KR101866013B1

KR101866013B1 - 장력 저감 타입 타이밍 벨트 및 이를 적용한 타이밍 시스템

Info

Publication number: KR101866013B1
Application number: KR1020160031331A
Authority: KR
Inventors: 윤기봉
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2018-06-08
Also published as: KR20170107693A

Abstract

본 발명의 장력 저감 타입 타이밍 벨트는 회전력을 전달받는 구동 반경부(20-1)와 회전력을 전달하는 종동 반경부(20-2)로 구분되어 형성된 띠모양의 벨트 바디(3), 상기 구동 반경부(20-1)의 중심과 대칭을 이루는 위치에서 각각 타원형 스팬(oval-shaped span)으로 돌출되어 상기 벨트 바디(3)의 벨트 두께를 변화시켜주는 텐션 스팬(7)을 구비하고, 상기 타이밍 벨트(1)가 크랭크 스프라켓(10-1)과 캠 스프라켓(110-2)을 함께 묶어 타이밍 시스템(100)으로 구성됨으로써 원형 스프라켓의 형상 및 구조 변경 없이도 타이밍 시스템(100)에 걸리는 최대장력(peak tension)이 저감되는 특징을 구현한다.

Description

장력 저감 타입 타이밍 벨트 및 이를 적용한 타이밍 시스템{Decreasing Tension type Timing Belt and Timing System thereof}

본 발명은 타이밍 벨트에 관한 것으로, 특히 최대장력(peak tension)이 벨트 두께 변화를 통해 저감되는 타이밍 벨트로 구성된 타이밍 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 타이밍 시스템은 타이밍 벨트로 크랭크 스프라켓과 캠 스프라켓을 연결하면서 보기류 풀리를 함께 묶어 엔진의 일부 동력을 캠 샤프트 및 보기류(오일펌프, 에어컨 압축기 및 얼티네이터 등)로 전달함으로써 흡/배기밸브의 타이밍 조절과 엔진 시동의 연속성을 유지하여준다.

특히, 타이밍 시스템은 장력조절기(통상, Auto Tensioner)를 더 구비하고, 상기 장력조절기가 벨트 이완 현상 없이 벨트 장력을 항상 일정하게 유지시켜 줌으로써 흡/배기밸브의 타이밍 조절의 정확성을 확보한다.

일본등록특허5251346(2013.4.26)

하지만, 타이밍 벨트의 과도하게 높은 최대장력(peak tension)은 스프라켓을 포함한 하드웨어 강성 약화로 타이밍 시스템의 신뢰성 저하를 가져오고, 특히 타이밍 시스템을 이용한 차량 연비 개선 효과를 얻을 수 없게 하는 한 원인으로 작용 된다.

그러므로, 타이밍 시스템도 신뢰성 향상에 더해 최근 강화되고 있는 환경 규제 및 차량 연비 향상의 요구 충족을 위한 성능 개선이 요구되고 있고, 이를 충족하기 위해 타이밍 벨트의 최대장력(peak tension)을 최대한 낮추는 기술 개발이 요구되고 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 비균일한 벨트 두께를 통한 스팬 길이(호 길이)의 변화로 토크를 저감시킴으로써 벨트에 걸리는 최대장력(peak tension)을 저감하고, 특히 비균일한 벨트 두께 변화가 벨트 배면(스프라켓과 물리지 않는 바깥면)을 이용함으로써 최대장력 저감을 위한 원형 스프라켓의 형상 및 구조 변경이 요구되지 않는 장력 저감 타입 타이밍 벨트 및 이를 적용한 타이밍 시스템의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장력 저감 타입 타이밍 벨트는 서로 이격된 2개의 회전체를 함께 묶는 반경부가 양쪽으로 각각 형성된 벨트 바디로 이루어지고, 상기 반경부의 어느 한쪽에 상기 벨트 바디의 벨트 두께를 변화시켜주는 텐션 스팬; 이 더 포함된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 벨트 바디의 상기 벨트 두께는 상기 회전체쪽을 향하는 내부면과 외부로 노출된 외부면을 형성하고, 상기 내부면에는 상기 원형 회전체와 맞물리는 벨트 기어 이가 형성되며, 상기 외부면에는 상기 텐션 스팬이 형성된다.

