KR20070094642A - 벨트 구동 시스템 - Google Patents

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KR20070094642A KR1020077017759A KR20077017759A KR20070094642A KR 20070094642 A KR20070094642 A KR 20070094642A KR 1020077017759 A KR1020077017759 A KR 1020077017759A KR 20077017759 A KR20077017759 A KR 20077017759A KR 20070094642 A KR20070094642 A KR 20070094642A
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더 게이츠 코포레이션
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Abstract

벨트 구동 시스템은 벨트 본체를 가지는 벨트, 길이 방향 축선을 따라 진행하는 벨트 본체 내에 배치된 인장 코드, 벨트 본체의 외면 상에 배치되며 길이 방향 축선의 횡방향으로 배향되는 복수의 벨트 톱니, 벨트 톱니 사이에 배치되는 벨트 랜드, 복수의 실린더를 가지는 엔진 크랭크샤프트에 부착되는 구동 스프로킷, 및 종동 스프로킷을 포함한다. 구동 스프로킷 상의 홈의 개수는 엔진 실린더 개수의 1/2의 정수배이다. 종동 스프로킷 상의 홈의 개수는 구동 스프로킷 홈의 개수의 정수배이다. 벨트 톱니의 수, 랜드 길이 및 스프로킷 홈의 간격은 크랭크샤프트 회전당 엔진 점화 횟수에 따르며, 이에 따라 벨트/풀리 맞물림 진동수를 엔진 진동수의 차수 내의 수준으로 감소시킨다.

Description

벨트 구동 시스템{BELT DRIVE SYSTEM}
본 발명은 벨트 구동 시스템, 보다 구체적으로는, 벨트 톱니의 개수, 랜드(land) 길이 및 스프로킷 홈 간격이 크랭크샤프트 회전당 엔진 점화 횟수에 좌우되며, 이에 따라 엔진 점화 차수와 동일한 벨트/풀리(belt/pulley) 맞물림 진동수를 가짐으로써 진동수 및 노이즈를 감소시키는 벨트 및 연동 스프로킷을 포함하는 벨트 구동 시스템에 관한 것이다.
동기 벨트, 또는 치형 벨트는 종동 구성요소의 동기화가 필요한 벨트 종동 동력 전달 시스템에 이용된다. 벨트 상에 배치된 횡방향 톱니와 구동 및 종동 스프로킷의 홈 사이의 상호작용에 의해 동기화가 이루어진다. 톱니와 홈 각각의 맞물림은 스프로킷, 따라서 종동 장치의 회전을 기계적으로 조절하도록 한다.
동기 벨트는 벨트의 길이를 따라 서로 인접하게 배치된 횡방향으로 장착된 복수의 톱니를 포함한다. 동력 전달은 맞물리는 지점의 스프로킷에 실질적으로 수직한 평면 내에서 각 톱니가 스프로킷과 맞물리는 지점에서 일어난다. 따라서, 톱니는 대부분 전단력을 받는다. 각 세트의 톱니 사이의 영역은 랜드로 지칭된다.
동기 벨트는 톱니 사이에서 상대적으로 더 큰 랜드 영역 또는 간격을 가지는 것도 알려져 있다. 이러한 벨트는 토크를 전달하기 위해서 스프로킷의 외면과 랜 드 사이의 상호 마찰 작용에 부분적으로 의존한다. 토크 전달 성능은 스프로킷에 대한 벨트의 랩각도(wrap angle), 설치 장력 및 벨트 표면의 마찰 계수의 함수이다.
대표적인 종래 기술은 제프리(Jeffrey)의 미국 특허 제4,047,444호(1977년)로서, 이는 이격된 스프로킷 사이의 구동이 주로 스프로킷 외면 상의 벨트의 접촉 마찰에 의해 이루어지는 동기 벨트 및 스프로킷 구동을 개시한다.
종래 기술은 벨트 장력을 달리하는 것에 부분적으로 기초하여 구동 및 종동 스프로킷 사이에 상이한 홈 간격을 가지는 것에만 의존한다. 작동 고조파(harmonics) 및 노이즈를 감소시키는 문제는 종래 기술에 의해 언급되지도, 해결되지도 않는다.
벨트 톱니의 수, 랜드 길이 및 스프로킷 홈 간격이 크랭크샤프트 회전당 엔진 점화 횟수에 좌우되고, 이에 따라 벨트/풀리 맞물림 진동수를 엔진 진동수 차수와 구별되지 않는 수준으로 감소시키는 벨트 및 연동 스프로킷을 제공하는 벨트 구동 시스템이 요구된다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시킨다.
본 발명의 주된 양태는, 벨트 톱니의 수, 랜드 길이 및 스프로킷 홈 간격이 크랭크샤프트 회전당 엔진 점화 횟수에 좌우되고, 이에 따라 벨트/풀리 맞물림 진동수를 엔진 진동수 차수와 구별되지 않는 수준으로 감소시키는 벨트 및 연동 스프로킷을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명에 대한 다음의 설명 및 첨부된 도면에 의해 제시되거나 명백해질 것이다.
본 발명은 벨트 본체를 가지는 벨트를 구비하는 벨트 구동 시스템을 포함한다. 인장 코드는 길이 방향 축선을 따라 진행하는 벨트 본체 내에 배치된다. 복수의 벨트 톱니가 벨트 본체의 외면 상에 배치되고, 이 벨트 톱니는 길이 방향 축선의 횡방향으로 배향된다. 벨트 랜드는 벨트 톱니 사이에 배치된다. 구동 스프로킷은 엔진 크랭크샤프트에 부착되고, 이 엔진은 복수의 실린더를 가진다. 종동 스프로킷도 이 벨트 구동 시스템에 포함된다. 구동 스프로킷 상의 홈의 개수는 엔진 실린더 개수의 1/2의 정수배이다. 종동 스프로킷 상의 홈의 개수는 구동 스프로킷의 홈 개수의 정수배다. 벨트 톱니의 개수, 랜드 길이 및 스프로킷 홈 간격은 크랭크샤프트 회전당 엔진 점화 횟수에 의존하며, 이에 따라 벨트/풀리 맞물림 진동수를 엔진 진동수의 차수 내의 수준으로 감소시킨다.
