KR20090060451A

KR20090060451A - 동기 벨트 구동 시스템

Info

Publication number: KR20090060451A
Application number: KR1020097008334A
Authority: KR
Inventors: 프레이저 레이시
Original assignee: 더 게이츠 코포레이션
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-06-12
Also published as: BRPI0719538A2; EP2078144A2; EP2078144B1; RU2418960C2; JP2010506124A; ES2528666T3; BRPI0719538B1; RU2009117584A; JP5205387B2; CN101523029A; CN101523029B; US7857720B2; WO2008045220A2; US20080085799A1; WO2008045220A3

Abstract

동기 벨트 구동 시스템은 치형 표면 및 2개의 아치형 부분(14, 15) 사이에 배치되는 적어도 하나의 선형부(16)를 구비하는 타원형(obround) 스프라켓(10)을 포함하며, 상기 아치형 부분의 반경(R1, R2)은 일정하고, 선형부의 길이는 사전에 결정되며, 제2 스프라켓(300)은 치형 표면을 구비하고, 제2 스프라켓은 무단 치형 부재(200)에 의해 타원형 스프라켓에 맞물리며, 제2 스프라켓은 회전 부하와 관련되고, 회전 부하는 주기적인 토크 섭동을 가지며, 주기적인 토크 섭동의 최대 진폭에 상당하는 타원형 스프라켓(10)의 반경(R1)은 무단 치형 부재의 스팬 길이(SL)가 주기적인 토크 섭동을 실질적으로 소멸시키는 방식으로 변하도록 벨트 진입점(201)에 배향된다.

Description

동기 벨트 구동 시스템{SYNCHRONOUS BELT DRIVE SYSTEM}

본 발명은 동기 벨트 구동 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 타원형(obround) 스프라켓을 구비하는 동기 벨트 구동 시스템에 관한 것이다.

매우 광범위한 자동차 내연기관 및 산업용 내연기관은 보편적으로 크랭크샤프트 상의 구동측 스프라켓(driver sprocket)으로부터 캠샤프트 상에서와 같은 피동측 스프라켓까지 토크를 전달하기 위해 동기 벨트 구동 시스템에 의존한다. 캠샤프트는 엔진 및 동기 벨트의 작동 수명에 해로울 수 있는 진동을 발생시킨다. 구체적으로, 캠샤프트 로브와의 접촉을 통한 흡기 밸브와 배기 밸브의 작동은 주기적으로 섭동하는 토크 부하가 동기 벨트를 통해 전달되도록 한다.

섭동하는 토크 부하를 감쇠시키기 위한 종래 기술의 시도는 캠샤프트 감쇠기의 사용뿐만 아니라 감쇠형 벨트 텐셔너의 사용을 포함한다.

예를 들면, Dipl. -Ing. Egbert Frenke가 VDI 경과 보고서 제272호에 게재한 "불균일한 전동 벨트 구동부(Non-Uniform Transmission Belt Drives)"의 교시 내용은, 섭동하는 토크를 강력하게 제어하기 위한 비원형(non-circular)(타원형) 스프라켓의 사용을 개시하고 있다.

다른 시도로는, 오목부와 교대로 나타나는 적어도 2개의 돌출부를 구비하는 타원형 비원형 프로파일을 갖는 로터를 사용하는 것이 포함된다. 회전 부하 조립체는 회전식으로 구동될 때 주기적으로 섭동하는 부하 토크를 제공하며, 이때 제2 로터의 각위치에 대한 비원형 프로파일의 돌출부 및 오목부의 각위치와, 이들 돌출부 및 오목부의 크기에 따라, 회전하는 조립체의 섭동하는 부하 토크에 의해 유발되며 교대로 나타나는 벨트 장력은 실질적으로 소멸된다.

대표적인 종래 기술로는 동기식 구동 장치 및 방법을 개시하는 미국 특허 번호 제7,044,875호가 있으며, 이 특허에서 동기식 구동 장치는 적어도 제1 로터 및 제2 로터를 포함하는 복수 개의 로터를 포함한다. 제1 로터는 세장형 구동부 구조의 맞물림 섹션과 맞물리기 위한 복수 개의 치형부를 구비하며, 제2 로터는 세장형 구동부 구조의 맞물림 섹션과 맞물리기 위한 복수 개의 치형부를 구비한다. 회전 부하 조립체는 제2 로터에 연결된다. 세장형 구동부 구조는 제1 로터 및 제2 로터 둘레에 맞물린다. 제1 로터는 세장형 구동부 구조를 구동하도록 배치되며, 제2 로터는 세장형 구동부 구조에 의해 구동되도록 배치된다. 이들 로터 중 하나는 오목부와 함께 교대로 나타나는 적어도 2개의 돌출부를 구비하는 비원형 프로파일을 갖는다. 회전 부하 조립체는 회전식으로 구동될 때 주기적으로 섭동하는 부하 토크를 제공하며, 이때 제2 로터의 각위치에 대한 비원형 프로파일의 돌출부 및 오목부의 각위치와 비원형 프로파일의 이심률의 크기에 따라, 비원형 프로파일에 의해 회전 부하 조립체의 섭동하는 부하 토크를 감소시키거나 또는 실질적으로 소멸시키도록 대응하게 섭동하는 보정 토크가 제2 로터에 가해지게 된다.

