Loading article…
ピストンエンジンにおいて、タイミングベルト（カムベルトとも呼ばれる）は、カムシャフトを駆動し、その回転をクランクシャフトの回転と同期させる歯付きベルトです。この同期により、エンジンのバルブはピストンの位置に応じて適切なタイミングで開閉します。タイミングベルトは半耐久性部品であり、多くの場合エンジンの耐用年数まで持ちますが、車両の使用状況や使用期間によっては、エンジンの耐用年数中に1回から数回交換が必要になる場合もあります。
現代のエンジンの多くはタイミングベルトを採用しているが、代わりにタイミングチェーン（同じ目的を持つローラーチェーン）や、互いに噛み合うタイミングギアのセットを採用しているものもある。
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駆動し（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）、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/燃料混合気）を吸い込み、排気ガスを排出することができます。[ 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に噛み合い、それによって両者の動きを同期させます。
多くの旧型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近くのシリンダーブロック内に配置されているため、カムシャフトの駆動にはシンプルなギアシステムが用いられることが多い。オーバーヘッドカムシャフトエンジンは、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、主にタイミングベルトまたはタイミングチェーンを使用する。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あったが、1990年代以降はタイミングベルトの交換間隔が長いため、タイミングチェーンがより一般的になっている。
「タイミングベルト」という言葉は、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く、摩擦損失が少なく、騒音が少なく、従来は潤滑油を必要としないことです。[ 4 ]主な欠点は、ベルトは時間の経過とともに摩耗するため、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 ]タイミングベルトの交換時にエンジンのウォーターポンプも摩耗しやすく、簡単にアクセスできるため、同時にウォーターポンプを交換することがよく推奨されます。
タイミングベルトは通常エンジンの前方に配置され、埃やゴミから保護するためにカバーで覆われていることが多い。しかし、2008年以降、一部のエンジンでは「ウェットタイミングベルト」が採用されており、ベルトはエンジンオイルで潤滑され、摩擦損失を30%削減し、燃料消費量を1%削減している。[ 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コンポーネントを駆動するため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製ですが、ポリウレタンやネオプレン製のベルトもあります。[ 8 ] [ 9 ]ベルトの構造はコード状の繊維（張力部材として機能）で補強されており[ 10 ]、歯面は布製のカバー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によって劣化します。そのため、高温状態やオイル漏れのあるエンジンではタイミングベルトの寿命が短くなります。また、補強コードの寿命も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。
旧型のベルトは台形型の歯を使用しているため、歯の摩耗が激しいという問題がありました。最新の製造技術では、より静かで長持ちする湾曲した歯を採用することが可能です。
メーカー指定のタイミングベルトは高回転時に伸びてカムを遅らせ、点火を遅らせる可能性があります。[ 12 ] より強力なアフターマーケットベルトは伸びず、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、ベルト幅を広くすると強度が増しますが、ベルト幅を狭くすると重量と摩擦が軽減されます。[ 14 ]
タイミングベルトの一般的な故障モードは、歯が剥がれる（ベルトの滑らかな部分が残り、そこに駆動歯車が滑る）か、繊維芯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、油やグリースに混ざった破片や汚れがベルトや材料を徐々に摩耗させ、摩耗プロセスを促進し、ベルトの早期破損を引き起こす可能性があります。[ 16 ]
歯付きベルトは、繊維工場で使用するために 1940 年代初頭に発明されました。[ 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 年のデビン・パンハードレーシングカーで、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が使用されました。[ 18 ] [ 19 ]この車は、1956 年にスポーツ カー クラブ オブ アメリカ (SCCA) の全国選手権で優勝しました。[ 18 ]
1962年のグラス1004は、タイミングベルトを使用した最初の量産車でした。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使用した最初の米国量産車であり、[ 20 ] [ 21 ] 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でタイミングベルトを使用した最初の量産エンジンでした。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ましたが、タイミングチェーンと比較して、安価で、小型で、軽量で、静かで、クランクシャフトのハーモニクスをバルブトレインから分離し、チェーンよりも少ない動力で済み、潤滑なしで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。[ 22 ] [ 7 ]
1990年代以降に製造された自動車エンジンでは、ゴム製タイミングベルトの定期的なメンテナンス間隔での交換を不要にするために、金属製タイミングチェーンが広く普及しています。チェーン自体は摩耗が最小限ですが、チェーンの潤滑不良やテンショナーおよびチェーンガイドの故障により、過度の摩耗や早期の故障が発生する可能性があります。故障の兆候が全くない一般的な金属補強ゴム製タイミングベルトとは異なり、摩耗したタイミングチェーンシステムは、エンジンの前方から特徴的なガラガラという音を発します。[ 23 ]
プッシュロッド式エンジンの大半は、クランクシャフトとカムシャフトが非常に近いため、カムプロファイルがクランクからの駆動力に「反動」してトルクが頻繁に反転し、過剰な騒音や摩耗が発生するのを防ぐために、直接ギア駆動ではなく短いチェーン駆動を採用している。
カムシャフトとクランクシャフトが非常に近接しているため、様々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。
より弾力性のある繊維またはナイロンで覆われたギアは、ダイレクトドライブが使用される場合、鋼製ギアの代わりによく使用されます。ただし、商用エンジンや航空機エンジンでは、他の材料は突然予告なく破損する可能性があるため、鋼製ギアのみが使用されています。[ 24 ]
タイミングシステムの故障はエンジンの作動を妨げます。現代の多くの自動車は 干渉エンジンを使用しており、タイミングシステムの故障が発生すると、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ため、壊滅的な損傷を受ける可能性があります[ 25 ] 。
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、次のものがあります。[ 26 ]
ベルト／チェーン自体の故障以外にも、テンショナーや各種ギア、アイドラーベアリングの故障によってベルト／チェーンが脱線することもよくあります。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ってポンプが固着し、タイミングベルトやチェーンが切れることがあります。そのため、タイミングベルトやチェーンは、ウォーターポンプ、テンショナー、アイドラープーリーなどがセットになったキットとして販売されることが多く、これらの部品を交換することで、これらの部品の故障によるタイミングベルトやチェーンの破損を防ぐことができます。
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク)のエンジンでは、カムシャフトはクランクシャフトからギア駆動されることが多かった。その後、動力装置の設計者は、OHV (オーバーヘッドバルブ) 構成でチェーン駆動を開発し、カムシャフトの配置に柔軟性を持たせることで、より短いプッシュロッドを使用して、より高い性能と効率を実現した。長いチェーンを使用したエンジンは、時として激しく揺れ動き、問題を引き起こす傾向があった。 1945年に歯付きゴム製同期タイミングベルトが発明されるまでは、騒音が大きく複雑な多段変速機構が唯一の代替手段でした。今日では、フェラーリ、メルセデス、キャデラック、コルベット、BMW、アルファロメオ、ポルシェなど、一流自動車にタイミングベルト式カム駆動が採用されています。
推奨交換時期より前に切れたアウディのベルトの例。