KR20070106593A - 벨트의 동적 장력 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 허브로드 트랜스듀서(hubload transducer)와 토크 트랜스듀서(torque transducer)를 사용하여 작동하는 전방 단부의 부속품 벨트 장력을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 허브로드 트랜스듀서는 내측 링과 외측 링 사이에 동일 평면 상에 놓이는 방식으로 배치된 변형 가능한 부재를 구비하는 동심 링을 포함한다. 허브로드 트랜스듀서는 토크를 전달하지 않는 아이들러 풀리와 함께 사용된다. 상기 토크 트랜스듀서는 벨트 지지 표면과 회전 샤프트에 연결된 변형 가능한 원통형 부재를 포함한다. 상기 토크 트랜스듀서는 토크를 피구동 부속품으로 전달할 것이다. 에어컨디셔너 압축기 혹은 파워 스티어링 펌프 등의 부속품에 사용된다. 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스에서 나온 신호는 구동기와 피구동 부속품 사이의 벨트 스팬 장력뿐만 아니라 구동 효율을 계산하기 위해 사용된다.

Description

벨트의 동적 장력 측정 장치{APPARATUS OF BELT DYNAMIC TENSION MEASUREMENT}
본 발명은 벨트의 동적 장력 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면, 허브로드 트랜스듀서(hubload transducer)와 토크 트랜스듀서(torque transducer)를 사용하여 구동 효율 측정을 위한 벨트의 동적 장력 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
다양한 스트레인(strain) 측정 장치가 공지되어 있다. 이러한 장치들은 하중이 가해지고 스트레인 게이지가 고정되어 있는 변형 가능한 부재를 일반적으로 포함할 수 있다. 이들 공지의 장치들 중에는 변형 가능한 빔 부재와 가요성의 빔 부재를 구비하는 환상의 게이지 링을 포함하는 장치가 있다. 가요성 빔 부재는 링 부분과 상호 연결되어 있다.
또한 공지의 장치들 중에는 단지 일방향으로 상대적으로 가요성이거나 굴절될 수 있는 평행하게 간격을 둔 빔 부재에 의해 일체로 연결된 이격 단부 벽 부재들을 포함하는 이중 빔 검출 부재가 있다. 단부 벽들 중 하나는 일반적으로 지지 구조체에 고착되고, 나머지 단부 벽들은 샤프트에 작동 가능하게 혹은 직접 고착되 어 있다.
대표적인 종래 기술로서 Lehtovaara 명의의 미국 특허 제6,216,547호(2001년)에는 환상의 내측 링 부분과 환상의 외측 링 부분을 구비하는 동시에 변형 가능한 빔 부재와 가요성의 빔 부재를 포함하는 환상의 게이지 링을 포함하는 로드 센서(load sensor)가 개시되어 있다.
2002. 9. 30일자로 출원된 본 출원인 명의의 미국 특허 출원 번호 제10/262,035호에는 내측 링과 외측 링 사이에서 동일 평면 내에 배치된 변형 가능한 링을 지닌 허브로드 트랜스듀서가 개시되어 있다.
풀리에 연결된 원통형 부분을 포함하는 동시에 타단부가 샤프트에 연결되어 있고, 또 원통형 부분에 고착된 스트레인 게이지를 구비하는 토크 하중을 측정하기 위한 풀리가 또한 공지되어 있다.
대표적인 종래 기술로서 일본 특허 출원 공개번호 제2001099271호에는 타단부가 샤프트에 연결되어 있고, 또 원통형 부분에 고착된 스트레인 게이지를 구비하는 원통형의 장치가 개시되어 있다.
종래 기술에서는 시스템 베이스 상에서 작동하도록 조합된 허브로드 및 토크 트랜스듀서가 개시되어 있지 않다. 또한, 허브로드 트랜스듀서는 가요성 빔 부재와 변형 가능한 빔 부재를 포함하기 때문에 상대적으로 구조가 복잡하다. 종래의 토크 트랜스듀서는 원통형 부분을 다른 지지 구조체로부터 비틀림에 대해 격리시키는 수단을 포함하지 않는다.
결국 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스듀서를 사용하여 작동하는 벨트 스팬 장력을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 요구되어 왔다. 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스듀서를 사용하여 벨트 구동 효율을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 요구되어 왔다. 따라서 본 발명의 이러한 필요성을 충족시킨다.
본 발명의 주목적은 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스듀서를 사용하여 작동하는 벨트 스팬 장력과 크랭크샤프트 토크를 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스듀서를 사용하여 벨트 구동 효율을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스듀서를 사용하여 작동하는 전방 단부의 부속품 벨트 장력을 측정하기 위한 방법 및 장치를 포함한다. 상기 허브로드 트랜스듀서는 내측 링과 외측 링 사이에 동일 평면 상에 놓이는 방식으로 배치된 변형 가능한 부재를 구비하는 동심 링을 포함한다. 허브로드 트랜스듀서는 토크를 전달하지 않는 아이들러 풀리와 함께 사용된다. 상기 토크 트랜스듀서는 벨트 지지 표면과 회전 샤프트에 연결된 변형 가능한 원통형 부재를 포함한다. 상기 토크 트랜스듀서는 토크를 피구동 부속품으로 전달할 것이다. 에어컨디셔너 압 축기 혹은 파워 스티어링 펌프 등의 부속품에 사용된다. 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스에서 나온 신호는 구동기와 피구동 부속품 사이의 벨트 스팬 장력뿐만 아니라 구동 효율을 계산하기 위해 사용된다.
본 발명의 다른 태양들은 이하의 발명의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해 더욱 명백해질 것이다.
본 명세서에 합체되고 또 그 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 양호한 실시예를 예시하고 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공된다.
도 1에는 허브로드 트랜스듀서의 사시도가 도시되어 있다. 이 허브로드 트랜스듀서는 비교적 콤팩트하고, 샤프트의 하중 혹은 샤프트 동적 거동을 측정하기 위해 풀리에 사용될 수 있다. 이것은 허브로드 나아가 벨트 스팬 장력을 측정하는 것을 포함한다. 허브로드는 벨트 구동 시스템에서 벨트 장력에 의해 풀리와 그 샤프트에 가해진 하중이다.
트랜스듀서(100)는 일반적으로 아치형의 내측 부재 혹은 허브 링(101), 센서 링(102), 및 아치형의 외측 부재 혹은 외측 링(103)을 포함한다. 허브 링(101)은 트랜스듀서를 장착면에 고착하기 위한 수단으로서 작용하는 보어(104)를 포함한다. 볼트 등의 파스너는 트랜스듀서를 장착면에 연결하기 위해 보어(104)를 통해 허브 링(101)과 맞물린다. 허브 링(101)은 트랜스듀서를 장착면에 연결하는 견고한 수단을 제공하기 위해 비교적 강성이다. 허브 링(101)은 허브 링을 장착면에 고착하 기 위한 일체형 샤프트를 또한 포함할 수 있다. 허브 링(101)은 연결 부분 혹은 부재(108)에 의해 센서 링(102)에 연결되어 있다.
