KR100728916B1 - 타이밍벨트 및 그 결합구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이밍벨트 및 그 결합구조에 관한 것으로서, 특히 치형과 벨트본체부가 접하는 코너부에 최적형상의 홈을 형성하여 코너부에 작용하는 응력을 경감시키고 타이밍벨트의 내구력을 증가시키며, 또한 치형 표면 또는 스프로켓에 통공홈을 형성하여 소음 및 진동을 최소화 시킬 수 있는 타이밍벨트 및 그 결합구조에 관한 것이다.

타이밍벨트, 코너부, 홈, 응력집중, 피로수명

Description

타이밍벨트 및 그 결합구조 {TIMING-BELT AND COMBINATION STRUCTURE OF THE SAME}

도 1은 일반적인 타이밍벨트의 장착구조를 도시한 구조도,

도 2는 종래의 사다리꼴 치형 타이밍벨트의 단면도 및 응력해석결과,

도 3은 종래의 반원형 치형 타이밍벨트의 단면도 및 응력해석결과,

도 4는 종래의 타이밍벨트의 자켓의 표면을 확대한 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 타이밍벨트의 단면도 및 응력해석결과,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다른 타이밍벨트의 단면도,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 타이밍벨트의 단면도,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스프로켓의 단면도,

도 9는 본 발명의 효과를 설명하기 위한 피로강도와 피로수명 곡선.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 벨트본체부, 200 : 치형,

210,510 : 통공홈, 300 : 코너부,

400 : 홈, 500 : 스프로켓,

520 : 스프로켓 치저부.

본 발명은 타이밍벨트 및 그 결합구조에 관한 것으로서, 특히 치형과 벨트본체부가 접하는 코너부에 최적형상의 홈을 형성하여 코너부에 작용하는 응력을 경감시키고 타이밍벨트의 내구력을 증가시키며, 또한 치형 표면 또는 스프로켓에 통공홈을 형성하여 소음 및 진동을 최소화 시킬 수 있는 타이밍벨트 및 그 결합구조에 관한 것이다.

일반적으로, 타이밍 기어는 차량의 엔진부에 장착되는 크랭크 샤프트와 캠 샤프트 전단에 부착되어 밸브 개폐 타이밍을 크랭크 샤프트 회전과 동기시키기 위한 기어 또는 풀리들을 총칭하는 것으로서, 크랭크 샤프트상의 기어와 캠 샤프트상의 기어를 서로 연결하기 위하여 체인을 사용하는 체인식과 타이밍 벨트를 사용하는 벨트식, 그리고 전달이 확실한 스퍼기어로 연결하는 기어식이 있으나, 축간거리가 클 경우에는 체인식과 벨트식이 많이 사용되고 있으며, 이 중에서도 고가의 체인식 보다는 저가의 벨트식을 많이 사용하고 있다.

상기 타이밍 벨트의 표면부에는 기어와 맞물리는 V-형 리브가 형성되어 있으며, 벨트는 고무 및 글라스 파이버 등 잘 신축되지 않는 섬유로 만들어지며, 가볍고 조용하고 윤활도 불필요하다는 점 때문에, 왕복형 엔진에 널리 사용되고 있다.

도 1은 일반적인 타이밍벨트의 장착구조를 도시한 구조도이고, 도 2는 종래의 사다리꼴 치형 타이밍벨트의 단면도 및 응력해석결과이며, 도 3은 종래의 반원 형 치형 타이밍벨트의 단면도 및 응력해석결과이고, 도 4는 종래의 타이밍벨트의 자켓의 표면을 확대한 도면이다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 타이밍 벨트(40)는 캠 샤프트 스프로킷(10), 크랭크 샤프트 스프로킷(20), 그리고 오일 펌프 스프로킷(30)상에 장착되어짐으로써, 상기 스프로킷들을 연결시키고 있으며, 상기 캠 샤프트 스프로킷(10) 및 크랭크 샤프트 스프로킷(20) 사이에 연결되는 타이밍 벨트(40)상에는 텐셔너 풀리(11)가 당접되며, 상기 오일 펌프 스프로킷(30)과 캠 샤프트 스프로킷(10) 사이에 연결되는 타이밍 벨트(40)상에는 아이들러 풀리(31)가 당접되어 구성된다.

