KR20200091923A

KR20200091923A - 배면 직물을 지닌 치형 전동 벨트

Info

Publication number: KR20200091923A
Application number: KR1020207019912A
Authority: KR
Inventors: 민 자오; 나이젤 피터 블런스덴; 주오공 첸; 샤운 시앙 우
Original assignee: 게이츠 코포레이션
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2020-07-31
Also published as: EP3724535A1; EP3724535B1; WO2019118078A1; KR102429353B1; CN111465781A; US20190178339A1; US20210222756A1; JP2021507188A; JP7197239B2; US20240151293A1; MX2020007415A

Abstract

매끄러운 배면을 갖는 치형 전동 벨트(toothed power transmission belt)는 배면 상에 배면 자켓을 갖고, 배면 자켓은 폐쇄형 메시 니트 직물 튜브(closed-mesh, knit fabric tube)를 포함한다. 직물 튜브는 위환편기(circular weft knitting machine)에서 편직될 수 있고, 편직 후에 열경화될 수 있다. 직물 튜브는 내유성, 접착성 및 마찰 특성 등을 제공하기 위해 에폭시, RFL 또는 다른 처리에 의해 처리될 수 있다.

Description

배면 직물을 지닌 치형 전동 벨트

본 발명은 일반적으로, 매끄러운 배면측 직물, 보다 구체적으로는 폴리우레탄 얀(yarn)과 나일론 얀으로 환편되고, 열경화되며, 에폭시 기반 처리를 받고, 특히 오일 습윤 환경에서 사용하기에 적합한 폐쇄형 메시 튜브식 배면 직물(closed-mesh, tubular, back fabric)이 있는 치형 전동 벨트(toothed power transmission belt)에 관한 것이다.

치형 전동 벨트는 2개 이상의 샤프트들 사이에서 기계적 파워와 동작을 전달하는 데 사용된다. 치형부는 스프로켓이나 풀리 상의 대응하는 홈과 맞물려, 동기화 동작 및 토크 전달을 초래한다. 통상적인 타이밍 벨트 구성은 고무 벨트 본체에 매설된 높은 모듈러스의 인장 코드를 포함하고, 벨트의 일측, 즉 치형 측에는 통상의 횡방향 치형부를 갖고 벨트의 배면측에는 매끄러운 표면을 갖는다. Whitfield에게 허여된 미국 특허 제6,358,171호가 대표적인 기술이다. 통상적으로, 벨트의 치형면을 덮는 부직 직물이 마련된다. 치형부 피복 직물은 통상적으로 고무로 가공되거나, RFL과 같은 접착 촉진제로 처리된다. Whitfield는 또한 저온 성능에 대한 필요성도 해결하였다. 자동차 타이밍 벨트의 저온 성능에서의 한층 더한 향상은 유익할 것이다.

치형 전동 벨트는 통상적으로 윤활이 없는 건식 환경에서 사용된다. 내연기관의 크랭크케이스와 같은 오일 습윤 환경에서의 용도는 내열성, 내유성, 내마모성, 내구성 및 부하 용량에 있어서 중대한 과제에 직면한다. Sakamoto 등의 명의의 미국 특허 공개 제2014/0080647 Al호가 대표적인 기술이며, 이 특허는 오일 또는 물 환경에서 사용하기 위한 치형부 피복 부직 직물을 위한 에폭시 및 에폭시 라텍스 처리를 개시한다. 오일 습윤 성능에서의 추가의 개선이 유익할 것이다.

치형 벨트의 매끄러운 배면 측에서 직물을 사용하는 것은 당업계에서 덜 일반적이다. Knutson에게 허여된 미국 특허 제6,572,505 B1호, 제6,632,151 B1호 및 제6,863,761 B2호가 대표적인 기술이며, 이들 특허는 텍스타일 재료에서의 틈을 통한 하부 고무층의 침투를 가능하게 하도록 선택된 상대적으로 개방된 직조 구조를 지닌 외측 심리스 튜브형 니트 텍스타일 재료를 개시한다. Baldovino에게 허여된 미국 특허 제8,568,260 B2호는 오일과 함께 사용하기 위해 선택적으로 벨트의 배면 측 상에도 또한 직조 치형부 직물 및 내성 코팅층을 지닌 치형 벨트 구성을 개시한다.

본 발명은, 매끄러운 배면 측에 직물을 지닌, 보다 구체적으로는 폴리우레탄 얀과 나일론 얀으로 환편되고, 열경화되며, 바람직하게는 에폭시 또는 RFL 처리와 같은 처리를 받는 폐쇄형 메시 니트 배면 직물을 지닌 치형 전동 벨트를 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 결과적인 벨트는 특히 오일 습윤 환경에서 사용하기 위한 것으로 또는, 예컨대 자동차 엔진 타이밍 구동 장치에서의 우수한 저온 내구성을 위한 것으로 의도된다.