바람직한 실시예로서, 상기 텐션 스팬은 상기 벨트 두께보다 얇은 크기로 상기 외부면에서 돌출된 돌출 높이로 상기 벨트 바디의 두께를 증가시켜주고, 상기 벨트 기어 이의 피치보다 큰 길이의 타원형 스팬(oval-shaped span)을 돌출형상으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 반경부는 회전력을 전달받는 구동 반경부와 회전력을 전달하는 종동 반경부로 구분되고, 상기 텐션 스팬은 상기 구동 반경부에 형성된다. 상기 구동 반경부는 그 중심과 대칭을 이루는 위치에서 상기 텐션 스팬을 각각 형성한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이밍 시스템은 회전력을 전달받는 구동 반경부와 회전력을 전달하는 종동 반경부로 구분되어 형성된 띠모양의 벨트 바디, 상기 구동 반경부의 중심과 대칭을 이루는 위치에서 각각 타원형 스팬(oval-shaped span)으로 돌출되어 상기 벨트 바디의 벨트 두께를 변화시켜주는 텐션 스팬이 구비된 타이밍 벨트; 상기 타이밍 벨트로 엔진의 회전력을 전달하는 크랭크 스프라켓; 상기 타이밍 벨트로 회전되는 캠 스프라켓; 상기 타이밍 벨트의 벨트 이완을 조절하는 장력조절기; 를 포함한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 크랭크 스프라켓과 상기 캠 스프라켓의 각각은 원형으로 이루어지고, 상기 타이밍 벨트는 상기 크랭크 스프라켓쪽에서 서로 반대 방향의 장력으로 상기 타이밍 벨트의 최대장력(peak tension)을 저감시켜준다.

바람직한 실시예로서, 상기 타이밍 벨트는 상기 엔진의 보기류 풀리와 보기류 스프라켓을 함께 묶어 회전력을 전달한다.

이러한 본 발명은 벨트 배면 두께 변화로 최대장력(peak tension)을 낮춘 타이밍 벨트가 타이밍 시스템에 적용됨으로써 다음과 같은 작용 및 효과를 구현한다.

첫째, 타이밍 시스템이 타이밍 벨트만으로 성능을 개선할 수 있다. 둘째, 타이밍 시스템이 캠샤프트와 크랭크 샤프트에 적용된 원형 스프라켓을 그대로 사용함으로써 타이밍 시스템의 설계 변경이 요구되지 않는다. 셋째, 타이밍 시스템이 낮춰진 최대장력(peak tension)으로 하드웨어의 강성 약화가 방지됨으로써 타이밍 시스템 신뢰성을 향상할 수 있다. 넷째, 타이밍 시스템이 높은 신뢰성으로 동작함으로써 엔진의 연비 개선에 일조된다.

도 1은 본 발명에 따른 장력 저감 타입 타이밍 벨트의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 타이밍 벨트의 벨트 단면 레이아웃의 예이고, 도 3는 본 발명에 따른 장력 저감 타입 타이밍 벨트가 적용된 타이밍 시스템의 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 타이밍 시스템의 시계방향 회전 시 타이밍 벨트 의 작동 상태이고, 도 5는 본 발명에 따른 타이밍 시스템의 반시계방향 회전 시 타이밍 벨트 의 작동 상태이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 장력 저감 타입 타이밍 벨트(1)의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 타이밍 벨트(1)의 구성요소는 벨트 바디(3), 벨트 바디(3)의 내측면으로 형성된 벨트 기어 이(5), 벨트 바디(3)의 외측면으로 형성된 텐션 스팬(7)을 포함한다.

