KR100484003B1 - 톱니벨트구동수단용플랜지휠을구비한기어휠 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 톱니 및 적어도 하나의 플랜지 휠을 포함하고, 다수의 톱니(3, 4) 중 적어도 하나의 톱니(3)는 높이가 감소된 반면 다수의 톱니(4)는 완전한 높이를 갖도록 구성된, 벨트 구동 수단용 기어휠에 관한 것이다. 상기와 같은 어덴덤의 감소는 -개별 톱니가 완전히 제거될 때까지- 예컨대 워터 펌프의 피동 기어에서와 같이 최대로 가능한 출력 밀도가 요구되지 않는 기어 휠에서 가능하다.

높이가 감소된 적어도 하나의 휠을 갖는 적어도 하나의 기어휠을 포함하고, 작동 소음이 보다 쾌적하게 느껴지는 벨트 구동 수단을 제조하기 위해, 높이가 감소된 톱니는 본 발명에 따라 플랜지 휠과의 경계에서는 완전한 톱니 높이를 갖고 축방향 연장부의 나머지 영역에서만 높이가 축소되는 것이 제안된다. 이 경우 톱니 벨트는 균일하게 분할되어야 한다.

양호한 소음 억제 이외에, 본 발명에 따른 기어 휠을 사용함으로써 벨트뿐만 아니라 휠의 수명이 길어지는데, 그 이유는 전체 축방향 연장부에 걸쳐 높이가 감소된 휠을 갖는 기어 휠을 사용하는 것과 비교해서 마모가 감소되기 때문이다.

Description

톱니 벨트 구동 수단용 플랜지 휠을 구비한 기어 휠

본 발명은 다수의 톱니 및 적어도 하나의 플랜지 휠을 포함하는 기어 휠에 관한 것으로, 다수의 톱니 중에서 적어도 하나의 톱니는 높이가 감소된 반면, 다수의 톱니는 완전한 높이를 갖는다. 상기 기어 휠은 공공의 이용을 위해서, 승용차용 왕복 피스톤 내연 기관의 소수의 캠축 구동 장치에 대량으로 사용될 수 있다.

상기 기술에서는, 톱니가 맞물리고 떨어질 때마다 진동 에너지가 벨트 구동 수단의 진동 가능한 트렁크(trunk)내로 균일하게 전달되는 것을 방해함으로써 반향된 사운드 스펙트럼의 음이 보다 작아진다. 즉, 사운드 에너지가 베이스 주파수에 정수(整數) 비례하는 주파수에 덜 강하게 집중된다. 반향된 사운드 에너지를 감소시킬 수 없는 경우에는, 적어도 음을 더 오랜 시간에 걸쳐 작용하는 일반적으로 덜 불쾌하게 느껴지는 소음으로 만들려고 한다.

공지된 상기 기술은 유효 하중 없이 회전하는 벨트 구동 수단도 소음을 야기한다는 관찰에 근거를 두고 있다. 이러한 관찰은, 체인 구동 수단과 관련된 간행물에서 이미 상세하게 다루어진 폴리곤 효과가 초기 응력을 받은 벨트 구동 수단에서 벨트 초기 응력의 주기적인 변동을 일으키고, 이러한 효과가 소음을 야기한다는 인식으로 이어졌다.

소수의 톱니에서 어덴덤이 감소됨으로써 - 몇몇 톱니에서는 완전히 제거됨으로써 - 소수의 초기 응력 펄스가 감소되거나 또는 완전히 제거되고, 이것은 기술되고 의도된 주파수 스펙트럼의 비균일화에 영향을 미친다. 이러한 조치는 특히 최대로 가능한 출력 밀도가 요구되지 않는 기어 휠에서 허용될 수 있다. 상기 조치는 특히, 피동 휠이 마찰 벨트를 통해 예컨대 전등용 발전기 및 서보 컨트롤 펌프와 함께 구동되지 않는 경우에, 때때로 크랭크 축(구동 휠로서의 역할) 및 캠축(최대 하중을 받는 피동 휠로서의 역할) 사이에 있는 톱니 벨트에 의해 함께 구동되는 워터 펌프의 피동 휠에 적합하다.