본 명세서에 통합되어 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하며, 명세서와 함께 본 발명의 원리를 설명한다.
도 1은 종래 기술 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 벨트 및 스프로킷의 측면도.
도 3은 스프로킷 홈의 측면도.
도 4는 스프로킷 홈의 측면도.
도 5는 본 발명의 벨트의 측면도.
도 6은 본 발명의 벨트의 측면도.
도 7은 본 발명을 이용하여 회전 진동 대 설치 장력을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 시스템을 이용하여 유효 장력 대 설치 장력을 나타내는 그래프.
도 9는 19차 고조파를 비교하는 그래프.
도 10은 8차 고조파를 비교하는 그래프.
도 11은 톱니 및 랜드 길이를 나타내는 종래 기술의 벨트의 사시도.
도 12는 톱니 및 랜드 길이를 나타내는 본 발명의 벨트의 사시도.
도 13은 톱니 및 랜드 길이를 나타내는 본 발명의 벨트의 사시도.
도 14는 도 13의 벨트와 맞물리는 스프로킷의 부분 사시도.
동기 벨트 구동 시스템은 캠샤프트, 및 연료 펌프, 워터 펌프, 교류 발전기 등과 같은 다른 장치를 구동하기 위해 자동차 엔진 제품에 널리 이용된다.
몇몇 엔진에서 하나 이상의 종동 구성요소의 큰 회전 진동(angular vibration)으로 인해 비틀림 댐핑 장치를 포함할 필요가 있다. 댐핑 장치의 이용은 엔진의 비용, 복잡성 및 중량을 증가시킨다.
본 발명은 벨트 수명을 단축시키거나 시스템 노이즈를 증가시키지 않고, 모듈러스(modulous)의 증가, 벨트 톱니/풀리의 인터페이스 상호 작용 및 설치 장력(installation tension)의 변화를 통해 벨트 구동 시스템 강성을 증가시킴으로써, 몇몇 경우에 있어서 상술한 댐핑 장치를 제거할 수 있게 한다.
종래의 치형 벨트로 시스템 장력을 증가시키면 벨트 랜드와 스프로킷 사이의 높은 접촉 압력으로 인해 벨트 랜드의 마모가 증가될 수 있고, 강한 벨트/스프로킷 충돌로 인해 시스템 노이즈가 증가될 수도 있다.
본 발명은 도 5에서 피치(P)로 표시된 톱니 사이의 큰 간격을 포함함으로써, 장력에 의해 벨트 랜드 상에 가해지는 단위 면적당 압력을 감소시키고, 벨트 랜드의 마모 증가를 방지한다. 본 발명의 구성은 일반적인 피치보다 더 큰 피치(P)를 가지게 되고, 따라서 주어진 벨트 길이에 대한 토크 하중을 지탱하기 위해 이용할 수 있는 벨트 상의 톱니가 더 적어지게 된다. 그러나, 본 발명의 벨트 및 시스템은 벨트 톱니 프로파일을 최적화하고 톱니 사이의 랜드 영역이 토크 하중의 상당 부분을 지탱하게 함으로써 이를 보완한다. 또한, 본 발명은 고조파 차수 및 벨트 진동의 진동수를 줄이고, 벨트 톱니 및 구동 스프로킷 홈의 맞물림 진동수가 불요한 소정의 벨트 진동 고조파 차수를 크게 감소시킴으로써, 엔진 실린더 점화 타이밍 진동수에 겹쳐지도록 하여 높은 벨트 장력과 관련된 노이즈의 증가를 막는다.
전달된 하중의 상당 부분은 벨트 랜드에 의해 지탱된다. 따라서, 평벨트 랜드에 의한 동력 전달은 토크를 전달하는 동안 벨트의 거동을 기술하는 오일러의 평벨트 공식을 따른다.
작동 조건에서, 벨트는 구동 및 종동 스프로킷 사이에서 장력을 받는다. 스프로킷에 들어가는 벨트의 장력(T1)은 스프로킷을 빠져나오는 벨트의 장력(T2)과 다르다. 평벨트에 대해 오일러 이론을 이용하면, 벨트 장력(T1 및 T2)과 마찰계수(μ) 및 라디안 단위의 벨트의 랩각(θ)에 대한 식은 다음과 같다 :
Figure 112007056119104-PCT00001
여기서 e는 자연로그의 밑수(2.718)이고, T1은 팽팽한 측부의 장력이며, T2는 헐거운 측부의 장력이다. 미끄러짐이 막 일어나는 순간이 벨트의 마찰에 의한 동력 전달 성능의 상한이다.
Figure 112007056119104-PCT00002
이 그래프는 벨트 랩각 θ=180°일 때 T1/T2의 대략적인 한계비를 평벨트와 스프로킷 사이의 마찰계수의 함수로서 나타낸다.
마찰 계수 = 0.35로 가정하면
T1 / T2 T2 = Tinst (N) T1 (N) T1 - T2 = Te (N)
3 250 750 500
3 500 1500 1000
3 750 2250 1500
본 이론을 이용하여 상기 표를 참조하면, T2 = 750N이고 마찰계수(μ)가 약 0.35일 때 마찰만으로 약 1500 뉴톤의 유효 장력 레벨(Te)을 전달할 수 있다. 유효 장력은 벨트의 팽팽한 측부의 장력과 벨트의 헐거운 측부의 장력 간의 차이로 정의된다. 헐거운 측부의 장력은 설치 장력(Tinst)의 함수이다. 팽팽한 측부의 장력은 구동에 의해 가해지는 하중(T1)의 함수이다.
