KR102018452B1

KR102018452B1 - Cvt 벨트

Info

Publication number: KR102018452B1
Application number: KR1020177034466A
Authority: KR
Inventors: 바비 이. 사우스; 저지 오트렘바; 존 프란시스코 데이베리
Original assignee: 게이츠 코포레이션
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2019-09-04
Also published as: CN107735596B; BR112017024172B1; CA2985190C; AU2016262523B2; RU2670505C1; JP2018523062A; MX2017014420A; CA2985190A1; WO2016183238A1; JP6532543B2; AU2016262523A1; CN107735596A; US20160333963A1; US9933041B2; EP3295053B1; BR112017024172A2; KR20170141776A; EP3295053A1

Abstract

압축부, 인장부, 접합부, 및 압축부와 인장부 사이에 매립되어 접합부와 접촉하는 인장 코드, 각진 면, 그리고 2 내지 3 정도의 폭 대 두께 비율을 갖는 메인 벨트 본체를 갖춘 CVT 벨트와 같은 무단 고무 파워 트랜스미션 벨트가 개시된다. 압축부, 인장부, 및 접합부 중 적어도 하나는, 포화 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머, 스테이플 섬유, 및 펄프 섬유를 포함하거나 또는 엘라스토머, 고탄성계수 스테이플 섬유, 및 고탄성계수 펄프 섬유를 포함하는 엘라스토머 조성물을 갖는다. 펄프 섬유는 고탄성계수 섬유의 총량의 40% 미만을 구성한다.

Description

CVT 벨트

본 발명은 대체로 연속 가변 트랜스미션(“CVT” : continuously variable transmission)을 위한 파워 트랜스미션 벨트(power transmission belt), 보다 구체적으로는 섬유 로딩식(fiber-loaded) 고무 조성물, 구체적으로 펄프 및 스테이플 고탄성계수 섬유 양자 모두를 갖는 폴리올레핀 엘라스토머에 기초한 고무 조성물을 갖춘 CVT 벨트에 관한 것이다.

CVT는, 시스템에서의 구동부 동특성에 기초하여 자동적으로 그리고 비교적 신속하게 시프트(shift)하기 위한 일부 유형의 폐회로 제어 메커니즘 또는 피드백 메커니즘을 갖는다. 흔히, CVT에 있어서, 구동 시브(driver sheave)는, 최적 파워 범위 또는 최적 속도 범위 내에서 동력원 또는 모터를 유지하기 위해 속도 측정 또는 속도 변화에 기초하여 제어되거나, 혹은 상기 속도 측정 또는 상기 속도 변화에 반응하며, 피동 시브(driven sheave)는 토크 부하(torque load)에 기초하여 제어되거나 또는 상기 토크 부하에 반응한다. 가변 피치형 시브(variable-pitch sheave)는, 기계식 메커니즘, 전자-기계식 메커니즘, 전자식 메커니즘, 유압식 메커니즘 등을 비롯한 다양한 메커니즘에 의해 조정될 수도 있다. 벨트 구동식 CVT는 스쿠터, ATV(all-terrain vehicles), 스노우모빌, 농업용 장비, 중장비 부속 구동부, 및 다른 차량에서 널리 사용된다. 일반적으로, 2개의 풀리 절반부(pulley half)가 CVT에서의 벨트 반경방향 위치에서의 변화를 강제하기 위해 따로 또는 함께 축방향으로 이동할 때, 벨트는, 시브 내에서 반경방향 위치를 변경함에 따라 극심한 마찰력을 받게 될 수도 있다. 2개의 시브 절반부가 축방향으로 함께 이동하여 벨트의 피치 라인(pitch line)을 증가시킬 때, 벨트는 극심한 마찰력을 받게 되고 축방향으로 또는 횡방향으로 큰 압축력을 받게 된다. 가변적인 큰 토크 부하는 큰 인장력 및 큰 쐐기 힘(wedging force)을 유발하며, 이러한 큰 인장력 및 큰 쐐기 힘은 또한 벨트 상에서 횡방향의 큰 압축력 및 마찰력을 유발시킨다. 일부 용례는 또한 벨트를 클러치로서 이용하며, 그 결과로서 벨트의 접촉면에 대해 추가적인 마찰력이 유발된다. 이러한 모든 힘은 용례의 동특성(예컨대, 큰 가속 부하와 함께 빈번하고 신속한 시프트) 때문에 CVT에서 매우 극심할 수도 있다. CVT 벨트가 구동 풀리 및 피동 풀리를 가로지를 때, CVT 벨트는 또한 연속적인 굽힘 또는 만곡을 겪게 된다. 고무 CVT 벨트는 일반적으로 소위 “건식 CVT” 용례에서 윤활제 없이 사용된다. 따라서, CVT 벨트는 양호한 길이방향 가요성, 큰 길이방향 탄성계수, 큰 내마모성, 및 큰 횡방향 스티프니스(stiffness)를 갖출 필요가 있다. 벨트는 장시간 동안 넓은 온도 범위에 걸쳐 작동해야만 한다.

당업계의 대표적인 기술은 미국 특허 제6,620,068호이며, 이 미국 특허는, 내부 및 외부의 곡선형 코그(cog), 폴리에스터, 아라미드, 및/또는 유리 섬유와 같은 섬유로 제조되며 나선형으로 감싸져 있는 코드(cord)의 층을 갖춘, 가변 속도 구동을 위한 로우-에지 이중 코그 V-벨트(raw edge double-cogged V-belt)를 개시하고 있다. 이 벨트는, 횡방향 보강을 위해 측방향으로 정렬되는 짧은 고무 함유 섬유의 압축 층 및 인장 층을 포함한다. 상기 벨트는, 내부 코그 표면 및/또는 외부 코그 표면 상에 보강 섬유의 층을 더 포함한다.

또한, 당업계의 대표적인 기술은 미국 특허 제4,708,703호이며, 이 미국 특허는 상위 및 하위의 정렬된 치형부 및 홈 그리고 길이방향 코드를 갖춘 CVT 벨트를 개시하고 있다. 상기 치형부는 바람직하게는 그 상부에서 횡방향 강화 요소(stiffening element)로 덮여 있어서, 버클링(buckling)의 문제에 대처하고 토크 성능(torque capability)을 향상시킨다.

미국 특허 제6,485,386호는 횡방향 스티프니스를 증가시키기 위한, 코그형 V-벨트 내의 강성 인서트(rigid insert)에 관한 것이다. 상세한 설명에서 그리고 청구범위에서, 용어 “고무 CVT 벨트”는 이러한 강성 인서트 또는 강화 요소의 사용을 배제할 뿐만 아니라 외부의 강성 부속물 또는 클립 또는 블록의 사용도 배제한다.

그러나, CVT 벨트는 종횡비 및 사용 시의 큰 축방향 힘으로 인해 큰 횡방향 스티프니스를 필요로 한다. 스티프니스를 증가시키는 다양한 접근법이 과거에 시도된 바 있다. 가장 일반적인 접근법은, 횡방향으로 배향되어 쵸핑(chopping)된 섬유를 벨트 본체에 통합시키는 것이다. 이러한 접근법은 한계가 있다.

미국 특허 제7,189,785호는 HNBR 및 EPDM의 혼합물 또는 다른 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머에 관한 것이다. 쵸핑된 섬유가 로딩된 엘라스토머에 대한 광범위한 데이터가 포함되어 있다. 상기 미국 특허는, 너무 많은 섬유[엘라스토머의 100 중량부에 대해 20 중량부 초과]는 열 축적에 관한 이익 없이 가공상 문제를 초래한다.

미국 특허 제8,672,788호는, 각진 면을 갖는 벨트 본체, 이 벨트 본체 내에 매립되는 나선식으로 와선되는 인장 코드의 인장 코드 층, 오버코드 고무 층(overcord rubber layer), 및 언더코드 고무 층(undercord rubber layer)을 갖춘 무단 V-벨트의 형태인 가황 처리된 고무 CVT 벨트에 관한 것이며, 여기서 인장 코드는, 연속 필라멘트, 즉 탄소 섬유의 연사된 단일 토우 번들(single-tow bundle)이다. 상기 미국 특허는 18k 탄소 코드를 사용함으로써 CVT 벨트의 횡방향 스티프니스가 향상되었음을 교시하고 있다.

미국 특허 제5,610,217호는, 엘라스토머 조성물을, 충전재 및 알파-베타-불포화 유기산의 금속염이 보강된 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머와 통합시킨 메인 벨트 본체 부분을 갖춘 파워 트랜스미션 벨트에 관한 것이다.

미국 특허 제6,616,558호는, 2000.0 cpm 및 섭씨 175도 그리고 적어도 15,000 kPa에서의 0.09도 수준의 변형율에서 측정된 복합 탄성계수 및 적어도 250 psi(1.724 MPa)의 10% 신장율에서 측정된 인장 탄성계수 중 적어도 하나를 나타내는 엘라스토머 벨트 본체 부분 및 접착 고무 부재 중 적어도 하나에 관한 것이다.

미국 특허 제6,511,394호는, 저분자량 에틸렌-알파-올레핀 폴리머 및 고분자량 에틸렌-알파-올레핀 폴리머의 엘라스토머 혼합물을 갖춘 엘라스토머 조성물에 관한 것이다.

국제지적재산권기구 공보 제WO2010/047029 A1호는, 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머를 포함하는 평평한 트랜스미션 벨트를 위한 고무 조성물에 관한 것이다.

WO2015/045255A1은, EPDM 엘라스토머 내의 짧은 나일론 혹은 PET 나노섬유와 쵸핑된 파라-아라미드 섬유의 혼합물을 갖춘 코그식 V-벨트 조성물에 관한 것이다.

Whitfield에게 허여된 미국 특허 제6,358,171호는 치형 벨트에서의 아라미드 펄프 또는 스테이플 섬유의 사용을 개시하고 있다.

파워 트랜스미션 벨트의 메인 벨트 본체의 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머 조성물에서 아라미드 펄프 섬유 및 아라미드 쵸핑 섬유의 혼합물 또는 조합을 사용하는 것은 알려져 있지 않거나 제안되어 있지 않다.

