KR102289189B1 - 헬리컬 톱니벨트 및 전동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 심선이 매설된 등부와, 상기 등부의 한쪽의 표면에 벨트 길이 방향을 따라 소정 간격으로 마련되고, 각각이 벨트 폭 방향에 대하여 경사진 복수의 톱니부를 가지는 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 상기 톱니부의 표면 및 상기 등부의 상기 한쪽의 표면의 일부가, 톱니포로 구성되어 있고, 상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 4mm 미만이고, 상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 3mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.4mm 이상 1.2mm 이하이고, 상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 3mm 이상 4mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.6mm 이상 1.8mm 이하이고, 상기 심선은, 고강도 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함하고, 지름이 0.2mm 이상 0.6mm 이하인 꼰 코드이고, 상기 심선과 심선과의 사이의 각 심선 피치가 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위로 되도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 헬리컬 톱니 벨트에 관한 것이다.

Description

헬리컬 톱니벨트 및 전동장치
본 발명은, 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 특히, 고부하 또는 고속 회전에서 구동되는 벨트 전동 장치에 적용되는 헬리컬 톱니 벨트(Helical 齒 Belt), 및 벨트 전동 장치(傳動裝置)에 관한 것이다.
예를 들면, 전동 파워스티어링 장치(電動 power steering 裝置)의 감속 장치와 같이, 고부하 또는 고속 회전으로 구동되는 벨트 전동 장치에 있어서, 벨트 폭 방향으로 평행하게 연장하는 톱니부를 가지는 직(直) 톱니벨트를 사용하면, 벨트의 톱니부(齒部)와 풀리의 톱니부와의 맞물림의 개시 시 및 종료 시에 큰 소음이나 진동이 발생한다. 이 문제의 대책으로서, 톱니부가 벨트 폭 방향에 대하여 경사지게 배치된 헬리컬 톱니 벨트가 사용되고 있다. 헬리컬 톱니 벨트는, 벨트의 톱니부와 풀리의 톱니부와의 맞물림이, 각각의 톱니부의 일단으로부터 타단으로 순차 진행한다. 그 때문에, 직 톱니 벨트를 이용한 벨트 전동 장치에 비하여, 소음이나 진동을 저감할 수 있다.
그러나, 헬리컬 톱니 벨트를 이용하여도, 반드시 소음 및 진동을 충분히 저감할 수 없는 경우가 있었다. 이에 대하여, 예를 들면, 특허문헌1, 및 특허문헌2는, 헬리컬 톱니 벨트를 이용한 고부하 또는 고속 회전으로 구동되는 벨트 전동 장치에 있어서, 소음 및 진동을 보다 저감하는 기술을 제안하고 있다.
특허문헌1에서는, 톱니 피치를 Pt, 벨트 폭을 W로 하여, 치근(齒筋) 각도 θ를, -0.2≤1-Wㆍtanθ/Pt≤0.75를 만족하는 값으로 설정하고 있다. 게다가, 헬리컬 톱니 벨트의 톱니부와 풀리의 톱니부와의 사이의 백래시(back lash, 간극)를 톱니 피치 Pt의 1.6%~3%로 설정하고 있다.
특허문헌2에서는, 치근 각도 θ를 7도 이상 또한 10 이하로 하고 있다. 게다가, 등부(背部)의 두께를 tb, 톱니부의 톱니 높이(齒高)를 hb로 하여, 두께 tb의 톱니 높이 hb에 대한 비율(100×tb/hb)을, 120% 이상 240% 이하로 설정하고 있다.
근년, 자동차의 정숙화가 진행되고 있기 때문에, 예를 들면, 전동 파워 스티어링 장치의 감속 장치 등의 벨트 전동 장치는, 소음을 보다 저감하는 것이 요구되고 있다. 그러나, 특허문헌1 및 특허문헌2의 기술에서는, 만족할 수 있는 레벨까지 소음 및 진동을 저감하는 것이 가능하지 않은 우려가 있다.
특허문헌1: 일본국 특개2004-308702호 공보 특허문헌2: 국제공개 제2014/024377호
이 점, 소음 및 진동을 저감하기 위하여, 헬리컬 톱니 벨트의 강성(탄성율)을 높이는 것이 고려되고 있다. 강성을 높이는 방법으로서는, 헬리컬 톱니 벨트의 두께(특히 등부의 두께)를 크게 하는 방법을 들 수 있다. 그러나, 이 방법에서는 진동이나 소음을 억제할 수 있어도, 헬리컬 톱니 벨트의 굴곡성이 악화되기 때문에, 풀리 상에서의 굴곡 피로가 증대하고, 특히 저온 환경에서 균열이 들어가기 쉽게 된다.
여기에서, 본 발명은, 헬리컬 톱니 벨트의 두께를 크게 하는 것 없이 강성을 높이고, 고부하 또는 고속 회전에서 구동되는 벨트 전동 장치에 사용되는 경우에, 소음 및 진동을 보다 저감할 수 있는 헬리컬 톱니 벨트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 형태의 하나는, 심선(心線)이 매설된 등부(背部)와,
상기 등부의 한쪽의 표면에 벨트 길이 방향을 따라 소정 간격으로 마련되고, 각각이 벨트 폭 방향에 대하여 경사진 복수의 톱니부를 가지는 헬리컬 톱니 벨트에 있어서,
상기 톱니부의 표면 및 상기 등부의 상기 한쪽의 표면의 일부가, 톱니포(齒布)로 구성되어 있고,
상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 4mm 미만이고,
상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 3mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.4mm 이상 1.2mm 이하이고,
상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 3mm 이상 4mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.6mm 이상 1.8mm 이하이고,
상기 심선은, 고강도 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함하고, 지름이 0.2mm 이상 0.6mm 이하인 꼰 코드(撚 cord)이고, 상기 심선과 심선과의 사이의 각 심선 피치가 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위로 되도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구성에 의하면, 등부의 톱니부 측의 표면은, 톱니포로 구성되어 있기 때문에, 보강되어 강성이 높아진다. 또, 등부에 매설되는 심선은, 고강도(고탄성율)의 섬유재인 고강도 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함하는 꼰 코드이고, 그 꼰 코드의 지름은, 0.2mm 이상 0.6mm 이하이다. 그 때문에, 등부의 굴곡성를 확보하면서, 심선에 의해 등부의 강성을 보다 높게 하는 것이 가능하다.
이와 같이 등부의 강성을 높게 하는 것으로, 헬리컬 톱니 벨트가 고부하 또는 고속 회전으로 구동되는 벨트 전동 장치에 사용되어도, 헬리컬 톱니 벨트의 톱니부가 풀리의 톱니부와 맞물릴 때에 생기는, 헬리컬 톱니 벨트의 심선을 중심으로 한 진동(현(弦)진동)을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 진동에 의해 생기는 소음을 저감하는 것이 가능하다.
또, 등부에 매설되는 심선은, 심선간의 각 심선 피치가 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위로 되도록 배열된다. 이것에 의해, 등부의 두께를 더욱 크게 한다든지, 심섬의 지름을 더욱 크게 하는 것 없이(굴곡성을 희생하는 것 없이), 헬리컬 톱니 벨트의 강성을 더욱 높이는 것이 가능하다.
또, 톱니 피치가 2mm 이상 3mm 미만인 경우, 등부의 두께는 0.4mm 이상 1.2mm 이하이다. 톱니 피치가 3mm 이상 4mm 미만인 경우에, 등부의 두께는 0.6mm 이상 1.8mm 이하이다. 이들 두께는, 예를 들면, 자동차용 전동 파워스티어링 장치의 감속 장치에 이용되는 종래의 헬리컬 톱니 벨트의 등부의 두께와 같은 정도이다. 본 발명의 헬리컬 톱니 벨트는, 등부의 두께를 크게 하는 것 없이 등부의 강성을 높이는 것이 가능하다. 그 때문에, 내굴곡피로성(耐屈曲疲勞性)을 충분히 확보하면서, 진동 및 소음을 보다 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 상기 등부에 매설된 상기 심선은, 당해 헬리컬 톱니 벨트의 벨트 폭 방향의 한쪽의 단(端)으로부터 다른 쪽의 단에 걸쳐, 상기 각 심선 피치가, 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위의 일정 값으로 되도록 배열되어 있어도 좋다.
상기 구성에 의하면, 등부의 두께를 더욱 크게 한다든지, 심선의 지름을 더욱 크게 한다든지 하는 것 없이(굴곡성을 희생하는 것 없이), 헬리컬 톱니 벨트의 강성을 더욱 높이는 것이 가능하고, 진동 및 소음을 보다 억제하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 3mm 미만인 경우에, 상기 톱니부의 톱니 높이가, 0.7mm 이상 2.0mm 이하이고,
상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 3mm 이상 4mm 미만인 경우에, 상기 톱니부의 톱니 높이가, 1.0mm 이상 2.3mm 이하이어도 좋다.
