KR20040062878A - 동력 전달 벨트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풀리에 맞물리는 표면 상에 부직포 영역을 갖는 벨트에 관한 것이다. 부직포 영역은 고유 진동수 고조파를 감소시키고, 마찰 특성과, 침투 및 열 저항을 제어하도록 불균일하게 덮혀 있다. 부직포는 섬유가 충전된 몸체에 무작위성 매트릭스로 피복되는 합성 재료와, 침염수 펄프 및 활엽수 펄프의 혼합물을 포함할 수 있다.

Description

동력 전달 벨트{POWER TRANSMISSION BELT}

인장 부재가 매립되어 있는 엘라스토머 재료로 동력 전달 벨트를 제조하는 것은 당업계에 알려져 있다. 벨트는 복수의 리브형, 치형, 또는 v 타입의 프로파일을 나타낼 수 있다. 벨트는 어울리는 프로파일을 갖는 풀리에서 이동한다.

V형 및 복수 v형 리브 벨트의 리브 플랭크 표면은 슬라이딩 마모, 극한의 온도, 수직력 및 마찰력에 노출되는 것으로 알려져 있으며, 이 힘은 벨트 소음, 리브 표면의 벗겨짐(sloughing), 미끄러짐 및 채터(chatter)를 야기한다. 동력 전달 용량 및 벨트 수명이 풀리 표면에 접촉하는 재료의 타입을 비롯한 여러 인자의 함수라는 것도 또한 알려져 있다. 이들은 현재 언더코드 재료(undercord material)의 혼합물에 각종의 섬유를 많은 양(high loading)으로 삽입한 것이 사용되고 있다. 이들 섬유 또는 섬유의 일부분은 경화된 벨트 슬래브(slab)로부터 벨트를 형성하도록 V 프로파일을 절삭하거나 연마하는 경우에 노출된다. 결과적인 표면은 베이스폴리머와 노출된 섬유의 혼합물로 이루어진다. 이 기술에는 복합체 구조를 위한 공학적 접근, 및/또는 마찰, 소음 및 미끄러짐을 제어하는 것과 관련하여 제한이 있다. 이 기술은 구부러짐에 대해 저항하는 강성 구조를 또한 형성하는데, 이는 벨트 리브의 균열 및 벨트 수명의 단축을 초래할 수 있다.

해당 기술의 대표적인 예로는, 단지 고무로만 제조된 리브의 가황 처리된 외면에 부직포 직물로 이루어진 표면층을 구비하는 v 리브형 벨트를 개시하고 있는 Matsuoka의 미국 특허 제4,892,510호(1990년)가 있다.

해당 기술의 다른 대표적인 예로는, 벨트 몸체의 내측에서 복수의 홈 상에 부직포 직물을 구비하는 동력 전달 벨트를 개시하고 있는 Akita 등의 미국 특허 제5,536,214호(1996년)가 있다.

해당 기술의 또 다른 대표적인 예로는, 복수 리브형 벨트에 있어서 불연속적인 섬유 충전 압축층을 개시하고 있는 Sedlacek의 미국 특허 제4,956,036호(1990년)가 있다. 벨트는 요구되는 리브 프로파일을 형성하도록 연마되고, 이로써 섬유가 노출된다. 엘라스토머 몸체 부분에는 바람직하게는 약 0.5 내지 20 체적%의 섬유가 충전되고, 보다 바람직하게는 3 체적%로 충전된다.

풀리에 맞물리는 부직포 표면 및 섬유 충전 압축층을 포함하는 동력 전달 벨트가 요구된다. 풀리에 맞물리는 부직포 표면 및 섬유 충전 압축층을 포함하고, 복수 리브형 프로파일을 갖는 동력 전달 벨트가 요구된다. 본 발명은 이들 요구를 만족시킨다.

