ベルトドライブとその分類｜動力伝達｜機械工学

ベルトドライブによる動力伝達は、図9.1に示すように2軸が互いに平行（10mまで）である場合の伝達システムとして最も一般的で普遍的に用いられる方法の1つである。 ベルトドライブは2本の平行な軸からなり、それぞれの軸にプーリが取り付けられている。

プーリーの表面にはエンドレスのベルトが走っている。 その間に滑りが生じることもあり、ポジティブドライブとは呼べない。 ベルトがプーリの上を走るとき、プーリ表面とベルト表面の間には常に運動方向と反対方向の摩擦が働きます。 ベルトは摩擦のみによって動力を伝達する。 ベルト駆動方式は、軸の中心間距離が長くても使用できる。 効果的な伝達のためには、プーリー表面とベルト表面の摩擦をできるだけ大きくする必要があります。

よく知られているように、ほとんどのシステムで摩擦は望ましい現象ではないので、できるだけ小さくする必要があります。

1. フラット・ベルト駆動。

ベルトは革、合成ゴム、キャンバス、あるいはゴムやバラタに埋め込まれた糸でできた薄い帯状のものです。 このベルトは断面が平らで長方形に作られています。 図9.2のようにベルトの両端をピンやステッチで接合してエンドレスベルトとする。

システムは、個別駆動とグループ駆動のいずれにも適用可能である。 個別ベルト駆動は各ミシンがそれぞれ電動機を持つ場合に使用することができる。 グループ駆動の場合は、大容量のモーターでメインシャフトまたはライブシャフトと呼ばれるオーバーヘッドシャフトを駆動し、メインシャフトはカウンターシャフトと呼ばれる別のシャフトを駆動し、別の機械シャフトを駆動します。

駆動プーリから被動プーリへの回転力の伝達は、ベルト表面とプーリ表面との摩擦により行われます。 ベルトには2つの面があり、一方はテンション側と呼ばれる張力があり、もう一方はスラック側と呼ばれる張力の弱い状態になります（図9.3）。

ベルトのテンション側（T1）とスラック側（T2）は駆動プーリの回転方向により異なる。

平ベルトの長所と短所。

長所。

i. シンプルな方法、普遍的に使用される配置、ベルトが適切なサイズであれば、操作はスムーズです。

ii. 低いメンテナンスコストと長寿命。

iii. 柔軟性がより高いです。

iv. ショックの度合いが少ない。

v. 2本の平行軸に適しています。

vi. 2本の軸の中心から中心までの距離が長い場合に適する。

不利な点

i. エンドレスベルトは、両端をピンで結合して作られます。 ベルトは接合部付近で損傷しやすく、寿命が短くなる傾向があります。 そのため、定期的なベルトの交換が必要になる場合があります。

ii. 短距離のシャフトには不向きです。

iii. ベルトのサイズが適正でない場合、スリップやクリープにより効率が悪くなることがあります。

iv. システムはポジティブドライブではありません。

平ベルトの配置には2つのタイプがあります。

(a) オープンフラットベルトドライブ、

(b) クロスフラットベルトドライブ。

(a) オープンフラットベルトドライブ。

図9.3はオープンフラットベルトドライブの配置である。 2つの平行な軸に2つのプーリが取り付けられている。 平ベルトはプーリーの上をまっすぐ走る。 ベルトは同じ方向に走り続ける。 この配置は、2つの軸の中心間距離が大きく、ベルトの両側が互いに平行である場合に最適である。 プーリーAは駆動プーリー、Bは従動プーリーで、A、Bともに時計回りの回転である。 ベルトの下部は張力T1のきつい側、ベルトの上部はT1＜2064＞T2のように張力T2の弛んだ側とする。

(b) クロスフラットベルトの配置。

クロスフラットベルトの配置を図9.4に示す。 2本の軸が平行であるが、反対方向に回転させる場合に使用される。 駆動プーリー軸Aは時計方向に回転させ、従動プーリー軸Bは反時計方向に回転させる。 2軸の中心間距離はLである。

この駆動系ではベルトが交差する分岐点があり、運転中に常にこすれる作用で摩耗や破損が発生する。 この影響は連続的である。 しかし、ベルト幅の20倍に相当する中心間距離を長くすることで、擦れ効果を回避することができる。 このようなシステムは、システムが低速で運転される場合に適していることが分かる。

ベルトのスリップ:

