JP3881722B2 - ベルトの設計支援方法及び設計支援装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系に回転変動やトルク変動が加わった場合の駆動系の設計を支援する方法及び装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、伝動ベルトを用いて動力伝達を行う駆動系を設計する場合においては、負荷、ベルト張力、プーリ回転数、ベルト速度、プーリ径、プーリレイアウト等を考慮して、伝動ベルトが短寿命にならないようにする工夫が行われる。通常、その工夫とは、例えばベルトレイアウト、プーリ径、ベルト種類の変更、或いはベルト幅やベルト本数の変更等が挙げられる。
【０００３】
特に、自動車等に用いられるエンジン用の補機（エアコン用コンプレッサ、パワーステアリング用オイルポンプ、冷却水用ウォータポンプ、発電用オルタネータ、エンジン潤滑用オイルオンプ等）を駆動する伝動ベルト系や、カムシャフトを駆動するタイミングベルトを用いた伝動ベルト系では、エンジンのクランクシャフトを駆動源としているため、エンジン点火周期に応じた回転変動が生じたり、クランクシャフトの捩り振動や各プーリでのトルク変動が生じたりするが、この回転変動やトルク変動によって、ベルトの駆動系はベルト長手方向に振動を受けることになる。その結果、ベルトの最大張力が増大して短寿命化を招いたり、プーリ周上の過大な剪断力によるベルト早期破損や、ベルトスリップの増大によるスリップ音の発生、或いはスリップによる発熱や短寿命化が生じたりする等の問題がある。
【０００４】
これらの問題に対処するために、本出願人は、前に、実際に生じる伝動ベルト駆動系に加わる張力、加速度、速度、変位等を精度よく計算できるようにし、その数値を用いて実際に即した伝動ベルトの駆動系設計及び一方向性を有するカップリングの設計に供し得るベルトの設計支援方法及び装置を提案している（特開平７―２２９５３９号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、伝動ベルト駆動システムにおいて、一方向（回転方向）にのみトルクを伝達するカップリングを慣性モーメントの大きい補機（例えば発電用オルタネータ等）に装着することにより、回転変動やトルク変動からくる補機の回転変動慣性の増大によるベルトの張力変動増加を低減させることが可能となり、伝動ベルトの寿命を大きく延ばすことができる。
【０００６】
しかし、伝動ベルト駆動系システムにおいて、一方向にのみトルクを伝達するカップリングのトルクの切換周期と、ベルトレイアウトからくるベルト長手方向のばね特性による固有周期とが同期した場合や、例えばカップリングを発電用オルタネータに含み、そのオルタネータ発電による回転負荷の増大によりカップリングがトルクを伝達していないときに補機軸の回転数低下が生じた場合等、伝動ベルトが受ける刺激度合いがエンジン状態により異なることから、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動システムの性能低下や効果を予測し、伝動ベルトの駆動系設計を行う必要がある。
【０００７】
しかも、少なくとも１つのプーリに一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系のベルト長手方向の振動予測においては、予測可能な方法が見出だされていない。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、実際に生じる一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系に加わる張力、加速度、速度、変位等を精度よく計算できるようにして、その数値を用いて実際に即した伝動ベルトの駆動系設計及び一方向性を有するカップリングの設計に供し得るようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１〜１２の発明では、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね、或いは一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触モデルを計算の途中で変更する構成とした。
【００１２】
すなわち、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばねに加わる歪がトルクを伝達する歪である場合には、一方向にのみトルクを伝えるカップリング部分のばね定数がばね要素の値として計算を行う。これに対し、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばねに加わる歪がトルクを伝達しない歪である場合には、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね定数を一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね定数よりも低い値かもしくは零にしてしまい、又はトルクを伝達しない歪が生じたときだけそのばね要素を取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００１３】
一方、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触モデルに加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向である場合には、一方向にのみトルクを伝えるカップリング部分の摩擦力が摩擦則を考慮した接触要素の値として計算を行う。これに対し、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触モデルに加わる摩擦方向がトルクを伝達しない方向である場合には、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦力を一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦力よりも低い値かもしくは零にしてしまい、又はトルクを伝達しない歪が生じたときだけその摩擦則を考慮した接触モデルを取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００１４】
具体的には、請求項１〜６の発明は方法の発明であり、請求項１の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、上記一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数をカップリングの空転トルク特性に変更することを特徴としている。
【００１５】
この構成により、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の捩りばね要素にトルクを伝達する歪が生じた場合には、捩りトルクを保持することになるが、トルクを伝達しない歪が生じた場合には、ばね定数が一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね特性よりも低い空転トルク特性のばね定数に変更されるので、振動計算モデルによる計算上、空転トルクを伝えることになり、実際の現象に極めて近い状態の計算が行うことができる。
【００１６】
請求項２の発明では、上記と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力をカップリングの空転トルク特性に変更することを特徴としている。
【００１７】
この構成によると、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触要素にトルクを伝達する摩擦が生じた場合には、摩擦力を保持することになるが、トルクを伝達しない摩擦が生じた場合には、摩擦力が一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦力よりも低い空転トルク特性の摩擦力に変更されるので、振動計算モデルによる計算上、空転トルクを伝えることとなり、実際の現象に極めて近い状態の計算が行うことができる。
【００１８】
請求項３の発明では、上記請求項１の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、上記要素を取り除くように変更する。
【００１９】
この構成では、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね要素にトルクを伝達する歪が生じた場合には、当該要素が取り除かれる。従って、全くトルクを伝達しない側の捩りトルクを保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２０】
請求項４の発明では、請求項２の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、上記要素を取り除くように変更する。
【００２１】
この発明では、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触要素にトルクを伝達する摩擦が生じた場合に、当該要素が取り除かれるので、全くトルクを伝達しない側の摩擦力を保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２２】
請求項５の発明では、請求項１の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を零の値に変更する。
【００２３】
このことで、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね要素にトルクを伝達する歪が生じたときには、ばね定数が零の値に変更されるので、請求項３の発明と同様に、全くトルクを伝達しない側の捩りトルクを保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２４】
請求項６の発明では、請求項２の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力を零の値に変更する。
【００２５】
このことで、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触要素にトルクを伝達する摩擦が生じたときには、摩擦力が零の値に変更される。従って、請求項４の発明と同様に、全くトルクを伝達しない側の摩擦力を保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２６】
請求項７〜１２の発明は装置の発明であり、請求項７の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置が前提である。
【００２７】
そして、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数をカップリングの空転トルク特性に変更するばね定数変更手段とを備える。このことで、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２８】
請求項８の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにした装置が前提であり、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力をカップリングの空転トルク特性に変更する摩擦力変更手段とを備える。このことで、請求項２の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２９】
請求項９の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を捩りばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を上記要素を取り除くように変更するばね定数変更手段とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
このことで、ばね定数変更手段は、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うとき、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を捩りばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達しない歪になると、請求項７とは異なり、該要素を取り除くように変更するので、請求項３の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３１】