본 발명은 공학적 표면(engineered surface)을 갖는 동력 전달 벨트에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 부직포 재료로 이루어진 영역과 섬유 충전 압축 층(fiber loaded compression layer)을 구비한 공학적 표면을 포함하는 동력 전달 벨트에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 벨트의 측단면도이고,

도 2는 오정렬시의 소음 시험 결과를 나타내는 그래프이고,

도 3은 중량 손실 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 주요 양태는 풀리에 맞물리는 부직포 표면과 섬유 충전 압축층을 포함하는 동력 전달 벨트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 풀리에 맞물리는 부직포 표면 및 섬유 충전 압축층을 포함하고, 복수 리브형 프로파일을 갖는 동력 전달 벨트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 첨부 도면과 본 발명의 이하의 설명에 의해 표시되고 명백하게 될 것이다.

본 발명은 풀리에 맞물리는 표면에 부직포 재료로 이루어진 영역을 구비하는 벨트를 포함한다. 이 부직포 영역은 자연 진동수 고조파(natural frequency harmonics)를 감소시키고, 마찰 특성, 침투 및 열 저항을 제어하도록 부직포 재료가 불균일하게 덮혀 있다. 부직포는 섬유가 충전된 몸체에 무작위성 매트릭스(random matrix)로 피복되는 합성 섬유 뿐 아니라 침엽수 및 활엽수 펄프의 혼합물을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 벨트(10)의 횡단면도이다. 벨트(10)는 몸체(3)와 종방향으로 연장되며 풀리에 맞물리는 리브(4)를 구비한다. 벨트(10)는 벨트의 종방향 축선에 평행하게 연장되는 하중 지지 인장 부재(2)를 또한 구비한다. 리브(4)는엘라스토머 재료의 도처에 주입되는 섬유(6)를 더 구비한다. 벨트(10)는 오버코드 표면(overcord surface)에 부착된 재킷(1)을 또한 포함할 수 있다.

리브(4)는 사용자의 요구에 따라 임의의 수 및 임의의 프로파일로 제공될 수 있다. 도 1은 단일 리브의 v-벨트 프로파일을 또한 포함할 수 있다.

풀리에 맞물리는 부직포 영역(5)은 몸체(3) 및 리브(4)의 엘라스토머 내로 혼합되어 매트릭스를 형성하는 무작위성 배열의 부직포 재료이다. 부직포 영역(5)은 부직포 함유 영역과 몸체(3) 사이에 명확한 경계를 갖지 않는다. 혼합으로 인하여, 부직포 재료와 엘라스토머가 모두 풀리에 맞물리는 표면에 존재한다.

부직포 영역(5)은 부직포 재료의 단일 영역 또는 복수의 중첩 영역을 포함할 수 있다. 또한, 부직포 영역은, 천 또는 직물(textile)에서와 같이 균일하게 간격을 두고 있고 정렬되는 섬유의 특징을 갖지 않는다. 부직포 영역이 있는 섬유가 매트릭스 내에서 무작위로 정향되어 있으므로, 이는, 보다 균질한 재료에서, 즉 섬유가 보다 잘 정향되어 있는 곳에서 예상되는 자연 진동수 고조파의 발생 및 강화를 감소시킨다. 이들 고조파는 가청 진동(소음) 뿐 아니라 풀리 사이에서 진동하는 벨트의 저주파 진동을 포함한다. 무작위로 정향된 부직포 영역은 이들 진동을 실질적으로 감쇠시키는 경향이 있다.

부직포 재료는 요구되는 마찰 특성, 침투 및 열 저항을 제공하도록 또한 선택될 수도 있다. 부직포 영역의 외면의 마찰 계수를 제어하기 위하여 부직포 영역에 마찰 감소제를 사용할 수 있다. 마찰 감소제는 벨트의 제조 전에 부직포 영역에 침투하거나 부직포 재료에 피복되는 고무의 일부분일 수도 있다. 한정의 의도가 없는 예로서, 마찰 감소제는 왁스, 오일, 그래파이트, 이황화몰리브덴, PTFE, 운모(mica talc) 및 이들의 다양한 혼합물을 포함할 수 있다.

