歯付ベルト劣化評価装置およびその方法

【課題】負荷変動が大きいベルト伝動装置に用いられる歯付ベルトであってもその劣化の度合いを正確に評価する。
【解決手段】原動プーリ１１と従動プーリ１２に歯付ベルト１３を掛け回す。原動プーリ１１の１つの歯である測定用の歯の両脇にスリット状の切り込みを設け、測定用の歯の両側面に歪みゲージを貼り付ける。歪みゲージからの信号をシャフトを介して制御装置１４へと送信する。制御装置１４において測定用の歯に掛かる歯荷重を算出する。算出された歯荷重から歯付ベルト１３の劣化度を評価する。評価においてベルトが取り替え時期に達していると判定された場合には、警告装置１５において警告を発する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯付ベルトの劣化の度合いを評価、あるいは寿命を予知するための装置およびその方法に関し、特に自動車用エンジンに用いられるタイミングベルトの劣化の度合いの評価、あるいは寿命を予知するための装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンに用いられるタイミングベルトの寿命予知の方法としては、例えばベルトの目視検査やベルトの伸びに基づいて寿命を予知する方法が知られている。しかし、目視検査は経験を必要とする上、タイミングベルトはエンジン内部に取り付けられるため、目視検査には適さない。また、ベルトの寿命はベルトの縮みによる噛み合い不良などにも影響されるためベルトの伸張に基づいてベルトの寿命を正確に予測することはできない。
【０００３】
このような問題に対して、一般産業機械等に設けられる歯付伝動ベルトの交換時期を判断するシステムとして、ベルトの有効張力を検出し、これに基づいて寿命を予知する方法が提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−３４４８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、有効張力は、ベルトの歯荷重の合計であるため、ベルトの伸びや摩耗等による噛み合い不良に起因して１歯に掛かる歯荷重が増大しても、有効張力においてはそれらが相殺されてその影響が殆ど現れない。したがって、歯付ベルトの寿命を有効張力から予測する場合、ベルトの性能劣化による局所的な張力の増大を見落とすこととなり正確にベルトの劣化度を評価し、あるいは寿命を予測することは難しい。特に自動車エンジンへの応用においては、負荷の変動が大きいため、ベルトの１歯に掛かる荷重が増大している可能性があり、そのような場合、有効張力による評価では十分ではない。
【０００５】
本発明は、歯付ベルトの劣化の度合いを正確に評価することを目的とし、特に負荷変動が大きいベルト伝動装置に用いられる歯付ベルトの劣化の度合いを正確に評価することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の歯付ベルト劣化評価装置は、歯付ベルトを用いたベルト伝動システムにおいて歯付ベルトの劣化の度合いを評価する装置であって、歯荷重を測定するための歯荷重測定手段と、歯荷重に基づいて歯付ベルトの劣化の度合いを評価する評価手段とを備えたことを特徴としている。
【０００７】
評価手段は、測定された歯荷重の最大歯荷重に基づいて評価を行うことが好ましく、更に評価手段は、ベルト伝動システムの回転速度に沿った最大歯荷重のピーク値に基づいて評価を行うことが好ましい。
【０００８】
歯荷重測定手段は、例えばベルト伝動システムの原動プーリの歯に設けられる。また歯付ベルト劣化評価装置は、評価の結果を出力する出力手段を備えることが好ましい。評価は例えばベルトの交換時期またはベルトの寿命に関する評価である。
【０００９】
本発明の歯付ベルト劣化評価方法は、歯付ベルトを用いたベルト伝動システムにおいて、歯付ベルトの劣化の度合いを評価する方法であって、歯荷重を測定するステップと、歯荷重に基づいて歯付ベルトの劣化の度合いを評価するステップとを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように本発明によれば、歯付ベルトの劣化の度合いを正確に評価することができ、負荷変動が大きいベルト伝動装置に用いられる歯付ベルトであってもその劣化の度合いを正確に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明を適用した実施形態のベルト寿命予知装置全体の構成を示す模式図である。ベルト寿命予知装置は、例えばタイミングベルトが用いられた車両用エンジンのベルト伝動システムや一般産業用機械の動力伝達システムなど歯付ベルトを用いたベルト伝動システムに用いられる。
【００１２】
ベルト寿命予知装置１０は、原動プーリ１１と、従動プーリ１２と、これらに掛け回される歯付ベルト１３を備えたベルト伝動システムに適用される。例えば車両用エンジンの場合、原動プーリ１１はクランクシャフトプーリであり、従動プーリ１２は例えばカムシャフトプーリである。なお、ベルト伝動システムは、複数の従動プーリを備えていてもよく、車両用エンジンの場合には、通常例えばオイルポンプやウォーターポンプなど補機用のプーリが設けられ、またベルト背面側にはテンショナプーリが係合される。