請求項１０の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルト設計支援装置において、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、上記要素を取り除くように変更する摩擦力変更手段とを備えた構成とする。
【００３２】
このことで、摩擦力変更手段は、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うとき、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達しない摩擦方向になれば、請求項８の発明とは異なり、該要素を取り除くように変更するので、請求項４の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３３】
請求項１１の発明では、上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を零の値に変更するばね定数変更手段とを備えた構成とする。このことで、請求項５の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３４】
請求項１２の発明では、上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力を零の値に変更する摩擦力変更手段とを備えた構成とする。このことで、請求項５の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
初めに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト振動計算モデルで適用した従来の伝動ベルト駆動系振動計算モデル（特開平７−２２９５３９公報参照）の例を説明すると、図１〜図５は上記従来の伝動ベルト駆動系振動計算モデルに係る２軸の伝動ベルト駆動系の例を示し、１，８，１６，２３は回転変動が生じる原動側（駆動側）プーリ、２，９，１７，２４は該原動側プーリ１，８，１６，２３と平行な軸心を有する従動側プーリで、両プーリ間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。
【００３８】
この伝動ベルト駆動系のベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２をばねによってモデル化した際の図を図２に示す。伝動ベルト駆動系の中で、ベルトＢにおけるばねとして置き換えられる箇所として、プーリ１，２に巻き付いている部分のベルト心線と、プーリ１，２との間に位置するゴム部分とがばねとして働く。図３は、このベルトＢのプーリ８，９に巻き付いている部分のベルト心線とプーリ８，９との間のゴム部分でのばねを付加した場合の振動モデルである。
【００３９】
図４は、図２に示す振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したものである。図５は、図３に示す振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したものである。
【００４０】
そして、この振動モデルにおいて、ベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２に加わる歪が圧縮歪になった際には、ばね定数を引張り歪の際よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又は圧縮歪が生じたときだけベルトスパンＢ１，Ｂ２の構成要素を取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００４１】
つまり、図４及び図５に示されるベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２は、ばね要素と減衰要素との組合せにて成り立っているものであるから、これらの組合せ状態において、ベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２に加わる歪が引張り歪になった際には、その引張り荷重を保持するが、圧縮歪になった際には、引張り歪の値よりもそのばね定数が低い値か零にしてしまい、或いは圧縮歪が生じたときだけ、そのベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２の要素を取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００４２】
（実施形態１）
以上の如き振動計算モデルのいずれの計算方法においても、一方向のみにトルクを伝達するカップリングを含んだプーリに上記モデルを装着することにより、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト駆動系が得られる。
【００４３】
すなわち、図６は、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ、本発明の実施形態１に係る伝動ベルト駆動系の例を示し、２８は回転変動が生じる原動側（駆動側）プーリ、２９は該原動側プーリ２８と平行な軸心を有する従動側プーリ、３０は従動側プーリ２９に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリングで、両プーリ２８，２９間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。この例は、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したもので、従動側プーリ２９に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリング３０をばねによってモデル化している。
【００４４】
この実施形態では、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルにおいて、トルクを伝えない歪になった際には、ばね定数をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングの要素を取り除いた状態で計算を行う。
【００４５】
図７は、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の他の例を示す。図７中、３３は回転変動が生じる原動側（駆動側）プーリ、３４は該原動側プーリ３３と平行な軸心を有する従動側プーリ、３５は従動側プーリ３４に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリングで、両プーリ３３，３４間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。この例は、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したもので、従動側プーリ３４に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリング３０をばねとスライダ要素とによってモデル化した例である。
【００４６】
この例では、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルにおいて、トルクを伝えない歪になった際には、スライダの力をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングのばねとスライダ要素とを取り除いた状態で計算を行う。
【００４７】
こうすることで、図６及び図７に示すいずれの例においても、トルクを伝えない歪が生じた場合に小さな一定の荷重を伝えることになり、実際の空転トルク特性の現象に近い状態の計算を行うことができる。
【００４８】
図８及び図９は一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ３軸の伝動ベルト駆動系の例を示す。これらの図中、３９，４９は原動側プーリ、４０，５０は該原動側プーリ３９，４９と平行な軸心を有する一方の従動側プーリ、４１，５１は同様に原動側プーリ３９，４９と平行な軸心を有する他方の従動側プーリで、これらプーリ３９〜４１，４，〜５１間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。この伝動ベルトＢのスパン部分、及びプーリ３９〜４１，４９〜５１に巻き付いている部分のベルト心線とプーリ３９〜４１，４９〜５１との間のゴム部分をばねによってモデル化する。このモデルは、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加した振動モデルで、この振動モデルの従動側プーリに装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリング４２，５２をばねによってモデル化している。
【００４９】
図９では、図８の一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルを、ばねとスライダとによってモデル化している。この一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルは、１つの従動側プーリだけでなく複数用いることも可能である。また、原動側プーリに用いることも可能である。
【００５０】
図８に示す振動モデルにおいて、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルがトルクを伝えない歪になった際には、ばね定数をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングの要素を取り除いた状態で計算を行う。
【００５１】
また、図９に示す振動モデルにおいても、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルがトルクを伝えない歪になった際には、スライダの力をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングのばねとスライダ要素を取り除いた状態で計算を行う。
【００５２】
したがって、この例の場合でも、トルクを伝えない歪が生じた場合に小さな一定の荷重を伝えることになり、実際の空転トルク特性の現象に近い状態の計算を行える。
【００５３】
図１０及び図１１は一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだオートテンショナを含んだ４軸の伝動ベルト駆動系の例を示す。これらの図中、６０，７０は回転変動の生じる原動側プーリ、６１，７１は上記原動側プーリ６０，７０と平行な軸心を有する一方の従動側プーリ、６２，７２は同様の他方の従動側プーリで、原動側プーリ６０，７０と他方の従動側プーリ６２，７２との間にはばね６４，７４によって付勢されたオートテンショナのプーリ６３，７３が配設され、これらプーリ６０〜６３，７０〜７３間には伝動ベルトＢがオートテンショナプーリ６３，７３だけ背面掛けとして巻き掛けられている。この伝動ベルトＢのスパン部分、及びプーリ６０〜６３，７０〜７３に巻き付いている部分のベルト心線とプーリ６０〜６３，７０〜７３との間のゴム部分をばねによってモデル化する。このモデルは、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加した振動モデルであり、この振動モデルの従動側プーリに装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリングをばねによってモデル化している。図１１では、図１０の一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルを、ばねとスライダとによってモデル化した例を示す。
【００５４】