이와 같은 구성에 의하여 엔진이 작동되면 크랭크 샤프트 회전과 동기(同期)를 맞춰 밸브 개폐 타이밍을 맞추게 된다.

도 1상의 미설명 부호 (12)는 타이밍 마크, (13)은 텐셔너 암, 그리고 (14)는 자동 텐셔너이다.

그리고, 상기 스프로킷(10,20.30)과 풀리(11,31)상에 장착되는 타이밍 벨트(40)에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 벨트본체부(42)에 크랭크축 또는 캠축 방향(즉, 횡방향)으로 다수의 치형(43)이 소정 간격으로 형성되어 있으며, 이와 대응하여 상기 캠 샤프트 스프로킷(10)과 크랭크 샤프트 스프로킷(20)의 외주면부상에는 다수의 기어 치면이 축방향으로 형성되어 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 타이밍 벨트의 치형(43)은 사다리꼴 또는 반원형상을 하고 있으며, 이러한 치형(43) 위에 나일론 재질 등의 자켓을 입혀 제작하여 사용하고 있다.

그러나, 기존의 이러한 치형(43)을 가지고 있는 타이밍벨트(40)의 경우에는, 치형(43)과 벨트본체부(42)가 접하는 코너부(45)에 스프로켓(10,20.30)에 의한 응력이 집중되어, 도 4에 도시된 바와 같이 자켓(고내구성의 나일론 재질)이 상대 스프로켓(10,20.30)과의 반복적인 접촉을 통하여 마모되고, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 자켓 하부의 고무재질 만이 응력을 지지하게 되어 코너부(45)에 피로응력에 의한 균열발생 및 진전, 치형 탈락으로 급속히 한계수명에 도달하게 되는 문제점이 있다.

또한, 타이밍벨트의 경우 회전구동으로 인해 벨트 치형(43)이 스프로켓(10,20,30)의 치저부에 안착될 때, 벨트 치형(43)과 스프로켓(10,20.30)의 치저부 사이의 공기배출이 원활하지 못하여 소음 및 진동이 발생하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 타이밍벨트의 코너부에 최적형상의 홈을 형성하여 코너부에 집중되는 응력을 저감시킴으로써, 타이밍벨트의 피로수명을 크게 증가시켜 내구력을 향상시키고, 타이밍벨트의 치형 표면 또는 스프로켓의 치저부에 통공홈을 형성하여 소음 및 진동을 최소화시킬 수 있는 타이밍벨트 및 그 결합구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 타이밍벨트는, 벨트본체부에 치형이 형성된 타이밍벨트에 있어서, 상기 치형과 벨트본체부가 접하는 코너부에는, 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 타이밍벨트의 표면에는 보강피막을 형성하되, 상기 보강피막은 상기 홈을 따라 형성되도록 한다.

또한, 스프로켓과 접촉하는 상기 벨트 치형의 표면에 폭 방향으로 통공홈이 형성되도록 함이 바람직하다.

또한, 타이밍벨트와 스프로켓이 결합된 타이밍벨트의 결합구조에 있어서, 상기 스프로켓의 치저부에 폭 방향으로 통공홈이 형성되도록 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 타이밍벨트의 단면도 및 응력해석결과이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다른 타이밍벨트의 단면도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 타이밍벨트의 단면도고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스프로켓의 단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 타이밍벨트는 종래의 타이밍벨트와 같이, 벨트본체부(100)와 상기 벨트본체부(100)에 일정간격으로 형성된 치형(200)이 형성되어 있다.

상기 치형(200)은 사다리꼴, 반원형, 그 밖의 종래의 치형 형상 중 어느 것이든지 무방하다.