T1/T2가 eμθ 이하이면 벨트는 스프로킷 상에서 미끄러지지 않는다. 이보다 더 큰 비율에서는, 즉, T1/T2가 eμθ 보다 크면 미끄러짐이 일어난다.
그러나, 모든 경우에 있어서, 벨트는 스프로킷 상에서 크리핑(creeping)한다. 장력(T1)을 받으면서 제1 스프로킷 상으로 이동하는 단위 길이의 벨트 피스를 살펴보자. 이 단위 길이의 벨트 피스는 스프로킷 둘레로 이동하며 T1에서 T2로 감소하는 장력을 받는다. 탄성력으로 인해, 벨트 피스는 길이 방향으로 약간 수축한다. 따라서, 제1(구동) 스프로킷은 이 스프로킷이 이송하는 길이보다 더 큰 길이의 벨트를 연속적으로 수용하고, 스프로킷 표면의 속도는 그 위로 움직이는 벨트의 속도보다 크다. 유사하게, 제2(종동) 스프로킷은 이 스프로킷이 이송하는 길이보다 더 짧은 길이의 벨트를 수용하고, 그 표면 속도는 그 위로 움직이는 벨트의 속도보다 작다. 스프로킷들 위로 이동함에 따른 이러한 벨트의 "크리핑"은 효율을 떨어뜨리는 약간의 불가피한 동력의 손실을 가져온다.
T1의 값이 T2에 접근하면서(즉 T1/T2 > 1), 스프로킷 위로 이동하는 벨트의 단위 피스의 길이에 있어 변화가 작아짐으로 인해 크립의 양은 줄어든다. T1 = T2일 때, "설치시" 조건이 되고, 어떠한 동력도 이 시스템에 의해 전달될 수 없다.
상술한 비제한적 실시예에 있어서, 벨트 랜드의 마찰계수는 약 0.35이다. 벨트 랜드(110)에 대한 충분한 마찰계수(μ)의 범위는 약 0.30 내지 약 0.40이다.
동기 벨트 구동에 있어서, 상술한 평벨트 이론은 벨트 톱니와 스프로킷 홈 간의 상호작용에 의해 제한된다. 동력의 전달은 벨트 톱니 하중과 마찰 효과 사이에서 하중을 분배함으로써 이루어진다. 현재의 실시에 있어서, 이 하중의 대부분은 벨트 톱니에 의해 전달된다.
톱니 프로파일은 하중 운반 및 벨트-스프로킷 맞물림에 대해 기하학 및 수치적으로 최적화된다. 예컨대, 톱니 프로파일은, 그 내용 전체가 참조로 본원에 포함되는 미국 특허 제4,605,389호에 개시된 것일 수 있다. 미국 특허 제4,605,389호는 예시적 톱니 프로파일로서 인용되며, 본 발명에 이용될 수 있는 톱니 프로파일 형태를 한정하는 것으로 의도되지는 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 벨트는 치형 벨트의 동기 속성을 유지하면서도, 벨트 랜드의 길이를 최대화하고, 그에 따라 벨트 랜드와 스프로킷 둘레 사이의 접촉 영역의 길이도 최대화한다. 또한 이 시스템은 각각의 벨트 톱니의 팁과 각각의 연동 스프로킷 홈의 바닥 또는 루트 사이에 간섭을 제거하여, 각각의 벨트 랜드와 연동 스프로킷 표면부 사이의 접촉 영역에서 압력이 유지되게 한다.
도 11에 도시된 것과 같이, 표준 피치를 가진 종래 기술의 벨트에 있어서 톱니 영역에 대한 랜드 영역의 비는 약 0.50 : 1 이다. 도 5, 도 6 및 도 11-13을 참조하면, 톱니 영역은 톱니에 의해 점유된 벨트의 평면적, 즉, 벨트의 너비를 톱니 길이(W)에 곱한 값이다. 랜드 영역은 랜드에 의해 점유된 벨트의 평면적, 즉, 벨트의 너비를 랜드 길이(L)에 곱한 값이다. 벨트의 너비는 종래 기술 분야에서 공지되어 있고, 표준 산업 너비에 대응한다. 도 12에 도시된 것과 같이, 본 발명의 벨트는 약 1.5 : 1.0 내지 약 10.0 : 1.0의 범위에서 랜드 영역 대 톱니 영역비를 가진다.
선택적 실시예에 있어서, 도 13을 참조하면, 랜드 영역 대 톱니 영역 비가 역전되며, 즉, 랜드 영역 대 톱니 영역의 비가 약 0.20 : 1.0 내지 약 0.09 : 1.0의 범위 내에 있다. 따라서, 이러한 선택적 실시예에 있어서의 비율은, 톱니 영역이 랜드 영역보다 상당히 큰 벨트를 나타낸다. 도 14에 도시된 것처럼, 이 경우에 있어서, 동력은 풀리 홈의 바닥(3002)과 톱니(2010)의 상부(2012) 사이에서 마찰을 통해 전달된다. 따라서, 이 경우에 하중을 전달하기 위한 표면(2012)과 표면(3002) 사이의 접촉을 보장하기 위하여 벨트 톱니 깊이는 풀리 홈 깊이보다 더 깊고, 풀리 톱니(3000)의 상부와 랜드 영역(2011) 내의 벨트 사이에 유극이 있다. 도 14는 도 13의 벨트에 맞물리는 스프로킷의 부분적인 사시도이다. 스프로킷(3001)은 톱니 상면(2012)과 마찰 접촉하는 풀리 홈 표면(3002)을 포함한다. 이러한 선택적 실시예에 따르면 상기 마찰 접촉을 통해 동력이 전달된다. 스프로킷 톱니(3000)는 동기화를 유지하기 위해 벨트 톱니(2010) 사이의 벨트 홈 영역(2011)과 맞물린다. 벨트 구조의 다른 양태들 모두는 다른 실시예에 대한 본 명세서 내의 다른 곳에서 개시된 바와 같다.
