補機駆動ベルトシステムの周辺技術の動向と商品紹介

NTN TECHNICAL REVIEW No.83（2015）
[ 商品紹介 ]
補機駆動ベルトシステムの周辺技術の動向と商品紹介
Technology Trends and Products of Accessory Drive Belt System
秋山あゆみ*
森本洋生**
Ayumi AKIYAMA
Hiroo MORIMOTO
燃費に優れたHEVやマイルドHEV車が増加し，補機駆動ベルトシステムは多様化が進ん
でいる．一方で，ISGやダウンサイジング化の影響により，補機駆動ベルトシステムへの
要求は急速に変化している．
本稿では，エンジンの多様化に対応するNTNの補機駆動ベルト周辺技術とその商品につい
て紹介する．
As a superior car in the mileage, strong and mild HEVs are increasing and the accessory drive belt system is
diversifying. On the other hand, requests for the accessory drive belt system are changing rapidly under the
influence of ISG (Integrated Starter Generator) and engine downsizing.
This paper introduces the technology trends and products of NTN for the accessory drive belt system
corresponding to the change of the engine.
【オートテンショナ】
１．はじめに
【アイドラプーリ】
オルタネータ
【プーリ，軸受】
現在の自動車は100年余りの歴史の中で，様々な
期待をされてきた．それは，人や物を，速く，遠くへ
確実に運搬することであり，生活の中での楽しみやく
つろぎを与えることであった．自動車は多くの機能を
備えることで期待に応えてきた．このような効用を実
現するにあたり，次世代自動車には，さらに環境保全
への対応や省資源化が求められている．
NTNでは，これらの要求に対して，軽量・コンパ
クトな補機駆動ベルト用のオートテンショナ及びプー
ターボチャージャ
【軸受】
リを開発し，商品化してきた1）．
エアコン用コンプレッサ
【プーリ，軸受，シール】
図1にエンジン概略図とエンジン補機周辺のNTN商
品の適用例を示す．本稿では主にオートテンショナと
ウォーターポンプ
【モジュール，プーリ，軸受】
図1 エンジン概略図とNTNの商品群
The view of automotive engine with NTN products
プーリの構造並びに特長を紹介する．
2. 補機駆動ベルトシステムの現状
補機プーリにベルトを掛ける多段掛けから，エンジン
の全長を短縮できる一本掛け（サーペンタイン方式）
2. 1 補機駆動ベルトシステムの構成
自動車用エンジンでは，クランクシャフトの回転を
が主流となっている．それにともない，エンジン全体
プーリ及びベルトを介して伝達することで，ウォータ
の熱膨張・収縮や経年劣化による補機ベルトの張力変
ーポンプ，エアコン用コンプレッサ，オルタネータな
動が大きくなり，張力変動を吸収してベルト寿命を延
ど各補機を駆動する．クランクプーリからそれぞれの
長するためにオートテンショナが採用されている．
**自動車事業本部　適用技術部
**自動車事業本部　自動車商品設計部
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NTN TECHNICAL REVIEW No.83（2015）
2. 2 補機駆動ベルトシステムの低燃費技術
入れ替わるためオートテンショナを配置したベルト位
現在，低燃費化技術の一つとしてアイドリングスト
置のベルト張力が瞬時に大きくなる．従来のオートテ
ップシステムの採用が増加している．従来は，アイド
ンショナでは，そのベルト張力により大きく押し込ま
リングストップ後のエンジン再始動にスタータモータ
れてしまい，プーリとベルトの間に滑りが生じ，ベル
を用いていた．しかし，始動に要する時間の短縮及び
ト鳴きやベルト寿命の低下を起こすだけでなく，再始
ノイズや振動の低減という観点から，エンジン再始動
動できなくなる場合がある．一方，始動時の高伝達ト
にオルタネータをスタータモータとして用いるベルト
ルクに対応するためベルトの初期張力を高く設定する
駆動ISG（Integrated Starter Generator）方式の
と，定常運転時の摩擦損失が大きくなり燃費の悪化に
採用が進んでいる（図2）．このISG方式の特長は，従
繋がる．
補機駆動ベルトシステムへの負荷は，今後，ますま
来の補機レイアウトが継承可能であること，ベルトに
よる摩擦伝動であるため静粛性に優れること，及び，
す増加傾向にある．例えば，エンジンのダウンサイジ
エンジンの再始動に要する時間が短いことなどが挙げ
ングとターボ化では，エンジン気筒数が減少すること
られる．
によりクランクの回転速度の変動が大きくなる．さら
に，欧州で進んでいるバッテリー電源の48V化では，
一方，オートテンショナとしては，ISGによるエン
ジン再始動時と定常運転時でベルトの張り側と緩み側
バッテリーの大容量化にともない，オルタネータ（ジ
が入れ替わることが課題となる（図3）．通常オート
ェネレータ）の負荷が増加することが想定される．そ