상기 구성에 의하면, 진동 및 소음을 보다 억제하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 상기 등부가 고무 성분을 포함하고, 상기 고무 성분이 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원 공중합체(三元共重合體) 또는 수소화 니트릴 고무를 포함하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 진동 및 소음을 보다 억제하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 상기 톱니포가 경사(經絲) 및 위사(緯絲)를 포함하는 직포(織布)로 구성되어 있고, 경사 또는 위사가 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치되어 있고, 당해 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치된 경사 또는 위사가 신축성을 가지는 탄성사(彈性絲)를 포함하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 진동 및 소음을 보다 억제하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 상기 톱니포를 구성하는 섬유가, 나일론, 아라미드, 폴리에스테르, 폴리벤즈옥사졸, 및 면(綿)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 섬유를 포함하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 진동 및 소음을 보다 억제하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 헬리컬 톱니 벨트에 있어서, 상기 등부의 다른 쪽의 표면이, 등포로 구성되어 있고,
상기 등포를 구성하는 섬유가, 나일론, 아라미드, 및 폴리에스테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 섬유를 포함하여도 좋다.
상기 구성에 의하면, 상기 등부의 다른 쪽의 면은 등포로 구성되고, 이 등포를 구성하는 섬유가, 나일론, 아라미드, 및 폴리에스테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 섬유를 포함하기 때문에, 등부는, 더욱 보강되어 강성이 높아진다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 헬리컬 톱니 벨트의 벨트 탄성율이, 벨트 폭 1mm 당 0.96MPa 이상이어도 좋다.
상기 구성에 의하면, 진동을 억제하여 충분한 정숙성이 얻어지는 정도의, 헬리컬 톱니 벨트의 강성을 확보하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 구동원에 의해 회전 구동되는 구동 풀리와,
종동 풀리와,
상기 구동 풀리 및 상기 종동 풀리에 감아 걸리는, 상기 헬리컬 톱니 벨트를 구비하는 벨트 전동 장치이어도 좋다.
상기 구성에 의하면, 구동 풀리의 구동력을 종동 풀리에 전동시키는 벨트 전동 장치에 있어서, 소음 및 진동을 저감하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 벨트 전동 장치에 있어서, 상기 구동 풀리의 회전 속도가 1000rpm 이상 4000rpm 이하이어도 좋다.
상기 구성에 의하면, 고속 회전으로 구동되는 벨트 전동 장치에 있어서, 소음 및 진동을 충분히 저감할 수 있다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 벨트 전동 장치에 있어서, 상기 종동 풀리의 부하가 0.5kW 이상 3kW 이하이어도 좋다.
상기 구성에 의하면, 고부하로 구동되는 벨트 전동 장치에 있어서, 소음 및 진동을 충분히 저감할 수 있다.
또, 본 발명의 형태의 하나는, 상기 벨트 전동 장치에 있어서, 상기 종동 풀리의 외경(外徑)이, 상기 구동 풀리의 외경보다 크고,
상기 벨트 전동 장치가, 자동차용의 전동 파워스티어링 장치의 감속 장치이어도 좋다.
상기 구성에 의하면, 자동차용의 전동 파워스티어링 장치의 감속 장치에 있어서, 소음 및 진동을 충분히 저감할 수 있다.
헬리컬 톱니 벨트의 두께를 크게 하는 것 없이 강성을 높이고, 고부하 또는 고속 회전으로 구동되는 벨트 전동 장치에 사용되는 경우에, 소음 및 진동을 보다 저감할 수 있는 헬리컬 톱니 벨트를 제공하는 것이 가능하다.
[도1] 도1은 본 실시 형태의 헬리컬 톱니 벨트가 적용되는 전동 파워스티어링 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
[도2] 도2는 전동 파워스티어링 장치의 감속 장치의 측면도이다.
[도3] 도3은 헬리컬 톱니 벨트의 부분 사시도이다.
[도4] 도4은 헬리컬 톱니 벨트를 내주측으로부터 본 도이다.
[도5] 도5은 헬리컬 톱니 벨트의 벨트 폭 방향의 단면도이다.
이하 본 발명의 실시 형태의 일 예에 관하여 설명한다. 본 실시 형태의 헬리컬 톱니 벨트(30)는, 예를 들면 도1에 나타내는 자동차용의 전동 파워스티어링 장치(1)의 감속 장치(20)에 이용될 수 있다.
[전동 파워스티어링 장치의 구성]
전동 파워 스티어링(EPS) 장치(1)는, 스티어링 휠(2)에 연결된 스티어링 샤프트(3)와, 스티어링 샤프트(3)에 연결되는 중간 축(4)과, 중간 축(4)에 연결되어, 스티어링 휠(2)의 회전에 연동하여 차륜(9)을 조타(操舵)하는 조타기구(5)를 가진다.
조타기구(5)는 중간 축(4)에 연결된 피니언(pinion) 축(6)과, 피니언 축(6)에 맞물리는 랙(rack) 축(7)을 포함한다. 랙 축(7)은 차량의 좌우 방향을 따라 연장하여 있다. 랙 축(7)의 축방향의 도중부에는 피니언 축(6)에 마련된 피니언(6a)과 맞물리는 랙(7a)이 형성되어 있다. 랙 축(7)의 양 단부에는 타이 로드(tie rod)(8) 및 너클 암(knuckle arm)(도시하지 않음)을 통하여 차륜(9)이 연결되어 있다. 스티어링 휠(2)의 회전은 스티어링 샤프트(3) 및 중간 축(4)을 통하여 피니언 축(6)에 전달된다. 피니언 축의 회전은, 랙 축(7)의 축 방향으로의 이동으로 변환된다. 이것에 의해, 차륜(9)이 전타(轉舵)된다.
전동 파워 스티어링 장치(1)는, 스티어링 휠(2)에 가해지는 조타 토크에 따라 조타 보조력을 얻을 수 있도록 되어 있다. 그를 위한 수단으로서, 전동 파워 스티어링 장치(1)는 조타 토크를 검출하는 토크 센서(13)와, 제어 장치(14)와, 조타 보조용의 전동 모터(15)(구동원)와, 전동 모터(15)의 구동력을 조타 기구(5)에 전동하는 전동 장치로서의 감속 장치(20)를 포함한다.
토크 센서(13)로 조타 토크를 검출하기 위하여, 스티어링 샤프트(3)는 입력 축(10)과, 토션 바(11)와, 출력 축(12)을 가진다. 스티어링 휠(2)이 조작되어, 입력 축(10)에 조타 토크가 입력되면 토션 바(11)가 비틀림 변형하여, 입력 축(10)과 출력 축(12)이 상대 회전한다. 토크 센서(13)는, 입력 축(10)과 출력 축(12)의 상대 회전 변위량에 기초하여, 스티어링 휠(2)에 입력된 조타 토크를 검출한다. 토크 센서(13)의 검출 결과는, 제어 장치(14)에 입력된다. 제어 장치(14)는 토크 센서(13)에 의해 검출된 조타 토크 등에 기초하여, 전동 모터(15)를 제어한다.
감속 장치(20)는, 구동 풀리(21)와, 종동 풀리(22)와, 풀리 (21) 및 (22)에 감아 걸리는 헬리컬 톱니 벨트(30)를 가진다. 종동 풀리(22)는 구동 풀리(21)보다도 외경이 크다. 구동 풀리(21)는 전동 모터(15)의 회전 축에 고정된다. 종동 풀리(22)는 피니언 축(6)에 고정된다. 도2에 나타낸 바와 같이, 구동 풀리(21)의 외주면에는 복수의 헬리컬 톱니(21a)가 형성되어 있다. 종동 풀리(22)의 외주면에는 복수의 헬리컬 톱니(22a)가 형성되어 있다. 구동 풀리(21)의 회전 속도는, 예를 들면, 1000rpm 이상 4000 rpm 이하이다. 종동 풀리(22)의 부하는, 예를 들면, 0.5kW 이상 3kW 이하이다.