벨트 구조로 돌아와서, 도 5에 도시된 바와 같이, 벨트 재료는 높은 마찰계수를 가지는 자켓층(106)에 이용되는 외장재(facing material)를 더 포함한다. 자켓층은 아라미드, 폴리아미드, PTFE, PBO, 폴리에스터 카본의 섬유사(yarn), 또는 다른 합성 섬유 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 함유하는 직조되거나 직조되지 아니한 직물(woven fabric) 또는 부직물(unwoven fabric)을 포함할 수 있다. 이들은 연속층으로서 제공될 수 있고, 고무 합성 재료에 통합될 수 있으며, 인장 부재의 설계에 있어 이용될 수 있다.
자켓층 외장재는 임의의 등급의 HNBR, 임의 등급의 CR, 설피네이티드 폴리에틸렌(sulphinated polyethylene) 또는 EPDM을 함유하는 수계(aqueous based) 레졸신 포르말린 라텍스(RFL; Resorcin Formalin Latex) 또는 용매계 폴리머 접착제로 처리될 수 있다. 이들은 구동 시스템 수명에 걸친 모든 온도 레벨에 있어서 상기 외장재와 다른 벨트 구성요소 사이의 높은 접착 수준을 보장하고, 내식성을 최대화하며, 내열성 및 열노화에 대한 저항성을 최대화하기 위해 이용된다. 종합적인 결과물로서의 벨트는 상술한 평벨트 구동 이론을 이용함으로써 하중의 상당량을 전달하는 벨트 랜드의 능력을 최대화한다.
도 5를 다시 참조하면, 벨트는 무한하게 연장된 길이 방향 축선과 평행하게 배치된 높은 모듈러스의 인장 부재(107)를 더 포함한다. 인장 부재는 섬유 유리, 고강도 유리, PBO, 아라미드, 와이어 또는 탄소 또는 이들의 조합을 함유하는 가연(twisted)되거나 가연되어 합연된(plied) 섬유사를 포함할 수 있다. 인장 코드는 벨트의 너비를 가로지르는 나선을 형성하는 단일 코어로서 제공되거나, 벨트의 너비를 가로지르는 나선을 형성하는 교차 가연 방향(Z, S)을 가진 인장 코드의 짝으로 제공될 수 있다. 인장 코드는 RFL 내에 VPCSM/VPSBR/HNBR/CR을 포함하는 수계 RFL 시스템 또는 용매계 폴리머 접착제로 처리될 수도 있다. 이들은 사이즈제 와 함께 임의 등급의 HNBR, 임의 등급의 CR, 설피네이티드 폴리에틸렌 또는 EPDM을 포함할 수 있다. 이들 작용제는 구동 시스템 수명에 걸친 모든 온도 범위에서 인장 부재와 다른 벨트 엘라스토머 구성요소 사이의 높은 접착 수준을 보장한다. 이들은 구동 수명에 걸쳐 적절한 곳에서 섬사(纖絲) 간의 마모 및 굴곡 피로에 의한 인장 강도 저하를 최소화하기도 한다. 또한, 이들은 벨트의 수명에 걸쳐 인장 부재의 유체 저항성을 최대화하면서, 저온 조건에 의해 야기되는 인장 강도 저하를 최소화한다.
벨트 본체(108)는 임의 등급의 HNBR, CR, EPDM, SBR 및 폴리우레탄 또는 이들 중 둘 이상의 임의의 조합을 주성분으로 하는 높은 모듈러스의 엘라스토머 혼합물을 포함한다.
벨트 본체는 선택적으로 섬유 충진용 불연속 섬유를 포함할 수 있고, 이 불연속 섬유는 최종 혼합물의 모듈러스를 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 도 5 및 6에 도시된 바와 같이, 벨트 엘라스토머의 강화재로서 바람직하게 이용될 수 있는 섬유(40, 400)의 타입은 메타 아라미드, 파라 아라미드, 폴리에스테르, 폴리아미드, 면, 레이온 및 유리를 포함하며, 이들 중 둘 이상의 조합도 포함하나, 파라 아미드가 바람직하다. 종래 기술 분야에서 공지된 바와 같이 소정의 섬유 형태에 대해 가능하면 섬유는 이들의 표면적을 증가시키기 위해 소섬유화되거나(fibrillated) 펄프화(pulped)될 수 있고, 또는 유사하게 종래 기술 분야에서 공지된 것처럼 잘게 만들어지거나 스테이플파이버(staple fiber)의 형태일 수 있다. 본원의 개시를 위하여 "소섬유화" 및 "펄프화"란 용어는 이러한 공지의 특성을 나 타내기 위해 번갈아 이용되어야 하고, "잘게 만들어진" 또는 "스테이플"이란 용어는 다른 공지된 특성을 나타내기 위해 번갈아 이용된다. 섬유(40)는 약 0.1 내지 약 10 ㎜의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 섬유는 선택적으로 엘라스토머에 대한 접착을 개선하기 위해 섬유 타입에 부분적으로 기반하여 요구되는 바에 따라 처리될 수 있다. 섬유 처리의 일례로는 임의의 적절한 레조키놀 포름알데히드 라텍스(RFL; Resorcinol Formaldehyde Latex)가 있다.