テンショナは定常運転時に緩み側となるベルト位置に
のため，補機駆動ベルトシステムの構成部品である補
配置される．ISGからの始動時には張り側と緩み側が
機ベルトやプーリにはこれまで以上の耐久性や高負荷
容量への対応が求められている．このような補機駆動
ベルトシステムの負荷を軽減するのがオートテンショ
ナであり，これまでにない新たな機能が求められている．
3. NTNの補機ベルト用
オートテンショナとプーリ
エンジンの補機駆動ベルトシステム向け商品として
NTNのオートテンショナと鉄製及び樹脂製プーリにつ
いて紹介する．
1）オートテンショナ
補機駆動ベルトシステムは，クランクプーリの駆動
力をベルトによる摩擦伝動により，それぞれの補機部
図2 ISGを搭載したエンジンの例2）
The engine equipped with ISG
品に取り付けた従動プーリへ伝達する．その際の最低
張力を保証すると共に，過大な張力を抑制する働きを
担うのが補機ベルト用オートテンショナである．
定常運転時
オートテンショナ
ISG 始動時
ISG プーリ
補機ベルト用オートテンショナは，ベルトの張力変
ISG プーリ
（駆動プーリ）
動を吸収するダンパ方式によって，機械式と油圧式に
大別される．機械式は，樹脂などの摩擦材による摩擦
抵抗と圧縮ばねやねじりばねによってダンパ効果を発
押し込まれる
揮する．したがって，ダンパ特性は，摩擦係数の変化
に大きく左右される．また，最大負荷能力は採用する
ばねの特性によって制限される．そのため，瞬間的に
補機プーリ
クランクプーリ
（駆動プーリ）
高荷重に耐える必要があるISGを搭載したエンジン用
図3 定常運転とISG始動時のベルト張り緩み
The modes of belt span at the time of steady driving and
engine starting
のオートテンショナには適さない．一方，油圧式は，
内部に設けた油路を油が通過する際の抵抗力によって
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補機駆動ベルトシステムの周辺技術の動向と商品紹介
ダンパ効果を発揮するため，機械式に比べてベルト張
する必要があり，ベルトの摩擦損失が若干高くなる傾
力の急激な変動や高負荷への対応が可能である．
向がある．低燃費競争が激化する中，NTNでは通常運
NTNでは高機能・高信頼性の油圧式オートテンシ
転時にはベルト張力を低く維持し，エンジン始動時の
ョナを開発し市場投入している．前述のISGを搭載し
みベルトスリップ防止のため高いベルト張力を発生で
たエンジン向けに，小型で高荷重対応のショート型オ
きるように自動的にダンパ特性が変化する可変ダンパ
ートテンショナが採用されている．図4に高荷重対応
式オートテンショナを開発した．本開発品については，
ショート型オートテンショナの構造を示す．この商品
本誌の「ISG搭載エンジン用可変ダンパ式オートテン
は，ISGによるエンジン再始動の際のベルト張力の急
ショナ」で紹介する．
激な増加に十分対応する．
2）鉄製プーリ
油圧式オートテンショナはベルト張力の変動への追
従性が非常に高いため，張力変動幅が大きいエンジン
補機用鉄製プーリは鉄製のプーリ部材と専用軸受を
に適用すると，テンショナ反力が必要以上に上昇し，
組み合わせ一体化した商品であり，大別すると，プー
ベルト張力が過大となる場合がある．NTNではこのよ
リ部材を機械加工で製作するプーリとプレス加工で製
うなベルトの過大張力を防止するため，ショート型オ
作するプーリがある．機械加工プーリの特徴は耐荷重
ートテンショナを改良したリリーフ機構付きオートテ
特性が大きく信頼性も高いことであるが，機械加工で
ンショナを開発した．図5にリリーフ機構を備えた油
あるため大量生産ではコスト面に問題がある．
一方，プレスプーリは低コストで大量生産に適して
圧式オートテンショナの構造を示す．
現在は，ISG搭載エンジン向けに高荷重対応ショー
いるが機械加工プーリに比較して設計の自由度が低
ト型オートテンショナを適用しているが，通常のエン
く，製作可能なプーリ断面形状に制限があるため，高
ジンに適用する場合と比較してベルト張力を高く設定
負荷用途への適用が難しかった．そこでNTNでは機械
加工プーリと同等の強度を持ちながら生産性の高いプ
レス加工で製造可能な「低断面高強度プレスプーリ」
を開発した．図6に従来のプレスプーリと低断面高強
度プレスプーリの断面比較を示す．
ロッド
図6に示すように，従来品に対して低断面高強度プレ
リークすきま
スプーリでは，全体の断面高さに対してプーリ部断面
バルブスリーブ
が占める割合が小さい．この低断面化によりプーリ外
圧力室
径を変えずに軸受をサイズアップできる．また，プー
チェックバルブ
リの素材板厚を厚くすることで，同一の取り付け寸法
のままプーリと軸受の両者の負荷容量を上げられる．
図4
高荷重対応ショート型オートテンショナ
Short type auto tensioner to high-load
リリーフバルブ
従来プレスプーリ
図5
低断面高強度プレスプーリ
図6 プレスプーリ断面比較
Cross-section of conventional pulley and developed
product with press forming
リリーフ機構付きオートテンショナ
Auto tensioner with relief valve
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NTN TECHNICAL REVIEW No.83（2015）