2개의 원형부 사이에 배치되는 적어도 하나의 선형부 및 치형 표면을 갖는 타원형 스프라켓을 포함하는 벨트 구동 스프라켓 시스템이 요구되며, 이때 원형부의 반경은 일정하고, 소정 길이의 선형부는 토크 섭동 진폭과 관련된다.

본 발명의 주요 양태는 2개의 원형부 사이에 배치되는 적어도 하나의 선형부 및 치형 표면을 갖는 타원형 스프라켓을 포함하는 벨트 구동 스프라켓 시스템을 제공하는 것이며, 이때 원형부의 반경은 일정하고, 소정 길이의 선형부는 토크 섭동 진폭과 관련된다.

본 발명의 다른 양태는 본 발명의 후술하는 설명 및 첨부 도면에 의해 명시되거나 명확하게 된다.

본 발명은 2개의 아치형 부분 사이에 배치되는 적어도 하나의 선형부 및 치형 표면을 구비하는 타원형 스파라켓을 포함하는 동기 벨트 구동 시스템을 포함하며, 이때 아치형 부분의 반경은 일정하고, 선형부의 길이는 사전에 결정되며, 제2 스프라켓은 치형부를 구비하고, 제2 스프라켓은 무단 치형 부재에 의해 타원형 스프라켓에 맞물리며, 제2 스프라켓은 회전 부하와 관련되고, 회전 부하는 주기적인 토크 섭동을 가지며, 무단 치형 부재의 스팬 길이가 주기적인 토크 섭동을 실질적으로 소멸시키는 방식으로 변하도록 주기적인 토크 섭동의 최대 크기에 상응하는 타원형 스프라켓의 반경이 벨트 진입점에서 배향된다.

도 1은 타원형 스프라켓의 측면도이다.

도 2는 스프라켓의 변형례의 측면도이다.

도 3은 트윈 캠 4기통 4행정 가솔린 엔진의 사시도이다.

도 4는 캠샤프트의 후방에서 구동되는 연료 펌프를 구비하며 디젤에 의해 작동되는 단일 캠 4기통 4행정 엔진의 사시도이다.

도 5는 연료 펌프가 동기 벨트 구동 시스템에 통합되어 있으며 디젤에 의해 작동되는 단일 캠 4기통 4행정 엔진의 사시도이다.

도 6은 가솔린에 의해 작동되는 트윈 캠 4기통 4행정 엔진의 개략도이다.

도 7은 1.5차(order) 및 2차에 대해 도출된 곡선을 비롯하여 4기통 4행정 디젤 엔진의 피동측 스프라켓에 대한 통상적인 전체 부하 특성을 나타내는 도면이다.

도 8은 4기통 4행정 엔진의 구동측 스프라켓에 대한 2차 부하 특성을 나타내는 도면이다.

도 9는 피스톤이 3개인 연료 펌프를 구비하는 4기통 4행정 디젤 엔진의 구동측 스프라켓(또는 1.5차를 유도하는 다른 장치)에 대한 1.5차 부하 특성을 나타내는 도면이다.

도 10은 동기 벨트에 대한 응력/변형률 관계를 나타내는 곡선군을 도시하는 도면이다.

도 11은 타원형 스프라켓의 페이징(phasing)/미스페이징(misphasing)이 도 6에서의 시스템에 대한 엔진 동특성에 미치는 영향을 나타내는 일련의 곡선을 도시하는 도면이다.

도 12는 타원형 스프라켓 적용 전후에 도 6에 도시된 엔진의 캠샤프트에서의 각진동(angular vibration) 특성을 나타내는 그래프이다.

도 13은 타원형 스프라켓 적용 전후에 도 6에 도시된 엔진의 인장측 장력(Tight Side Tension) 특성을 나타내는 그래프이다.