불행하게도 상기 벨트 구동 수단의 작동 소음은 지금까지 쾌적하게 느껴지지 않았다; 몇몇 샘플은 심지어 불쾌하게 느껴진다. 주파수 스펙트럼으로 볼 때 그 원인은, 반향된 사운드 에너지는 지나치게 크게 분산되지 않고, 심지어 dB(A)에 따라 웨이팅시에도 전체 가청 주파수 범위에 집중되며, 기어 휠상의 톱니가 완전히 균일하게 배열된 경우보다 더 높다는데 있다.

유럽 특허 출원 0 318 592호에는 방출된 사운드 에너지를 더 넓은 주파수 대역에 분배하는 다른 기술이 공지되어 있다. 상기 기술에서 진동 펄스(oscillatory pulse)는 영향을 받지 않고 - 진동 펄스는 완전히 균일하게 주기적으로 유지된다 - 트렁크의 진동 능력 및 공명 능력이 영향을 받는다: 벨트는 플랜지 휠이 배치되지 않은 다른 에지에서 보다 플랜지 휠의 영역에서 더 강하게 초기 응력을 받으며, 이것은 톱니 홈 바닥 및/또는 모든 톱니 끝이 축 평행성으로부터 벗어나 방사 방향 내부로 감소됨으로써, 즉 원추형으로 형성됨으로써 달성된다.

상기 방식으로 각각의 축방향 트렁크 영역의 공명 주파수가 변동됨으로써, 전체 트렁크는 상호 결합되어 있는 모든 축방향 영역과 협력에 의해 주파수 응답에서 덜 날카로운 공명 최대값을 기대할 수 있다; 그리고 또한 모든 톱니의 홈 바닥을 원추형으로 형성하는 것이 독일 공개 공보 39 18 247호에 이미 공지되어 있다. 특히 상기 공보의 도 5를 참조하라. 상기 기어 휠을 테스트해 본 결과, 바람직한 자체 세척 작용은 보장되었지만 음향적 특성은 단지 극미하게만 개선되었다.

본 발명의 목적은, 높이가 감소된 적어도 하나의 톱니를 갖고 작동 소음이 쾌적하게 느껴지는 적어도 하나의 기어 휠을 구비한 벨트 구동 수단을 제조하는 것이다. 이 경우에는 바람직하게 간단한 논리적 계산을 위해 벨트는 균일하게 분할되어야 한다.

발명자들은 지금까지의 단점을 토대로 소음을 광범위하게 분석하고 샘플을 검토하여, 공지되고 상술된 기술이 완전히 새로운 소음원으로 인해 실제로 피해를 입고 있다는 것을 알게 되었다:

트렁크가 맞물리고 떨어질 때 플랜지 휠의 벨트 전면이 런-온 및 런-오프 됨으로써 마찰 소음이 형성된다. 이와 같은 마찰 소음의 형성 원인은 아마도 단축된 또는 완전히 배제된 톱니와의 상호작용에 의해 미끄럼 면이 확대되고 벨트 뒷면의 공간이 확대되기 때문일 것이다. 세심한 작업에서 얻어진 상기 인식으로부터 발명자들은, 높이가 감소된 톱니는 플랜지 휠과의 경계에서는 완전한 톱니 높이를 갖고, 단지 축방향 연장부의 나머지 영역에서만 감소된 톱니 높이를 갖는 것을 해결 방법으로서 제안한다.

본 발명에 따른 기어 휠이 플랜지 휠의 에지 영역에서 완전한 톱니 높이를 가짐으로써 기어 휠의 관련 톱니 끝 위에 벨트 링크가 올려진다. 런-온 및 런-오프되는 영역에 있는 벨트 후면 및 벨트 전면은 상기 방식으로 플랜지 휠로 안내되는데, 이와 같은 동작은 기어 휠에 동일한 톱니를 갖춘 종래의 벨트 구동 수단에서와 동일하며, 이 때는 마찰 소음이 작동을 방해하지 않는다. 또한 본 발명에 따른 기어 휠을 갖춘 벨트 구동 수단은 톱니의 전체 축방향 연장부에 걸쳐 감소된 높이의 기어 휠을 갖춘 벨트 구동 수단 보다 수명이 길다. 그 이유는, 본 발명에 따르면 마찰 소음이 생기는 곳에서는 또한 마모가 발생되기 때문이다; 본 발명에 의해서는 적어도 마모는 감소될 수 있다.

