KR101567520B1 - 벨트 전동장치 및 이것에 이용되는 전동용 벨트 - Google Patents

Abstract

벨트 전동장치(A)에 있어서, 구동 풀리(1) 및 적어도 하나의 종동 풀리(2∼4)를 평 풀리로 하고, 그 사이의 동력 전달을 전동용 벨트(B)의 거의 평탄한 전동면(b1)에 의해 수행한다. 이로써 장치원가를 대폭으로 삭감하면서, 전동효율이나 내구성은 평 벨트 정도로 개선할 수 있다. 한편, 벨트 외면측에는 그 길이방향으로 이어지는 복수의 리브(82a)를 형성하고, 이를 규제 풀리(5, 6)의 원주 홈(5a)에 맞물리게 하여, 벨트 폭방향으로의 이동을 규제한다. 이렇게 하면 빗물 등의 부착에도 강하고, 안정되게 벨트의 주행상태를 유지할 수 있다.

Description

벨트 전동장치 및 이것에 이용되는 전동용 벨트{BELT POWER TRANSMITTING DEVICE AND POWER TRANSMITTING BELT USED FOR SAME}

본 발명은 벨트에 의한 마찰 전동 기술에 관한 것으로 특히 전동면이 평탄한 벨트의 사행(蛇行)을 방지하기 위한 대책에 관한 것이다.

종래부터 마찰 전동용 벨트로는 V벨트나 V리브드 벨트가 널리 이용되고 있고, 특히 V리브드 벨트는 V벨트와 마찬가지로 쐐기효과를 얻을 수 있으면서 비교적 유연하여 절곡으로 인한 손상이 적으므로, 예를 들어 자동차의 보기 구동장치와 같이 회전속도가 높고 회전변동이 큼에도 불구하고 전동면이 작고 전동효율이 높은 것이 요구되는 벨트 전동장치에 적합하다.

그러나, V리브드 벨트를 이용한 종래의 벨트 전동장치에서는 구동 풀리는 물론, 종동 풀리의 대부분도 리브드 풀리로 구성되며, 각각 높은 가공 정밀도가 요구될 뿐만 아니라 가공 공정수도 많아지므로 원가가 높아지는 문제가 있다.

또한, V리브드 벨트는 평 벨트에 비해 절곡에 의한 손상이 클 뿐만 아니라, 리브드 풀리와의 출입시에 리브끼리의 마찰로 인한 마찰손상이 커지며, 또한 두꺼운 리브 고무층을 개재하고 풀리에 감기므로, 이 리브 고무층의 전단변형에 의한 손상도 커져 버리고, 평 벨트에 비하면 전동효율이 낮아짐과 더불어 발열로 인한 고무의 열화도 우려된다.

게다가, 리브 고무층이 변형되어 쐐기효과를 일으킬 경우, 심선(心線)이 매설되어 있는 고무층에는 벨트 폭방향으로 주름지는 변형이 일어나 버리고, 심선의 박리 등 여러 가지 문제를 초래할 우려가 있다. 쐐기효과에 의해 충격적인 하중에 대해서도 미끄럼이 생기기 어려운 것도 오히려 파손으로 이어지는 것이 우려된다.

또한, 상기와 같이 V리브드 벨트와 리브드 풀리의 리브가 서로 맞닿을 때에 소음이 생기는 경우가 있고, 마모에 의해 벨트의 수명이 짧아지는 경향도 있다. 이는 풀리 축의 어긋남이나 휨 등, 이른바 미스얼라이먼트에 의해 조장된다.

이상과 같은 V리브드 벨트에 내재하는 문제점은 평 벨트에는 존재하지 않으나, 한편으로 평 벨트에는 상기 미스얼라이먼트 등에 기인하여 벨트가 주행 중에 사행하거나, 풀리 한쪽으로 치우치거나 하는 큰 문제가 있다.

이 사행이나 치우침 문제에 대해서는, 종래 평풀리 외주면에 크라운을 형성하는 대책이 잘 알려져 있고(예를 들어 특허문헌 1을 참조), 풀리 양측에 플랜지를 형성하는 것도 실행되고 있으나, 모두 사행이나 치우침을 충분히 방지하는 것은 아니며, 벨트 일부분에 부담이 집중되는 경향이 있어 실용성이 없다. 이 때문에 평 벨트는 실제로 전동장치에 있어서 충분히 활용되고 있지 않는 것이 실정이다.

이와 같은 평 벨트의 사행 등의 문제에 대해 본원 출원인은, 벨트의 치우침이 생겼을 때, 이 벨트의 장력에 의해 풀리의 축에 걸리는 하중의 위치가 변화하는 것에 착안하여, 이 하중을 받은 풀리가 요동하여 벨트에 대해 비스듬하게 됨으로써, 이 치우침을 되돌리도록 한 신규의 기구(사행방지 풀리)를 제안하였다(예를 들어 특허문헌 2를 참조).

일본 실용신안공개 소화 59-45351호 공보 일본 특허공개 2006-10072호 공보

전술한 바와 같이 V리브드 벨트를 이용한 벨트 전동장치에는 평 벨트를 이용한 것에 비하면 원가나 내구성에 있어서 아직도 불리한 점이 많고, 효율면에서도 개선의 여지가 남아있다. 한편으로 평 벨트 전동장치에는 사행이라는 큰 문제가 있어 실용화가 진행되지 않았다.

이 평 벨트 사행 등의 문제에 대해 상기 제안예(특허문헌 2)에 관한 사행방지 풀리에는, 이를 부가함에 따른 원가상승이라는 어려움이 있고, 또 사용환경에 따라서는 빗물이나 진흙 또는 먼지 부착으로 인한 사행방지 기능의 저하도 우려된다.

그래서, 본 발명의 목적은 전동효율이나 내구성을 평 벨트 정도로 개선하면서, 빗물 등의 부착에도 강하게 안정되어 벨트의 주행상태를 유지할 수 있는 전동장치를 비교적 낮은 원가로 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 동력 전달을 벨트의 거의 평탄한 전동면에 의해 수행하도록 하고, 풀리를 포함한 벨트 전동장치의 원가를 저하시켜 전동효율이나 내구성도 평 벨트 정도로 하면서, 벨트의 외면측에는 그 길이방향으로 이어지는 복수의 돌기를 형성하고, 이에 따라 벨트 폭방향으로의 이동을 규제할 수 있도록 한다.