본 발명은, 일측에는 치형면을 그리고 치형면 측의 반대측에는 매끄러운 배면을 지닌 고무 벨트 본체; 치형면을 덮는 치형부 자켓; 벨트 본체 내에 매설되는 인장 코드; 및 배면 상의 배면 자켓 - 폐쇄형 메시 니트 직물 튜브를 포함함 - 을 갖는 치형 전동 벨트에 관한 것이다. 직물 튜브는 탄성 얀과 비탄성 얀으로 편직될 수 있으며, 탄성 얀과 비탄성 얀 모두는 위환편기(weft circular knitting machine) 내로 개별적으로 공급될 수 있다. 탄성 얀은 폴리우레탄을 포함할 수 있고, 비탄성 얀은 나일론을 포함할 수 있다. 배면 자켓은 RFL 타입일 수도 있는 직물 코팅 또는 에폭시 기반 코팅을 가질 수 있다. 코팅은 에폭시 및 라텍스 고무를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 전술한 치형 전동 벨트의 제조 방법으로서, 폐쇄형 메시 니트 직물 튜브를 마련하는 단계, 니트 직물 튜브를, 배면 자켓을 형성하기 위해 코팅에 의해 처리하는 단계, 벨트 성형 맨드릴(belt-building mandrel) 상의 벨트 슬라브(slab)에 배면 자켓을 적층하는 단계, 및 벨트 슬라브를 경화하고 원하는 폭으로 절단하여, 치형 전동 벨트를 형성하는 단계를 포함하는 치형 전동 벨트의 제조 방법에 관한 것이다.

처리 단계는 코팅된 직물을 캐리어 직물 상에서 건조하는 것과 같은, 코팅된 직물을 무응력 프로세스로 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 니트 직물 튜브를 열경화하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 벨트 구동 장치 - 오일 습윤 환경일 수 있음 - 상에 벨트를 설치하는 단계를 포함하는 치형 전동 벨트의 사용 방법에 관한 것이다. 벨트 구동 장치는 자동차 타이밍 구동 장치일 수 있고, 오일 습윤 환경에서 벨트를 사용할 수 있다.

전술한 내용은, 후속하는 본 발명의 상세한 설명이 보다 양호하게 이해될 수 있도록, 오히려 본 발명의 피쳐(feature) 및 기술적 장점을 광범위하게 약술하였다. 본 발명의 청구범위의 보호대상을 형성하는 본 발명의 추가의 피쳐 및 장점은 이후에 설명하겠다. 당업자라면, 개시된 개념 및 특정 실시예는, 본 발명의 동일한 목적을 이행하기 위해 수정하거나 다른 구조를 구성하기 위한 근간으로서 용이하게 활용될 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 당업자라면, 그러한 등가의 구성은 첨부된 청구범위에 기술한 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것도 또한 이해해야만 한다. 다른 목적 및 장점과 함께 본 발명의 조직 및 작동 방법 양자 모두에 관하여 본 발명의 특징으로 생각되는 신규한 피쳐들은, 아래의 설명이 첨부도면과 연계하여 고려될 때에 아래의 설명으로부터 양호하게 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 오로지 예시와 설명만을 위해 제공되는 것이지, 본 발명의 한계에 관한 정의로서 의도되는 것이 아니라는 점이 명확히 이해된다.

본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면 - 유사한 도면부호는 유사한 부분을 가르킴 - 은 본 발명의 실시예를 예시하는 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 치형 벨트의 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 방법 실시예의 단계를 보여준다.
도 3은 고온/저온 테스트 방법의 개략도이다.
도 4는 저온 테스트 방법의 개략도이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 치형 벨트의 부분 측단면도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 벨트(10)는 본체(12)를 가지며, 본체는 고무 벨트 재료로 이루어질 수 있고, 벨트 치형부들이 본체에 형성되며, 소정 피치(P)로 이격되고, 벨트의 일측부에 위치한다. 치형부는 벨트 치형부의 둘레면을 따라 배치되는 내마모성 직물(16)로 덮인다. 나선형으로 형성된 코드로 이루어진 인장 부재(18)가 벨트 본체 내에 매설된다. 벨트의 배면은 매끄럽고, 치형측의 반대측에 위치하며, 특별한 배면 자켓(20)으로 덮인다. 배면 자켓(20)은 바람직하게는, 심리스 튜브형 니트 배면 직물을 포함하며, 이 배면 직물은 탄성 얀과 비탄성 얀으로 이루어지는데, 이들 얀은 동시에 그러나 별개의 얀 공급부로부터 환편기 내로 공급된다. 배면 직물은 바람직하게는 편직 후에 열경화된다. 직물은 바람직하게는 편직 및 열경화 후에 적절한 코팅으로 처리된다. 여기에서, “직물”은 접착제 또는 다른 적절한 코팅이 도포되기 전의 니트 재료를 일컬으며, 벨트 성형에 사용될 준비가 되거나 벨트 상의 제위치에 있는 처리된 직물은 “자켓”이라고 한다.

