KR101870096B1 - 압축 스팬을 갖는 벨트 구동 장치 - Google Patents

Abstract

압축 스팬을 갖는 이붙이 벨트 구동 장치를 제공하며, 이 이붙이 벨트 구동 장치는, 제1 스프로킷; 제2 스프로킷; 이붙이 벨트 길이를 갖고 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이에서 견인되는 이붙이 벨트; 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 거리(B)에 배치되고 그 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제1 리니어 가이드 부재; 및 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 거리(B)에 배치되고 그 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제2 리니어 가이드 부재를 포함하며, 이붙이 벨트 길이는, 이붙이 벨트가 이붙이 벨트 압축 스팬측에서 제1 스프로킷과 상기 제2 스프로킷 사이에서 자립형 아치형 스팬을 형성하도록 구동 길이보다 크다.

Description

압축 스팬을 갖는 벨트 구동 장치{BELT DRIVE WITH COMPRESSION SPAN}

본 발명은 압축 스팬을 갖는 벨트 구동 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이붙이 벨트 길이가 이붙이 벨트 압축 스팬측에서 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이에서 자립형 아치형 스팬을 형성하도록 이붙이 벨트 길이보다 작은 구동 길이를 갖는 이붙이 벨트 구동 장치에 관한 것이다.

초기 설치 장력이 성공적 동기화 벨트 구동에 가장 중요한 요인이다. 동기화 벨트 구동 장치는 타이밍 또는 동기화 조건이 요구되는 기계를 구동하는 데에 이용된다. 동기화 벨트는 원하는 타이밍 효과를 달성하기 위해 이붙이 벨트를 이용한다.

통상의 동기화 벨트 구동 장치는 긴장측 장력과 이완측 장력 간의 비로서 정의되는 장력비가 양호한 결과를 위해 약 8일 것을 요구한다. 약 8의 장력비의 사용은 일정한 부하 구동, 예를 들면, 펜 구동, 컨베이어 벨트 구동 등을 위해 양호한 기법인 것으로 입증되었다.

고품질의 동기화 벨트 개발에 의해, 자동차 산업은 트랜스퍼 케이스(transfer case) 용례를 위한 금속 체인을 대체하기 위해 동기화 벨트를 이용하는 것의 가능성에 대해 연구하였다. 전통적인 트랜스퍼 케이스는 엔진으로부터의 동력을 전륜과 후륜을 구동하기 위해 분할하는 데에 금속 체인을 이용한다. 그 장치는, 체인 가이드, 밀봉 케이스 및 오일 윤활을 요구한다. 벨트 구동 장치의 이점은 소위 건식 트랜스퍼 케이스를 위해 오일의 완전한 제거이다.

건식 트랜스퍼 케이스의 과제는 벨트의 초기 설치 장력이다. 트랜스퍼 케이스를 통과하는 토크의 큰 변화로 인해, 8의 장력비가 이용되면, 요구되는 초기 장력은 상당히 높다. 그러한 높은 초기 장력은 나쁜 구동 효율과 벨트 소음을 야기한다. 한편, 초기 장력이 너무 낮다면, 그 벨트는 높은 토크가 걸릴 때에 벨트가 이(tooth)을 뛰어 넘을 수 있다.

제로 장력 구동 장력을 달성하기 위해 벨트 후방 버클링(belt backward buckling)을 이용하는 개념이 종래 기술에서 연구되었다. 그 개념은 구동 길이보다 긴 벨트 피치 길이를 이용하여, 벨트가 이완측 스팬에서 후방으로 버클링되게 하는 것이다. 종래 기술의 장치에서 2개의 베어링이 이완측 스팬의 출구측와 입구측에 배치되어, 벨트를 원하는 후방 버클링되게 하기 위한 가이드로서 기능한다. 전방 토크가 가해지는 경우, 여분의 벨트 길이는 아치 형상을 형성하는 후방 버클링에 의해 흡수된다. 벨트의 백 벤딩 강도(back bending stiffness)가 후방으로의 벨트 버클링을 허용하는 것에 관련이 있다.

금속 체인 구동 장치와 비교하면, 가요성 체인 링크 이음으로 인해 벤딩 강도가 없고, 후방 버클링을 달성하는 것은 불가능하다.