次に、図１２は、図７に示す一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を、図１〜図５に示す結合方法に従ってトラス要素でモデル化した場合の要素形状を示している。図中、Ｎ１，Ｎ２は各プーリ３３，３４の中心の節点を示す。また、Ｎ４〜Ｎ７はベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２とプーリ３３，３４とが接している所に位置する節点である。要素Ｅ１，Ｅ２はベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２に当たるもので、１次元のトラス要素である。要素Ｅ４〜Ｅ７の一端はプーリ中心の節点Ｎ１，Ｎ２に結合し、他端がベルトスパンＢ１，Ｂ２部分のトラス要素に結合しており、この要素Ｅ４〜Ｅ７は、接合するプーリ中心の節点のＺ軸回りの回転に従うように拘束されている。また、この要素Ｅ４〜Ｅ７の長さは変化しない。
【００５５】
要素Ｅ３は一方向にのみトルクを伝達するカップリング３５に当たり、その一端は、カップリング３５の装着されているプーリ３４の中心節点Ｎ２に結合され、他端が補機軸中心の節点Ｎ３に結合されている。従動側プーリ３４の中心節点Ｎ２とカップリング３５の結合していない節点とには、補機負荷に相当する捩りモーメントを加える。
【００５６】
慣性マスは、各プーリ３３，３４の中心の節点Ｎ１，Ｎ２と補機軸の中心の節点Ｎ３とに結合している。
【００５７】
以上のように設定した後、原動側プーリ３３に所定の回転変動を加えてやることにより、この振動系に振動を与える。振動が定常になった状態で、このベルト駆動系の振動状態と判断する。
【００５８】
次に、上記のようにしてベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置について説明する。この装置はコンピュータでのソフトウェアにより構成されるもので、このコンピュータでの計算の手順例を図１３及び図１４に示すフローチャート図により説明する。
【００５９】
この図のベルトスパン部分の動的応答繰返し計算のステップは、従来（特開平７―２２９５３９号公報参照）のベルト設計支援装置を用いて、内部判定計算の中に本発明の一方向にのみトルクを伝達するカップリングの判定計算式を入れる。
【００６０】
すなわち、最初のステップＳ１にてデータを入力し、次のステップＳ２にて計算を行う伝動ベルト駆動系の運動方程式を作成する。その後、ステップＳ３〜Ｓ１２の間で微小時間ずつ増分させたときの動的応答を繰り返し計算することにより求める。
【００６１】
まず、ステップＳ３で、計算中の現在の状態よりΔｔ時間後の状態を計算により求める。このステップＳ３における振動系モデルは、前述したようにオイラー法、線形加速度法、ニューマークのβ法、ウィルソンのθ法、フーボルト法、ルンゲクッタ法のような方法により行うことができる。
【００６２】
上記ステップＳ３での計算結果によりΔｔ時間後の状態が計算されるが、その計算結果より、ステップＳ４においてベルトスパンばねに加わる歪を調べる。これは、ｔ時間時のベルトスパンの歪に対して、ｔ＋Δｔ時間時のベルトスパン歪が引張り歪から圧縮歪に変化しているかどうかを判定する。ベルトスパン歪が引張り歪から圧縮歪に変化している部分があって判定がＹＥＳになれば、ステップＳ５にてベルトスパン部のばね定数を零にするか、低い値に変更するか、又は計算モデル上からばねを取り除いた形にした後、ステップＳ６に進む。判定がＮＯのときにはそのままステップＳ６に進む。
【００６３】
上記ステップＳ６では、カップリングの歪がトルクを伝達する歪成分又はトルクを伝達しない歪成分のいずれであるかを判定する。カップリングの歪がトルクを伝達しない歪成分に変化していて、ステップＳ６の判定がＹＥＳのときには、ステップＳ７にてカップリングのばね定数を零にするか、もしくは低い値に変更するか、又は計算上からばねを取り除いた形にする。カップリングの振動モデルにスライダが取り付けられている場合は、空転トルクの値で滑り状態にする。このステップＳ７の後、ステップＳ６の判定がＮＯのときと共にステップＳ８に進む。
【００６４】
上記ステップＳ８では、ｔ時間時のベルトスパンの歪に対してΔｔ時間後のベルトスパン歪の変化により、ベルトスパンばねに加わる歪みを調べる。すなわち、ｔ時間時のベルトスパンの歪に対してｔ＋Δｔ時間時のベルトスパン歪が圧縮歪から引張り歪に変化しているかどうかを判定する。ベルトスパン歪が圧縮歪から引張り歪に変化している部分があり、判定がＹＥＳのときには、ステップＳ９にて、ベルトスパンの引張り時のばね定数に変更するか、又は、その部分にばねを取り除いた形になっている場合には、ベルトスパンのばねを取り付けることを行い、しかる後にステップＳ１０に進む。また、判定がＮＯであると、そのままステップＳ１０に進む。
【００６５】
ステップＳ１０では、ステップＳ６と同様にカップリング歪がトルクを伝達する歪成分か又はトルクを伝達しない歪成分かどうかを判定する。ここで、カップリングの歪がトルクを伝達する歪成分に変化していて、ステップＳ１０の判定がＹＥＳのときには、ステップＳ１１にてカップリングのばね定数をトルクを伝えるばね定数にするか、低い値に変更するか、又は計算上からばねを取り除いた形になっているときには、カップリングのばねを取り付ける。カップリングの振動モデルにスライダが取り付けられている場合は、カップリングのトルク容量の値で滑り状態にし、しかる後にステップＳ１２に進む。ステップＳ１０の判定がＮＯのときにはそのままステップＳ１２に進む。
【００６６】
尚、上記ステップＳ６，Ｓ１０での判定は、その直前のステップＳ３での計算と、さらにその前のステップＳ３の計算との間でカップリングばね又はスライダを変更した部分については、変更したときの状態がトルクを伝える歪を受けている状態に変更したものであれば、ｔ時間後にトルクを伝える歪を受けているものとし、トルクを伝えない歪を受けている状態に変更したものであれば、ｔ時間後にトルクを伝えない歪を受けているものとして取り扱う。
【００６７】
上記ステップＳ１２では、ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１０にてベルトスパンのばねもしくはカップリングのばね又はスライダを変更したかどうかを判定し、その変更有りのＹＥＳの場合には、ステップＳ３に戻って再計算を行う。尚、簡易に計算を行う場合や時間増分Δｔが小さい場合には、ステップＳ１２を取り除いたフローで計算を行い、ステップＳ１１から直接ステップＳ１３に進む手順を行ってもよい。
【００６８】
ステップＳ１２にて、ベルトスパンのばねもしくはカップリングのばね又はスライダを変更していないＮＯの場合と判定されると、ステップＳ１３で時間ｔをΔｔだけ増やし、さらにステップＳ１４で、その時間における計算結果を記録する。
【００６９】
その後、ステップＳ１５にて、指定された時間範囲まで計算が終了したか否かを判定し、終了時間になっていないＮＯの場合は、ステップＳ３に戻る一方、終了時間になっているＹＥＳの場合には、ステップＳ１６に進んで結果出力を行い、しかる後に本計算を終了する。
【００７０】
本発明の実施形態では、ステップＳ６，Ｓ１０により、伝動ベルト駆動系ベルト長手方向の振動計算モデルに対し、カップリング部分をばね又はばね及びスライダとしてモデル化した要素に加わる歪を判定するようにした判定手段１０１が構成されている。
【００７１】
また、ステップＳ７，Ｓ１１により、上記判定手段１０１にて要素に加わる歪がトルクを伝える歪と判定されたときには、ばね定数をカップリング部分のばね特性とし、又はスライダが取り付けられている場合には該スライダをカップリングのトルク容量の値で滑り状態の特性にする一方、トルクを伝えない歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリング部分のばね定数よりも低いばね定数に変更するか、零にするか、或いは当該の要素を取り去り、スライダが取り付けられている場合は空転トルクの値で滑り状態にするようにした変更手段１０２が構成される。
【００７２】
ここで、上記各例での他の運動方程式を例示する。
［図５に示すモデルの運動方程式］
【数１】
【００７３】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数２】
【数３】
【００７４】
［図６に示すモデルの運動方程式］
【数４】
【００７５】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数５】
【００７６】
［図７に示すモデルの運動方程式］
【数６】
【００７７】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数７】
【００７８】
［図８に示すモデルの運動方程式］
【数８】
【００７９】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数９】
【００８０】
［図９に示すモデルの運動方程式］
【数１０】
【００８１】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数１１】
【００８２】
［図１０に示すモデルの運動方程式］
【数１２】
【００８３】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【００８４】
［図１１に示すモデルの運動方程式］
【数１６】
【００８５】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【００９７】
尚、以上に説明した実施形態１の例は、ベルトスパン部分及びカップリング部分をばねとしているが、ばね定数を表現できるものであれば何でもよく、例えばばね要素、トラス要素、梁要素、三角形要素、四角形要素、プリズム要素、れんが型要素等を単独又は複合させて用いた場合にも、同様の作用効果が得られ、本発明に含まれる。
【００９８】
また、上記のようなばね要素、粘性要素、慣性マス等の結合によって作られた振動系のモデルはオイラー法、線形加速度法、ニューマークのβ法、ウィルソンのθ法、フーボルト法、ルンゲクッタ法等の方法により、動的釣合い式を各時間増分で解く動的応答解析を行えばよい。
【００９９】
また、この発明の対象となるベルトは歯付ベルト、Ｖベルト、Ｖリブドベルト、平ベルトを含む伝動ベルトであり、特定の種類のベルトに限定されない。
【０１００】
さらに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングについては、一方向クラッチ（シェルタイプ、ローラタイプ、スプラグタイプ、カムクラッチタイプ、ベアクラッチタイプ等）や一方向にのみトルクを伝達できるものであれば、全てに適用できる。
【０１０１】
【実施例】
最後に、図１５に示すように一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ２軸の伝動ベルト駆動系について実験を行い、本発明による計算値に対比すべき実験値を求めた。図１５は、実施形態１において図７に示される一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ２軸の伝動ベルト駆動系に対し（尚、図７と同じ部分については同じ符号を付して説明する）、各種のセンサが取り付けられている。
【０１０２】
すなわち、原動側プーリ３３は図外のエンジン又は可変速軸に連結されて回転変動が生じるものである。また、従動側プーリ３４にはエンジンに駆動される補機として例えばオルタネータ、空調用コンプレッサ、パワーステアリング用ポンプ、ウォータポンプ等のうち、一方向のみトルクが伝達するカップリング特性が顕著に現れるオルタネータ３６が駆動連結されている。従動側プーリ３４と補機３６（オルタネータ）との連結部には、一方向にのみトルクを伝達するカップリングが取り付けられている。
【０１０３】
これに対し、上記各プーリ３３，３４及び補機３６の軸にはそれぞれスリット円盤７６〜７８が回転一体に取り付けられ、これらスリット円盤７６〜７８に近接して光電スイッチ７９〜８１が配設され、この光電スイッチ７９〜８１の矩形波パルス信号出力は該光電スイッチ７９〜８１からの周波数信号を電圧に変換するＦＶコンバータ８６〜８８にそれぞれ接続されており、プーリ３３，３４と補機３６の軸の回転時、スリット円盤７６〜７８のスリットが光電スイッチ７９〜８１の位置を通過したときに該光電スイッチ７９〜８１でパルス電圧信号を生じさせ、その電圧信号を受けたＦＶコンバータ８６〜８８からスリット円盤７６〜７８のスリットの通過周期に応じたプーリ回転速度に対応する電圧を出力させるようにしている。
【０１０４】
また、上記原動側プーリ３３と従動側プーリ３４との間の第１のベルトスパンＢ１には第１のタッチプーリ８２が、また第２のベルトスパンＢ２には第２のタッチプーリ８３がそれぞれ設けられている。これらのタッチプーリ８２，８３は対応するベルトスパンＢ１，Ｂ２の背面を３〜２０°屈曲するように配置されており、接触するベルトに比例した反力がタッチプーリ８２，８３に作用するようになっている。そして、これらのタッチプーリ８２，８３の取付部にはロードセル８４，８５が取り付けられ、これらのロードセル８４，８５はそれぞれ歪ゲージ用アンプ８９，９０に接続されている。