벨트의 배면을 위한 심리스 튜브형 니트 직물은 셀룰로오스 기반 얀 또는 비(非)셀룰로오스 기반 얀과 같은 얀으로 형성될 수 있다. 셀룰로오스 기반 얀 또는 직물은 면, 린넨, 황마, 대마, 마닐라삼 및 대나무를 포함하는 천연 섬유; 레이온 및 아세테이트를 포함하는 인공 섬유; 및 이들의 조합을 포함한다. 비셀룰로오스 기반 얀 또는 섬유는 나일론(폴리아미드), 폴리에스테르(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트, 아크릴, 아라미드(방향족 폴리아미드), 폴리올레핀, 폴리비닐 알코올, 액정 폴리에스테르, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드, 폴리케톤, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), e-PTFE, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리벤조비스옥사졸 (PBO), 양모, 실크 및 이들의 조합을 포함한다. 배면 직물을 위한 몇몇 바람직한 얀 또는 직물은 나일론, 면, 폴리에스테르, 아라미드, 폴리우레탄(PET) 및 상기한 재료들의 혼방을 포함한다. 나일론은 나일론 6, 나일론 66, 나일론 46, 나일론 11 등을 포함한다. 얀은 바람직하게는 우수한 가요성, 고온 에이징에 대한 우수한 저항 및 오일, 물 또는 기타 환경 노출이나 오염에 대한 우수한 내성의 직물을 제공한다. 얀은 모노필라멘트나 멀티필라멘트 얀을 포함하는 단섬유 얀 또는 필라멘트 얀일 수 있다. 얀은 임의의 꼬임이나 혼방이나 피복 구성의 것일 수 있다. 바람직한 직물은, 나일론, PET, 아라미드 또는 면이나 혼방 얀과 같은 합성 섬유나 천연 섬유와 같은 다른 비탄성 얀과 조합된, 매우 높은 연신율 또는 신장성을 갖는 폴리우레탄 또는 고무 얀과 같은 탄성 얀을 포함하는 2개 얀 구성일 수 있다. 탄성 얀 및 비탄성 얀은 직물 제조 시에 별도로, 즉 별개의 얀 공급부, 스풀 또는 렛오프(let-off)로부터 편물기로 공급된 다음 조합되고, 편직될 수 있다. 따라서, 각각의 탄성 얀 및 비탄성 얀을 위한 공급 속도 및 장력은 니트 튜브에서 원하는 레벨의 연신을 달성하도록 개별적으로 제어될 수 있다. 바람직한 니트 직물은 편물기 내로 개별적으로 공급되는 나일론 얀 및 PU 얀으로 형성된다. 나이론 얀은 나일론 66 또는 기타 적절한 나일론 타입일 수 있다. 나일론 얀은 단섬유 얀 또는 모노필라멘트 얀 또는 멀티필라멘트 얀일 수 있다.

더욱이, 탄성 얀이나 섬유, 셀룰로오스 얀이나 섬유 및 기타 얀을 포함하는 3개 이상의 얀 구성이 사용될 수 있다. 제3 얀은 원하는 내마모성에 따라 선택될 수 있다. 역시, 제1 얀은 폴리우레텐과 같이, 높은 레벨의 신축성을 지닌 직물을 제공하는 탄성 얀이다. 제2 및 제3 얀 또는 섬유는 2개의 상이한 타입의 얀 또는 섬유의 혼방으로 이루어지는데, 상이한 비율로 혼합된 셀룰로오스 얀 또는 섬유와 비셀룰로오스 얀 또는 섬유의 조합일 수 있다. 섬유 타입 및 비율은, 우수한 접착력 및 우수한 내마모성과 같이 원하는 속성의 조합을 제공하도록 선택될 수 있다. 탄성 얀 또는 섬유 대 비탄성 얀 또는 섬유의 비는, 예컨대 2 중량% 내지 40 중량%일 수 있다.

튜브형 배면 직물의 편직 패턴은 임의의 적절한 편직 패턴일 수 있다. 심리스 니트 튜브 패턴은 위편(weft knitting), 바람직하게는 환편 - 실(thread)이 직물 주위에서 연속적으로 연장됨 - 에 의해 형성될 수 있다. 니트는 플레인 니트(plain knit) 또는 리브 니트(rib knit)일 수 있다. 바람직하게는, 니트는 최소 기공률을 지닌 클로스 니트(close knit) 또는 타이트 니트(tight knit)일 수 있다. 바람직하게는, 니트 배면 직물은 내면 상에 리브 구조를 갖는다. 1 × 1 위편 튜브는 한가지 바람직한 구성이다. 타이트 니트 배면 직물은 이에 따라 고무가 벨트 본체로부터 이를 통과하여 벨트의 배면 외측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이와 동시에, 니트 배면 직물의 내면 상의 리브 구조는 본체 고무와 직물 사이의 우수한 기계적 상호 작용을 허용하여, 직물과 고무 간의 우수한 접착을 형성한다. 오일과 접촉되어 사용되는 벨트에 있어서, 벨트 배면에 고무가 침투하지 않거나 노출되지 않는 것이 바람직할 수 있다. 배면 직물 자체는 벨트 본체 고무 화합물보다 내유성이 더 강할 수 있으며, 직물-고무 인터페이스에서의 오일 진입을 방지함으로써 오일 환경에서 벨트 내구성을 향상시킬 수 있다.

배면 직물을 위한 이러한 니트 튜브는 유리하게는, 니트 튜브를 수축시키고 및/또는 형상을 더욱 균일하게 하기 위해 열경화 프로세스를 받는다. 벨트 성형 동안, 니트 튜브는 치형부 자켓, 벨트 본체 및 인장 코드를 위한 벨트 성형 재료로 감긴 원통형 맨드릴 위에 적층될 것이다. 이러한 벨트 재료의 빌드업(build-up)은 벨트 슬라브라고 한다. 배면 직물은 설치 후에, 즉 어느 정도 연신되어 슬라브 표면에 꼭 맞아야만 하며, 열경화는 직물 연신을 더욱 균일하게 할 수 있는데, 이는 몰딩 중에 임의의 비정상적 고무 관통(rubber strike through)을 방지하는 데 기여하고, 이에 따라 더욱 균일한 벨트 배면 외관, 더욱 일관된 마찰계수(COF) 등을 달성하는 데 기여한다. 또한, 열경화는 오일이 벨트 배면을 통과하는 것을 방지하는 것에 의해 내유성을 향상시키는 것으로 확인되었다. 이것은 특히 벨트의 저온 테스트에서 나타났다. 열경화 조건은 직물을 형성하는 데 사용되는 얀이나 섬유의 열 속성을 감안하여 적절히 선택될 수 있다. 예컨대, 열경화는 가열된 롤러 상에서 실시될 수도 있고, 가열은 적외열 또는 증기열에 의해 이루어질 수 있다. 직물이 세탁되거나 염색되는 경우, 세탁 또는 염색은 바람직하게는 열경화 이전에 행해진다. 열경화는 직물의 가압 또는 압축을 포함할 수 있다. 압축 또는 가압은 단독으로 실행될 수 있지만, 가압과 무관하게 열경화를 포함하는 것이 더 바람직하다. 압축은, 예컨대 롤의 속도를 제어하는 것에 의해 튜브의 폭을 증가시킬 수 있다.