본 발명은 높은 횡방향 스티프니스를 갖는 CVT 벨트를 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

CVT 벨트는 종횡비 및 사용 시의 큰 축방향 힘으로 인해 큰 횡방향 스티프니스를 필요로 한다. 이에 따라, 본 발명은 CVT 벨트에서의 고무 조성물에 관한 것이다. 상기 고무 조성물은, 스테이플 섬유 및 펄프 섬유 양자 모두, 바람직하게는 아라미드 섬유로 섬유 로딩(fiber-loaded)되어 있다. 상기 엘라스토머는 바람직하게는 포화된 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머이다. 상기 조성물은 벨트 연장 방향에 대해 횡방향으로, 즉 벨트가 그 위에 연장되는 풀리 또는 시브의 축선에 대해 축방향으로 섬유를 배향시키기 위해 캘린더링된다. 결과적인 벨트의 축방향 스티프니스 또는 횡방향 스티프니스는 사전에 정해진 범위에 속하며, 이는 종래의 CVT 벨트에 대해 현저한 성능상 이익을 유발한다.

일부 실시예에 있어서, 본 발명은, 압축부, 인장부, 접착제 층, 그리고 접합부와 접촉하고 압축부와 인장부 사이에 매립되는 인장 코드, 각진 면, 및 2 내지 3 정도의 폭 대 두께 비율을 갖는 메인 벨트 본체를 갖춘 무단 고무 CVT 벨트에 관한 것으로서, 압축부, 인장부, 및 접합부 중 적어도 하나는 엘라스토머 조성물을 포함하며, 이 엘라스토머 조성물은 포화된 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머, 스테이플 섬유, 및 펄프 섬유를 포함하거나 또는 엘라스토머, 고탄성계수 스테이플 섬유, 및 고탄성계수 펄프 섬유를 포함하고, 상기 펄프 섬유는 고탄성계수 섬유 전체량의 40% 미만(또는 35% 미만)을 구성한다.

적절한 에틸렌-옥텐 엘라스토머의 에틸렌 함량은 60.0 중량% 내지 65.0 중량%의 범위에 속하거나, 또는 75% 미만, 혹은 70% 미만이거나, 에틸렌-옥텐 엘라스토머의 용융 지수(melt flow rate)는 5 g/10min 미만, 혹은 1.0 또는 0.5 g/10 min 이하이다.

스테이플 섬유 및 펄프 섬유의 총량은 조성물의 3 내지 19 체적 퍼센트일 수도 있고 1 내지 65 phr 사이일 수도 있다. 한 가지 섬유 또는 양 섬유는 아라미드 섬유일 수도 있다.

일부 실시예에 있어서, 상기 벨트는 Dynamic Axial Stiffness Test에서 5.0 kN/mm 초과, 6.0 kN/mm 초과, 7.0 kN/mm 초과의 스티프니스 또는 약 7 내지 약 8 kN/mm의 스티프니스를 나타낸다.

일부 실시예에 있어서, 상기 벨트는 GCT(Gates Compression Test)에 있어서 섭씨 90도에서 5.0 kN/mm 이상, 혹은 실온에서 6.0 kN/mm 초과, 7 kN/mm 초과, 또는 8 kN/mm 초과 또는 실온에서 약 8 내지 약 9 kN/mm의 스티프니스를 나타낸다.

이상은, 후속하는 본 발명에 대한 상세한 설명을 더욱 양호하게 이해할 수 있도록 하기 위해 본 발명의 기술적 장점 및 특징을 다소 광범위하게 개괄한 것이다. 본 발명의 청구범위의 주제대상을 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 장점이 이하에서 설명될 것이다. 당업자는, 개시된 개념 및 구체적인 실시예가 본 발명과 동일한 목적을 달성하기 위한 다른 구조를 변형 또는 구성하는 기초로서 용이하게 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 당업자는, 이러한 등가의 구성이 첨부된 청구범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것을 인식해야 한다. 추가적인 대상 및 장점과 함께, 그 구성 및 작동 방법 양자 모두와 관련하여 본 발명의 특징이라 판단되는 신규한 특징은, 첨부 도면과 함께 이하의 설명을 고려할 때 더욱 양호하게 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제시된 것이며, 본 발명의 제한사항을 한정하려는 의도가 아니라는 것을 분명하게 이해해야 한다.

본 명세서에 통합되며 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면에서 동일한 도면부호는 동일한 부분을 지시하며, 상기 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 실시예의 부분 분해 측면도이다.
도 2는 도 1의 실시예의 2-2를 통한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 부분 분해 사시도이다.
도 4는 3가지 예시적인 조성물에 대한 탄성 계수 대 온도의 그래프이다.
도 5는 부하 능력 시험(Load Capability Test)의 리그 장치(rig arrangement)의 개략도이다.
도 6은 부하 능력 시험에 있어서 4가지 벨트 구성에 대한 속도 손실, 벨트 온도, 및 벨트 슬립(belt slip)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 4가지 벨트 구성에 대한 부하 능력 시험에서의 압력 손실의 그래프이다.
도 8은 섭씨 90도에서 시험된 비교용 벨트 C의 CVT 벨트 시료에 대한 GCT(Gates Compression Test) 데이터의 그래프이다.
도 9는 섭씨 90도에서 시험된 비교용 벨트 D의 CVT 벨트 시료에 대한 GCT(Gates Compression Test) 데이터의 그래프이다.
도 10은 GCT(Gates Compression Test)에 대한 시료 준비를 예시한 것이다.

CVT 벨트 성능 개선의 문제는, 길이방향 가요성, 크랙 내성, 내열성, 마찰 특성, 히스테리시스 특성, 접합성, 인장 강도 등과 같은 다른 많은 특성을 개선시키거나 또는 적어도 유지하면서, 횡방향 스티프니스를 증가시키는 근본적인 문제와 결부될 수 있다.

벨트 본체에 대해 짧은 섬유로 고무 조성물을 로딩하는 것은 스티프니스 향상을 유발할 수 있는 것으로 알려져 있다. 횡 방향으로 섬유를 배향시킴으로써, 길이 방향으로 더 높은 수준의 가요성을 유지하면서 벨트의 횡방향 스티프니스를 향상시킬 수 있다(이방성 탄성계수). 그러나, 고탄성계수 섬유를 고무 조성물에 혼합, 분산, 및 배향하는 것의 문제로 인해, 실제적으로 추가될 수 있는 전술한 섬유의 양이 제한된다. 현재, 2가지 상이한 섬유 유형의 적절한 혼합 및 베이스 엘라스토머(base elastomer)의 신중한 선택은 고무 조성물의 탄성계수 및 최종 화합물의 스티프니스에 극적인 효과를 나타낼 수 있는 반면 여전히 개선된 처리 및 결과적인 CVT 벨트 성능의 궁극적인 개선을 제공한다는 것을 발견하였다. 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머 또는 폴리올레핀 엘라스토머의 고유한 특성을 채택하면서도 펄프 섬유 대 스테이플 섬유의 비율을 변경함으로써, 결과적인 벨트에서의 현저한 스티프니스 수준 개선을 달성할 수 있으며, 이는 결국 예외적일 정도로 우수한 내구성 및 부하 지탱 능력으로 귀결된다.

이에 따라, 본 발명은 CVT 벨트를 위한 고무 조성물에 관한 것이다. 상기 고무 조성물은, 스테이플 섬유 및 펄프 섬유 양자 모두로, 바람직하게는 아라미드 섬유로 섬유 로딩(fiber-loaded)되어 있다. 상기 엘라스토머는 바람직하게는 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머이다. 상기 조성물은, 최종 벨트에서의 벨트 연장 방향에 대해 횡방향으로, 즉 벨트가 그 위에 연장되는 풀리 또는 시브의 축선에 대해 축방향으로 배향되게 섬유를 (캘린더링된 시트 재료에서 종방향으로) 배향시키기 위해 캘린더링 또는 압출된다. 결과적인 벨트의 축방향 스티프니스 또는 횡방향 스티프니스는 사전에 정해진 범위에 속하며, 이는 종래의 CVT 벨트에 대해 현저한 성능상 이익을 유발시킨다.

도 3은 CVT 벨트의 형태인, 본 발명의 일반적인 실시예를 도시한 것이다. 벨트(100)는 일반적으로 2등변 사다리꼴 단면을 가지며, 여기서 후면, 상위면, 외측면, 또는 상부면(30)은 바닥면, 하위면, 또는 내측면(40)에 대해 평행하다. 다른 2개의 면, 즉 측방향 면(42)은 풀리 접촉면이며, 이 풀리 접촉면은 끼인각 α를 갖는 V자 형상을 형성한다. 벨트 본체는, 선택적인 접합부 또는 접합 고무질 층(adhesion gum layer)(116)에 매립된 인장 코드(16), 인장부 또는 오버코드 층(14), 및 압축부 또는 언더코드 층(12)을 포함한다. 접합 고무질 층(116), 오버코드 층(14), 및 언더코드 층(12)은 일반적으로 가황 처리된 고무 조성물이며, 이들 층 중 적어도 하나의 층은 본원에서 설명되는 본 발명의 조성물이다. 적어도 언더코드 층은, 길이방향 가요성을 유지하면서 벨트 본체의 횡방향 스티프니스를 증가시키기 위해 횡 방향으로 배향되는, 짧고 분산된 섬유를 포함할 수도 있다. 인장 코드(16)는 길이방향 부하 지탱 부재이다. 상기 인장 코드는, 폴리에스테르, 아라미드, 탄소, PBO 또는 유리 섬유 혹은 얀(yarn)과 같이 큰 탄성계수를 갖고 내피로성인 섬유의 연사된 다발 또는 케이블링(cabling)된 다발일 수 있으며, 접착제로 처리될 수도 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 인장 코드는, 인용함으로써 본 명세서에 그 내용이 포함되는 미국 특허 제8,672,788호에서의 예에 대해 설명된 바와 같이, 대략 12,000개 또는 18,000개의 탄소 섬유의 연사된 싱글 토우 탄소 섬유 얀일 수도 있다. 벨트의 아래쪽 또는 바닥은 흔히 “노치”가 형성되어 있거나, 또는 “코그”가 형성되어 있으며, 즉 벨트 본체로부터 요구되는 가요성 및 스티프니스의 균형을 개선시키기 위해 주어진 파형 프로파일로 되어 있다. 벨트의 바닥에는, 벨트 본체의 횡방향 스티프니스를 향상시키기 위해 그리고 언더코드에서의 크랙의 형성 및 전파를 감소시키기 위해, 언더코드 직물 커버(또는 노치 직물)(도시되어 있지 않음)가 제공될 수 있다. 마찬가지로, 벨트 배면에는, 유사한 이유에서 오버코드 직물 커버(도시되어 있지 않음)가 제공될 수 있다. 일 실시예에서는, 어떠한 직물도 사용되지 않는다.