최상의 수명을 얻기 위해, 바람직하게 감소된 높이의 톱니에서는 플랜지 휠에서의 완전한 톱니 높이로부터 감소된 톱니 높이로의 천이가 축방향으로 일정하게 이루어져야 한다. 그럼으로써 어덴덤 감소의 영역에서 노치 효과가 피해진다.

충분한 토크 전달 능력을 유지하기 위해, 기어 휠의 적어도 매 3번째 있는 톱니의 높이는 축소되지 않아야 한다; 바람직하게 특히 10개 이하의 톱니가 동시에 벨트와 맞물리는 작은 기어 휠 및 벨트 랩 각도(angle of belt wrap)가 작은 경우에는 절대로 높이가 축소된 2개의 톱니가 연속되어서는 안된다. 즉, 적어도 매 2번째 톱니는 높이가 축소되지 않아야 한다.

단축된 2개의 톱니가 연속될 수 있는 적용예에서는, 상기 방식으로 비균일성의 정도를 상승시킬 수 있기 위해서 단축의 정도는 상이할 수 있다. 물론 단축의 정도가 상이함으로써는 네거티브 형상을 단련 및 주조할 수 있는 원형의 제조 비용이 더 비싸진다. 또한, 간단한 시각 조절로 기어 휠의 마모도를 검사하기가 더 어려워진다.

따라서 상기와 같은 경우에는 비균일성을 상승시키기 위한 다른 조치가 선호된다: 높이가 감소된 연속하는 톱니는 완전한 톱니 높이 보다 더 낮은 톱니 높이를 갖는 축방향 영역에서 상이한 폭을 가져야 한다. 이 경우, 바람직하게 연속되는 2개 톱니의 높이 감소 정도는 동일하다; 따라서 단지 2가지의 상이한 톱니 높이만이 존재한다. 즉, 규정에 따른 완전한 톱니 높이와 극단의 경우 0일 수 있는 감소된 톱니 높이가 있다.

단축된 어덴덤 영역의 폭 변동을 제한하는 것은 제조 비용을 낮추고, 주파수 응답시의 사운드 에너지 분배에 유리하게 작용한다.

곧바로 연속되지 않는 감소된 높이의 톱니에서도 감소된 높이의 다양한 톱니가 다양한 사이폭을 가지며, 상기 사이폭안에서 톱니 높이가 감소되는 것이 추천된다. 이에 의해서는 또한 보다 넓은 주파수 대역에 걸쳐 사운드 에너지가 분산된다.

바람직하게 높이가 감소된 적어도 하나의 톱니를 갖는, 즉 톱니 높이가 완전한 톱니 높이 보다 더 작은 축방향 영역의 폭은 완전한 톱니 폭의 25% 내지 95%이다.

본 발명의 핵심은, 소수 톱니의 공지된 어덴덤 감소가 더 이상 기어 휠의 전체 폭에 영향을 미쳐서는 안된다는 것이다. 다시 말해, 하나의 플랜지 휠 또는 2개의 플랜지 휠에 의해 격리되어 있는 기어 휠의 에지 영역 또는 2개의 에지 영역은 어덴덤 감소에서 제외되어야 한다.