배면 직물을 위한 심리스 튜브는 유리하게는 그레이지(greige)(바람직하게는 열경화 후에 형성됨)를 사용할 수도 있고, 그레이지 직물 섬유가 코팅되거나 코팅에 의해 처리될 수 있다. 니트 튜브는 매우 신축성 있고 매우 유연한 경향이 있기 때문에, 종래의 직조 벨트 직물보다 처리가 더 어려워진다. 한가지 적절한 방법은 침지(dipping), 롤 코팅 또는 분사에 의해 배면 직물에 직접 액체 처리액을 도포하는 것이다. 습윤 직물은 그 후 직물을, 종래의 연속적인 직물 건조 오븐을 통과할 수 있는 라이너 직물 상에 배치하는 것에 의해 건조될 수 있다. 도 2는 상기한 건조 프로세스를 예시한다. 도 2에는, 소정 절단 길이의 처리된 튜브형 직물(20)이 지지 직물(24) 상에 놓여 있으며, 지지 직물은 튜브형 직물을 연속 오븐(22)을 통과하도록 지탱한다. 대안으로서, 길이가 길거나 연속적인 길이의 처리된 튜브형 직물이 지지 직물 상에서 건조된 다음, 소정 길이로 전달될 수 있다. 배면 직물 처리는 이에 따라 직물에 대한 임의의 응력 없이 건조될 수 있다. 응력을 최소화하는 것은, 직물 연신율, 형상 균일성 및 니트 구조, 그리고 원하는 폭 또는 둘레를 유지하기 위해 중요하다. 적절한 직물 처리로 인해, 벨트 본체 고무에 대한 직물의 접착이 향상될 수 있고, 본체 고무의 관통이 감소될 수 있으며/있거나 내유성이 증가될 수 있다.

다른 처리 옵션은 신축성이 매우 좋은 니트 직물을 처리하는 문제를 회피하기 위해 편직 이전에 얀을 처리하는 것이라는 데 주목할 수 있다. 그러나, 여기에서는 편직후 처리가 바람직한데, 그 이유는 편직후 처리가 보다 우수한 직물 무결성과, 고무 관통 또는 오일 침투에 대한 내성을 제공한다고 생각되기 때문이다.

임의의 적절한 처리가 배면 직물에 적용될 수 있다. 예컨대, 심리스 니트 튜브는, RFL(Resorcinol-Rormaldehyde-Latex) 타입 코팅, 에폭시 기반 또는 에폭시+고무-라텍스 타입 코팅, 고무 서멧 또는 나노 재료 기반 코팅 또는 다수의 코팅의 조합으로 처리될 수 있다.

예시적인 에폭시 및 에폭시-라텍스 타입 처리는 미국 특허 공개 제2014/0080647 Al호에 설명되어 있고, 이 특허의 내용은 참조에 의해 여기에 포함된다. 하나 이상의 순차적인 코팅 또는 처리가 적용될 수 있다. 예컨대, 에폭시 수지는, 직물이 우선 RFL 처리를 받은 후에 대향 직물에 도포될 수 있다. 에폭시 처리는 직물의 한쪽 또는 양쪽 측면에 적용될 수 있다. 에폭시 또는 에폭시-고무 처리 조성에 포함되는 에폭시 수지는 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 노볼락(novolak)-타입 에폭시 수지, 바이페닐-타입 에폭시 수지, 페녹시-타입 에폭시 수지, 지방족 화합물 에폭시 수지 등일 수 있다. 이들 에폭시 수지 중 하나가 단독으로 또는 2개 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 비스페놀 A 에폭시 수지 또는 노볼락-타입 에폭시 수지가 바람직하다. 에폭시 수지는 바람직하게는 300 이상의 수평균 분자량을 갖는다, 에폭시 수지의 에폭시 화학당량은 150 내지 1500 g/eq이다. 여기에서, 수평균 분자량은 겔 투과 크로마토그래프(GPC)에 의해 측정되고 폴리스티렌의 분자량으로 변환된 값이다. 에폭시 고무 처리제 조성을 희석하기 위한 용매는 물일 수 있고, 에폭시 수지는 수용성일 수 있다. 유기 용매가 대신 사용될 수 있다.