본 명세서에 포함되며 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하며, 소정의 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1은 타원형 스프라켓의 측면도이다. 본 발명에 따른 스프라켓(10)은 치형 표면(11)을 포함한다. 치형 표면(11)은 치형 벨트와 맞물린다. 치형 표면(11)은 랜드부 영역(12) 및 이웃한 홈(13)을 포함한다. 홈(13)은 치형 벨트의 치형 형성부의 대응하는 구조에 적합한 형상을 갖는다. 치형 벨트는 또한 동기 벨트라고 부르기도 하는데, 이는 구동측 스프라켓 및 피동측 스프라켓의 회전을 동기화시키기 위해 이들 치형 벨트가 사용되기 때문이다.

스프라켓(10)은 소정 부분(14) 및 소정 부분(15)을 포함한다. 상기 부분(14)은 일정한 반경(R2)을 갖는 아치형 치형 표면(11a)을 갖는다. 상기 부분(15)은 일정한 반경(R1)을 갖는 아치형 치형 표면(11b)을 갖는다. 이들 반경(R1 및 R2)이 동일하고 일정하기 때문에, 이들 부분(14 및 15)은 원의 세그먼트이다. 이러한 방식으로 원형 세그먼트를 사용하면 본 발명에 따른 스프라켓에 대해 설계 및 제작 공정의 복잡도가 줄어든다.

상기 부분(14)과 부분(15) 사이에는 선형부(16)가 배치된다. 선형부(16)는 각각의 부분(14 및 15)을 서로로부터 멀어지게 하는 효과를 갖는 직사각형 부분을 포함하며, 이에 따라 스프라켓은 타원형 형상을 갖게 된다. 스프라켓 표면(11)은 직선형이며, 즉 지점(160 및 161)들 사이에서 그리고 지점(162 및 163)들 사이에서 선형이거나 또는 평평하다.

평평한 부분(16)의 길이는 시스템 토크 섭동 진폭과 관련된다. 이러한 실시예에 있어서, 선형부(16)는 지점(160 및 161)들 사이에서 그리고 지점(162 및 163)들 사이에서 약 2 mm의 치수(W)를 갖는다. 따라서, 상기 부분(14)의 곡률 중심(17)은 스프라켓의 회전 중심(19)으로부터 W/2의 거리만큼, 즉 약 1 mm만큼 이동된다. 또한, 상기 부분(15)의 곡률 중심(18)은 스프라켓의 회전 중심(19)으로부터 W/2의 거리만큼, 즉 약 1 mm만큼 이동된다. 주어진 치수는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 한정하려는 의도가 아니다. 또한, 스프라켓의 주축 길이(ML)는 다음의 치수를 갖는다.

L_주축 = R1 + R2 + W

각각의 부분(14, 15)에 대한 주축 방향 세그먼트(MG)는 소정 치수를 갖는다.

MG = (R1 + W/2) 또는 (R2 + W/2)

단축 길이는 소정의 치수를 갖는다.

L_단축 = R1 + R2

선형부(16)의 길이(W)는 상기 부분(14 및 15)의 반경에 의해 결정되며, 본 명세서의 다른 부분에서 설명하는 동적 각진동 특성에 따라 좌우되는데, 이러한 각진동 특성은 반동을 받는다. 스프라켓(10)은 일정한 표면 피치, 일정한 각도 피치 또는 이들 양자의 조합을 이용하여 설계될 수 있다. "표면 피치"는 스프라켓의 외경 상에서 연속적이고 대응하는 2개의 임의의 "피치점" 사이의 거리로서 정의되며, 외경 라인 둘레에서 측정된다.

일정한 표면 피치는 다음과 같이 계산된다.

SP = [[{(Ng × Nom 피치)/Pi } - PLD ] × Pi ]/ Ng

위 식에서, SP는 표면 피치이며, Ng는 스프라켓에서의 홈의 개수이고, Nom 피치는 공칭 시스템 피치이며, Pi는 약 3.141이고, PLD는 시스템의 직경(PLD)이다. "각도 피치"는 스프라켓 상에서 연속적이고 대응하는 2개의 임의의 "피치점" 사이의 각도차로서 정의되며, 도 단위 또는 라디안 단위로 측정될 수 있다.

일정한 각도 피치는 다음과 같이 정의된다.

AP = 360 / Ng (도)

위 식에서, AP는 각도 피치이며, Ng는 스프라켓에서의 홈의 개수이다.

스프라켓 홈 프로파일은 엔진의 구체적인 동특성에 부합하도록 개별적으로 설계될 수 있다.