도 2는, 내부에 매립되는 인장 코드(16) 및 벨트 본체를 위한 단일 고무 조성물을 갖는, 본 발명의 다른 실시예를 단면도로 도시한 것이다. 전반적인 벨트 폭은 전체 폭이라 불리며, 도 2에는 “TW”로 식별된다. 벨트의 전반적인 두께는 “T₀”로 식별된다. 앞서 언급된 CVT 용례에서와 같이, 광범위한 가변 속도 구동에 있어서는, 단일 속도 V-벨트에 비해, 상대적으로 넓고 얇은 특수한 벨트 단면이 요구된다. 보통의 통상적인 V 벨트는 일반적으로 약 1 내지 약 1.7의 TW/T₀의 비율 또는 두께와 대략 동일한 치수의 상부 폭을 갖는 반면, 본 발명에 따른 CVT 벨트는 보통 폭이 두께의 적어도 대략 2배이거나, 혹은 약 2 내지 약 2.5, 심지어는 약 3.0인 TW/T₀의 비율을 나타낸다. 폭, 두께, 및 V 각도는, 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 가능한 속도 변동의 범위를 결정한다. 예를 들어, 뉴욕에 소재하는 Marcel Dekker, Inc.가 1987년에 펴낸 Wallace D. Erickson 편저의 “Belt Selection and Application for Engineers”를 참고하라[위 저작의 내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함되며, 특히 David E. Roos에 의한 제6장 “ Variable-Speed Drive Design Using V-Belts”를 참고하라].

CVT 벨트는, 도 1에 예시된 바와 같이, 내측, 배면측 또는 양자 모두에 코그를 구비할 수 있다. 도 1을 참고하면, 이중 코그식 CVT 벨트(10)는, 벨트의 메인 본체를 구성하는 언더코드 층(12)과 오버코드 층(14) 사이에 끼워져 있는 인장 코드 층(16)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 이중 코그식 V-벨트는 또한 메인 벨트 본체로부터 돌출되는 상위 코그(20) 및 하위 코그(18)를 갖는다. 상위 코그(20)는, 선단부(17), 플랭크(26; flank), 및 밸리(valley) 또는 루트(22; root)를 포함한다. 마찬가지로 하위 코그(18)는, 선단부(19), 플랭크(36; flank), 및 루트(32; root)를 포함한다. 도 1의 이중 코그식 V 벨트는 랙(rack) 형태로 도시되어 있으며, 즉 평평하고, 인장 층이 만곡되지 않은 형태로 도시되어 있다. 사용될 수 있는 대표적인 코그 프로파일은, 예컨대 미국 특허 제8,206,251호, 제8,333,674호, 및 제8,425,357호에 개시된 프로파일을 포함하며, 이들 미국 특허의 내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.

도 2는 도 1의 평면 2-2에서 취한 본 발명의 실시예의 단면을 도시한 것이며, 본 발명에 따른 벨트의 선택적인 릴리프 각도 특징(relief angle feature)을 예시하고 있다. V 벨트의 풀리 접촉면 또는 측면(42)은 벨트의 수직 축선에 대해 α/2의 각도로 절단되어 있는데, 상기 수직 축선은 일반적으로 풀리 또는 구동 시스템의 수직 축선과 일치한다. 따라서, 대향하는 벨트 측면(42)의 쌍은 끼인각 α를 형성한다. 각각의 측면(42)은 작동 중에 시브와 맞물리며, 여기서 시브각(sheave angle)도 또한 실질적으로 α/2와 동일하다. 벨트는, 선택적으로, 하위 코그 선단부(19) 또는 벨트의 내측면을 향해 배치되거나 또는 하위 선단부(19)로부터 측정되는 높이 h_t에서 교차함으로써 제1 측면(42)과 협동하는 제2 측면(44)의 대향하는 쌍을 포함할 수 있다. 제2 측면(44)의 각각의 쌍은 끼인각 γ를 형성한다. 각도 α는 대략 15도 내지 50도의 범위에 속할 수 있다(이에 따라 풀리 시브 각에 대해 약 7도 내지 약 25도임). 각도 γ는 대략 25도 내지 65도의 범위에 속할 수 있다. 즉, γ = α + [2 x 릴리프 각도]이다. “릴리프 각도”는 대략 5도 이상일 수 있으며, (γ/2 - α/2)로서 정의될 수 있다. 도 2의 도면을 취하는 도 1은 이중 코그식 CVT 벨트이지만, 도 2의 단면은 단일 코그식 CVT 벨트 또는 코그를 갖추지 않은 CVT 벨트를 등가로 나타낼 수 있다는 것을 이해해야 한다.

CVT 벨트에서의 고무 조성물에 대한 더욱 상세한 설명으로 돌아가면, 본원에서는 “고무” 또는 “엘라스토머”의 일반적인 정의가 사용되며, 즉 고무 또는 엘라스토머는, 그 원래 길이의 적어도 약 2배로 반복적으로 신장될 수 있으며 응력의 해제 시 즉시 그 원래 길이로 복귀하게 되는 재료이다. 본원에 있어서, 용어 “엘라스토머” 또는 “베이스 엘라스토머”는 조성물을 형성하는 데 사용되는 엘라스토머 폴리머로 한정되는 반면, “고무” 또는 “고무 조성물”은, 문맥상 명확하게 달리 언급되지 있지 않는 한, 베이스 엘라스토머 및 다른 화합물 성분을 포함하는 조성물을 나타내기 위해 사용될 것이다. 대부분의 고무는, 충전재, 프로세스 보조물, 열화 방지제, 경화제 등과 베이스 엘라스토머를 합성하고, 후속하여 가열에 의한 가황 처리 또는 가교결합을 행함으로써 그 최종 물성이 주어진다. 본 발명의 섬유 로딩된 고무 조성물의 최종 물성은, 특히 섬유 배향 방향으로 파손 없이 그 원래 길이의 2배를 초과하여 달성될 필요는 없으며, 이에 따라 표준적인 정의 중 이러한 부분은 본원에서는 완화될 수 있다.

본원에서 설명되는 합성 원리는, 벨트에 유용한 광범위하고 다양한 엘라스토머, 예컨대 폴리클로로프렌(CR), 니트릴-부타디엔(NBR, HNBR), 불포화 상태 또는 완전한 포화 상태인 공중합체 및 3중합체를 포함하는 폴리올레핀 엘라스토머, 천연 고무(R) 등에 적용 가능한 것으로 판단된다. 그러나, 바람직한 재료는 포화된 폴리올레핀 엘라스토머(POE), 예컨대 에틸렌-프로필렌, 에틸렌-부텐, 에틸렌-펜텐, 에틸렌-옥텐 등을 비롯한, 에틸렌-알파-올레핀 공중합체 엘라스토머이다. 포화된다는 것은, 일 단부 군 또는 양 단부 군에서 가능한 것을 제외하고는, 메인 체인 또는 메인 체인에 대한 부속물에 이중 결합이 존재하지 않는 것을 의미한다. 가장 바람직한 엘라스토머는 에틸렌-옥텐 엘라스토머(EOM), 에틸렌-부텐(EBM) 엘라스토머, 및 에틸렌-프로필렌 엘라스토머(EPM)이다. 다양한 실시예에 있어서, 설명할 고무 조성물은 앞서 언급한 벨트 층, 즉 접합 고무질 층, 오버코드 층, 및 언더코드 층 중 적어도 하나의 층에서, 또는 2개의 층에서, 또는 모든 층에서 사용될 수 있다. 상기 조성물은 단지 단독 엘라스토머로서 존재하는 베이스 엘라스토머만을 포함할 수도 있고, 베이스 엘라스토머와 하나 이상의 다른 엘라스토머의 혼합물이 존재할 수도 있다. 상기 베이스 엘라스토머는, 중량%로 또는 체적%로, 항상 존재하는 모든 엘라스토머의 총량의 50%를 초과할 수 있고, 바람직하게는 70% 또는 80%를 초과할 수 있으며, 또는 약 90%를 초과할 수도 있다.

유용한 에틸렌-옥텐 엘라스토머는, The Dow Chemical Company에 의해 소정 상표로 시판되는 ENGAGE 폴리올레핀 엘라스토머를 예로 들 수 있다. EOM은 (섭씨 190도 및 2.16kg에서) ASTM D1238-13에 따라 5 g/10min 이하, 바람직하게는 1 g/10min 미만, 또는 가장 바람직하게는 0.5 g/10min 이하의 용융 지수를 나타낼 수 있다. EOM은 0.850 내지 0.875, 바람직하게는 0.855 내지 0.870, 가장 바람직하게는 0.860 내지 0.870의 밀도(g/cc)를 나타낼 수 있다. 에틸렌 함량은 EOM에 대해 60 내지 65 중량%일 수 있다.

유용한 에틸렌-부텐 엘라스토머는 The Dow Chemical Company에 의해 소정 상표로 시판되는 ENGAGE 폴리올레핀 엘라스토머, ExxonMobil Chemical에 의해 소정 상표로 시판되는 EXACT 공중합체, 그리고 Mitsui Chemicals Group에 의해 소정 상표로 시판되는 TAFMER 공중합체를 예로 들 수 있다. EBM은 (섭씨 190도 및 2.16kg에서) ASTM D1238-13에 따라 5 g/10min 이하, 바람직하게는 1 g/10min 미만, 또는 가장 바람직하게는 0.5 g/10min 이하의 용융 지수를 나타낼 수 있다. EBM은 0.850 내지 0.890, 또는 0.850 내지 0.880, 또는 0.850 내지 0.870의 밀도를 나타낼 수 있다. 에틸렌 함량은 EBM에 대해 40 내지 60 중량%일 수 있다.

다양한 실시예의 벨트 조성물은 스테이플 섬유 또는 쵸핑된(chopped) 고탄성계수 섬유 및 펄프 또는 소섬유 형성된(fibrillated) 고탄성계수 섬유 양자 모두를 포함하며, 바람직하게는 아라미드 재료 또는 방향족 폴리아미드 재료 양자 모두를 포함한다.