구체적으로, 상기 벨트 바디(3)는 소정 두께의 띠 모양으로 이루어진다. 특히, 상기 벨트 바디(3)는 고무재질이나 우레탄 재질로 이루어지나 이에 국한되지 않고 타이밍 벨트로 작용에 적합한 내구성을 갖는 재질은 모두 적용될 수 있다.

구체적으로, 상기 벨트 기어 이(5)는 일정한 간격의 피치(pitch)와 일정한 높이로 연속됨으로써 벨트 바디(3)의 전 구간에서 일정하게 형성된다. 특히, 상기 벨트 기어 이(5)는 벨트 바디(3)의 폐단면 형성에서 벨트 바디(3)의 안쪽으로 위치됨으로써 회전체인 스프라켓과 이물림된다. 그러므로, 상기 벨트 기어 이(5)는 스프라켓과 물림이 용이한 톱니이 형상으로 이루어지나 스플라인 회전체에 맞춰 스플라인 형상으로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 텐션 스팬(7)은 벨트 바디(3)의 일부 구간에 형성되고, 벨트 바디(3)의 두께에 변화를 주도록 벨트 바디(3)의 표면에서 볼록하게 돌출됨으로써 벨트 바디(3)의 전 구간 중 일부 구간에 비 균일한 두께를 형성시켜준다.

일례로, 상기 타이밍 벨트(1)의 형상은 벨트 바디(3)의 양쪽 끝단이 서로 연결된 반구형상을 이움으로써 폐단면을 갖는 세장형(細長形)으로 이루어진다. 그러므로, 상기 타이밍 벨트(1)는 벨트 바디(3)가 서로 평행하게 마주보는 이너 벨트(10-1)와 아우터 벨트(10-2)의 길이를 벨트 길이로 하고, 이너 벨트(10-1)와 아우터 벨트(10-2)의 좌우 양쪽 연결부를 반구형상의 반경부로 한다. 통상, 상기 반경부는 이너 벨트(10-1)와 아우터 벨트(10-2)의 한쪽에 형성된 반경부를 구동 반경부(20-1)로 반대쪽에 형성된 반경부를 종동 반경부(20-2)로 구분한다.

구체적으로, 상기 이너 벨트(10-1)와 상기 아우터 벨트(10-2)의 각각에는 텐션 스팬(7)이 형성된다. 그러므로, 상기 구동 반경부(20-1)의 좌우 양쪽에는 텐션 스팬(7)이 위치되고, 상기 텐션 스팬(7)은 타이밍 벨트(1)의 회전시 종동 반경부(20-2)와 구동 반경부(20-1)의 사이에서 이너 벨트(10-1)나 아우터 벨트(10-2)의 스팬 길이(호길이)를 늘려줌으로써 장력크기를 줄이고, 그 결과 타이밍 벨트(1)의 최대장력(peak tension)을 저감시켜준다.

한편 도 2의 벨트 단면 레이아웃을 참조하면, 상기 텐션 스팬(7)의 스팬 길이(L_span)와 텐션 스팬 두께(t)는 각각 하기와 같이 설계된다.

스팬 길이(L_span)의 설계범위 : 1 L_pitch < L_span < 2 L_pitch(L_pitch+ L_pitch)

텐션 스팬 두께(t)의 설계범위 : ⅓ T < t < ⅔ T

여기서, 상기 L_pitch은 벨트 기어 이(5)의 피치이며, 상기 T는 벨트 바디(3)의 두께 T이고, < 는 두 값의 크기관계를 나타내는 부등호이다. 하지만, 상기 스팬 길이(L_span)의 설계범위는 3개 이상의 벨트 기어 이(5)에 걸쳐 형성될 수 있고, 상기 텐션 스팬 두께(t)의 설계범위는 벨트 바디(3)의 두께와 같거나 초과할 수 도 있다.