대표적인 선행 기술로서 미국 특허 8,308,589호에서는 입력 샤프트와 출력 샤프트가 프레임에 지지되고 입력 샤프트와 출력 샤프트가 프레임 밖으로 돌출하고 있는, 차량 또는 구동 기술에 이용하기 위한 벨트 및 체인 구동 장치를 개시하고 있으며, 이 구동 장치는, a) 벨트 및 체인 구동 장치로서 구현되는 기어 휘일을 갖는 기어 전동 장치가 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이에 위치하며; b) 모든 기어 휘일이 작동 중에 일정하게 회전하며; c) 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이에 위치하는 기어 전동 장치가 견인 기구로서 이붙이 벨트와 기어 휘일로서 풀리를 갖는 벨트 및 체인 구동 장치로서 구현되며; d) 그 견인 기구는 아라미드, 케블러, 카본 섬유 또는 기타 섬유 재료로 보강되는 구동 장치에 있어서, e) 견인 기구는 무부하 회전 중에 적어도 하나의 구성 요소에 의해 풀리 상에 콩팥 형상으로 되게 압박되며, 부하의 영향 하에선 그 구성 요소가 견인 기구와 접촉하지 않으며: f) 무부하 회전 중에 견인 기구의 콩팥 형상은 구동측의 볼록한 곡률과 이완측의 오목한 곡률에 의해 형성되며; g) 부하 하에서 견인 기구의 콩팥 형상은 구동측의 직선형 형상과 이완측의 증대된 오목한 곡률에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

필요로 하는 것은, 이붙이 벨트 길이보다 작은 구동 길이를 갖고 있어, 이붙이 벨트의 압축 스팬측에서 이붙이 벨트가 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이에서 자립형 아치형 스팬을 형성하도록 된, 이붙이 벨트 구동 장치이다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족시킨다.

본 발명의 양태는, 이붙이 벨트 길이보다 작은 구동 길이를 갖고 있어, 이붙이 벨트의 압축 스팬측에서 이붙이 벨트가 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이에서 자립형 아치형 스팬을 형성하도록 된, 이붙이 벨트 구동 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 양태는 후속한 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 언급되고 명백해질 것이다.

본 발명은, 압축 스팬을 갖는 이붙이 벨트 구동 장치를 포함하며, 이 구동 장치는, 제1 스프로킷; 제2 스프로킷; 이붙이 벨트 길이를 갖고 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이에서 견인되는 이붙이 벨트; 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 거리(B)에 배치되고 그 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제1 리니어 가이드 부재; 및 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 거리(B)에 배치되고 그 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제2 리니어 가이드 부재를 포함하며, 이붙이 벨트 길이는, 이붙이 벨트가 이붙이 벨트 압축 스팬측에서 제1 스프로킷과 상기 제2 스프로킷 사이에서 자립형 아치형 스팬을 형성하도록 구동 길이보다 크다.

본 명세서에 포함되어 그 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예들을 예시하는 것으로, 개괄적인 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1은 시스템의 개략도이다.
도 2는 유도 토크 대 밀어내는 힘의 도표이다.
도 3은 유도 토크 대 밀어내는 힘의 도표이다.

도 1은 시스템의 개략도이다. 시스템(100)은 제1 스프로킷(10) 및 제2 스프로킷(20)을 포함한다. 이붙이 벨트(30)가 그 스프로킷들 사이에서 견인된다. 제1 리니어 가이드(40)가 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이에서 이붙이 벨트에 대해 협동적인 관계에 있다. 제2 리니어 가이드(50)가 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이에서 이붙이 벨트에 대해 협동적인 관계에 있다.

그 벨트(30)의 아치형 섹션(31)이 제1 스프로킷과 제2 스프로킷 사이의 압축 스팬에 형성된다. 오목한 아치형 스팬(31)은 도면에서 리니어 가이드(50)를 기준으로 한 것이다. 오목한 스팬(31)은 스프로킷(20)이 구동 스프로킷인 경우에 도시한 위치에 형성된다. 스프로킷(10)이 구동 스프로킷인 경우에는 스팬(32)이 오목하게 될 것이다. 오목한 아치형 스팬은 자립형으로서 벨트의 이완측에만 형성된다. 벨트의 오목한 이완측은 축방향 압축 하에 놓이게 된다.

도 1에서, 스팬(32)은 긴장 상태에 있고, 스팬(31)은 압축 상태에 있다. 역방향 토크 하에서는 스팬(32)이 오목하게 되고, 그러면 스팬(31)이 긴장 상태에 있게 될 것이다.