치형 계수 및 스프라켓 오프셋(W/2)과 조합하여 벨트의 스팬의 탄성 계수를 최적화함으로써, 사전에 결정된 엔진 속도에서 토크 섭동을 소멸시킨다. 결과적으로, 이러한 용례에 있어서, 요구되는 인장 부하를 전달하도록 크기를 결정하는 것 이외에도 벨트를 시스템의 스프링 부재로서 분석하고 구성한다. 반복 과정을 통해 시스템 동적 응답을 선택하여 벨트 계수 및 타원형 스프라켓 반경(R1 및 R2)의 소정 조합을 얻게 되며, 이러한 조합에 의해 여타의 경우에는 벨트 및 벨트 구동 시 스템을 통해 전달되는 토크 섭동이 실질적으로 모두 소멸된다.

도 2는 스프라켓의 변형례의 측면도이다. 이러한 실시예는 도 1에서 다른 방식으로 설명되어 있는 바와 같은 아치형 부분(14, 15, 16) 사이에 배치된 3개의 선형 세그먼트를 포함한다. 3개의 선형 세그먼트(161에서 162까지, 163에서 164까지, 그리고 165에서 166까지)는 각각의 아치형 부분(14, 15, 16) 사이에 배치된다. 각각의 아치형 부분(14, 15, 16)은 각각 일정하고 동일한 반경(R1, R2, R3)을 갖는다. 3개의 선형 세그먼트는 약 120 °의 간격으로 스프라켓의 원주 둘레에 등간격으로 배치된다. 도 9는 도 2에 도시된 스프라켓을 이용하는 시스템에서의 1.5차 부하 특성을 나타내고 있다.

도 3, 도 4 및 도 5는 캠샤프트 및 보조장치를 구동하기 위해 치형 벨트 시스템을 이용하는 4기통 4행정 내연기관에 대한 일부 통상적인 구동부 레이아웃이다. 이들 엔진은 통상적으로 큰 2차 동특성을 나타낸다. 연료 펌프 명세에 따라서는, 일부 디젤 엔진은 1.5차가 지배적일 수 있다. 이러한 동특성을 나타내는 일부 도표는 도 7, 도 8 및 도 9에서 볼 수 있다.

2차 동특성에 반동하기 위해서, 본 발명에 따른 스프라켓(10)은 엔진 크랭크샤프트(CRK)에 부착된다. 지배적인 다른 차수의 존재에 따라, 스프라켓의 변형례를 적용할 필요가 있을 수 있다. 이들 스프라켓은 크랭크샤프트에 부착될 수 있지만, 시스템에서 다른 부분, 예컨대 워터 펌프 스프라켓 또는 캠샤프트 스프라켓(들) 상에 동등하게 적용될 수 있다. 엔진 크랭크샤프트는 전체 벨트 구동 시스템에 대한 구동부이다. 벨트의 피동 방향은 DoR이다. 스프라켓 비율에 따라, 엔진 크랭크샤프트(CRK)는 캠샤프트(CAM1)가 1회전할 때마다 2회 회전한다.

도 3에 있어서, 스프라켓(300)은 캠샤프트(CAM1)에 연결되며, 스프라켓(304)은 제2 캠샤프트(CAM2)에 연결된다. 당업계에 공지되어 있는 아이들러(IDR1 및 IDR2)를 사용하여 적절한 벨트 운전 경로(routing) 및 장력 제어를 유지한다. 스프라켓(100)은 워터 펌프(WP)에 연결된다. 벨트(200)는 여러 개의 스프라켓들 사이에서 운전된다. 벨트(200)에 대한 회전 방향은 DoR로 표시되어 있다. 벨트(200)가 크랭크샤프트 스프라켓(CRK)과 맞물리는 지점은 201이다. 캠샤프트 관성 및 토크 부하는 301로 표시되어 있다.

치형 벨트(200)는 스프라켓(10)과 캠 스프라켓(300) 사이에서 운전된다. 벨트 진입점(201)은 벨트(200)가 스프라켓과 맞물리는 지점이다. 본 발명에 따른 시스템은 스프라켓(10)의 주축 길이(ML)를 이용하여 진입점(201)의 위치를 조절(timing)함으로써 토크 섭동을 최소화시킨다. 크랭크샤프트(CRK)와 캠 스프라켓(304) 사이의 벨트 스팬 거리는 "SL"이다.