허브 링(101)의 각각의 측면에 형성된 구멍(120, 121)은 센서 링(102)의 내측면(122, 123)으로 접근할 수 있는 진입로를 제공한다. 구멍(120, 121)으로 통하는 진입로는 스트레인 게이지(302, 303)를 센서 링(102)에 장착시키기 위해 사용된다. 구멍(120, 121)의 사용은 슬롯(511)의 폭에 따라 결정된다. 구멍(120, 121)의 합체는, 센서 링(102)이 허브 링의 측방향 운동 범위 한도에서 허브 링(101)에 닿는 것을 간신히 피할 수 있는 위치까지 슬롯(511)의 폭이 최소가 되도록 해주며, 이에 따라 트랜스듀서의 전체 직경이 종래의 것에 비해 감소될 수 있도록 해준다. 예컨대, 슬롯(511)이 특히 좁을 경우, 예컨대 약 2mm 미만일 경우, 센서 링(102) 상에 스트레인 게이지를 장착하기 위한 방법은 매우 제한되며, 아마 구멍(120, 121)이 없으면 불가능하게 된다.
센서 링(102)은 허브 링(101)과 외측 링(103) 사이에 연결되어 있다. 센서 링(102)은 아치형 모양의 내측 허브 링(101) 및 외측 링(103)과 동심으로 협동하는 아치형의 변형 가능한 부재를 포함한다. 허브 링, 센서 링 및 외측 링 사이의 동심 관계는 본 발명의 따른 트랜스듀서가 풀리 내에서와 같은 제한된 영역에 사용하기 위해 예컨대, 60mm 미만의 최소 직경을 가질 수 있도록 해준다.
슬롯(510)은 센서 링(102)과 외측 링(103) 사이에 배치되어 있다. 슬롯(511)은 센서 링(102)과 내측 링(101) 사이에 배치되어 있다. 하중이 걸릴 때, 센서 링(102)은 가늘고 긴 모양으로 혹은 장축은 A-A 방향으로 그리고 단축은 B-B 방향으로 배치되는 타원형 모양으로 변형된다(도 3 참조). 슬롯(511)의 폭은 하중이 가해질 때 B-B 방향으로 센서 링(102)의 희망하는 총 변형량에 의해 결정된다. 슬롯(511)의 폭은 또한 센서 링(102)의 두께(T)와 함수 관계에 있다. 두께(T)는 최대 설계 하중을 포함하여 센서 링이 처하게 될 동적 조건의 의해 결정된다. 유한 요소법을 이용하면, 두께(T)는 예상된 로딩 조건 하에서 양호한 동적 범위를 제공하기 위해 최적화된다.
적어도 하나의 스트레인 게이지는 도 3에 도시된 바와 같이 센서 링에 고착되어 있다. 허브로드 힘 벡터는 벡터 600으로 표시되어 있다. 센서 링(102)은 허브 링에 허브로드가 가해질 때에 스트레인 게이지의 위치에서 표면 변형의 실현을 유발하기에 충분한 유연성이 있다. 센서 링(102)은 아치형의 연결 부재(512)를 통해 외측 링(103)과 소정의 부분(107)에 연결되어 있다. 상기 부분(107) 및 연결 부재(108)는 센서 링(102)의 실질적으로 양면 상에 배치되어 있다. 연결 부재(512)에서 외측 링(103)에 센서 링(102)을 연결함으로써 센서 링(102)의 변형을 향상시키고 이에 따라 축(A-A)을 따라 허브로드 힘(600)에 노출될 때 센서 링(102) 내의 표면 변형을 향상시킨다. 비록 벡터(600)는 특정 방향을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 트랜스듀서는 임의의 방향의 벡터를 갖는 하중을 검출할 수 있다. 물론, 전체의 감도는 벡터(600)와 이것에 관련된 스트레인 게이지(들) 위치 사이의 공간적 관계에 따라 영향을 받을 수 있다. 따라서 트랜스듀서의 감도는 상기 부분(107)과 부재(108)와 관련된 벡터(600)의 방향, 스트레인 게이지의 위치, 센서 링(102)의 두께에 기초하여 최적으로 된다.
각각의 연결 부재(512)는 트랜스듀서가 하중 하에 놓일 때 센서 링(102)과 함께 부분적으로 변형된다. 상기 부재(512)는 트랜스듀서에 의해 보다 구체적으로 센서 링(102)에 의해 지탱될 동적 하중의 함수인 예정된 스프링 탄성계수를 지닌다. 예정된 스프링 탄성계수는 그 다음 각각의 연결 부재(512)의 아치형 형상을 결정한다.
작동 동안 센서 링(102)은 진동과 주기적인 하중에 항상 노출될 것이라는 것은 예상할 수 있다. 이는 센서 링(102)과 외측 링(103) 사이의 연결부에 응력을 부가하게 될 것이다. 따라서 연결 부재(512)의 아치형 형상은 센서 링(102)과 외측 링(103) 사이의 연결부에 존재하게 될 응력 라이저(stress riser)를 분배 및 분산시켜 이를 감소시킴으로써 트랜스듀서의 작동 수명을 증대시킨다. 이것은 결국 상기 연결부에서 응력 라이저에 의해 초래될 수 있는 잠재적인 피로 균열을 최소화시킨다.
외측 링(103) 내의 구멍(105, 106)은 센서 링(102) 상에 스트레인 게이지(301 304)의 설치를 용이하게 하기 위해 사용된다(도 3 참조). 구멍(105, 106)으로 통하는 진입로는 스트레인 게이지(301, 304)를 센서 링(102)에 장착시키기 위해 사용된다. 상기 구멍(105, 106)의 사용은 슬롯(510)의 폭에 따라 좌우된다. 구멍(105, 106)을 포함함으로써, 센서 링의 측방향 운동 범위 한도에서 외측 링(103)에 닿는 것을 간신히 피할 수 있는 위치까지 슬롯(510)의 폭을 최소화할 수 있도록 해주며, 이에 따라 트랜스듀서의 전체 직경이 종래의 것에 비해 감소될 수 있도록 해준다. 예컨대, 슬롯(510)이 특히 좁을 경우, 예컨대 약 2mm 미만일 경 우, 센서 링(102) 상에 스트레인 게이지를 장착하기 위한 방법은 매우 제한되며, 아마 구멍(105, 106)이 없으면 불가능하게 된다.
브래킷(500)은 스트레인 게이지 신호 조절기를 수납하기 위해 사용될 수 있다. 브래킷(500)은 외측 링(103)에 고착되어 있다. 이 브래킷은 외측 링(130)과 일체형으로 성형 혹은 주조될 수 있다.
외측 링(103)은 트랜스듀서를 베어링과 풀리에 맞물리게 하는 수단을 제공할 뿐만 아니라 상기 장치에 구조적 강도를 제공한다. 다른 링(103)은 풀리 베어링에 압입 끼워 맞춤되고, 이어서 그 베어링은 그 다음 벨트와 맞물리는 풀리와 맞물리게 된다. 외측 링(103)은 벨트 구동 시스템에서 트랜스듀스를 중심으로 풀리의 회전 작동을 허용하기에 충분한 강성을 지닌다.
허브 링(101), 센서 링(102) 및 외측 링(103)은 실질적으로 동일 평면상에 있다. 보다 구체적으로 말하면, 각각의 링은 다른 하나에 대해 동심으로 차례로 끼워져 있다. 상기 링들을 차례로 끼움으로써 본 발명의 장치의 두께를 최소로 되도록 줄여주기 때문에, 풀리 내에 예컨대, 설비 공간이 한정될 수 있는 기존의 차량의 전방 단부 부속 구동기 내에 트랜스듀서를 사용할 수 있도록 허용해준다. 본 발명의 트랜스듀서는 벨트 구동 시스템 내의 기존의 풀리를 대신하여 사용될 수 있기 때문에, 기존의 시스템을 약간 혹은 전혀 개조하지 않고 계측 설비를 위한 개장을 허용해준다. 상기 트랜스듀서는 또한 샤프트의 동적 거동 혹은 텐셔너 아암의 동적 거동을 측정하기 위해 텐셔너 풀리 샤프트 상의 텐셔너 풀리와 텐셔너 아암 사이에서 텐셔너에 사용될 수 있다.
