ベルト（機械式）

ベルト駆動はシンプルで安価であり、軸を軸方向に揃える必要がありません。過負荷や詰まりから機械を保護し、騒音や振動を減衰・遮断します。負荷変動は衝撃吸収（緩衝）されます。潤滑油は不要で、メンテナンスも最小限で済みます。効率が高く（90～98%、通常95%）、軸のずれに対する許容度も高く、軸間の距離が離れていれば比較的低コストで済みます。クラッチ動作は、ベルトを自由に回転するプーリーに移動させるか、ベルトの張力を緩めることで実現できます。段付きプーリーやテーパープーリーを使用することで、異なる速度を得ることができます。

滑りや伸びのため、角速度比は必ずしも一定ではなく、プーリーの直径と等しくならない場合があります。しかし、この問題は歯付きベルトを使用することでほぼ解決できます。動作温度範囲は-35～85 ℃（-31～185 °F）です。摩耗や伸びを補償するためには、中心距離の調整またはアイドラプーリーの追加が不可欠です。  

平ベルトは、19 世紀から 20 世紀初頭にかけて、工場で動力を伝達するためのラインシャフトに広く使用されていました。 ^{[ 4 ]}また、バックソー、製材所、脱穀機、サイロブロワー、トウモロコシ貯蔵庫や干し草置き場への充填用コンベア、ベーラー、ウォーターポンプ(井戸、鉱山、または湿地の農地用)、発電機など、無数の農業、鉱業、林業の用途にも使用されていました。平ベルトは、ラインシャフト時代ほどではないものの、今日でも使用されています。平ベルトは、当時の用途に適したシンプルな動力伝達システムです。幅広のベルトと大きなプーリーの場合、高速(51 m/s、115 mph で373 kW ) で高出力を伝達できます。幅広ベルトと大型プーリーを用いた駆動装置は、かさばり、多くのスペースを占有する上、高い張力を必要とするため負荷が大きく、近接センター用途には適していません。短距離の動力伝達においては、主に平ベルトに代わってVベルトが用いられるようになり、長距離の動力伝達にはもはやベルトはほとんど使用されなくなりました。例えば、工場の機械には個別の電動モーターが搭載される傾向にあります。    

平ベルトはプーリーの高い側に傾きやすいため、ベルトが走行中に自動的に中央に戻るように、プーリーの表面は平らではなく、わずかに凸状、つまり「クラウン型」に作られていました。また、平ベルトは重負荷がかかるとプーリー面で滑りやすいため、摩擦を増やして動力伝達効率を高めるための、多くの専用ベルト潤滑剤が市販されていました。

平ベルトは伝統的に革または布で作られていました。ウクライナの初期の製粉所では革ベルト駆動が使われていました。第一次世界大戦後、靴革が不足したため、人々はベルト駆動を切り刻んで靴を作りました。しばらくの間、小麦粉を売るよりも靴を売る方が儲かりました。製粉はすぐに停止し、パンの価格が高騰し、飢饉状態の一因となりました。^{[ 5 ]}革駆動ベルトは、ローデシア紛争（1964～1979年）中に別の用途にも使われました。危険地帯では、自動車やバスの乗客を地雷から守るために、革ベルト駆動の層が車両の床に置かれました。今日では、ほとんどのベルト駆動はゴムまたは合成ポリマーで作られています。革ベルトのグリップは、革の毛側（外側）をプーリーに当てて組み立てると良くなることが多いですが、ベルトの両端を接合する前に半回転させて（メビウスの帯のように）して、ベルトの両側に均等に摩耗を分散させるベルトもあります。ベルトの端は、革紐で端を結び合わせる（最も古い方法）^{[ 6 ] [ 7 ]、}スチール製の櫛留め具や紐で結び合わせる^{[ 8 ]}、または接着や溶接（ポリウレタンやポリエステルの場合）によって接合されます。平ベルトは伝統的に継ぎ合わせられており、現在でも通常はそうですが、継ぎ目のない構造で作ることもできます。

19世紀半ば、イギリスの製粉機械工たちは、ロープで接続された多溝プーリーが、革ベルトで接続された平プーリーよりも優れていることを発見した。ワイヤーロープが使われることもあったが、綿、麻、マニラ麻、亜麻のロープが最も広く使われた。通常、複数のV溝を持つ2つのプーリーを接続するロープは、1つのループに接合され、螺旋状の経路に沿って移動した後、ロープの張力を維持する役割も果たすアイドラプーリーによって元の位置に戻された。時には、1本のロープを使って、1つの多溝駆動プーリーから複数の単溝または多溝駆動プーリーに動力を伝達することもあった。