즉, 본원 청구항 1에 관한 발명은, 구동 풀리와 적어도 하나의 종동 풀리에 이음매 없는 전동용 벨트를 감아 구성되는 벨트 전동장치에 있어서, 이 전동용 벨트에는, 벨트 길이방향으로 이어지는 심선이 벨트 폭방향으로 나란히 매설되고, 이 심선보다도 벨트 내면측에는 거의 평탄한 전동면을 갖는 한편, 벨트 외면측에는 벨트 길이방향으로 이어지는 돌기가 벨트 폭방향으로 나란히 복수 형성된다.

그리고, 상기 구동 풀리 및 적어도 하나의 종동 풀리에는 상기 전동용 벨트의 내면이 감기는 한편, 이 전동용 벨트의 외면측에는 외주에 복수의 원주 홈을 갖는 규제 풀리가 접촉되게 눌려지며, 이 복수의 원주 홈이 각각 돌기에 맞물림으로써 전동용 벨트의 폭방향으로의 이동을 규제한다.

상기 구성의 벨트 전동장치에서는 구동 풀리 및 적어도 하나의 종동 풀리가 평 풀리이며, 리브드 풀리와 같은 가공 정밀도나 가공 공정수는 요구되지 않으므로, 종래의 V리브드 벨트를 이용한 것에 비해 원가를 대폭으로 삭감할 수 있다. 또, 이들 평 풀리에 감겨지는 것은 벨트의 평탄한 전동면이며, 그 바로 가까이에 심선이 있으므로, 절곡이나 마찰에 의한 손상은 평 벨트 정도로 작아지며, 고무층에 과대한 전단변형이 생기는 일도 없다. 따라서, 평 벨트 정도로 전동효율이 높아짐과 더불어 발열도 억제된다.

특히 구동 풀리에 대해서는 상대적으로 큰 부하가 걸리므로, 평풀리로 구성할 경우의 이점은 크다. 즉, 부하가 큰 풀리에 감을 때일수록, 벨트 고무층의 변형이 크게 되어 손상도 증대될 뿐만 아니라, 발열량도 많아지기 쉽기 때문이다.

또, 상기 구성에서는 벨트의 전동면이 거의 평탄하며 쐐기효과는 생기지 않으므로, 이 쐐기효과에 기인하여 발열량이 많아지는 일도 없고, 큰 부하가 걸리는 경우라도 심선 주의의 고무층에 주름지는 변형이 생겨 큰 부담이 걸리는 일도 없으며, 벨트의 내구성을 향상시키는 데에 있어서 유리하게 된다. 충격적인 하중에 대해서는 전동면에 적당한 미끄러짐을 일으키는 것이 가능하며, 이것도 내구성 향상에는 유리하게 된다.

게다가 상기 구성에서는, 전동용 벨트의 외면측에 형성된 복수의 돌기에 규제 풀리의 원주 홈이 맞물림으로써, 벨트 폭방향으로의 이동을 안정되고 확실하게 규제할 수 있고, 가령 빗물이나 먼지 등이 부착해도 벨트의 사행이나 치우침을 저지할 수 있다. 복수의 리브에 의해 규제하면, 벨트 일부분에 부담이 집중되는 일도 없다. 여기서 리브의 수는 3개 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 규제 풀리는 전동용 풀리와 겸용할 필요는 없으므로, 예를 들어 아이들러 풀리(Idler Pulley)와 같이 가능한 한 부하가 작은 상태에서 이용하는 것이 바람직하나, 물론, 복수의 종동 풀리 중에서 상대적으로 부하가 작은 것과 겸용할 수도 있다(청구항 2). 또, 규제 풀리를 텐션 풀리로서 이용할 수도 있고, 요컨대 규제 풀리는, 벨트의 전체적인 배치를 고려하여 사행방지에 효과적인 부분에 필요 최소한만(즉 적어도 1개) 배치하면 된다.

또, 상기 전동용 벨트의 리브는 이 단면을 향해 양 측면이 서로 가까워지도록 경사지는 단면 사다리꼴 형상으로 하고, 이 리브가 진입하는 규제 풀리의 원주 홈은, 그 원주 홈 바닥에서 개구 둘레를 향해 양 측면이 서로 멀어지도록 경사지게 하는 것이 좋다(청구항 3). 이렇게 하면, 규제 풀리의 원주 홈에 벨트의 리브가 진입할 때 강한 마찰이 일어나기 어렵고, 원활하게 미끄러져 들어가게 되므로, 마찰에 의한 손상이 작아지고 마모도 억제할 수 있어 소음 발생을 억제하는 데에도 유리하게 된다.

단, 이렇게 규제 풀리의 원주 홈을 벨트의 리브에 대응하는 형상으로 한 경우는 쐐기효과가 생기는 것도 생각할 수 있다. 규제 풀리는 동력을 전달하지 않으므로, 쐐기효과가 생겨도 그 악영향은 비교적 적으나, 벨트 폭방향의 이동을 규제하는 데에 있어서 쐐기효과는 불필요하며, 전술과 같이 전동효율이나 내구성 저하를 초래하는 것도 생각되므로, 바람직하게는 쐐기효과가 생기지 않거나 또는 그것이 매우 작아지도록, 벨트의 리브와 풀리의 원주 홈과의 상호 형상이나 위치 관계를 설정하는 것이 좋다.

즉, 전동용 벨트의 리브 높이나 피치(pitch)와 규제 풀리의 원주 홈의 깊이나 피치와의 상호 관계, 또는 이들 측면의 경사 정도 등을 조정하고, 예를 들어, 리브의 단면이 원주 홈 바닥면에 접촉하도록 하면, 쐐기효과를 억제하기 쉽다(청구항 4). 리브의 단면은 평탄면으로 하는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 풀리의 원주 홈 바닥면에 대응하는 형상으로 하면 된다.

이 경우에 바람직한 것은, 리브의 단면의 벨트 폭방향 길이를 벨트 폭방향의 반이상으로 하는 것이며(청구항 5), 이렇게 하면 벨트의 외면측에 있어서 리브의 단면의 면적이 절반 이상을 차지하게 되므로, 상기 작용을 얻는 데 있어서 유리하게 된다. 또한, 서로 인접한 리브 사이에, 원주 홈을 제외한 규제 풀리의 외주면이 접촉하도록 해도 된다(청구항 6).