일례로, 상기 스팬 길이(L_span)와 상기 텐션 스팬 두께(t)의 각각은 상기 수학식의 ΔL(α)을 적용하여 구체적인 값으로 정해져 벨트 바디(3)에 형성된다. 다만, 타이밍 벨트(1)에 걸리는 최대 장력은 토크에 따라 달라짐으로써 본 실시예에서 특정한 수치로 한정되지 않는다.

따라서, 상기 텐션 스팬(7)은 일정한 스팬 길이(L_span)와 텐션 스팬 두께(t)를 갖고, 벨트 바디(3)의 배면(벨트 기어 이(5)의 형성면의 반대쪽 면)볼록하게 돌출된 타원형 스팬(oval-shaped span)으로 형성된다.

그 결과, 타이밍 벨트(1)는 텐션 스팬(7)으로 벨트 바디(3)의 배면 두께를 변화시킴으로써 스프라켓과 같은 외부 요소에 의한 벨트 바디(3)의 스팬 길이(호의 길이) 변화를 통하지 않고서도 최대장력을 저감할 수 있다

한편, 도 3은 텐션 스팬(7)이 적용된 타이밍 벨트(1)를 이용한 타이밍 시스템(100)의 예를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 상기 타이밍 시스템(100)은 타이밍 벨트(1), 크랭크 스프라켓(10-1), 캠 스프라켓(110-2), 장력조절기(120)를 포함하고, 엔진(200)에 적용된다.

구체적으로, 상기 타이밍 벨트(1)는 벨트 바디(3)와 벨트 기어 이(5) 및 텐션 스팬(7)을 구성요소로 하고, 벨트 바디(3)의 이너 벨트(10-1)와 아우터 벨트(10-2)가 이어진 양쪽부위를 각각 구동 반경부(20-1)와 종동 반경부(20-2)로 구분한 세장형(細長形)으로 이루어진다. 그러므로, 상기 타이밍 벨트(1)는 도 1내지 도 3을 통해 기술된 타이밍 벨트와 동일하다.

구체적으로, 상기 크랭크 스프라켓(10-1)은 엔진(200)의 크랭크 샤프트에 구비되어 타이밍 벨트(1)의 구동 반경부(20-1)와 결합되고, 상기 캠 스프라켓(110-2)은 엔진(200)의 캠 샤프트에 구비되어 타이밍 벨트(1)의 종동 반경부(20-2)와 결합된다. 그 결과, 상기 크랭크 스프라켓(10-1)과 상기 캠 스프라켓(110-2)의 각각은 벨트 기어 이(5)와 맞물려 타이밍 벨트(1)로 회전된다. 그러므로, 상기 크랭크 스프라켓(10-1)에는 타이밍 벨트(1)의 텐션 스팬(7)이 위치된다. 이 경우, 상기 크랭크 스프라켓(10-1)과 상기 캠 스프라켓(110-2)은 각각 원형으로 이루어진다. 그러므로, 상기 구동 반경부(20-1)는 크랭크 스프라켓(10-1)의 직경 크기이고, 상기 종동 반경부(20-2)는 캠 스프라켓(110-2)의 직경 크기로 형성되고, 캠 스프라켓(110-2)의 직경이 크랭크 스프라켓(10-1)의 직경보다 크게 형성됨으로써 종동 반경부(20-2)의 직경이 구동 반경부(20-1)의 직경 크기보다 크게 형성된다.

구체적으로, 상기 장력조절기(120)는 흡/배기밸브의 타이밍 조절의 정확성을 위해 벨트 장력을 항상 일정하게 유지시켜 줌으로써 타이밍 벨트(1)의 벨트 이완 현상을 제거한다.

특히, 상기 타이밍 시스템(100)은 엔진(200)을 구동원으로 하는 오일펌프와 에어컨 압축기 및 얼티네이터 등과 같은 보기류와 연계됨으로써 상기 타이밍 벨트(1)는 보기류 풀리(200-1)와 보기류 스프라켓(200-2)을 함께 묶어줌으로써 회전력을 전달한다. 이 경우, 상기 보기류 풀리(200-1)와 상기 보기류 스프라켓(200-2)은 각각 원형으로 이루어진다.