도시한 예에서, 시스템의 변수는 다음과 같다.

전체 벨트 길이: 784㎜

벨트 피치 길이: 14㎜

스프로킷 중심간 거리(A): 219㎜

구동 길이에 대한 벨트 길이의 차이: 10㎜

초기 가이드 갭 클리어런스(B): 2㎜

각 스프로킷의 이의 개수: 24개

벨트 길이는 벨트 피치 길이와 벨트에서의 이의 개수를 곱함으로써 결정된다. 동일한 스프로킷 직경에 대해, 구동 길이는 제1 스프로킷(10)의 이의 개수의 절반과 제2 스프로킷(20)의 이의 개수의 절반의 합에 벨트 피치 길이를 곱하고, 이에 스프로킷 중심간 거리(A)의 2배를 더 한 것이다.

수식으로 표현하면 아래와 같다.

구동 길이=2×(A) + (스프로킷(10)의 이의 개수의 1/2)×벨트 피치 길이 + (스프로킷(20)의 이의 개수의 1/2)×벨트 피치 길이

나일론 또는 기타 적절한 저마찰 재료로 이루어진 2개의 정지형 리니어 가이드를 이용하고 그 리니어 가이드를 벨트 스팬에 대해 평행하게 배치함으로써 벨트 이완측에서의 전진 및 역전 부하 모두에 대해 안정적인 벨트 후방 버클링, 즉 아치형 오목부를 달성할 수 있다.

정지형 리니어 가이드(40, 50)와 벨트 사이의 갭(B)은 조절될 수 있다. 적절한 갭(B)은 1㎜ 내지 2㎜이다. 벨트 길이와 구동 길이 간의 차이가 10㎜라 하면, 219㎜의 고정된(locked) 중심간 거리(A)를 제공한다. 모든 수치 변수 값들은 단지 예시이며, 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

본 발명의 구동 장치는 일측의 긴장 스팬과 다른 측의 압축 스팬의 조합을 포함한다. 그 시스템의 압축측은 축방향 압축력을 받은 직선 비임으로서 모델링될 수 있다. 하중이 임계값, 즉 버클링 하중에 도달할 시에, 그 비임 또는 본 예의 경우에 벨트가 버클링된다. 버클링 형상은 경계 조건에, 즉 고정 지지(clamping support) 및 단순 힌지 지지(simple hinged support)에 좌우된다. 이는 비임 버클링의 불안정성으로 불린다. 비임이 일측 또는 타측으로 버클링될지는 예측할 수 없으며, 그 시스템은 2가지의 잠재 해(potential solution)를 갖기 때문에, 각각이 50/50의 기회를 갖는다. 일측에 가이드를 배치함으로써, 비임은 가이드로부터 멀어지게 버클링될 것이며, 이에 의해 단일 해 시스템이 된다. 즉, 가이드가 경계 조건을 형성한다. 오목 스팬은 일단 형성되고 나면 저절로 계속 유지되는데, 다시 말해 작동 중에 오목 스팬이 오목한 형상을 유지하도록 하기 위해 리니어 가이드 등의 임의의 기타 장치에 의한 벨트의 오목부와의 기계적 접촉은 더 이상 요구되지 않는다.

종래 기술의 구동 장치, 즉 체인 또는 벨트 구동 장치는 스팬을 오목한 아치형으로 강제하기 위해 아이들러/텐셔너를 이용한다. 이러한 종래 기술의 시스템에서, 아이들러 또는 이완측 스팬도 어느 정도 간장 상태에 놓이게 된다. 체인 구동 장치는 비강성 링크 이음으로 인해 체인이 접혀지기 때문에 압축 상태에서 작동할 수 없다.

본 발명의 시스템에서, 벨트 길이와 구동 길이 간의 적절한 차이는 안정적인 오목한 아치형 부분이 형성되는 것을 보장하도록 선택되어야 한다. 벨트 길이와 구동 길이 간의 차이가 클수록, 오목한 아치형 부분의 오목 형상은 더욱 현저해진다. 벨트가 너무 길다면, 오목한 아치형 부분은 너무 가파르게 되어, 벨트 코드가 그 오목한 아치를 지나갈 때에 예리하게 굴곡됨으로 인해 벨트 수명을 손상시킨다. 벨트 길이가 너무 짧다면, 오목한 아치형 부분은 너무 얕고 불안정하여, 전방으로 버클링되어 리니어 가이드와 접촉할 수 있다. 이는 또한, 엔진의 비틀림 진동으로 인해 벨트가 가이드에 털썩 놓여질 때(slapping) 소음을 생성할 수 있다.