관점을 바꾸면 본 발명은, 전술과 같이 전동장치에 이용하는 전동용 벨트이며, 이음매 없는 벨트 본체의 내면측에 거의 평탄한 전동면을 가지며, 이 벨트 본체에는 벨트 길이방향으로 이어지는 심선이 벨트 폭방향으로 나란히 매설됨과 동시에, 이 심선보다 벨트 외면측에는 벨트 길이방향으로 이어지고, 벨트 폭방향으로의 이동을 규제하기 위한 규제부재와 맞물리는 리브가 벨트 폭방향으로 나란히 복수 형성되는 것이다(청구항 7).

상기의 전동용 벨트를 그 내면(거의 평탄한 전동면)에서부터 평풀리인 구동 풀리 및 적어도 하나의 종동 풀리에 감음과 더불어, 외면측에는 예를 들어 상기 규제 풀리와 같은 규제부재를 눌러 그 원주 홈에 벨트의 리브를 맞물리게 하면, 전술한 청구항 1의 발명에 관한 벨트 전동장치가 구성되고 그 작용효과를 얻을 수 있다. 여기서, 벨트 폭방향으로의 이동을 규제하는 부재는 상기한 규제 풀리 이외의 것이라도 된다.

또, 전술과 같이 전동용 벨트의 리브는, 그 단면을 향해 양 측면이 서로 가까워지도록 경사지는 단면 사다리꼴 형상으로 하는 것이 바람직하다(청구항 8).

또, 전술과 같이 리브의 단면에는 원주 홈의 바닥면에 접촉하는 접촉면을 형성해도 되며(청구항 9), 또는 서로 인접하는 리브 사이에, 상기 원주 홈을 제외한 풀리의 외주면이 접촉하는 접촉부를 형성해도 된다(청구항 10).

이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 관한 벨트 전동장치에 따르면, 구동 풀리에서 종동 풀리로의 동력 전달을 주로 벨트 내면측의 거의 평탄한 전동면에 의해 실행하도록 했기 때문에 풀리를 포함한 벨트 전동장치의 원가를 대폭으로 삭감할 수 있을 뿐만 아니라, 전동효율이나 내구성도 평 벨트 정도로 개선할 수 있다. 한편 벨트 외면측에는 그 길이방향으로 이어지는 복수의 리브를 형성하며, 이를 이용한 벨트 폭방향으로의 이동을 규제하도록 하면, 빗물 등의 부착에도 강하고 안정되게 벨트의 사행 등을 저지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 벨트 전동장치를 엔진 보기 구동에 적용한 개략 구성도이고,
도 2는 전동용 벨트의 리브와 규제 풀리의 원주 홈과의 관계를 나타내는 일부 단면도이고,
도 3은 벨트와 풀리와의 맞물림 상태를 나타내는 단면도이고,
도 4는 벨트의 전동능력을 조사하는 시험기의 배치예를 나타내는 설명도이고,
도 5는 벨트의 슬립률과 부하 토크와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은 벨트의 전동효율과 부하 토크와의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 7은 내열 내구 시험에 관한 도 4에 상당하는 도면이고,
도 8은 다축 굴곡 시험에 관한 도 4에 상당하는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 여기서, 이하의 바람직한 실시형태의 설명은 본질적으로 예시이며, 본 발명, 그 적용물 또는 그 용도제한을 의도하는 것은 아니다.

(벨트 전동장치)

도 1은 본 발명에 관한 벨트 전동장치(A)를 일 예로서 엔진의 보기 구동에 적용한 경우의 벨트 및 풀리의 배치를 모식적으로 나타낸다. 도 1에서 부호(1)는, 엔진(E)의 크랭크 샤프트(도시 생략)에 회전 일체로 장착고정된 구동 풀리로서의 크랭크 풀리이며, 부호(2∼4)는 각각 엔진(E)의 보기에 장착된 종동 풀리이다. 예를 들어 부호(2)는 엔진 보기인 파워 스티어링용 펌프(도시 생략) 회전축에 회전 일체로 장착 고정된 PS펌프 풀리, 부호(3)는 마찬가지로 알터네이터(도시 생략)의 회전축에 고정된 알터네이터 풀리이며, 부호(4)는 마찬가지로 공조기용 압축기(도시 생략)의 회전축에 고정된 압축기 풀리이다.

또, 도시한 부호(5)는 전동 벨트(B)의 장력을 조정하기 위한 자동 텐셔너(7)의 텐션 풀리를 나타내고, 부호(6)는 아이들러 풀리를 나타낸다. 여기서, 도시한 벨트 전동장치(A)의 구성은 어디까지나 일 예에 지나지 않는다. 본 발명에 관한 벨트 전동장치는, 각종 산업기계, 그 밖의 기기에 사용할 수 있으며, 이 기기 등의 요구에 따라 다양한 벨트 배치가 채용된다.

상기 크랭크 풀리(1), PS펌프 풀리(2), 알터네이터 풀리(3) 및 압축기 풀리(4)는 모두 평 풀리이며, 한편, 텐션 풀리(5)와 아이들러 풀리(6)의 외주에는 각각 복수의 원주 홈(5a, 5a, …)이 형성된다(도 2에 텐션 풀리(5)의 원주 홈(5a)만 부호를 사용하여 나타낸다). 그리고, 이들 풀리(1∼6) 사이에 이음매 없는 전동용 벨트(B)가 감겨 걸리고, 엔진(E)의 운전에 따른 크랭크축(크랭크 풀리(1))의 회전에 의해, 벨트(B)가 크랭크 풀리(1)→텐션 풀리(5)→PS펌프 풀리(2)→알터네이터 풀리(3)→아이들러 풀리(6)→압축기 풀리(4)→크랭크 풀리(1)의 차례로 도 1에서 시계방향으로 주행하고, 각 보기를 구동하도록 된다.

즉, 전동용 벨트(B)는 크랭크 풀리(1) 및 보기 풀리(2∼4)에 있어서 각각, 내면측이 거의 평탄한 전동면(b1)을 평 풀리(1∼4)의 외주면에 누른 바로 정 절곡 상태에서 감기는 한편, 텐션 풀리(5) 및 아이들러 풀리(6)에 있어서는 각각, 외면(배면)측에서부터 역 절곡 상태에서 풀리(5, 6)에 감기며, 이른바 서펜타인 배치로 걸어진다.

