えた駆動装置であって、
前記クランクプーリの歯ピッチは周期的に変化すると共に、前記ベルトのバネ定数が４５Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記ベルトのバネ定数が６５Ｎ／ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記エンジンは、４サイクル４気筒または８気筒エンジンであり、前記クランクプーリの歯ピッチはその外周長さを２周期とする周期関数に基づいて変化することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記エンジンは、４サイクル３気筒または６気筒エンジンであり、前記クランクプーリの歯ピッチはその外周長さを３周期とする周期関数に基づいて変化することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記クランクプーリの歯ピッチの平均値と各歯ピッチとの差の最大値が、前記平均値の０．２％〜２％の範囲の大きさであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記ベルトの歯ピッチが一定であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の駆動装置と、
カム軸に装着され且つ前記ベルトの複数の歯部と噛合する複数の歯部が外周面に形成されたカムプーリとを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のカム駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのクランク軸に装着されたクランクプーリと、そのクランクプーリの歯部と噛合する歯部を有するベルトとを備えた駆動装置およびこれを備えたカム駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンの高出力化が進み、エンジンに使用されるクランク軸及びカム軸等を駆動するベルトには高い負荷が掛かるようになってきた。この高負荷の条件下において、特に問題となるのは、ベルトに形成された歯部とクランクプーリに形成された歯部とが完全に噛合わない部分（不完全噛合い部）に大きい荷重が作用することで、噛合い干渉を起こし、ベルトの歯底部が摩耗し、その歯底部の摩耗から歯欠けは発生することである。ここで、上記の噛合い干渉は、ベルトが伸びることで、クランクプーリの歯ピッチとベルトの歯ピッチとにピッチ差が生じることに起因することが知られている。
【０００３】
そこで、本出願人は、上記の問題を解消するために、クランクプーリの歯ピッチを周期的に変化させることによって、ベルトとクランクプーリとの不完全噛合い部での歯荷重を完全噛合い部での歯荷重より低減し、ベルトの耐摩耗性及び耐歯欠け性を向上させる技術を提案した（特許文献１参照）。
【０００４】
また、従来の駆動装置に用いられてきたベルトは、ガラス樹脂が心線として埋め込まれたものが主流であったが、近年は、ベルトに対する高負荷、エンジンルームのコンパクト化による雰囲気温度の上昇等に対応して耐久性をあげるために、繊維が心線として埋め込まれたものが用いられるようになっている。
【特許文献１】特開平１０−６８４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本出願人は、さらなる研究を行い、ベルトのバネ定数が所定範囲である場合には、ベルトの耐摩耗性及び耐歯欠け性がさらに向上することを見出した。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
つまり、本発明の駆動装置は、エンジンのクランク軸に装着され且つ複数の歯部が外周面に形成されたクランクプーリと、前記クランクプーリの複数の歯部と噛合する複数の歯部が内周面に形成されたベルトとを備えた駆動装置であって、前記クランクプーリの歯ピッチは周期的に変化すると共に、前記ベルトのバネ定数が４５Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴としている。
【０００７】
この構成によると、エンジンのクランク軸に装着されたクランクプーリと、その歯部と噛合する歯部を有するベルトとを備えた駆動装置において、ベルトのバネ定数を４５Ｎ／ｍｍ２以上にすることによって、ベルトの耐摩耗性及び耐歯欠け性をさらに向上させることができる。
【０００８】
本発明の駆動装置においては、前記ベルトのバネ定数が６５Ｎ／ｍｍ２以下であってもよい。
【０００９】
この構成によると、ベルトのバネ定数が大きくなるとベルトの強度が低下すると考えられるが、ベルトの強度を必要な範囲に維持することができる。
【００１０】
本発明の駆動装置においては、４サイクル４気筒または８気筒エンジンであり、前記クランクプーリの歯ピッチはその外周長さを２周期とする周期関数に基づいて変化してもよい。
【００１１】
本発明の駆動装置においては、４サイクル３気筒または６気筒エンジンであり、前記クランクプーリの歯ピッチはその外周長さを３周期とする周期関数に基づいて変化してもよい。
【００１２】
本発明の駆動装置においては、前記クランクプーリの歯ピッチの平均値と各歯ピッチとの差の最大値が、平均値の０．２％〜２％の範囲の大きさであってもよい。
【００１３】
本発明の駆動装置においては、前記ベルトの歯ピッチが一定であってもよい。
