KR100866029B1 - 타이밍 벨트 전동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이밍 벨트 전동장치의 개량에 관한 것으로써,

본 발명에 따르면, 구동 치차풀리, 종동 치차풀리, 및 두 개의 치차풀리에 걸리며 매입되는 다수의 심선을 가지는 타이밍 벨트를 포함하며; 여기서 각 치차풀리에 인접한 치부를 제1 치부 및 제2 치부로 하고, 원호부가 제1 치부 및 제2 치부 각각의 치선과 치면 사이에 형성되며, 공통접선이 제1 치부의 원호부와 제2 치부의 원호부에 접하도록 그려지고, 제1 접선이 제1 치부의 치선측 개시점을 통과하게 그려질 때, 공통접선과 제1 접선사이의 각은 6∼14.4°의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 타이밍 벨트 전동장치가 얻어지는데,

공통접선과 제1 접선과의 각도를 6∼14.4°로 설정하는 것에 의해, 타이밍 벨트의 심선 및 이뿌리(치원)의 내구성이 향상되어, 타이밍 벨트의 내구성을 향상시키는 것이 가능하여, 그 결과 타이밍 벨트 자체의 내구성이 향상 가능하다.

타이밍 벨트 전동장치, 치차풀리, 원호부

Description

타이밍 벨트 전동장치{TOOTHED BELT TRANSMISSION}

도 1은 본 발명에 따른 타이밍 벨트 전동장치를 채용하는 엔진의 단면도이고;

도 2는 도 1의 2-2선 단면도이고;

도 3은 도 1의 타이밍 벨트의 사시도, 부분단면도이고;

도 4는 도 3에 도시된 타이밍 벨트 전동장치의 굴곡각을 나타내는 개략도이고;

도 5는 본 발명에 따른 타이밍 벨트에 대한 피로 내구시험 결과를 나타내는 그래프이다.

*도면의 주요부분의 설명*

26: 구동 치차풀리 27: 타이밍 벨트

28: 종동 치차풀리 50: 타이밍 벨트 전동장치

54: 심선 61: 제1 치부

62: 치선 63, 68: 원호부

66: 제2 치부 71: 치면

73: 변곡점 74: 제1 접선

75: 공통접선 α:굴곡각

본 발명은 구동 치차풀리 및 종동 치차풀리에 치합되는 타이밍 벨트 전동장치의 개량에 관한 것이다.

동력을 전달하기 위한 타이밍 벨트 및 두 개의 치차풀리를 가지는 타이밍 벨트 전동장치는 일본국 특허 공개공보 평11-132291호 "타이밍 벨트 전동장치" 및 일본국 특허 공보 제 2995021호 "치차풀리 및 이를 이용한 동력전달장치"에 개시되어 있다.

일본국 특개평11-132291호의 타이밍 벨트 전동장치에서, 타이밍 벨트는 각각 원호로 이루어지는 치선(이끝) 및 치저(齒低)를 가지며, 스프라켓의 치선 및 치저도 각각 원호로 이루어져 있다. 이러한 구조로써 타이밍 벨트의 치저 및 스프라켓의 치선은 서로 긴밀하게 감합되어, 치저와 치선 사이의 미끄러짐이 제한되어 내마모성의 저하가 방지된다.

일본국 특허공보 제2995021호의 전동장치에서, 치차풀리는 치구(Tooth groove)를 포함하는데, 치구의 중심선의 양 측면에 요상(凹狀) 또는 원호형의 한 쌍의 압력활면을 형성한다. 압력활면을 이루고 있는 원호의 곡률 중심은 치구 중심선과 직교하는 직선 상에 위치된다. 이 직선과 치구 저면과의 거리(치구 중심선상의 거리임)를 상기 곡률 중심이 풀리피치라인의 외부에 위치하도록 설정하여, 곡률 중심이 풀리 핏치라인 상에 배치되는 종래의 경우보다 각 치구의 원주방향 치수 를 작게 할 수 있고, 그 결과 풀리 랜드(land)부의 원주방향 길이를 종래 보다도 크게 할 수 있다. 따라서, 풀리 랜드부와 타이밍벨트의 벨트 랜드부와의 사이의 압력 증가를 억제하여 면압의 증가에 기인하는 벨트 마모 등을 억제하여 타이밍 벨트의 내구성을 향상시킨다.