요컨대 본 발명에 관한 벨트 전동장치(A)는 평 풀리인 크랭크 풀리(1) 및 보기 풀리(2∼4) 사이의 동력 전달을 전동용 벨트(B)의 거의 평탄한 전동면(b1)에 의해 실행하도록 하면서, 이 벨트 외면측에 형성된 복수의 리브(82a, 82a, …(도 2를 참조))를 풀리(5, 6) 외주의 원주 홈(5a)에 결합시켜 벨트 폭방향으로의 이동을 규제하도록 한 것이다. 이에 따라, 이하에서는 텐션 풀리(5) 및 아이들러 풀리(6)를 규제 풀리라고도 부른다.

(전동용 벨트와 규제 풀리)

상세하게는 도 2에 나타내듯이, 전동용 벨트(B)의 벨트 본체(8)는, 항장체로서 예를 들어 아라미드나 폴리에스테르의 심선(9, 9, …)이 매설된 접착 고무층(80)과, 이 벨트 내면측에 형성된 상대적으로 두께가 얇은 내측 고무층(81)과, 접착 고무층(80)의 벨트 외면측에 형성된 상대적으로 두께가 두꺼운 외측 고무층(82)으로 이루어진다.

상기 접착 고무층(80)은, 도 2의 예에서는 두께가 0.8㎜∼1.2㎜ 정도로 구성되며, 그 내부에는 벨트 길이방향으로 이어지는 심선(9, 9, …)이 벨트 폭방향으로 나란히 매설된다. 심선(9)의 직경은 접착 고무층(80)의 두께보다 작고 0.7∼1.0㎜ 정도이며 그 피치는 직경보다 크면서 예를 들어 0.8㎜∼1.2㎜ 정도이다. 접착 고무층(80)은, 심선(9)과의 박리를 저지하기 위해, 예를 들어 아라미드계 단섬유를 혼입한 단단한 고무 조성물로 이루어진다.

내측 고무층(81)은, 전동면(b1)이 형성된 벨트 내면측 고무층이며, 도 2의 예에서는 두께가 0.4㎜∼0.6㎜ 정도로 구성되며, 예를 들어 EPDM 등의 에틸렌-α-올레핀 엘라스토머 고무를 주성분으로 하는 고무 조성물로 이루어진다. 내측 고무층(81)에 실리카 등의 친수성 재료를 포함하면, 물에 젖은 때의 전동능력 저하를 억제할 수 있다.

한편, 외면측의 외측 고무층(82)에는 벨트 길이방향으로 이어지는 리브(82a, 82a, …)가 벨트 폭방향으로 나란히 복수(도 2의 예에서는 3개) 형성된다. 각 리브(82a)는 단면이 사다리꼴 형상이며, 이 단면에는 후술과 같이 규제 풀리(5, 6)의 원주 홈(5a) 바닥면에 접촉하는 평탄면이 형성됨과 더불어, 양 측면은 각각 단면을 향해 폭이 좁아지도록 경사지며, 인접하는 리브(82a)끼리의 사이에는 단면 "V"자형 골부가 형성된다. 도 2의 예에서는 인접하는 리브(82a)끼리의 간격(피치)은 3.5㎜∼3.6㎜ 정도이다.

외측 고무층(82)은, 상기 내측 고무층(81)과 마찬가지로 에틸렌-α-올레핀 엘라스토머 고무를 주성분으로 하는 고무 조성물로 이루어지나, 내측 고무층(81)과는 달리 동력전달에는 기여하지 않으므로, 단섬유를 혼입하여 규제 풀리(5, 6)의 원주 홈(5a)과의 사이의 마찰계수가 낮아지도록 해도 된다. 이렇게 하면, 이하에 기재하는 규제 풀리(5, 6)와의 출입 시 소음을 억제할 수 있다. 또, 마찬가지로 마찰계수가 낮아지도록 보강포를 접착해도 되고, 이 경우에는 내마모성 향상도 도모할 수 있다.

이렇게 하여 리브(82a)가 형성된 전동용 벨트(B)의 외면측에는 그 사행을 방지하기 위해 규제 풀리(5, 6)가 눌리며, 도 2에 텐션 풀리(5)에 대해 나타내듯이, 풀리(5) 전 둘레에 걸쳐 복수의 원주 홈(5a, 5a, …)에 각각 리브(82a, 82a, …)가 결합하도록 구성된다. 이하, 텐션 풀리(5)의 원주 홈(5a)과의 결합에 대해서만 설명하나, 아이들러 풀리(6)에 대해서도 마찬가지이다.

상기 도2 이외에 도3에도 나타내듯이, 규제 풀리(5)의 원주 홈(5a)은 이에 맞물리는 벨트(B)의 리브(82a)에 대응하여, 평탄한 원주 홈 바닥과 이 원주 홈 바닥을 향해 서로 가까워지도록 경사지는 양 측면으로 이루어지는 단면 사다리꼴 형상으로 구성된다. 즉, 리브(82a)가 단면을 향해 좁아지는 한편, 원주 홈(5a)은 개구 둘레만큼 폭이 넓게 형성되어 있으므로, 양자가 출입할 때에 강한 마찰이 일어나기 어렵고 소음이 발생되기 어렵다. 가령 벨트(B)의 미스얼라이먼트가 크다 하더라도, 리브(82a)는 원주 홈(5a)으로 원활하게 미끄러져 들어가도록 된다.

또, 이 실시형태에서는 도 3에 나타내듯이 리브(82a)와 원주 홈(5a)이 맞물린 상태에서, 이 리브(82a)의 단면(도 3의 상측단)의 평탄면이 원주 홈(5a)의 홈 바닥에 접촉하도록, 리브(82a)의 높이나 피치와 원주 홈(5a)의 깊이나 피치와의 상호 관계, 또는 이들 측면의 경사정도 등을 설정한다. 이로써, 도시하는 바와 같이 원주 홈(5a)에 진입한 리브(82a)에는 일반적인 V리브드 벨트와 같은 쐐기효과가 거의 생기지 않으며, 이 쐐기효과에 기인하는 전동효율이나 내구성 저하라는 악영향이 대체로 해소된다.