一般的に、平ベルトと同様に、ロープ駆動は、定置エンジンから製粉所のジャックシャフトやラインシャフトへの接続、そして時にはラインシャフトから駆動機械への接続に使用されました。しかし、革ベルトとは異なり、ロープ駆動は比較的長い距離にわたって動力を伝達するためにも使用されました。長距離では、「飛びロープ」を支えるために中間滑車が使用され、19 世紀後半には、これは非常に効率的であると考えられていました。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

丸ベルトは、60度のV溝を持つプーリー内を走行するように設計された円形断面のベルトです。丸溝は、ベルトをガイドするアイドラプーリー、または（柔らかい）Oリングタイプのベルトを使用する場合にのみ適しています。V溝はくさび作用によってトルクを伝達し、摩擦を増加させます。ただし、丸ベルトは比較的低トルクの状況でのみ使用でき、さまざまな長さで購入したり、必要な長さに切断して、ステープル、金属コネクタ（中空プラスチックの場合）、接着剤、または溶接（ポリウレタンの場合）で接合することができます。初期のミシンでは、金属ステープルまたは接着剤で接合された革ベルトが効果的に使用されていました。

スプリングベルトはロープベルトや丸ベルトに似ていますが、長い鋼鉄製のらせん状のばねで構成されています。これらは、おもちゃや小型模型のエンジン、特に他のおもちゃや模型を駆動する蒸気機関や、クランクシャフトと車両の他の部分との間の伝達装置としてよく見られます。ゴムベルトやその他の弾性ベルトに対する主な利点は、制御の悪い運転条件下でもはるかに長持ちすることです。プーリー間の距離もそれほど重要ではありません。主な欠点は、摩擦係数が低いため滑りやすいことです。スプリングベルトの両端は、両端のらせんの最後の巻きを90度曲げてフックを作るか、片方の端の最後の数巻きの直径を小さくしてもう一方の端に「ねじ込む」ことで接続できます。

Vベルト（V型ベルト、Vベルト、またはあまり一般的ではないがウェッジロープとも呼ばれる）は、滑りや位置ずれの問題を解決しました。現在では動力伝達の基本ベルトとなっています。牽引力、移動速度、ベアリングへの負荷、長寿命の最適な組み合わせを提供します。一般的にエンドレスで、断面形状はおおよそ台形です（そのため「V」という名前が付けられています）。ベルトの「V」字型はプーリー（またはシーブ）の対応する溝に沿って移動するため、ベルトが滑り落ちることはありません。また、負荷が増加するとベルトは溝に食い込む傾向があり、負荷が大きいほど食い込み作用が大きくなり、トルク伝達が向上し、Vベルトは平ベルトよりも幅と張力が少なくて済む効果的なソリューションとなっています。Vベルトは、中心距離が小さく、減速比が高い点で平ベルトを凌駕します。好ましい中心距離は、最大のプーリー直径よりも大きいですが、両方のプーリーの直径の合計の3倍未満です。最適な速度範囲は1,000～7,000フィート/分（300～2,130メートル/分）です。Vベルトは、平ベルトよりも断面が厚いため、より大きなプーリーが必要です。  

高出力が必要な場合、2本以上のVベルトを並べてマルチVと呼ばれる構成で接続し、対応する多溝プーリー上で駆動させることができます。これはマルチVベルト駆動（または「従来型Vベルト駆動」）として知られています。

Vベルトは、全体が均一なゴムまたはポリマーで構成されている場合もあれば、強度と補強のためにゴムまたはポリマーに繊維が埋め込まれている場合もある。繊維は、綿、ポリアミド（ナイロンなど）、ポリエステルなどの繊維材料、あるいは最大の強度を得るために鋼鉄やアラミド（テクノーラ、トワロン、ケブラーなど）で構成されている。

エンドレスベルトが要件に合わない場合は、ジョイント式およびリンク式Vベルトを使用できます。ほとんどのモデルは、同サイズのエンドレスベルトと同じ出力と速度定格を提供し、動作に特別なプーリーを必要としません。リンク式Vベルトは、ポリウレタン/ポリエステル複合材の複数のリンクが、Fenner Drives社のPowerTwistのように単独で、またはNu-T-Link（金属スタッド付き）のようにリンク同士で連結されています。これらは、ゴムベルトに比べて取り付けが容易で、優れた耐環境性を備えており、必要に応じてリンクを分解して取り外すことで長さを調整できます。