【０１０５】
そして、上記各ＦＶコンバータ８６〜８８及び各歪ゲージ用アンプ８９，９０の出力信号は、Ａ／Ｄコンバータ９１でアナログ信号からディジタル信号に変換された後にその電圧値が計測コンピュータ９２に取り込まれて計測される。この計測値を出図するために、コンピュータ９２にプリンタ９３が接続されている。尚、実験上の諸元は表１及び表２に示すとおりである。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】
【表２】
【０１０８】
図１６は、補機軸であるオルタネータの発電負荷が、無負荷状態で回転負荷のみが生じているときの、原動側プーリ３３、従動側プーリ３４及び補機３６の軸の回転変動について計算結果（図１６（ａ））と実験結果（図１６（ｂ））とを示す。原動側プーリ３３の回転変動は計算又は実験のいずれとも同じで、計算ではこの回転変動を加振力として与えている。このような原動側プーリ３３の回転変動に対し、従動側プーリ３４及び補機３６の軸（オルタネータ軸）も回転変動を示しており、計算結果は実験結果に対し位相及び振幅量を共に近似できていることが判る。
【０１０９】
また、図１７は原動側プーリ３３と従動側プーリ３４との間のベルトスパン部分の張力を示している。これも同様に、計算結果（図１７（ａ））は実験結果（図１７（ｂ））に対し位相及び変動量とも近似できていることが判る。
【０１１０】
これらのデータによれば、従動側のプーリがカップリングのトルクを伝えない歪方向に回転したとき、補機軸は慣性マスにより回転慣性が生じていることから、補機軸は従動側プーリと絶縁されて空転している状態が示されており、計算においても実験値と同等の状態が再現されていることが判る。
【０１１１】
このことにより、ベルトスパン部分の要素には補機の回転慣性を制動・動作させる仕事エネルギーが生じないため、トルクを伝達しない回転方向時には張力変化が少なくなり、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系が従来の固定プーリを用いた伝動ベルト駆動系よりもベルトへの刺激が少なく、ベルトの故障や寿命にとって優位であることが、理論的に実証できたことになる。
【０１１２】
従来（特開平７−２２９５３９公報参照）の設計支援装置を用いて同様の計算を行うと、トルクを伝えない絶縁状態が計算されないために、図１８に示すように実験結果と異なる計算結果（図１８（ａ），（ｂ））となる。
【０１１３】
また、本発明装置はオルタネータのように発電により軸負荷が変化するような補機であっても、補機軸の負荷を運動方程式に付加してやることにより、そのときのプーリや補機軸の回転変動やベルトスパン間の張力変動を計算することができる。
【０１１４】
図１９及び図２０は、補機軸であるオルタネータの発電負荷を２０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ３３、従動側プーリ３４及び補機３６の軸の回転変動と、原動側プーリ３３及び従動側プーリ３４の間のベルトスパン部分の張力変動とについて計算結果（図１９（ａ），図２０（ａ））と実験結果（図１９（ｂ），図２０（ｂ））とを示す。
【０１１５】
また、図２１及び図２２は、補機軸であるオルタネータの発電負荷を４０アンペアの電流が発電されるように４０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ３３、従動側プーリ３４及び補機３６の軸の回転変動と、原動側プーリ３３及び従動側プーリ３４の間のベルトスパン部分の張力変動とについて計算結果（図２１（ａ），図２２（ａ））と実験結果（図２１（ｂ），図２２（ｂ））とを示す。このときもまた、実験値と同等の状態が再現されていることが判る。
【０１２２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜１２の発明では、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系のベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行う場合に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね要素又はスライダ要素をトルクが伝達する歪作用時とトルクが伝達しない歪作用時とで変更するようにした。すなわち、請求項１又は７の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、ばね定数をカップリングのばね定数よりも低いばね定数に変更することとした。また、請求項３又は９の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、該要素を取り除くこととした。さらに、請求項５又は１１の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じたときにはばね定数を零の値に変更することとした。さらにまた、請求項２又は８の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、スライダの力をトルクを伝える歪の値よりも低い値に変更することとした。また、請求項４又は１０の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、ばねとスライダ要素を取り除くこととした。さらに、請求項６又は１２の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じたときにはスライダの力を零の値に変更することとした。
【０１２３】
したがって、これら発明によると、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系が実際の現象に極めて近い状態の計算を行うことができ、ベルトの張力変動や従動側の補機の回転変動、一方向のみにトルクを伝達するカップリングに連結された補機軸の回転変動等を正確に計算できるようになり、振動によるベルト駆動系各部品や一方向にのみトルクを伝達するカップリングの疲労寿命やベルトスリップ等の判断指針に適確に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２軸の伝動ベルト駆動系の振動モデルを示す概略図である。
【図２】２軸の伝動ベルト駆動系の振動モデルを詳細に示す図である。
【図３】２軸の伝動ベルト駆動系の別の振動モデルを示す図である。
【図４】２軸の伝動ベルト駆動系の別の２番目の振動モデルを示す図である。
【図５】２軸の伝動ベルト駆動系の別の３番目の振動モデルを示す図である。
【図６】本発明の実施形態１において２軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を示す図である。
【図７】２軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の別の第１の振動モデルを示す図である。
【図８】３軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を示す図である。
【図９】３軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の別の第１の振動モデルを示す図である。
【図１０】多軸のオートテンショナと一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を示す図である。
【図１１】多軸のオートテンショナと一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の別の第１の振動モデルを示す図である。
【図１２】一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系のトラス要素による振動モデルを示す図である。
【図１３】コンピュータでの振動計算処理の前半部を示すフローチャート図である。
【図１４】同振動計算処理の後半部を示すフローチャート図である。
【図１５】実施形態１に係る実験装置の全体概略図である。
【図１６】補機負荷を無負荷にしたときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動を示す特性図である。
【図１７】補機負荷を無負荷にしたときの原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【図１８】従来の設計支援装置を用いて、振動計算を行ったときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動と原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【図１９】補機負荷を２０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動を示す特性図である。
【図２０】補機負荷を２０アンペアの負荷としたときの原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【図２１】補機負荷を４０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動を示す特性図である。
【図２２】補機負荷を４０アンペアの負荷としたときの原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【符号の説明】
２８，３３，３９，４９，６０，７０ 原動側プーリ
２９，３４，４０，４１，５０，５１，６１，６２，７１，７２ 従動側プーリ
３０，３５，４２，５２，６５，７５ 補機軸
６３，７３ オートテンショナプーリ
１０１ 判定手段
１０２ カップリング特性変更手段
Ｂ ベルト
Ｂ１，Ｂ２ ベルトスパン部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系に回転変動やトルク変動が加わった場合の駆動系の設計を支援する方法及び装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、伝動ベルトを用いて動力伝達を行う駆動系を設計する場合においては、負荷、ベルト張力、プーリ回転数、ベルト速度、プーリ径、プーリレイアウト等を考慮して、伝動ベルトが短寿命にならないようにする工夫が行われる。通常、その工夫とは、例えばベルトレイアウト、プーリ径、ベルト種類の変更、或いはベルト幅やベルト本数の変更等が挙げられる。
【０００３】
特に、自動車等に用いられるエンジン用の補機（エアコン用コンプレッサ、パワーステアリング用オイルポンプ、冷却水用ウォータポンプ、発電用オルタネータ、エンジン潤滑用オイルオンプ等）を駆動する伝動ベルト系や、カムシャフトを駆動するタイミングベルトを用いた伝動ベルト系では、エンジンのクランクシャフトを駆動源としているため、エンジン点火周期に応じた回転変動が生じたり、クランクシャフトの捩り振動や各プーリでのトルク変動が生じたりするが、この回転変動やトルク変動によって、ベルトの駆動系はベルト長手方向に振動を受けることになる。その結果、ベルトの最大張力が増大して短寿命化を招いたり、プーリ周上の過大な剪断力によるベルト早期破損や、ベルトスリップの増大によるスリップ音の発生、或いはスリップによる発熱や短寿命化が生じたりする等の問題がある。
【０００４】
これらの問題に対処するために、本出願人は、前に、実際に生じる伝動ベルト駆動系に加わる張力、加速度、速度、変位等を精度よく計算できるようにし、その数値を用いて実際に即した伝動ベルトの駆動系設計及び一方向性を有するカップリングの設計に供し得るベルトの設計支援方法及び装置を提案している（特開平７―２２９５３９号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、伝動ベルト駆動システムにおいて、一方向（回転方向）にのみトルクを伝達するカップリングを慣性モーメントの大きい補機（例えば発電用オルタネータ等）に装着することにより、回転変動やトルク変動からくる補機の回転変動慣性の増大によるベルトの張力変動増加を低減させることが可能となり、伝動ベルトの寿命を大きく延ばすことができる。
【０００６】