일본국 특개평11-132291호 및 일본국 특허공보 제2995021호의 동력전달장치는 공히 타이밍 벨트와 치차풀리(또는 스프라켓)의 치부 또는 치구의 형상을 개량하는 것으로, 타이밍 벨트 전동장치의 내구성을 향상시키는 기술을 개시하고 있다. 예를 들어, 상기의 타이밍 벨트 전동장치를 외형 치수가 작은 엔진에 적용하는 경우에, 작은 직경을 가지는 치차풀리(또는 스프라켓)에 타이밍 벨트를 감아 걸게되고, 벨트자체, 특히 이뿌리(齒源)부를 국부적으로 크게 굽히게 된다. 또한, 신장을 방지하기 위해 타이밍 벨트의 원주 길이방향을 따라 무한(無限) 심선이 매설되어 있으므로, 심선이 국부적으로 크게 굽혀지게 된다. 이는 타이밍 벨트의 치부 혹은 심선의 내구성 저하를 가져온다.

본 발명의 목적은 타이밍 벨트에 치합되는 치차풀리의 직경을 작게 하면서도 타이밍 벨트의 내구성이 향상되는 타이밍 벨트 전동장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 구동 치차풀리, 종동 치차풀리, 및 두 개의 치차풀리에 걸리며 매입되는 다수의 심선을 가지는 타이밍 벨트를 포함하며; 여기서 각 치차풀리에 인접한 치부를 제1 치부 및 제2 치부로 하고, 원호부가 제1 치부 및 제2 치부 각각의 치선과 치면 사이에 형성되며, 공통접선이 제1 치부의 원호부와 제2 치부의 원호부에 접하도록 그려지고, 제1 접선이 제1 치부의 치선측 개시점을 통과하게 그려질 때, 공통접선과 제1 접선사이의 각은 6∼14.4°의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 타이밍 벨트 전동장치가 얻어진다.

공통접선과 제1 접선과의 각도를 6∼14.4°로 설정하는 것에 의해, 타이밍 벨트의 심선 및 이뿌리(齒源)의 내구성이 향상되어, 타이밍 벨트의 내구성을 향상시키는 것이 가능하여, 그 결과 타이밍 벨트 자체의 내구성이 향상 가능하다. 이는 또한 치차풀리의 외경을 작게 하는 것을 가능하게 하여 소형 엔진의 제공을 가능하게 만든다.

상기의 각이 6°보다 작은 경우에는, 치차풀리의 치부의 영향을 받아 이뿌리의 내구성이 감소한다. 각이 14.4°보다 커지면, 심선의 굽힘응력이 증대되어 심선의 내구성이 저하된다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1을 참조해보면, 엔진(10)은 소형 4사이클 OHC 엔진을 포함하는데, 여기에서 크랭크축(15)은 상부 케이스(11)와 하부 케이스(12)의 사이에서 베어링 수단(13, 14)에 의해 회동 가능하게 지지되고, 컨로드(17; connecting rod)는 피스톤 핀(18)의 수단을 통하여 크랭크 축(15)에 스윙 가능하게 장착되고, 그리고 피스톤(21)은 피스톤 핀(18)의 수단을 통하여 상부케이스(11)에 스윙 가능하게 장착된다. 피스톤(21)은 상부케이스(11)에 설비된 실린더부(23)에 이동 가능하게 장착된다.

흡기밸브 및 배기밸브의 개폐를 위한 캠을 형성한 캠축(도시되지 않음)은 상부케이스(11)의 상부에 장착된다. 타이밍 벨트(27)는(또는 이붙이 벨트, 치차벨트라고도 불림) 크랭크축(15)에 장착되는 구동 치차풀리(26) 및 캠축에 연결되는 종동 치차풀리(28)에 걸린다.