マルチグルーブ、Vリブ、またはポリグルーブベルト^{[ 16 ]}は、通常3～24個のV字型セクションが並んで構成されています。これにより、同じ駆動面に対してベルトが薄くなり、柔軟性が増しますが、幅は広くなることがよくあります。柔軟性が増すことで、ベルトを継続的に曲げる際の内部摩擦によるエネルギー損失が少なくなり、効率が向上します。実際には、この効率向上によりベルトの発熱が軽減され、低温で動作するベルトは長寿命になります。ベルトは市販されており、通常「P」（省略される場合もあります）と1文字で溝間のピッチが識別されます。ピッチが3.56 mmの「PK」セクションは、自動車用途でよく使用されます。^{[ 17 ]} 

ポリグルーブベルトが人気を集めているもう一つの利点は、ベルトの溝のない裏面にあるプーリーを通過させることができる点です。張力調整用のアイドラプーリーが1つあるVベルトではこのようなことが時々行われますが、ポリグルーブベルトは裏面のプーリーにしっかりと巻き付けることで回転方向を変えたり、軽い駆動力を発生させたりすることができます。^{[ 18 ]}

Vベルトがプーリーを駆動できるかどうかは、プーリーに十分な角度でベルトを巻き付けてグリップを確保できるかどうかにかかっています。シングルVベルトは単純な凸形状に制限されるため、最大で3つ、場合によっては4つのプーリーに適切に巻き付けることができ、最大で3つのアクセサリーを駆動できます。パワーステアリングやエアコンを備えた現代の自動車のように、より多くのものを駆動する必要がある場合は、複数のベルトが必要です。ポリグルーブベルトは外部アイドラーによって凹状の経路に曲げることができるため、ベルトの動力容量によってのみ制限される任意の数の駆動プーリーに巻き付けることができます。^{[ 18 ]}

設計者の意のままにベルトを曲げることができるため、複雑な、あるいは「蛇行」した経路をたどらせることが可能です。これは、エンジンブロックにアクセサリー類をより近接して取り付け、可動式の張力調整機構を必要としない、コンパクトなエンジンレイアウトの設計に役立ちます。ベルト全体の張力は、単一のアイドラプーリーで調整できます。

ベルトのサイズ表記は地域や業種によって異なります。「740K6」または「6K740」という番号の自動車用ベルトは、長さ74インチ（190cm ）、リブ幅6、リブピッチ9/64インチ（3.6mm ）のベルトを示します（Kシリーズの自動車用ベルトの標準厚さは4.5mmです）。メートル法での相当値は通常「6PK1880」で示され、6はリブの数、PKはメートル法のPK厚さとピッチの標準、1880はベルトの長さをミリメートルで表したものです。^{[ 19 ]}  

リブ付きベルトは、長手方向に溝が刻まれた動力伝達ベルトです。ベルトのリブとプーリーの溝との接触によって作動します。一体構造のため、ベルトが接触するプーリーの幅全体に均一な張力分布が得られ、最大600kWの出力範囲 、高速比、蛇行駆動（ベルトの裏側からの駆動が可能）、長寿命、駆動張力の安定性と均一性、振動の低減といった特長があります。リブ付きベルトは、コンプレッサー、フィットネスバイク、農業機械、フードミキサー、洗濯機、芝刈り機など、様々な用途に使用できます。

平ベルトと混同されがちですが、実際には異なる種類のベルトです。非常に薄い（0.5～15ミリメートル、または100～4000マイクロメートル）プラスチック製のベルトで、場合によってはゴム製のものもあります。一般的に低電力（10ワット未満）、高速での使用を想定しており、高い効率（最大98%）と長寿命を実現しています。事務機器、プリンター、テープレコーダーなどの軽負荷機器で使用されています。

タイミングベルト（歯付きベルト、ノッチベルト、コグベルト、同期ベルトとも呼ばれる）は、ポジティブトランスファーベルトであり、相対的な動きを追跡できます。これらのベルトには、対応する歯付きプーリーに嵌まる歯が付いています。正しく張られている場合、滑りがなく、一定速度で回転し、インデックスやタイミングの目的で直接的な動きを伝達するためによく使用されます（そのため、この名前が付けられています）。チェーンやギアの代わりによく使用されるため、騒音が少なく、潤滑油浴は必要ありません。 自動車のカムシャフト、小型タイミングシステム、ステッピングモーターなどで、これらのベルトがよく使用されます。タイミングベルトは、すべてのベルトの中で最も張力が少なく、最も効率的なベルトの1つです。16,000 ft/min（4,900 m/min）の速度で最大200 hp （ 150 kW ）まで耐えることができます。    