벨트 엘라스토머의 보강재로서 유익하게 사용될 수 있는 바람직한 아라미드 섬유는 메타-아라미드, 파라-아라미드, 및 파라-아라미드 공중합체, 예컨대 DuPont사에 의해 상표 KEVLAR 및 NOMEX로 시판되는 것, 그리고 Teijin에 의해 상표 TECHNORA, CONEX 및 TWARON으로 시판되는 것을 포함한다. 이러한 섬유는, 소섬유 형성된 또는 펄프화된 섬유 및 쵸핑된 섬유 또는 스테이플 섬유 양자 모두를 포함한다. 본 개시내용의 목적을 위해, 용어 “소섬유 형성된” 및 “펄프”는 상호교환적으로 사용되어 해당 유형의 섬유를 지칭할 것이며, 용어 “쵸핑된” 또는 “스테이플”은 상호교환적으로 사용되어 해당 유형의 섬유를 지칭할 것이다. 상기 섬유는, 엘라스토머에 대한 그 접합성을 개선하기 위해 부분적으로 섬유 유형 및 엘라스토머 유형에 기초하여 필요에 따라 선택적으로 처리될 수 있다. 섬유 처리의 예는 임의의 적절한 RFL(resorcinol formaldehyde latex)이 있다.

다양한 스테이플 섬유 또는 쵸핑된 섬유는 적절한 아라미드 섬유 또는 다른 고성능 섬유로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 10 이상인 종횡비, 즉 “L/D”(섬유 길이 대 직경의 비)를 나타낸다. 스테이플 섬유는 일반적으로 그 전체 길이에 걸쳐 균일한 단면을 갖는다. 스테이플 섬유는 약 0.1 내지 약 10 mm 또는 약 5 mm의 길이, 바람직하게는 약 1 내지 약 3 mm의 길이를 가질 수 있다. 스테이플 섬유는 약 1 내지 약 30 미크론의 직경, 바람직하게는 약 6 내지 약 20 미크론 또는 약 10 내지 15 미크론의 직경을 가질 수 있다. 스테이플 섬유 유형의 혼합물, 길이, 또는 직경이 사용될 수 있다. 파라-아라미드 섬유가 바람직하지만, 스테이플 섬유는 다른 고성능 재료 또는 고탄성계수 폴리머 재료, 예컨대 메타-아라미드, 폴리벤조비스옥사졸(PBO), 폴리에테르에테르케톤, 비닐론, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 액정 폴리머 등일 수 있다.

다양한 펄프형 고탄성계수 섬유 또는 다양한 소섬유 형성식 고탄성계수 섬유는, 그 표면적을 증가시키기 위해 주어진 섬유 유형, 바람직하게는 적절한 파라-아라미드로 형성되는 섬유 유형이 가능한 상황에서 처리될 수 있으며, 약 1 m²/g 내지 약 15 m²/g, 보다 바람직하게는 약 3 m²/g 내지 약 12 m²/g, 가장 바람직하게는 7 m²/g 내지 약 11 m²/g의 비표면적을 가질 수 있고, 또는 약 0.1 mm 내지 약 5.0 mm, 보다 바람직하게는 약 0.3 mm 내지 약 3.5 mm, 그리고 가장 바람직하게는 0.5 mm 내지 약 2.0 mm의 평균 섬유 길이를 가질 수 있다. 펄프 섬유는 불규칙한 단면 및 형상의 소섬유(fibril)를 가질 수 있지만, 주로 펄프는 원래의 섬유로부터 분지되거나 쪼개진 훨씬 소직경의 섬유가 다수 존재하는 것을 특징으로 한다. 본원에서, 용어 “펄프”는 목재, 종이, 과일, 픽션(fiction) 또는 다른 분야에서의 임의의 다른 일반적인 용도와는 전혀 상관이 없으며, 단지 상세한 설명에서 그리고 본원에서 한정하는 바와 같은 청구범위에서만 사용된다는 것에 주의해야 한다.

상기 조성물에 있어서 펄프 섬유 및 스테이플 섬유의 총량은 약 1 phr 내지 65 phr, 바람직하게는 약 6 내지 약 50 phr, 또는 약 17 내지 약 35 phr의 범위에 속할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서 사용되는 아라미드 펄프 섬유 또는 소섬유 형성식 섬유의 양은, 유리하게는, 엘라스토머의 100 중량부에 대해 약 0.5 내지 약 25 중량부(phr)일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.9 내지 약 20 phr, 더욱 바람직하게는 약 1.0 내지 약 15 phr, 가장 바람직하게는 약 2.0 내지 약 10 phr이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 아라미드 스테이플 섬유의 양은, 유리하게는, 엘라스토머의 100 중량부에 대해 약 0.5 내지 약 40 중량부(phr)일 수 있으며, 바람직하게는 약 5 내지 약 35 phr, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 30 phr, 가장 바람직하게는 약 15 내지 약 25 phr이다. 최적의 양은, 사용되는 각각의 섬유의 양 및 유형, 엘라스토머의 유형, 및 원하는 최종 결과에 따라 좌우될 수 있다. 아라미드 펄프 함량의 범위는, 총 섬유 중량의 0% 초과, 5% 또는 10% 초과, 그리고 100% 미만, 또는 70% 혹은 60% 미만이다. 바람직하게는, 아라미드 펄프 중량은 총 섬유 중량의 50% 미만 또는 45% 미만 또는 40% 미만 또는 35% 미만이다. EOM 엘라스토머 또는 EBM 엘라스토머와 같이 포화된 폴리올레핀 엘라스토머를 이용할 때, 더 높은 펄프 수준이 가능한 반면, EPDM 또는 CR과 같은 다른 엘라스토머의 경우, 더 낮은 범위, 즉 총 섬유의 40% 이하 또는 35% 이하가 요구된다.

보다 직접적으로 최종 물성에 관련되는 것은, 섬유 체적 퍼센트 및 총 섬유 체적의 백분률로서의 펄프의 상대적인 양이다. 펄프 섬유 및 스테이플 섬유의 이러한 양은, 조성물의 원하는 최종 물성뿐만 아니라 그 가공성을 위해서도 중요하며, 상기 원하는 최종 물성 및 가공성을 위해 선택될 수 있고, 엘라스토머의 선택 및 소섬유 형성의 정도 및 섬유 길이와 같은 다른 요인에 좌우될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에 있어서, 폴리올레핀 엘라스토머에서의 스테이플 부분 및 펄프 부분 양자 모두를 위한 1 내지 3 mm 길이의 파라-아라미드 섬유에 기초하면, 총 섬유 체적 퍼센트는 유리하게는, 3 내지 19 체적 페센트이다. 총 섬유 농도는 유리하게는 5 내지 17 체적 퍼센트일 수도 있고 7 내지 15 체적 퍼센트일 수도 있다. 섬유의 총 체적 퍼센트는 9 내지 13 체적 퍼센트일 수도 있다. 아라미드 펄프 체적 함량의 범위는, 총 섬유 체적의 0% 초과, 5% 또는 10% 초과, 그리고 100% 미만, 또는 70% 혹은 60% 미만이다. 바람직하게는, 아라미드 펄프 체적 함량은 총 섬유 체적의 50% 미만이다. 보다 바람직하게는, 펄프 수준은 총 섬유의 40% 이하이다. 가장 바람직하게는, 펄프 함량은 총 섬유 함량의 35% 미만이다.

상기 조성물에서의 다른 성분은 당업계에서 통상과 같이 선택될 수 있다. 당업자는, 상기 엘라스토머가 바람직하게는 추가적인 재료, 예컨대 가소제, 열화 방지제, 보강용 미립자 충전제, 예를 들어 카본 블랙 및 실리카, 경화제, 가공조제, 그리고 가능하게는 천연 섬유 및 인조 섬유 양자 모두인 다른 섬유, 예컨대 면, 양마, 대마, 양모, 아마, 목재 섬유, 나일론, 폴리에스테르, 레이온, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 아크릴 등을 포함하도록 변형될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 앞서 언급한 주된 섬유와 유사한 길이 및 보강 효과를 나타내는 다른 고탄성계수 스테이플 섬유가 포함된다면, 이들 섬유는 총 섬유 함량에 포함되어야만 한다.

가장 양호한 내마모성을 위해, 폴리올레핀 엘라스토머 조성물은 적절한 가공조제를 이용하여 과산화물 경화될 수 있다. 바람직한 가공조제는, 인용함으로써 그 전체 내용이 본원에 포함되는 미국 특허 제5,610,217호에 개시된 바와 같은 알파-베타-불포화 유기산의 금속염이다. 예시적인 금속 염은 징크 디아크릴레이트 및 징크 디메타크릴레이트(ZDMA)이다.

혼합, 캘린더링 , 몰딩 등

전술한 섬유는, 임의의 적절한 기법 또는 통상적인 기법, 예컨대 우선 예를 들어 약 50 중량% 또는 임의의 다른 적절한 양의 최종 섬유 함량을 갖는 섬유 로딩된 마스터 배치(master batch)를 형성하기 위해 적절한 제1 엘라스토머 조성물에 소섬유 형성된 섬유를 통합하는 것, 그리고 이후 벨트 엘라스토머 조성물에서의 적절한 섬유 분포를 허용하기 위해 벨트 엘라스토머 조성물에 상기 섬유 로딩된 마스터 배치를 추가하는 것, 그리고 다음으로 임의의 적절한 기법 혹은 통상적인 기법을 통해 전술한 바에 따라 섬유 로딩된 엘라스토머 조성물로 벨트를 형성하는 것에 의해 엘라스토머 조성물에 추가될 수 있다.

예

다음의 예에 있어서, 본 발명의 예는 “Ex.”로 표시되며 비교예는 “Comp. Ex.”로 표시된다.

제1 세트의 예에 있어서, 상기 고무 조성물은 표 1에서는 체적 페센트로 그리고 표 2에서는 phr로 제시되어 있다. Ex. 1 및 Ex. 2는, KEVLAR 펄프 대 파라-아라미드(1-mm 쵸핑된 TECHNORA) 스테이플 섬유의 2가지 상이한 비율을 이용하여 EOM 엘라스토머에 기초한 고무 조성물을 예시하고 있다. Comp. Ex. 3은 유사한 섬유 레벨를 갖는 EPDM에 기초한 것인 반면, Comp. Ex. 4는 CR 엘라스토머에 기초한 것이다. EPDM 엘라스토머는 Exxon으로부터 입수 가능하고 약 25의 매우 낮은 무니 점도(Mooney viscosity) 및 넓은 분자량 분포를 갖는 Vistalon 2504이며, 약 10 phr의 오일을 포함하고, 모든 특징은 높은 섬유 로딩을 분산시키는 데 도움이 되도록 의도된다는 것에 주의하라. EOM 엘라스토머는, 다른 한편으로는, 약 37의 훨씬 큰 무니 점도를 나타내며(더 큰 분자량을 나타냄), 사실상 부가되는 오일이 없고, 또한 EOM 조성물은 EPDM 레시피(EPDM recipe)보다 혼합, 밀링, 및 캘린더링이 훨씬 용이하다는 것을 발견하였다.