"어덴덤 축소"라는 용어를 방법 기술적으로 이해할 필요는 없다. 본 발명에 따른 기어 휠은, 횡단면으로 볼 때 모든 톱니 틈새 바닥뿐만 아니라 모든 톱니 봉우리가 축평행 형상이 갖고 모든 톱니가 균일한 어덴덤을 갖는 보통의 기어 휠로부터 출발할 때는 - 바람직하게 원형에서 - 밀링에 의해 톱니 높이가 감소되지만, 횡단면으로 볼 때 모든 톱니 틈새 바닥뿐만 아니라 모든 톱니 봉우리의 축평행 형상을 갖고 모든 톱니가 보다 작은(또한 균일한) 어덴덤을 갖는 기어 휠로부터 출발할 때는 - 바람직하게 원형에서 - 용접 등에 의해 톱니 높이가 증가될 수 있음으로써 얻어질 수 있다. 그러나 상기 조치에서도 공정을 완료한 후에는, 하나의 플랜지 휠이 배치된 톱니 휠의 한 에지에서 기어 휠이 가장 큰 톱니 끝 직경을 가져야 하고, - 양 측면에 하나의 플랜지 휠을 사용하는 경우에는 - 인접한 2개의 에지 영역에서 톱니 끝 직경이 가장 커야 한다.

본 발명은 실시예를 참조하여 하기에서 자세히 설명된다. 예로 든 기어 휠은 하나의 벨트를 통해 워터 펌프를 구동시키기 위해 고안되었다. 기어 휠은 23개의 톱니를 가져야 한다. 통상적으로 이와 같은 적용예에서의 톱니수는 18개 내지 24개이다. 예로 든 기어 휠은 상기 휠의 2개의 에지 중에서 단지 하나의 에지에 하나의 플랜지 휠을 갖는다.

먼저 어덴덤 순서가 표로 제공되어 있는데, 순서표에서 "v"는 전체 휠 폭에 걸쳐 완전한 어덴덤을 갖는 톱니를 나타내고, "b"는 기어 휠 폭의 90%에 걸쳐 어덴덤이 감소된 톱니를 나타내며, 이 때 플랜지 휠에 인접하는 기어 휠 폭의 10%의 좁은 영역은 완전한 톱니 높이를 갖는다. 또한, 순서표에서 "a"는 기어 휠 폭의 70%에 걸쳐 어덴덤이 감소된 톱니를 나타내고, 이 때 하나의 플랜지 휠에 인접하는 기어 휠 폭의 20%의 좁은 영역은 마주 보는 면에 배치되고 기어 휠 폭의 10%에 해당하는 좁은 영역에서와 마찬가지로 완전한 톱니 높이를 갖는다.

v, v, a, b, v, b, v, v, v, a, v, v, b, v, v, v, v, a, v, b, v, v, a.

상기 실시예는 척도가 2:1인 4개의 도면에 의해 하기에서 자세히 설명된다.

도 1은 기어 휠을 횡으로 절단하여 펼친 전개도로서, 절단 평면은 어덴덤("a")이 감소된 하나의 톱니(3a)를 절단한 것이다. 축방향 내부 영역에 있는 단축된 톱니(3a) 뒤에는 단축되지 않은 톱니(4)가 있다. 직접 높이를 비교할 수 있도록 하기 위해 기어 휠을 그대로 도시하지 않고 전개도로 나타내었다. 즉, 도면에서는 휠 부분 원의 실제 휨을 고려하지 않았고, 그 대신 분할선은 도면 평면에 수직인 하나의 직선으로 표시되었다. 톱니(4)는 전체 축 방향 연장부에 걸쳐, 디덴덤 원부터 어덴덤 원까지 측정될 수 있는 톱니 높이(H)를 갖는다. 이와 반대로 절단된 톱니(3a)는 양쪽 에지 영역에서만 완전한 톱니 높이를 가지며, 상기 2개 에지 영역 사이에서는 절단된 톱니가 감소된 톱니 높이를 갖는다.

어덴덤을 좌측으로부터 우측으로 볼 때, 어덴덤은 - 작은 에지 챔퍼를 제외할 때 - 기어 휠 폭의 0%부터 20%까지는 H이고, 기어 휠 폭의 20%부터 30%까지는 선형으로 h로 감소되며, 톱니 휠 폭의 30%부터 80%까지는 h이고, 기어 휠 폭의 80%부터 90%까지는 재차 선형으로 완전한 톱니 높이(H)로 상승되어 그곳에서 마지막으로 - 다른 작은 에지 챔퍼를 제외하고 - 변경되지 않고 H로 유지된다.