ヘリカルオフセット歯形を採用したタイミングベルトもご用意しております。ヘリカルオフセット歯形はシェブロンパターンを形成し、歯が段階的に噛み合うように設計されています。シェブロンパターンは自動位置合わせ機能を備え、一部のタイミングベルトが特定の速度で発生させるような異音を発せず、動力伝達効率も最大98%と優れています。

タイミングベルトの利点としては、クリーンな動作、エネルギー効率の高さ、メンテナンスの手間が少ないこと、低騒音、滑りにくい性能、そして幅広い負荷と速度に対応できることが挙げられます。

デメリットとしては、比較的高額な購入費用、特殊な歯付きプーリーの製作が必要となること、連続した張力コードのため過負荷、詰まり、振動に対する保護性能が低いこと、クラッチ機能がないこと（摩擦駆動ベルトでのみ可能）、長さが固定されているため長さ調整ができないこと（リンク式Vベルトやチェーンとは異なる）などが挙げられる。

ベルトは通常、ループの張力側で動力を伝達します。しかし、連続変速機の中には、チェーンのように連結された一連の金属ブロックをベルトとして使用し、ループの圧縮側で動力を伝達する設計も存在します。

風洞用のローリングロードに使用されるベルトは、250 km/h (160 mph)の速度に対応できる。^{[ 20 ]}  

基準には以下が含まれます。

• ISO 9563：この規格は、エンドレス動力伝達用VベルトおよびVリブベルトの要求事項と試験方法を規定する。
• ISO 4184：この規格は、一般用途向けの標準型および狭幅型Vベルトの寸法を規定する。
• ISO 9981：この規格は、ゴム製同期ベルト駆動装置の寸法に関するものです。
• ISO 9982：この規格は、ポリウレタン製同期ベルト駆動装置の寸法を規定するものです。
• DIN 22101：この規格は、バルク材の搬送に使用されるベルトコンベヤの設計原則を規定しており、安全要件および試験方法も含まれています。
• ASME B29.1：この規格は、ベルトとスプロケットを含むローラーチェーン駆動装置の寸法、公差、および品質要件を規定しています。
• ANSI / RMA IP-20は、米国規格協会（ANSI）とゴム製造業者協会（RMA）が共同で策定した規格で、産業用途で使用されるエラストマーベルトに焦点を当てています。この規格は、寸法や公差などの重要な側面を網羅しており、ベルトが様々な産業環境において信頼性と効率性を確保して動作することを保証します。
• SAE J1459は、自動車技術者協会（SAE）が策定した規格で、自動車用VベルトおよびVリブドベルトに焦点を当てています。これらのベルトは、エンジンとオルタネーター、パワーステアリングポンプ、エアコンコンプレッサー、ウォーターポンプなどの各種補機との間の動力伝達など、自動車の様々な用途で使用されています。この規格では、ベルトの信頼性、耐久性、および自動車用途への適合性を確保するために、試験手順、性能要件、および寸法が規定されています。
• ASTM D378 は、米国材料試験協会(ASTM)が開発した規格で、さまざまな産業で特定の用途に使用されるコンベヤベルトの試験に重点を置いています。コンベヤベルトは、鉱業、建設業、農業、製造業などの産業における材料の取り扱いと輸送に不可欠です。ASTM D378 は、耐火性や耐油性などの性能特性についてコンベヤベルトを評価するための試験方法を規定しており、安全性と運用要件を満たしていることを保証します。^{[ 21 ]}

ベルト駆動装置は、駆動装置と被駆動装置間の速度と伝達動力、シャフト間の適切な距離、および適切な運転条件という、以下の必須条件の下で製造されます。動力の式は次のとおりです。

動力調整の要素には、速度比、軸距離（長いか短いか）、駆動装置の種類（電動機、内燃機関）、使用環境（油っぽい、湿っている、埃っぽい）、駆動装置の負荷（急激な、衝撃、逆回転）、プーリーとベルトの配置（オープン、クロス、ターン）などがあります。これらは、エンジニアリングハンドブックやメーカーの資料に記載されています。補正後、動力は特定のベルト速度における標準ベルト断面の定格動力と比較され、最適な性能を発揮する配列がいくつか見つかります。次に、プーリーの直径を選択します。前述のように、大きなベルトは低速で、小さなベルトが高速で伝達するのと同じ動力を伝達するため、一般的には直径が大きいか、断面が大きいものが選択されます。駆動部を最小に保つために、最小直径のプーリーが望ましいです。最小プーリー直径は、ベ​​ルトがプーリーに巻き付く際のベルトの外側繊維の伸びによって制限されます。小さなプーリーは、この伸びを増加させ、ベルトの寿命を大幅に短縮します。プーリーの最小直径は、断面と速度ごとに記載されている場合もあれば、ベルトの断面ごとに別に記載されている場合もあります。最も安価な直径とベルト断面を選択した後、ベルトの長さを計算します。エンドレスベルトを使用する場合は、標準長さのベルトに対応するために、必要なシャフト間隔を調整する必要がある場合があります。1本の大きなベルトを使用するよりも、2本以上のVベルトを並べて使用する方が経済的な場合が多いです。

