KR101399680B1 - 오일 습윤 톱니 벨트 및 인장 슈를 포함한 내연 엔진용 드라이브 - Google Patents

오일 습윤 톱니 벨트 및 인장 슈를 포함한 내연 엔진용 드라이브 Download PDF

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아드리아노 롤란도
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데이코 유로페 에스.알.엘.
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Abstract

기결정 권취 속도(TU)를 갖고, 드라이브 풀리(2), 드리븐 풀리(3), 슈(5), 슈(5)의 유도 표면(7)과 접촉하여 연동하는 오일 습윤 톱니 벨트(4)를 포함하고, 톱니 벨트(4) 상에서 소비되는 전력을 감소시키기 위하여 최적화된 유도 표면(7)의 권부각(α)을 나타내는 내연엔진용 드라이브(1)가 제공된다.
Figure R1020097022445
내연엔진, 드라이브, 권취속도, 권부각, 슈, 톱니 벨트

Description

오일 습윤 톱니 벨트 및 인장 슈를 포함한 내연 엔진용 드라이브{Drive for Ann Internal Combustion Engine Comprising An Oil Wet Toothed Belt and A Tensioning Shoe}
본 발명은 오일 습윤(oil wet) 톱니 벨트 및 하나 이상의 인장 슈(tensioning shoe)를 포함한 내연엔진용 드라이브에 관한 것이다.
오일 습윤(oil wet) 벨트를 갖고, 건식(dry) 벨트 드라이브 또는 체인(chain) 드라이브와 적어도 동일한 내구성 요구를 충족시킬 수 있는 타이밍(timing) 벨트를 포함한 자동차 엔진이 최근에 개발되어 왔다. 본원 명세서와 청구항에 사용된 "오일 습윤"이라는 표현은 보관시 벨트가 적어도 부분적으로 오일에 침지되는 응용과 예컨데 특수 노즐을 사용한 분사를 통해 또는 벨트 또는 풀리(pulley)의 작동에 기인한 튀김(splashing)에 의해 벨트 표면에 오일이 전달되는 응용 모두를 의미한다고 열거된다.
특히, 본 발명의 벨트 드라이브가 작동하는 환경은 체인 드라이브가 작동하는 환경과 동일할 수 있다.
체인 드라이브에 비하여, 벨트 드라이브는 보다 경제적이며 마찰로 인한 손실이 훨씬 적다. 또한, 벨트 드라이브는 더욱 조용하고, 벨트의 신장(elongation) 이 체인의 신장에 비해 적어도 1/4정도 적다. 즉, 이는 내연엔진 밸브에 대한 보다 정교한 조절을 가능하게 한다.
체인 드라이브는 일반적으로 벨트의 정확한 작동을 보장하는 인장 장치를 포함한다.
벨트가 오일에 젖어있기 때문에, 액츄에이터(actuator)에 의해 작동되는 슈(shoe)에 의해 인장이 부여될 수 있다. 슈는 작은 공간에 장착될 수 있어서 드라이브를 소형화시킬 수 있는 이점을 갖는다. 이와 같은 방식으로 벨트 드라이브는 드라이브를 수용하는 구획을 변형하지 않으면서 체인 드라이브와 서로 교환가능하다.
그러나, 최적화되지 않은 종(longitudinal) 프로파일은 벨트에 대하여 마찰을 일으켜 소비전력(dissipated power)의 증가를 유발하고, 이로 인한 온도 상승은 벨트의 품질을 악화시키며 벨트의 활성 작동 수명을 감소시킨다.
본 발명의 목적은 자동차 응용시 필요한 내구성 요구의 손상없이 슈 상에서 벨트의 마찰에 의해 소비되는 전력을 감소시키기 위해 최적화된 기하학을 갖는 슈를 포함하는, 엔진 오일 습윤 벨트 드라이브를 구성하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 따른 드라이브를 사용하여 달성된다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 오직 제한적이지 않은 예만을 거론하고 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예가 하기에 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 슈를 포함한 드라이브의 도표이고;
도 2는 도 1의 드라이브의 대표적인 기하학 모델의 도표이고;
도 3은 도 1의 슈를 치수화하기 위한 최적화 함수의 경향에 대한 정성적 그래프이고;
도 4 및 5는 본 발명의 대응 추가 구현예를 묘사하고;
도 6은 본 발명에 따른 슈를 제조 가능하게 하는 방법의 단계와 연관된 플로우 차트이고;
도 7은 본 발명에 따른 슈의 도표이다.