에폭시 고무 처리 조성에 포함되는 경화제는, 에폭시 수지를 경화시킬 수만 있다면 무엇이든 가능하다. 경화제의 예로는, 아민계 경화제, 산 무수물계 경화제, 페놀 노볼락계 경화제, 이미다졸계 경화제, 디시안디아미드계 경화제 등이 있다. 이들 경화제 중 하나가 단독으로 또는 2개 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 예컨대, 바람직하게는 촉매 경화제인 이미다졸계 경화제가 사용될 수 있다. 촉매 경화제는 에폭시 링의 촉매 직접 반응에 의해 에폭시 수지를 중합시킨다. 추가로, 경화제는 수용성일 수 있고, 에폭시 수지의 경우에서와 같이 처리액에 용해될 수 있다. 에폭시 수지는 바람직하게는 3개 이상의 기능기(에폭시기)를 갖고, 이에 따라 경화제에 의한 경화 또는 큐어링(curing) 중에 네트워크 구조가 형성될 수 있다.

에폭시 고무 처리 조성에 포함되는 고무 성분은 특별히 제한되지 않지만, 특히 고무 본체도 또한 NBR인 경우에 벨트 본체 배면 고무와의 접착을 향상시키기 위해, 고무 성분은 바람직하게는 니트릴 고무(NBR), 수소화 니트릴 고무(HNBR) 또는 수소화 카르복실기 니트릴 고무(HXNBR)이다. 고무는 고무 라텍스일 수 있다. 즉, 바람직하게는 NBR 라텍스, HNBR 라텍스, 또는 HXNBR 라텍스가 에폭시 고무 처리에 사용된다.

치형부 피복 자켓(16)은 용도에 적합한 임의의 기지의 구성일 수 있다. 예컨대, 치형부 자켓의 직물은 나일론, 폴리에스테르, PTFE, PEEK, PPS 또는 아라미드 얀이나 이들의 조합과, 배면 직물에 대해 전술한 재료들 중 임의의 재료를 포함할 수 있다. 치형부 직물은 직조될 수도 있고 니트일 수도 있고 부직포일 수도 있다. 얀은 신축성을 위해 텍스쳐 가공될 수 있다. 유용한 직조로는 평직, 능직, 새틴 등이 있다. 직물은 치형부 형성을 용이하게 하기 위해 신축 방향을 벨트 종방향으로 하도록 배향될 수 있다. 직물은 바이어스 방향으로 배향될 수 있다. 몇몇 바람직한 직물로는 2 × 2 능직 직조 나일론 66 스트레치 직물 또는 아라미드-나일론 혼방 직물이 있다.

치형부 직물은 배면 직물을 위한 전술한 처리들 중 임의의 처리를 포함하여 당업계에 알려진 임의의 적절한 처리로 처리될 수 있다. 바람직한 직물 처리는 Yamada 등의 명의의 미국 특허 공보 제2014/0080647 A1호에 설명된, 선택적인 RFL 처리와 함께 에폭시 또는 에폭시 고무 처리를 포함한다. 상기한 처리는 치형부 대향 자켓의 내마모성과 내유성 및 내수성을 향상시키고, 고온 및 고하중 조건에서 사용될 때에 또는 오일이나 물 환경 내에서 만족스러운 내구성을 갖는 치형 벨트를 제공하도록 의도된다.

치형부 대향 직물의 외면은 내유성 또는 마찰 조절 코팅으로 코팅될 수 있고, 이 코팅은, 예컨대 플루오로-수지, 바인더, 에폭시, 경화제, 라텍스 및 다른 코팅 원료를 포함할 수 있다. 상기한 코팅은 벨트의 측면 및/또는 배면에도 또한 도포될 수 있다. 상기한 코팅의 예로는 Gibson 등에게 허여된 미국 특허 제6,419,775 B1호 및 Baldovino 등에게 허여된 미국 특허 제8,388,477 B2호에 개시된 것이 있다.

임의의 적절한 고무 조성(들)이 치형부 또는 벨트 본체 고무(12)를 위해 사용될 수 있다. 추가로, 원한다면 동일하거나 상이한 화합물이 치형부, 인장 코드층 및 배면측에서 사용될 수 있다. Whitfield에게 허여된 미국 특허 제6,358,171 B1호 - 참조에 의해 여기에 포함됨 - 는 치형부 고무 또는 벨트 본체 고무를 위한 예시적인 고무 화합물을 설명한다. 여기에서 설명되는 바와 같이, 벨트 본체 고무 조성은 HNBR과 같은 니트릴기 포함 코폴리머 고무를 포함할 수 있고, 고무는 고무의 유리 천이 온도를 낮추는 제3 모노머를 포함할 수 있다. 고무 조성은 또한 약 0.5 내지 약 50 질량부의 섬유 강화 고무(PHR)를 포함할 수 있다. 미국 특허 제9,140,329 B2호 - 참조에 의해 여기에 포함됨 - 는 치형부 고무 또는 벨트 본체 고무를 위한 다른 예시적인 고무 화합물을 설명한다. 상기 미국 특허에 설명된 바와 같이, 벨트 본체 고무 조성은 HNBR 또는 HXNBR 고무, 레조르시놀 및 멜라민 화합물을 포함할 수 있다.

벨트 본체의 고무 조성(들)은, 충전제, 가소제, 분해 방지제, 가공 보조제, 경화제, 보조제, 상용시약 등과 같은 당업계에 알려진 추가의 재료를 더 포함할 수 있다.