섬유가 스테이플 또는 잘게 만들어진 것인 바람직한 실시예에서, 섬유는 폴리아미드, 레이온 또는 유리로 구성될 수 있고, 바람직하게는, 종횡비, 즉, "L/D"(섬유 직경에 대한 섬유 길이비)는 10 이상이다. 또한, 바람직하게는, 섬유는 약 0.1 내지 약 5 ㎜의 길이를 가진다.
섬유가 펄프화 또는 소섬유화 된 집합물인 다른 바람직한 실시예에서, 바람직하게는, 섬유는 파라아라미드로 형성되고, 약 1 m2 /g 내지 약 15 m2/g, 더 바람직하게는 약 3 m2 /g 내지 약 12 m2 /g, 가장 바람직하게는 약 6 m2 /g 내지 약 8 m2 /g의 비표면적을 가지고, 그리고/또는 약 0.1 ㎜ 내지 약 5.0 ㎜, 더 바람직하게는 약 0.3 ㎜ 내지 약 3.5 ㎜, 가장 바람직하게는 약 0.5 ㎜ 내지 약 2.0 ㎜의 평균 섬유 길이를 갖는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 이용되는 파라아라미드 소섬유화 섬유의 양은 니트릴 고무의 약 0.5 내지 약 20 중량 pph(Part Per Hundred Weight)인 것이 좋을 수 있고, 바람직하게는 니트릴 고무의 약 0.9 내지 약 10.0 중량 pph, 더욱 바람직하게는 니트릴 고무의 약 1.0 내지 약 5.0 중량 pph, 가장 바람직하게는 니트릴 고무의 약 2.0 내지 약 4.0 중량 pph이다. 당업자는, 더 높은 섬유 하중 집중시 엘라스토머는 경화되는(cured) 엘라스토머의 과도한 경화(hardness)를 방지하기 위해 첨가재, 예컨대, 가소제를 포함하도록 수정되는 것이 바람직함을 이해할 것이다.
섬유는 동력 전달 벨트의 엘라스토머 재료 전체에 무작위적으로 분산되거나, 임의의 요구 방향으로 배향될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따라 제작된 치형 벨트에 있어서 섬유가 도 13의 실시예에서 도시된 것처럼 동력 전달 벨트 내의 엘라스토머 재료 전체에 배향될 수도 있다.
톱니(104, 105, 201) 내의 섬유(40, 400)는 벨트의 주행 방향인 길이 방향으로 배향되는 것이 바람직하다. 그러나, 톱니(104, 105, 201) 내의 섬유(40, 400)는 인장 코드(107, 203)에 대해 모두 평행하지는 않으며; 톱니 내의 섬유(40, 400)는 길이 방향으로 배치되지만, 유통 방법(flow-through method)에 따라 톱니가 형성되는 과정에서 엘라스토머 재료의 유동 방향을 따른다. 이로 인해 섬유(40, 400)는 톱니의 프로파일에 들어맞는 길이 방향이며, 전체적으로 사인 형태로 벨트 톱니(104, 105, 201) 내에 배향된다.
이러한 바람직한 형태로 배향될 때, 즉, 섬유의 방향이 전체적으로 치형 벨트의 진행 방향일 때, 벨트의 배면 섹션(120, 1200)에 위치한 섬유(40, 400)는, 벨트의 배면 내의 크랙으로서 특히 과도한 고온 또는 저온에서의 작동에 의해 발생하는 크랙의 전파를 방지하는 것으로 알려져 있으며, 그렇지 않으면 이 크랙은 일반 적으로 벨트의 진행 방향에 수직한 방향으로 전개된다. 그러나, 섬유(40, 400)는 배향될 필요가 없거나, 또는 설명한 것과 상이한 방향 또는 방향들로 배향될 수도 있음을 이해할 것이다.
상술한 설계 원칙의 적용은 다음 실시예에서 기술된다.
도 1을 참조하면, 종래 기술의 시스템은 다음의 사양을 갖는다. 치형 벨트(B)는 135개의 톱니 및 9.525 ㎜ 피치(P)를 가진다. 구동 길이는 1285.875 ㎜이다. 스프로킷은 다음과 같다 :
- 19 홈 크랭크샤프트 스프로킷(CRK)
- 18 홈 워터펌프 스프로킷(W_P)
- 38 홈 캠샤프트 스프로킷(CM1, CM2)
- 4 엔진 실린더
캠샤프트 스프로킷(CM1, CM2)는 113.84 ㎜의 직경을 갖는다. TEN 및 IDR은 각각 종래 기술에서 공지된 텐셔너(tensioner) 및 아이들러(idler)를 각각 지시한다.
도 1을 다시 참조하면, 상술한 종래 기술의 시스템을 대체하는 본 발명의 벨트 및 시스템은 구동 길이가 동일하게 유지되고 스프로킷 직경이 더 크게 되지 않도록 설계된다.
본 발명의 시스템은 벨트의 전체 구동 길이에 부분적으로 좌우되는 피치(P)를 포함한다. 크랭크샤프트 스프로킷 홈의 수는 크랭크샤프트가 1회전할 때의 엔진 점화 횟수에 좌우된다. 랜드 영역 길이에 대한 톱니의 전단 영역 너비의 비는 피치(P)에 의존한다.