스티어링 휠(2)이 조작되면, 조타 토크가 토크 센서(13)에 의해 검출되어, 제어 장치(14)가 전동 모터(15)를 구동한다. 전동 모터(15)가 구동 풀리(21)를 회전시키면, 헬리컬 톱니 벨트(30)가 주행하여, 종동 풀리(22) 및 피니언 축(6)이 회전한다. 전동 모터(15)의 회전력은, 감속 장치(20)에 의해 감속되어, 피니언 축(6)에 전달된다. 또, 상술한 바와 같이, 스티어링 휠(2)의 회전은, 스티어링 샤프트(3) 및 중간 축(4)을 통하여 피니언 축(6)에 전달된다. 그리고, 피니언 축(6)의 회전은, 랙 축(7)의 축 방향 이동으로 변환되고, 이것에 의해, 차륜(9)이 조타된다. 이와 같이, 전동 모터(15)에 의해, 피니언 축(6)의 회전이 보조되는 것으로, 운전자의 조타가 보조된다.
또한, 본 발명의 헬리컬 톱니 벨트(30)를 적용 가능한 전동 파워 스티어링 장치(1)의 구성은, 도1에 나타낸 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 감속 장치(20)의 종동 풀리(22)가, 중간 축(4) 또는 스티어링 샤프트(3)에 고정되어 있어도 좋다. 또, 예를 들면, 감속 장치(20)의 종동 풀리(22)가, 변환 기구를 통하여 랙 축(7)에 연결되어 있어도 좋다. 변환 기구는, 예를 들면, 볼 나사 기구 또는 베어링 나사 기구이고, 종동 풀리(22)의 회전력을 랙 축(7)의 축 방향의 힘으로 변환하여 랙 축(7)에 전달하여도 좋다.
[헬리컬 톱니 벨트의 구성]
도3에 나타낸 바와 같이, 헬리컬 톱니 벨트(30)는 심선(33)이 벨트 길이 방향을 따라 나선상으로 매설된 등부(31)와, 등부(31)의 내주면(등부(31)의 한쪽의 표면에 상당)에 벨트 길이 방향을 따라 소정 간격으로 마련된 복수의 톱니부(32)를 가진다. 본 실시 형태에서는, 복수의 톱니부(32)는, 등부(31)의 내주면에 일체 성형되어 있다. 또, 도4에 나타낸 바와 같이, 톱니부(32)는, 벨트 폭 방향에 대하여 경사지어 연장하고 있다. 또, 헬리컬 톱니 벨트(30)의 내주면, 즉, 톱니부(32)의 표면 및 등부(31)의 내주면의 일부는, 등포(35)로 피복되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 등부(31)의 외주면(등부(31)의 다른 쪽의 표면에 상당)은, 등포로 피복되어 있지 않지만, 등포에 의해 피복되어 있어도 좋다.
헬리컬 톱니 벨트(30)의 둘레 길이(周長)는, 예를 들면, 150mm~400mm 이다. 또한 본 명세서에서, 「X~Y」로 나타낸 수치 범위는, X 이상 Y 이하를 의미한다. 헬리컬 톱니 벨트(30)의 폭 W(도4 참조)은, 예를 들면, 4~30mm이다. 톱니부(32)의 톱니 피치 P(도3 참조)는, 2mm 이상, 4mm미만이다. 톱니 피치 P가 2mm 이상 3mm 미만의 경우, 등부(31)의 두께 tb(도3 참조)는 0.4~1.2mm이고, 바람직하게는, 0.6mm 이상 0.9mm 이하이다. 톱니 피치 P가 3mm 이상 4mm 미만의 경우, 등부(31)의 두께 tb는 0.6~1.8mm이고, 바람직하게는, 0.8mm 이상 1.2mm 이하이다. 톱니 피치 P가 2mm 이상 3mm 이하의 경우, 톱니부(32)의 톱니 높이 hb(도 3참조)는, 예를 들면, 0.7~2.0mm이고, 바람직하게는, 0.8mm 이상, 1.0mm 이하이다. 톱니 피치 P가 3mm 이상 4mm 미만의 경우, 톱니부(32)의 톱니 높이 hb는, 예를 들면, 1.0~2.3mm이고, 바람직하게는, 1.1mm 이상, 2.0mm 이하이다. 헬리컬 톱니 벨트(30)의 총 두께(최대 두께) t(도3 참조)는, 등부(31)의 두께 tb와 톱니 높이 hb와의 합계이다. 톱니부(32)의 벨트 폭 방향에 대한 경사 각도 θ(도4 참조)는, 예를 들면, 2~7°, 바람직하게는 2~6°이다.
[등부 및 톱니부]
등부(31) 및 톱니부(32)는, 고무 조성물로 구성되고, 이 고무 조성물의 고무 성분으로서는, 클로로프렌 고무(CR), 니트릴 고무, 수소화 니트릴 고무(HNBR), 에틸렌-프로필렌 공중합체(EPM), 에틸렌-프로필렌-디엔 3원 공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔 고무, 부틸 고무, 클로로설폰화폴리에틸렌 고무 등이 이용된다. 특히 바람직한 고무 성분은, 에틸렌-프로필렌-디엔 3원 공중합체(EPDM)이고, 클로로프렌 고무, 수소화 니트릴 고무(HNBR)도 호적하게 이용된다. 본 실시 형태에서는, 등부(31)와 톱니부(32)를 구성하는 고무 조성물은, 동일 고무 조성물로 형성되어 있어도 좋고, 다른 고무 조성물로 형성되어 있어도 좋다.
등부(31) 및 톱니부(32)를 구성하는 고무 조성물은, 필요에 따라, 관용의 각종 첨가제(또는 배합제)를 포함하고 있어도 좋다. 첨가제로서는, 가류제(加硫劑) 또는 가교제(架橋劑)(예를 들면, 옥심류(퀴논디옥심 등), 구아니딘류(디페닐구아니딘 등), 금속 산화물(산화 마그네슘, 산화 아연 등)), 가류조제, 가류촉진제, 가류지연제, 보강제(카본 블랙, 함수 실리카 등의 산화 규소 등), 금속 산화물(예를 들면, 산화 아연, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 바륨, 산화 철, 산화 동, 산화 티탄, 산화 알루미늄 등), 충전제(클레이, 탄산칼슘, 탈크, 마이카 등), 가소제, 연화제(파라핀 오일, 나프텐계 오일 등의 오일류 등), 가공제 또는 가공조제(스테아린산, 스테아린 산 금속염, 왁스, 파라핀 등), 노화방지제(방향족 아민계 노화 방지제, 벤즈이미다졸계 노화방지제 등), 안정제(산화 방지제, 자외선 흡수제, 열 안정제 등), 윤활제, 난연제, 대전 방지제 등이 예시될 수 있다. 이들 첨가제는, 단독 또는 조합하여 사용할 수 있고, 고무 성분의 종류나 용도, 성능 등에 따라 선택할 수 있다.
[심선]
심선(33)은, 등부(31)에, 벨트 길이 방향을 따라, 벨트 폭 방향으로 소정의 간격(0.45mm 이상 0.6mm 이하)을 띄워 나선상으로 매설되어 있다. 보다 상세하게는, 심선(33)은, 도3 및 도5에 나타낸 바와 같이, 등부(31)의 벨트 폭 방향의 한쪽의 단으로부터 다른 쪽의 단에 걸쳐, 나선상으로 매설된 심선(33)과 심선(33)과의 중심간의 거리인 각 심선 피치 SP가, 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위의 일정 값으로 되도록 배열되어 있어도 좋다. 또한, 본 명세서에서는, 도5에 나타낸 바와 같이, 벨트 폭 방향으로 소정의 심선 피치 SP로 배열된 심선의 단면시(斷面視)에서의 겉보기 상의 수를 「심선의 본수(本數)」로서 취급하고 있다. 즉, 나선상으로 매설된 심선(33)의 나선수를 「심선의 본수」로 하고 있다.
여기에서, 「심선의 본수」란, 벨트의 강도(탄성율)에 영향을 주는 본수(유효 본수)만 셈하는 것이 바람직하다. 따라서, 헬리컬 톱니 벨트(30)의 등부(31)의 한쪽의 단 및 다른 쪽의 단에 배치된, 재단(裁斷)되어, 단면시가 원형이 아닌 심선(33)은 유효 본수에는 들어가지 않고, 단면시에서 재단되어 있지 않는 심선(33)을 유효 본수로서 셈하는 것이 바람직하다.