プーリーのリム面とベルト面の間の摩擦抵抗が小さい場合、両面の相対運動に差が生じ、ベルトスリップと呼ばれる。 ベルトスリップはプーリーのリム面とベルト面の線速の差として計算できます。 通常、パーセントで測定する方法です。

ベルトスリップは次のような理由で発生します。

(a)ベルトの連続走行で、プーリーのリム面が非常に滑らかになる、

(d) 両面間の摩擦係数が低下する。

(c) 連続運転によるベルトの長さの増加。

(d) タイト側(T1)とスラック側(T2)の張力の差が大きい。

ベルト駆動でクリープが発生する。

クリープは、ベルトやプーリーの相対運動の存在により発生します。 ベルトの長さが長くなることが原因です。 運転中、ベルトまたはプーリーの連続走行があり、ベルトの収縮と伸張が交互に起こります。 したがって、動力の損失があります。 ベルトのクリープにより、有効な動力が伝達されなくなり、速度比の低下が発生します。

ジョッキープーリ/アイドルプーリ。

図9.5のようにベルトの弛み側で従動プーリーBに近い位置にある小さなプーリーをジョッキープーリーと呼びます。 プーリーCはジョッキープーリーで、アイドルプーリーとも呼ばれます。

アイドルプーリーの長所と短所は次のとおりです。

(a) ベルトのたるみ側の張力T2を増加させることができる。

(b)接触角が大きくなる。

(c) スリップを抑えることができます。

(d)動力伝達効率を上げる。

(e) ジョッキープーリの配置により弛み側の張力が増加し、ベルトの寿命が短くなる。

ステッププーリ方式。

ステッププーリ方式の場合、図9.6(a)のように一つのプーリを3段にしたものである。 材質は鋳鉄である。 このようなプーリーを2個、図9.6(b)のように平行な2本の軸に取り付けています。

図9.6(b)において、Aは駆動軸、Bは従動軸である。 両軸は平行に配置され、Aの最大プーリと従動プーリBの最小プーリがちょうど対向するように配置され、AとBのすべてのステップの直径は同じベルトが使用できるように調整されている。 この配置は、あるステップから別のステップへベルトを移動させることによって速度比を変えるのに有効である。 3段プーリの代わりに4段プーリで使用することもある。

コーンプーリーの配列。

このタイプのプーリー配列では、図9.7（a）に示すように、円錐の長いフラストレーションをマウントした2つのシャフトがあり、それらは互いに平行に保たれていますが、反対方向に配置されています。 図9.7(b)に完全なコーンプーリー配置を示します。

このような配置では、Aが駆動軸、Bが従動軸となる。 平ベルトは所望の速度比に応じた特定の位置で円錐の錐体表面を走行しています。 その間にベルトシフター “C “があります。 ベルトは、適切な方法で速度比を変化させるためにシフトさせることができる。 この配置は非常に便利で、木工旋盤作業でよく使われています。

複合ベルト駆動方式。

複合ベルト駆動の配置では、特定のシャフトが2つ以上のプーリーを保持します。 このような配置を図9.8(a)と図9.8(b)に示す。

図9.8（a）、（b）に示すように、A-Bの組み合わせでは、Aが駆動プーリ、Bが従動プーリである。 C-Dの組合せではCが駆動プーリー、Dが従動プーリーである。 最大限の減速が望まれる場合、複合ベルト駆動アセンブリは最も重要な方法であると考えられる。 より大きな従動プーリーを排除することができる。

この組合せでは、プーリーBとCが複合プーリー、すなわちプーリーCはプーリーBと同じ軸にキー止めされています。 Dは別のプーリです。 A-Bにはベルトがかかり、C-Dには別のベルトがかかっている。 プーリーBの速度（nb）とプーリーCの速度（nc）は同じ、すなわち、nb＝ncである。

プーリーDの速度(nd)は次のように計算できる。

ここで、na、nb、nc、da、db、dcはそれぞれプーリーA、B、Cの速度と直径、tはベルト厚さである。

プーリーの速度と緩み。

よく整理された作業場では、いくつかの機械が一つの主駆動軸（ライン軸と呼ばれる）で駆動され、一つの機械を頻繁に停止させたり運転したりすることがかなりある。 ある機械を停止させるために、駆動している主軸を停止させなければならず、他の機械の作業に支障をきたす。 しかし、図9.9に示すような手法を導入することで、この問題を解消することができる。