도 1에 대하여, 참조번호 1은 전반적으로 내연 엔진의 크랭크샤프트(crankshaft)에 단단히 연결된 드라이브 풀리(drive pulley)(2) 및 내연엔진의 인젝션 펌프(injection pump)에 직접 연결된 드리븐 풀리(driven pulley)(3)를 포함한 내연엔진의 동기(synchronous) 드라이브(drive)를 나타낸다. 또한, 풀리(3)는 이차 드라이브(미도시)에 의해 캠샤프트(camshaft)에 연결된다.
풀리(2, 3)는 크랭크샤프트와 펌프 사이에 전력을 전달하기 위해 오일 습윤 톱니 벨트(4)에 의해 서로 연결된다. 예를 들면, 톱니 벨트(4)는 동일한 출원인에 의해 출원된 국제특허출원 WO-A1-2005080820에 기술된 바와 같이 제조된다.
특히, 톱니 벨트(4)는 윤활유의 공격을 견디기 위해 적당히 선택된 탄성중합체(elastomeric) 물질, 풀리(2, 3)에 연결된 톱니부, 본체에 포함된 복수의 사상 요소(filiform element), 사상 요소를 기준으로 톱니부의 반대편 표면에 정렬된 백(back), 및 백 표면에 정렬된 내성(resistant) 직물을 포함한다.
벨트 드라이브(1)의 슬랙 브랜치(slack branch)와 연동하고, 내연엔진의 벽을 기준으로 고정된 축(A)에 대하여 회전가능한 슈(5)를 이용하여 톱니 벨트(4)의 조작 인장(tension)이 조절된다.
바람직하게는, 벨트 드라이브(1)는 드라이브(1)의 토트 브랜치(taut branch)를 유도하고 후자의 굴곡 진동(flexural vibration)을 감소시키기 위한 활주 슈(gliding shoe)(10)를 추가로 포함한다.
슈(5)는 구동(actuating) 수단(6)에 의해 톱니 벨트(4)의 마찰-마모 내성 직물에 대한 접촉을 유지하며, 구동수단은 탄성 요소(elastic element) 및 방진 요소(damping element)를 포함하거나 유체 선형 액츄에이터(fluid linear actuator)를 포함할 수 있다.
특히, 슈(5)는 사용시 톱니 벨트(4)의 백이 활주되는 접촉 표면(7)에 의해 톱니 벨트(4)에 대한 유도(guide)를 한정한다.
바람직한 구현예에 따르면, 바람직하게는 슈(5)는 소결을 통한 마모 내성 금속성 물질에 의해 형성된다. 이와 같은 방식에서, 슈(5)는 접촉 표면(7)을 따라 흐르는 오일의 내구성이 유리하도록 다공도(porosity)를 제공한다.
톱니 벨트(4)의 백에 대하여 발생하는 마찰에 의한 이론적 소비전력은 하기 식에 의한 일차 근사치로 표현될 수 있다.
Figure 112009065706793-pct00001
상기식에서, f는 톱니 벨트(4)의 백과 슈(5) 사이의 윤활 접촉의 특징적 마찰 계수이며, 일반적으로 0.04 내지 0.15의 범위내에서 고려되며, 곡선화 좌표로부터 독립되어 있다;
RPM은 드라이브 풀리(2)의 회전 속도이다;
Rm은 드라이브 풀리(2)의 피치 반경이다;
Tt는 접촉 표면(7)과 드라이브 풀리(3) 사이에 포함된 벨트의 브랜치 인장이다;
α는 이를 따라서 톱니 벨트(4)의 백이 접촉 표면(7)과 접촉하는 권부각이다.
특히, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 권부각(α)은 접촉 표면(7)의 어떠한 종 프로파일에 대하여도 계산될 수 있다.
상기식은 소비전력과 슈(5)의 권부각(α) 사이의 직접적 관계를 설정하고, 최적화 방법에 의해 후자의 프로파일을 치수화하는데 사용된다.
추가로, 드라이브의 기하학을 한정하는 단계는 권취 속도(take-up rate)(TU)를 산출하는 균형 조건에서 강화 요소(reinforcement element)를 따르는 톱니 벨트(4)의 길이에 해당하는 벨트 길이의 목표 값을 한정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 최적화 방법은 드라이브 권취 속도(TU)를 설정하는 단계를 포함한다. 권취 속도는 슈(5)의 회전각도 각각에 대한 벨트 드라이브 레이아웃(layout)의 밀리미터 변화로 한정된다.