しかし、伝動ベルト駆動系システムにおいて、一方向にのみトルクを伝達するカップリングのトルクの切換周期と、ベルトレイアウトからくるベルト長手方向のばね特性による固有周期とが同期した場合や、例えばカップリングを発電用オルタネータに含み、そのオルタネータ発電による回転負荷の増大によりカップリングがトルクを伝達していないときに補機軸の回転数低下が生じた場合等、伝動ベルトが受ける刺激度合いがエンジン状態により異なることから、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動システムの性能低下や効果を予測し、伝動ベルトの駆動系設計を行う必要がある。
【０００７】
しかも、少なくとも１つのプーリに一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系のベルト長手方向の振動予測においては、予測可能な方法が見出だされていない。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、実際に生じる一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系に加わる張力、加速度、速度、変位等を精度よく計算できるようにして、その数値を用いて実際に即した伝動ベルトの駆動系設計及び一方向性を有するカップリングの設計に供し得るようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１〜１２の発明では、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね、或いは一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触モデルを計算の途中で変更する構成とした。
【００１２】
すなわち、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばねに加わる歪がトルクを伝達する歪である場合には、一方向にのみトルクを伝えるカップリング部分のばね定数がばね要素の値として計算を行う。これに対し、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばねに加わる歪がトルクを伝達しない歪である場合には、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね定数を一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね定数よりも低い値かもしくは零にしてしまい、又はトルクを伝達しない歪が生じたときだけそのばね要素を取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００１３】
一方、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触モデルに加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向である場合には、一方向にのみトルクを伝えるカップリング部分の摩擦力が摩擦則を考慮した接触要素の値として計算を行う。これに対し、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触モデルに加わる摩擦方向がトルクを伝達しない方向である場合には、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦力を一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦力よりも低い値かもしくは零にしてしまい、又はトルクを伝達しない歪が生じたときだけその摩擦則を考慮した接触モデルを取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００１４】
具体的には、請求項１〜６の発明は方法の発明であり、請求項１の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、上記一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数をカップリングの空転トルク特性に変更することを特徴としている。
【００１５】
この構成により、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の捩りばね要素にトルクを伝達する歪が生じた場合には、捩りトルクを保持することになるが、トルクを伝達しない歪が生じた場合には、ばね定数が一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね特性よりも低い空転トルク特性のばね定数に変更されるので、振動計算モデルによる計算上、空転トルクを伝えることになり、実際の現象に極めて近い状態の計算が行うことができる。
【００１６】
請求項２の発明では、上記と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力をカップリングの空転トルク特性に変更することを特徴としている。
【００１７】
この構成によると、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触要素にトルクを伝達する摩擦が生じた場合には、摩擦力を保持することになるが、トルクを伝達しない摩擦が生じた場合には、摩擦力が一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦力よりも低い空転トルク特性の摩擦力に変更されるので、振動計算モデルによる計算上、空転トルクを伝えることとなり、実際の現象に極めて近い状態の計算が行うことができる。
【００１８】
請求項３の発明では、上記請求項１の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、上記要素を取り除くように変更する。
【００１９】
この構成では、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね要素にトルクを伝達する歪が生じた場合には、当該要素が取り除かれる。従って、全くトルクを伝達しない側の捩りトルクを保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２０】
請求項４の発明では、請求項２の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、上記要素を取り除くように変更する。
【００２１】
この発明では、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触要素にトルクを伝達する摩擦が生じた場合に、当該要素が取り除かれるので、全くトルクを伝達しない側の摩擦力を保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２２】
請求項５の発明では、請求項１の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を零の値に変更する。
【００２３】
このことで、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね要素にトルクを伝達する歪が生じたときには、ばね定数が零の値に変更されるので、請求項３の発明と同様に、全くトルクを伝達しない側の捩りトルクを保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２４】
請求項６の発明では、請求項２の発明と同様に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力を零の値に変更する。
【００２５】
このことで、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分の摩擦則を考慮した接触要素にトルクを伝達する摩擦が生じたときには、摩擦力が零の値に変更される。従って、請求項４の発明と同様に、全くトルクを伝達しない側の摩擦力を保持しないことになり、実際の現象に近い状態の計算が行うことができる。
【００２６】
請求項７〜１２の発明は装置の発明であり、請求項７の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置が前提である。
【００２７】
そして、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数をカップリングの空転トルク特性に変更するばね定数変更手段とを備える。このことで、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２８】
請求項８の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにした装置が前提であり、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力をカップリングの空転トルク特性に変更する摩擦力変更手段とを備える。このことで、請求項２の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２９】
請求項９の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を捩りばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を上記要素を取り除くように変更するばね定数変更手段とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
このことで、ばね定数変更手段は、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うとき、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を捩りばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達しない歪になると、請求項７とは異なり、該要素を取り除くように変更するので、請求項３の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３１】
請求項１０の発明では、伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルト設計支援装置において、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、上記要素を取り除くように変更する摩擦力変更手段とを備えた構成とする。
【００３２】
このことで、摩擦力変更手段は、振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うとき、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達しない摩擦方向になれば、請求項８の発明とは異なり、該要素を取り除くように変更するので、請求項４の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３３】
請求項１１の発明では、上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を零の値に変更するばね定数変更手段とを備えた構成とする。このことで、請求項５の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３４】
請求項１２の発明では、上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、この判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力を零の値に変更する摩擦力変更手段とを備えた構成とする。このことで、請求項５の発明と同様の作用効果が得られる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
初めに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト振動計算モデルで適用した従来の伝動ベルト駆動系振動計算モデル（特開平７−２２９５３９公報参照）の例を説明すると、図１〜図５は上記従来の伝動ベルト駆動系振動計算モデルに係る２軸の伝動ベルト駆動系の例を示し、１，８，１６，２３は回転変動が生じる原動側（駆動側）プーリ、２，９，１７，２４は該原動側プーリ１，８，１６，２３と平行な軸心を有する従動側プーリで、両プーリ間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。