구동 길이를 벨트 피치 길이로 나눔으로써 벨트에서 이의 개수를 결정한다. 수식 N_f가 이용될 수 있으며, 여기서 "N"은 정수이고 "f"는 분분 값(fractional value)이다. f=0, 즉 벨트 길이가 구동 길이에 상응하는 경우, "N+1"의 벨트 길이를 선택하는데, 즉 벨트 길이는 구동 길이보다 하나의 벨트 피치(벨트 이)만큼 더 길다. 0 < f < 1/2라면, "N+1"개의 이의 벨트 길이가 선택된다. f > 1/2라면, "N+2"개의 이의 벨트 길이를 선택하는데, 즉 벨트 길이는 구동 길이보다 1과 1/2 피치 더 크게 하여, 2개의 이, 또는 벨트 피치 길이의 2배만큼 더 길다. 상기한 바와 같은 전략을 이용하여, 벨트 길이와 구동 길이 간의 차는 벨트 피치 길이의 1/2와 벨트 피치 길이의 1과 1/2사이이다. 예를 들면, 14㎜ 피치의 벨트의 경우, 그 범위는 (0.5)×14㎜ = 7㎜와 1.5×14㎜ = 21㎜이다.

구동 길이에 비한 벨트의 전체 길이의 차이는 또한 아래와 같이 설명할 수도 있다. 인장 하중 하에서, 접점(11)과 접점(21) 사이의 벨트 스팬 길이는 중심간 거리(A)에 상응한다. 안정적인 오목부의 형성은 접점(11, 21)들 사이의 벨트 세그먼트(31)의 길이가 중심간 거리(A)보다 클 것을 요구한다. 요구되는 추가적 벨트 길이는 벨트 피치 길이의 1/2배 내지 벨트 피치 길이의 1.5배의 범위에 있다. 본 예에서, 벨트 피치 길이는 14㎜이고, 구동 길이를 초과하는 여분의 벨트 길이의 범위는 약 7㎜ 내지 21㎜이다.

본 발명의 구동 장치는 로크 센터 구동 장치(lock center drive)에 이용하기에 유리하다. 로크 센터 구동 장치에서, 각 스프로킷의 장착 위치가 고정되어 있기 때문에 스프로킷들의 중심간 거리(A)의 변경은 제공되지 않는다. 전술한 바와 같이, 벨트 길이는 스프로킷의 중심간 거리(A)보다 약간 더 길며, 그렇지 않았다면, 두 벨트 스팬(31, 32) 모두 버클링 또는 아치형으로 되는 것이 아니라 직선형으로 되게 하였을 것이다. 여분의 벨트 길이는 이완측의 오목한 아치형 부분(31, 32)이 갖는다.

본 발명의 구동 장치는 또한 시스템의 비용에 대해 상당한 영향을 끼친다. 통상 시스템에서 구동 길이를 맞추기 위해 부분 피치(fraction pitch)의 필요성은 보다 긴 벨트 길이와, 이완측 오목한 아치가 여분의 길이를 차지할 능력으로 인해 완전히 제거된다.

작동시에, 가이드(40 또는 50)는 벨트와 접촉하지 않는다. 가이드는 단지 오목한 부분을 적절한 방향으로, 즉 스프로킷들 사이에 형성하는 것을 보장하기 위한 경계 조건을 제공한다. 달리 말해, 가이드는 오목한 부분이 형성되고 나면 벨트와 계속해서 접촉하지 않는다. 게다가, 오목한 형상을 유지하기 위해 가이드가 벨트와 접촉하지도 않는다. 오목한 부분은 자립형으로서, 아치형 형상을 유지하기 위한 기계적 개입을 요구하지 않는다. 가이드(40, 50)는 구동 장치가 토크를 전환하거나 구동측이 피동측이 되고 피동측이 구동측이 되는 경우에 벨트를 일시적으로 안내한다. 오목한 스팬은 토크 역전시에 직선형 스팬으로 되지만, 그 벨트는 여전히 간극(B)으로 인해 가이드와 계속해서 접촉하진 않는다.