벨트를 위한 인장 코드(18)는 당업계에 알려진 임의의 것일 수 있지만, 바람직하게는 유리 섬유, PBO, 아라미드, 탄소 섬유 또는 이들 중 2개 이상의 혼방을 포함한다. 인장 코드는 바람직하게는, 오일 습윤 환경에서 사용하기 위해 내유성이 높은 접착 처리를 포함한다. 예컨대, 접착 처리는 니트릴 함유 라텍스 또는 고무나 다른 내유성 재료를 기반으로 할 수 있다.

본 발명의 치형 벨트는 기지의 벨트 제조 방법에 따라 제조될 수 있다. 가장 일반적인 접근은 홈형 맨드릴에 다양한 재료를 적층하는 것으로, 이는 치형부 피복 자켓에서 시작한 다음 인장 코드 및 본체 고무로 그리고 배면 자켓에서 종료된다. 맨드릴은 벨트 슬라브와 함께 그 후에 가압 가능 쉘 - 가열 가능하고, 재료들을 함께 압착하도록 압축 가능함 - 에 삽입되어, 고무가 치형부 홈 내로 흐르게 됨으로써 치형부 자켓을 홈 형상으로 밀어낸다[“흐름 통과(flow-through)” 방법]. 대안으로서, 치형부는 치형부 자켓을 맨드릴 상에 배치하기 전에, 대략적인 홈 형상으로 예성형될 수 있고, 이때 선택적으로 고무가 치형부를 충전할 수 있다. 이들 방법에 대한 다른 변형도 또한 가능하다. 배면에 직물이 있는 벨트를 제조하는 데 있어서 주된 추가의 피쳐는, 벨트의 배면이 고무가 배면에 있는 벨트에 대해서 수행되는 것과 같이 소정 사이즈로 연마될 수 없기 때문에 고무층이 원하는 최종 벨트 두께를 얻기 위해 주의깊게 측정되어야만 한다는 점이다.

예

본 발명에 따른 니트 튜브를 위환편기 내로 공급되는 나일론 66 얀 및 폴리우레탄 탄성 얀을 사용하여 준비하였다. 편직 파라메터를 표 1에 나타낸다. 편직 후, 튜브를 세탁하고, 표 1에 나타낸 바와 같은 파라메터로 열경화하였다. 열경화는 증기열을 사용하여 2개 롤 밀에서 수행되었다. 이에 따라, 열경화 동안에 직물은 또한 압축되었다.

그 후, 니트 튜브를 소정 길이로 절단하고, 표 2에 나타낸 바와 같은 다양한 접착 처리로 처리하였다. 통제 변수로서, 종래의 직조 나일론 66 스트레치 직물을 사용하였다. 표 2의 EP-1 처리는 침지에 의해 실시되고 종래의 오븐에서 1.5 m/min 및 145 내지 165 ℃로 캐리어 직물 상에서의 건조되는 에폭시+NBR 라텍스+경화제 처리였다. 표 2의 EP-2 처리는, 침지 프로세스를 2회 하고 나서, 동일한 건조 프로세스를 실시한다는 점을 제외하고는 EP-1과 동일하였다. NBR RFL-1 및 NBR RFL-2 처리는 NBR 라텍스에 의한 종래의 RFL 처리였고, 2.5 m/min의 오븐 속도 및 160 내지 170 ℃로 1 패스 처리 및 2 패스 처리 양자 모두로서 수행되었다. VP RFL 처리는 190°C에서 1.7 m/min로 건조되는 통상적인 비닐피리딘(VP) 라텍스를 사용하는 2 패스 처리였다. 표 2에, 처리된 최종 튜브의 외측 둘레(OC) 대 그레이지 튜브로 나타낸 바와 같이, 처리 프로세스는 그 높은 신축성에도 불구하고 튜브 치수를 보존할 수 있었다. 표 2로부터, 처리에 의해 25 mm 폭의 직물 샘플에 대한 0.372 kg의 규정 하중에서 날실 및 씨실 연신율이 감소됨을 알 수 있다. 이에 따라, 처리는 니트 튜브의 치수 안정성을 증가시킨다. 벨트에서 사용되는 최종 형태의 처리된 직물은 자켓이라고 칭할 수 있다.

¹나타낸 폭의 직조 나일론 66

표 2의 통제 직물, 미처리 직물 및 처리 직물을 표 3에 나타낸 치형 벨트 예를 위한 배면 자켓으로서 사용하였다. 표 3의 각각의 벨트를 위해, 표 2의 통제 직물을 치형부 피복 자켓으로서 사용하였고, HBNR 고무 화합물을 벨트 본체로서 사용하였으며, 종래의 유리 섬유 인장 코드를 인장 부재로서 사용하였다. 우선 치형부 피복 자켓을 홈형 맨드릴에 적층한 다음, 인장 코드에 나선형으로 권취(S 및 Z 트위스트 양자 모두)하고 나서, 벨트 본체 고무의 캘린더 층(calendered layer)을 적층하고, 마지막으로 튜브형 배면 직물을 적층하는 것에 의해, 종래 방식으로 벨트를 형성하였다. 그 후, 고무를 연화하고, 치형부를 형성하며, 재료를 경화하기 위해 증기열 및 압력을 이용하여 압축 고무 슬리브 내에서 홈형 맨드릴 상의 완전한 슬라브를 경화하였다. 경화된 벨트 슬라브를 맨드릴에서 제거하고, 테스트를 위해 원하는 폭의 벨트로 절단하였다.