양호한 실시예에 따르면, 본 발명의 트랜스듀서는 알루미늄, 강철, 티타늄, 마그네슘 혹은 이들의 조합 혹은 합금을 포함하는 금속 등의 단편 물질로부터 기계 가공될 수 있다. 상기 장치는 또한 트랜스듀스에 가해질 하중에 따라 플라스틱, 세라믹, 페놀 물질, 혹은 분말 금속 등의 적절한 물질로부터 주조, 절단 혹은 성형될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 3개의 조각 즉, 접착 물질 혹은 나사에 의해 결합된 허브 링, 센서 링, 및 외측 링을 포함할 수 있다(도 4a 참조). 이러한 실시예에서, 허브 링 및 외측 링은 세라믹 물질을 포함하고, 센서 링은 금속 물질을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 허브 링 및 외측 링은 특히 낮은 하중이 가해질 경우 플라스틱 물질로 구성될 수 있다. 이 플라스틱은 충분한 탄성률을 지녀야 하고, 설계 하중 뿐만 아니라 그것이 장착될 엔진의 작동 온도에 대해 충분한 저항을 지녀야 한다.
또 다른 실시예에 있어서, 센서 링과 외측 링은 허브 링이 나사 혹은 접착 물질에 의해 센서 링에 고착된 상태로 기계 가공된 단편을 포함한다. 이 실시예에서 센서 링과 외측 링은 금속 물질로 구성될 수 있고, 허브 링은 세라믹 물질로 구성될 수 있다. 상기 허브 링은 또한 비교적 낮은 하중이 가해질 경우 플라스틱 물질로 구성될 수 있다. 이 플라스틱은 충분한 탄성률을 지녀야 하고, 그것이 장착될 엔진의 작동 온도에 대한 충분한 저항을 지녀야 한다.
도 2에는 트랜스듀서의 사시도가 도시되어 있다. 이 트랜스듀서(100)는 풀리(200) 내에 내장된 것으로 도시되어 있다. 베어링 혹은 베어링(205)들은 외측 링(103)과 풀리(200) 사이의 환상의 공간을 채우기 위해 외측 링(103)의 외측 상으로 압박된다. 브래킷(500)은 파스너(501, 502)를 이용하여 트랜스듀서(100)에 고착되어 있다. 풀리(200)는 해당 분야에서 공지된 임의의 벨트 지지 프로파일을 지닐 수 있다.
도 3에는 트랜스듀서 센서 링의 평면도가 도시되어 있다. 센서 링(102)은 풀 브리지형(full bridge) 구조로 그 링에 장착된 스트레인 게이지(301, 302, 303, 304)를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 이 스트레인 게이지는 와이어(401, 402, 403, 404)에 의해 연결되어 있다. 와이어(402, 403)는 계기 리드선 접속용 브래킷(500)으로 향한다. 스트레인 게이지(301, 304)는 장치(105, 106)를 통해 센서 링(102)에 고착될 수 있다. 스트레인 게이지(302, 303)는 구멍(120, 121)을 통해 센서 링(102)에 장착되어 있다. 스트레인 게이지는 힘 벡터의 축(A-A)이 스트레인 게이지 사이의 가상선(B-B)에 직각이 되도록 배향된다. 풀 브리지형 스트레인 게이지가 도 12 및 도 14에 도시되어 있다.
도 4a에는 허브로드 트랜스듀서의 평면도가 도시되어 있다. 이것은 본 명세서의 전반에 걸쳐 설명되어 있는 바와 같이, 별도의 허브 링(101), 센서 링(102) 및 외측 링(103)을 사용하는 실시예이다. 센서 링(102)은 나사(203, 204)를 사용하여 외측 링(103)에 체결되어 있다. 링을 체결하는 다른 수단은 용접, 접착, 리베팅 혹은 해당 분야에 공지된 다른 적절한 수단을 포함할 수 있다. 나사(201, 202, 203, 204)는 도시된 바와 같이 허브로드 축(A-A)으로 배향되어 있다.
도 4b에는 도 4a의 선 4B-4B를 따라 취한 단면도가 도시되어 있다. 센서 링(102)을 외측 링(103)에 연결시키는 나사(201, 204)가 도시되어 있다. 브래킷(500)은 본 명세서 전반에 걸쳐 설명한 바와 같이 스트레인 게이지 와이어를 계기 리드선 접속하기 위한 수단을 제공한다.
도 4c에는 도 4b의 선 4C-4C를 따라 취한 단면도가 도시되어 있다. 외측 링(103)을 센서 링(102)에 연결시키는 나사(203, 204)가 도시되어 있다.
도 5는 트랜스듀서를 전개하여 도시한 사시도이다. 베어링(205)은 트랜스듀서(100)의 외측 링(103) 상에서 압박된다. 풀리(200)는 베어링(205) 위로 압박된다. 장치(120, 121)는 센서 링(102) 상에서 스트레인 게이지를 장착하기 위한 진입로를 제공한다.
도 6에는 자가-정렬 부재의 부분 평면도가 도시되어 있다. 트랜스듀서의 감도를 최적화시키기 위해, 센서 링을 허브로드 벡터(600)에 배치하여 이 벡터(600)가 축(A-A)에 정렬되고 스트레인 게이지가 축(B-B)에 정렬되도록 하는 것이 바람직하다(도 3 참조). 이는 자가-정렬 부재(700)를 이용함으로써 달성될 수 있다.
더욱 구체적으로 말하면, 내측 링 보어(104)에 편심 자가-정렬 부재(700)가 배치되어 있다. 한정하려는 의도는 아니지만 단지 예로서, 편심 부재(700)는 보어(104) 속으로 억지 끼워 맞춤되어 있다. 편심 부재(700)는 또한 아치형의 내측 부재(101)와 일체형으로 간단히 형성될 수 있다는 것을 이해할 수 있으며, 다시 말해서 아치형의 내측 부재는 트랜스듀서의 기하학적 중심과 정렬되지 않은 중심(705)을 지닌 보어(701)를 포함한다.
편심 부재(700)는 보어(701)를 포함한다. 보어(701)의 중심(705)은 편심 부 재의 기하학적 중심(704)으로부터 소정의 간격을 두고 편심되어 배치되어 있다. 편심 부재의 기하학적 중심(704)은 또한 트랜스듀서의 기하학적 중심과 센서 링의 기하학적 중심과 일치한다. 베어링(702)은 보어(701) 속으로 압박된다. 볼트 등의 체결 부재(703)는 보어를 통해 돌출하여 베어링(702), 나아가 트랜스듀서를 장착면(도시 생략)에 고착시킨다. 베어링(702)의 작용에 의해, 트랜스듀서는 체결 부재(703)를 중심으로 자유롭게 회전할 수 있다.