그렇지만, 실제는, 심선(33)은 나선상으로 매설되어 있기 때문에, 1본의 무단상(無端狀)의 헬리컬 톱니 벨트(30)의 가운데에서도 단면을 채취하는 부위에 따라, 심선(33)의 배치 태양이 다른 것, 재단되어 단면시가 원형이 아닌 심선(33)도 벨트의 강력(탄성율)에 주는 영향은 무시할 수 없기 때문에, 실용적으로는, 각 심선의 피치 SP가, 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위의 일정 값인 경우에는, 벨트 폭을 심선 피치 SP(0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위의 일정 값)로 나눈 계산치로부터 소수점 이하의 값을 절사한 값을, 개산적인 「심선의 본수」(유효 본수)로 간주하고 있다. 예를 들면, 벨트 폭 25mm, 심선 피치 SP가 0.56mm이라면, 계산치는 44.64로 되고, 「심선의 본수」(유효 본수)는 44본으로 간주하고 있다. 또, 벨트 폭 25mm, 심선 피치 SP가 0.52mm이라면, 계산치는 48.07로 되고, 「심선의 본수」(유효 본수)는 48본으로 간주하고 있다. 또, 벨트 폭 25mm, 심선 피치 SP가 0.60mm이라면, 계산치는 41.67로 되고, 「심선의 본수」(유효 본수)는 41본으로 간주하고 있다.
또, 심선(33)은, 복수 본의 스트랜드를 합쳐 꼬아 형성된 꼰 코드로 구성된다. 1본의 스트랜드는, 필라멘트(장섬유)를 묶어 가지런히 당겨 형성되어 있어도 좋다. 심선(33)의 지름은, 0.2~0.6mm이다. 꼰 코드를 형성하는 필라멘트의 굵기는, 필라멘트의 수속(收束) 본수, 스트랜드의 본수, 및 꼰 방식 등의 꼼 구성에 관하여는 특별히 제한되지 않는다. 필라멘트의 재질은, 고강도 유리섬유 또는 탄소섬유이다. 고강도 유리섬유 및 탄소섬유는, 모두, 고강도 또한 저신도(低伸度)이고, 심선(33)의 재질로서 호적이지만, 저코스트의 관점으로부터, 고강도 유리섬유가 보다 바람직하다.
고강도 유리 섬유로서는, 예를 들면, 인장 강도가 300kg/㎠ 이상의 것, 특히, 무알칼리 유리 섬유(E 유리 섬유)보다도 Si성분이 많은 하기 표1에 나타낸 조성의 유리 섬유를 호적하게 사용할 수 있다. 또한 하기 표1에는 비교를 위해 E 유리 섬유의 조성도 기재하고 있다. 이와 같은 고강도 유리 섬유로서는 K 유리 섬유, U 유리 섬유(동시에 日本硝子纖維社 製), T 유리 섬유(日東紡績社 製), R 유리 섬유(Vetrotex社 製), S 유리 섬유, S-2 유리 섬유, ZENTRON 유리 섬유(전부 Owens Corning Fiberglass社 製) 등이 열거될 수 있다.
표1
성분항목 고강도 유리 섬유 E 유리 섬유
SiO 58~70 52~56
Al2O3 17~27 12~16
MgO 7~17 0~6
CaO 0~10 12~25
Na2O 0~2 0~0.8
K2O 0~2 8~13
B2O3 0~2
Fe2O3, TiO2 등의 불순물을 포함한다
탄소섬유로서는, 예를 들면, 피치계 탄소섬유, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유, 페놀수지계 탄소섬유, 셀룰로스계 탄소섬유, 폴리비닐알코올계 탄소섬유 등이 열거될 수 있다. 탄소섬유의 시판품으로서는, 예를 들면, 토레㈜ 製 「토레카(등록상표)」, 동방테낙스㈜ 製 「테낙스(등록상표)」, 미쯔비시케미칼㈜ 製 「다이아리드(등록상표)」 등을 이용할 수 있다. 이들의 탄소섬유는, 단독 또는 2종 이상 조합시켜 사용할 수 있다. 이들의 탄소섬유 중, 피치계 탄소섬유, PAN계 탄소섬유가 바람직하고, PAN계 탄소섬유가 특히 바람직하다.
심선(33)으로서 이용하는 꼰 코드에는, 등부(31)와의 접착성을 높이기 위하여 접착 처리가 실시되어도 좋다. 접착 처리로서는, 예를 들면, 꼰 코드를, 레졸신-포르말린-라텍스 처리액(RFL 처리액)에 침지 후, 가열 건조하여, 표면에 균일하게 접착층을 형성하는 방법이 채용된다. RFL 처리액은 레졸신과 포르말린과의 초기 축합체를 라텍스에 혼합한 것이고, 여기에서 사용하는 라텍스로서는, 클로로프렌, 스티렌ㆍ부타디엔ㆍ비닐피리딘 3원 공중합체(VP라텍스), 수소화 니트릴, NBR 등이 열거될 수 있다. 또한, 접착 처리로서는, 에폭시 또는 이소시아네이트 화합물로 전처리를 행한 후에, RFL 처리액으로 처리하는 방법 등도 있다.
[톱니포]
톱니포(35)는, 경사와 위사를 일정한 규칙에 의해 종횡으로 교착(交錯)시켜 짠 직포로 구성되는 것이 바람직하다. 직포의 짠 방식은 능직, 주자직 등의 어느 것이어도 좋다. 경사 및 위사의 형태는, 필라멘트(장섬유)를 정돈하여 당긴다든지, 합쳐 꼰 멀티필라멘트 사(絲), 1본의 장섬유인 모노필라멘트 사(絲), 단섬유를 합쳐 꼰 스팬 사(絲)(방적사)의 어느 것이어도 좋다. 경사 또는 위사가 멀티필라멘트 사 또는 스팬 사의 경우, 복수 종류의 섬유를 이용한 혼년사(混撚絲) 또는 혼방사(混紡絲)이어도 좋다. 위사는 신축성을 가지는 탄성사를 포함하는 것이 바람직하다. 탄성사로서는, 예를 들면, 폴리우레탄으로 이루어지는 스팬덱스와 같이 재질 자체가 신축성을 가지는 것이거나, 섬유를 신축 가공(예를 들면, 울리 가공, 권축 가공 등)한 가공사가 이용될 수 있다. 통상, 경사에는 탄성사를 이용하지 않는다. 그 때문에, 제직(製織)이 용이할 수 있다. 그리고, 톱니포(35)로서는, 직포의 경사를 벨트 폭방향으로, 위사를 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치하는 것이 바람직하다. 그것에 의해, 톱니포(35)의 벨트 길이 방향의 신축성을 확보할 수 있다. 또한, 톱니포(35)는, 직포의 위사를 벨트 폭 방향으로, 경사를 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치하여도 좋다. 이 경우, 경사로서, 신축성을 가지는 탄성사를 이용하여도 좋다. 톱니포(35)를 구성하는 섬유의 재질로서는, 나일론, 아라미드, 폴리에스테르, 폴리벤즈옥사졸, 면 등의 어느 것인가 또는 이들의 조합을 채용할 수 있다.
톱니포(35)로서 이용하는 직포는, 등부(31) 및 톱니부(32)와의 접착성을 높이기 위하여, 접착 처리가 실시되어 있어도 좋다. 접착 처리로서는, 직포를 레졸신-포르말린-라텍스(RFL 액)에 침지 후, 가열 건조하여, 표면에 균일하게 접착층을 형성하는 방법이 일반적이다. 그러나, 이것에 한하는 것은 아니고, 에폭시 또는 이소시아네이트 화합물로 전처리를 행한 후에, 직포를 RFL 액으로 처리하는 방법 외에, 고무 조성물을 메틸에틸케톤, 톨루엔, 크실렌 등의 유기 용매에 용해하여 고무 풀을 조제하고, 이 고무 풀에 직포를 침지 처리하여, 고무 조성물을 함침, 부착시키는 방법도 채용하는 것이 가능하다. 이들 방법은, 단독 또는 조합시켜 행하는 것도 가능하고, 처리 순서나 처리 횟수는 특별히 한정되지 않는다.
[등포]
또한, 본 실시 형태에서는, 등부(31)의 외주면(등부(31)의 다른 쪽의 표면에 상당)은, 포 등에 의해 피복되어 있지 않지만, 등포(36)에 의해 피복되어 있어도 좋다. 등부(31)의 외주면을, 등포(36)로 피복하는 경우, 등포(36)는 편사(編絲)로 뜬 편포(編布), 또는 경사와 위사를 일정한 규칙에 의해 종횡으로 교착시켜 짠 직포로 구성되는 것이 바람직하다.