특히 벨트 드라이브 레이아웃은 벨트의 중립축(neutral axis)에서 측정된 기하학 라인(geometric line)의 길이이며, 벨트는 풀리(2,3)를 감싸고 있고, 후자의 위치 각각에 대하여 슈(5)와 접촉하게 된다. 그러므로, 슈(5)의 각 위치에 해당하는 벨드 드라이브 레이아웃을 산출하는 것이 가능하다.
최적화 방법은 드라이브(1)의 기하학, 즉 풀리(2, 3)의 피치 직경 및 드라이브 풀리(2) 및 드리븐 풀리(3)의 회전 축의 기하학적 좌표를 한정하는 단계를 추가로 포함한다. 이와 같은 데이터가 "휠 다이아그램(wheel diagram)"에 요약되어 있고, 벨트 드라이브 레이아웃을 기하학적으로 계산할 수 있게 한다.
또한, 예컨데 벨트 드라이브가 현존하는 체인(chain) 드라이브의 개량(upgrade) 또는 갱신(retrofit)인 경우 축(A)의 위치는 입력 기준(input datum)일 수 있다. 축(A)의 위치가 기획 기준(project datum)인 경우 초기 위치는 추정되어야만 한다.
드라이브(1)의 기하학을 한정하는 단계 과정에서 수집된 데이터는 슈(5)의 접촉 표면(7)이 직경(D')(도 2 참조)을 갖는 원주의 단일 아크를 갖는 프로파일에 의해 한정되는, 드라이브의 2차원적 기하학 모델을 컴퓨터 디자인 소프트웨어를 사용하여 구축하기 위해 사용된다. 특히, 드라이브(1)의 요소들과 동일하거나 동등한 도 2에 도시된 모델의 요소들은 향점 "'"이 수반된 동일한 참조번호로 나타낸다.
최적화 방법은 도 2의 기하학 모델의 사용을 통해 접촉 표면(7')의 직경(D') 변화의 함수로서 권부각(α')의 변화를 나타내어 권취 속도(TU')가 일정하고 목표 권취 속도(TU)와 동등한 그래프를 추적하는 단계를 추가로 포함한다.
특히, 만일 권취속도, 축(A)의 위치, 벨트의 길이 및 슈의 기하학이 설정된 경우 드라이브에서 권부각이 단일하게(univocally) 산출될 수 있다. 예를 들면, 권부각의 값은 다음과 같이 측정될 수 있다:
(a) 중심(C')의 초기 위치를 설정하고;
(b) 벨트 드라이브 레이아웃이 톱니 벨트(4)의 길이의 목표값과 동등하도록 슈를 회전시키고;
(c) 암(arm)(A'C')을 이용하여 A'에 대하여 프로파일을 회전시켜 권취 속도(TU') 값을 산출하고;
(d) 암(A'C')의 값을 얻도록 (a), (b) 지점에 따른 중심(C') 위치를 보정하고, (c) 지점에 따른 권취 속도(TU')에 대하여 반복적으로 검사하여 권취 속도(TU')가 목표 권취 속도(TU)와 동등하도록 하고; 및 만일 TU'=TU일 경우
(e) 고정된 암(A'C')을 유지하고, 벨트 드라이브 레이아웃이 톱니 벨트(4)의 길이의 목표값과 동등한 조건에서 권부각(α)을 산출한다.
예를 들면, 권취 속도(TU')는 벨트 드라이브 레이아웃이 톱니 벨트(4')의 목표 길이인 위치로부터 시작하여, 축(A')에 대하여 각각 시계방향과 시계반대방향으로 회전하는 접촉 표면(7')의 2개의 2°회전과 관련된 벨트 드라이브 레이아웃의 차이에 기초하여 평균값으로 산출된다.
바람직하게는, 도 3의 각각의 곡선 점은 앞서 기술된 절차에 따라 수득된다.
더욱 바람직하게는, 도 3의 그래프의 첫번째 점은 풀리(2', 3')의 중심 거리(I)에서 해당 풀리(2', 3')의 피치 직경(Rp1, Rp2)의 합계를 뺀값에 해당하는 참조 직경(D'rif)에 기초하여 수득된다. 해당 각(α'rif)이 계산되어서 TU'가 앞서 기술된대로 목표 권취 속도(TU)와 같다.
이후, 10mm 직경의 진동 피치가 고정되고, D'rif에 기초하여 뺄셈 또는 추후 덧셈에 의해 수득된 새로운 직경(D')의 각각의 값에 대하여 앞서 기술된 절차를 사용하여 해당 α'이 산출된다.