예시적인 상황에서 허브로드 벡터(600)는 트랜스듀서 상에서 작용하는 것으로 도시되어 있다. 허브로드는 장력을 지닌 벨트(BT)에 의해 발생된다. 예시적인 구조에서, 상기 벡터(600)는 간격(D)만큼 보어 중심(705)으로부터 초기에 측방향으로 오프셋 되어있다. 허브로드(600)가 가해지자마자 즉시, 상기 편심 부재(700)의 자가-정렬 기능부는 트랜스듀서와 적절하게 정렬되도록 작동한다. 보다 구체적으로 말하면, 간격(D)은 레버 아암으로 작용하여 토크가 편심 부재(700)에 가해지도록 해준다. 이 토크는 벡터(600)가 중심(705)과 정렬될 때까지 편심 부재(700), 나아가 트랜스듀서(100) 및 센서 링(102)을 베어링(702)을 중심으로 회전될 수 있도록 해주기 때문에, 자가-정렬 토크를 없애주고 평형상태로 복원시킨다. 자가-정렬의 이러한 작동 방법은 벡터(600)의 방향과 무관하게 적용된다.
도 7에는 자가-정렬 부재의 부분 평면도가 도시되어 있다. 벡터(600)는 보어 중심(705)과 정렬되어 있다. 이러한 배향은 스트레인 게이지(301, 302, 303, 304)가 최적의 검출 위치, 즉 도 3에 도시된 바와 같이 축(B-B)과 정렬된 위치에 있도록 해준다.
트랜스듀서는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 자가-정렬 부재(700)를 구비하거나 구비하지 않은 채로 작동될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 자가-정렬 부재(700)의 사용은 트랜스듀서의 소망하는 감도와 작동 조건에 따라 결정된다. 이는 또한 작동 중에 벡터(600)의 운동 범위에 따라 부분적으로 좌우될 수 있다. 트랜스듀서의 감도는 하중 벡터(600)에 대한 스트레인 게이지(들)의 정렬과 함수 관계에 있다. 예컨대, 본 발명의 트랜스듀서가 벡터(600)를 위한 좁은 범위의 방향을 지닌 아이들러와 함께 사용될 경우, 자가-정렬 부재의 필요성은 덜 중요해질 수 있다. 변형례로서, 트랜스듀서가 텐셔너 아암 운동에 의해 야기된 비교적 큰 운동 범위를 지닌 텐셔너에 사용될 경우, 셀프-정렬 부재의 사용은 트랜스듀서를 희망하는 감도로 유지시키는데 유리하다.
도 8에는 벨트 부속 구동기의 개략도가 도시되어 있다. 복수 리브형 벨트(multiple ribbed belt)의 발달로 인해, 에어 컨디셔닝, 파워 스티어링, 교류발전기, 및 물 펌프를 포함하는 완전한 부속품을 구동하기 위한 단일의 사행(蛇行)식 벨트의 실시 및 사용은 자동차 산업에서 광범위하게 채택되어 왔다. 본 명세서에서 설명한 구동은 벨트(B)의 복수 리브 형성면과 배면 양쪽을 사용한다. 이는 각각의 부속품들을 구동하기 위해 필요한 복수 벨트의 필요성을 없애주고, 결국 전방에서 후방까지의 엔진 전체 치수를 감소시킨다. 벨트 구동의 통상적인 구조가 도 8에 도시되어 있다. 보다 구체적으로 말하면, 풀리들은 다음과 같이 표기되어 있다. 교류발전기는 "AL"로, 파워 스티어링 펌프는 "PA"로, 비-토크 즉, 토크 하중을 전달하지 않는 텐셔너 아이들러는 "IDL"로, 물 펌프는 "WP"로, 크랭크샤프트는 "CR"로, 그리고 에어컨디셔너 압축기는 "AC"로 각각 표시되어 있다. 풀리 사이의 각각의 벨트 스팬은 다음과 같이 표시되어 있다. PA에서 IDL 까지를 "1"로, IDL에서 WP 까지를 "2"로, WP에서 CR 까지를 "3"으로, CR에서 AC까지를 "4"로, AC에서 AL까지를 "5"로, 그리고 AL에서 PA 까지를 "6"으로 각각 표시하였다. 이러한 설명에 이해를 돕기 위해, 허브로드 트랜스듀서는 텐셔너(IDL)에 장착된다. 토크 트랜스듀서는 AC, AL, PA, 및 WP에 장착된다. 토크는 각각의 부속품과 CR에서 전달된다.
벨트 장력 동적 측정을 동작시킨다는 것은 엔진과 벨트가 작동 중에 측정을 수행하는 것을 의미한다. 이는 엔진과 벨트가 작동하지 않는 동안 행해지는 소위 말하는 벨트 장력 측정에 반대되는 것이다. 인장 측정기를 사용하는 정적 측정의 경우, 해당 분야에서 공지된 스팬 진동 주파수 측정 기술은 각각의 벨트 스팬에서 진동을 여기시킴으로써 각 벨트 스팬에서 장력을 평가하는 데에 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 7에 설명된 바와 같이, 허브로드 트랜스듀서는 아이들러(IDL) 풀리에 설치된다. 하중(토크)은 이이들러(IDL) 풀리에 전달되지 않는다. 통상적인 단일의 사행식 벨트 부속 구동 시스템은 벨트 진행 경로 혹은 벨트 장력 제어를 위해 적어도 하나의 아이들러 풀리를 구비할 것이다. 아이들러 풀리가 텐셔너 상에 장착될 때, 이를 "자동 장력 제어(automatic tension control)"라고 부른다. 다른 한편으로, 아이들러 풀리가 나사식 잭 조립체 상에 장착될 때, 이를 "고정식 센터 장력 제어(fixed center tension control)" 라고 부른다.
원칙적으로, 풀리의 어느 한쪽 면 상의 벨트 스팬 장력은, 풀리에 의해 전달 된 토크가 존재하지 않을 때 초기 설치 장력에서 변하지 않는다. 토크가 허브로드 트랜스듀서에 의해 전달될 수 없기 때문에, 허브로드 트랜스듀서의 양측면 상의 스팬 장력은 다음과 같이 계산될 수 있다.
T1 = T2 = H/[2sin(θ/2)]
여기서, H는 허브로드 트랜스듀서에 의해 측정된 벨트 허브로드 힘이고, θ는 상기 풀리에서 벨트 감긴 각이다(단위는 각도). 벨트 감긴 각은 레이아웃의 기하학적 모양으로부터 직접 측정될 수 있다. 트랜스듀서에 의해 측정된 허브로드 힘은 "기준선 장력 측정(baseline tension mesurement)"으로 일컫는다. 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 허브로드 트랜스듀서 상의 스트레인 게이지는 해당 분야에 공지된 계기 예컨대, 신호 조절기/증폭기 및 오실로스코프 혹은 허브로드 힘을 표시하는(단위 뉴턴)하는 디지털 측정기로 보내지는 신호를 발생한다. 예시적인 스트레인 게이지 신호 조절기/증폭기는 URL http://www.iotech.com/catalog/ dag/catdbk43.html의 웹에 표시된 IO Tech 사의 스트레인 게이지 모듈 BDBK43ATM 8-채널 스트레인 게이지 모듈이 있다.