도 2는 상기 기어 휠을 횡으로 절단하여 펼친 전개도로서, 절단 평면은 감소된 어덴덤("b")을 갖는 하나의 톱니(3b)를 절단한 것이다. 부분적으로 단축된 톱니(3b) 뒤에는 이미 도 1에 기술된 바와 같이 단축되지 않은 톱니(4)가 있다. 절단된 톱니(3b)는 플랜지 휠(2)에 접하는 좌측 에지 영역에서만 완전한 톱니 높이(H)를 갖는다. 톱니의 우측 영역에서는 상기 절단된 톱니가 감소된 톱니 높이를 갖는다.

어덴덤을 좌측으로부터 우측으로 볼 때, 어덴덤은 - 작은 에지 챔퍼를 제외할 때 - 기어 휠 폭의 0%부터 10%까지는 H이고, 기어 휠 폭의 10%부터 20%까지는 선형으로 h로 감소되어 그 높이가 우측 에지까지 유지된다.

도 3 및 도 4는 동일한 기어 휠(1)의 실제 중앙 종단면도로서, 보다 정확히 말하면 도 3은 좌측에서 바라본 도면이고, 도 4는 우측에서 바라본 도면이다.

도 3은 완전한 톱니 높이(H)를 갖는 15개의 톱니(4), 절단 평면에서는 감소된 톱니 높이(h)를 갖고 그 다음의 플랜지 휠이 없는 기어 휠의 우측 에지에서는 완전한 톱니 높이(H)를 갖는 4개의 톱니(3a), 및 완전한 톱니 높이(H)로 높이가 재상승되지 않고 절단 평면에서 감소된 톱니 높이(h)를 갖는 다른 4개의 톱니(3b)를 보여준다. 감소된 톱니 높이(h)는 극단의 경우 0일 수도 있다는 사실, 즉 관련 톱니가 완전히 배제될 수 있다는 사실과 관계없이, 여기에서는 바람직하게 단지 완전한 톱니 높이(H)의 약 80%까지만 톱니 높이가 감소되고, 상기 감소에 의해서는, 결합된 벨트가 톱니를 완전히 배제한 경우보다 더 작은 인장 강도 변동을 나타냄으로써 공명 이조(離調)가 만족스럽게 이루어진다. 20%의 톱니 높이 감소는 축영역이감소될 때 이미 벨트 링크가 기어 휠의 단축된 톱니 끝면 위에 올려지는 것을 방해한다.

도 4는 그에 비해 중심 종단면에 의해 나누어진 기어 휠(1)의 좌측 부분을 우측에서 바라본 도면이다. 뒤쪽에 있는 큰 동심원은 플랜지 휠(2)의 방사상 외부 에지이다.

이미 도 3에서와 같이, 도 4에서도 - 투시 방향의 상이함에 상응하게 당연히 역회전 방향으로 분배된 - 완전한 톱니 높이(H)를 갖는 15개의 톱니(4)를 볼 수 있다. 그와 반대로 감소된 톱니 높이(h)를 갖는 전체 8개의 톱니(3)가 이 투시 방향에서는 아무런 차이가 없기 때문에 3a 및 3b도 차이가 없다. 오히려 톱니(3)는 모두 본 도면에서 단면으로 볼 때 감소된 톱니 높이(h)를 갖고, 그 뒤에서는 - 플랜지 휠(2)에 인접하는 영역에서는 - 완전한 높이(H)를 갖는다. 기어 휠(1)의 23개의 톱니가 모두 플랜지 휠(2)에 인접하는 영역에서 완전한 톱니 높이(H)를 가짐으로써, 도시되지 않은 벨트의 좌측 전면이 매우 정확하게 플랜지 휠(2)로 안내되어 그곳에서 마찰 소음이 거의 야기되지 않으며, 본 발명에 따른 기어 휠 및 변동되지 않은 벨트에서도 마모를 전혀 야기되지 않는다. 그럼에도 불구하고 방출된 소음의 주파수 분산이 벨트 엔드의 축방향 중앙 영역에서 상이한 공명 주파수에 의해 이루어지며, 이 때 상기 공명 주파수의 상이함은 또한 본 발명에 따른 휠의 위상 위치에 따라 계속적으로 변한다.