【００３８】
この伝動ベルト駆動系のベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２をばねによってモデル化した際の図を図２に示す。伝動ベルト駆動系の中で、ベルトＢにおけるばねとして置き換えられる箇所として、プーリ１，２に巻き付いている部分のベルト心線と、プーリ１，２との間に位置するゴム部分とがばねとして働く。図３は、このベルトＢのプーリ８，９に巻き付いている部分のベルト心線とプーリ８，９との間のゴム部分でのばねを付加した場合の振動モデルである。
【００３９】
図４は、図２に示す振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したものである。図５は、図３に示す振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したものである。
【００４０】
そして、この振動モデルにおいて、ベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２に加わる歪が圧縮歪になった際には、ばね定数を引張り歪の際よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又は圧縮歪が生じたときだけベルトスパンＢ１，Ｂ２の構成要素を取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００４１】
つまり、図４及び図５に示されるベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２は、ばね要素と減衰要素との組合せにて成り立っているものであるから、これらの組合せ状態において、ベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２に加わる歪が引張り歪になった際には、その引張り荷重を保持するが、圧縮歪になった際には、引張り歪の値よりもそのばね定数が低い値か零にしてしまい、或いは圧縮歪が生じたときだけ、そのベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２の要素を取り除いてしまった状態で計算を行う。
【００４２】
（実施形態１）
以上の如き振動計算モデルのいずれの計算方法においても、一方向のみにトルクを伝達するカップリングを含んだプーリに上記モデルを装着することにより、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト駆動系が得られる。
【００４３】
すなわち、図６は、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ、本発明の実施形態１に係る伝動ベルト駆動系の例を示し、２８は回転変動が生じる原動側（駆動側）プーリ、２９は該原動側プーリ２８と平行な軸心を有する従動側プーリ、３０は従動側プーリ２９に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリングで、両プーリ２８，２９間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。この例は、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したもので、従動側プーリ２９に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリング３０をばねによってモデル化している。
【００４４】
この実施形態では、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルにおいて、トルクを伝えない歪になった際には、ばね定数をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングの要素を取り除いた状態で計算を行う。
【００４５】
図７は、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の他の例を示す。図７中、３３は回転変動が生じる原動側（駆動側）プーリ、３４は該原動側プーリ３３と平行な軸心を有する従動側プーリ、３５は従動側プーリ３４に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリングで、両プーリ３３，３４間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。この例は、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加したもので、従動側プーリ３４に装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリング３０をばねとスライダ要素とによってモデル化した例である。
【００４６】
この例では、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルにおいて、トルクを伝えない歪になった際には、スライダの力をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングのばねとスライダ要素とを取り除いた状態で計算を行う。
【００４７】
こうすることで、図６及び図７に示すいずれの例においても、トルクを伝えない歪が生じた場合に小さな一定の荷重を伝えることになり、実際の空転トルク特性の現象に近い状態の計算を行うことができる。
【００４８】
図８及び図９は一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ３軸の伝動ベルト駆動系の例を示す。これらの図中、３９，４９は原動側プーリ、４０，５０は該原動側プーリ３９，４９と平行な軸心を有する一方の従動側プーリ、４１，５１は同様に原動側プーリ３９，４９と平行な軸心を有する他方の従動側プーリで、これらプーリ３９〜４１，４，〜５１間には伝動ベルトＢが巻き掛けられている。この伝動ベルトＢのスパン部分、及びプーリ３９〜４１，４９〜５１に巻き付いている部分のベルト心線とプーリ３９〜４１，４９〜５１との間のゴム部分をばねによってモデル化する。このモデルは、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加した振動モデルで、この振動モデルの従動側プーリに装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリング４２，５２をばねによってモデル化している。
【００４９】
図９では、図８の一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルを、ばねとスライダとによってモデル化している。この一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルは、１つの従動側プーリだけでなく複数用いることも可能である。また、原動側プーリに用いることも可能である。
【００５０】
図８に示す振動モデルにおいて、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルがトルクを伝えない歪になった際には、ばね定数をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングの要素を取り除いた状態で計算を行う。
【００５１】
また、図９に示す振動モデルにおいても、一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルがトルクを伝えない歪になった際には、スライダの力をトルクを伝える歪の値よりも低い値もしくは零にしてしまうか、又はトルクを伝えない歪が生じたときだけ一方向にのみトルクを伝達するカップリングのばねとスライダ要素を取り除いた状態で計算を行う。
【００５２】
したがって、この例の場合でも、トルクを伝えない歪が生じた場合に小さな一定の荷重を伝えることになり、実際の空転トルク特性の現象に近い状態の計算を行える。
【００５３】
図１０及び図１１は一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだオートテンショナを含んだ４軸の伝動ベルト駆動系の例を示す。これらの図中、６０，７０は回転変動の生じる原動側プーリ、６１，７１は上記原動側プーリ６０，７０と平行な軸心を有する一方の従動側プーリ、６２，７２は同様の他方の従動側プーリで、原動側プーリ６０，７０と他方の従動側プーリ６２，７２との間にはばね６４，７４によって付勢されたオートテンショナのプーリ６３，７３が配設され、これらプーリ６０〜６３，７０〜７３間には伝動ベルトＢがオートテンショナプーリ６３，７３だけ背面掛けとして巻き掛けられている。この伝動ベルトＢのスパン部分、及びプーリ６０〜６３，７０〜７３に巻き付いている部分のベルト心線とプーリ６０〜６３，７０〜７３との間のゴム部分をばねによってモデル化する。このモデルは、振動モデルの内部減衰を表現するために減衰要素を付加した振動モデルであり、この振動モデルの従動側プーリに装着された一方向にのみトルクを伝達するカップリングをばねによってモデル化している。図１１では、図１０の一方向にのみトルクを伝達するカップリングモデルを、ばねとスライダとによってモデル化した例を示す。
【００５４】
次に、図１２は、図７に示す一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を、図１〜図５に示す結合方法に従ってトラス要素でモデル化した場合の要素形状を示している。図中、Ｎ１，Ｎ２は各プーリ３３，３４の中心の節点を示す。また、Ｎ４〜Ｎ７はベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２とプーリ３３，３４とが接している所に位置する節点である。要素Ｅ１，Ｅ２はベルトスパン部分Ｂ１，Ｂ２に当たるもので、１次元のトラス要素である。要素Ｅ４〜Ｅ７の一端はプーリ中心の節点Ｎ１，Ｎ２に結合し、他端がベルトスパンＢ１，Ｂ２部分のトラス要素に結合しており、この要素Ｅ４〜Ｅ７は、接合するプーリ中心の節点のＺ軸回りの回転に従うように拘束されている。また、この要素Ｅ４〜Ｅ７の長さは変化しない。
【００５５】
要素Ｅ３は一方向にのみトルクを伝達するカップリング３５に当たり、その一端は、カップリング３５の装着されているプーリ３４の中心節点Ｎ２に結合され、他端が補機軸中心の節点Ｎ３に結合されている。従動側プーリ３４の中心節点Ｎ２とカップリング３５の結合していない節点とには、補機負荷に相当する捩りモーメントを加える。
【００５６】
慣性マスは、各プーリ３３，３４の中心の節点Ｎ１，Ｎ２と補機軸の中心の節点Ｎ３とに結合している。
【００５７】
以上のように設定した後、原動側プーリ３３に所定の回転変動を加えてやることにより、この振動系に振動を与える。振動が定常になった状態で、このベルト駆動系の振動状態と判断する。
【００５８】
次に、上記のようにしてベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置について説明する。この装置はコンピュータでのソフトウェアにより構成されるもので、このコンピュータでの計算の手順例を図１３及び図１４に示すフローチャート図により説明する。
【００５９】
この図のベルトスパン部分の動的応答繰返し計算のステップは、従来（特開平７―２２９５３９号公報参照）のベルト設計支援装置を用いて、内部判定計算の中に本発明の一方向にのみトルクを伝達するカップリングの判定計算式を入れる。
【００６０】
すなわち、最初のステップＳ１にてデータを入力し、次のステップＳ２にて計算を行う伝動ベルト駆動系の運動方程式を作成する。その後、ステップＳ３〜Ｓ１２の間で微小時間ずつ増分させたときの動的応答を繰り返し計算することにより求める。
【００６１】
まず、ステップＳ３で、計算中の現在の状態よりΔｔ時間後の状態を計算により求める。このステップＳ３における振動系モデルは、前述したようにオイラー法、線形加速度法、ニューマークのβ法、ウィルソンのθ法、フーボルト法、ルンゲクッタ法のような方法により行うことができる。
【００６２】