특히 도3의 예에서는, 3개 리브(82a)의 단면의 벨트 폭방향 길이의 총합이 벨트 폭의 반이상으로 된다. 이는, 리브(82a)의 단면이 전동용 벨트(B) 면적의 반이상을 차지한다는 것을 의미하고, 이 단면을 개재하여 벨트(B)와 풀리(5, 6) 사이의 하중 지지가 이루어지게 되어 쐐기효과를 충분히 억제할 수 있다. 그리고, 이 예에서는 규제 풀리(5)의 원주 홈(5a) 피치를 예를 들어 3.55㎜∼3.65㎜로 하여 전동용 벨트(B) 리브(82a)의 피치보다도 약간 크게 하므로, 미스얼라이먼트에 의해 벨트(B)가 경사져도 마찰로 인한 소음이 발생하기 어렵다.

상기와 같은 규제 풀리(5, 6)는, 예를 들어 열가소성 수지를 이용하여 사출성형에 의해 저원가로 제조할 수 있다. 이 경우 그다지 높은 강도는 얻을 수 없으나, 규제 풀리(5, 6)는 모두 동력의 전달에는 이용되지 않으므로 문제는 없다. 수지로서는 저가이며 범용성 높은 폴리아미드 등이 적합하고, 강도를 높이기 위한 유리섬유를 혼입할 수도 있다.

여기서, 평 풀리인 크랭크 풀리(1)나 보기 풀리(2∼4)는 보다 강도가 높은 수지를 이용하여 제조해도 되나, 철재의 판금제로 하는 쪽이 저원가이다. 그 외주면에는 크라운을 형성해도 되고 형성하지 않아도 되나, 크라운을 형성하면 약간, 전동능력이 높아질 뿐만 아니라 크라우닝에 의한 벨트의 사행방지도 기대할 수 있으므로, 그 만큼 규제 풀리의 수를 적게 할 수 있고, 저원가화가 유리하게 된다. 이 예에서는 텐션 풀리(5) 또는 아이들러 풀리(6) 중 어느 하나를 평 풀리로 하면 된다.

(작용효과)

따라서, 이 실시형태의 벨트 전동장치(A)에서는, 전술한 바와 같이 일반적인 V리브드 벨트를 이용한 전동장치와는 반대로, 크랭크 풀리(1) 및 보기 풀리(2∼4)가 모두 평 풀리이며, 동력 전달이 전동용 벨트(B)의 거의 평탄한 전동면(b1)에 의해 수행되므로, 벨트(B)의 절곡으로 인한 손상, 풀리와의 마찰로 인한 손상 및 고무층의 전단변형으로 인한 손상이 모두 평 벨트 정도로 작아지고, 전동효율이 높아짐과 더불어 높은 내구성이 얻어진다.

즉, 종래 일반적인 V리브드 벨트의 경우는 두꺼운 리브 고무층을 가지므로 평 벨트에 비해 절곡으로 인한 손상이 크고, 게다가 그 리브 고무층이 심선과 리브드 풀리의 외주면과의 사이에서 압축되면서 크게 전단변형 됨에 의해서도 큰 손상이 생기며, 평 벨트에 비하면 전동효율이 떨어지는 것이다. 또 이렇게 리브 고무층이 크게 변형됨에 따라 발열량이 많아지고, 고무의 열화가 진행되게 된다.

또, V리브마다 쐐기효과가 생기는 결과, 벨트 전체가 풀리측에 가라앉듯이 변형되고 긴 시간 경과에 따른 장력의 저하가 커지므로, 초기장력을 크게 설정할 수밖에 없고, 이것도 기계적인 손실 증대를 초래함과 더불어 상기한 발열 문제를 조장하며, 또한, 벨트나 풀리 베어링의 마모가 커진다는 악영향도 있다.

또한 V리브마다 쐐기효과가 생기면, 심선이 매설되어 있는 접착 고무층에는 벨트 폭방향으로 주름지는 변형이 생기고, 심선과 주위의 고무 사이에 큰 전단응력이 발생되어 박리를 유발할 우려가 있다. 쐐기효과에 의해 충격적인 하중에 대해서도 미끄러짐을 일으키기 어려운 것이 오히려 파손으로 이어질 우려도 있다.

이와 같은 일반적인 V리브드 벨트와는 달리, 이 실시형태에서는 큰 부하가 걸리는 크랭크 풀리(1)나 보기 풀리(2∼4)에 있어서 벨트(B)의 거의 평탄한 전동면(b1)을 풀리 외주면에 감으며, 심선(9)에 근접한 얇은 내측 고무층(81)이 대체로 균일하게 변형하므로, 절곡이나 마찰, 또는 전단변형으로 인한 손상도 그다지 커지지는 않는다. 외측 고무층(82)에서는 쐐기효과가 생기지 않으므로, V리브드 벨트와 같이 발열량이 많아지지 않으며, 접착 고무층(80)의 심선(9) 주위에 큰 부담이 걸리는 일도 없다. 충격적인 하중에 대해서는 전동면(b1)에서 적당한 미끄럼이 생기게 된다. 이로써, 전동용 벨트(B)의 내구성을 대폭 향상시킬 수 있다.

이렇게 하여 전동효율이나 내구성이 평 벨트 정도로 개선되므로, 이 실시형태의 벨트 전동장치(A)는 비교적 고장력, 고부하의 시스템에 적용하는 데 바람직하며, 이와 같은 큰 부하가 걸리는 경우에도 V리브드 벨트에 비해 벨트 폭을 좁게 할 수 있으므로, 소형화가 가능해 짐과 더불어 풀리를 포함한 장치의 원가저감에 크게 기여한다. 이 실시형태와 같이 텐션 풀리(5)나 아이들러 풀리(6)와 벨트(B)의 사행을 규제하는 풀리를 겸용하면, 이것도 소형화에 유리하게 된다.

또한, 높은 강도가 요구되는 크랭크 풀리(1) 및 보기 풀리(2∼4), 즉 동력전달을 위한 풀리(1∼4)가 모두 평 풀리이며, 이들에 리브드 풀리와 같은 정밀도 높은 가공을 할 필요가 없으므로, 예를 들어 판금제로 함으로써 한층 더 원가 삭감을 도모할 수 있다. 텐션 풀리(5)나 아이들러 풀리(6)는 리브드 풀리이나, 동력 전달에는 기여하지 않으므로 가공 정밀도는 그다지 높지 않아도 되며, 높은 강도도 요구되지 않으므로 수지의 사출성형 등에 의해 저원가로 제조 가능하다.