도 2는 유도 토크 대 밀어내는 힘의 도표이다. 이 예에서의 벨트는 폭이 50㎜이과 피치가 14㎜이다. 밀어내는 힘은 구동 스프로킷으로부터 멀어지게 오목한 부분을 밀어내는 데에 요구되는 힘이다. 그 밀어내는 힘은 벨트 길이와 구동 길이 간의 차가 증가함에 따라 증가한다.

유도 토크는 이완측 스팬을 오목한 아치형(31)으로 유도하는 데에 요구되는 토크이다. 시작 시에, 오목한 아치형 부분이 존재할 수 있지만, 벨트는 팽출 효과(bulging effect)로 인해 스프로킷 접점에서 가이드(40 또는 50)와 접촉한다. 유도 토크가 가해질 때에, 그 팽출 부분은 직선형으로 되고, 간극(B)이 가이드와 벨트 사이에 조성된다. 유도 토크가 낮을수록 벨트는 오목한 아치형 부분을 보다 용이하게 형성한다.

유도 토크는 벨트 길이와 구동 길이 간의 차는 증가함에 따라 감소한다. 벨트 길이와 구동 길이 간의 차이가 벨트의 오목한 부분, 즉 버클링된 부분의 깊이를 결정한다.

도 3은 유도 토크 대 밀어내는 힘의 도표이다. 이 예에서, 벨트는 폭이 도 2의 벨트의 절반, 즉 25㎜의 폭을 갖는다.

본 명세서에서는 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 당업자에게 있어서는 본 명세서에서 기술한 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 구성 및 부품들의 관계에서 변형이 이루어질 수 있다는 점은 자명할 것이다.

Claims (6)

1. 압축 스팬을 갖는 이붙이 벨트 구동 장치로서:
   제1 스프로킷;
   제2 스프로킷;
   이붙이 벨트 길이를 갖고 상기 제1 스프로킷과 상기 제2 스프로킷 사이에서 견인되는 이붙이 벨트;
   상기 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 거리(B)에 배치되고 상기 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제1 리니어 가이드 부재; 및
   상기 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 거리(B)에 배치되고 상기 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제2 리니어 가이드 부재
   를 포함하며, 상기 이붙이 벨트 길이는, 상기 이붙이 벨트가 이붙이 벨트 압축 스팬측에서 상기 제1 스프로킷과 상기 제2 스프로킷 사이에서 자립형 아치형 스팬을 형성하도록 구동 길이보다 큰 것인 이붙이 벨트 구동 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 구동 길이와 상기 이붙이 벨트 길이 간의 차는 이붙이 벨트 피치 길이의 적어도 1/2배인 것인 이붙이 벨트 구동 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 아치형 스팬은 상기 제1 리니어 가이드 부재에 대해 오목한 것인 이붙이 벨트 구동 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 아치형 스팬은 상기 제2 리니어 가이드 부재에 대해 오목한 것인 이붙이 벨트 구동 장치.
5. 압축 스팬을 갖는 이붙이 벨트 구동 장치로서:
   제1 스프로킷;
   제2 스프로킷;
   이붙이 벨트 길이를 갖고 상기 제1 스프로킷과 상기 제2 스프로킷 사이에서 견인되는 이붙이 벨트;
   제1 이붙이 벨트 스팬과 협동적 관계에 있는 제1 리니어 가이드 부재; 및
   제2 이붙이 벨트 스팬과 협동적 관계에 있는 제2 리니어 가이드 부재
   를 포함하며, 상기 제1 이붙이 벨트 스팬은 압축 시에 오목한 아치형 형상을 갖는 것인 이붙이 벨트 구동 장치.
6. 압축 스팬을 갖는 이붙이 벨트 구동 장치로서:
   제1 스프로킷;
   제2 스프로킷;
   이붙이 벨트 길이를 갖고 상기 제1 스프로킷과 상기 제2 스프로킷 사이에서 견인되는 이붙이 벨트;
   상기 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 클리어런스 거리(B)를 갖고 상기 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제1 리니어 가이드 부재; 및
   상기 이붙이 벨트로부터 미리 정해진 클리어런스 거리(B)를 갖고 상기 이붙이 벨트와 협동적 관계에 있는 제2 리니어 가이드 부재
   를 포함하며, 상기 이붙이 벨트 길이는, 상기 이붙이 벨트가 상기 제1 스프로킷과 상기 제2 스프로킷 사이에서 아치형 스팬을 형성하도록 구동 길이보다 적어도 하나의 벨트 피치 길이만큼 더 큰 것인 이붙이 벨트 구동 장치.

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