편포는, 1본 또는 2본 이상의 편사가 망목(網目)(루-프)을 만들고, 그 루-프에 다음의 사(絲)를 걸어 당겨 새로운 루-프를 연속적으로 만들어 편성(編成)된 구조를 가지는 포이다. 즉, 편포에서는, 사를 직선상으로 교착시키는 것 없이, 루-프를 만드는 것으로 형성된다. 등포(36)에 편포를 이용하는 경우, 편포(또는 편포의 편성)는, 위편(또는 위편으로 편성된 편포), 경편(또는 경편으로 편성된 편포)의 어느 것이어도 좋다. 편포의 형상으로서는, 평면 형상, 원통 형상(丸編) 등 제한 되지 않고, 또 편지(編地)는 표목(表目)과 이목(裏目) 어느 쪽이 벨트 본체의 피착면으로 되어도 좋다. 위편(위편의 편조직)으로서는, 예를 들면, 평편(천축편(天竺編)), 고무편, 록자편(鹿子編), 스무스편, 자카드편 등이 열거될 수 있다. 또, 경편(또는 경편의 편조직)으로서는, 예를 들면, 싱글덴비-, 싱글코-드, 트리코트, 하-프 트리코트 등이 열거될 수 있다.
등포(36)에 직포를 이용하는 경우, 직포의 짠 방식은, 평직, 능직, 주자직 등의 어느 것이어도 좋다. 헬리컬 톱니 벨트(30)의 굴곡성을 확보하는 관점으로부터, 벨트 길이 방향으로 구부리기 쉽게 하기 위해, 직구성 또는 편구성을 벨트 길이 방향으로 신축하기 쉬운 형태로 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 위사에 신축성을 가지는 탄성사를 포함하는 직포를 이용하고, 직포의 경사를 벨트 폭 방향으로, 위사를 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치하는 것이 바람직하다. 편포의 편사, 또는 직포의 경사 또는 위사의 형태는, 필라멘트(장섬유)를 정돈하여 당긴다든지, 합쳐 꼰 멀티필라멘트사, 1본의 장섬유인 모노필라멘트사, 단섬유를 합쳐 꼰 스팬사(방적사)의 어느 것이어도 좋다. 경사 또는 위사가 멀티필라멘트사 또는 스팬사의 경우, 복수 종류의 섬유를 이용한 혼년사(混撚絲) 또는 혼방사(混紡絲)이어도 좋다. 등포(36)를 구성하는 섬유의 재질로서는, 나일론, 아라미드, 폴리에스테르 등의 어느 것인가 또는 이들의 조합을 채용할 수 있다. 이 경우, 등부(31)는, 더욱 보강되고, 헬리컬 톱니 벨트(30)의 강성이 높아진다.
등포(36)로서 이용하는 직포 또는 편포는, 등부(31)와의 접착성을 높이기 위하여 접착 처리가 실시되어 있어도 좋다. 접착 처리로서는, 톱니포(35)의 경우와 같이, 포를 레졸신-포르말린-라텍스(RFL 액)에 침지 후, 가열 건조하여, 표면에 균일하게 접착층을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 이것에 한하지 않고 에폭시 또는 이소시아네이트 화합물로 전처리를 행한 후에, 포를 RFL 액으로 처리하는 방법 외에, 고무 조성물을 메틸에틸케톤, 톨루엔, 크실렌 등의 유기 용매에 용해하여 고무 풀을 조제하고, 이 고무 풀에 포를 침지 처리하여, 고무 조성물을 함침, 부착시키는 방법도 채용하는 것이 가능하다. 이들 방법은, 단독 또는 조합시켜 행하는 것도 가능하고, 처리 순서나 처리 횟수는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 등포(36)가 편포인 경우는, 후술하는 헬리컬 톱니 벨트(30)의 제조 방법에 있어서, 가열ㆍ가압 공정에서 편포 상에 감아 붙여진 미가류(未加硫) 고무 시트가 함침되기 때문에, 접착 처리를 시행하지 않아도 좋다.
[헬리컬 톱니 벨트의 벨트 탄성율]
헬리컬 톱니 벨트(30)의 길이 방향에 관계되는 벨트 탄성율은, 벨트 폭 1mm 당 0.96 MPa 이상인 것이 바람직하고, 더욱이는, 0.96 MPa ~ 1.4 MPa의 범위인 것이 보다 바람직하다. 예를 들??, 폭이 25mm인 헬리컬 톱니 벨트의 경우, 24 MPa 이상인 것이 바람직하고, 더욱이는, 24 MPa ~35 MPa 의 범위인 것이 보다 바람직하다. 헬리컬 톱니 벨트(30)의 벨트 탄성율을 벨트 폭 1mm 당 0.96 MPa 이상으로 하는 것에 의해, 풀리 사이에 감아 걸린, 헬리컬 톱니 벨트(30)를 주행시켰을 때에 헬리컬 톱니 벨트(30)의 진동을 억제하여 충분한 정숙성이 얻어질 정도의, 헬리컬 톱니 벨트의 강성을 확보하는 것이 가능하다.
[헬리컬 톱니 벨트의 제조 방법]
헬리컬 톱니 벨트(30)는, 예를 들면, 이하의 수순으로 제조된다.
우선, 헬리컬 톱니 벨트(30)의 복수의 톱니부(32)에 대응하는 복수의 홈부(溝部)를 가지는 원통상 몰드(도시되지 않음)에, 톱니포(35)를 형성하는 접착 처리가 실시된 직포를 감아 붙인다. 이어서, 감아 붙여진 직포의 외주면에, 심선(33)을 구성하는 꼰 코드를 나선상으로 스피닝한다. 나아가 그 외주측에 등부(31) 및 톱니부(32)를 형성하기 위한 미가류의 고무 시트를 감아 붙여, 미가류의 벨트 성형체를 형성한다.
또한, 등포(36)를 피복하는 경우는, 등부(31) 및 톱니부(32)를 형성하기 위한 미가류의 고무 시트를 감아 붙인 후, 등포를 형성하는 편포 또는 직포를 감아 붙인다. 등포(36)로서 직포를 이용하는 경우에는, 감아 붙이기 전에, 직포에 접착 처리를 시행하여 둔다. 한편, 등포(36)에 편포를 이용하는 경우에는, 접착 처리를 시행하지 않아도 좋다.
다음으로, 미가류의 벨트 성형체가, 원통상 몰드의 외주에 배치된 상태에서, 나아가 그 외주 측에, 증기 차단재인 고무제의 자켓이 덮여 씌워진다. 이어서, 자켓이 덮여 씌워진 벨트 성형체 및 원통상 몰드는, 가류관의 내부에 수용된다. 그리고, 가류관의 내부에서 벨트 성형체를 가열 가압하여, 고무 시트를 가류한다. 그것에 의해, 고무 시트의 고무 조성물이 몰드의 홈부에 압입되어, 톱니부(32)가 형성된다. 그리고 탈형(脫型)한 슬리브 상(狀)의 성형체를 소정의 폭으로 절단하는 것에 의해, 복수의 헬리컬 톱니 벨트(30)가 얻어진다.
상기 헬리컬 톱니 벨트(30)에 의하면, 등부(31)의 톱니부(32) 측의 표면은, 톱니포(35)로 구성되어 있기 때문에, 보강되어 강성이 높아진다. 또, 등부(31)에 매설되는 심선(33)은, 고강도(고탄성율)의 섬유재인 고강도 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함하는 꼰 코드로 구성되고, 꼰 코드의 지름은, 0.2mm 이상 0.6mm 이하이다. 그 때문에, 등부(31)의 굴곡성을 확보하면서, 심선(33)에 의해 등부(31)의 강성을 보다 높게 하는 것이 가능하다.
이와 같이, 등부(31)의 강성을 높인 것으로, 헬리컬 톱니 벨트(30)가, 고부하 또는 고속회전으로 구동되는 감속 장치(20)에 사용되어도, 톱니부(32)가 구동 풀리(21)나 종동 풀리(22)의 톱니부와 맞물릴 때에 생기는, 헬리컬 톱니 벨트(30)의 심선(33)을 중심으로 한 진동(현진동)을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 진동에 의해 생기는 소음을 저감하는 것이 가능하다.
또, 등부(31)에 매설되는 심선(33)은, 심선 사이의 각 심선 피치 SP가 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위로 되도록 배열되어 있다. 이것에 의해. 등부(31)의 두께를 더욱 크게 한다든지, 심선(33)의 지름을 더욱 크게 한다는지 하는 것 없이(굴곡성을 희생하는 것 없이), 헬리컬 톱니 벨트(30)의 강성을 더욱 높이는 것이 가능하다.
또, 톱니 피치 P가 2mm 이상 3mm 미만의 경우, 등부(31)의 두께는 0.4mm 이상 1.2mm 이하이다. 톱니 피치 P가 3mm 이상 4mm 미만의 경우에, 등부(31)의 두께는 0.6mm 이상 1.8mm 이하이다. 이들 두께는, 예를 들면, 자동차용의 전동 파워스티어링 장치(1)의 감속 장치(20)에 이용되는 종래의 헬리컬 톱니 벨트의 등부의 두께와 같은 정도이다. 본 발명의 헬리컬 톱니 벨트(30)는, 등부(31)의 두께를 크게 하는 것 없이 등부(31)의 강성을 높게 하는 것이 가능하다. 그 때문에, 내굴곡피로성을 충분히 확보하면서, 진동 및 소음을 보다 억제할 수 있다.