허브로드 트랜스듀서와는 달리 토크 트랜스듀서는 토크를 전달 및 측정할 수 있다. 토크가 풀리, 예컨대 물 펌프(WP)용 풀리에 의해 전달될 때, 토크 트랜스듀서에서의 토크 차이는:
T3 - T2 = 2*Q/D
여기서, Q는 토크 트랜스듀서에서 측정된 토크(단위 N-m)이고, D는 토크 트랜스듀서의 풀리 피치 직경(단위 미터)이다. 통상적으로 토크 트랜스듀서는 최대 마찰 용량을 위해 복수-리브형 풀리에 연결된다. 토크 트랜스듀서에 의해 측정된 토크 값은 "증분 장력 측정(incremental tension measurement)"으로 일컫는다.
벨트 구동 효율(η)은 다음과 같이 정의된다.
η = ([P output]/[P input]) * 100%
여기서 P input 은 동력 입력이고, P output은 동력 출력이다. 이들은 각각 다음과 같이 정의된다,
P input = QCR * ωCR
P output = (QAC * ωAC) + (QAL * ωAL) + (QPA * ωPA) + (QWP * ωWP)
토크 QCR, QAC, QAL, QPA, QWP는 각각 해당하는 샤프트에서 토크 트랜스듀서를 이용하여 직접 측정된다. 회전 속도(단위, RPM)는 각각 해당하는 샤프트에서 또한 측정된다. 벨트 풀리 시스템의 상대적인 고효율로 인해, 유사-에너지 보존 상태(quasi-energy conservation state)를 겨우 얻을 수 있다. 따라서 요구되는 토크 트랜스듀서의 총 수는 토크 부품의 총수에서 하나는 뺀 개수일 수 있다.
에너지 보전은 총 동력 입력이 상기 시스템에서 마찰 손실이 없는 것으로 가정하는 이상적인 상황에서의 총 동력 출력과 동등해야 하는 것을 필수조건으로 한다.
QCRωCR = QACωAC + QALωAL + QPAωPA + QWPωWP
여기서 ω은 회전 속도를 말한다(단위 라디안/초).
벨트와 각각의 풀리 사이에 미끄럼이 존재하지 않는 것으로 가정하면,
ωCR*DCR = ωAC*DAC
ωCR*DCR = ωAL*DAL
ωCR*DCR = ωPA*DPA
ωCR*DWP = ωAC*DWP
이러한 미끄럼이 존재하지 않는 가정하에서의 식을 이용하여 에너지 보존 공식을 풀면 토크 성분의 항으로 표시된 크랭크샤프트 토크 QCR을 얻게 된다.
QCR = QAC*DCR/DAC + QAL*DCR/DAL + QPA*DCR/DPA + QWP*DCR/DWP
구동 토크와 피구동 토크는 수학식 2와 수학식 3을 사용할 때 "+"와 "-"로 각각 표시될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 구동 토크가 크랭크샤프트 댐퍼 토크일 경우, 피구동 토크는 특정 부품의 토크, 에어컨디셔너 압축기, 교류발전기 등으로 된다. 크랭크샤프트 토크는 수학식 3을 사용하여 계산된다. 스팬 1과 스팬 2에서의 기준선 장력은 기준선 장력 공식(수학식 1)을 사용하여 계산된다. 인접하는 스팬들의 장력, 예컨대 스팬 3 내지 스팬 6은 증분 장력 공식(수학식 2)을 이용한 토크 트랜스듀서 측정을 사용하여 계산된다.
아래의 가상값들은 한정하려는 의도가 아니라 무작위로 선택되고, 단지 계산 순서를 예시할 목적으로 제공된 것이다.
크랭크샤프트 댐퍼, 피치 직경 DCR = 200[mm]
AC, QAC에서 측정한 토크 = -30[N-m]
피치 직경 DAC = 180[mm]
AL, QAL에서 측정한 토크 = -20[N-m]
피치 직경 DAL = 60[mm]
PA, QPA에서 측정한 토크 = -15[N-m]
피치 직경 DPA = 150[mm]
WP, QWP에서 측정한 토크 = -5[N-m]
피치 직경 DWP = 100[mm]
전술한 바와 같이, "+" 부호는 구동 토크를, 그리고 "-" 부호는 피구동 부속품의 토크를 각각 표시한다.
수학식 3은 아래와 같이 구동 토크(크랭크샤프트 토크)를 계산하기 위해 사용된다.
QCR = 200/180*30 + 200/60*20 + 200/150*15 + 200/100*5 = +130[N-m]
수학식 2를 사용하여 각각의 벨트 스팬에서의 증분 장력은 아래와 같이 계산 된다.
T34 = 2*130*1000/200 = +1300[N]
T45 = 2*30*1000/180 = -333[N]
T56 = 2*20*1000/60 = -667[N]
T61 = 2*15*1000/150 = -200[N]
T23 = 2*5*1000/100 = -100[N]
"1000" 항은 단위 변환을 통해 간단하게 유도된다. 즉,
1.0 N-m = 1000.0 N-mm
텐셔너 아이들러(IDL)에서의 벨트 감긴 각 θ = 60°이다. IDL에서 허브로드 트랜스듀서에 의해 측정된 허브로드 H = 350[N]이다.
수학식 1을 사용하여 스팬 1 및 스팬 2에서의 벨트 장력은 아래와 같이 계산된다.
*T1 = T2 = H/2[2*sin(θ/2)] = 350[N]
따라서 인접하는 스팬 장력은 다음과 같이 계산할 수 있다.
T3 = T2 + T23 = 350 - 100 = 250[N]
T4 = T3 + T34 = 250 + 1300 = 1550[N]
T5 = T4 + T45 = 1550 - 333 = 1217[N]
T6 = T5 + T56 = 1217 - 667 = 550[N]
T1 = T6 + T61 = 550 - 200 = 350[N]
토크 트랜스듀서
도 9에는 토크 트랜스듀서의 단면도가 도시되어 있다. 토크 센서(1000)는 샤프트(1001)에 연결된 것을 도시되어 있다. 샤프트(1001)는 AC, AL, WP, PA 등의 피구동 부속품에 동력(토크) 입력을 위한, 또는 크랭크샤프트(CRK) 등의 구동기로부터의 동력(토크) 출력을 위한 회전 샤프트이다. 센서(1000)는 나사가 형성된 파스너(1003)를 이용하여 트랜스듀서를 샤프트(1001)에 체결하기 위해 사용되는 링(1002)을 포함한다. 이 링(1002)은 또한 변형 가능한 원통형 본체(1005)에 체결된다. 상기 변형 가능한 원통형 본체(1005)는 그 다음 벨트 맞물림 링(1007)에 체결된다. 벨트 맞물림 링(1007)은 또한 벨트 맞물림 부분(1008)을 포함한다. 이 벨트 맞물림 부분(1008)은 복수-리브형 프로파일을 갖는 것으로 도시되어 있다. 상기 벨트 맞물림 부분(1008)은 또한 벨트 구동 시스템에 사용된 벨트에 따라 평탄하거나 단일의 홈(v형 벨트) 프로파일을 포함할 수 있다.
변형 가능한 원통형 본체(1005)는 작동 토크 하중에 노출될 때 비틀리도록 변형될 수 있게 충분하게 얇다. 원통형 본체(1005)는 작동 하중 하에서 파괴되지 않고 충분히 유연하게 변형하면서 토크 전달 서비스를 견디기에 충분한 강도와 인성을 지닌 임의의 물질로 구성될 수 있다. 조건에 맞는 물질로는 알루미늄, 강철, 티타늄, 마그네슘 및 이들의 합금 및 조합을 포함하는 금속 물질뿐만 아니라 플라스틱을 포함한다. 이 물질은 상기 시스템의 작동 요건에 따라 선택된다.