도 4 및 도 5에서와 유사하게, 캠샤프트 스프라켓(300)은 엔진 캠샤프트(CAM)에 부착된다. 도 4에 있어서, 부하 특징부(301)는 캠샤프트의 후방에 부착되는 연료 펌프의 토크 특징부를 포함하는 반면, 도 5에서는 연료 펌프 토크가 부하 특징부(302)로 표시된다. 워터 펌프 및 진공 펌프와 같은 다른 구성요소, 즉 도 4 및 도 5에서의 WP(101)에 의해 유발되는 관성 및 토크 부하(301, 302, 101)도 또한 존재할 수 있다. 도 4에 있어서, IDR1 및 IDR2는 벨트(200)를 적절하게 안내하기 위해 당업계에 공지되어 있는 아이들러이다. 도 4에 있어서, 크랭크샤프트 스프라켓(10)과 캠 스프라켓(300) 사이의 벨트 스팬 길이는 "SL"이다.

가솔린 엔진에 있어서, 주기적으로 섭동하는 지배적인 토크 부하는 보통 캠샤프트의 특성이다. 디젤 엔진에 있어서, 지배적인 차수는 구동 시스템에 포함될 수 있는 연료 분사 펌프 및/또는 캠샤프트에 의해 발생될 수 있다. 워터 펌프 및 진공 펌프에 의해 유발되는 토크는 변할 수 있지만, 이들 토크는 원하는 한도 내에서는 캠샤프트와 동일한 주기 또는 주파수 상에서 주기적이 아니며, 보통 구동 동특성의 지배적인 특성이 아니다.

도 5는 디젤 엔진용 구동부에 연료 분사 펌프가 포함되는 또 다른 단일 캠 엔진 실시예의 사시도이다. 이러한 실시예에 있어서, 시스템은 도 4에 도시된 시스템에 추가하여 연료 펌프(IP)에 연결되는 스프라켓(305)을 더 포함한다. 다양한 엔진 부속장치(도시 생략됨)를 구동하기 위해 사용되는 또 다른 멀티 리브 벨트와 맞물릴 수 있는 스프라켓(P1)이 또한 도시되어 있다. 도 5에 있어서, 캠 부하는 301로 표시되어 있으며, 연료 펌프 부하는 302로 표시되어 있다. 스프라켓(100)은 워터 펌프(WP)에 연결된다. 도 5에 있어서, 연료 분사 펌프에 의해 유발되는 토크 부하는 302로 표시되어 있다.

4기통 4행정 엔진에 대한 통상적인 전체 부하 특성은 도 7에 곡선 "E"로서 표시되어 있다. 곡선 "D" 및 곡선 "C"는 전체 부하 특성으로부터 도출된 통상적인 2차 특성 및 1.5차 특성을 나타낸다. 가솔린으로 작동되는 4기통 4행정 엔진의 부하 특성은 보통 1.5차를 포함하지 않는다.

도 8 및 도 9에서의 곡선 "C"는 회전할 때 본 발명에 따른 스프라켓(10)의 벨트 맞물림 지점(201)에서의 평균 반경 변화이다. 곡선 "C"의 적분, 즉 도 4에서의 벨트의 유효 길이 변화는 도 8 및 도 9 상에서의 곡선 "D"이다. 평균 스프라켓 반경의 변화율은, 스프라켓 형상의 변화에 따른 치형 표면(11) 상에서의 주어진 점의 가속도이다.

2차 동특성에 반동하기 위해, 타원형 스프라켓(10)의 평평한 부분(16)은 캠샤프트 스프라켓(300)에 대해 조절(timing)된 관계로 배치되며, 도 4에서 스프라켓(300)과 스프라켓(10) 사이의 벨트(200)의 유효 길이는 이에 따라 주기적인 캠샤프트 토크 섭동에 의해 유발되며 교대로 나타나는 벨트 장력을 실질적으로 소멸시키는 방식으로 변하게 된다. 2차 동특성을 소멸시키기 위한 구조의 예로서, 이는 캠샤프트 토크 및 이에 따른 벨트 장력이 최대일 때 벨트 진입점(201)에 상응하도록 스프라켓(10)의 최대 길이(R1 + R2 + W)를 조절(timing)함으로써 달성될 수 있다.

타원형 스프라켓을 포함하는 구동부의 절대적인 치수상의 특성은, 섭동 토크, 벨트 스팬 계수, 시스템 내의 피동측 부속장치 각각의 관성, 벨트 설치 장력, 및 벨트와 스프라켓의 상호작용과 같은 파라메타에 따라 좌우된다. 벨트와 스프라켓 사이의 상호작용은, 스프라켓 상의 메쉬에서의 치형부의 개수, 벨트 치형 계수, 벨트 치수, 및 벨트와 스프라켓 표면 사이의 마찰 계수와 같은 파라메타에 따라 좌우된다.