또, 종동 풀리(22)의 외경이, 구동 풀리(21)의 외경보다 큰, 자동차용의 전동 파워스티어링 장치(1)의 감속 장치(20)에 상기 헬리컬 톱니 벨트(30)를 사용하는 것에 의해, 소음 및 진동을 충분히 저감하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명의 호적한 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상술의 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위에 기재한 한에 있어서 다양한 변경이 가능할 수 있다.
실시 예
다음으로, 실시 예 1~17, 및 비교 예 1~6에 관계되는, 헬리컬 톱니 벨트를 제작하고, 후술하는 벨트 탄성율의 측정, 음압 측정 시험, 내한성 시험을 행하였다.
실시 예 1~17, 및 비교 예 1~6의 , 헬리컬 톱니 벨트에 사용하는 심선으로서, 하기 표2에 나타내는 구성의 심선 A1~A4의 꼰 코드를 작성하였다.
A1의 꼰 코드는 이하의 수순으로 작성하였다. JIS R 3413 (2012)에 기재되어 있는 호칭 KCG150의 유리 섬유의 필라멘트를 묶어 가지런히 당겨, 3본의 스트랜드로 하였다. 이 3본의 스트랜드를, 하기 표3에 나타낸 RFL 액(18~23℃)에 3초간 통과시키는 것에 의해 침지한 후, 200~280℃에서 3분간 가열 건조하여, 표면에 균일하게 접착층을 형성하였다. 이 접착 처리 후에, 3본의 스트랜드를, 꼬기 수(撚數) 12회/10cm로 아래꼬기(下撚)하여, 위꼬기(上撚)는 주지 않고, 편꼬기(片撚)로 지름이 0.35mm인 꼰 코드를 준비하였다. A2 및 A3의 꼰 코드는, 유리 섬유를 UCG150 및 ECG150으로 변경한 이외는 A1과 같은 모양으로 작성하였다. 또, A4의 꼰 코드는, 이용한 스트랜드를, 탄소 섬유의 필라멘트(3K)를 묶어 가지런히 당긴 1본의 스트랜드로 한 이외는, A1~A3의 심선과 동일 수순으로 작성하고, 편꼬기로 지름이 0.53mm인 꼰 코드로 하였다.
표2(심선의 구성)
A1 A2 A3 A4
재질 K 유리 섬유 U 유리 섬유 E 유리 섬유 탄소 섬유
필라멘트직경(μm) 9 9 9 7
스트랜드 구성 KCG150-3/0 UCG150-3/0 ECG150-3/0 3K-1/0
아래꼬기수(회/10cm) 12 12 12 12
꼼방식 편꼬기 편꼬기 편꼬기 편꼬기
코드지름(mm) 0.35 0.35 0.35 0.53
탄성율(MPa) 41.5 42.8 35.5 51.9
(심선의 탄성율)
여기에서, 표2에 나타낸 심선(길이 방향)의 탄성율(인장 탄성율)의 측정 방법에 대하여 설명한다. 오토그래프(㈜島津제작소 製 「AGS-J10kN」)의 하측 고정부와 상측 로드 셀 연결부에 차크를 붙여, 심선을 고정한다. 다음으로, 상측 차크를 상승시켜, 심선이 느슨해지지 않을 정도로 응력(약 10N)을 걸었다. 이 상태에 있는 상측 차크 위치를 초기 위치로 하고, 250mm/분의 속도로 상측 차크를 상승시켜, 심선의 응력이 200N에 도달 후, 곧 상측 차크를 하강시켜, 초기 위치까지 되돌렸다. 이때 측정된 응력-왜곡 곡선에 있어서 비교적 직선 관계에 있는 영역(100~200N)의 직선의 경사(평균 경사)를 심선의 인장 탄성율로서 산출하였다.
표3(RFL액)
질량부
레졸신 1.35
포르말린(고형분 농도: 37%) 1
비닐피리딘라텍스(고형분 농도: 40%) 130
물 50
실시 예 1~17, 및 비교 예 1~6의 헬리컬 톱니 벨트에 이용되는 톱니포는, 1종류로 하였다. 톱니포에는, 능직의 직포를 이용하고, 직포의 경사를 벨트 폭 방향으로, 위사를 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치하였다. 직포의 위사로서는, 66나일론의 섬도 155dtex인 멀티필라멘트사와, 스팬덱스(폴리우레탄 탄성 섬유)의 섬도 122dtex인 멀티필라멘트사를 이용하였다. 직포의 경사는, 섬도가 155dtex인 66나일론의 멀티필라멘트사를 이용하였다. 또한, dtex(데시텍스)란, 10000미터의 사의 질량을 그램 단위로 표시한 것이다.
톱니포에 이용하는 직포에는, 표3에 나타내는 RFL액(18~23℃)에 10초간 통과시키는 것에 의해 침지한 후, 150~170℃에서 3분간 가열 건조하여, 표면에 균일하게 접착층을 형성하는 접착처리를 실시하였다.
실시 예 1~17, 및 비교 예 1~6의 헬리컬 톱니 벨트의 등부 및 톱니부를 형성하는 미가류 고무 시트로서, 하기 표4에 나타내는 조성 C1의 미가류 고무 시트를 작성하였다.
표4(미가류 고무 시트의 조성)
C1
질량부
EPDM ※1 100
아디핀산계 가소제 0.5
오일 8
노화방지제 ※2 2
가류촉진제 ※3 3.4
카본블랙 ※4 50
무기충전제 5
산화아연 ※5 5
유황 1
합계 174.9
※1 三井化學社製 「EPT」
※2 大內新興化學工業社製 「노크랙 MB」
※3 大內新興化學工業社製 「N-시클로헥실-2벤조티아졸술펜아미드」
※4 東海CARBON社製 「시-스토 3」
※5 正同化學工業社製 「산화아연 3종」
꼰 코드(심선) A1~A4, 톱니포, 및 조성 C1의 마가류 고무 시트를 이용하여, 상기 실시 형태에 기재한 수순으로, 실시 예 1~17 및 비교 예 1~6의 헬리컬 톱니 벨트를 작성하였다. 가류는, 161℃에서 25분간 행하였다. 실시 예 1~17 및 비교 예 1~6의 헬리컬 톱니 벨트의 구성을 하기 표5~표8에 나타낸다. 실시 예 1~17 및 비교 예 1~6의 헬리컬 톱니 벨트의 벨트 폭은, 전부 25mm로 하고, 톱니부의 벨트 폭 방향에 대한 경사 각도는 전부, 5°로 하였다.
Figure 112020001573226-pct00001
Figure 112020001573226-pct00002
Figure 112020001573226-pct00003
Figure 112020001573226-pct00004
(벨트 탄성율의 측정)
실시 예 1~17 및 비교 예 1~6의 헬리컬 톱니 벨트(벨트 길이 방향)에 대하여 벨트 탄성율(인장탄성율)을 측정하였다. 벨트 탄성율의 측정 방법에 대하여 설명한다. 오토그래프(㈜島津제작소 製 「AGS-J10kN」)의 하측 고정부와 상측 로드 셀 연결부에 한 쌍의 풀리(30톱니 외경18.6mm)를 취부(取付)하고, 헬리컬 톱니 벨트를 풀리에 걸었다. 다음으로, 상측 풀리를 상승시켜, 헬리컬 톱니 벨트가 느슨해지지 않을 정도로 응력(약 10N)을 걸었다. 이 상태에 있는 상측 풀리의 위치를 초기 위치로 하고, 50mm/분의 속도로 상측 풀리를 상승시켜, 헬리컬 톱니 벨트의 응력이 500N에 도달 후, 곧 상측 풀리를 하강시켜, 초기 위치까지 되돌렸다. 이때 측정된 응력-왜곡 곡선에 있어서 비교적 직선 관계에 있는 영역(100~500N)의 직선의 경사(평균 경사)를 벨트의 인장 탄성율로서 산출하였다. 그리고, 벨트 탄성율이 24MPa 이상(벨트 폭 1mm당 0.96MPa 이상)의 경우에는, 헬리컬 톱니 벨트의 강성이 높다고 평가하였다.