다른 한편으로, 링(1002), 벨트 맞물림 링(1007) 및 벨트 맞물림 부분(1008)은 각각 원통형 본체(1005)에 비해 충분하게 강성을 지니기 때문에 링(1002), 링(1007) 및 상기 부분(1008)에서의 실질적으로 모든 스트레인은 원통형 본체(1005)에서의 스트레인에 비해 약간 작다. 토크 트랜스듀서 내의 실질적으로 모든 스트레인은 원통형 본체(1005)에서 분명한 것이 바람직할 수 있다. 이것은 스트레인 게이지에 의해 검출될 스트레인을 최대화시키고 이에 따라 스트레인 게이지 내의 저항 변화를 최대화시켜 결국 부착된 계측기에 의해 검출될 때의 전압 변화를 최적화시킨다.
저마찰 베어링(1009)은 링(1007), 벨트 맞물림 부분(1008) 및 원통형 본체(1005) 사이에 배치된다. 상기 베어링(1009)은 링(1007)이 링(1002)에 대해 비틀릴 수 있게 고정되는 것을 방지하며 링(1007)과 상기 부분(1008)을 동시에 방사방향으로 지지하며, 이에 따라 원통형 본체(1005)를 통해 전달된 모든 토크를 감금시킨다. 상기 베어링(1009)은 한정하려는 의도는 아니지만 볼베어링, 니들베어링 및 롤러 베어링을 포함하여 해당 분야에 공지된 임의의 적절한 저마찰 베어링을 포함할 수 있다. 또한 베어링 대신에 윤활제를 공급하는 저마찰 슬라이딩 표면을 사용해도 좋다.
도 10에는 토크 트랜스듀서의 변형례의 단면이 도시되어 있다. 본 발명의 토크 트랜스듀서에 사용된 신호 조절기(2002)와 슬립 링(2001)은 Michigan Scientific, Inc. 사의 제품 번호 Short S6/X/SG1로 시판되는 단편 유닛과 같이 해당 분야에 공지되어 있는 것이다. 슬립 링(2001)은 어댑터(2012)와 협동하는 것으로 도시되어 있다. 부품 샤프트(2006)는 키이(2015)를 사용하여 어댑터(2012)에 연결되어 있다. 어댑터(2012)는 파스너(2011)에 의해 변형 가능 원통형 본 체(2009)에 연결되어 있다. 베어링(2003, 2004)은 스트레인이 원통형 본체(2009) 내에서 고립되는 것을 허용하는 동시에 각각의 단부에서 벨트 지지 표면(2005)을 지지한다. 어댑터 플레이트(2010)는 파스너(2016)를 사용하여 슬립 링/신호 조절기를 원통형 본체(2009)에 연결시킨다. 변형 가능한 원통형 본체(2009)의 표면에 접합된 스트레인 게이지 구조는 도 12 내지 도 15에 도시된 것들 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 11에는 토크 트랜스듀서의 변형례의 단면도가 도시되어 있다. 허브(3002)는 볼트(3005)를 사용하여 크랭크샤프트(3001)에 연결되어 있다. 크랭크샤프트(3001)는 자동차 엔진(도시 생략)의 일부이다. 허브(3002)는 변형 가능한 원통형 혹은 관형 부분(3006)을 포함한다. 스트레인 게이지는 도 12 내지 도 15에 도시된 바와 같이 관형 부분의 표면(3007)에 고착된다. 변형 가능한 관형 부분(3006)은 볼트(3013)에 의해 외측 링(3003)에 연결되어 있다. 공지의 슬립 링 및 신호 조절기(3011)는 볼트(3012)에 의해 관형 부분(3006)에 연결되어 있다. 상기 관형 부분(3006)과 외측 링(3003)은 또한 단일 유닛으로 기계 가공되거나 제작될 수 있기 때문에 볼트(3012, 3013)의 필요성을 없애주며 이에 따라 전체 부품의 중량을 감소시킨다.
베어링(3004)은 외측 링(3003)과 허브(3002) 사이에서 환상 공간(3015) 내에 배치된다. 환상 공간(3015)과 베어링(3004)은 관형 부분(3006) 상에서 비틀림 변형을 최적화시키기 위해 크랭크샤프트(3001)로부터 방사방향으로 배치되어 있다. 토크를 받게 되면, 베어링(3004)은 외측 링(3003)이 허브(3002)에 대해 약간 회전 할 수 있도록 해주기 때문에, 가해진 토크에 비래하여 관형 부분(3006)을 변형시킨다. 외측 링(3003)에 대해 충분히 높은 탄성계수는 스트레인과 관련된 모든 토크가 관형 부분(3006)에 실질적으로 격리되는 것을 보장해준다. 베어링(3004)은 하중 하에서 과도하게 변형 혹은 비틀리게 되는 것을 방지하기 위해 관형 부분(3006)을 지지한다. 베어링(3004)은 밀봉된 볼 베어링을 포함한다. 이 경우 관형 부분(3006)과 외측 링(3003)은 단편 유닛을 포함하며, 베어링(3004)은 억지 끼워 맞춤에 의해 설치된다.
탄성체 부재(3008)는 외측 링(3003)과 벨트 지지 부재(3009) 사이에 배치된다. 탄성체 부재(3008)는 한정하려는 의도는 아니지만 HNBR 및/또는 EPDM을 포함하여 임의의 천연 고무 혹은 합성 고무 혹은 이들의 조합을 포함할 수 있다. 탄성체 부재(3008)는 해당 분야에 공지된 접착제에 의해 혹은 환상의 공간(3014) 내에서의 압축에 의해 혹은 이들의 조합에 의해 베어링 부재(3009)와 외측 링(3003) 사이에서 구속된다. 탄성체 부재(3008)의 압축비는 비압축된 상태의 두께의 20% 내지 70% 범위에 속한다.
탄성체 부재(3008)는 크랭크샤프트의 회전과 엔진의 작동에 의해 야기된 크랭크샤프트 진동을 감쇠시킨다. 이러한 방법으로 진동을 감쇠시키는 것은 크랭크샤프트에 의해 구동된 벨트 구동 시스템 상의 마모를 감소시키며, 이에 따라 상기 시스템의 부품들의 유용한 수명을 증가시키고 자동차 프레임과 탑승자로의 바람직하지 못한 소음 및 진동의 전달을 감소시킨다. 벨트 지지 부재(3009)는 복수-리브형 벨트와 맞물리도록 복수-리브형 프로파일(3010)을 구비한다.
도 10에 도시된 형태의 일체형 슬립 링과 신호 조절기(3011)는 볼트(3012)를 사용하여 허브(3002)에 연결되어 있다. 본 발명의 토크 트랜스듀서는 충분히 콤팩트하기 때문에 크랭크샤프트 댐퍼에 의해 현재 요구되는 것과 동일한 크기의 볼륨에서 사용될 수 있다.