다른 일련의 예비 실험에서, 벨트는 직물 가공 또는 취급 단계에서 다양한 변형을 갖는 튜브형 직물로 구성되었다. 이들 실험은, 원하지 않는 고무 관통을 줄이고, 이에 따라 벨트 배면 상에서 원하는 자켓 표면을 보존하는 데 있어서 열경화가 중요하다는 것을 보여주었다. 또한, 균일성 및 감소된 관통 측면에서, 열경화 프로세스가 증기 예열에 의해 수행될 때 그리고 2 개의 고온 롤러들 사이에서 가압 또는 압축되는 것에 의해 최상의 벨트 외관이 얻어졌다.

표 3은 예시적인 벨트에 대한 벨트 특성과 테스트 결과를 보여준다. 자켓을 벨트의 배면으로부터 멀어지게 180 °로 잡아 당겨 박리함으로써 자켓 접착을 테스트하였다. 보고되지 않은 다른 벨트 특성은 코드 풀아웃(pullout) 접착, 치형부 자켓 접착, 치형부 전단 강도 및 인장 강도를 포함하여 모든 예에서 거의 동일하다는 점에 주목할 수 있다.

RFL 및 에폭시-라텍스 처리와 같은 처리를 테스트하는, 이 니트 튜브를 사용한 다른 테스트에서, Epoxy-NBR Latex는 NBR 라텍스를 기반으로 한 RFL보다 내유성이 우수하고 내(耐)저온균열성이 우수했다.

아래와 같이, 벨트에 대한 고온/저온 테스트를 실시하였다. 고온/저온 테스트 레이아웃(30)이 도 3에 도시되어 있는데, 이 레이아웃은 각각 8 mm 피치의 46개의 홈을 갖는 구동 풀리(33) 및 피동 풀리(32)와, 매끄러운 60 mm 직경의 아이들러(35) 및 400 N의 자중(dead weight) 인장력을 받는 57.2 mm 직경의 텐셔닝 아이들러(34)를 포함한다. 테스트 벨트(31)는 폭이 24 mm이고, 피치가 8 mm인 146개의 치형부를 포함하였다. 벨트는 우선 테스터에 의해 110 ℃에서 3000 RPM으로 250 시간 동안 작동하는 것에 의해 컨디셔닝된다. 그 후, 벨트를 15 시간 동안 -40 ℃에서 소킹(soaking)한다. 다음에, -40 ℃에서 테스트 사이클이 시작되고, 균열 또는 고장이 관찰될 때까지 계속되며, 각 사이클은 300 RPM으로 5초, 2000 RPM으로 30초 동안 운영한 후, 25분 동안 중지하는 것으로 구성된다. 첫번째 균열이 나타나는 사이클 횟수가 표 3에 보고된다.

고온/저온 테스트 결과는 배면 직물이 없는 통제 벨트, 비교예 1이 약 20 사이클에서 배면 고무 균열을 나타내는 것을 보여준다. 배면에 기존 자켓을 추가하면, 취약 지점인 자켓 시임에서 균열이 시작되는 비교예 2의 수명을 약 60 사이클로 연장한다. 예 3, 예 6 및 예 7의 본 발명의 벨트는 균열이 나타나기까지 훨씬 더 오래 작동하고, 시임 균열이 시작되는 자켓 시임이나 조인트가 없다는 굉장한 개선을 보여주었다. 예 3 및 예 7은 비교예 2에서의 시임 균열의 수명의 2배인 것을 보여준다. 비교예 2는 예 3 및 예 7과 대략 동일한 횟수의 사이클에서 시임 위치로부터 멀어지는 추가적인 균열을 나타냈다는 점에 주목할 수 있다.

아래와 같이, 벨트에 대한 저온 테스트를 실시하였다. 저온 테스트 레이아웃(40)이 도 4에 도시되어 있으며, 이 레이아웃은 19개 홈 구동 풀리(43) 및 22개 홈 피동 풀리(42) 2개, 그리고 400 N의 인장력을 받는 매끄러운 60 mm 직경의 텐셔너(44)를 포함한다. 테스트 벨트(41)는 폭이 10 mm이고, 피치가 9.525 mm인 116개의 치형부를 가졌다. 벨트는 우선 15 시간 동안 -30 ℃로 소킹된다. 다음에, -30 ℃에서 테스트 사이클이 시작되고, 균열 또는 고장이 관찰될 때까지 계속되며, 각 사이클은 2000 RPM으로 30초 동안 운영한 후, 25분 동안 중지하는 것으로 구성된다. 결과가 표 3에 보고된다.