상기 벨트본체부(100)와 상기 치형(200)이 접하는 코너부(300)에는, 최적형상의 홈(400)에 형성되어 있다.
이 홈(400)은 하측이 벨트본체부(100)의 상부 표면으로부터 시작하여 치형(200)의 내향으로 완만하게 형성된 제1 경사각(R1)을 가지며, 상기 제1 경사각(R1)의 끝부분에서 상기 치형의 외향으로는 상기 제1 경사각(R1)보다 크게 형성된 제2 경사각(R2)을 가지며 형성된다.

위와 같이, 코너부(300)에 폭방향으로 홈(400)을 형성함으로써, 코너부(300)에 스프로켓(500)에 의한 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있어 타이밍벨트의 내구력 및 내마모성을 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 홈(400)은 상기 타이밍벨트와 접하는 스프로켓(500)의 기어 치면 보다 더 크게 형성되어 있도록 함이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 스프로켓(500)의 기어 치면이 홈(400)에 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있어 타이밍벨트의 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 홈(400)의 크기는 기어날의 크기와 연관되며, 유한요소해석을 통해 타이밍벨트의 코너부(300)의 응력을 최소로 하는 최적형상의 홈으로 선정하도록 한다.

응력집중이 되는 부분에 홈(400)을 형성한 결과로 응력집중부가 직접적으로 상대 스프로켓(500)의 기어 치면에 닿지 않는다는 결과가 발생하며, 이로 인해 자켓의 마모가 줄게 되어 수명증대에 기여하는 추가적인 요인이 된다.

상기 홈(400)은 상기 벨트본체부(100)와 접하여 이루는 각이 상기 타이밍벨트의 치형(200)과 접하여 이루는 각보다 완만하도록 함이 바람직하다.

즉, 상기 홈(400)은 상기 타이밍벨트의 치형(200)의 하부에 형성되어 있다.

또한, 상기 타이밍벨트의 표면에는 나일론 재질의 보강피막을 형성하는데, 상기 피막은 상기 홈(400)을 따라 형성되도록 한다.

이로 인해, 피막이 스프로켓(500)의 기어 치면과 직접 접촉되지 않도록 할 수 있어 피막이 마모되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 벨트 치형(200)의 표면에 폭방향으로 통공홈(210)을 가운데 하나 또는 여러 개 형성하거나, 도 8에 도시된 바와 같이 스프로켓의 치저부(520)에 통공홈(510)을 형성함이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 벨트 치형(200)이 스프로켓(500)의 치저부(520)에 안착될 때, 벨트 치형(200)과 스프로켓(500)의 치저부(520) 사이의 공기가 상기 통공홈(210,510)을 통하여 원활하게 배출될 수 있어, 공기 압착률이 저감되고 공기 유출률이 높여져 소음 및 진동을 크게 저감시킬 수 있다.

또한, 스프로켓(500)의 치저부(520)는 벨트 치형(200)의 외주면에 치합되도록 함이 바람직한데, 벨트 치형(200)의 외주면이 대략 반원 형태의 곡선을 형성하고 있으므로, 상기 스프로켓(500)의 치저부(520) 또한 반원 형태의 곡선을 형성함이 바람직한 것이다.

이하, 본 발명의 작동 및 작용에 대하여 알아본다.

스프로켓(500)이 회전하면, 스프로켓(500)의 기어 치면과 타이밍벨트의 치형(200)이 서로 맞물리게 되고, 이로 인해 상기 타이밍벨트가 회전하게 된다.

이때, 상기 스프로켓(500)의 기어 치면은 상기 타이밍벨트의 코너부(300)에 집중응력을 가하게 되는데, 상기 코너부(300)에 홈(400)이 형성되어 있는바, 상기 스프로켓(500)의 기어 치면은 상기 홈(400)에 삽입된다.

상술한 바와 같이, 상기 홈(400)은 상기 스프로켓(500)의 기어 치면보다 크 기 때문에 상기 스프로켓(500)의 기어 치면은 상기 홈(400)과 접하지 않게 된다.

이로 인해, 상기 코너부(300)에 집중응력이 가해지는 것을 방지할 수 있고, 또한 홈(400)에 형성된 피막이 마모되는 것을 방지할 수 있어, 타이밍벨트의 사용수명을 연장시킬 수 있다.