速度比が大きい場合や中心距離が小さい場合、ベルトとプーリーの接触角が180°未満になることがあります。その場合は、メーカーの表に従って駆動力をさらに増加させ、選定プロセスを繰り返す必要があります。これは、動力容量が180°の接触角を基準に設定されているためです。接触角が小さいほど、ベルトが牽引力を得る面積が小さくなり、結果としてベルトが伝達できる動力が減少します。

ベルト駆動は摩擦を利用して作動するが、過剰な摩擦はエネルギーを浪費し、ベルトの摩耗を早める。ベルトの摩擦に影響を与える要因としては、ベルトの張力、接触角、ベルトとプーリーの材質などが挙げられる。

動力伝達はベルト張力に依存します。しかし、張力が増加すると、ベルトとベアリングにかかる​​応力（負荷）も増加します。理想的なベルトは、高負荷時でも滑らない、張力が最も低いベルトです。ベルト張力は、ベルトの種類、サイズ、速度、プーリーの直径に合わせて調整する必要があります。ベルト張力は、プーリー1インチ（または1mm）あたり、ベルトを一定距離たわませるのに必要な力を測定して決定します。タイミングベルトは、ベルトがプーリーに接触し続けるのに十分な張力があれば十分です。

ベルトの不具合のほとんどは、摩耗よりも疲労が原因です。この摩耗は、プーリー周りを回転する際のストレスによって発生します。ベルトの張力が高いこと、滑りが激しいこと、環境条件が悪いこと、衝撃、振動、ベルトの叩きつけなどによる過負荷などが、ベルトの疲労につながります。

振動特性は、ベルト駆動の不具合を調査するために広く使用されています。一般的な不具合や故障には、ベルト張力、速度、プーリーの偏心、ミスアライメント状態の影響が含まれます。プーリーの偏心は、ベルト駆動の振動特性に大きく影響します。振動の大きさは必ずしも増加するわけではありませんが、強い振幅変調を引き起こします。ベルトの上部が共振すると、機械の振動が増加します。ただし、ベルトの下部のみが共振している場合は、機械の振動の増加はそれほど大きくありません。ベルトの張力が増加すると、振動スペクトルはより高い周波数に移動する傾向があります。

ベルトの滑りは、いくつかの方法で対処できます。ベルトの交換は明白な解決策であり、最終的には必須の解決策です（ベルトは永久に使えるものではないため）。しかし多くの場合、交換を実行する前に、プーリーの中心線調整による再張力調整や、各種コーティング剤によるドレッシングで、ベルトの寿命を延ばし、交換を延期することができます。ベルトドレッシングは通常、ベルト表面に注いだり、ブラシで塗ったり、滴らせたり、スプレーしたりして広げる液体です。ベルトの駆動面を修復し、ベルトとプーリー間の摩擦を増やすことを目的としています。ベルトドレッシングの中には、タールやシロップのように黒くて粘着性のあるものもあれば、ミネラルスピリットのように薄くて透明なものもあります。自動車部品店でエアゾール缶で一般向けに販売されているものもあれば、産業ユーザー向けにドラム缶で販売されているものもあります。

ベルトを完全に指定するには、材質、長さ、断面のサイズと形状が必要です。タイミングベルトの場合は、さらに歯のサイズを指定する必要があります。ベルトの長さは、両側のシステムの中心長さ、両方のプーリーの円周の半分、および半径の合計（交差している場合）または差（開いている場合）の二乗の合計です。したがって、中心距離で割ると、中心距離に高さを掛けたものと見なすことができ、もちろん両側で半径の差の二乗が同じ値になります。どちらかの側の長さを加えると、ピタゴラスの定理と同様にベルトの長さが増加します。覚えておくべき重要な概念の1つは、${\displaystyle D_{1}}$に近づく${\displaystyle D_{2}}$距離がゼロに近づくほど、距離は小さくなり（したがって長さの増加も少なくなる）。

一方、クロスベルト駆動では、半径の差ではなく合計が長さの計算基準となる。したがって、小径駆動部の幅が広くなるほど、ベルトの長さも長くなる。