¹NT = 테스트하지 않음

² 60 사이클에서 나타나는 코드 라인에서의 균열

종래의 나일론 스트레치 직물을 사용하려면, 통상 곧은 재봉 결합부를 갖도록 실로 에지들을 함께 꿰매어 튜브를 만들어야 한다. 상기한 직물은 벨트 배면 균열의 정도를 감소시킬 수는 있지만, 균열이 시작될 가능성이 높은 재봉 결합부의 취약성으로 인해 전반적인 성능을 향상시킬 수는 없다. 결합부는 균열의 심각성을 최소화하기 치형부에 걸쳐 위치할 수 있지만, 결합부는 여전히 가장 취약한 위치이며, 균열이 생길 가능성이 높다. 마찬가지로, (대각선 상의) 바이어스 실매기 결합부(thread-sewn joint)를 사용하면 균열이 시작되는 결합부가 생성되며, 또한 자켓 스크랩 비율이 높아지고 제조 공정을 다루기가 더 어려워진다. 다른 한편, 심리스 튜브는 임의의 실매기 결합부 없이 형성될 수 있다. 이에 따라, 벨트 주위의 모든 위치는 동일한 무결성과 내구성을 갖고, 재봉 결합부에서 발생하는 취약 지점을 갖지 않는다. 편직에 의해 형성되는 심리스 튜브는 모든 방향에서 우수한 연신율과 신축성을 가지며, 이로 인해 종래의 나일론 스트레치 직물보다 내균열성도 또한 더 우수할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 심리스 튜브 배면을 지닌 치형 벨트는 우수한 내마모성 및 안정한 COF를 갖고, 벨트 배면으로부터의 마찰 손실이 적다. 니트 구성 및 적절한 처리에 의해, 벨트 배면에 대한 고무 관통이 최소화될 수 있고, 이에 따라 배면 고무 내로의 오일 이동을 방지할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 벨트는 내연기관의 크랭크케이스 내와 같은 오일 습윤 환경에서 사용하기에 적합하다. 고무 재료가 적절히 선택된 본 발명의 벨트는 또한 우수한 고온 및 저온 성능을 나타낸다.

본 발명과 그 장점을 상세히 설명하였지만, 첨부된 청구범위에 의해 규정된 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 여기에서는 다양한 변경, 대체 및 개조가 이루어질 수 있다는 것을 이해해야만 한다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에서 설명된 공정, 기계, 제조, 재료 성분, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 당업자라면, 본 발명의 개시로부터, 여기에서 설명한 대응하는 실시예와 거의 동일한 기능을 수행하거나 거의 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 차후에 개발될 공정, 기계, 제조, 재료 성분, 수단, 방법 또는 단계가 본 발명에 따라 활용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 상기한 공정, 기계, 제조, 재료 성분, 수단, 방법 또는 단계를 그 범위 내에 포함하는 것으로 의도된다. 여기에 개시된 본 발명은 여기에 특별히 개시되지 않은 임의의 요소의 부재 시에도 적절히 실시될 수 있다.

Claims

치형 전동 벨트(toothed power transmission belt)로서,
일측에는 치형면을 그리고 상기 일측의 반대측에는 매끄러운 배면을 지닌 고무 벨트 본체;
치형면을 덮는 치형부 자켓;
벨트 본체 내에 매설되는 인장 코드; 및
배면 상의 배면 자켓
을 포함하고, 배면 자켓은 폐쇄형 메시 니트 직물 튜브(closed-mesh, knit fabric tube)를 포함하는 것인 치형 전동 벨트.
제1항에 있어서, 직물 튜브는 탄성 얀(yarn)과 비탄성 얀으로 편직(knitting)되는 것인 치형 전동 벨트.
제1항에 있어서, 직물 튜브는 개별적으로 위환편기(circular, weft-knitting machine)에 공급되는 탄성 얀과 비탄성 얀으로 편직되는 것인 치형 전동 벨트.
제3항에 있어서, 탄성 얀은 폴리우레탄을 포함하고, 비탄성 얀은 나일론을 포함하는 것인 치형 전동 벨트.
제1항에 있어서, 배면 자켓은 직물 튜브 상에, 에폭시를 포함하는 코팅을 더 포함하는 것인 치형 전동 벨트.
제1항에 있어서, 배면 자켓은 직물 튜브 상에, 에폭시 및 라텍스 고무를 포함하는 코팅을 더 포함하는 것인 치형 전동 벨트.
제1항에 따른 치형 전동 벨트의 제조 방법으로서,
폐쇄형 메시 니트 직물 튜브를 마련하는 단계;
니트 직물 튜브를, 배면 자켓을 형성하도록 코팅에 의해 처리하는 단계;
배면 자켓을 벨트 성형 맨드릴(belt-building mandrel) 상의 벨트 슬라브(slab) 상에 적층하는 단계; 및
벨트 슬라브를 경화하고 원하는 폭으로 절단하여, 치형 전동 벨트를 형성하는 단계
를 포함하는 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 처리 단계는 코팅된 직물 튜브를 무응력 프로세스로 건조하는 단계를 포함하는 것인 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제8항에 있어서, 상기 무응력 프로세스는 캐리어 직물 상에서 코팅된 직물 튜브를 건조하는 단계를 포함하는 것인 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제9항에 있어서, 니트 직물 튜브는 탄성 얀 및 비탄성 얀을 포함하는 것인 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제10항에 있어서, 탄성 얀은 폴리우레탄을 포함하고, 비탄성 얀은 나일론을 포함하는 것인 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제10항에 있어서, 탄성 얀과 비탄성 얀은 위환편기 내로 개별적으로 공급되는 것인 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 코팅은 에폭시 기반 코팅인 것인 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 코팅은 고무 라텍스를 포함하는 것인 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제7항에 있어서, 니트 직물 튜브를 열경화하는 단계를 더 포함하는 치형 전동 벨트의 제조 방법.
제1항에 따른 치형 전동 벨트의 사용 방법으로서,
오일 습윤 환경에서 사용되는 벨트 구동 장치 상에 설치하기 위해 제1항에 따른 벨트를 공급하는 단계를 포함하는 치형 전동 벨트의 사용 방법.
제16항에 있어서, 벨트를 오일 습윤 환경의 자동차 타이밍 구동 장치 상에 설치하는 단계를 더 포함하는 치형 전동 벨트의 사용 방법.