도 12에는 변형 가능한 부재 상에 배치되어 있는 단일의 풀 브리지형 스트레인 게이지의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 원통형 본체(1005)는 원통형 위치를 0° 및 180°로 표시하여 평면도에 "감기지 않은 상태(unrolled)"로 도시되어 있다. 회전 축은 R-R 이다. 45° 스트레인 게이지 쌍(T1C1 및 T2C2)은 원통형 본체(1005)의 외측으로 배치된 표면 상에서 0° 및 180° 위치에 있는 것으로 도시되어 있다. 상기 각도 "45°"는 축(A-A)에 대한 각각의 스트레인 게이지의 주축(S-S) 방향과의 각도 관계를 의미한다. 상기 축(A-A)은 축(R-R)에 90도의 각도로 배치되어 있다. 이러한 각도 관계는 스트레인 게이지 축(S-S)이 우세한 변형 방향으로 실질적으로 정렬되기 때문에 비틀림 변형을 검출하기 위해 최대 감도를 제공한다. 상기 각도는 기준에 맞는 결과를 갖도록 약 40°-50°의 범위에 속할 수 있다. 도 12 내지 도 15에 도시된 도면은 또한 관형 부분(3006) 상의 스트레인 게이지 구조를 도시한다.
도 13에는 양극 여기(bipolar excitation)를 지닌 단일의 풀 브리지형 스트레인 게이지의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 스트레인 게이지(T1, T2, C1, C2)들은 사용에 적합한 공지의 저항을 각각 구비하고 있다. 각각의 스트레인 게이지는 도 11에 도시된 바와 같이 원통형 본체(1005)의 표면에 접합되어 있다. 원통 형 본체(1005)의 변형은 풀리/센서 조합에 의해 전달된 토크에 비례한다. 스트레인 게이지 신호 조절기 및 연결된 계기 모듈로 전송되는 신호는 S+ 와 S-로 표시되어 있다. 전압 공급원은 P+와 P-로 표시되어 있다.
도 14에는 변형 가능한 부재 상에 배치되어 있는 이중 브리지 스트레인 게이지의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 원통형 본체(1005)는 원통형 위치를 이 원통형 본체(1005)의 외측으로 배치된 표면 상에서 0°, 90°, 180° 및 270° 표시하여 평면도에 "감기지 않은 상태"로 도시되어 있다. 45° 스트레인 게이지 쌍들이 다음과 같이 즉, T1CI은 0°에, T2C2는 90°에, T3C3은 180°에, 그리고 T4C4는 270°에 배치되어 있다. 스트레인 게이지(T1, T2, T3, T4, C1, C2, C3, C4) 각각은 사용에 적합한 공지의 저항을 각각 구비하고 있다. 각각의 스트레인 게이지는 도 13에 도시된 바와 같이 원통형 본체(1005)의 표면에 접합되어 있으며, 풀리/센서 조합에 의해 전달된 토크에 비례하는 원통형 본체(1005)의 변형이 측정된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 각도 "45°"는 축(A-A)에 대한 각각의 스트레인 게이지의 주축(S-S) 방향과의 각도 관계를 의미한다. 상기 축(A-A)은 축(R-R)에 90도의 각도로 배치되어 있다. 이러한 각도 관계는 스트레인 게이지 축(S-S)이 우세한 변형 방향으로 실질적으로 정렬되기 때문에 비틀림 변형을 검출하기 위해 최대 감도를 제공한다. 상기 각도는 기준에 맞는 결과를 갖도록 약 40°-50°의 범위에 속할 수 있다.
도 15에는 양극 여기를 지닌 이중 브리지 스트레인 게이지의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 이중 브리지 스트레인 게이지는 작은 변형을 검출하기 위해 증대된 감도를 제공한다. 스트레인 게이지 신호 조절기 및 계기 모듈로 전송되는 신호는 S+ 와 S-로 표시되어 있다. 전압 공급원은 P+ 와 P-로 표시되어 있다.
본 발명의 시스템과 그 부품들은 최소의 개조를 통해 기존의 장치의 전방 단부의 부속 구동기에 사용될 수 있다. 허브로드 트랜스듀서는 아이들러 풀리 내에 끼워진다. 토크 트랜스듀서들은 각각이 원래의 장치로서 설치되거나 또는 기존의 토크 전달 부속 풀리 및 크랭크샤프트에 개장될 수 있는 바와 같이 큰 융통성을 제공한다.
도 16에는 테스트 벨트 구동 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 예시적인 시스템에서, 토크 트랜스듀서는 파워 스티어링(P_S), 교류발전기 풀리(ALT)에 설치되어 있다. 허브로드 트랜스듀서는 아이들러(IDL) 풀리에 설치되어 있다. 벨트는 크랭크샤프트 풀리(CRK)에 의해 방향(D)으로 구동된다. 물론, 사용자는 허브로드 트랜스듀서와 토크 트랜스듀서를 사용하여 (n-1)의 풀리를 계측할 수 있으며, 여기서 (n)는 풀리의 총 수이다. 도 15에 도시된 시스템은 n=8 풀리를 포함한다.
도 16에 도시된 테스트 시스템에 대한 레이아웃 데이터는 아래와 같다.
레이아웃 데이터[mm] Layout #1
x 좌표 y 좌표 평탄면 직경 피치 직경 유효 직경
CRK 0.00 0.00 170.31 168.31
P_S 191.20 19.80 139.97 137.97
AL1 -7.00 335.00 53.31 51.31
IDR -158.00 253.50 76.00 78.40 80.40
IDR -266.60 139.25 78.71 76.71
A_C -207.10 -7.40 116.01 114.01
TEN -142.96 160.56 76.00 78.40 80.40
W_P 22.00 172.00 129.00 131.40 133.40
벨트 구동 시스템의 기하학적 모양
스팬 길이[mm] 감긴 각도 부속품 속도비(엔진 참조)
CRK 191.6 168.2 1.000
P_S 369.8 118.4 1.217
AL1 158.4 102.1 3.195
IDR 136.7 34.4 2.172
IDR 157.2 88.8 2.164
A_C 151.3 176.5 1.468
TEN 163.2 88.6 2.172
W_P 85.5 170.9 1.296
각각의 장력은 아래의 식을 사용하여 계산된다.
Hidler = 측정
Figure 112007073762219-PAT00001
Figure 112007073762219-PAT00002
Figure 112007073762219-PAT00003
Figure 112007073762219-PAT00004
Figure 112007073762219-PAT00005
여기서, T = 장력, H = 허브로드, Q = 토크, φ= 직경, θ= 감긴 각도이다.
한정하려는 의도는 아니지만 도시를 위한 샘플 계산은 다음과 같다.
Figure 112007073762219-PAT00006
Figure 112007073762219-PAT00007
Figure 112007073762219-PAT00008
구동 효율을 계산하기 위해, 회전 속도를 측정하여야 하고, 또 그 양이 정해져야 한다. 전술한 예와 마찬가지로, 크랭크샤프트에서의 토크는 계산하는 대신 토크 트랜스듀서를 사용하여 직접 측정되어야 한다.
Qcr = +135[N-m], 크랭크샤프트에서의 회전 속도 CR=1000rpm
Qac = -30[N-m], 에어컨디셔닝에서의 회전 속도 AC=1100rpm
Qal = -20[N-m], 교류발전기에서의 회전 속도 AL=3300rpm
Qpa = -15[N-m], 파워 스티어링에서의 회전 속도 PA=1300rpm
Qwp = -5[N-m], 물 펌프에서의 회전 속도 WP=2000rpm
구동 효율은 다음과 같이 계산된다.