결국 수득된 그래프상에서, 하기와 같이 한정된 증분 관계(incremental relationship)를 국소적으로 계산하는 것이 가능하다:
Figure 112009065706793-pct00002
상기식에서, D'i +1-D'i=10mm이다.
증분관계값(K)이 감소된 소비전력을 얻기 위하여 슈(5)의 권부각(α)의 최적값을 평가하는데 중요하다는 것이 확인되고 있다.
그러나, 도 3의 그래프는 다이아그램(diagram) 자체를 수득하는 기하학 모델에서 재생되는 특정 기하학에 특징이 있다. 범위를 드라이브 기하학에 적용시키기 위해 이 목적에 적합한 매개변수를 하기식으로 한정한다는 것이 이해되었다:
Figure 112009065706793-pct00003
상기 식에서, α'i+1-α'i는 증분 관계(K)의 분자(numerator)이어서 D'i +1-D'i=10mm이고;
α'rif는 드라이브 치수에 대하여 매개변수(G)를 인용하는 것을 가능하게 하고, 이는 매개변수(G)가 슈(shoe)와 연동하는 드라이브 브랜치(branch)를 규명하는 2개의 풀리 간의 중심 차이에 본질적으로 의존하기 때문이다.
본 발명의 중요한 관점에 따르면, 하한(α'최소)은 10mm 직경 변화(D')에 대하여 G=1%인 것에 관하여 α'n과 α'n-1 사이의 최소각이고, 상한(α'최대)은 10mm 직경 변화(D')에 대하여 G=4%인 것에 관하여 α'm+1과 α'm 사이의 최대각이다. 즉, 이는 하기식으로 입증되어야만 한다:
Figure 112009065706793-pct00004
도 3과 소비전력식(W)에 관하여, α'최소 이하의 값에 대해서 소비전력 감소(W)는 접촉 표면(7') 직경의 무시할 수 없는 감소, 즉 10mm 만큼 감소된다.
특히, 본 발명에 따른 드라이브에 의해 소비된 전력은 α'rif에 대하여 Wrif=1200W일 수 있다고 평가되었다. 매개변수(G)를 고려하고 소비전력식(W)의 선형화에 의하면, 권부각(α)은 최소값과 최대값 사이에 포함되며, 최소값 보다 낮은 경우 소비전력 감소가 10mm D' 변화에 대하여 12W이고 및 최대값 보다 높은 경우 소비전력 증가가 10mm D' 변화에 대하여 48W이다.
10mm 직경(D') 변화에 대한 48W의 증가는 무시 못할 수치로 간주되며, 결국 α'최대값 이상의 값에 대하여 작은 치수 증가가 상당히 증폭될 수 있으며, 전송 내구성을 손상시키는 것이 가능하다.
무시할 수 없는 10mm 직경(D') 변화에 대한 12W 증가는 무시할 수 있다고 간주된다. 소비전력 감소와 관련하여 얻어진 수익은 지나치게 작은 직경(D')으로 인한 바람직하지 않은 효과를 보상하려는 것은 아니다.
특히, 지나친 직경 감소는 슈(5)의 표면이 감소함에 따른 특정 소비전력의 증가 및 압력이 하기식으로 표현됨에 따른 톱니 벨트(4)의 백과 접촉 표면(7) 사이의 이론적 국소 압력의 증가와 같은 문제를 유발한다:
Figure 112009065706793-pct00005
상기식에서, T는 권부각(α)에 의존적이고, 슈(5)와 접촉하게 되는 드라이브(1)의 슬랙 브랜치의 인장 결과이고;
R은 접촉 표면(7)의 압력 산출 지점에서의 굴곡 반경이고;
s는 슈(5)와 접촉하는 톱니 벨트(4)의 접촉부분의 길이이다.
그러므로, 이론적 압력은 접촉 표면(7)의 굴곡 반경에 반비례하고, D'이 증가할때 증가한다.
드라이브(1)의 일부 구성에 있어서, α'최대 값은 원주의 단일 아크에 의해 한정되는 접촉 표면(7')을 갖는 기하학적 모델에 의해 산출될 수 없다. 이와 같은 구성에서, G=4% 한계는 일정한 권취 속도를 유지할 필요성을 확인하기 전에 풀리(2', 3')를 간섭하는 큰 직경(D')을 실제로 요구한다.
이와 같은 경우, 풀리(2, 3)를 간섭하지 않는 직경(D')에 기초하여 수득된 지점의 쌍곡선(hyperbole) 또는 지수 곡선(exponential curve)(도 3에서 실선으로 도시된)을 이용한 보간법(interpolation)에 의해 α'최대를 산출하는 것이 가능하다. 특히, 보간법 측정 계수는 0.98 내지 1인 것이 바람직하다.