본 발명의 벨트(B)는 길이 방향 축선에 횡방향으로 배치되는 톱니를 정수개 가지고, 종래 기술의 벨트에서 135개의 톱니를 가지는 것과 대조적으로 이 경우에 57개의 톱니를 가진다. 본 실시예에서, 벨트 피치(P)는 22.62 ㎜이며, 종래 기술의 시스템에서 9.525 ㎜인 것과 비교된다. 크랭크샤프트 스프로킷(CRK)(구동 스프로킷)은 엔진 실린더의 개수의 1/2의 정수배의 홈을 가지며, 이 경우 8개의 홈이 선택된다(4 엔진 실린더 × 2). 캠샤프트 스프로킷(CM1, CM2) 각각은 크랭크샤프트 스프로킷의 홈 개수(8개의 홈)의 2배수 개의 홈을 가지며, 이 경우 각 캠샤프트 스프로킷에 16개의 홈이 제공된다. 워터펌프 스프로킷(W_P)의 홈 개수도 정수이며, 이 경우 8개다. 필요하다면, 상이한 벨트 구조를 위해, 벨트 피치(P)가 조절되어 바람직한 텐셔너 아암 위치를 갖도록 할 수 있다.
노이즈 문제를 개선하기 위하여, 크랭크샤프트 스프로킷 내의 홈의 개수는 엔진 실린더 개수의 1/2의 정수배이다. 이는 크랭크샤프트 스프로킷 홈의 개수를 크랭크샤프트 회전당 엔진 실린더 점화 횟수와 관련짓는다. 이러한 방식에 있어서, 벨트/스프로킷 맞물림 진동수가 상당히 감소하므로, 맞물림 노이즈가 다른 엔진 진동수 차수의 노이즈와 구별되지 않게 된다.
상기의 4 실린더 엔진의 예는 크랭크샤프트 스프로킷 내에 8개의 홈을 가지지만, 크랭크샤프트 스프로킷은 엔진 실린더 갯수의 1/2의 임의의 정수배의 홈, 예컨대, 4 또는 12개의 홈을 포함할 수도 있다.
작동중, 각 벨트 톱니는 종동 악세사리의 적절한 동기성을 유지하기 위해 연속적으로 구동 스프로킷 홈과 종동 스프로킷 홈에 맞물린다. 시스템은 적절한 동 기화를 유지하기 위해 구동 스프로킷 홈과 맞물리는 적어도 두개의 벨트 톱니와 종동 스프로킷 홈과 맞물리는 적어도 두 개의 벨트 톱니가 항상 필요하다. 톱니의 개수, 더욱 구체적으로는 피치는 랩각(α)과 직접적으로 관련된다. 즉, 적어도 2개의 벨트 톱니가 대응 스프로킷 홈과 항상 맞물리도록 하기 위해, 랩각이 감소함에 따라 벨트 톱니 간격 및 스프로킷 홈 간격이 줄어들어야 한다. 톱니 피치(P)의 한계는 다음과 같다 :
P ≤ (π/180°) * (r) * (α)
여기서, r = 최소 스프로킷 피치 직경의 반지름
α = 최소 스프로킷에 대한 벨트의 랩각
이제 본 발명의 스프로킷 및 벨트의 측면도인 도 2로 돌아가면, A로 표시된 위치는 최대 하중시 벨트 랜드 상에서 벨트의 팽팽한 측부의 폭의 접점을 나타낸다. 위치(A)는 벨트가 구동 스프로킷과 맞물리는 위치다. 벨트(B)는 화살표로 표시된 방향으로 구동하는 구동 스프로킷(100)과 맞물리는 것으로 도시되어 있다. 동력, 즉, 토크는 벨트 랜드면과 풀리 외면 사이의 마찰 접촉에 의해 종동 풀리로 전달된다.
크랭크샤프트 스프로킷(100)은 벨트와 맞물리는 8개의 홈을 포함한다. 점(A)는 실린더 점화가 일어날 때 벨트-스프로킷 위치를 나타낸다. 위치(A)에 대해, 벨트가 구동 스프로킷과 맞물리는 점(A) 및 첫번째로 인접하여 맞물리는 벨트 톱니(A') 사이에서, 벨트 랜드의 적어도 약 50%가 각각의 실린더 점화시 스프로킷과 맞물린다. 각각의 실린더 점화시에 맞물리는 벨트의 팽팽한 측부 상에서, 점(A) 및 첫번째로 인접하여 맞물리는 톱니(A') 사이가 랜드 영역의 100%에 이르도록 엔진 타이밍이 조절될 수 있다.
이러한 구동 시간 조절 방법은 각 엔진 점화에 의한 톱니 전단 하중을 최소화하고, 즉, 동력 전달 과정에서 톱니의 전단성능에 대한 랜드 마찰의 기여를 최대화하기 위해 엔진 점화 과정에서 스프로킷과 맞물리는 랜드 부분을 최대화한다. 따라서, 톱니 맞물림은 주로 적절한 동기화를 보장하기 위해 이용된다. 동력 또는 토크는 스프로킷 상의 연동면과 벨트 랜드의 접촉에 의해 주로 전달된다.
도 3은 스프로킷 홈의 프로파일이다. 각 홈(1000)은 차례로 제1 홈(101) 및 제2 홈(102)을 포함한다. 톱니(103)는 홈들(101, 102)의 각각의 짝 사이에 배치된다. 홈(1000)은 도 5에 도시된 연동하는 벨트 프로파일과 맞물리고, 즉, 톱니(104, 105)는 홈(101, 102) 각각과 연동하여 맞물린다. 랜드 영역(300, 301)은 벨트 랜드 영역(110)과 맞물린다. 도 4는 스프로킷 홈의 프로파일이다. 이 실시예에서, 홈(2000)은 단일한 홈(200)을 포함한다. 홈(200)은 도 6에 도시된 바와 같은 벨트 톱니(201)와 맞물린다. 랜드 영역(500, 501)은 벨트 랜드 영역(205)과 맞물린다.