조성물 시험 결과가 표 3에 제시되어 있다.

조성물 리올로지 물성(compound rheology property)이 무니 점도계 상에서 ASTM D-1646에 따라 평가되었으며, 이때 소형 로터는 섭씨 132도(화씨 270도)에서 30분 동안 작동하였다(표 3에 Mooney Scorch 결과가 제시되어 있음). 또한, 무니 점도는 섭씨 125도에서 대형 로터를 이용하여 평가되었다. 섭씨 177도에서 30분 동안 그리고 섭씨 200도에서 3분 동안 로터리스 경화계(rotorless cure meter) 상에서 ASTM D-5289에 따라 경화 물성이 평가되었다. 표 3에 있어서, ML은 최소 토크를 나타내고, MH는 최대 토크를 나타내며, S’는 동일 위상 토크(in-phase torque)이고, S”는 상이 위상 토크(out-of phase torque)이다. MH에 기초하면, 바람직한 펄프 레벨을 갖춘 Ex. 1은 전술한 재료 중 가장 스티프니스가 큰 것이다.

표준 고무 시험을 이용하여, 경화된 화합물의 물리적 물성이 또한 시험되었다. 저변형 영역에서 위드 그레인 방향(with-grain direction)에서의 인장 시험 결과가 특히 흥미롭다. ASTM D-412에 따라(다이 C, 및 6"/mm 크로스헤드 속도를 이용) 일반적인 인장 탄성계수 측정을 이용하여 탄성계수가 측정되었으며, 본원에서 “탄성계수”(M5 및 M10)는 ASTM D-1566 및 ASTM D-412에서 정의된 바에 따라 주어진 신장율(각각 5% 및 10%)에서의 인장 응력을 가리킨다. 고무의 경도(hardness)는, 원래의 화합물 시료에 대해 그리고 오븐에서 시효된 화합물 시료에 대해, 쇼어-A 및 쇼어-D를 이용하여 ASTM D-2240에 따라 경도계로 표준 압축 필렛(compression pellet) 상에서 시험되었다. 2가지 상이한 방향, 즉 위드 그레인 방향(with-grain direction) 및 크로스 그레인 방향(cross-grain direction)에서 ASTM D-624, 다이-C에 따라 시험된 인열 결과가 몇 가지 변수에 대해 포함되어 있다.

경도계 및 인장 물성으로부터, 이들이 모두 매우 뻣뻣하고 경질인 조성물이라는 것이 명백하며, 이에 따라 벨트를 위한 가요성 고무라 불리는 것의 한계를 제시한다. 실온에서의 파괴에서의 위드 그레인 신장율(with-grain elongation)(%Eb)은 이들 재료에 대해 겨우 약 15%이며, 5% 신장율 또는 10% 신장율(각각 M5 및 M10)에서의 응력은 상당히 높다. 위드 그레인 물성(with-grain property)은 CVT 벨트의 횡방향 스티프니스와 직접적으로 관계를 갖게 된다. 그러나, 크로스 그레인 방향, 즉 벨트 가요성에 대한 방향에서의 %Eb는 현저히 더 크다. 실제로, 이들 화합물은 단지 가공성 및 크로스 그레인 가요성(cross-grain flexibility)의 한계 내에서 횡방향 스티프니스를 극대화하도록 의도적으로 선택되었다. (M5 또는 M10에 기초한) 이방성 비율은, 화합물이 다른 방향에서는 극도로 뻣뻣하면서도 일 방향에서 얼마나 잘 구부러질 수 있는지에 대한 또 다른 지표이다. 이러한 4가지 화합물은 상당히 유사한 이방성 비율을 나타내며, 유사한 탄성계수 또는 경도로 합성되었지만, 본 발명에 따른 예는 현저하게 더 높은 크로스 그레인 신장율(%Eb)를 나타내고, 비교예보다 벨트에서 훨씬 큰 가요성이 예상된다. 본 발명의 예에 대한 크로스 그레인 인장 강도(Tb)는, 원 상태 그리고 섭씨 150도에서 168 시간 동안 가열 시효한 이후 양자 모두에서 또한 비교예보다 어느 정도 꽤 높고, 이는 엘라스토머의 차이에 기인한 것일 수 있다. 위드 그레인 인장 강도는 더욱 필적할만하며, 이는 섬유 로딩 및 배향에서의 유사성에 기인한 것일 수 있다. 2개의 Ex. 재료는 양 그레인 방향에 있어서 실온(RT)에서 최대의 M5 및 M10을 나타낸다는 것이 명확하다. 이는 본원에서 이후에 제시되는 높은 벨트 압축 스티프니스로 직접적으로 귀결되며, 결과적으로 CVT 용도에 있어서 우수한 성능으로 귀결된다고 판단된다.

CVT 벨트용 고무 조성물이 밀 방향(mill direction)(위드 그레인 방향)으로 5%의 변형율에 있어서 1800 psi 이상, 1900 psi 이상, 또는 2000 psi 이상의 인장 응력을 나타내는 것이 바람직하며, EOM 화합물이 5%의 인장 변형율에서 4 이상, 4.5 이상, 또는 5 이상의 이방성 비율을 나타내는 것이 바람직하다. 아라미드 펄프 및 아라미드 스테이플 양자와 함께 EOM 또는 EBM을 사용하면 이상의 물성이 가능하게 된다.

표 3은 내마모성에 대한 3가지 연마 시험, 소위 DIN 시험(DIN 53516 또는 ISO 4649), PICO 연마 시험(ASTM D-2228), 및 Taber 연마기 시험(ASTM D-3389)의 결과를 포함한다. DIN 시험 결과 및 Taber 연마기 시험 결과는 체적 손실에 관한 것이며, 낮을수록 양호한 것이다. PICO 연마 시험은 지수로서 제시되며, 지수가 더 높을수록 연마에 대한 내성이 더욱 양호한 것이다. 본 발명의 예에 대한 연마 저항은 시험 및 조건에 따라 비교예와 대체로 동등하거나 또는 때때로 더 양호하다는 것을 알 수 있다.

DeMattia 가요성 크랙 성장 시험이 실온에서 그리고 섭씨 125도, 0.5”의 스트로크에서 ASTM D-430(천공형)에 따라 수행되었다. 위드 그레인(with-grain) 및 크로스 그레인(cross-grain) 양자 모두에 대한 시험이 예정되었지만, 모든 화합물에 대해 모든 결과가 이용 가능하지는 않았다. 실온에서 Ex. 1은 Comp. Ex. 3 및 4보다 대략 10배 양호하다.

화합물 동특성 물성은, 조성물의 경화 이후에 6.98%의 변형율에서 RPA 2000 테스터 상에서 온도 스윕(temperature sweep)을 이용하여 ASTM D-6204에 따라 평가되었다. 화합물의 탄성계수(G’)에 대한 결과는 도 4에 제시되어 있다(이 시험에서는 Ex. 2가 포함되지 않았음). 본 발명에 따른 Ex. 1이 Comp. Ex. 3 또는 4보다 훨씬 더 양호한 온도 종속 탄성계수를 나타낸다는 것을 알 수 있다. Comp. Ex. 4는 특히 온도에 따라 상당한 소프트닝(softening)을 나타낸다. CVT 벨트 성능에 대한 효과는, 더 높은 작동 온도에서 벨트 성능이 열화되는 경우, 보다 적은 “히트 페이드(heat fade)”를 나타내는 것으로 판단된다.

화합물의 가공성에 대한 일부 관찰결과를 주목하라. Comp. Ex. 4는, 낮은 무니 점도 및 광범위한 분자량(MW)을 갖는 CR 엘라스토머에 기초하여, 조성물에 오일이 첨가되었지만, 고무를 스코어칭(scorching)하지 않은 상태에서의 혼합 및 캘린더링의 관점에서 여전히 처리가 매우 곤란하다. 열에 대한 CR의 민감도는, 적절한 스코어칭 안정성을 유지하면서 섬유를 분산시키는 것을 매우 어렵게 한다. 에틸렌 엘라스토머의 개선된 내열성 및 개선된 가공성은 CR에 대해 장점을 갖는다. 비교되는 EPDM 예는, 양호한 가공성을 달성하기 위해 거의 10 PHR의 가소제와 함께 25 무니의, 광범위한 분자량의 폴리머를 이용한 반면, 에틸렌-알파-올레핀은 37 무니의 폴리머를 이용하였으나 양호한 가공성을 달성하기 위해 어떠한 가소제로 필요로 하지 않았다. 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머 또는 폴리올레핀 엘라스토머의 고유한 특성을 채택하면서도 펄프 섬유 대 스테이플 섬유의 비율을 변경함으로써, 화합물 MH로 나타내는 바와 같은 탄성계수는, 결과적인 벨트에서의 현저한 스티프니스 수준 개선을 제공하며, 이는 예외적일 정도로 우수한 내구성 및 부하 지탱 능력으로 귀결된다.

(본 발명의 범위를 한정하려는 의도는 아니지만) 관찰되는 화합물 성능 개선에 관한 이유를 추가로 고려해보면, EOM의 더 높은 무니 점도, 더 큰 분자량의 폴리머로부터 추론해 볼 수 있다. 또한, 메탈로센 폴리머가 더 좁은 범위의 분자량 분포(MWD)를 가질 수 있다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 더 큰 분자량 및 더 좁은 범위의 MWD를 갖는 폴리머는 흔히 더욱 양호한 물리적 물성을 제공한다.

이러한 제1 시리즈의 예로부터의 결론을 요악하면, 높은 총 섬유 로딩 및 총 섬유에 대한 펄프의 사전에 결정된 비율에서 아라미드 펄프 섬유 및 스테이플 섬유의 조합과 함께 베이스 엘라스토머로서 EOM 또는 다른 포화된 폴리올레핀 엘라스토머를 선택하는 것은, 더 큰 무니(Mooney)의 엘라스토머 및 더 적은 오일을 이용하는 능력으로 귀결되어, 양호한 가공 특성, 더 큰 크로스 그레인 신장율 또는 가요성, 및 유사한 혹은 더 높은 위드 그레인 탄성계수(with-grain modulus)에서의 강도와 함께 더욱 폴리머 농후한 조성물을 제공한다. 이하에서는, 이러한 효과가 CVT 벨트 성능에서의 극적인 개선과 관련된다는 것을 제시할 것이다.