후자의 경우, α'최대는 풀리(2', 3')에 대한 접촉표면(7')의 기하학적 간섭으로부터 독립적으로 산출된다.
더욱 바람직하게는, α'최대 값은 G=2.5%를 설정하여 측정될 수 있다. 이와 같은 범위에서, 소비전력이 감소된다.
또한, 원주의 아크로 구성된 접촉 표면(7)을 갖는 슈(5)를 사용하고, 풀리(2', 3') 간섭을 억제하는 것이 가능하다.
일단 α'최소(α'min) 및 α'최대(α'max) 값이 결정되면, 드라이브(1)가 정지상태에 있고 사용 준비된 경우, 접촉 표면(7)이 α'최소 및 α'최대 사이의 권부각(α)을 나타내는 슈(5)를 제조하는 것이 가능하다.
일반적으로, 원주의 단일 아크에 의해 한정되는 접촉 표면(7)을 갖는 슈(5) 를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 경우, 실제로 굴곡 반경이 일정하고, 접촉 표면(7)의 온도가 높은 국소 집중(high local concentration)을 나타내지 않는다는 것이 확인되었다. 더욱 일반적으로, 연속적인 이차 유도를 갖는 프로파일을 가져서 톱니 벨트(4)에 해로운 온도 집중이 발생되지 않는 접촉 표면(7)을 선택하는 것이 바람직하다.
그러나, 기하학적 또는 레이아웃 제약(constraint)으로 인하여 원주의 단일 아크를 갖는 프로파일로부터 물러나는(draw away) 것이 필요한 경우가 발생될 수 있다.
예를 들면, 드라이브는 많은 성분들의 치수, 예를 들면 축(A)을 한정하는 부싱(bushing)의 치수 또는 유압 액츄에이터(hydraulic actuator)의 치수 및 유압 액츄에이터의 로드(rod)가 슈(5)와 접촉하게 되는 응용 지점의 치수가 이미 결정된 체인 드라이브의 개량(upgrade) 또는 갱신(retrofit)이 가능하도록 설계된다.
이와 같은 경우, 만나는 지점(union point)에서 공통 접선(common tangent)을 갖는 복수의 원주 아크들의 순서에 따라 접촉 표면(7)을 제조하는 것이 가능하며, 합산 후 해당 원호각(subtended anlgle)(αj)은 α'최대 보다 반드시 작은 값이어야 한다, 즉 하기와 같다:
Figure 112009065706793-pct00006
실제의 많은 경우에 있어서, 원주의 복수 아크에 의해 한정된 프로파일은 슈(5)의 치수를 감소시켜서 접촉 표면(7)의 원호 코드(subtended chord)가 원주의 단일 아크에 의해 한정되는 접촉 표면에 대하여 감소되도록 한다.
다른 경우에 있어서, 축(A)과 유압 액츄에이터의 응용 지점간의 거리가 특히 길다. 이와 같은 경우, 특정 레이아웃에 의해 결정된 권부 아크(winding arc)는 만일 존재한다면 보간법에 의해 수득된 도 3의 그래프의 영역 내에 위치될 수 있다.
일반적으로, 접촉 표면(7)이 연속 제1 유도(derivative)를 갖는, 바람직하게는 적어도 하나의 연속 제2 유도를 갖는 어떠한 프로파일, 및 톱니 벨트(4)의 백(back)에 관하여 반대편을 향하고 있고 이의 권부 아크(α)가 하기와 같이 산출될 수 있는 함몰부에 의해 한정되는 것이 가능하다:
Figure 112009065706793-pct00007
여기서, S는 드라이브(1)가 권취 속도(TU)를 산출하기 위해 기술된 균형 조건(balanced condition) 내에 있는 경우, 톱니 벨트(4)의 백(back)이 이를 따라서 접촉 표면(7)과 접촉하게 되는 프로파일의 곡선화 좌표이다.
이와 같은 일반화는 소비전력으로서 가능하며, 적어도 제1 근사값에 의해서 권부각의 전체적인 값에만 오직 의존하며 접촉 표면(7)의 굴곡에는 직접적으로 의존하지 않는다.
본 발명은 일부 구현예를 참조하여 기술될 것이다.