(음압 측정 시험)
또, 실시 예 1~17 및 비교 예 1~6의 헬리컬 톱니 벨트에 대하여 음압 측정 시험을 행하여, 벨트 주행 중의 소음의 평가를 행하였다. 시험에는 2축 주행시험기를 사용하였다. 이 2축 주행 시험기는, 도2에 나타낸 감속장치(20)과 같은 모양으로, 구동 풀리(21)와, 구동 풀리(21)보다도 대경의 종동 풀리(22)를 가지는 구성을 하였다. 구동 풀리(21)에는, 톱니 수가 40인 풀리를 사용하고, 종동 풀리(22)에는, 톱니 수가 107인 풀리를 사용하였다. 2개의 풀리에는 헬리컬 톱니 벨트(30)를 감아 걸어, 벨트 장력이 90N으로 되도록 풀리의 축간 거리를 조정하고, 종동 풀리(22)에 5N의 부하를 걸어, 구동 풀리(21)를 회전 속도 1200rpm으로 회전시켜, 헬리컬 톱니 벨트(30)를 주행시켰다. 분위기 온도는 23℃로 하였다. 그리고, 소음계의 집음 마이크 M으로 음압(소음 레벨)을 측정하였다. 또한, 집음 마이크 M의 위치를 설명하기 위해, 도2에 나타낸 감속 장치에 집음 마이크 M을 표시하였다. 구체적으로는, 집음 마이크 M은, 구동 풀리(21)의 중심 위치 S를 통과하고, 또한 구동 풀리(21)의 중심 위치 S와 종동 풀리(22)의 중심 위치 K를 통과하는 직선 T에 대하여 수직한, 직선 A를 종동 풀리(22)의 방향으로 25mm 평행 이동시켜, 헬리컬 톱니 벨트(30)의 외주면과 접합 부분 B로부터, 헬리컬 톱니 벨트(30)의 외주면에 대하여 수직 방향 외측으로 30mm 떨어진 위치에 배치하였다. 집음 마이크 M으로 측정한 측정 결과를 표5~표8에 나타낸다. 음압이 63dBA 이하의 경우에는, 헬리컬 톱니 벨트의 실용상 문제가 없는 소음 레벨로 하여 합격으로 평가하였다.
(내한성 시험)
또, 상기 음압 측정 시험과 같은 레이아웃의 2축 주행 시험기를 사용하여, 내한성(저온 내구성)의 시험을 실시하였다. 분위기 온도는 -40℃로하고, 무부하에서, 구동 풀리(21)를 회전 속도 2000rpm으로 회전시켰다. 6초간 주행시킨 후, 10분간 정지시키는 동작을, 1사이클로 하여, 1000사이클 행하였다. 그리고, 500사이클째와 1000사이클째에, 헬리컬 톱니 벨트의 등부의 표면에 크랙이 생기고 있는지 어떤지를 목시(目視)로 확인하였다.
그 확인 결과를, 랭크 A, B, C를 사용하여 표5~표8에 나타냈다. 랭크 A는, 1000사이클째에서도 크랙이 발생하고 있지 않았던 경우이다. 랭크 B는, 500사이클째에서는 크랙이 발생하고 있지 않고, 1000사이클째에서 크랙이 발생하고 있던 경우이다. 랭크 C는, 500사이클째에서 크랙이 발생하고 있던 경우이다. 내한성(저온 내구성)의 지표로서는, 최저 기온이 -40℃에 달하는 것과 같은 한랭 지역에서 벨트를 사용하는 경우, 랭크 A의 벨트에 비하여, 랭크 B, C의 순으로 크랙 수명에 달하기 쉬운 저온 내구성에 떨어지는 그레이드의 위치 부여로 된다. 최저 기온이 -40℃에 달하는 것과 같은 한랭 지역에서의 실사용에 대한 적정의 관점으로부터는, 랭크 A, B의 벨트가 호적하고, 특히, 랭크 A의 벨트가 호적하게 이용될 수 있다.
(톱니피치 2mm에서 심선 피치를 변경한 경우의 검증)
표5에 나타내는, 실시 예 1~5, 7, 8에서는, 진동을 억제하여 충분한 정숙성(음압이 63dBA 이하)이 얻어지는 정도의, 벨트의 강성(벨트 탄성율; 25MPa 이상)이 확보되었다. 비교 예1은, 심선 피치는 조밀하지만, 심선의 탄성율이 작은 유리섬유의 경우, 진동을 억제할 수 있는 정도의 벨트 탄성율이 확보 가능하지 않고(24MPa 미만), 음압을 저하시키는 효과가 충분하지 않았다. 또, 비교 예 2는, 심선의 탄성율이 큰 고강도 유리섬유이지만, 심선 피치가 크기(0.64mm) 때문에, 진동을 억제할 수 있는 정도의 벨트 탄성율이 확보 가능하지 않고(24MPa 미만), 음압을 저하시키는 효과가 충분하지 않았다. 따라서, 진동을 억제하는 효과가 있는 벨트의 탄성율(길이 방향의 인장 탄성율)의 하한이 24MPa(벨트 폭 1mm 당 0.96MPa)이라고 판단하는 것이 가능하였다.
또, 비교 예 1은, 심선의 재질 이외는, 실시 예 2와 같은 구성이고, 고강도 유리섬유가 아닌 E 유리섬유의 심선 A3를 이용한 예이고, 음압이 64dBA로 판정 기준을 상회하였다.
비교 예 2는, 심선의 재질 이외는, 비교 예 1과 같은 구성이고, 심선 피치 SP(0.64mm)를 비교 예 1보다 크게 한 예이다. 이 경우, 음압이 판정 기준(63dBA이하에서 합격)보다 컸다.
실시 예 1~5, 7, 8은, 어느 것도 음압이 판정 기준인 63dBA이하로 되었다.
실시 예 2, 3, 7은 실시 예 1과 같은 구성이고, 심선 피치를 실시 예 2는, 실시 예 1(0.56mm)보다 작게 하고(0.52mm), 실시 예 7은, 실시 예 2보다도 더욱 작게 하고(0.48mm), 실시 예 3은 실시 예 1보다 크게 한 예(0.60mm)이고, 실시 예 2, 7, 1, 3 중에서는 실시 예 7이 가장 낮은 음압(58dBA)으로 되었다.
실시 예 4는, 실시 예 2와 심선을 구성하는 섬유의 종류만이 다르게 하고(U 유리), 실시 예 5는 실시 예 1과 심선을 구성하는 섬유의 종류만이 다르게 하고(탄소), 실시 예 8은, 실시 예 3과 심선을 구성하는 섬유의 종류만이 다르게 하고 있다(탄소). 실시 예 4, 5, 8에서는, 음압에 큰 차는 보이지 않았다.
이상으로부터, 톱니 피치 2mm의 경우, 심선 피치가 0.45~0.6mm의 범위에서, 소음을 억제할 수 있는 것이 확인 가능하였다.
(톱니피치 2mm에서 등부 두께를 변경한 경우의 검증)
표6에 나타낸 바와 같이, 실시 예 1(등부 두께 0.85mm)보다도, 등부 두께가 작은 실시 예 9(0.45mm)에서는 헬리컬 톱니 벨트의 강성이 작기 때문에 음압이 합격 기준에 다다른 63dBA까지 크게 되었다. 한편, 등부 두께가 큰 실시 예 10(1.15mm)에서는 음압이 저감하여 정숙성은 향상하였지만 내한성이 저하하였다(판정 B). 더욱이 등부 두께가 큰 비교 예 3(1.30mm)에서는, 더욱 음압은 저감하였지만, 내한성은 더욱 저하하였다(판정 C). 종합적으로는 밸런스를 취한 실시 예 1의 등부 두께(0.85mm)가 베스트이었다.
또한, 내한성의 저하란, 저온 환경하에서 사용(굴곡 주행)했을 때에 균열 등의 좋지 않은 상태가 생기기 쉽게 되는 것이다. 헬리컬 톱니 벨트를 자동차 용도로 사용하는 경우, 한랭 지역(예를 들면 -40℃)에서의 사용을 상정한 내한성도 중요하게 된다. 상기 실시 예 1, 9, 10 및 비교 예 3에 의하면, 등부 두께가 작게 되면, 음압이 증대하고 정숙성이 저하하지만, 그 반면, 헬리컬 톱니 벨트의 강성 저하(굴곡성 향상)에 의해 내한성이 향상하고, 한편에서, 등부 두께가 크게 되면 음압이 저감하고 정숙성이 향상하지만, 그 반면, 헬리컬 톱니 벨트의 강성 증가(굴곡성 저하)에 의해 내한성이 저하한다. 따라서, 등부 두께에 대하여는 그의 상한 하한이 중요하게 되고, 상기 실시 예 1, 9, 10 및 비교 예 3에 의하면, 톱니 피치가 2mm 이상 3mm 미만의 경우, 등부의 두께는, 0.4~1.2mm가 좋고, 0.6mm~0.9mm가 바람직하다고 생각될 수 있다.