[표 1]

[표 2]

[표 3a]

[표 3b]

[표 3c]

[표 3d]

제2 시리즈의 조성물 예에 있어서, 동일한 베이스 레시피에서 4가지 상이한 폴리올레핀 엘라스토머가 비교된다. phr 단위의 조성이 표 4에 제시되어 있다. 총 섬유 로딩은 약 28 phr 및 약 11 체적%이었다. 펄프의 양은 총 섬유 중량의 약 31%이었다. 이 제2 시리즈의 주요 목적은, 내부 믹서에서의 성분의 분산도, 2롤식 밀에서의 취급성과 관련하여 가공성을 평가하는 것이며, 전술한 양자 모두는 3회 반복되었다. 결과가 표 4에 제시되어 있으며, 여기서 “+”는 매우 양호한 취급성 및 분산도를 나타내고, “o”는 오케이(ok) 또는 허용 가능한 취급성 또는 분산도를 나타내며, “-”는 밀 상에서의 양호하지 않은 취급성 및 믹서로부터의 일부 분산되지 않은 성분을 나타내고, “--”는 불량한 가공성을 나타낸다. 제시된 바와 같이, 일부 변종은 믹서로부터 부서지기 쉽게 되었지만, 일반적으로 밀 상에서 합쳐질 수 있었다. 최악의 경우는, 심지어 밀링 및 믹서에서의 3회 통과 이후에도 비늘처럼 벗겨지는 표현을 나타냈다. 명확하게는, 모든 다른 성분이 동일한 경우, 3가지 수준의 섬유 로딩에 있어서, EOM이 가장 우량하였고, EBM이 허용 가능하였으며, EPM은 사용하기 곤란하지만 사용은 가능하였고, EPDM은 가공이 가장 곤란하였다.

[표 4]

벨트 예 및 시험 결과

제1 비교에 있어서, 2가지 벨트 실시예, 즉 벨트 A 및 벨트 B가 2가지 상업적 CVT 벨트, 즉 Gates Corporation에 의해 시판되는 벨트 C 및 부품 번호 715000302로 식별되는 비교용 벨트 D와 함께 비교되었다. 이들 벨트는 모두 표 5에 제시된 바와 같이 상당히 동일한 치수를 나타냈으며, 공칭상 31 mm의 상부 폭, 952 mm의 길이, 및 26도의 V-각을 나타내었다. 벨트 C 및 벨트 D는, EOM의 밀도보다 높은 CR 엘라스토머의 밀도에 기인하여 벨트 A 및 벨트 B보다 더 무거웠다. 벨트 B는 벨트 A와 동일하게 본 발명에 따른 재료로 제조되었으나, 벨트의 언더코드 부분에 고무를 약간 덜 포함하고 있으며, 이에 따라 벨트 B는 약간 더 얇고 약간 더 가볍게 되어 있었다. 벨트 C 및 벨트 D는, 통상적인 고무 조성물을 이용하는 고도로 최적화된 벨트의 예로서 간주된다.

이들 벨트는 성능차를 식별하기 위해 구성된 다수의 시험을 거쳤다. 이들 시험은, 6시간 동안 지속되는 벨트 컨디셔닝 테스트(belt conditioning test)를 포함하며, 후속하여 부하 능력 시험, 축방향 스티프니스 시험이 이어지고, 이들 시험(총 8시간)의 마지막으로 벨트 중량 손실 시험이 이루어졌다.

벨트 중량 손실 시험 결과가 표 5에 제시되어 있다. 본 발명에 따른 벨트의 초기 중량은 동일한 벨트 크기에 있어서 CR 벨트의 중량보다 대략 20% 더 작았다. 놀랍게도, 8시간의 성능 시험 이후에, 본 발명에 따른 CVT 벨트의 마모는 비교용 벨트 D의 마모의 절반 미만이었다. 최종 벨트 치수의 점검에 의해, 측벽 상에서의 마모 및 압축으로 인한 폭의 영구적인 감소(두께의 약간의 증가로 나타남)의 조합이 나타났다.

[표 5]

부하 능력 시험은, 용례에서 나타내는 모든 주요한 현상과 함께 CVT 벨트 구동의 상황을 모사하도록 구성된다. 이 시험은, 제어되고 재현 가능한 환경 하에서 수행되며, 속도 손실, 벨트 슬립(belt slip), 및 벨트의 축방향 변형을 비롯하여 실질적인 다수의 파라메타에 대해 측정이 이루어진다. 추가적으로, 마찰 에너지 손실 및 히스테리성 에너지 손실로 인해 벨트 온도가 증가하기 때문에, 벨트 온도가 측정된다. 구동 조건 하에서 CVT 벨트를 모사하는 전자식 다이나모미터(dynamometer) 상에서 시험을 행한다. 시험 중에, 구동 샤프트의 속도는 1,500±1 rpm으로 일정하다. 인가되는 토크 및 허브 부하(hub load)는 변경된다. 시험 파라메타는, 시험을 거치는 벨트의 일부가 극한의 상태, 즉 (1) 벨트 온도가 최대 섭씨 약 170도에 이르는 상태 또는 (2) 과도한 속도 손실(시브에서의 벨트 변형 및 벨트 슬립에 의해 유발되며 최대 15%임)이 나타나는 상태에 도달하도록 하는 방식으로 선택된다.

부하 능력 시험용 리그 장치(rig arrangement)가 도 5에 도시되어 있다. 전기 모터(505)는 좌측에서의 구동 풀리(510)를 구동시키며, CVT 벨트(100)는 제2 풀리(520)에 운동을 전달하고, 여기서 발전기(도시되어 있지 않음)는 저항 토크를 인가한다. 상기 발전기는, 위치 센서(526)와 함께, 일정한 총 인장, 즉 허브 부하(H)를 우측에 인가하도록 이동할 수 있는 고정구 상에 장착된다. 풀리의 2개의 절반부 사이의 거리가 고정되어 있는 상태에서, 허브 부하 또는 총 인장은 구동 풀리 및 피동 풀리에서 벨트에 인가되는 축방향 힘을 조절한다. 이에 따라, 어느 정도, 피동 CVT 클러치의 기능을 모사하게 된다. 풀리 내부의 스페이서(spacer)는, 센서(522)에 의해 모니터링되는 벨트 피치 직경 및 의도된 속도 비율의 변경을 가능하게 한다. 이러한 시험에 있어서, 상기 속도 비율은 대략 1.6으로 설정된다. 실제 속도 비율은 인가되는 토크 및 허브 부하에 따라 변하며, 또한 센서(530)로 측정되는 벨트 운전 온도에 의해 영향을 받는다.

속도 손실(s)은 부하 토크의 변화에 기인하는 피동 풀리 속도(N_n)의 변화의 백분률로서 정의된다. 속도 손실은, 다음의 공식에 따라 제로 토크(zero torque)에서의 피동 풀리 속도(N_no)(속도 손실이 없는 상태)를 기준으로 하여 계산된다.

상기 속도 손실은 양 샤프트 속도의 직접 측정에 의해 얻어진다. 이러한 시험 중에, 구동 풀리 속도는 약 0.1%의 정밀도로 일정하게 유지된다. 상기 벨트 슬립은 또한 상기 속도 손실 및 측정된 벨트 피치 직경으로부터 결정될 수 있다.

부하 능력 시험에 있어서, 벨트 A 및 벨트 B는 도 6에 나타낸 바와 같이 비교용 벨트 C 및 벨트 D에 비해 훨씬 양호한 성능을 나타내었다. 구체적으로, 속도 손실은 토크 수준에 따라 최대 약 50%만큼 더 작았다. 벨트 A 및 벨트 B는, 앞서 언급한 극한 상태에 도달하지 않으면서도 더 높은 토크에서 작동될 수 있다. 결과적으로, 동일한 차량에서 벨트 A 또는 벨트 B를 사용하면, 비교용 벨트들 중 하나를 이용하는 것보다 더 높은 최대 속도를 획득 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 벨트 온도는 파워 수준에 따라 최대 섭씨 30도 내지 40도만큼 더 낮았다. 속도 손실 및 벨트 축방향 변형은, 도 6에 나타낸 벨트 온도 상승 및 열 발생에 관한 주요 요인이다. 어느 정도 허용 가능한 수준(4% 미만)으로 속도 손실을 유지함으로써 벨트 온도가 크게 벗어나지 못하도록 하기 위해서는, 장시간 동안 벨트가 사용될 수 있는 토크 범위를 제한하는 것이 필요하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 벨트 A 및 벨트 B는 비교용 벨트에 비해 더 높은 연속 토크 또는 부하에서 작동될 수 있다.

부하 능력 시험에 있어서, 임의의 부하 조건에서 속도 손실이 존재한다. 그 결과로서, CVT 구동에 의한 파워(P)의 전달은 속도 손실로 인한 파워 손실(P_s)와 관련된다. 이는 공식

으로 표현될 수 있다. 이러한 파워 손실 결과는 도 7에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 벨트는 비교용 벨트에 비해 현저하게 더 효율적이다.

마지막으로, 부하 능력 시험에서는, 벨트의 단기 정점 부하 능력을 알아보기 위해 도 6의 토크 수준을 넘어 벨트를 압박한다. 이러한 부분의 시험은 실온에서 그리고 0의 값을 갖는 토크에서 시작된다. 145 Nm에 도달할 때까지 매 1분마다 토크 부하는 5 Nm만큼 증가된다. 3가지 선택된 토크 수준에서의 결과적인 속도 손실 및 벨트 온도, 그리고 최대 토크에서의 벨트 폭 변화가 표 6에 제시되어 있다. 상기 시험은 30분 이후에 중단되기 때문에, 전술한 온도는 열 평형을 나타내지는 않는다. 상기 시험이 위 시간 제한을 넘머 계속되었다면, 벨트 온도는 훨씬 더 높아졌을 것이다. 2가지 비교용 벨트에 있어서, 벨트 온도 및 벨트 슬립 수준은 재료 한계에 도달하였다. 명확하게는, 본 발명에 따른 벨트가 통상적인 최적의 벨트에 비해 훨씬 더 높은 정점 토크 능력을 나타냈다.