시장에 이미 발표된 체인 드라이브는 초기에 선택되었다. 참조 드라이브는 표 1의 "휠 다이아그램"에 표시된 드라이브 풀리, 활주 슈 및 드리븐 풀리의 좌표를 나타낸다. 또한, 참조 체인 드라이브는 78.87°의 권부각(α)을 갖고 x=103.66mm 및 y=145.66mm의 좌표를 갖는 축(A)에 힌지결합된 슈를 나타낸다.
일차 구현예에 따르면, 참조 드라이브는 축(A)의 위치를 포함한 어떠한 다른 기하학적 데이터의 변형 없이 본 발명의 방법(도 1)에 따라 수득된 슈에 의해 벨트 드라이브에 적용되었다.
<표 1>
레이아웃
설명 톱니 갯수 피치 전송률 좌표(mm) 권부각 맞물림 톱니
직경(mm) X Y (도 °) (mm)
드라이브 20 60.64 1.00 0.00 0.00 199.22 105.42 11.00
활주 슈 -
-		 -1202.90
-402.90		 483.00
261.53		 -414.51
-81.47		 8.77
5.22		 -92.01
-18.35		 -
-
드리븐 40 121.28 0.50 179.28 172.01 236.15 249.93 26.00
슈 -
-		 -252.90
-202.90		 -10.17
13.84		 156.18
149.25		 10.65
50.73		 -23.50
-89.83		 -
-
도 3은 앞서 기술된 방법을 사용하고, 표 1에 특정화된 기하학을 갖는 드라이브에 적용하여 여러 지점들에서 수득된 곡선에 관한 것이다.
특히, 도 3은 809.76mm의 벨트 길이로 수득된다. 또한, 표 1에서 직경의 마이너스 표시는 원주의 대응 아크들이 톱니 벨트(4)의 백(back)과 연동하는 것을 나타내기 위한 약속사항이다.
슈(5)와 관련하여, TU=1.117 mm/°에 대하여 산출된 α'최대값 및 α'최소값 들은 56.16° 및 75.90°이다. 바람직하게는, α'최대값 및 α'최소값들은 56.16° 및 65.27°이다.
예를 들면, 표 1에서 제3 및 제4 마이너스 직경에 의해 한정된 접촉 표면(7)은 10.65°의 원주의 제1 아크에 의해 한정되고, 50.73°의 원주의 제2 아크에 의해 한정된 권부각을 나타낸다(도 7 및 표 1).
최적화된 슈 및 19mm 광폭 벨트를 갖는 벨트 드라이브는 10% 부하(load)하에서 동작하고, 체인 참조 드라이브가 작동가능한 엔진 전력을 갖는 엔진에서의 616시간의 내구성 시험을 성공적으로 통과했다. 내구성 시험 조건들은 표 2 및 3에 기재되어 있다.
78.87의 권부각(α), 즉 참조 체인 드라이브의 권부각을 갖는 슈를 보유한 동일한 벨트 드라이브는 모든 기타 조건은 동일한 상태에서 250시간 후 수리가 불가능하도록 손상되었다.
내구성 시험후, 본 발명의 벨트 드라이브는 드라이브 풀리(2)에 연결된 전기모터를 갖고, 풀리(2,3)에 연결되고, 더욱 일반적으로는 드라이브(1)의 모든 풀리에 연결된 2개의 토오크 측정장치(torque meter)를 표시하는 시험 벤치(bench) 상에서 시험되었다.
<표 2>
Figure 112009065706793-pct00008
<표 3>
Figure 112009065706793-pct00009
벨트 드라이브 시험 조건들은 아래와 같다:
- 드라이브 풀리(3)에는 부하가 적용되지 않음;
- 일정한 회전 속도;
- 300N의 슬랙 브랜치(slack branch) 상에서 유압 액츄에이터에 의해 부하가 가해짐;
- 스프레이 윤활 조건, 40℃의 오일 온도 및 30~180 L/h의 회전 속도의 함수로서의 가변 유속.
소비전력은 드라이브 풀리(2) 상의 토오크에 기초하여 산출된 전력과 드라이브 풀리(3) 상의 토오크에 기초하여 산출된 전력의 차에 기초하여 수득된다.
전기모터는 드라이브를 구동시키고, 드리븐 풀리 상에서 측정된 토오크는 예를 들면 만일 베어링(bearing) 중 하나가 손상되어 이상전력(anomalous power)을 소비시키는 경우와 같은 가능한 결점을 검사할 수 있게 한다.
동일한 시험을 78.87의 권부각(α)을 갖는 슈를 포함한 참조 체인 드라이브에 대하여 수행하였다.