η = abs([QAC*AC + QAL*PA + QPA*PA + QWP*WP] / [QCR*CR])*100%
= ｜(30*1100 + 20*3300 + 15*1300 + 5*2000)/(135*1000)*100｜
η = 95.19%
도 17에는 테스트 벨트 구동 시스템에 있어서 측정한 허브로드와 토크 사이의 관계를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 상기 실행된 샘플 벨트 스팬 장력 계산은 시간 단계 23초에서 행해진다. 비록 토크(T1, T2, T3, T4)가 각각의 시간 단계에서 계산될 수 있지만, 시간 단계(23)는 무작위로 선택된다. 곡선 A는 아이들러 허브로드에 해당한다. 곡선 B는 교류발전기의 토크 그리고 곡선 C는 파워 스티어링 펌프(P/S)의 토크에 각각 해당한다. 각 경우의 값은 본 명세서에 설명된 계기의 사용에 의해 측정되고, 도 16에 도시된 바와 같다.
테스트 시스템은 3개의 로드/언로드 사이클에 노출된다. 시간 0초에서 대략 시간 4초까지, 교류발전기 토크와 아이들 허브로드는 실질적으로 일정하다. 대략 시간 2초에서 파워 스티어링 토크는 하중의 증가와 일치하게 증가한다. 하중은 실질적으로 대략 시간 11초로 일정하게 유지된다. 대략 시간 4초에서 시간 5초까지, 교류발전기 토크는 감소한다. 시간 5초에서, 교류발전기 토크는 시간 9초까지 일정하게 증가하고, 거기서 수평 상태로 된다. 대략 시간 4초에서, 허브로드는 시간 6초까지 감소한다. 시간 6초에서, 시간 4초에서 측정된 값으로 갑자기 증가한다. 시간 11초에서, 사이클은 시간 25초까지 반복되고, 시간 37+초에 걸쳐 다시 반복된다.
도 18에는 테스트 벨트 구동 시스템에 있어서 각 시간 단계에서의 계산된 장력의 그래프가 도시되어 있다. 커서(X)는 도 16에서 나온 결과에 서로 관련시키기 또 그것을 예시하기 위해 23초 마크에 위치하고 있다. 곡선 A는 아이들러 장력(T4)에 해당한다. 곡선 B는 교류발전기의 장력(T3) 그리고 곡선 C는 파워 스티어링 펌프(P/S)의 장력(T2)에 각각 해당한다. 본 명세서에서 설명한 계산은 상기 계산을 수행하기 위해 프로그래밍된 컴퓨터를 사용하여 바람직하게 행해진다. 컴퓨터 프로그래밍은 공지의 방법을 사용하여 달성된다.
도 17에 도시된 각각의 사이클의 진행은 도 18에서 명확하게 인지된다. 예컨대, 아이들러는 토크를 전달하지 않기 때문에 도 16에 도시된 바와 같이 스팬 3과 스팬 4에서의 아이들러 벨트 스팬 장력은 도 17에 도시된 아이들러 허브로드와 일치한다. 스팬 2(곡선 B)에서의 벨트 장력은 교류발전기 토크의 함수이다(도 17 참조). 스팬 1에서의 벨트 장력(곡선 C)은 교류발전기 토크와 파워 스티어링 토크의 함수이다(도 17 참조).
본 명세서에서 설명한 상기 시스템과 방법은, 아이들러 폴리는 토크를 전달하지 않기 때문에 허브로드 트랜스듀서에 꼭 끼워져 있는 아이들러 풀리를 제외하고, 토크 트랜스듀스를 이용하여 모든 풀리를 계측하기 위해 사용될 있다.
본 발명의 태양은 비록 본 명세서 설명되어 있지만, 본 명세서에서 설명된 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 그 구성 및 부품의 관계에 여러 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자들에게는 명백할 것이다.
도 1은 허브로드 트랜스듀서를 도시한 사시도이다.
도 2는 허브로드 트랜스듀서를 도시한 사시도이다.
도 3은 허브로드 트랜스듀서 센서 링을 도시한 사시도이다.
도 4a는 허브로드 트랜스듀서를 도시한 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 선 B-B를 따라 취한 단면도이다.
도 4c는 도 4b의 선 4C-4C를 따라 취한 단면도이다.
도 5는 허브로드 트랜스듀서를 전개하여 도시한 사시도이다.
도 6은 허브로드 트랜스듀서의 자가-정렬 부재(self-aligning portion)를 도시한 부분 평면도이다.
도 7은 허브로드 트랜스듀서의 자가-정렬 부재를 도시한 부분 평면도이다.
도 8은 벨트 부속 구동기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 토크 트랜스듀서의 단면을 도시한 단면도이다.
도 10은 토크 트랜스듀서의 변형례의 단면을 도시한 단면도이다.
도 11은 토크 트랜스듀서의 변형례의 단면을 도시한 단면도이다.
도 12는 변형 가능한 부재 상에 배치되어 있는 단일의 풀 브리지형(full bridge) 스트레인 게이지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 양극 여기(bipolar excitation)를 지닌 단일의 풀 브리지형 스트레인 게이지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 변형 가능한 부재 상에 배치되어 있는 이중 브리지 스트레인 게이지 의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 양극 여기를 지닌 이중 브리지 스트레인 게이지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 테스트 벨트 구동 시스템을 도시한 개략도이다.
도 17은 테스트 벨트 구동 시스템에서 각 시간 단계에 대한 측정된 허브로드와 토크 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 18은 테스트 벨트 구동 시스템에 있어서 각 시간 단계에서의 계산된 부품 장력을 도시한 그래프이다.

Claims (9)

  1. 샤프트에 연결 가능하고 벨트 지지 부분에 연결된 원통형의 변형 가능한 부재와;
    상기 원통형의 변형 가능한 부재의 표면상에서 토크에 의해 야기된 스트레인을 실질적으로 격리시키기 위해 벨트 지지 부분과 원통형의 변형 가능한 부재 사이에 배치된 저마찰 베어링; 및
    상기 원통형의 변형 가능한 부재의 표면에 장착된 하나 이상의 스트레인 게이지
    를 포함하며, 상기 스트레인 게이지는 토크에 의해 야기된 스트레인에 비례하는 신호를 발생시키는 것인 토크 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호를 수신하기 위해 원통형의 변형 가능한 부재와 맞물리는 슬립 링과;
    스트레인 게이지와 슬립 링 사이에 전기적으로 배치된 신호 조절기를 더 포함하는 토크 트랜스듀서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 저마찰 베어링은 볼 베어링인 것인 토크 트랜스듀서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 벨트 지지 부분은 복수-리브형 프로파일을 포함하는 것인 토크 트랜스듀서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 원통형의 변형 가능한 부재의 표면에 장착되고 풀 브리지 형태의 전기적 구성으로 배치된 복수 개의 스트레인 게이지를 더 포함하는 토크 트랜스듀서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 원통형의 변형 가능한 부재의 표면에 장착되고 상기 스트레인 게이지에 연결된 제2의 스트레인 게이지를 더 포함하고,
    상기 쌍을 이룬 스트레인 게이지는 함께 토크에 의해 야기된 스트레인에 비례하는 신호를 발생시키는 것인 토크 트랜스듀서.
  7. 제1항에 있어서, 스트레인 게이지 축은 원통형의 변형 가능한 부재의 회전 축(R-R)에 40-50도의 범위의 각도로 배치되는 것인 토크 트랜스듀서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 벨트 지지 부분과 원통형의 변형 가능한 부재 사이에 배치된 댐핑 부재를 더 포함하는 토크 트랜스듀서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 댐핑 부재는 탄성체 재료를 포함하는 것인 토크 트랜스듀서.
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