표 6은 큰 토크 부하로 인한 벨트 폭 변화에 관한 비교를 포함한다. 상기 벨트의 전술한 축방향 압축은 속도 손실의 직접적인 원인 중 하나이며, 벨트 폭 변화는 구동 풀리 및 피동 풀리에서의 벨트의 피치 직경 감소를 초래하고, 이는 속도 비율 및 속도 손실의 감소로 귀결된다. 본 발명에 따른 벨트는 훨씬 적은 축방향 압축을 나타내며, 본 발명에 따른 고무 조성물의 향상된 횡방향 스티프니스 특성이라는 직접적인 결과를 나타낸다. 추가적으로, 더 얇은 벨트 B의 강력한 성능은, 전술한 고무 조성물의 개선된 횡방향 특성과 함께 유리하게는 두께가 감소될 수 있다는 것을 암시한다. 따라서, 15.0 mm 미만의 두께가 유리할 수 있다. 코드 부분은 또한 유리하게는, 도 10에 예시된 바와 같이, 아래쪽 표면 또는 아래쪽 루트(root)보다는 배면측 표면 또는 배면측 루트에 더 가깝게 얹혀지도록 조정될 수 있다.

[표 6]

벨트에 대한 고무 조성물의 직접적인 영향을 알아보기 위해 전술한 4개의 벨트에 대해 DAST(Dynamic Axial Stiffness Test)가 수행되었다. 배경기술 항목에서 앞서 설명된 바와 같이, 구동 인장 하에서 벨트 압축에 의해 유발되는 벨트 폭 변화는 벨트의 주요한 특징들 중 하나인데, 왜냐하면 이러한 벨트 폭 변화는 CVT 구동에 있어서 속도 손실 또는 속도 비율 및 에너지 손실에 영향을 미쳐, 구동부의 더 높은 온도 및 더 낮은 효율로 귀결되기 때문이다. 상기 DAST는 벨트 폭의 변화에 대한 벨트 인장의 영향을 살펴보려는 것이다. 시험용 리그 구성은 부하 능력 시험(도 5 참고)에서 사용된 바와 동일하다.

벨트 축방향 스티프니스는 특정 시험 구성을 위해 정의된다.

구동부에 있어서 인가되는 허브 하중의 변화, 즉 ΔH는 벨트 폭의 변화, 즉 ΔW로 귀결된다. 허브 부하 힘은 축 방향(샤프트 축선에 대해 평행한 방향) 힘 성분으로 재산출된다. 이는 벨트와 풀리 벽 사이의 압력을 나타낸다. 전술한 시험에 있어서 풀리 홈 각도 A가 26도라는 사실을 이용하면, 상수 2.17을 얻는다.

DAST의 목적을 위해, 95±5 mm의 구동 풀리 피치 직경, 1.6±0.1의 속도 비율, 30 Nm의 부하 토크, 및 1500 rpm의 구동 샤프트 속도의 상태에서 벨트가 설치된다. 초기 허브 부하는 H=3000±100N으로 설정되며, 벨트는, 벨트 온도가 섭씨 90도를 초과하지만 섭씨 120도보다는 크지 않을 때까지 약 30분 동안 작동된다. 벨트의 반경방향 위치가 기록된다. 다음으로, 허브 부하는 점차적으로 H=600N까지 감소되며, 이에 따라 각각의 단계에서 벨트의 반경방향 위치가 측정된다. 보고되는 축방향 스티프니스는, 앞서의 수식을 이용하여 3000N 내지 600N 사이에서의 벨트 폭 차이로부터 계산된다. 상기 스티프니스는, H 대 ΔW 데이터를 통과하는 최소 제곱근 최적선의 경사이다. 이러한 시험은 원칙적으로 임의의 폭을 갖는 벨트에 대해 행해질 수 있지만, 바람직하게는 벨트 폭은 25 mm 내지 35 mm의 범위이다. 마찬가지로, 벨트 길이는 전술한 시험에 매우 큰 영향을 주지는 않는다. 상기 시험은 또한, 매우 작은 벨트 또는 매우 큰 벨트를 평가하기 위해, 필요하다면 스케일링(scaling)될 수 있다. 소형 벨트에 있어서, 허브 부하는 감소될 수 있으며, 여전히 스티프니스를 결정하기 위한 선형 응답 영역을 제공한다. 대형 벨트에 있어서, 풀리에서의 벨트의 안착을 위해 그리고 적절한 폭 감소를 생성하기 위해, 허브 부하 값 또는 허브 부하의 범위는 증가될 수 있다. 따라서, 허브 부하는 구동부에서의 최대 인가 인장과 관련하여 적절하게 선택되어야 한다. 유사한 피치 직경에 있어서, 벨트 크기는 횡방향 스티프니스 값에 많은 영향을 주지 않아야만 한다. 그러나, 소형 벨트에 대해 소직경 풀리(또는 작은 피치 라인)이 요구된다면, 또는 대형 벨트에 대해 대직경 풀리 또는 큰 피치 라인이 요구된다면, 이때는 ATV-크기의 벨트와 결과를 비교하기 위해 랩 거리(wrap distance)에서의 차이에 대해 스티프니스가 조정되어야만 한다. 이러한 조정은 스티프니스 대신 탄성계수 값을 결정하는 것과 동등할 수 있다. 보다 바람직한 것은, 일정한 시료 면적 및 두께에서, 이후에 설명되는 압축 시험을 이용하여 벨트의 횡방향 스티프니스를 평가하는 것이다.

개괄적인 DAST 결과가 표 7에 제시되어 있다. 따라서, 벨트 A 및 벨트 B에서의 벨트 고무 조성물은 직접적으로 폭 감소의 저하를 유발하며, 이는 비교용 벨트에 대해 벨트 A 및 벨트 B의 축방향 스티프니스가 증가함에 기인하는 것이다. 벨트 A 및 벨트 B는, 비교용 벨트 C 및 벨트 D보다 평균적으로 약 75% 더 높은, 동적 축방향 스티프니스를 나타낸다. 이는 결과적으로 앞서 설명한 성능 개선을 유발시키며, 즉 더 낮은 벨트 작동 온도, 반경방향 슬립의 감소, 더 높은 부하 성능, 및 더 작은 속도 손실을 유발한다. ATV와 같은 용례에 있어서, 이는 더욱 양호한 가속, 더 큰 상부 속도, 더 낮은 벨트 온도, 더 작은 페이드(fade) 등을 유발하게 된다. 또한, 이는, 벨트가 스팬(span)과 풀리의 내측 사이에서 천이할 때, 입구와 출구에서 풀리 내외로 벨트가 반경방향으로 활주하는 데 요구되는 파워 손실을 감소시키게 된다.

DAST의 결과 및 CVT 구동 성능과 DAST 결과의 상관관계에 비추어, 고무 CVT 벨트는 5.0 kN/mm 초과, 6.0 kN/mm 초과, 7.0 kN/mm 초과, 또는 약 7 내지 약 8 kN/mm의 BDAS(Belt Dynamic Axial Stiffness)를 나타내는 것이 유리하다. 이러한 값는 ATV 벨트 크기 및 본원에서 설명되는 시험 장치에 기초한 것이며, 다른 시험 장치에서의 다른 크기의 벨트에 대해서는 유사한 기반 하에서 변형될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

[표 7]

앞서의 결과에 비추어, ASTM D575-91(2012년에 재승인됨), Test Method A, 및 본원에서 GCT(Gates Compression Test)라 불리는 시험에 기초하여 더욱 간단한 축방향 스티프니스 시험이 고안되었다. ASTM D575 방법은, 28.6±0.1 mm 직경, 즉 약 650 mm²(1.000 in²)의 원형 단면적 및 12.5±0.5 mm(0.5 in)의 높이의 표준 원통형 버튼을 이용하여 엘라스토머 재료의 압축을 측정하기 위해 사용된다. CVT 벨트로부터 이러한 시료를 제조하기는 불가능하며, 이에 따라 벨트의 길이는 도 10에 제시된 바와 같이 준비된다. 벨트(110)의 초기 러프 컷 피스(rough cut piece)가 마련된다. 벨트 폭은, 평행한 측부 표면(118)을 갖도록(그리고 대응하는 대향 표면을 볼 수 없도록) 12.5±0.5 mm(0.5 in)로 절단된다. 시료 벨트(110)의 길이는 컷 마크(116 및 117; cut mark)에서 다듬어지며, 단부 부분(119 및 120)을 버려, 650±5mm²의 총 측면 표면(118)의 면적을 갖는 최종 시험 시편(122)를 제공하는데, 상기 면적은 면적 특정 능력을 갖춘 디지털 현미경을 이용하여 확인된다. 재료의 스티프니스 및 비교적 작은 변형으로 인해, 압축 시험기의 평평한 플래튼(platen)과 시편(122) 사이에서 (ASTM 시험에서 요구되는) 사포는 사용되지 않는다.

이러한 시험은, 동일한 벨트에서 절단된 3개의 시료를 이용하여 동적 인장 기계 상에서 행해지며, 개별적으로 측정된다. 또한, 전술한 시험은, 사인형 변위 신호를 인가하고 변화하는 변위에서의 힘을 기록하면서 이루어진다. 상기 시험은 3개의 상이한 주파수, 즉 2.5 Hz, 15 Hz, 및 30 Hz 그리고 2개의 온도값, 즉 섭씨 23도 및 섭씨 90도에서 이루어졌지만, 다른 조건이 사용될 수도 있다. 주파수 의존성은 매우 강력하지 않았으며, 이에 따라 15 Hz에서의 결과가 이용된다. 섭씨 90도의 온도는 높은 부하에서의 통상적인 CVT 벨트 작동 범위를 나타낸다. 변위 범위는, 용례에 대해 정격 부하 조건에 근접한, 비교적 높은 부하 조건 하에 있어서 CVT 구동 풀리에서 측정되는 통상적인 CVT 벨트의 축방향 변형(즉, 압축)에 기초하며, 즉 0.3 내지 0.9 mm이다.

도 8는 섭씨 90도에서 시험된 비교용 벨트 C의 CVT 벨트 시료에 대한 GCT(Gates Compression Test) 데이터에 관한 예를 나타낸다. 로딩 부분(loading portion)(화살표로 표시되는 루프의 아래 부분)은 실질적으로 선형이며, 그 경사는 관심 대상의 축방향 스티프니스를 제공한다는 점에 주의해야 한다. 이러한 결과는 선택적으로 시료의 두께 및 면적으로 정규화될 수 있지만, 여기서는 모든 시료가 동일한 치수를 갖고 있으므로 정규화를 행하지 않는다. 일부 벨트는, 예컨대 도 9에 도시된 비교용 밸트 D의 시료와 같이, 힘 응답에 있어서 더 큰 곡률을 나타낸다. 시험한 모드 시료에 있어서, -0.6 내지 -0.9 mm 변위 부분은 도 9에 제시된 바와 같은 경사 또는 스티프니스 값을 제공하기에 충분히 선형적이었다. 따라서, 압축 스티프니스(compression stiffness)는 -0.6mm 내지 -0.9mm(최대 변위)의 변위 사이에서 화살표로 예시되는 바와 같은 곡선의 선형 섹션을 이용하여 산출된다.