체인 드라이브 상의 시험 조건은 위에서 기술한 조건과 동일하며, 이와 같은 경우 200N에 해당하는 슬랙 브랜치 상에서의 부하값만이 상이하다.
180 L/h의 오일 유속과 4500 rpm의 속도에서 드라이브 상에서 수행된 벤치 시험으로부터, 최적화된 슈를 갖는 벨트 드라이브에 의해 소비된 전력은 780W이었고, 보다 낮은 부하가 적용된 참조 체인 드라이브에 의해 소비된 전력은 1300W의 결과가 나왔다. 그러므로, 본 발명의 슈를 갖는 벨트 드라이브는 소비전력을 상당히 감소시키는 것이 가능하며, 결과적으로 체인 드라이브에 대한 엔진의 오염성 방출도 감소시킨다.
도 4에 도시된 이차 구현예에 있어서, 드라이브의 기하학은 표 4에서 "휠 다이어그램"에 의해 한정된다. 특히, 드라이브(1)의 요소들과 기능적으로 동일하거나 유사한 도 4의 요소들은 "＂" 표시가 뒤따른다. 도 4의 드라이브는 드라이브 풀리(2")를 드리븐 풀리(3") 쌍에 연결시켜 대응 밸런싱 카운터샤프트(balancing countershaft)를 조절한다. 특히, 24개 톱니를 갖는 풀리(3")에 연결된 밸런싱 카운터샤프트는 추가로 기어에 연결되어 총 전송율이 2가 된다.
<표 4>
설명 톱니 갯수 피치 전송률 좌표(mm) 권부각 맞물림 톱니
직경(mm) X Y (도 °) (mm)
드라이브 42 100.27 1.00 0.00 0.00 123.74 108.27 14.00
카운더샤프트 24 57.30 1.75 84.14 35.12 130.03 65.02 8.00
활주 - -277.44 55.07 214.46 30.09 -72.84 -
카운터샤프트 21 50.13 2.00 -81.00 118.00 184.16 80.56 10.00
텐셔너(Tensioner) - -73.04 -88.72 44.45 47.84 -30.49 -
또한, 톱니 벨트(4)의 길이는 637.3mm이고, 축(A)의 좌표는 x=-69.0mm, y=-1.5mm이다. 또한, 마이너스 값을 갖는 제1 직경은 활주슈(10)의 기하학을 한정한다.
TU=0.706mm/°에 대하여 산출된 α'최대값 및 α'최소값은 45.02° 및 55.37°(G=1%, G=4%)이다. 바람직하게는 산출된 α'최대값 및 α'최소값은 45.02° 및 53.04°(G=1%, G=2.5%)이다.
이중 풀리(103)에 의해 제1 및 제2 벨트 드라이브(101, 102)가 서로 연결된 본 발명의 추가 구현예가 도 5에 도시되어 있다.
특히, 벨트 드라이브(101)는 내연엔진 크랭크샤프트에 연결된 드라이브 풀리(104), 오일 및 전력 조종(steering) 펌프 및 진공 장치에 연결된 드리븐(driven) 풀리(100), 인젝션 펌프(injection pump) 및 드라이브(102)에 연결된 이중 풀리(103), 및 톱니 벨트(105)를 포함한다.
벨트 드라이브(102)는 이중 풀리(103), 대응 캠샤프트(camshaft)를 구동시키기 위한 제1 및 제2 풀리(106, 107), 및 톱니 벨트(108)를 포함한다.
또한, 벨트 드라이브(101)는 축(H)에 대해 힌지결합된 제1 슈(109)에 의해 당겨진다.
벨트 드라이브(102)는 축(H)에 대해 힌지결합되고 드라이브(102)의 슬랙 브랜치와 연동하는 제1 슈(110) 및 드라이브(102)의 슬랙 브랜치와 연동하는 제2 슈(111)를 포함한다.
본 명세서에 기술되고 도시된 벨트 드라이브에 하기의 청구범위에서 한정되는 것과 같은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않으면서 변형 및 변경이 이루어질 수 있다.
예를 들면, 슈(5)는 오목부 및 볼록부를 갖는 프로파일을 한정할 수 있다.
이와 같은 경우, 권부각(α)은 오직 톱니 벨트(4)의 백과 접촉하는 부위로만 한정된다.
또한, 슈(5)는 충진재(filler) 없이 예컨데 천연 폴리아미드와 같은 중합체 물질의 주조를 통해 제조될 수 있다.

