タイミングベルト（カムシャフト）

ピストン エンジンでは、タイミング ベルト(カムベルトとも呼ばれる)、タイミング チェーン、またはタイミング ギアのセットのいずれかが、クランクシャフトとカムシャフトの回転を同期させるために使用される消耗部品です。この同期により、エンジンのバルブがピストンの位置に応じて適切なタイミングで開閉することが保証されます。

ほとんどのピストンエンジンでは、カムシャフトはクランクシャフトに機械的に接続されています。クランクシャフトはカムシャフトを（タイミングベルト、タイミングチェーン、またはギアを介して）駆動し、カムシャフトは吸気バルブと排気バルブを作動させます。^[1]これらのバルブにより、エンジンは空気（または空気と燃料の混合物）を吸い込み、排気ガスを吐き出します。^[2]

駆動力を伝達する最も一般的な装置は、歯付きゴムベルト、金属製タイミングチェーン、またはギアセットです。ベルト/チェーン/ギアの歯はクランクシャフトとカムシャフトの両方とかみ合い、それによってそれらの動きを同期させます。

多くの古いオーバーヘッドバルブエンジンでは、カムシャフトはクランクシャフトの近くのブロックに配置されているため、カムシャフトの駆動には単純なギアシステムがよく使用されます。オーバーヘッドカムシャフトエンジンでは、主にタイミングベルトまたはタイミングチェーンが使用されます。これは、より長い距離にわたって駆動力を伝達するのに適しているためです。タイミングベルトは、1970年代から1980年代まで量産車で一般的でしたが、^{[引用が必要]} 1990年代以降、タイミングベルトを使用する際に必要な交換間隔のためにタイミングチェーンがより一般的になりました。

「タイミングベルト」という語句は通常、ゴム製の歯付きベルトを指します。タイミングベルトの利点は、一般的に、コストが低いこと、摩擦損失が少ないこと、^[要出典]騒音が少ないこと、そしてベルトは伝統的に潤滑を必要としないことです。^[4]主な欠点は、ベルトが時間の経過とともに摩耗することであるため、特定の間隔でベルトを交換することが推奨されることです。^{[5] [6]}ウォーターポンプも摩耗しやすく、タイミングベルトの交換中に簡単にアクセスできるため、エンジンのウォーターポンプも同時に交換することが推奨されることがよくあります。

タイミングベルトは通常エンジンの前部にあり、埃やゴミから保護するためにカバーの後ろに隠れていることが多い。しかし、2008年以降、いくつかのエンジンでは「ウェットタイミングベルト」が使用されており、ベルトはエンジンオイルで潤滑され、摩擦損失が30％削減され、燃料消費が1％削減される。^{[7]一部のエンジン設計では、タイミングベルトはウォーターポンプや}オイルポンプなどの他の部品の駆動にも使用されることがある。

タイミングベルトは通常ゴムで作られていますが、ポリウレタンやネオプレンで作られたベルトもあります。^{[8] [9]}ベルトの構造はコード付き繊維（張力部材として機能）で補強されており^[10]、歯面は布張りで補強されています。^[11]

ゴムは高温やエンジンオイルとの接触で劣化します。そのため、高温または漏れのあるエンジンではタイミングベルトの寿命は短くなります。また、補強コードの寿命は水や不凍液の影響を受けるため、水にさらされる可能性のあるベルトは水を素早く排出できることが重要です。

古いベルトの歯は台形形状で、歯の摩耗率が高くなっています。^[要出典]新しい製造技術により、歯が湾曲し、静かで長持ちするようになりました。

メーカー仕様のタイミングベルトは高回転時に伸びる可能性があり^{[要出典]、}カムの回転が遅くなり、点火が遅れることがあります。^[12] より強力なアフターマーケットのベルトは伸びることがなく、タイミングが維持されます。^[13]タイミングベルトを設計する際、ベルトの幅が広いほど強度が増しますが、ベルトが狭いほど重量と摩擦が減少します。^[14]