【００１３】
原動プーリ１１には、プーリ歯に掛かる歯荷重を測定するためのセンサが設けられ、センサからの信号は、原動プーリ１１が設けられた原動機の回転軸を介して、制御装置１４に送られる。制御装置１４では歯荷重が算出され、これに基づいてベルトの劣化度あるいは寿命が評価される。本実施形態では、例えば歯荷重が予め設定された所定値を越えた場合に警告装置１５において例えばベルトの交換時期が到来したことを知らせる警告が発せられる。なお、警告装置としては、例えばランプの点灯や表示器への文字等の表示、あるいは警告音を発する装置などが挙げられる。また例えば予め実験的に求めたデータに基づいて歯荷重からベルト余命を推定し、その余命に対応した表示（交換までの走行距離や時間）を行う構成とすることもできる。
【００１４】
図２に、本実施形態の原動プーリ１１の正面図を、図３に背面図を示す。図２、３に示されるように、原動プーリ１１は、例えば歯数が２２歯の歯付プーリで、２１個の通常の歯１６と１個の歯荷重測定用の歯１７（斜線部）とを備える。２１個の歯１６が原動プーリ１１の外周面に一体的に形成されているのに対して、歯荷重測定用の歯１７は、その歯に掛かる荷重を測定するため、その両脇にスリット状の切り込みが設けられる。すなわち、歯１７は、原動プーリ１１の外周面からではなく、より中心に近い所定の位置から径方向外側に延出して片持支持される。
【００１５】
図４に、歯荷重測定用の歯１７周辺の部分拡大図を示す。図４に示されるように、歯１７の基端側の両側面１７Ａ、１７Ｂには、例えば歪みゲージ１８Ａ、１８Ｂが歯荷重測定用のセンサとして貼着される。すなわち、本実施形態では、原動プーリの歯１７の歪みを測定することによりベルト歯に掛かる歯荷重が推定される。なお、本実施形態では歯面荷重と歯先面摩擦力の合力が測定されるが、歯面荷重のみを測定する構成などとすることもできる。
【００１６】
歪みゲージ１８Ａ、１８Ｂからの信号は、信号線を介して原動プーリ１１が装着されたシャフト軸（図示せず）へと導かれ、例えばブラシ接触を介してエンジンブロックなどの固定部へと出力されて制御装置１４へと送られる。制御装置１４では、歪みゲージ１８Ａ、１８Ｂからの信号の変化に基づいて、歯１７の歯荷重が算出され、算出された歯荷重が所定値以上のときに警告装置１５において警告を発する。
【００１７】
次に、図５〜図１０を参照して、本実施形態におけるベルトの劣化の度合いの評価方法の原理について説明する。
【００１８】
図５、図６は、ベルト伝動システムの回転速度と、各回転速度において計測された最大歯荷重との間の関係を示すグラフであり、新品のベルトと市場走行済みのベルト（歯底帆布が摩耗し、歯ゴムにクラックが発生しているベルト）についてのデータが示される。図５、６には新品ベルト、市場走行ベルト各々に対するベルト走行方向（＋側）への最大歯荷重Ｌｎ+、Ｌｕ+と、ベルト走行方向逆向き（−側）への最大歯荷重Ｌｎ-、Ｌｕ-が示される。
【００１９】
図５は、新品ベルト、市場走行ベルトの間の最大歯荷重の差が＋側で顕著な場合を例示したもので、＋側最大歯荷重Ｌｎ+、Ｌｕ+の各グラフのピーク値Ｐｎ+、Ｐｕ+は、市場走行ベルトの方が２０％高い。一方、図６は、新品ベルト、市場走行ベルトの間の最大歯荷重の差が−側で顕著な場合を例示したものであり、−側最大歯荷重Ｌｎ-、Ｌｕ-の各グラフのピーク値Ｐｎ-、Ｐｕ-は、市場走行ベルトの方が５０％高い。
【００２０】
また、図７は図５のピーク値Ｐｎ+、Ｐｕ+を測定したときに原動プーリの各歯における荷重の分担を示すグラフの一例である。横軸は各歯に順番に付けられた歯番号（Ｎｏ．１〜２２）に対応し、グラフは原動プーリが所定の位相にあるときに各歯に掛かる歯荷重を示している。
【００２１】
図７において、市場走行ベルトの各歯が分担する歯荷重Ｌｄｕ+は、例えば歯Ｎｏ．２においてピーク値Ｐｕ+を取り、これは噛入時の歯荷重に対応する。図に示されるように、市場走行ベルトにおいて、歯Ｎｏ．２の歯が分担する歯荷重は他の歯が分担する歯荷重に比べ顕著に大きい。これは走行により経時的に発生したベルトの伸び、摩耗に伴う噛み合い異常によって、噛入時の歯荷重が増大することによる。一方、新品ベルトの各歯が分担する歯荷重Ｌｄｎ+では、歯Ｎｏ．４においてピーク値Ｐｎ+を取るが、ベルトが掛け回されている各歯において、歯荷重分担に大きな差はない。
【００２２】
次ぎに図８に、原動プーリの荷重分担が図７で示されるときの新品ベルト、市場走行ベルトの有効張力の値を示す。図７に示されるように、新品ベルト、市場走行ベルトの間において、＋側の最大歯荷重のピーク値Ｐｎ+、Ｐｕ+は大きく異なるが、図８に示されるように、そのときの有効張力の差は僅かである。
【００２３】