한편, 도 4 및 도 5는 타이밍 벨트(1)가 크랭크 스프라켓(10-1)과 캠 스프라켓(110-2)에 걸어진 상태에서 엔진(200)의 구동으로 타이밍 시스템(100)이 작동하는 상태를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 캠 스프라켓(110-2)의 시계방향 회전은 크랭크 스프라켓(10-1)과 캠 스프라켓(110-2)을 묶은 타이밍 벨트(1)에 장력을 발생시키고 동시에 구동 반경부(20-1)의 이너 벨트(10-1)에 형성된 텐션 스팬(7)을 인장시켜준다. 이로 인해, 크랭크 스프라켓(10-1)쪽에서 이너 벨트(10-1)에는 다운 방향 장력(Ta)이 아우터 벨트(10-2)에는 업 방향 장력(Tb)이 각각 발생되고, 상기 다운 방향 장력(Ta)과 상기 업 방향 장력(Tb)은 서로 반대되는 방향성으로 인해 상쇄됨으로써 타이밍 벨트(1)에 걸리는 장력 크기를 낮춰준다. 그 결과, 타이밍 벨트(1)는 캠 스프라켓(110-2)의 시계방향 회전 시 이너 벨트(10-1)에 형성된 텐션 스팬(7)의 작용으로 최대장력이 저감된 상태로 작동된다.

도 5를 참조하면, 캠 스프라켓(110-2)의 반시계방향 회전은 크랭크 스프라켓(10-1)과 캠 스프라켓(110-2)을 묶은 타이밍 벨트(1)에 장력을 발생시키고 동시에 구동 반경부(20-1)의 아우터 벨트(10-2)에 형성된 텐션 스팬(7)을 인장시켜준다. 이로 인해, 크랭크 스프라켓(10-1)쪽에서 이너 벨트(10-1)에는 업 방향 장력(Ta-1)이 아우터 벨트(10-2)에는 다운 방향 장력(Tb-1)이 각각 발생되고, 상기 다운 방향 장력(Tb-1)과 상기 업 방향 장력(Ta-1)은 서로 반대되는 방향성으로 인해 상쇄됨으로써 타이밍 벨트(1)에 걸리는 장력 크기를 낮춰준다. 그 결과, 타이밍 벨트(1)는 캠 스프라켓(110-2)의 반시계방향 회전 시 이우터 벨트(10-2)에 형성된 텐션 스팬(7)의 작용으로 최대장력이 저감된 상태로 작동된다.

이와 같이, 타이밍 시스템(100)은 벨트 바디(3)의 두께를 비균일하게 하는 텐션 스팬(7)이 적용된 타이밍 벨트(1)를 사용함으로써 크랭크 스프라켓(10-1)과 캠 스프라켓(110-2)의 원형 형상을 변경하지 않고도 최대장력을 저감하여 시스템 전체의 장력이 크게 낮춰진다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 장력 저감 타입 타이밍 벨트는 회전력을 전달받는 구동 반경부(20-1)와 회전력을 전달하는 종동 반경부(20-2)로 구분되어 형성된 띠모양의 벨트 바디(3), 상기 구동 반경부(20-1)의 중심과 대칭을 이루는 위치에서 각각 타원형 스팬(oval-shaped span)으로 돌출되어 상기 벨트 바디(3)의 벨트 두께를 변화시켜주는 텐션 스팬(7)을 구비하고, 상기 타이밍 벨트(1)가 크랭크 스프라켓(10-1)과 캠 스프라켓(110-2)을 함께 묶어 타이밍 시스템(100)으로 구성됨으로써 원형 스프라켓의 형상 및 구조 변경 없이도 타이밍 시스템(100)에 걸리는 최대장력(peak tension)이 저감된다.