도 6은 트윈 캠 4기통 4행정 가솔린 엔진의 개략도이다. 도시된 시스템은 캠(CM1, CM2) 및 이들 캠 사이에서 운전되는 벨트(B)를 포함한다. 상기 시스템은 텐셔너(TEN), 워터 펌프(WP) 및 크랭크샤프트 스프라켓(CRK)을 더 포함한다. 벨트(B)의 회전 방향은 DoR이다. 관심 대상 스팬 길이는 크랭크샤프트 스프라켓(CRK)과 아이들러 스프라켓(IDR) 사이, 아이들러 스프라켓(IDR)과 워터 펌프 스프라켓(WP) 사이, 그리고 크랭크 샤프트 스프라켓(CRK)과 워터 펌프 스프라켓(WP) 사이이다. 도 6에 있어서, 크랭크샤프트 스프라켓(CRK)과 캠 스프라켓(CM1) 사이의 벨트 스팬 길이는 "SL"이다. DoR 방향으로 CM1과 CRK 사이에는 주요한 부하 영향이 없기 때문에 계산 목적을 위해 이들은 하나의 스팬 "SL"로서 처리될 수 있다. 도 6에서 설명하는 시스템 관련 변수에 대한 대략적인 값은 통상적으로 다음과 같다.

통상적인 캠 토크 섭동 : 20 내지 40 Nm/ -10 내지 -30 Nm

벨트 스팬 계수 :240 MPa

통상적인 구성요소 관성값은 다음과 같다.

CRK = 0.4 g㎡

CM1 = CM2 = 1.02 g㎡

WP = 0.15 g㎡

벨트 설치 장력 : 400 N[설치 장력은 당업계에 공지된 방식으로 텐셔너(TEN)에 의해 유지된다.]

3개의 스프라켓 상의 메쉬에서의 치형부 :

CRK ⇒ 9 개의 치형부, CM1, CM2 ⇒ 15 개의 치형부

벨트 치수 : 폭 = 25.4 mm, 길이 = 1257.3 mm

스프라켓 표면(11)에 대한 마찰 계수의 통상적인 값은 0.15 내지 0.5의 범위이며, 통상 0.2이다.

통상적인 벨트 설치 장력값은 시스템 요구조건에 따라 75 N 내지 900 N의 범위일 수 있다.

벨트 스팬 계수는 인장 부재 구조, 벨트 내의 인장 부재의 스트랜드의 개수, 및 벨트 폭에 따라 좌우된다. 20 개의 인장 부재를 가지며 폭이 25.4 mm인 벨트에 대한 벨트 스팬 계수의 예는 약 240 MPa의 영역에 있다.

도 7은 1.5차(곡선 "C") 및 2차(곡선 "D")에 대해 도출된 곡선을 비롯하여 4기통 4행정 디젤 엔진의 피동측 스프라켓에 대한 통상적인 전체 부하 특성을 나타내고 있다. 가솔린에 의해 작동되는 4기통 4행정 엔진의 부하 특성은 보통 1.5차를 포함하지 않는다. "오프셋"은 W/2에 해당한다. "전체 부하"는 도 7의 라인 "E"에 해당한다.

도 7에 있어서, 라인 "A"는 토크가 0이다. 라인 "B"는 벨트 구동 시스템에서의 평균 토크를 나타낸다. 곡선 "C"는 전체 부하 곡선 "E"로부터 도출된 1.5차 토크 특성이다. 곡선 "D"는 전체 부하 곡선 "E"로부터 도출된 2차 토크 특성이다. 곡선 "E"는 크랭크샤프트(CRK)에서 측정된 엔진의 전체 토크 특성이다. 곡선 "E" 아래의 면적은 특정 속도로 엔진을 회전시키기 위해 해 준 일(work)을 나타낸다.

도 8은 타원형 스프라켓에 대한 반경 변화(곡선 "C") 및 결과적인 벨트 스팬 길이 변화(곡선 "D")를 비롯하여 4기통 4행정 엔진의 구동측 스프라켓에 대한 2차 부하 특성(곡선 "B")을 나타낸다.

도 8에 있어서, 라인 "A"는 토크가 0인 경우이다. 곡선 "B"는 전체 부하로부터 도출된 2차 토크 특성이다. 곡선 "C"는 크랭크샤프트 풀리가 360 도에 걸쳐 회전할 때 도 1에서의 세그먼트(16)에 의해 유발되는 유효 크랭크샤프트 풀리 반경의 변동이다. 곡선 "D"는 곡선 "C"의 적분이며, 도 1에서 설명하는 스프라켓에 의해 유발되는 벨트 구동 스팬 길이 상의 유효 변화이다.