(톱니피치 3mm에서 심선 피치를 변경한 경우의 검증)
표7에 나타내는, 실시 예 6, 11~15에서는, 진동을 억제하여 충분한 정숙성(음압이 63dBA 이하)이 얻어질 정도의, 벨트의 강성(벨트 탄성율; 24MPa 이상)이 확보되고 있었다. 비교 예 4는, 심선 피치가 조밀하지만, 심선의 탄성율이 작은 유리섬유의 경우, 진동을 억제할 수 있는 정도의 벨트 탄성율이 확보되짖 않고(24MPa 미만), 음압을 저하시키는 효과가 충분하지 않았다. 또, 비교 예 5는, 심선의 탄성율이 큰 고강도 유리섬유이지만 심선 피치가 크기(0.64) 때문에, 진동을 억제할 수 있는 정도의 벨트 탄성율이 확보되지 않고(24MPa 미만), 음압을 저하시키는 효과가 충분하지 않았다. 따라서, 진동을 억제하는 효과가 있는 벨트 탄성율(길이 방향의 인장 탄성율)의 하한이 24MPa(벨트 폭 1mm 당 0.96MPa)이라고 판단할 수 있었다.
또, 비교 예 4는, 심선의 재질 이외는, 실시 예 6과 같은 구성이고, 고강도 유리섬유가 아닌 E 유리섬유의 심선 A3를 이용한 예이고, 음압이 66dBA로 판정 기준을 상회하였다.
비교 예 5는, 심선의 재질 이외는, 비교 예 4와 같은 구성이고, 심선 피치 SP(0.64mm)를 비교 예 4보다 크게 한 예이다. 이 경우, 음압이 판정 기준(63dBA 이하에서 합격)보다 컸다.
실시 예 6, 11~15는, 어느 것도 음압이 판정기준인 63dBA 이하로 되었다.
실시 예 6, 13, 11은, 실시 예 12와 같은 구성이고, 심선 피치를 실시 예6은, 실시 예 12(0.56mm)보다 작게 하고(0.52mm), 실시 예 11은, 실시 예 6보다도 더욱 작게 하고(0.48mm), 실시 예 13은 실시 예 12보다 크게 한 예(0.60mm)이고, 실시 예 6, 11~13 중에서는 실시 예 11이 가장 낮은 음압(60dBA)으로 되었다.
실시 예 14는, 실시 예 12와 심선을 구성하는 섬유의 종류만이 다르게 하고(탄소), 실시 예 15는 실시 예 13과 심선을 구성하는 섬유의 종류만이 다르게 하고 있다(탄소). 실시 예 14, 15에서는, 음압에 큰 차는 보이지 않았지만, 어느 것도 실시 예 11과 동등하게 낮은 음압으로 되었다.
이상으로부터, 톱니 피치 3mm의 경우, 심선 피치가 0.45~0.6mm의 범위에서 음압을 억제할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
(톱니피치 3mm에서 등부 두께를 변경한 경우의 검증)
표8에 나타낸 바와 같이, 실시 예 6(등부 두께 1.00mm)보다도, 등부 두께가 작은 실시 예 16(0.65mm)에서는 헬리컬 톱니 벨트의 강성이 작기 때문에 음압이 합격 기준에 다다른 63dBA까지 크게 되었다. 한편, 등부 두께가 큰 실시 예 17(1.75mm)에서는 음압이 저감하여 정숙성은 향상하였지만 내한성이 저하하였다(판정 B). 더욱이 등부 두께가 큰 비교 예 6(1.90mm)에서는, 더욱 음압은 저감하였지만, 내한성은 더욱 저하하였다(판정 C). 종합적으로는 밸런스를 취한 실시 예 6의 등부 두께(1.00mm)가 베스트이었다.
따라서, 상기 실시 예 6, 16, 17 및 비교 예6에 의하면, 톱니 피치가 3mm 이상 4mm 미만의 경우, 등부의 두께는, 0.6~1.8mm가 좋고, 0.8mm~1.2mm가 바람직하다고 생각된다.
이상, 본 발명의 호적한 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 예의 현태에 한정되는 것은 아니고, 특허 청구의 범위에 기재한 한에 있어서, 다양한 설계 변경을 행하는 것이 가능한 것이다. 본 출원은, 2017년7월11일 출원의 일본국 특허출원 2017-135270호, 2018년4월6일 출원의 일본국 특허출원 2018-073854호, 및 2018년6월27일 출원의 일본국 특허출원 2018-121700호에 기초한 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
1 전동 파워스티어링 장치
15 전동 모터(구동원)
20 감속장치(벨트 전동 장치)
21 구동 풀리
22 종동 풀리
30 헬리컬 톱니 벨트
31 등부
32 톱니부
33 심선
35 톱니포
P 톱니 피치
SP 심선 피치

Claims (12)

  1. 심선이 매설된 등부와,
    상기 등부의 한쪽의 표면에 벨트 길이 방향을 따라 소정 간격으로 마련되고, 각각이 벨트 폭 방향에 대하여 경사진 복수의 톱니부를 가지는 헬리컬 톱니 벨트에 있어서,
    상기 톱니부의 표면 및 상기 등부의 상기 한쪽의 표면의 일부가, 톱니포로 구성되어 있고,
    상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 4mm 미만이고,
    상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 3mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.4mm 이상 1.2mm 이하이고,
    상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 3mm 이상 4mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.6mm 이상 1.8mm 이하이고,
    상기 심선은, 고강도 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함하고, 지름이 0.2mm 이상 0.6mm 이하인 꼰 코드이고, 상기 심선과 심선과의 사이의 각 심선 피치가 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위로 되도록 배열되어 있고,
    상기 헬리컬 톱니 벨트는, 풀리 사이에 감아 걸렸을 때의, 상기 풀리의 부하가 0.5kW 이상 3kW 이하에서 사용되는 것을 특징으로 하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 3mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.45mm 이상 0.85mm 이하이고,
    상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 3mm 이상 4mm 미만인 경우에, 상기 등부의 두께가 0.65mm 이상 1.00mm 이하인 것을 특징으로 하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 등부에 매설된 상기 심선은, 당해 헬리컬 톱니 벨트의 벨트 폭 방향의 한쪽의 단으로부터 다른 쪽의 단에 걸쳐, 상기 각 심선 피치가, 0.45mm 이상 0.6mm 이하의 범위의 일정 값으로 되도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 2mm 이상 3mm 미만인 경우에, 상기 톱니부의 톱니 높이가, 0.7mm 이상 2.0mm 이하이고,
    상기 복수의 톱니부의 톱니 피치가, 3mm 이상 4mm 미만인 경우에, 상기 톱니부의 톱니 높이가, 1.0mm 이상 2.3mm 이하인 것을 특징으로 하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 등부가 고무 성분을 포함하고, 상기 고무 성분이 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원 공중합체 또는 수소화 니트릴 고무를 포함하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 톱니포가 경사 및 위사를 포함하는 직포로 구성되어 있고, 경사 또는 위사가 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치되어 있고, 당해 벨트 길이 방향으로 연장하도록 배치된 경사 또는 위사가 신축성을 가지는 탄성사를 포함하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 톱니포를 구성하는 섬유가, 나일론, 아라미드, 폴리에스테르, 폴리벤즈옥사졸, 및 면으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 섬유를 포함하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 등부의 다른 쪽의 표면이, 등포로 구성되어 있고,
    상기 등포를 구성하는 섬유가, 나일론, 아라미드, 및 폴리에스테르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 섬유를 포함하는, 헬리컬 톱니 벨트.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 헬리컬 톱니 벨트의 벨트 탄성율은, 벨트 폭 1mm 당 0.96MPa 이상인, 헬리컬 톱니 벨트.
  10. 구동원에 의해 회전 구동되는 구동 풀리와,
    종동 풀리와,
    상기 구동 풀리 및 상기 종동 풀리에, 상기 종동 풀리의 부하가 0.5kW 이상 3kW 이하로 되도록 감아 걸리는, 제1항 또는 제2항에 기재된 헬리컬 톱니 벨트를 구비하는 벨트 전동 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 구동 풀리의 회전 속도가 1000rpm 이상 4000rpm 이하인, 벨트 전동 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 종동 풀리의 외경이, 상기 구동 풀리의 외경보다 크고,
    상기 벨트 전동 장치가, 자동차용의 전동 파워스티어링 장치의 감속 장치인, 벨트 전동 장치.
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