그리고 또, 이 실시형태에서는 복수의 리브(82a)가 형성되는 전동용 벨트(B)의 외면측에 규제 풀리(5, 6)를 누름으로써, 전동용 벨트(B)의 벨트 폭방향으로의 이동을 규제하고, 그 사행이나 치우침을 안정되고 확실하게 방지할 수 있다. 가령 빗물이나 먼지 등이 부착하여도 그다지 문제는 없고, 복수의 리브(82a)가 각각 풀리(5, 6)의 원주 홈(5a)에 결합되므로, 벨트(B)의 일부분에만 부담이 집중되는 일은 없다.

이렇게 하여 리브(82a)가 원주 홈(5a)에 결합되므로, 규제 풀리(5, 6)에 감기는 부위에서는 전동용 벨트(B)의 외측 고무층(82)에서 쐐기효과가 생기는 것도 생각할 수 있으나, 이들 풀리(5, 6)는 회전 부하가 거의 없으므로 큰 전단변형이 생기는 일은 없고, 가령 쐐기효과가 생겨도 이에 따른 악영향은 작다. 게다가, 이 실시형태에서는 전술과 같이 리브(82a)의 단면을 원주 홈(5a)의 원주 홈 바닥에 접촉시켜 쐐기효과가 생기지 않도록 하고 있으므로, 쐐기효과에 의한 악영향은 실질적으로 없다고 할 수 있다.

(실시예)

이하에서, 본 발명에 관한 벨트 전동장치(A)의 성능을 평가하기 위한 시험에 대해 설명한다. 실시예의 전동용 벨트는 상기 도 2에 나타낸 것으로, 그 치수 형상으로는 벨트 길이가 1120㎜이고 벨트 폭이 10.7㎜, 리브를 포함한 두께가 3.2㎜이다. 리브 수는 3개로 그 높이는 0.9㎜, 피치는 3.56㎜이며, 리브의 단면의 벨트 폭에 대한 길이의 비율은 약 70％이다.

또, 심선으로서 폴리에스테르 섬유를 이용하며, 1100dtex의 실(yarn) 2줄을 하연(first twist)하여 이루어지는 3줄의 가닥이 상연(final twist)된 직경 1.0㎜의 것이, 벨트 폭방향으로 1.15㎜의 피치로 배치된다.

한편, 비교예로서 이용한 일반적인 V리브드 벨트는 벨트 길이가 1150㎜이며 벨트 폭은 10.7㎜, 리브를 포함한 두께가 4.3㎜이다. 리브 수는 3개로 그 높이는 2.0㎜, 피치는 3.56㎜이고, 리브의 단면의 벨트 폭에 대한 길이의 비율은 약 40％이다. 심선은 상기 실시예와 마찬가지로 폴리에스테르 섬유로, 각각 2줄의 실(1100dtex)을 하연하여 이루어지는 3줄의 가닥이 상연된 직경 1.0㎜의 것이며, 벨트 폭방향에서 1.15㎜의 피치로 배치된다.

상기 실시예 및 비교예의 벨트사양 일람을 이하에 기재하는 시험에 이용한 풀리의 사양과 함께 표 1에 나타낸다. 또, 벨트의 각 고무층의 배합을 표 2에 나타낸다.

[표1]

[표2]

-전동능력 등의 시험-

먼저, 상기 실시예, 비교예에 관한 벨트의 전동능력, 전동효율 및 발열상태에 대해 일반적인 시험방법에 의해 조사한다. 도 4에 벨트주행 시험기의 풀리 배치를 나타낸다. 각각 풀리 지름이 68㎜인 구동 풀리(41) 및 종동 풀리(42)와, 풀리 지름 70㎜의 고정 아이들러 풀리(43)를 이용하여, 구동 풀리(41) 및 종동 풀리(42) 사이에 벨트(B)를 걸침과 더불어, 이 양 풀리(41, 42) 사이 벨트의 느슨한 측에서 벨트 외면측에 고정 아이들러 풀리(43)를 눌러 접촉시킨다. 여기서 종동 풀리(42)는, 회전 축심이 이동 가능하고 벨트(B)에 사하중(DW)을 부하할 수 있도록 구성된다.

실시예에서는, 벨트(B)의 거의 평탄한 내면이 감기는 구동 풀리(41) 및 종동 풀리(42)는 평 풀리이며, 리브가 형성된 외면측이 감기는 아이들러 풀리(43)는, 규제 풀리(이 예에서는 일반적인 리브드 풀리로 대용)이다. 반대로 비교예의 V리브드 벨트에서는 구동 풀리(41) 및 종동 풀리(42)가 리브드 풀리이며, 아이들러 풀리(43)는 평 풀리이다. 이는 이하의 시험에서도 마찬가지이다.

그리고, 상온 분위기 하에서 종동 풀리(42)에는 벨트 장력이 증가하는 방향(도 4의 우측방향)에 2가지의 하중(DW)(588N≒60㎏f, 883N≒90㎏f)을 건 상태에서, 각각, 구동 풀리(41)를 3600rpm에서 회전시키면서 종동 풀리(42)의 회전부하를 상승시킨 때의 슬립률 변화를 측정한다. 이렇게 측정한 벨트의 슬립률에 대한 축하중과 부하 토크와의 관계에 벨트(B)의 전동능력이 나타난다.

구체적으로는 도 5의 그래프에 나타내듯이, 허용 한도의 슬립률(통상 2％)에 달했을 때의 부하 토크가 클수록, 벨트 전동능력이 높다고 평가할 수 있으며, 도 5의 예에서는 2％ 슬립발생 토크의 크기는, 실시예의 벨트에서는 19N(DW 588N:실선 ○의 그래프) 및 27Nm(DW 883N:동일 파선)이며, 한편, 비교예에서는 11N(DW 588N:실선 △의 그래프) 및 12Nm(DW 883N: 동일 파선)이다. 본 발명의 벨트 전동장치는, 쐐기효과가 없음에도 불구하고 V리브드 벨트의 2배 수준의 전동능력을 나타낸다.