도 9는 피스톤이 3개인 연료 펌프를 구비하는 4기통 4행정 디젤 엔진(또는 1.5차를 유발하는 다른 피동측 장치)의 구동측 스프라켓에 대한 1.5차 부하 특성("B")을 나타낸 것으로서, 타원형 스프라켓의 3가지 대안적인 로브 실시예(도 2)에 대한 스프라켓 반경 길이의 변화(곡선 "C") 및 결과적인 벨트 스팬 길이 변화(곡선 "D")를 포함한다. 벨트 스팬 길이는, 예컨대 도 6 상의 크랭크샤프트 스프라켓(CRK)과 캠 스프라켓(CAM) 사이의 거리이다.

도 9에 있어서, 라인 "A"는 토크가 0인 경우이다. 곡선 "B"는 전체 부하로부터 도출된 1.5차 토크 특성이다. 곡선 "C"는 크랭크샤프트 풀리가 360 도에 걸쳐 회전할 때 유효 크랭크샤프트 풀리 반경의 변동이다. 곡선 "D"는 곡선 "C"의 적분이며, 도 3에서 설명하는 스프라켓의 변형례에 의해 유발되는 구동 길이의 유효 변동이다.

본 발명에 따른 시스템에서 사용되는 다양한 벨트의 인장 부재의 탄성 계수는 도 10에 도시되어 있다. 곡선(SS1 내지 SS6)은 다양한 벨트(200)에 대한 응력-변형률 곡선으로서 알려져 있다. 각각의 곡선은 벨트에서의 인장 코드에 대해 상이한 재료를 사용할 때의 계수를 나타낸다. 엘라스토머 HNBR 벨트 본체가 도시되 어 있지만 한정하는 것은 아니다. HNBR 이외에도, 다른 벨트 본체 재료에는 EPDM, CR 및 폴리우레탄, 혹은 이들의 2 이상의 조합이 포함될 수 있다. 재료는 다음을 포함한다.

SS1 (유리 섬유 #1 인장 코드, HNBR 본체)

SS2 (유리 섬유 #2 인장 코드, HNBR 본체)

SS3 (유리 섬유 #3 인장 코드, HNBR 본체)

SS4 (탄소 섬유 인장 코드, HNBR 본체)

SS5 (아라미드^TM 인장 코드, HNBR 본체)

SS6 (탄소 섬유 인장 코드, HNBR 본체)

각각의 인장 부재의 탄성 계수는 당업계에 공지되어 있는 바와 같이 각각의 곡선(SS1 내지 SS6)의 기울기이다. 통상 이러한 측정 및 계산은 곡선의 실질적인 선형부에서 이루어진다. 유리 섬유, 탄소 섬유 및 아라미드^TM 이외에도 또 다른 인장 부재 재료로는 미세 필라멘트 스테인레스 강 와이어를 포함될 수 있다.

M = Δ응력/Δ변형률(곡선의 실질적인 선형부에서 측정되는 바와 같음)

벨트 스팬 계수는 인장 부재 구조, 벨트 내의 인장 부재의 스트랜드의 개수, 및 벨트 폭에 따라 좌우된다. 곡선(SS1)에 대한 벨트 스팬 계수의 예, 즉 유리 섬유 인장 부재로 된 20개의 스트랜드를 가지며 폭이 25.4 mm인 벨트에 대한 벨트 스팬 계수의 예는 약 242 MPa이다.

도 11은 타원형 스프라켓 주축 길이의 페이징/미스페이징이 도 6에서의 시스 템에 대한 엔진 동특성에 미치는 영향을 나타내는 일련의 곡선들이다. 곡선 "D"는 벨트 진입점(201)에 대한 스프라켓 주축 길이의 위치와 토크 펄스 사이의 최적의 타이밍 조정이다. 곡선 A, 곡선 B, 및 곡선 C는 곡선 "A" 위치로부터 각각 +6개의 치형부, +4개의 치형부 및 +2개의 치형부만큼 시계방향으로 미스타이밍(mistiming)된 것이다. 곡선 "E"는 반시계방향으로 2개의 치형부만큼 미스타이밍되어있다. 정점 토크 및 관성 부하에 대한 최대 벨트 스팬 길이의 페이징은 구동부의 지배적인 차수 및 시스템에 의해 소멸될 차수에 따라 변할 수 있다. 벨트 진입점(201)은 벨트가 스프라켓과 맞물리는 지점이다. 도 3에 있어서, 스팬 길이는 "SL"이다.