부직포 재료는 셀룰로오스계이며, 10 lbs./3K ft²내지 45 lbs./3K ft²에 이르는 범위의 평량(basis weight)을 갖는다. 부직포 재료의 공극도(porosity)는 1/2" H₂O ΔP 당 100 내지 370 CFM/ft²의 범위로 있다. 부직포 영역(5)의 두께는 0.025 ㎜ 내지 3 ㎜의 범위로 있다. 작업 방향으로의 인장 강도는 230 내지 1015 g/inch의 범위로 있다. 횡방향으로의 인장 강도는 66 내지 250 g/inch의 범위로 있다.

바람직한 실시예는 10 lbs./3K ft²의 평량, 1/2" H₂O ΔP 당 100 CFM/ft²의 공극율, 550 g/inch의 작업 방향 인장 강도 및 250 g/inch의 횡방향 인장 강도를 채용한다. 부직포는 50%의 침엽수(softwood)와 50%의 활엽수(hardwood)로 이루어진다.

섬유(6)는 부직 영역(5)과 별도로 엘라스토머 몸체(3)의 매트릭스에 함유되어 있다. 섬유(6)는 리브 표면의 벗겨짐 및 채터를 감소시킨다. 섬유는 아라미드, 케블라(Kevlar), 카본, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 섬유 유리, 나일론을 포함할 수 있다. 다른 유기 섬유는 양모(wool), 마(hemp), 무명 등을 포함할 수 있다. 리브 엘라스토머에 사용된 섬유의 양은 고무 100부 당 섬유 0.01 내지 20부의 범위로 있을 수 있다. 바람직한 실시예는 고무 100부 당 섬유 0.01 내지 5부를 채용한다. 실시예는 언더코드 리브 재료에 요구되는 플록(flock) 또는 섬유 충전의 비율을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이러한 변경으로, 언더코드 구조물의 개선된 탄성 및 구부러짐에 기인하여 개선된 벨트 성능이 제공되었다.

본 명세서에 설명된 실시예는 우수한 견인력과 개선된 V 웨징(wedging)을 제공하면서 소음을 감소/제거하고, 리브 표면의 벗겨짐(또는 중량 손실)을 감소시키는 것으로 판명되었다.

제조 방법

본 발명의 벨트는 일련의 층으로 굴대(mandrel) 상에서 구성된다. 벨트의 엘라스토머 또는 직물 오버코드가 먼저 부착된다. 각각의 연속적인 엘라스토머 층이 이전에 부착된 층 상에 부착된다. 또한, 고무 층(gum layer)이 부착될 수도 있다. 인장 코드가 엘라스토머 층과 함께 부착된다. 이어서, 엘라스토머 언더코드가 부착된다. 최종의 언더코드 층 상의 구조(build)에 부착되는 최종의 요소는 부직포 영역이다.

이 제조 단계에서, 부직포 영역은 1층 이상의 부직포 재료 층을 포함할 수 있다. 부직포 재료 층(들)은 경화 공정 중에 발생된 가스를 주형의 에지로부터 배기시키거나 배출시킬 수 있다는 추가의 장점을 제공한다. 주형으로부터 가스를 배기시키면, 엘라스토머 재료가 부직포 재료 내로 용이하게 침투되어, 부직포 영역(5)이 형성된다.

그 후에, 완성된 구조는 벨트를 가황시키고 형성하기에 충분한 경화 압력 및 경화 온도에 노출된다. 예컨대, 제조 공정은 다음의 단계를 포함할 수 있다.