도 5는 벨트의 횡단면도이다. 벨트는 벨트 본체(108)에 배치된 톱니부(104, 105)를 포함한다. 딤플(dimple) 또는 홈(109)은 톱니부(104, 105) 사이에 배치된다. 개시를 위해, 딤플(109)과 조합된 톱니부(104, 105)는 단일한 톱니(T)를 포함한다. 톱니(T)는 길이(W)를 가진다. 길이가 L인 랜드 영역(110)이 각 톱니(T) 사이에 배치된다. 본 발명의 벨트 랜드 영역(110)은 톱니 길이(W)보다 더 긴 길 이(L)를 가진다. 피치(P)는 연속된 톱니들의 대응점 사이의 간격이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 선택적으로, 딤플(109)은 톱니 형상에서 제거될 수 있으며, 마찬가지로 연동하는 톱니(103)도 스프로킷에서 제거될 수 있다.
인장 코드(107)는 벨트의 길이 방향 축선을 따라 배치된다. 길이 방향 축선은 무한한 방향으로 진행한다. 자켓층(106)은 벨트의 스프로킷 접촉면 상에 배치된다.
도 6은 벨트의 횡단면도이다. 벨트는 벨트 본체(204)에 배치된 톱니(201)를 포함한다. 인장 코드(204)는 벨트의 길이 방향 축선을 따라 배치된다. 길이 방향 축선은 무한한 방향으로 진행한다. 자켓층(202)은 벨트의 스프로킷 접촉면 상에 배치된다. 톱니(201)는 길이(W)를 가진다. 길이(L)를 가지는 랜드 영역(205)이 각각의 톱니(201) 사이에 배치된다. 본 발명의 벨트 랜드 영역(205)은 톱니 길이(W) 이상의 길이(L)를 갖는다.
본 발명의 시스템은 종래 기술의 시스템보다 많은 점에서 개선되었다. 도 7은 캠 댐퍼 메카니즘이 없어도 벨트 설치 장력의 함수로서 엔진 캠샤프트의 회전 진동(AV)이 감소하는 것을 나타낸다. 본 발명의 벨트 및 스프로킷을 사용함으로써 회전 진동이 2.2°에서 0.9°로 크게 감소함을 알 수 있다. 벨트 및 시스템의 마모를 최소화하기 위하여 시스템의 회전 진동은 1.5° 미만인 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명은 캠 댐퍼의 생략을 통해 시스템의 복잡성 및 비용을 감소시킨다.
작동 과정에서 벨트의 팽팽한 측부 전장의 진폭은 본 발명의 벨트를 이용함으로써 약 30% 감소한다. 벨트의 팽팽한 측부 전장에서 공명이 일어나는 속도는 약 2000 RPM에서 3000 RPM으로 증가한다.
도 8을 참조하면, 설치 장력(Tinst)이 종래 기술의 230N에서 본 발명의 시스템에서의 375N으로 증가함에 따라 유효 장력(Te)은 감소한다. 종래 기술의 시스템에 있어서, 이러한 장력의 증가는 수명 감축 및 노이즈 증가를 가져온다. 상술한 이유와 같이 본 발명의 시스템의 경우에는 그렇지 아니하다.
시스템에 의해 발생되는 노이즈를 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은 종래 기술의 시스템에 있어서 벨트/스프로킷 맞물림에 의해 발생되는 특유의 노이즈와 연관된 19차 관련 고조파 진동수를 감소시킨다. 더불어, 도 10에 도시된 바와 같이 8차 관련 고조파 진동수가 유도되지만, 이는 점화 차수와 같은 다른 엔진 차수와 동일한 진동수에서 발생하는 것이다. 도 9 및 도 10 각각에서, 본 발명의 시스템은 댐퍼 없이 375 뉴톤의 유효 장력에서 설치된다. 반면, 다른 시스템은 각각 댐퍼를 포함하며, 이는 추가적인 시스템 비용 문제를 일으킨다. 본 발명의 시스템은 벨트/풀리 맞물림에 의해 발생하는 진동의 진동수를 엔진 진동수 차수로부터 구별되지 않는 정도로 감소시킨다.
본 발명의 양태들이 본 명세서에 기술되어 있지만, 당업자에게는 본 명세서에서 기술된 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 구성 및 구성요소의 관계가 변화될 수 있음이 명백하다.

Claims (17)

  1. 벨트 본체를 가지는 벨트;
    길이 방향 축선을 따라 진행하는 상기 벨트 본체에 배치된 인장 코드;
    상기 벨트 본체의 외면 상에 배치되는 복수의 벨트 톱니, 인접한 상기 벨트 톱니 사이에 배치되는 벨트 랜드;
    엔진 크랭크샤프트에 부착되는 구동 스프로킷; 및
    종동 스프로킷
    을 포함하고, 상기 구동 스프로킷 상의 홈의 개수는 엔진 실린더 개수의 1/2의 정수배이며,
    상기 벨트가 상기 구동 스프로킷과 맞물리는 점(A) 및 첫번째로 인접하여 맞물리는 벨트 톱니(A') 사이에서 상기 벨트 랜드의 적어도 50%가 실린더 점화시 상기 스프로킷과 맞물리는 것인 벨트 구동 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 벨트 톱니의 간격은 적어도 두 개의 벨트 톱니가 최소 랩각도를 가지는 상기 스프로킷 상의 두 개의 벨트 홈과 맞물리게 하는 것인 벨트 구동 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 구동 스프로킷과 비교하여, 상기 종동 스프로킷 상의 홈의 개수에 대한 배수는 2 이상의 정수인 것인 벨트 구동 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 벨트 톱니 피치(P)는 P ≤ (π/180°)*(r)*(α) 공식에 의해 정해지고, 상기 r은 최소 스프로킷 피치 직경의 반지름이고, 상기 α는 최소 스프로킷에 대한 상기 벨트의 랩각도인 것인 벨트 구동 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 벨트는 섬유 적재물을 더 포함하는 것인 벨트 구동 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 종동 스프로킷 상의 홈의 개수는 상기 구동 스프로킷의 홈의 개수의 정수배인 것인 벨트 구동 시스템.