上記ステップＳ３での計算結果によりΔｔ時間後の状態が計算されるが、その計算結果より、ステップＳ４においてベルトスパンばねに加わる歪を調べる。これは、ｔ時間時のベルトスパンの歪に対して、ｔ＋Δｔ時間時のベルトスパン歪が引張り歪から圧縮歪に変化しているかどうかを判定する。ベルトスパン歪が引張り歪から圧縮歪に変化している部分があって判定がＹＥＳになれば、ステップＳ５にてベルトスパン部のばね定数を零にするか、低い値に変更するか、又は計算モデル上からばねを取り除いた形にした後、ステップＳ６に進む。判定がＮＯのときにはそのままステップＳ６に進む。
【００６３】
上記ステップＳ６では、カップリングの歪がトルクを伝達する歪成分又はトルクを伝達しない歪成分のいずれであるかを判定する。カップリングの歪がトルクを伝達しない歪成分に変化していて、ステップＳ６の判定がＹＥＳのときには、ステップＳ７にてカップリングのばね定数を零にするか、もしくは低い値に変更するか、又は計算上からばねを取り除いた形にする。カップリングの振動モデルにスライダが取り付けられている場合は、空転トルクの値で滑り状態にする。このステップＳ７の後、ステップＳ６の判定がＮＯのときと共にステップＳ８に進む。
【００６４】
上記ステップＳ８では、ｔ時間時のベルトスパンの歪に対してΔｔ時間後のベルトスパン歪の変化により、ベルトスパンばねに加わる歪みを調べる。すなわち、ｔ時間時のベルトスパンの歪に対してｔ＋Δｔ時間時のベルトスパン歪が圧縮歪から引張り歪に変化しているかどうかを判定する。ベルトスパン歪が圧縮歪から引張り歪に変化している部分があり、判定がＹＥＳのときには、ステップＳ９にて、ベルトスパンの引張り時のばね定数に変更するか、又は、その部分にばねを取り除いた形になっている場合には、ベルトスパンのばねを取り付けることを行い、しかる後にステップＳ１０に進む。また、判定がＮＯであると、そのままステップＳ１０に進む。
【００６５】
ステップＳ１０では、ステップＳ６と同様にカップリング歪がトルクを伝達する歪成分か又はトルクを伝達しない歪成分かどうかを判定する。ここで、カップリングの歪がトルクを伝達する歪成分に変化していて、ステップＳ１０の判定がＹＥＳのときには、ステップＳ１１にてカップリングのばね定数をトルクを伝えるばね定数にするか、低い値に変更するか、又は計算上からばねを取り除いた形になっているときには、カップリングのばねを取り付ける。カップリングの振動モデルにスライダが取り付けられている場合は、カップリングのトルク容量の値で滑り状態にし、しかる後にステップＳ１２に進む。ステップＳ１０の判定がＮＯのときにはそのままステップＳ１２に進む。
【００６６】
尚、上記ステップＳ６，Ｓ１０での判定は、その直前のステップＳ３での計算と、さらにその前のステップＳ３の計算との間でカップリングばね又はスライダを変更した部分については、変更したときの状態がトルクを伝える歪を受けている状態に変更したものであれば、ｔ時間後にトルクを伝える歪を受けているものとし、トルクを伝えない歪を受けている状態に変更したものであれば、ｔ時間後にトルクを伝えない歪を受けているものとして取り扱う。
【００６７】
上記ステップＳ１２では、ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１０にてベルトスパンのばねもしくはカップリングのばね又はスライダを変更したかどうかを判定し、その変更有りのＹＥＳの場合には、ステップＳ３に戻って再計算を行う。尚、簡易に計算を行う場合や時間増分Δｔが小さい場合には、ステップＳ１２を取り除いたフローで計算を行い、ステップＳ１１から直接ステップＳ１３に進む手順を行ってもよい。
【００６８】
ステップＳ１２にて、ベルトスパンのばねもしくはカップリングのばね又はスライダを変更していないＮＯの場合と判定されると、ステップＳ１３で時間ｔをΔｔだけ増やし、さらにステップＳ１４で、その時間における計算結果を記録する。
【００６９】
その後、ステップＳ１５にて、指定された時間範囲まで計算が終了したか否かを判定し、終了時間になっていないＮＯの場合は、ステップＳ３に戻る一方、終了時間になっているＹＥＳの場合には、ステップＳ１６に進んで結果出力を行い、しかる後に本計算を終了する。
【００７０】
本発明の実施形態では、ステップＳ６，Ｓ１０により、伝動ベルト駆動系ベルト長手方向の振動計算モデルに対し、カップリング部分をばね又はばね及びスライダとしてモデル化した要素に加わる歪を判定するようにした判定手段１０１が構成されている。
【００７１】
また、ステップＳ７，Ｓ１１により、上記判定手段１０１にて要素に加わる歪がトルクを伝える歪と判定されたときには、ばね定数をカップリング部分のばね特性とし、又はスライダが取り付けられている場合には該スライダをカップリングのトルク容量の値で滑り状態の特性にする一方、トルクを伝えない歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリング部分のばね定数よりも低いばね定数に変更するか、零にするか、或いは当該の要素を取り去り、スライダが取り付けられている場合は空転トルクの値で滑り状態にするようにした変更手段１０２が構成される。
【００７２】
ここで、上記各例での他の運動方程式を例示する。
［図５に示すモデルの運動方程式］
【数１】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数２】
［図６に示すモデルの運動方程式］
【数４】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数５】
［図７に示すモデルの運動方程式］
【数６】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数７】
［図８に示すモデルの運動方程式］
【数８】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数９】
［図９に示すモデルの運動方程式］
【数１０】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数１１】
［図１０に示すモデルの運動方程式］
【数１２】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数１３】
［図１１に示すモデルの運動方程式］
【数１６】
この式をマトリックス形式で書くと、
【数１７】
尚、以上に説明した実施形態１の例は、ベルトスパン部分及びカップリング部分をばねとしているが、ばね定数を表現できるものであれば何でもよく、例えばばね要素、トラス要素、梁要素、三角形要素、四角形要素、プリズム要素、れんが型要素等を単独又は複合させて用いた場合にも、同様の作用効果が得られ、本発明に含まれる。
【００９８】
また、上記のようなばね要素、粘性要素、慣性マス等の結合によって作られた振動系のモデルはオイラー法、線形加速度法、ニューマークのβ法、ウィルソンのθ法、フーボルト法、ルンゲクッタ法等の方法により、動的釣合い式を各時間増分で解く動的応答解析を行えばよい。
【００９９】
また、この発明の対象となるベルトは歯付ベルト、Ｖベルト、Ｖリブドベルト、平ベルトを含む伝動ベルトであり、特定の種類のベルトに限定されない。
【０１００】
さらに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングについては、一方向クラッチ（シェルタイプ、ローラタイプ、スプラグタイプ、カムクラッチタイプ、ベアクラッチタイプ等）や一方向にのみトルクを伝達できるものであれば、全てに適用できる。
【０１０１】
【実施例】
最後に、図１５に示すように一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ２軸の伝動ベルト駆動系について実験を行い、本発明による計算値に対比すべき実験値を求めた。図１５は、実施形態１において図７に示される一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ２軸の伝動ベルト駆動系に対し（尚、図７と同じ部分については同じ符号を付して説明する）、各種のセンサが取り付けられている。
【０１０２】
すなわち、原動側プーリ３３は図外のエンジン又は可変速軸に連結されて回転変動が生じるものである。また、従動側プーリ３４にはエンジンに駆動される補機として例えばオルタネータ、空調用コンプレッサ、パワーステアリング用ポンプ、ウォータポンプ等のうち、一方向のみトルクが伝達するカップリング特性が顕著に現れるオルタネータ３６が駆動連結されている。従動側プーリ３４と補機３６（オルタネータ）との連結部には、一方向にのみトルクを伝達するカップリングが取り付けられている。
【０１０３】
これに対し、上記各プーリ３３，３４及び補機３６の軸にはそれぞれスリット円盤７６〜７８が回転一体に取り付けられ、これらスリット円盤７６〜７８に近接して光電スイッチ７９〜８１が配設され、この光電スイッチ７９〜８１の矩形波パルス信号出力は該光電スイッチ７９〜８１からの周波数信号を電圧に変換するＦＶコンバータ８６〜８８にそれぞれ接続されており、プーリ３３，３４と補機３６の軸の回転時、スリット円盤７６〜７８のスリットが光電スイッチ７９〜８１の位置を通過したときに該光電スイッチ７９〜８１でパルス電圧信号を生じさせ、その電圧信号を受けたＦＶコンバータ８６〜８８からスリット円盤７６〜７８のスリットの通過周期に応じたプーリ回転速度に対応する電圧を出力させるようにしている。
【０１０４】
また、上記原動側プーリ３３と従動側プーリ３４との間の第１のベルトスパンＢ１には第１のタッチプーリ８２が、また第２のベルトスパンＢ２には第２のタッチプーリ８３がそれぞれ設けられている。これらのタッチプーリ８２，８３は対応するベルトスパンＢ１，Ｂ２の背面を３〜２０°屈曲するように配置されており、接触するベルトに比例した反力がタッチプーリ８２，８３に作用するようになっている。そして、これらのタッチプーリ８２，８３の取付部にはロードセル８４，８５が取り付けられ、これらのロードセル８４，８５はそれぞれ歪ゲージ用アンプ８９，９０に接続されている。
【０１０５】
そして、上記各ＦＶコンバータ８６〜８８及び各歪ゲージ用アンプ８９，９０の出力信号は、Ａ／Ｄコンバータ９１でアナログ信号からディジタル信号に変換された後にその電圧値が計測コンピュータ９２に取り込まれて計測される。この計測値を出図するために、コンピュータ９２にプリンタ９３が接続されている。尚、実験上の諸元は表１及び表２に示すとおりである。
【０１０６】
【表１】
【表２】
図１６は、補機軸であるオルタネータの発電負荷が、無負荷状態で回転負荷のみが生じているときの、原動側プーリ３３、従動側プーリ３４及び補機３６の軸の回転変動について計算結果（図１６（ａ））と実験結果（図１６（ｂ））とを示す。原動側プーリ３３の回転変動は計算又は実験のいずれとも同じで、計算ではこの回転変動を加振力として与えている。このような原動側プーリ３３の回転変動に対し、従動側プーリ３４及び補機３６の軸（オルタネータ軸）も回転変動を示しており、計算結果は実験結果に対し位相及び振幅量を共に近似できていることが判る。
【０１０９】
また、図１７は原動側プーリ３３と従動側プーリ３４との間のベルトスパン部分の張力を示している。これも同様に、計算結果（図１７（ａ））は実験結果（図１７（ｂ））に対し位相及び変動量とも近似できていることが判る。
【０１１０】
これらのデータによれば、従動側のプーリがカップリングのトルクを伝えない歪方向に回転したとき、補機軸は慣性マスにより回転慣性が生じていることから、補機軸は従動側プーリと絶縁されて空転している状態が示されており、計算においても実験値と同等の状態が再現されていることが判る。
【０１１１】
このことにより、ベルトスパン部分の要素には補機の回転慣性を制動・動作させる仕事エネルギーが生じないため、トルクを伝達しない回転方向時には張力変化が少なくなり、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系が従来の固定プーリを用いた伝動ベルト駆動系よりもベルトへの刺激が少なく、ベルトの故障や寿命にとって優位であることが、理論的に実証できたことになる。
【０１１２】
従来（特開平７−２２９５３９公報参照）の設計支援装置を用いて同様の計算を行うと、トルクを伝えない絶縁状態が計算されないために、図１８に示すように実験結果と異なる計算結果（図１８（ａ），（ｂ））となる。
【０１１３】
また、本発明装置はオルタネータのように発電により軸負荷が変化するような補機であっても、補機軸の負荷を運動方程式に付加してやることにより、そのときのプーリや補機軸の回転変動やベルトスパン間の張力変動を計算することができる。
【０１１４】
図１９及び図２０は、補機軸であるオルタネータの発電負荷を２０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ３３、従動側プーリ３４及び補機３６の軸の回転変動と、原動側プーリ３３及び従動側プーリ３４の間のベルトスパン部分の張力変動とについて計算結果（図１９（ａ），図２０（ａ））と実験結果（図１９（ｂ），図２０（ｂ））とを示す。