각도 간격 또는 페이징과 관련하여 허용 가능한 각도 공차는 다음을 이용하여 계산된다.

+/- (360/2 × 스프라켓 홈의 개수)

벨트 구동 스팬 길이는 토크가 최대일 때 최대가 된다.

도 12는 도 6에 도시된 바와 같은 트윈 캠 4기통 4행정 엔진에 대해 올바르게 페이징된 타원형 스프라켓의 영향을 나타내는 그래프이다. 곡선 "A" 및 곡선 "B"는 원형 스프라켓을 이용하는 종래 기술 구조에 있어서 각각 입구 캠샤프트 스프라켓 및 배기 캠샤프트 스프라켓에서의 각진동에 대해 측정된 값을 나타낸다.

비교를 통해, 곡선 "C" 및 곡선 "D"는 크랭크샤프트 상에서 사용되는 본 발명에 따른 스프라켓을 갖춘 입구 캠샤프트 스프라켓 및 배기 캠샤프트 스프라켓 각각에서의 각진동에 대해 측정된 값을 나타낸다. 결과적으로 각진동은 약 50 % 감소한다.

마찬가지로, 도 13은 도 6에 도시된 트윈 캠 4기통 4행정 엔진에 대해 도 1에서 설명한 바와 같이 올바르게 페이징된 타원형 스프라켓이 미치는 영향을 나타내는 그래프이다. 곡선 "A", 곡선 "B" 및 곡선 "C"는 종래 기술의 구동부 구조에 있어서 엔진 속력의 범위 전체에 걸쳐 각각 최대 동적 인장측 장력, 평균 동적 인장측 장력, 및 최소 동적 인장측 장력에 대해 측정된 값을 나타낸다. 이러한 예에 있어서, 전술한 장력은 도 6에서의 소정 위치(IDR)에서 측정되었다. 벨트 작동수명의 연장을 위해, 벨트 인장측 장력은 최소화되어야만 한다. 곡선 "D", 곡선 "E" 및 곡선 "F"는 본 발명에 따른 스프라켓을 이용하는 경우에 최대 벨트 인장측 장력, 평균 벨트 인장측 장력, 및 최소 벨트 인장측 장력에 대해 측정한 값을 나타낸다. 인장측 설치 장력은 결과적으로 엔진의 공진 속도 범위(약 4000 rpm 내지 약 4800 rpm)에서 50 내지 60 %의 범위만큼 감소된다. 벨트 인장측 장력이 감소됨에 따라 벨트 작동 수명은 상당히 개선된다.

본 발명의 형태들을 본 명세서에서 설명하였지만, 본 명세서에서 설명한 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도 구조 및 부품들의 관계에 있어서 변형을 행할 수 있음은 당업자에게 명확할 것이다.

Claims

치형 표면 및 2개의 아치형 부분(14, 15) 사이에 배치되는 적어도 하나의 선형부(16)를 구비하는 타원형(obround) 스프라켓(10)으로서, 상기 아치형 부분의 반경(R1, R2)은 일정하고, 선형부의 길이는 사전에 결정되는 것인 타원형 스프라켓,

치형 표면을 구비하고, 무단 치형 부재(200)에 의해 타원형 스프라켓에 맞물리는 제2 스프라켓(300)을 포함하는 동기 벨트 구동 시스템으로서,

제2 스프라켓은 회전 부하와 관련되고, 회전 부하는 주기적인 토크 섭동을 가지며,

주기적인 토크 섭동의 최대 진폭에 상당하는 타원형 스프라켓(10)의 반경(R1)은 무단 치형 부재의 스팬 길이(SL)가 주기적인 토크 섭동을 실질적으로 소멸시키는 방식으로 변하도록 벨트 진입점(201)에 배향되는 것인 동기 벨트 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 타원형 스프라켓(10)은 엔진 크랭크샤프트에 부착되는 것인 동기 벨트 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 스프라켓(300)은 엔진 캠샤프트에 연결되는 것인 동기 벨트 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 타원형 스프라켓(10)은 제2 선형부를 더 포함하는 것인 동기 벨트 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 타원형 스프라켓(10)은 적어도 3개의 선형부를 더 포함하며, 각각의 선형부는 각각 일정한 반경을 갖는 2개의 아치형 부분 사이에 배치되는 것인 동기 벨트 구동 시스템.
제1항에 있어서, 스프라켓(10)의 주축 길이(ML)를 이용하여 벨트 진입점(201)의 위치를 조절(timing)함으로써 토크 섭동을 최소화하는 것인 동기 벨트 구동 시스템.