タイミングベルトの一般的な故障モードは、歯の剥がれ（ベルトの滑らかな部分が残り、駆動歯車が滑る）か、繊維コアの剥離とほつれのいずれかです。高張力繊維の性質上、ベルトの破損はまれです。^[15] 見落とされがちですが、油やグリースと混ざった破片や汚れは、ベルトや材料をゆっくりと摩耗させ、摩耗プロセスを促進し、ベルトの早期故障を引き起こします。^[16]

歯付きベルトは1940年代初頭に繊維工場での使用のために発明されました。^[17]タイミングベルトを使用した最初の自動車エンジンとして知られているのは、アメリカの1954年製デビン・パナール・レーシングカーで、ギルマー社製の歯付きベルトを使用してプッシュロッドからオーバーヘッドカムシャフトに改造されたエンジンを搭載していました。^{[18] [19]}この車は1956年にアメリカスポーツカークラブ（SCCA）全国選手権で優勝しました。^[20]

1962年のグラス1004はタイミングベルトを採用した最初の量産車だった。1966年のポンティアックOHCシックスエンジンはタイミングベルトを採用した最初の米国量産車だった。 ^{[21] [22]}一方、1966年のフィアットツインカムエンジンはツインカムシャフトを備えたタイミングベルトを採用した最初の量産エンジンだった。自動車メーカーは1970年代にタイミングベルトを採用し始め、タイミングチェーンと比較して安価、小型、軽量、静音で、クランクシャフトの高調波をバルブトレインから分離し、チェーンよりも電力を必要とせず、潤滑なしでも機能する可能性があります。タイミングベルトは通常、ネオプレンまたはHNBRで作られています。^{[23] [7]}

1990年代以降に生産された自動車エンジンでは、ゴム製タイミングベルトの交換という定期的なメンテナンス作業がなくなったため、金属製のタイミングチェーンが広く使用されるようになりました。チェーン自体の摩耗は最小限ですが、チェーンの潤滑やテンショナーとチェーンガイドの故障によりメンテナンスの問題が発生する可能性があります。運転中に切れる兆候がないゴム製のタイミングベルトとは対照的に、タイミングチェーンシステムが摩耗し始めた初期症状があり、エンジン前部からガラガラという音がします。^[24]

クランクシャフトとカムシャフトが非常に接近しているプッシュロッド エンジンのほとんどは、直接ギア ドライブではなく、短いチェーン ドライブを使用します。これは、ギア ドライブでは、カム プロファイルがクランクからのドライブに対して「反動」するため、頻繁にトルクが逆転し、過度の騒音と摩耗が発生するためです。 ^{[引用が必要]}

カムシャフトがクランクシャフトに近接しているため、 さまざまなオーバーヘッドバルブエンジンでタイミングギアが使用されています。

ダイレクトドライブが使用される場合、スチールギアの代わりに、より弾力性のあるファイバーまたはナイロンで覆われたギアがよく使用されます。ただし、他の材料は突然、予告なしに故障する可能性があるため、商用エンジンと航空機エンジンではスチールギアのみが使用されます。^[25]

タイミングシステムが故障すると、エンジンは作動しなくなります。現代の車の多くは 干渉エンジンを使用しており、タイミングシステムが故障すると壊滅的なダメージを受ける可能性があります。^[26]クランクシャフトとカムシャフトの同期が失われ、バルブがピストンに衝突するからです。

タイミングチェーンの交換が必要であることを示す警告サインには以下のものがある: ^[27]

• 後期モデルのVVTアプリケーションは、エンジンがガタガタ鳴る前にエンジンコードを生成し、エンジンライトをチェックします。
• 古いVVT以前のアプリケーションではエンジンの振動が発生します

ベルト/チェーン自体の他に、テンショナーや各種ギアおよびアイドラー ベアリングの故障も一般的で、ベルト/チェーンの脱線を引き起こします。さらに、タイミング ベルトがウォーター ポンプを駆動するエンジンでは、ウォーター ポンプの故障によりポンプが固着し、タイミング ベルトまたはチェーンが破損する可能性があります。このため、タイミング ベルトとチェーンは、ウォーター ポンプ、テンショナー、およびアイドラー プーリーを含むキットの一部として販売されることが多く、これらの部品の故障によるタイミング ベルトまたはチェーンの故障を防ぐために、これらの部品を交換できます。

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