이는, 벨트의 전동면과 심선이 근접하고 있으므로 탄성 슬립률이 작아지고, 결과적으로 스틱 슬립으로의 이행이 높은 토크측으로 이동한 것에 의함이라 생각할 수 있다. 종래 고무층의 전단변형이 벨트의 전동능력에 영향을 미치는 것은 알려져 있으나, 여기까지 큰 영향이 있는 것은 알려지지 않았으며, 획기적인 발견이라 생각된다.

여기서, 일반적으로 V리브드 벨트에서는 리브드 풀리와의 출입 시 소음 발생을 방지하기 위해 리브 고무층에 단섬유를 혼입하여, 표면의 마찰계수를 저하시키도록 하며, 상기 비교예의 벨트에서도 마찬가지이다. 한편, 실시예의 벨트에서는 전동면이 형성되는 내측 고무층에는 단섬유를 혼입하지 않아 마찰계수는 비교예보다 높다. 상기 시험결과에는 이 마찰계수의 차이도 영향을 미치고 있다고 생각된다.

또, 상기 시험 시에 구동 풀리(41) 및 종동 풀리(42)의 회전수와 토크를 계측해 두고, 부하 토크에 대응하는 전동효율을 산출한다. 이 결과는 도 6의 그래프에 나타내며, 상기 도 5의 그래프와 함께 비교예에서는 실용역(슬립률이 2％ 이하의 경우)에서의 최고 효율이 95％∼96％인데 반해 실시예에서는 97％∼98％인 것을 알았다. 따라서, 본 발명의 벨트 전동장치는 일반적으로 고효율이라 일컬어지는 V리브드 벨트의 것보다 실로 2％나 효율이 높은 것이 되며, 이는 V리브드 벨트에 있어서 절곡이나 풀리와의 마찰로 인한 손상, 또한 리브 고무층의 전단변형으로 인한 손상 모두가 저감됨에 의한 것이라 생각된다.

또한, 상기 주행 시험기를 이용하여 벨트의 발열을 조사한다. 즉, 초기의 벨트 온도를 30℃로 하고, 먼저 DW 588N을 가해 무부하로 30분 예비운전을 실시한 결과, 벨트 온도는 실시예에서 47℃, 비교예에서는 43℃까지 각각 상승된다. 그 후, DW 588N, 883N에 의해 각각 5％ 슬립까지 상기와 같은 전동능력 측정을 실시한 결과, 벨트 온도는 실시예에서 73℃, 비교예에서는 94℃까지 각각 상승된다.

즉, 보다 전동능력이 높은 실시예의 벨트에는, 그 만큼 큰 회전부하가 걸림에도 불구하고 벨트의 온도상승 폭은 실로 21℃나 작아지고, 전술한 절곡이나 마찰, 및 전단변형으로 인한 손상 저감에 의해 발열이 상당히 효과적으로 억제되는 것을 알았다. 이는 벨트의 내구성에 큰 영향을 미친다고 생각할 수 있다.

-내구성 시험-

그러면, 내열 내구, 굴곡내구 및 고장력 내구 시험을 실시한다. 먼저 도 7에는 내열 내구 시험의 풀리 배치를 나타낸다. 이 시험에서는, 각각 풀리 지름 120㎜의 구동 풀리(51) 및 종동 풀리(52)와, 풀리 지름 70㎜의 고정 아이들러(53)와, 풀리 지름 55㎜에서 회전 축심의 이동이 가능한 가동 아이들러 풀리(54)를 이용하며, 구동 풀리(51) 및 종동 풀리(52) 사이에 벨트를 걸침과 더불어, 이들 양 풀리(51, 52) 사이 벨트의 한쪽 스팬을 고정 아이들러 풀리(53)에, 또, 다른 쪽 스팬을 가동 아이들러 풀리(54)에 각각 감는다. 아이들러 풀리(53, 54)로의 벨트(B)의 감김 각은 90°로 한다.

그리고, 85±3℃의 분위기 하에서, 종동 풀리(52)가 11.768㎾(≒16PS)의 구동력에 의해 회전되도록, 구동 풀리(51)를 4900rpm의 회전 속도로 회전시키면서, 가동 아이들러 풀리(54)에는 벨트 장력이 증가하는 방향(도 7의 상측방향)으로 부하(DW(559N≒57㎏f))를 건 상태에서 각 벨트의 내구 시간을 측정한다. 이 결과, 비교예의 V리브드 벨트에서는 554시간에 V리브에 균열이 발생한 데에 반해, 실시예에서는 2000시간을 경과해도 균열은 발생하지 않았다.

도 8은, 벨트의 굴곡 피로성을 시험 평가하기 위해 이용되는 다축 굴곡시험의 풀리 배치를 나타낸다. 이 시험기는, 상하로 각각 배치된 각각 풀리 지름 60㎜의 구동 풀리(61) 및 종동 풀리(62)(상측이 종동 풀리, 하측이 구동 풀리)와, 이들 상하방향 중간부근에 배치된 풀리 지름 50㎜인 한 쌍의 아이들러 풀리(63, 64)와, 이 우측에 약간 떨어져 배치된 풀리 지름 60㎜의 아이들러 풀리(65)로 구성된다.

벨트(B)는 구동 풀리(61), 종동 풀리(62) 및 아이들러 풀리(65)에는 내면측이 접촉하도록 바로 걸기로 감음과 더불어, 배면 걸기의 아이들러 풀리(63, 64)에는 외면측에서 감김 각이 90°가 되도록 감는다. 그리고, 상온 분위기에서, 최상 위치의 종동 풀리(62)를 상방으로 당겨 392N(≒40㎏f)의 사하중(DW)을 부하하면서, 최하 위치의 구동 풀리(61)를 5100rpm의 회전속도로 회전시킨 결과, 비교예의 V리브드 벨트에서는 2250시간에 V리브에 균열이 발생한 데에 반해, 실시예에서는 5000시간을 경과해도 균열이 발생하지 않았다.

도시는 생략하나, 상기의 내열 내구 시험과 마찬가지 시험조건에서 가동 아이들러 풀리에 가하는 부하(DW)를 981N≒100㎏f로 하고, 고장력 하에서 각 벨트의 내구시간을 측정한 결과, 비교예의 V리브드 벨트에서는 23.5시간에 심선이 박리된 데에 반해, 실시예에서는 500시간을 경과해도 파손은 발생하지 않았다.