이와 유사하게, 상술한 예와 반대로 양측면에 하나의 플랜지 휠을 갖는 기어 휠은 모든 톱니의 양 에지에서 완전한 톱니 높이를 가져야 한다. 즉, 단지 축방향 내부 영역에서만 - 반드시 중앙 영역 또는 직선으로 뻗는 영역일 필요는 없다 - 소수의 톱니가 감소된 높이를 가져야 한다.

본 발명에 따라 - 톱니 높이 감소에도 불구하고 각 플랜지 휠에 대해 간격을 두고 - 각각의 톱니가 완전한 높이를 갖는 축방향 에지 영역(들)의 폭은 휠 폭의 2% 이상, 바람직하게는 6% 내지 12%이어야 한다.

본 발명에 의해, 높이가 감소된 적어도 하나의 휠을 갖는, 작동 소음이 쾌적하게 느껴지는 적어도 하나의 기어 휠을 갖는 벨트 구동 수단을 제조할 수 있게 되었다.

도 1은 어덴덤(a)이 감소된 톱니를 볼 수 있도록 본 발명에 따른 기어 휠을 횡으로 절단하여 펼친 전개도이다.

도 2는 어덴덤(b)이 감소된 톱니를 볼 수 있도록 동일한 기어 휠을 횡으로 절단하여 펼친 전개도이다.

도 3은 동일한 기어 휠을 실제로 - 즉, 전개도가 아니라 실제에 맞게 - 종으로 절단하여 좌측에서 바라본 도면이다.

도 4는 동일 기어 휠을 실제로 종으로 절단하여 우측에서 바라본 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 기어휠 2 : 플랜지 휠

3, 3a, 3b : 축방향 영역에서 감소된 높이를 갖는 톱니

4 : 전체 축방향 영역에 걸쳐 완전한 높이를 갖는 톱니

b, b_a, b_b : 감소된 높이를 갖는 톱니(3) 영역의 폭

B : 기어휠(1)의 톱니폭 h : 감소된 톱니 높이

H : 완전한 톱니 높이

Claims (5)

1. 다수의 톱니(3, 4) 및 하나 이상의 플랜지 휠(2)을 포함하고, 상기 다수의 톱니 (3, 4)중에서 하나 이상의 톱니(3)는 높이(h)가 감소된 반면, 다수의 톱니(4)는 완전한 높이(H)를 갖도록 구성되는, 벨트 구동 수단용 기어 휠(1)에 있어서,

   상기 높이(h)가 감소된 톱니(3)는 상기 플랜지 휠(2)과의 경계 영역에서 완전한 톱니 높이(H)를 갖고, 축방향 연장부의 나머지 영역에서만 감소된 톱니 높이(h)를 갖는 것을 특징으로 하는,

   기어휠.
2. 제 1항에 있어서,

   사익 높이가 감소된 톱니(3)에서는, 상기 플랜지 휠(2)에서의 완전한 톱니 높이(H)로부터 감소된 톱니 높이(h)로의 변화가 축방향에 걸쳐 일정하게 이루어지는 것을 특징으로 하는,

   기어 휠.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   감소된 높이(h)를 갖는 연속하는 톱니(3a, 3b)는 완전한 톱니 높이(H) 보다 더 낮은 톱니 높이를 갖는 축방향 영역에서 상이한 폭(b_a 또는 b_b)을 갖는 것을 특징으로 하는,

   기어 휠.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   감소된 톱니 높이(h)를 갖는, 즉 톱니 높이가 완전한 톱니 높이(H) 보다 더 낮은, 하나 이상의 톱니(3)를 포함하는 축방향 영역의 폭(b, b_a, b_b)은 완전한 톱니폭(B)의 25% 내지 95%인 것을 특징으로 하는,

   기어 휠.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   플랜지 휠이 배치되는 기어 휠(1)의 한 에지에서 기어 휠(1)이 가장 큰 톱니끝 직경을 갖는 것을 특징으로 하는

   기어 휠.

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