참조번호 33, 34, 35, 36, 37, 38, 41, 42 및 43은 각각 점화플러그, 플러그 캡, 고장력 코드, 리코일 스타터, 리코일 스타터를 위한 노브, 연료탱크, 상부커버, 종동 치차풀리(28)의 회전가능한 축으로서 기능하는 피봇축, 및 헤드커버를 나타낸다.

도 2는 직경이 감소된 구동 치차풀리(26)와 종동 치차풀리(28)에 걸리는 타이밍 벨트(27)를 나타낸다.

구동 치차풀리(26), 타이밍 벨트(27) 및 종동 치차풀리(28)는 타이밍 벨트 전동장치(50)를 구성하는 부재이다.

구동 치차풀리(26) 및 종동 치차풀리(28)가 주어진 비율로 설비된 소정개수의 이를 가지므로, 구동 치차풀리(26)를 작은 직경을 가지도록 하면 종동 치차풀리(28)도 작은 직경을 가지도록 할 수 있다. 이와 같이, 구동 치차풀리(26) 및 종동 치차풀리(28)를 각각 작은 직경을 가지도록 함으로써, 타이밍 벨트 전동장치(50)를 수납하는 하우징(51)을 소형으로 하는 것이 가능하고, 그 결과 소형 엔진(10)의 제공이 가능하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 타이밍 벨트(27)는 평평한 벨트부에 치부를 일체로 성형한 고무제 벨트 바디(53), 상기 벨트 바디(53)에 매입되어 신장에 대한 저 항성을 제공하는 유리섬유제의 다수의 심선(54) 및 치포(56, 이를 덮는 천)를 포함한다.

이하에서는, 도 4와 관련하여 타이밍 벨트의 굴곡각에 대해 설명한다. 타이밍 벨트의 내구성은 주로 심선 및 치부의 내구성에 의해 결정되며, 심선 및 치부의 내구성은 타이밍 벨트의 굴곡정도에 크게 의존한다. 본 실시예에서 타이밍 벨트의 굴곡정도란, 치차풀리의 형상으로부터 얻어지는 굴곡각으로 결정된다. 굴곡각은 아래에 설명된다.

도 4에서, 구동 치차풀리(26)의 제1 치부(61)의 치선(62) 반경을 R1, 치선(62) 및 후술하는 치면(71)에 접하는 원호부(63)의 반경을 R2, 이 원호부(63)에 접하는 동시에 치저에 위치하는 원호부(65)의 반경을 R3, 제1 치부(61)에 인접하는 제2 치부{66, 이 제2 치부(66)는 제1 치부(61)와 형상이 같지만, 여기에서는 편의상 구별한다.}의 치선(67) 및 원호부(65)에 접하는 원호부(68)의 반경을 R2로 한다. 즉 치면(71, 71)은 원호부(63) 및 원호부(68)에 인접하고, 원호부(65)의 일부를 구성한다.

또한 치선(62)과 원호부(63)와의 접점을 변곡점{73, 즉 원호부(63)에 있어서 치선(62)측 개시점이다.}, 이 변곡점(73)을 지나는 접선을 제1 접선으로서의 치선측 접선(74), 제1 치부(61)의 원호부(63)와 제2치부(66)의 원호부(68)와의 양방에 접하는 접선을 공통접선(75), 이 공동접선(75)의 원호부(63)상의 접점을 제1 접점(77), 공통접선(75)의 원호부(68)상의 접점을 제2 접점(78)으로 한다. 상기한 치선측 접선(74)과 공통접선(75) 사이의 각을 굴곡각 α로 한다.

타이밍 벨트(27)는 치선(62) 및 구동 치차풀리(26)의 원호부(63)에 걸리므로, 심선(54)은 점 81 및 점 82 사이의 범위에서 굴곡각 α로 굽혀진다. 점 81은 변곡점(73)을 지나는 치선측 접선(74)의 법선(83)과 심선(56)이 만나는 교차점이다. 점 82는 제1 접점(77)을 지나는 치선측 접선(75)의 법선(84)과 심선(56)이 만나는 교차점이다.