【００１４】
本発明のカム駆動システムは、上述のいずれかの駆動装置と、カム軸に装着され且つ前記ベルトの複数の歯部と噛合する複数の歯部が外周面に形成されたカムプーリとを備えたことを特徴としている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るカム駆動システムの概略構成図である。なお、エンジンは４気筒ＳＯＨＣエンジンを用いている。
【００１６】
図１のカム駆動システム１は、エンジンのクランク軸１７に装着されたクランクプーリ１１と、カム軸１８に装着されたカムプーリ１３と、クランクプーリ１１とカムプーリ１３とを同期伝動させるベルト１２とを有している。また、クランクプーリ１１とカムプーリ１３との間には、オートテンショナープーリ１４と、アイドラー１５と、ウォーターポンププーリ１６とが配置されている。
【００１７】
ここで、本実施形態のクランクプーリ１１及びベルト１２の構成を説明する。図２は、クランクプーリ１１とベルト１２との噛み合い状態を示す図である。Ｔ１は張り側張力を示し、Ｔ２は緩み側張力を示す。クランクプーリ１１は時計回りに回転する。ここで符号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はクランクプーリの歯１１ａとベルト１２の歯１２ａの噛み合い開始位置、噛み合い中央位置、噛み合い終了位置をそれぞれ示す。また、符号０’、〜、９’（’マーク付き番号）は噛み合いの位置を各歯毎に詳細に示したものである。なお、図２の符号０”、〜、９”（”マーク付き番号）はクランクプーリ１１の歯１１ａに個別に付けた固有の歯番号を示している。また、表１は、クランクプーリ１１及びベルト１２の実施例を示す。
【表１】
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【００１８】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、クランクプーリ１１及びベルト１２の実施例を示す図である。図３（ａ）はベルト１２の歯ピッチが一定であることを示している。ここで、ベルト１２の硬度は８５度以上であり、これにより、歯荷重に対する１歯の歪み、応力が小さくなり、カム駆動システムの耐久性能を向上させることができる。図３（ｂ）の横軸はクランクプーリ１１に付した固有の歯番号を示し、クランクプーリ１１の歯ピッチが周期的に変化している様子を示している。
【００１９】
図３（ｃ）は負荷有効張力の変化を示したものであり、横軸は図３（ｂ）の固有歯番号０”の位置を基準としたクランププーリ１１、即ち、クランク軸の回転角度（クランク回転角度）を示している。また、図３（ｂ）は、クランクプーリ１１の歯ピッチが、クランク軸１回転、即ち、クランクプーリの外周長さを２周期とする周期関数に基づいて変化することを示し、図３（ｃ）は、クランクプーリ１１に作用する負荷有効張力が、クランク軸、即ち、クランクプーリ１１の外周長さを２周期とする周期関数に基づいて変化することを示している。
【００２０】
ところで、本実施例では、４サイクル４気筒ＳＯＨＣエンジンが用いられていることにより、上記周期はクランク軸１回転に２周期の周期関数となったが、エンジンが４サイクル３気筒または６気筒エンジンであれば、この周期はクランク軸１回転に３周期の周期関数となる。
【００２１】
なお、上述の周期関数とは、ある決まった時間、あるいは位置を隔てて同じ関数波形が繰り返すことを言い、一般にはフーリエ級数で表した関数である。即ち、関数ｆ（ｘ）がある定数ａに対して、常にｆ（ｘ＋ａ）＝ｆ（ｘ）となる時、ａを周期、関数ｆ（ｘ）を周期関数という。最も簡単な関数としては、正弦関数または余弦関数が挙げられる。
【００２２】
この周期性はカム軸に特有のバルブリフト負荷抵抗に起因するものであり、この負荷抵抗の周期はクランク回転角度と同期している。本実施例はクランクプーリ１１とベルト１２が噛み合いを開始する位置Ｐ１において、クランクプーリ１１の歯ピッチが最大となる歯の位置が通過する瞬間に上記負荷有効張力が、ほぼ最大の正値となるようにクランクプーリ１１をカム軸と同期をとって配置したものである。
【００２３】
次に歯ピッチを周期的に変化させたクランクプーリ１１を使用した場合の歯荷重分担の様子を図３及び図４を参照して説明する。図４は、各噛み合い位置での歯荷重の変化を示す図である。図４の横軸は噛み合いの位置を示し、縦軸は各噛み合い位置での歯荷重を示している。また、図４は、クランク軸が１５度刻みで回転した時の各噛み合い位置での歯荷重を時間を追って示したものである。従って、歯荷重分担は図示の通り、矢印の方向に時々刻々変化し、クランク回転角度１８０度を１周期として、以降これを繰り返す。なお、図４は、表２で示した計算式により、歯荷重分担を計算し、プロットしたものである。
【表２】
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【００２４】
図４から分かるように、高負荷時、即ちクランク回転角度（０°）の時には最大歯荷重は中央位置の完全噛み合い位置となり、噛み合い開始位置Ｐ１、噛み合い終了位置Ｐ３ではそれより小さくなっている。これにより不完全噛み合い位置の歯荷重が低減されることが分かる。ところで、この負荷有効張力の絶対値がゼロ付近となる時、即ちクランク回転角度（４５°〜６０°）付近となる時は大小関係は入れ代わっているが、このときには負荷有効張力そのものが小さいため、この位置では歯荷重は相対的に大きくならない。