표 8은 본 발명에 따른 벨트 A뿐만 아니라 시장에서 입수할 수 있는 비교용 벨트의 모음에 관한 시험 결과를 나타낸 것이다. GCT 및 DAST 양자 모두에서 시험한 4개의 벨트는 상기 양자의 시험 사이에서 양호한 상관관계를 나타내지만, 섭씨 90도의 동일한 온도에서 DAST 값은 GCT 값보다 더 큰 경향이 있다. 이러한 차이는 DAST에서 벨트와 시브 사이에 존재하는 반경 방향에서의 마찰 힘의 영향일 수 있다. 본 발명에 따른 벨트는 상기 양자의 시험 상에서 최고의 스티프니스를 갖는 패키지로부터 두드러진다. 따라서, GCT 스티프니스는 또한 CVT 구동 성능과 상관된다.

GCT의 결과 및 CVT 구동 성능과 GCT 결과의 상관관계에 비추어, 고무 CVT 벨트는 섭씨 90도에서 5.0 kN/mm 초과, 또는 실온에서 6.0 kN/mm 초과, 7.0 kN/mm 초과, 또는 8.0 kN/mm 초과, 또는 실온에서 약 8 내지 약 9 kN/mm의 GCT 스티프니스(Gates Compressive Test stiffness)를 나타내는 것이 유리하다.

[표 8]

CVT 벨트에 대한 굽힘 손실에 관한 추가적인 시험이 벨트 A 내지 벨트 D에 대해 수행되었으며, 여기서는 BLT(Bending Loss Test)라고 부른다. 이 시험은 2가지 손실원, 즉 굽힘 손실 및 반경방향 마찰 손실을 구분할 수 있다. CVT 벨트에서의 굽힘 손실 및 반경방향 마찰 손실을 측정하기 위한 BLT 리그는 도 5에서 설명한 LCT 리그와 레이아웃 면에서 유사하였다. 이러한 리그는, 선택된 온도, 여기서는 역시 섭씨 90도인 온도에서, 허브 부하, 샤프트 속도, 및 토크의 측정을 가능하게 한다.

측정된 손실은, 피동 샤프트에 저항이 인가되지 않는 상태에서 2개의 소직경 풀리를 이용하여 단순한 구동에서 CVT 벨트를 회전시키는 데 요구되는 토크를 나타낸다. 단순화를 위해, 비교적 낮은 허브 부하에서 측정되는 토크 손실은 벨트 굽힘 손실로서 정의되며, 허브 부하의 증가로 인한 토크 손실의 차이는 반경방향 활주로 인한 마찰 손실로서 정의된다.

벨트의 BLT로부터의 결과는 2개의 숫자, 즉 굽힘 손실 및 반경방향 마찰 손실이다. 이들 숫자는 측정된 토크 손실로부터의 평균으로서 산출된다. 표 9에는, 보고된 각각의 값에 대해 4개의 벨트 구성 및 3회의 반복 시험에 관한 시험 결과가 제시되어 있다.

굽힘으로 인한 손실은 본 발명에 따른 벨트에 있어서 약 20% 더 크며, 이는 사용되는 보다 고탄성계수의 고무 조성물을 반영한 것일 수 있다. 동시에, 풀리 내외로의 반경방향 활주에서의 마찰을 극복하기 위한 손실은 대략 40% 더 낮고, 이는 본 발명에 따른 벨트를 이용하는 CVT 구동에 있어서 전반적으로 더욱 양호한 효율로 귀결된다.

[표 9]

요약하면, 본 발명에 따른 벨트 A 및 벨트 B의 축방향 스티프니스는 다른 벨트의 축방향 스티프니스에 비해 대략 70% 더 크며, 속도 손실은 정격 토크에서 2% 내지 5%만큼 더 낮고, 굽힘으로 인한 손실은 약 20% 더 높지만, 풀리 내외로의 반경방향 활주에서의 마찰을 극복하기 위한 손실은 대략 40% 더 낮고, 이는 CVT 구동에서의 전반적으로 더욱 양호한 성능으로 귀결된다.

본원에서 설명되는 섬유 로딩된 고무 조성물은, CVT 벨트 이외의 다른 적용 가능성을 가질 수도 있다. 높은 횡방향 스티프니스로부터 역시 이익을 향유할 수 있는 다른 파워 트랜스미션 벨트, 예컨대 V-벨트 및 다중 V 리브 벨트도 또한 본 발명의 범위에 속할 수 있다. 치형 파워 트랜스미션 벨트 또는 동기식 파워 트랜스미션 벨트는 또한 이러한 합성 개념으로부터 이익을 향유할 수 있지만, 여기에서의 배향 효과는 적어도 치형부에서 벨트 연장 방향(이는 치형부 상에서의 최대 부하의 방향임)에 대해 평행하게 배향될 때 최적이 된다.

본 발명 및 그 장점이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 본원에 대해 다양한 변경, 대체, 변동이 행해질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 및 단계에 관한 구체적인 실시예로 한정되도록 의도되지 않는다. 당업자는, 본 발명에 관한 개시내용으로부터, 본원에 설명된 대응 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성할 수 있는, 현재 존재하거나 향후 개발될 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계가 본 발명에 따라 이용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 이에 따라, 첨부된 청구범위는, 이러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계를 그 범위에 포함하도록 의도된다. 본원에 개시된 발명은, 본원에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 없이 적절하게 실시될 수 있다.

Claims

메인 벨트 본체를 포함하는 무단 고무 CVT 벨트로서,
상기 메인 벨트 본체는, 압축부, 인장부, 접합부, 및 압축부와 인장부 사이에 매립되어 접합부와 접촉하는 인장 코드, 각진 면, 그리고 2 정도의 폭 대 두께 비율을 가지며, 압축부, 인장부, 및 접합부 중 적어도 하나는, 포화된 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머, 스테이플 섬유, 및 펄프 섬유를 포함하는 엘라스토머 조성물을 포함하고,
상기 스테이플 섬유 및 상기 펄프 섬유의 총량은 엘라스토머의 100 중량부에 대해 17 내지 65 중량부(phr)인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제1항에 있어서, 상기 스테이플 섬유는 아라미드 스테이플 섬유이며, 상기 펄프 섬유는 아라미드 펄프 섬유인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제2항에 있어서, 상기 아라미드 스테이플 섬유는 파라-아라미드이며, 상기 아라미드 펄프 섬유는 파라-아라미드인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제1항에 있어서, 상기 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머의 알파-올레핀은 옥텐 또는 부텐인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제4항에 있어서, 상기 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머는, 에틸렌 함량이 75 중량% 미만의 범위에 속하면서 용융 지수(melt flow rate)가 섭씨 190도 및 2.16kg에서 ASTM D1238-13에 기초하여 5 g/10min 미만인 에틸렌-옥텐 엘라스토머인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제2항에 있어서, 상기 아라미드 스테이플 섬유 및 상기 아라미드 펄프 섬유의 총량은 상기 조성물의 3 내지 19 체적 퍼센트인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제4항에 있어서, 상기 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머는 에틸렌 함량이 60.0 중량% 내지 65.0 중량%의 범위에 속하는 에틸렌-옥텐 엘라스토머인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제2항에 있어서, 상기 아라미드 펄프 섬유의 체적은 상기 엘라스토머 조성물 내의 스테이플 섬유 및 펄프 섬유의 총 체적의 40% 미만인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제2항에 있어서, 상기 아라미드 펄프 섬유의 중량은 상기 엘라스토머 조성물 내의 스테이플 섬유 및 펄프 섬유의 총 중량의 40% 미만인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제1항에 있어서, 상기 무단 고무 CVT 벨트는 DAST(Dynamic Axial Stiffness Test)에서 5.0 kN/mm 초과의 스티프니스(stiffness)를 나타내는 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제1항에 있어서, 상기 무단 고무 CVT 벨트는 GCT(Gates Compression Test)에서, 섭씨 90도에서 5.0 kN/mm 이상의 스티프니스를 나타내고 실온에서 6.0 kN/mm 초과의 스티프니스를 나타내는 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제1항에 있어서, 전체적인 벨트 두께는 15 mm 미만인 것인 무단 고무 CVT 벨트.
제12항에 있어서, 상기 인장 코드의 위치는 벨트의 내면(underside)보다 배면(backside)에 더 가까운 것인 무단 고무 CVT 벨트.
메인 벨트 본체를 포함하는 무단 파워 트랜스미션 벨트(endless power transmission belt)로서, 상기 메인 벨트 본체는,
상기 메인 벨트 본체 내에 매립되는 인장 코드;
엘라스토머, 고탄성계수 스테이플 섬유, 및 고탄성계수 펄프 섬유를 포함하는 엘라스토머 조성물
을 포함하며, 상기 고탄성계수 펄프 섬유는 고탄성계수 스테이플 섬유 및 고탄성계수 펄프 섬유의 총량의 40% 미만을 구성하고,
상기 엘라스토머는 포화 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머이며, 상기 스테이플 섬유 및 상기 펄프 섬유의 총량은 엘라스토머의 100 중량부에 대해 17 내지 65 중량부(phr)인 것인 무단 파워 트랜스미션 벨트.
제14항에 있어서, 치형 벨트, V-벨트, 다중-V-리브 벨트(multi-V-ribbed belt)의 형태인 무단 파워 트랜스미션 벨트.
제14항에 있어서, 상기 스테이플 섬유 및 상기 펄프 섬유의 총량은 상기 엘라스토머 조성물의 3 내지 19 체적 퍼센트인 것인 무단 파워 트랜스미션 벨트.
제14항에 있어서, 상기 엘라스토머 조성물은 존재하는 엘라스토머의 총 중량의 50% 미만으로 다른 엘라스토머를 더 포함하는 것인 무단 파워 트랜스미션 벨트.
제14항에 있어서, 상기 고탄성계수 스테이플 섬유 및 상기 고탄성계수 펄프 섬유 양자 모두는 아라미드 섬유인 것인 무단 파워 트랜스미션 벨트.
제4항에 있어서, 상기 에틸렌-알파-올레핀 엘라스토머는 에틸렌 함량이 40 중량% 내지 60 중량%의 범위에 속하는 에틸렌-부텐 엘라스토머인 것인 무단 고무 CVT 벨트.