굴곡각에 관한 인자로는 구동 치차풀리(26)의 외경(즉, 치선 직경)과 이의 수(齒數)를 포함한다. 예를 들어, 치부(61, 66)의 형상을 일정하게 하는 경우, 구동 치차풀리(26)의 외경을 증가시키면, 이의 수의 증가를 가져와 타이밍 벨트(27)가 각이 보다 많은 다각형 형태로 감기게 되어, 다각형의 꼭지점의 수는 증가하고, 외각의 크기는 보다 감소하게 되어, 결국 굴곡각 α의 크기도 작아진다. 또한, 구동 치차풀리(26)의 외경을 작게 하면, 이의 숫자가 감소하여 그 결과 굴곡각 α의 증가를 가져온다.

즉, 도 4에서, 굴곡각 α을 증가시키면 심선(54)이 더 크게 굴곡되어, 심선(54)에 작용하는 응력은 증가되고, 그 결과 내구성이 저하된다. 굴곡각 α을 감소시키면 심선(54)의 굴곡은 작아져, 심선(54)에 작용하는 응력은 감소되고, 그 결과 내구성이 증대된다.

그러나, 도 4에서 굴곡각 α가 작으면, 타이밍 벨트(27)가 구동 치차풀리(26)의 원호부(63) 및 치선(62)에 감기는 경우에 변곡점과 공통접선(75)측 원호부(63)상의 제1 접점(77) 사이의 점에서 최대응력이 타이밍 벨트(27)의 내면에 집중된다. 즉, 굴곡각 α가 감소함에 따라, 변곡점(73)과 제1 접점(77)사이의 거 리가 작아지므로, 타이밍 벨트(27)의 치포(이를 덮고 있는 천)의 마모가 진전되게 되고, 따라서 타이밍 벨트(27)의 이뿌리부의 강도가 저하되고, 결국 내구성이 저하되는 결과를 가져온다.

상술한 관점에서, 굴곡각 α의 관점에서 타이밍 벨트(27)에 대한 피로 내구시험을 행하였는 바, 이는 구동 치차풀리(26)의 외경이 감소하는 경우에도 심선(54)의 굽힘 응력이 증가하는 것을 배제하는 굴곡각 α의 상한을 얻기 위한 것이며, 또한 이뿌리에서의 피로 및 마모강도를 보장하기 위한 굴곡각 α의 하한을 얻기 위한 것이다.

피로 및 마모실험의 결과는 아래의 표 1에 정리되어 있고, 심선의 피로 및 마모강도의 결과는 표 1을 참조하여 아래에서 설명된다.

표 1

시험편	굴곡각 α(°)	심선의 수명비	판정
비교예 1	4.0	1.48	합격
실시예 1	6.0	1.49	합격
실시예 2	8.0	1.42	합격
실시예 3	8.9	1.41	합격
실시예 4	10.0	1.39	합격
실시예 5	12.0	1.30	합격
실시예 6	14.4	1.02	합격
비교예 2	16.0	0.56	불합격

표 1은 타이밍 벨트(27)의 굴곡각 α가 실시예 1 내지 6 및 비교예 1, 2에 사용되는 시험편과 함께 변화될 때, 심선의 피로 및 마모 강도의 평가를 나타낸다.

피로 내구시험을 수행할 때, 타이밍 벨트는 구동 치차풀리 및 종동 치차풀리에 걸리고, 구동 치차풀리가 소정의 회전속도로 회전되는 경우, 타이밍 벨트에, 더욱 구체적으로는, 심선 및 이뿌리에 반복 굽힘에 의한 응력 진폭이 작용되게 하고, 이때 심선 및 이뿌리가 파손(크랙발생 포함)되는 시간(실재 수명)을 기준으로 내구시간에 대한 비율을 산출하여 수명비로 하고, 심선의 수명비와 이뿌리의 수명비로서 타이밍 벨트의 내구성을 판단한다(심선의 수명비=심선이 파손되는데 걸린 시간 ÷기준 내구시간, 이뿌리의 수명비=이뿌리가 파손되는데 걸린 시간 ÷기준 내구시간이다). 표 1은 심선의 수명비에 대해 나타내고, 이뿌리의 수명비에 대해서는 표 2를 참조하여 이하에서 설명된다.