1 : 타이밍 벨트 3 : 벨트 바디
5 : 벨트 기어 이 7 : 텐션 스팬(tension span)
10-1 : 이너 벨트 10-2 : 아우터 벨트
20-1 : 구동 반경부 20-2 : 종동 반경부
100 : 타이밍 시스템
110-1 : 크랭크 스프라켓 110-2 : 캠 스프라켓
120 : 장력조절기 200 : 엔진
200-1 : 보기류 풀리 200-2 : 보기류 스프라켓

Claims

서로 이격된 2개의 회전체를 함께 묶는 반경부가 양쪽으로 각각 형성된 벨트 바디로 이루어지고, 상기 반경부의 어느 한쪽에 상기 벨트 바디의 벨트 두께를 변화시켜주는 텐션 스팬;이 더 포함되고,
상기 텐션 스팬은 스팬 길이(L_span)와 텐션 스팬 두께(t)를 가지며, 상기 스팬 길이(L_span)는 1 L_pitch보다 크고 2 L_pitch(L_pitch+L_pitch)보다 작고, 상기 텐션 스팬 두께(t)는 ⅓ T 보다 크고 ⅔ T 보다 작으며, 상기 L_pitch은 벨트 기어 이의 피치, 상기 T는 벨트 바디의 두께이고; 상기 텐션 스팬은 상기 스팬 길이(L_span)와 상기 텐션 스팬 두께(t)로 볼록하게 돌출된 타원형 스팬(oval-shaped span)으로 형성되는
것을 특징으로 하는 장력 저감 타입 타이밍 벨트.
청구항 1에 있어서, 상기 벨트 바디의 상기 벨트 두께는 상기 회전체쪽을 향하는 내부면과 외부로 노출된 외부면을 형성하고, 상기 내부면에는 상기 회전체와 맞물리는 벨트 기어 이가 형성되며, 상기 외부면에는 상기 텐션 스팬이 형성된 것을 특징으로 하는 장력 저감 타입 타이밍 벨트.
청구항 2에 있어서, 상기 텐션 스팬은 상기 외부면에서 돌출되어 상기 벨트 바디의 두께를 증가시켜주는 것을 특징으로 하는 장력 저감 타입 타이밍 벨트.
청구항 3에 있어서, 상기 텐션 스팬의 돌출 높이는 상기 벨트 두께보다 얇은 크기인 것을 특징으로 하는 장력 저감 타입 타이밍 벨트.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 타원형 스팬의 크기는 상기 벨트 기어 이의 피치보다 큰 길이인 것을 특징으로 하는 장력 저감 타입 타이밍 벨트.
청구항 1에 있어서, 상기 반경부는 회전력을 전달받는 구동 반경부와 회전력을 전달하는 종동 반경부로 구분되고, 상기 텐션 스팬은 상기 구동 반경부에 형성된 것을 특징으로 하는 장력 저감 타입 타이밍 벨트.
청구항 7에 있어서, 상기 텐션 스팬은 상기 구동 반경부의 중심과 대칭을 이루는 위치에서 각각 형성된 것을 특징으로 하는 장력 저감 타입 타이밍 벨트.
청구항 1 내지 청구항 4 및 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 의한 장력 저감 타입 타이밍 벨트;
상기 타이밍 벨트로 엔진의 회전력을 전달하는 크랭크 스프라켓;
상기 타이밍 벨트로 회전되는 캠 스프라켓;
상기 타이밍 벨트의 벨트 이완을 조절하는 장력조절기;
를 포함한 것을 특징으로 하는 타이밍 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 크랭크 스프라켓과 상기 캠 스프라켓의 각각은 원형인 것을 특징으로 하는 타이밍 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 타이밍 벨트는 상기 크랭크 스프라켓쪽에서 서로 반대 방향의 장력으로 상기 타이밍 벨트의 최대장력(peak tension)을 저감시켜주는 것을 특징으로 하는 타이밍 시스템.
청구항 9에 있어서, 상기 타이밍 벨트는 상기 엔진의 보기류 풀리와 보기류 스프라켓을 함께 묶어 회전력을 전달하는 것을 특징으로 하는 타이밍 시스템.