일단 벨트가 굴대 상에 부착되면, 슬래브가 제거되어 몰드에 배치되며,

1) 주형의 내측으로부터 공기를 배기시키고, 1 내지 5분간 유지하는 단계와,

2) 외측 쉘의 증기압을 175 내지 235 psig의 범위로 증가시키는 단계와,

3) 2 내지 10분 후에, 주형 내측의 증기압을 85 내지 210 psig의 범위로 증가시키는 단계와,

4) 10 내지 20분 동안 경화시키는 단계와,

5) 주형 내측의 증기압을 대기압으로 감소시키는 단계와,

6) 주형 외측의 증기압을 대기압으로 감소시키는 단계와,

7) 물과 같은 냉각 유체에서 굴대를 급냉하는 단계와,

8) 굴대로부터 경화된 벨트 블랭크를 제거하는 단계.

일단 냉각되면, 경화된 벨트 구조는 굴대로부터 분리되어 적절한 폭의 벨트로 잘려진다.

최적의 리브 형상은 상기 범위의 상한의 공정 압력에서 달성된다.

증기 경화 대신에, 동시에 인가된 전기열과 관련하여 벨트에 압력을 인가하여 경화를 행하는, 당업계에 알려진 유압 채용 방법 또는 다른 방법을 또한 사용할 수도 있다. 유압 경화를 위한 압력 범위는 85 내지 500 psig 이다. 온도 범위는 250 내지 500 ℉ 이다. 이 경화 방법은 고무 재료의 선택의 폭을 넓혀준다.

경화 이전에 압력을 가하면, 엘라스토머가 부직포 재료 내로 강제 유입된다. 그 후에, 엘라스토머 재료는 부직포 재료를 포함하는 개별 섬유 사이의 틈을 점유한다. 이 결과, 부직포 재료가 엘라스토머와 혼합되어 있는 부직포 재료의 영역이형성된다.

시험

본 발명의 벨트와, 부직포의 풀리 접촉면이 없는 벨트를 비교하기 위하여 소음 시험 및 중량 손실 시험을 행하였다. 시험 결과는 부직포가 매립된 표면을 갖는 벨트에 의해 발생되는 중량 손실 및 소음이 현저하게 감소되었음을 나타내었다.

시험 벨트는 다음의 것으로 하였다.

벨트 1 : EPDM - 오버코드, 코드, 12부의 무명 섬유를 갖는 언더코드 스톡(stock), 부직포 구조

벨트 2 : EPDM - 오버코드, 4부의 나일론 섬유를 갖는 언더코드 스톡, 부직포 구조

벨트 3 : CR - 오버코드, 코드, 20부의 무명 섬유를 갖는 언더코드 스톡, 부직포 구조

벨트 4 : CR - 관상 니트를 갖는 오버코드, 코드, 18 내지 20부의 무명 섬유를 갖는 언더코드 스톡, 부직포 구조

비교 벨트 A : 절삭되거나 연마된 리브 프로파일과, 동일 코드 및 오버코드를 갖는 표준 CR 벨트

비교 벨트 B : 절삭되거나 연마된 리브 프로파일과, 동일한 코드 및 오버코드를 갖는 표준 EPDM 벨트

오정렬 시의 소음 시험에서, 부직포 층을 갖는 벨트는 부직포의 풀리 접촉면을 갖지 않는 벨트에 비하여 3°의 오정렬에 대하여 13 dB 내지 19 dB의 범위의 소음 감소를 나타내었다. 본 발명의 벨트는 1°의 오정렬을 갖는 표준 벨트의 소음과 동등한 소음 발생을 나타내었다. 오정렬 시의 소음 시험은 외경 140 ㎜인 풀리를 이용하여 2점 드라이브(two point drive)에서 실행된다. 약 90 KgF의 수평 장력을 시험 벨트에 가한다. 풀리는 서로 오프셋되어 있으며, 소음이 측정된다. 시험 결과가 도 2에 도시되어 있다.

중량 손실 시험은, 본 발명의 벨트가 동일한 작업 조건에서 표준의 벨트에 비교하여 87.5% 미만의 중량 손실을 야기하는 것을 나타내었다. 시험 결과가 도 3에 도시되어 있다.

시험 데이터는 부직포 기재의 방위(orientation)가 결과에 치명적이지 않다는 것을 확인해주었다. 전술한 바와 유사한 결과를 제공하는 밀(mill)과 90°방위를 모두 시험하였다.