시험용 타이밍 벨트의 심선은 아래와 같은 특성을 가진다.

심선의 특성

재질: 유리섬유

직경: 0.5㎜

이하에서는 각 시료에 대한 시험결과를 설명한다.

비교예 1

굴곡각 α= 4.0°

타이밍 벨트 심선의 수명비는 1.48이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 1

굴곡각 α= 6.0°

타이밍 벨트의 심선의 수명비는 1.49이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 2

굴곡각 α= 8.0°

타이밍 벨트의 심선의 수명비는 1.42이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 3

굴곡각 α= 8.9°

타이밍 벨트의 심선의 수명비는 1.41이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 4

굴곡각 α= 10.0°

타이밍 벨트의 심선의 수명비는 1.39이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 5

굴곡각 α= 12.0°

타이밍 벨트의 심선의 수명비는 1.30이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 6

굴곡각 α= 14.4°

타이밍 벨트의 심선의 수명비는 1.02이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

비교예 2

굴곡각 α= 16.0°

타이밍 벨트의 심선의 수명비는 0.56이고, 1.00 보다 작으므로, 판정은 "불합격"이다.

다음은 이뿌리에 대한 피로강도의 결과를 표2를 참조하여 설명한다.

시험편	굴곡각 α(°)	이뿌리의 수명비	판정
비교예 11	4.0	0.8	불합격
실시예 11	6.0	1.01	합격
실시예 12	8.0	1.17	합격
실시예 13	8.9	1.18	합격
실시예 14	10.0	1.28	합격
실시예 15	12.0	1.35	합격
실시예 16	14.4	1.43	합격

표 2는 타이밍 벨트의 굴곡각 α를 변화시키는 때의 이뿌리의 피로 및 마모강도의 평가결과를, 실시예 11∼실시예 16 및 비교예 11의 시료를 가지고 설명하는 것이다. 타이밍 벨트의 이뿌리에 대한 시험 특성은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1, 2에 비해서, 심선의 피로 및 마모강도를 증가시켜 심선의 손상으로 인한 시험의 중단 등의 영향을 받지 않도록 선택된다.(또한, 심선 이외의 조건은 표 1의 특성과 동일하다.)

시험용 타이밍 벨트의 심선은 아래와 같은 특성을 가진다.

심선의 특성

재질: 유리섬유

직경: 0.4㎜

심선의 개수: 11

이하에서는 각 시료에 대한 시험결과를 설명한다.

비교예 11

굴곡각 α= 4.0°

타이밍 벨트의 이뿌리의 수명비는 0.8이고, 1.00보다 작으므로, 판정은 "불합격"이다.

실시예 11

굴곡각 α= 6.0°

타이밍 벨트의 이뿌리의 수명비는 1.01이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 12

굴곡각 α= 8.0°

타이밍 벨트의 이뿌리의 수명비는 1.17이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 13

굴곡각 α= 8.9°

타이밍 벨트의 이뿌리의 수명비는 1.18이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 14

굴곡각 α= 10.0°

타이밍 벨트의 이뿌리의 수명비는 1.28이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 15

굴곡각 α= 12.0°

타이밍 벨트의 이뿌리의 수명비는 1.35이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

실시예 16

굴곡각 α= 14.4°

타이밍 벨트의 이뿌리의 수명비는 1.43이고, 1.00이상이므로, 판정은 "합격"이다.

도 5에서는 상기와 같은 타이밍 벨트에 대한 시험결과를 그래프로 나타내고 있다. 이 그래프에서 종축은 수명비, 횡축은 굴곡각 α(°)을 나타낸다. 그래프 중의 실선 및 흑색 점은 심선의 수명비를, 파선 및 백색 점은 이뿌리의 수명비를 나타낸다.