  7. 엘라스토머 본체;
    길이 방향 축선에 평행하도록 상기 본체에 배치된 인장 부재;
    상기 길이 방향 축선의 횡방향으로 상기 본체 상에 배치되는 복수의 톱니로서, 각 톱니는 각각 톱니 영역을 가지는 것인 톱니; 및
    상기 톱니 사이에 배치되며 랜드 영역을 가지는 랜드부
    를 포함하고, 상기 랜드 영역은 상기 톱니 영역보다 크며, 상기 톱니 영역에 대한 상기 랜드 영역의 비는 약 1.50 : 1.0 내지 약 10.0 : 1.0이고,
    상기 랜드부는 스프로킷 표면과 맞물림으로써 토크를 전달하기 위한 마찰 계수를 가지는 것인 벨트.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 마찰 계수는 약 0.30 내지 약 0.40인 것인 벨트.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 벨트는 섬유 적재물을 더 포함하는 것인 벨트.
  10. 구동 및 종동 스프로킷; 및
    상기 구동 및 종동 스프로킷 사이에서 맞물리는 벨트
    를 포함하고,
    상기 벨트는 본체, 피치를 가지는 횡톱니, 무한 방향으로 배치되는 상기 본체 내에 매설된 인장 코드, 및 인접한 상기 톱니 사이에 배치된 랜드 영역을 가지는 랜드를 포함하며,
    상기 구동 스프로킷은 엔진 실린더 개수의 1/2의 정수배에 대응하는 소정의 연동 홈의 개수를 가지고,
    상기 벨트 톱니 부하를 최소화하기 위해, 엔진 실린더 점화 타이밍이 엔진 실린더 점화 과정 동안 상기 벨트의 팽팽한 측부 상의 한 점(A)에 대해 상기 구동 스프로킷과 맞물리는 상기 벨트의 랜드 양을 결정하며,
    상기 벨트가 상기 구동 스프로킷과 맞물리는 한 점(A) 및 첫번째로 인접하여 맞물리는 상기 벨트 톱니(A') 사이에서, 상기 벨트 랜드의 적어도 50%가 실린더 점화시 상기 스프로킷과 맞물리는 것인 내연 엔진용 벨트 구동 시스템.
  11. 벨트 본체를 가지는 벨트;
    길이 방향 축선을 따라 진행하는 상기 벨트 본체에 배치되는 인장 코드;
    상기 벨트 본체의 외면 상에 배치되는 복수의 벨트 톱니, 인접한 상기 벨트 톱니 사이에 배치되는 벨트 랜드;
    엔진 크랭크샤프트에 부착되는 구동 스프로킷; 및
    종동 스프로킷
    을 포함하고,
    상기 구동 스프로킷 상의 홈의 개수는 엔진 실린더 개수의 1/2의 정수배이며,
    상기 종동 스프로킷 상의 홈의 개수는 상기 구동 스프로킷의 홈 개수의 정수배이고,
    상기 벨트 톱니와 상기 구동 스프로킷 홈의 맞물림 진동수는 엔진 실린더 점화 타이밍 진동수에 겹쳐졌을 때 실질적으로 구별되지 않는 것인 벨트 구동 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 벨트 톱니 부하를 최소화하기 위해, 엔진 실린더 점화 타이밍이 엔진 실린더 점화 과정 동안 상기 벨트의 팽팽한 측부 상의 한 점(A)에 대해 상기 구동 스프로킷과 맞물리는 상기 벨트 랜드의 양을 결정하고,
    상기 벨트가 상기 구동 스프로킷과 맞물리는 한 점(A) 및 첫번째로 인접하여 맞물리는 상기 벨트 톱니(A') 사이에서, 상기 벨트 랜드의 적어도 50%가 실린더 점 화시 상기 스프로킷과 맞물리는 것인 벨트 구동 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 톱니의 영역에 대한 상기 벨트 랜드의 영역의 비는 약 1.5 : 1.0 내지 약 10.0 : 1.0인 것인 벨트 구동 시스템.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 벨트 본체는 섬유 적재물을 더 포함하는 것인 벨트 구동 시스템.
  15. 청구항 11에 있어서, 상기 톱니의 영역에 대한 상기 랜드의 영역의 비는 약 0.20 : 1.0 내지 약 0.09 : 1.0인 것인 벨트 구동 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 하중은 톱니 상면과 풀리 홈 표면 사이의 접촉 마찰에 의해 전달되는 것인 벨트 구동 시스템.
  17. 엘라스토머 본체;
    길이 방향 축선에 평행하도록 상기 본체에 배치되는 인장 부재;
    상기 길이방향 축선의 횡방향으로 상기 본체 상에 배치되는 복수의 톱니로서, 각 톱니는 톱니 영역을 가지는 것인 톱니; 및
    상기 톱니 사이에 배치되며 랜드 영역을 가지는 랜드부
    를 포함하고,
    상기 랜드 영역은 상기 톱니 영역보다 작으며, 상기 톱니 영역에 대한 상기 랜드 영역의 비는 약 0.20 : 1.0 내지 약 0.09 : 1.0이며,
    상기 톱니 영역은 스프로킷 표면과 맞물림으로써 토크를 전달하기 위한 마찰계수를 가지는 것인 벨트.
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