また、図９は図６のピーク値Ｐｎ-、Ｐｕ-を測定したときに原動プーリの各歯における荷重の分担を示すグラフの一例である。図９において、市場走行ベルトの各歯が分担する歯荷重Ｌｄｕ-は、例えば歯Ｎｏ．６においてピーク値Ｐｕ-を取り、これは噛出時の歯荷重に対応する。図に示されるように、市場走行ベルトにおいては、歯Ｎｏ．６の歯が分担する歯荷重が他の歯が分担する歯荷重に比べ顕著に大きい。これはピーク値Ｐｕ+と同様に、走行により経時的に発生したベルトの伸び、摩耗に伴う噛み合い異常によって、噛出時の-側歯荷重が増大することによる。一方、新品ベルトの歯荷重Ｌｄｎ-では、歯Ｎｏ．６においてピーク値Ｐｎ-を取るが、＋側と同様にベルトが掛け回されている各歯において歯荷重分担に大きな差はない。
【００２４】
図１０に、原動プーリの荷重分担が図９で示されるときの新品ベルト、市場走行ベルトの有効張力の値を示す。＋側の最大歯荷重のときと同様に、図１０では、新品ベルト、市場走行ベルトの間において、−側の有効張力の差は僅かである。
【００２５】
以上のように、市場走行済みで歯底帆布が摩耗し、歯ゴムにクラックが発生しているベルトであっても、有効張力については新品ベルトと大きな違いがなく、ベルトの劣化度の評価や寿命の予測に有効張力の値を用いることは必ずしも有効ではない。これに対して、図５、６に示されるように、最大歯荷重は新品と市場走行済みのベルトとでは、＋側あるいは−側において大きくことなり、特に最大歯荷重のピーク値の違いは顕著である。
【００２６】
したがって、本実施形態のように、ベルト伝動システムにおいて、走行時の歯荷重を測定し、これに基づいてベルトの劣化の度合いを評価し、あるいは寿命を予測することにより、正確な劣化度の評価、寿命の予測、ベルト交換時期の判別が可能となる。またこれにより、ベルト伝動システムの信頼性を向上することができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、原動プーリに歯荷重測定用の機構を設けたが、他のプーリに、あるいは複数のプーリにそのような機構を設けることも可能である。また、１つのプーリの複数の歯を歯荷重測定用とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を適用したベルト寿命予知装置全体の構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態の原動プーリの正面図である。
【図３】本実施形態の原動プーリの背面図である。
【図４】歯荷重測定用の歯周辺の部分拡大図である。
【図５】各回転速度において計測された最大歯荷重の一例を示すグラフである。
【図６】各回転速度において計測された最大歯荷重の別例を示すグラフである。
【図７】図５のピーク値Ｐｎ+、Ｐｕ+を測定したときに原動プーリの各歯に掛かる歯荷重分担を示すグラフである。
【図８】原動プーリの荷重分担が図７で示されるときの新品ベルト、市場走行ベルトの有効張力の値を示す。
【図９】図６のピーク値Ｐｎ-、Ｐｕ-を測定したときに原動プーリの各歯に掛かる歯荷重分担を示すグラフである。
【図１０】原動プーリの荷重分担が図９で示されるときの新品ベルト、市場走行ベルトの有効張力の値を示す。
【符号の説明】
【００２９】
１０ベルト寿命予知装置
１１原動プーリ
１２従動プーリ
１３歯付ベルト
１４制御装置
１５警告装置
１７歯荷重測定用の歯
１８Ａ、１８Ｂ歪みゲージ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯付ベルトを用いたベルト伝動システムにおいて前記歯付ベルトの劣化の度合いを評価する装置であって、歯荷重を測定するための歯荷重測定手段と、前記歯荷重に基づいて歯付ベルトの劣化の度合いを評価する評価手段とを備えることを特徴とする歯付ベルト劣化評価装置。
【請求項２】
前記評価手段が、測定された前記歯荷重の最大歯荷重に基づいて前記評価を行うことを特徴とする請求項１に記載の歯付ベルト劣化評価装置。
【請求項３】
前記評価手段が、前記ベルト伝動システムの回転速度に沿った前記最大歯荷重のピーク値に基づいて前記評価を行うことを特徴とする請求項２に記載の歯付ベルト劣化評価装置。
【請求項４】
前記歯荷重測定手段が、前記ベルト伝動システムの原動プーリの歯に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の歯付ベルト劣化評価装置。
【請求項５】
前記歯付ベルト劣化評価装置が、前記評価の結果を出力する出力手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の歯付ベルト劣化評価装置。
【請求項６】
前記評価がベルトの交換時期またはベルトの寿命に関する評価であることを特徴とする請求項１に記載の歯付ベルト劣化評価装置。
【請求項７】
歯付ベルトを用いたベルト伝動システムにおいて前記歯付ベルトの劣化の度合いを評価する方法であって、歯荷重を測定するステップと、前記歯荷重に基づいて歯付ベルトの劣化の度合いを評価するステップとを備えることを特徴とする歯付ベルト劣化評価方法。

【図１】