그래프에서, 심선의 수명비는 굴곡각 α가 증가함에 따라 감소한다. 굴곡각 α가 14.4°를 넘으면, 수명비는 1 보다 작아진다.

또한, 이뿌리의 수명비는 굴곡각 α가 증가함에 따라 증가한다. 굴곡각 α가 6.0을 초과하면 수명비는 1 보다 커진다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 타이밍 벨트의 내구성은 6.0≤α≤14.4일 때 양호하다. 이는 상기 굴곡각 α를 만족하는 형상을 가지는 치차풀리를 얻는 것이 가능하다는 것이다.

예를 들어, α=14.4°로 되는 치차풀리는 치선원직경이 19.3㎜, 이의 수가 10으로 되어, 이와 같은 작은 직경의 치차풀리를 선택하면, 이에 따른 타이밍 벨트 의 전체 길이가 짧아지고, 작은 직경의 풀리 및 짧아진 타이밍 벨트로 인해 엔진을 소형으로 하는 것이 가능하다.

도 2, 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이, 본 발명은 심선(54)을 매입한 타이밍 벨트(27)를 구동 치차풀리(26) 및 종동 치차풀리(28)사이에 걸어 동력을 전달하는 타이밍 벨트 전동장치(50)에 있어서, 각 치차풀리(26, 28)에 인접하는 치부를 제1 치부(61) 및 제2 치부(66)로 하고, 이들 제1 치부(61) 및 제2 치부(66)에서의 각각의 치선(62, 67)과 치면(71)과의 코너부에 원호부(63, 68)가 형성되며, 제1 치부(61)의 원호부(63)와 제2 치부(66)의 원호부(68)를 통과하는 공통접선(75)이 그려지고, 치선측 접선(74)이 제1 치부(61)의 원호부(63)를 형성하는 치선(62)측 개시점, 즉 변곡점(73)을 지나는 치선측 접선(74)이 그려질 때, 공통접선(75)과 치선측 접선(74)과의 각도, 즉 굴곡각 α를 6∼14.4°로 하는 것을 특징으로 한다.

공통접선(75)과 제1 접선(74)과의 각도를 6∼14.4°로 설정하는 것에 의해, 타이밍 벨트(27)의 심선(54) 및 이뿌리(93)의 내구성이 향상되어 타이밍 벨트(27)의 내구성이 향상 가능하며, 그 결과 타이밍 벨트(27) 자체의 내구성이 향상 가능하다. 이는 또한 구동 치차풀리(26)의 외경을 작게 하는 것을 가능케 하여 소형 엔진(10)의 제공을 가능하게 만든다.

상기의 각이 6°보다 작은 경우에는, 타이밍 벨트(27)의 이뿌리(93)가 구동 치차풀리(26)의 제1 치부(61) 및 제2 치부(66)의 영향을 받아 이뿌리(93)의 내구성이 감소된다. 상기 각이 14.4°보다 커지면, 심선(54)의 굽힘 응력이 증대되어 심 선(54)의 내구성이 저하된다.

Claims (1)

1. 타이밍 벨트 전동장치에서:

   구동 치차풀리(26);

   종동 치차풀리(28); 및

   상기 두 개의 치차풀리에 걸리며, 매입되는 다수의 심선(54)을 가지는 타이밍 벨트(27)를 포함하며;

   여기서 상기의 각 치차풀리에 인접한 치부를 제1 치부(61) 및 제2 치부(66)로 하고, 원호부(63, 68)가 상기 제1 치부(61) 및 상기 제2 치부(66) 각각의 치선(62, 67)과 치면(71, 71) 사이에 형성되며, 공통접선(75)이 상기 제1 치부(61)의 원호부(63)와 상기 제2치부(66)의 원호부(68)에 접하도록 그려지고, 제1 접선(74)이 상기 제1 치부(61)의 치선측 개시점을 통과하게 그려질 때, 상기 공통접선(75)과 상기 제1 접선(74)사이의 각은 6∼14.4°의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 타이밍 벨트 전동장치(50).

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