동일한 인장 코드 및 오버코드 재료와, 단지 언더코드 화합물만을 이용하는 비교 시험을 행하였으며, 표면은 본 발명의 벨트의 부직포 재료로 인하여 개선되었다.

데이터는 여러 부직포 조합이 효과적이라는 것을 나타내고 있다. 이들 조합은 100%의 침엽수 조성에서부터, 활엽수/침엽수 혼합물, 침엽수/합성물 혼합물, 100% 활엽수에 이르는 범위를 갖는다. 예시적인 비율은 다음과 같다.

	침엽수	활엽수	침엽수/합성물
A	100%	0%	0%
B	50%	50%	0%
C	75%	25%	0%
D	70%	0%	30%
E	85%	0%	15%
F	0%	100%	0%

전술한 비율은 예시적인 비율로서 제공되는 것이며, 한정의 의미로 제공된 것은 아니다. 바람직한 실시예는 옵션 B의 비율을 채용한다.

합성 섬유는 아라미드, 케블라, 카본, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 섬유 유리, 나일론을 포함한다. 침엽수와 함께 사용된 다른 유기 섬유는 울, 마, 무명 등을 포함할 수 있다. 이들은 마찰 계수 변형 요소 및/또는 구조적 변형 요소로서 포함될 수 있다. 모든 활엽수 조성은 언더코드 엘라스토머 화합물 내로 배합 및 혼합되는 고도로 가공된 펄프 또는 목분(wood flour)을 이용하여 얻을 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명의 단일 형태를 설명하였지만, 당업자는 본 명세서에 설명된 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 부품의 관계 및 구조에 있어서 변형이 있을 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.

Claims (14)

1. 엘라스토머 재료를 함유하고 종방향으로 연장되는 인장 부재를 구비하는 몸체를 포함하는 벨트로서,

   상기 몸체는 소정의 프로파일을 갖는 풀리 맞물림 영역을 구비하며, 이 풀리 맞물림 영역은 엘라스토머 재료와 혼합되는 부직포 재료를 함유하며,

   상기 엘라스토머 재료는 섬유 충전물을 더 포함하는 것인 벨트.
2. 제1항에 있어서, 상기 풀리 맞물림 영역의 두께는 0.025 ㎜ 내지 3.0 ㎜인 것인 벨트.
3. 제2항에 있어서, 상기 부직포 재료는 침엽수 펄프와 활엽수 펄프의 혼합물을 포함하는 것인 벨트.
4. 제3항에 있어서, 상기 침엽수 펄프는 0 내지 50%의 부직포 재료를 포함하는 것인 벨트.
5. 제4항에 있어서, 상기 침엽수 펄프는 무명을 포함하는 것인 벨트.
6. 제2항에 있어서, 상기 부직포 재료는 침엽수 펄프와 합성 재료의 혼합물을포함하는 것인 벨트.
7. 제6항에 있어서, 상기 합성 재료는 나일론을 포함하는 것인 벨트.
8. 제7항에 있어서, 상기 합성 재료는 0 내지 50%의 부직포 재료를 포함하는 것인 벨트.
9. 제2항에 있어서, 상기 부직포 재료는 합성 재료와 유기 재료의 혼합물인 것인 벨트.
10. 제9항에 있어서, 상기 유기 재료는 침엽수 펄프 및 활엽수 펄프를 포함하는 것인 벨트.
11. 제5항에 있어서, 상기 섬유 충전물은 100부당 0.01 내지 5부의 범위로 있는 것인 벨트.
12. 재11항에 있어서, 부직포 영역은 2층 이상의 부직포 재료를 포함하는 것인 벨트.
13. 제11항에 있어서, 부직포 영역은 다중 리브형의 프로파일을 갖는 것인 벨트.
14. 제11항에 있어서, 부직포 영역은 v형 벨트 프로파일을 갖는 것인 벨트.