【００２５】
なお、本実施例では、負荷有効張力が最大の正値となる瞬間と、クランクプーリ１１の歯ピッチが最大ピッチとなる位置を一致させず、クランクプーリ１１の歯１ピッチ分、即ち、１５度の位相差を設けたが、この遅延角度を歯数、噛み合い角度、歯形等によって適宜に設定できることは勿論のことである。
【００２６】
また、クランクプーリ１１としては、その歯ピッチが正弦関数または余弦関数以外の周期関数に基づいて変化するものを用いることができる。図５は、他のクランクプーリの歯ピッチを説明する図である。図６は、他のクランクプーリの歯ピッチの変化を示す図である。
【００２７】
表３は、クランクプーリ１１及びベルト１２の他の実施例を示す。
【表３】
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【００２８】
なお、表３において、クランクプーリ１１の歯ピッチ長さは、次式から導出される。ベルトに作用する歯荷重の大きさ、ベルト弾性率から最大歯ピッチ、最小歯ピッチを決定する。最大歯ピッチ、最小歯ピッチから計算される基準歯ピッチ（表３では９．５２５ｍｍ）との変化率Δｍａｘ、Δｍｉｎを計算する。その変化率Δｍａｘ、Δｍｉｎから各歯ピッチ長さｔｐが導出される。以下、計算例を示す。
【数１】
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【００２９】
表４は、ＮＯ１〜ＮＯ１８のベルトに関して、各ベルトに埋め込まれた心線の種類とバネ定数とを示す。  
【表４】
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【００３０】
ここで、バネ定数は、次式により得られる。
Ｋ＝Ｔ／（Ｌ×Ｗ）
Ｋ：バネ定数（Ｎ／ｍｍ２）
Ｔ：ベルト張力（Ｎ）
Ｌ：ベルト伸び量（ｍｍ）
Ｗ：ベルト幅（ｍｍ）
上記のベルト伸び量は、ベルトの材質、太さ、巻きピッチなどによって変化する値である。また、ベルト伸び量は、ベルトの検尺荷重時の張力のときの長さを０として、その長さからの伸び量にて計算される。
【００３１】
ＮＯ．１〜ＮＯ．９のベルトには、互いに異なる種類の炭素繊維を撚糸した心線が埋め込まれており、ＮＯ．１０〜ＮＯ．１８のベルトには、互いに異なる種類のガラスを撚糸した心線が埋め込まれている。ここでは、炭素繊維の心線はガラスの心線より高弾性を有している。また、高弾性の心線としては、炭素繊維の他に、ＰＢＯ繊維を撚糸した心線などがある。
【００３２】
表４から分かるように、ＮＯ１〜ＮＯ９のベルトでは、バネ定数が４６．１Ｎ／ｍｍ２〜６１．７Ｎ／ｍｍ２の範囲であり、ＮＯ１０〜ＮＯ１８のベルトでは、バネ定数が２８．１Ｎ／ｍｍ２〜４３．７Ｎ／ｍｍ２の範囲である。このように、心線の種類を変更することで、ベルトのバネ定数を変更できることが分かる。
【００３３】
そして、ＮＯ．１〜ＮＯ．１８のベルトとクランクプーリ１１とをそれぞれ用いて、各噛み合い部での歯荷重の測定などの実験を繰り返した結果、ＮＯ１〜ＮＯ９のベルトを用いた場合には、ＮＯ．１０〜ＮＯ．１８のベルトを用いた場合と比較し、ベルトの耐摩耗性及び耐歯欠け性が向上することが分かった。つまり、ベルトのバネ定数が４５Ｎ／ｍｍ２以上である場合に、ベルトのバネ定数が４５Ｎ／ｍｍ２未満である場合と比較し、ベルトの耐摩耗性及び耐歯欠け性が向上することが分かった。
【００３４】
また、ベルトのバネ定数とベルトの強度との関係を調べた結果、ベルトのバネ定数が６５Ｎ／ｍｍ２より大きい場合には、ベルトのバネ定数が６５Ｎ／ｍｍ２以下である場合と比較し、ベルトの強度が低下することが分かった。従って、カム駆動システム１に用いられるベルトとしては、バネ定数が６５Ｎ／ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態のカム駆動システム１では、クランクプーリ１１の歯ピッチを周期的に変化させることで、クランク軸が１回転する間に、最大歯荷重となる位置がクランクプーリ１１の完全噛み合い部になり、不完全噛み合い部での歯荷重を低減させ、完全噛み合い部において、その低減した荷重を分担し、ベルトの耐久性能を向上させることができる。また、バネ定数が４５Ｎ／ｍｍ２以上であり且つ６５Ｎ／ｍｍ２以下であるベルト１２を用いることで、ベルト１２の強度を必要な範囲に維持しつつ、ベル１２の耐摩耗性及び耐歯欠け性を向上させることができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態に係るカム駆動システムの概略構成図である。
【図２】クランクプーリとベルトとの噛み合い状態を示す図である。
【図３】クランクプーリ及びベルトの実施例を示す図である。
【図４】各噛み合い位置での歯荷重の変化を示す図である。
【図５】他のクランクプーリの歯ピッチを説明する図である。
【図６】他のクランクプーリの歯ピッチの変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  カム駆動システム
１１  クランクプーリ
１２  ベルト
１３  カムプーリ
１７  クランク軸
１８  カム軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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