Claims (10)

  1. 일차 피치(pitch) 반경(Rp1)을 갖는 드라이브 풀리(drive pulley)(2), 이차 피치 반경(Rp2)을 갖는 드리븐 풀리(driven pulley)(3), 축(A)에 힌지결합된 슈(shoe)(5), 및 오일 습윤되어 있고 상기 슈(5)의 유도 표면(7)과 접촉 연동하는 톱니 벨트(4)를 포함하고, 상기 유도 표면(7)의 권부각(α)은 최대값(α'최대)과 최소값(α'최소) 사이의 값에 포함되어 하기식으로 표현되는, 기설정된 권취(take-up) 속도(TU)를 갖는 내연엔진용 드라이브(1):
    Figure 112009065706793-pct00010
    상기식에서, α'm은 직경 D'm을 가짐으로써 D'α'최대-D'm=10mm이고, 권취속도 TU가 불변인 원주 아크(arc)로 구성된 유도 표면(7')을 갖는 슈(5')의 권부각이고;
    α'n은 직경 D'n을 가짐으로써 D'n-D'α'최소=10mm이고, 권취속도 TU가 불변인 원주 아크(arc)로 구성된 유도 표면(7')을 갖는 슈(5')의 권부각이고;
    α'rif는 상기 드라이브 풀리(2)와 상기 드리븐 풀리(3)간의 중심 거리(I)에서 상기 일차 및 이차 피치 반경(Rp1, Rp2)의 합을 뺀 값에 해당하는 직경 D'rif를 갖는 원주의 아크로 구성된 유도 표면(7')을 갖는 슈(5')의 권부각이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최대 및 최소값(α'최대, α'최소)은 하기 수학식을 만족시키는 값인 것을 특징으로 하는 드라이브:
    Figure 112009065706793-pct00011
  3. 제1항에 있어서,
    상기 드라이브가 4500rpm으로 일정한 회전속도 하에서는 부하(load)가 없고, 상기 톱니 벨트(4)에 인장을 부여하도록 상기 슈(5) 상에 가해진 200N 부하 및 40℃의 오일온도에서 구동될 경우, 상기 드라이브의 마찰에 의해 소비된 전력(W)이 1200W 이하인 것을 특징으로 하는 드라이브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 드라이브가 4500rpm으로 일정한 회전속도 하에서는 부하가 없고, 상기 슈(5) 상에 가해진 200N 부하에서 구동될 경우, 상기 전력(W)이 850W 이하인 것을 특징으로 하는 드라이브.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 표면(7)은 원주의 아크로 구성된 프로파일(profile)을 나타내는 것을 특징으로 하는 드라이브.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접촉 표면(7)은 복수의 원주 아크들로 구성된 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 드라이브.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도 표면(7)은 적어도 이차 유도가 연속적인 프로파일을 나타내는 것을 특징으로 하는 드라이브.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슈(5)는 소결에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 드라이브.
  9. 최대값(α'최대)과 최소값(α'최소) 사이의 값에 포함되어 하기식으로 표현되는 유도 표면(7)의 권부각(α)을 측정하는 단계를 포함하는,
    일차 피치 반경(Rp1)을 갖는 드라이브 풀리(2), 이차 피치 반경(Rp2)을 갖는 드리븐 풀리(3), 축(A)에 힌지결합된 슈(5), 및 오일 습윤되고 상기 슈(5)의 유도 표면(7)과 접촉 연동하는 톱니 벨트(4)를 포함하고, 기설정된 권취 속도(TU)를 갖는 내연 엔진용 동기(synchronous) 드라이브의 슈(5)에 대한 최적화 방법:
    Figure 112013072277340-pct00012
    상기식에서, α'm은 직경 D'm을 가짐으로써 D'α'최대-D'm=10mm이고, 권취속도 TU가 불변인 원주 아크(arc)로 구성된 유도 표면(7')을 갖는 슈(5')의 권부각이고;
    α'n은 직경 D'n을 가짐으로써 D'n-D'α'최소=10mm이고, 권취속도 TU가 불변인 원주 아크(arc)로 구성된 유도 표면(7')을 갖는 슈(5')의 권부각이고;
    α'rif는 상기 드라이브 풀리(2)와 상기 드리븐 풀리(3)간의 중심 거리(I)에서 상기 일차 및 이차 피치 반경(Rp1, Rp2)의 합을 뺀 값에 해당하는 직경 D'rif를 갖는 원주의 아크로 구성된 유도 표면(7')을 갖는 슈(5')의 권부각이다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 최대 및 최소값(α'최대, α'최소)이 비례적으로 계산되는 상기 드라이브(1)의 기하학 모델을 한정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적화 방법.
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