のインサート成形を行うことで，様々なタイプのプー
一方，最近では，補機ベルトの屈曲耐力が向上した
リへの適用が期待されている．
ことにより，より小径のプーリが採用される傾向にあ
る．このような場合は，軸受サイズはそのままに，プ
ーリ外径を小さくすることも可能である．
4. 補機駆動ベルトシステムの将来動向
3）樹脂製プーリ
図8に主要地域の燃費規制を示す．EUは2021年
樹脂製プーリは，鉄製プーリに対して大幅な軽量化
にCO2排出量を95g/kmに削減する最も厳しい目標
が可能であるが，耐荷重性が鉄製プーリよりも低く，
を掲げている．その対応策として，EUでは48V電源
摩耗や耐環境性の課題もあり採用が控えられてきた．
を用いたマイルドハイブリッド車が注目されている．
しかし，燃費改善に対する要求が厳しくなる中，樹脂
アイドリングストップ後のエンジン再始動だけでな
製プーリによる軽量化や低慣性化による燃費改善効果
く，回生やアシスト，状況によってはモータ走行を含
から，欧州や北米の自動車メーカでは，樹脂製プーリ
め，エンジンの停止時間を長くし，更なる燃費改善を
の採用が進んでいる．樹脂製プーリの材料は，熱可塑
目指している．
性のポリアミド樹脂が主に使用されている．機械的性
また，近年採用車種が増えているエンジンのダウン
質向上のため，近年，PA6＋無機系強化材から
サイジング，ターボ化やアイドリングストップ機構は
PA66＋有機系強化材が採用されている．
燃費向上のために有効な手段である．一方で，ダウン
ここでは，許容荷重を高めた「高荷重対応樹脂製プ
サイジング化に伴うエンジン気筒数減少によりクラン
ーリ」を紹介する．樹脂材料として，従来の熱可塑性
クの回転変動が増加し，補機ベルトの張力変動も増加
樹脂に代わり，熱硬化性樹脂のフェノール樹脂を採用
するため，補機駆動ベルトシステムのベルト，プーリ
した．これにより，従来の樹脂製プーリでは対応でき
（軸受）及びオートテンショナへの負荷は一層大きく
なかった鉄製プーリと同等の耐荷重性を備える．フェ
なることが予想される．
ノール樹脂は一般に硬くて脆いと考えられているが，
今後の低燃費化の技術開発では，ハイブリッドやダ
最近では各種添加剤の進歩により，靱性を改善した材
ウンサイジングターボ，48V電源などに対応した，
料が開発されている．また，加工方法も以前は圧縮成
システム全体での最適化が重要となる．
形が主流であったが，近年では熱可塑性樹脂と同様の
射出成形も可能になり，成形コストや量産性も改善さ
Grams CO2 per Kilometer normalized to NEDC
れてきている．
図7に鉄製プーリと樹脂製プーリの外観を示す．熱
硬化性樹脂の採用により，比較的高温環境で使用可能
となり，同一取り付け寸法の鉄製プーリに対して1/3
の軽量化と鉄製プーリと同等の耐荷重性を達成した．
また，樹脂の特性を活かし，複雑な形状や他の部品と
US-LDV
260
Canada-LDV
240
EU
220
Japan
China
200
180
S.Korea
Mexico 2016:173
Canada 2016:170
160
Australia
Mexico
S.Korea 2015:153
140
120
China 2020:117
Japan 2020:105
100
US 2025:107
EU 2020:95
80
60
40
2000
2005
2010
2015
2020
2025
(1) China’ s target reflects gasoline vehicles only. The target may be lower after new energy vehicles are concidered.
(2) US, Canada, and Mexico light-duty vehicles include light-commercial vehicles.
樹脂化
図8 主要地域の燃費規制（CO2排出量, g/km）3)
Mileage regulation of main area
(the amount of CO2 emissions, g/km)
鉄製プーリ
高荷重対応樹脂製プーリ
図7 鉄製プーリと樹脂製プーリ
Steel pulley and resin pulley
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補機駆動ベルトシステムの周辺技術の動向と商品紹介
5. おわりに
本稿ではエンジン補機駆動ベルトシステムの技術動
向と，そのシステムに使用するNTN商品として，オー
トテンショナ及び各種プーリを紹介した．
今後も主要地域の燃費規制は厳しくなることから，
自動車の低燃費化のニーズは強まる．NTNはこれらの
要求に応えるため，補機駆動ベルトシステム全体のあ
るべき姿を踏まえ，構成部品であるオートテンショナ
やプーリの開発により，多様化する市場ニーズに応え
ていく．
参考文献
1）佐藤誠二, NTN TECHNICAL REVIEW, 79（2011）
83-89
2）例えば，Auto Prove Webホームページ
3）ICCT(International Council on Clean
Transportation), 2013
執筆者近影
秋山　あゆみ
森本　洋生
自動車事業本部
適用技術部
自動車事業本部
自動車商品設計部
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