이러한 본 발명에 타이밍벨트에 의해, 타이밍벨트의 사용수명을 연장시킬 수 있어, 타이밍벨트의 교체비용의 절감과 해당 기계제품의 신뢰성의 향상 및 유지보수를 위한 경제적 시간적 소모를 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 내마모성을 크게 향상시킬 수 있어 타이밍 체인에 비해 생산 단가를 크게 저감시킬 수 있다.

또한, 벨트 치형(200)의 표면 또는 스프로켓의 치저부(520)에 통공홈(210,510)이 형성되어 있어, 회전시 벨트와 기어의 고속 접촉시 공기의 흐름을 원활히 하고 공기의 압축률 및 속도를 저감함으로써 구동시의 소음 및 진동 저감을 기할 수 있다.

표 1은 자켓을 입힌 경우의 벨트 치형에 따른 벨트 코너부 응력해석 결과를 나타낸 것이다.

	최대응력	응력 비(比) (반원형 치형 기준)
사다리꼴 치형	59.26 MPa	3.49
반원형 치형	16.96 MPa	1.00
본 발명의 실시예	10.97 MPa	0.65

이와 같이 본 발명은 반원형 치형에 홈을 형성한 뒤 자켓을 입힌 경우에, 종래의 홈이 없는 반원형 치형의 경우보다 35%의 응력저감 효과를 보이므로 최소 15배 이상의 피로수명 증대 효과를 낼 수 있다.

자켓을 입히지 않은 경우들의 비교에서도 본 발명의 경우 11%의 응력저감 효과를 보이므로 최소 2배 ~ 4배의 피로수명 증대 효과를 낼 수 있다.

본 발명인 타이밍벨트 및 그 결합구조는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 타이밍벨트 및 그 결합구조에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 코너부에 폭방향으로 홈을 형성함으로써, 코너부에 스프로켓에 의한 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있어 타이밍벨트의 내구력 및 내마모성을 향상시킬 수 있다.

또한, 타이밍벨트의 사용수명을 연장시킬 수 있어, 타이밍벨트의 교체비용의 절감과 해당 기계제품의 신뢰성의 향상 및 유지보수를 위한 경제적 시간적 소모를 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 내마모성을 크게 향상시킬 수 있어 타이밍 체인에 비해 생산 단가를 크게 저감시킬 수 있다.

둘째, 홈을 스프로켓의 기어 치면 보다 더 크게 하고 홈을 따라 피막을 형성함으로써, 피막이 스프로켓과 직접 접촉되지 않도록 할 수 있어 피막이 마모되는 것을 방지할 수 있다.

셋째, 벨트의 치형 표면 또는 스프로켓의 치저부에 폭방향으로 통공홈을 형성함으로써, 회전시 벨트와 기어의 고속 접촉시 공기의 흐름을 원활히 하고 공기의 압축률 및 속도를 저감함으로써 구동시의 소음 및 진동 저감을 기할 수 있다.

넷째, 도 9에 도시된 바와 같이, 피로강도와 피로수명 곡선(일명 'S-N 곡선') 상에서 볼 때, 일반적인 강의 경우 응력의 20% 저감을 통해 수명은 약 10배 증가함을 알 수 있다.

Claims (4)

1. 벨트본체부에 치형이 형성된 타이밍벨트에 있어서,

   상기 치형과 벨트본체부가 접하는 코너부에는 서로 다른 경사각을 가지는 홈이 형성되되, 그 홈의 하측은 벨트본체부의 상부 표면으로부터 시작하여 치형의 내향으로 완만하게 형성된 제1 경사각을 가지며, 상기 제1 경사각의 끝부분에서 상기 치형의 외향으로는 상기 제1 경사각보다 크게 형성된 제2 경사각을 가지는 것을 특징으로 하는 타이밍벨트.
2. 제1항에 있어서,

   타이밍 벨트의 표면에는 보강피막이 형성되며, 이 보강피막은 홈의 표면을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 타이밍벨트.
3. 삭제
4. 삭제

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