このような配置により、必要なときに必要なだけ機械を動かしたり止めたりすることが容易にできるようになる。 図9.9は、動力がベルトドライブによって駆動プーリーAから高速プーリーBに伝達されることを示している。 高速プーリーの軸は停止する機械と連結している。 これに隣接して、シャフト上で自由であり、自由に回転するフリー/ルーズプーリーがある。

ベルトシフターでベルトを自由に回転しているルーズプーリーに移動させると、ファストプーリーの回転が止まり、機械軸の回転も止まります。 ベルトは動き続けますが、高速プーリーがフリーになり、機械は急停止します。

平ベルトの記号と計算式。

図9.10に示すように、AとBを2つのプーリーとして考えてみます。

すると、

da = 駆動プーリの直径、m

db = 従動プーリの直径、m

ra = 駆動プーリの半径

rb = 従動プーリ半径

na = 駆動プーリ速度、rpm

nb = 従動プーリ速度、rpm

na=駆動プーリの速度は、rpm

nb=駆動プーリの速度は、rpm

ra=駆動プーリの速度。 rpm

m = ベルトの質量/長さ (kg/m)

θa = プーリーAでの接触角度

θb = プーリーBでの接触角度

L = 駆動/従動プーリー間の中心距離

L0 = オープンベルト駆動時のベルト長さ

Lc = クロスベルトドライブ時のベルト長さ Thomas

L0 = オープンエンドのプーリー長さドライブ

T1 = 締め付け側張力

T2 = 弛み側張力

T = ベルトの最大張力 = T1 + T2

T0 = ベルトの初期張力 = (T1 + T2)/2

Tc = ベルトの張力 遠心力＝mv2

Tco = 遠心力を考慮した初期張力

= (T1 + T2 + 2Tc )/2

T1 – T2 = 純または実効ベルト張力

b = ベルト幅, m

t = ベルトの厚さ

v = ベルトの速度（m/s）

ωa = 駆動プーリの角速度 = 2Πna

ωb = 駆動プーリの角速度 = 2Πnb

P = 送電電力（kW） = (T1 – T2)v/1000

2. Vベルト駆動。

Vベルトは高出力伝達システムに非常に適していることが分かる。 Vベルトの断面は図9.11に示すように台形である。 純ゴムや合成ゴムに、繊維状の強度を持つナイロンなどの荷重伝達用コードを加えて成形される。 Vベルトは長さを制限したエンドレスループのような構造になっており、システムに応じて各メーカーが工夫している。

高トルクを伝達するためにV溝プーリに密着して走行するVベルトを図9.12に示す。 このようにVベルトの2つの面がV溝面に接しているため、ベルトとプーリ間の摩擦力が向上しています。 この方式では、伝達効果が大幅に向上します。

摩擦力が大きいため、Vベルトの摩耗が大きくなり、ベルトの寿命が短くなる。 メーカーは、要件に応じて異なるサイズのVベルトを作っています。 動力伝達のためにVベルトを使用する場合、プーリーにくさび形の溝を作り、Vベルトがその溝を走行できるように改良します。

図9.13（a）はVベルト1本で動力伝達するプーリー、図9.13（b）はVベルト3本で動力伝達するプーリーである。 マルチVベルトドライブ」では、1本のベルトが故障しても、他のベルトで動力を伝達することができる。

Vベルトには次のような特長がある。

(a)Vベルトは大きな動力の伝達に使われる。

(b)同じプーリに使用するVベルトの数は、伝達する力によって異なる。

(c) Vベルトは平ベルトに比べ、中心間距離が小さくても使用することができます。

(d) 平ベルトに比べ、スリップが全くない。

(e) どのような位置、方向でも使用でき、軸が傾いていても大丈夫です。

(f) Vベルトの取り付けは簡単です。

(g) Vベルトの交換が簡単です。

(h) Vベルト駆動は非常に効果的で、場所をとらない。

Vベルトの制限事項。

(a) Vベルトの寿命は磨耗で短いです。

(b)耐久性はあまりない。

(c) Vベルトの製造は複雑で、特別な技術を必要とする。

(d) Vベルトが破損した場合、交換するしかなく、コストが高くなる。

(e) Vベルトは速度が5-50m/sの範囲で使用できる。

(f) ベルト交換の場合、1本でも破損すると、同じセットのベルトをすべて交換しなければならない。