【０１１５】
また、図２１及び図２２は、補機軸であるオルタネータの発電負荷を４０アンペアの電流が発電されるように４０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ３３、従動側プーリ３４及び補機３６の軸の回転変動と、原動側プーリ３３及び従動側プーリ３４の間のベルトスパン部分の張力変動とについて計算結果（図２１（ａ），図２２（ａ））と実験結果（図２１（ｂ），図２２（ｂ））とを示す。このときもまた、実験値と同等の状態が再現されていることが判る。
【０１２２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜１２の発明では、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系のベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行う場合に、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分のばね要素又はスライダ要素をトルクが伝達する歪作用時とトルクが伝達しない歪作用時とで変更するようにした。すなわち、請求項１又は７の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、ばね定数をカップリングのばね定数よりも低いばね定数に変更することとした。また、請求項３又は９の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、該要素を取り除くこととした。さらに、請求項５又は１１の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じたときにはばね定数を零の値に変更することとした。さらにまた、請求項２又は８の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、スライダの力をトルクを伝える歪の値よりも低い値に変更することとした。また、請求項４又は１０の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じた場合には、ばねとスライダ要素を取り除くこととした。さらに、請求項６又は１２の発明では、カップリングにトルクが伝達しない歪が生じたときにはスライダの力を零の値に変更することとした。
【０１２３】
したがって、これら発明によると、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系が実際の現象に極めて近い状態の計算を行うことができ、ベルトの張力変動や従動側の補機の回転変動、一方向のみにトルクを伝達するカップリングに連結された補機軸の回転変動等を正確に計算できるようになり、振動によるベルト駆動系各部品や一方向にのみトルクを伝達するカップリングの疲労寿命やベルトスリップ等の判断指針に適確に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２軸の伝動ベルト駆動系の振動モデルを示す概略図である。
【図２】２軸の伝動ベルト駆動系の振動モデルを詳細に示す図である。
【図３】２軸の伝動ベルト駆動系の別の振動モデルを示す図である。
【図４】２軸の伝動ベルト駆動系の別の２番目の振動モデルを示す図である。
【図５】２軸の伝動ベルト駆動系の別の３番目の振動モデルを示す図である。
【図６】本発明の実施形態１において２軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を示す図である。
【図７】２軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の別の第１の振動モデルを示す図である。
【図８】３軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を示す図である。
【図９】３軸の一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の別の第１の振動モデルを示す図である。
【図１０】多軸のオートテンショナと一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系を示す図である。
【図１１】多軸のオートテンショナと一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の別の第１の振動モデルを示す図である。
【図１２】一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系のトラス要素による振動モデルを示す図である。
【図１３】コンピュータでの振動計算処理の前半部を示すフローチャート図である。
【図１４】同振動計算処理の後半部を示すフローチャート図である。
【図１５】実施形態１に係る実験装置の全体概略図である。
【図１６】補機負荷を無負荷にしたときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動を示す特性図である。
【図１７】補機負荷を無負荷にしたときの原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【図１８】従来の設計支援装置を用いて、振動計算を行ったときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動と原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【図１９】補機負荷を２０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動を示す特性図である。
【図２０】補機負荷を２０アンペアの負荷としたときの原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【図２１】補機負荷を４０アンペアの負荷としたときの原動側プーリ、従動側プーリ、補機軸の回転変動を示す特性図である。
【図２２】補機負荷を４０アンペアの負荷としたときの原動側プーリと従動側プーリとの間のベルトスパン部分の張力変動を示す特性図である。
【符号の説明】
２８，３３，３９，４９，６０，７０ 原動側プーリ
２９，３４，４０，４１，５０，５１，６１，６２，７１，７２ 従動側プーリ
３０，３５，４２，５２，６５，７５ 補機軸
６３，７３ オートテンショナプーリ
１０１ 判定手段
１０２ カップリング特性変更手段
Ｂ ベルト
Ｂ１，Ｂ２ ベルトスパン部分
Claims (12)
- 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、
上記一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数をカップリングの空転トルク特性に変更することを特徴とするベルトの設計支援方法。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、
上記一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力をカップリングの空転トルク特性に変更することを特徴とするベルトの設計支援方法。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、
上記一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、上記要素を取り除くように変更することを特徴とするベルトの設計支援方法。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、
一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、上記要素を取り除くように変更することを特徴とするベルトの設計支援方法。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、
上記一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を零の値に変更することを特徴とするベルトの設計支援方法。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するベルトの設計支援方法において、
上記一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力を零の値に変更することを特徴とするベルトの設計支援方法。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、
上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、
上記判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数をカップリングの空転トルク特性に変更するばね定数変更手段とを備えたことを特徴とするベルトの設計支援装置。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、
上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、
上記判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力をカップリングの空転トルク特性に変更する摩擦力変更手段とを備えたことを特徴とするベルトの設計支援装置。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、
上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を捩りばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、
上記判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を上記要素を取り除くように変更するばね定数変更手段とを備えたことを特徴とするベルトの設計支援装置。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、
上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、
上記判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、上記要素を取り除くように変更する摩擦力変更手段とを備えたことを特徴とするベルトの設計支援装置。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、
上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分をばねとしてモデル化した要素に加わる歪を判定する判定手段と、
上記判定手段により要素に加わる歪がトルクを伝達する歪になったと判定されたときには、ばね定数をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない歪になったときには、ばね定数を零の値に変更するばね定数変更手段とを備えたことを特徴とするベルトの設計支援装置。 - 伝動ベルト駆動系の少なくとも１つのプーリに、一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだベルト長手方向の振動計算モデルにより振動計算を行ってベルトの設計を支援するようにしたベルトの設計支援装置において、
上記振動計算モデルにより一方向にのみトルクを伝達するカップリングを含んだ伝動ベルト駆動系の振動計算を行うときに、一方向にのみトルクを伝達するカップリング部分を、摩擦則を考慮した接触モデルとしてモデル化した要素に加わる摩擦方向を判定する判定手段と、
上記判定手段により要素に加わる摩擦方向がトルクを伝達する方向になったと判定されたときには、摩擦力をカップリングのトルク容量特性とする一方、トルクを伝達しない摩擦方向になったときには、摩擦力を零の値に変更する摩擦力変更手段とを備えたことを特徴とするベルトの設計支援装置。
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