이상과 같이 실시예의 벨트는 비교예에 대해 내열 내구에서는 3배 이상, 굴곡내구에서는 2배 이상, 그리고 고장력 내구에서는 실로 20배 이상의 높은 내구성을 나타내며, 이로써 벨트 단위폭당의 장력, 부하가 커져도 벨트의 변형이나 발열로 인한 심선의 박리가 발생하기 어려워지므로, 전술과 같이 V리브드 벨트보다 좁은 폭에서 사용할 수 있다.

(다른 실시형태)

여기서, 본 발명에 관한 벨트 전동장치(A)나 전동용 벨트(B)의 구성은, 상기 실시형태에 한정되지 않으며, 그 이외의 여러 가지 구성을 포함한다. 즉, 예를 들어 상기 실시형태에서는 벨트(B)의 사행을 규제하는 풀리를 텐션 풀리(5)나 아이들러 풀리(6)와 같이 회전부하가 없는 것으로 하나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 워터펌프 풀리 등과 같이 부하가 비교적 작은 종동 풀리로 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 전동용 벨트(B)의 외측 고무층(82)에 형성하는 리브(82a)의 단면을, 풀리(5) 원주 홈(5a)의 원주 홈 바닥에 접촉되는 평탄면으로 하고, 이 면적은 벨트(B)의 절반 이상을 차지하도록 하나, 단면은 평탄면이 아니라도 되며, 이 면적비 설정도 바람직한 일 예에 지나지 않는다.

또한, 이렇게 하여 리브(82a)의 단면을 풀리(5) 원주 홈(5a)의 원주 홈 바닥에 접촉시킴과 더불어, 또는 그 대신에, 인접한 리브(82a) 사이의 골부 바닥에, 원주 홈(5a)을 제외한 규제 풀리(5, 6)의 외주부를 접촉시키도록 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서 전동용 벨트(B)의 재질은 모두 예시에 지나지 않으며, 이에 한정되는 것이 아니고, 이 벨트(B)에는 접착 고무층(80)을 형성하지 않고 내측 고무층(81) 내지 외측 고무층(82)에 심선(9)을 매설하는 구조로 해도 된다. 심선을 아라미드 섬유로 하면 벨트(B)의 슬립이나 발열이 억제되며, 본 발명의 효과가 더욱 높아진다.

[산업상 이용 가능성]

이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 관한 벨트 전동장치에 의하면, 전동효율이나 내구성을 평 벨트 정도로 개선할 수 있고, 저원가이며 빗물 등의 부착에도 강하고, 안정되게 벨트의 주행상태를 유지할 수 있으므로, 특히 자동차 엔진의 보기 구동 등에 적합하다.

A; 벨트 전동장치
1; 크랭크 풀리(구동 풀리)
2∼4; 보기 풀리(구동 풀리)
5; 텐션 풀리(규제 풀리)
5a; 원주 홈
6; 아이들러 풀리(규제 풀리)
B; 전동용 벨트
b1; 전동면
82a; 리브
9; 심선

Claims (10)

1. 구동 풀리와 적어도 하나의 종동 풀리에 이음매 없는 전동용 벨트를 감아 구성되는 벨트 전동장치에 있어서,
   상기 전동용 벨트는, 벨트 길이방향으로 이어지는 심선이 벨트 폭방향으로 나란히 매설되며, 이 심선보다도 벨트 내면측에 평탄한 전동면을 갖는 한편, 벨트 외면측에는, 벨트 길이방향으로 이어지는 리브가 벨트 폭방향으로 나란히 복수, 형성되며,
   상기 구동 풀리 및 적어도 하나의 종동 풀리에는 상기 전동용 벨트의 내면이 감기는 한편, 이 전동용 벨트의 외면측에는, 외주에 복수의 원주 홈을 갖는 규제 풀리가 접촉되게 눌려지며,
   상기 전동용 벨트의 리브는, 이 단면을 향해 양 측면이 서로 가까워지도록 경사지는 단면 사다리꼴 형상을 이루며,
   상기 리브가 진입하는 규제 풀리의 원주 홈은, 그 홈 바닥에서 개구 둘레를 향해 양 측면이 서로 멀어지도록 경사지며,
   전동용 벨트 리브의 단면이, 이 리브가 진입하는 규제 풀리의 원주 홈 바닥면에 접촉해서 이 원주 홈이 각각 리브에 맞물려 전동용 벨트의 폭방향으로의 이동을 규제하는 것을 특징으로 하는 벨트 전동장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   규제 풀리는, 아이들러 풀리 또는 상대적으로 부하가 작은 종동 풀리로서 이용되는 벨트 전동장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   리브의 단면의 벨트 폭방향의 길이가 벨트 폭의 절반 이상인 벨트 전동장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   전동용 벨트의 서로 인접한 리브 사이에, 원주 홈을 제외한 규제 풀리의 외주면이 접촉하는 벨트 전동장치.
   
5. 이음매 없는 벨트 본체의 내면측에 평탄한 전동면을 가지며, 구동 풀리와 적어도 하나의 종동 풀리에 감겨 동력을 전달하는 전동용 벨트에 있어서,
   상기 벨트 본체에는, 벨트 길이방향으로 이어지는 심선이 벨트 폭방향으로 나란히 매설되며, 이 심선보다도 벨트 외면측에는, 벨트 길이방향으로 이어지는 리브가, 벨트 폭방향으로 나란히 복수 형성되고,
   상기 리브가 외주에 복수의 원주 홈을 갖는 규제 풀리의 해당 원주 홈과 맞물림으로써 벨트의 폭방향으로의 이동이 규제되고,
   상기 리브는, 이 단면을 향해 양 측면이 서로 가까워지도록 경사지는 단면 사다리꼴 형상을 이루며,
   상기 리브의 단면에는, 상기 원주 홈의 바닥면에 접촉하는 접촉면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동용 벨트.
   
6. 제5항에 있어서,
   서로 인접한 리브의 사이에, 상기 원주 홈을 제외한 규제 풀리의 외주면이 접촉하는 접촉부가 형성되는 전동용 벨트.
   
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