KR101164655B1 - 탄성적으로 연장가능한 내연기관 부속품 구동용 폴리 ｖ전동 벨트 - Google Patents

Abstract

내연기관(2)의 부속품(7, 10)들을 구동하는 폴리 V 벨트로서,

각각이 적어도 하나의 얀(24)으로 이루어진 적어도 두개의 겹침 얀(26)이 형성되는 제1 연사(twisting)와 상기 겹침 얀(26)들이 상기 코드(23)를 형성하기 위해 서로 꼬아진 제2 연사에 의하여, 상기 코드(23)는 복수의 필라멘트들(25)을 구비하는 얀(24)으로부터 제조되는 코드를 구비하며,

상기 제1 연사와 상기 제2 연사는 반대 방향으로 꼬아지며, 두 연사 단계에서의 미터당 꼬임 개수는, 완성 코드에서 상기 필라멘트들(25)이 코드의 축(A)과 이루는 각이 3.3도 보다 작도록 계산되는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.

폴리 V 벨트, 자동차, 얀(yarn), 연사(twisting)

Description

탄성적으로 연장가능한 내연기관 부속품 구동용 폴리 Ｖ 전동 벨트{Elastically extensible poly-V transmission belt for driving accessories of an internal combustion engine}

본 발명은 전동 벨트에 관한 것으로서, 더 상세하게는 다중 골(race) 또는 폴리 V 타입의 내연기관 부속품 구동용 전동 벨트에 관한 것이다.

엔진에 용이하게 끼우기 위해, 소위 "탄성" 폴리 V 벨트가 최근 자동차 시장에 도입되었다.

"탄성" 또는 "탄성적으로 연장가능한" 벨트는, 상대적으로 낮은 인장 탄성 계수(tensile modulus of elasticity)의 저항성 인서트(resistant insert)들 또는 코드(cord)들을 가지며 조립 중에 벨트의 탄성적인 길이 방향 늘림을 가능하게 하는 것으로서, 산업 응용 분야, 예를 들면 내구성 요건 및 전달 하중이 자동차 분야만큼 극심하지 않은 가전 분야에서 10년 동안 알려져 왔다. 이러한 벨트들은 인장 탄성 계수가 매우 낮고 허용가능한 응력하에서 탄성적으로 신장될 수 있기 때문에 보통 손으로 끼운다.

자동차 분야에서도, 풀리 중심들 사이의 거리를 변경하는 대신에 벨트를 신장함으로써 전동 풀리들에 벨트를 끼우는 유사한 문제가 존재하는 바, 탄성 벨트가 최근에 도입되었다. 사실, 최신 버젼의 물질들만이 탄성적으로 벨트를 길이 방향으로 연장할 필요성과 자동차 용으로서의 엄격한 기능 조건들 사이에서의 타협이 가능하다.

알려진 탄성 벨트들에 관련된 문제는 시간이 지남에 따라 동력 전달시 기능적으로 허용가능한 수준의 장력을 어떻게 유지하는가이다. 시간이 지남에 따른 장력 감소는 보통 벨트의 인장 탄성 계수와 관련되고, 그런 관점에서 탄성 계수가 감소될 때 대응되게 장력 감소도 증가한다.

실제로, 탄성 벨트의 탄성 계수가 소정 범위를 초과하여 감소될 때 벨트는 작동 중에 급격하게 장력을 잃어버리는 경향이 있고, 그로 인하여 하중을 전달하는 능력이 상실될 때까지 점차적으로 느슨하게 작동한다.

물질들과 모든 다른 구성적인 특징들이 유지되는 한, 어떻게 벨트의 탄성 계수가 코드의 꼬임 수 증가에 따라 감소될 수 있는지 알려져 있다.

특히, 겹침 얀(plied yarn)들을 얻기 위해 제1 연사 공정을 거친 후 반대 방향으로의 제2 연사 공정을 거친 얀(yarn)으로 이루어진 코드는 알려져 있다. 얀들 및 겹침 얀들의 단위 길이당 꼬임 수의 증가가 코드의 인장 탄성 계수의 감소를 결정한다는 것이 알려져 있다.

그러나 높은 인장 응력을 갖는 코드는 탄성의 감소도 급격하다.

상기한 것을 기초로 볼 때, 벨트의 인장 탄성 계수의 감소라는 요구와 장력 감소가 자동차용으로 받아들일 수 있는 정도가 되도록 보장하는 것의 반대 요구는 상충한다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 낮은 탄성 계수를 가짐으로써 쉽게 풀리에 끼워짐과 동시에 시간이 지나더라도 허용가능한 장력을 유지할 수 있는 내연기관 부속품 구동용 다중 골 또는 폴리 V 타입의 전동 벨트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 바람직한 실시예가 다음의 첨부된 도면들을 참조하며 상세하게 기술될 것이며, 이 실시예의 설명은 순전히 예시로서 설명되는 것이며 청구범위에 제한을 가하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 벨트를 사용하는 자동차 내연기관의 부속품 구동용 벨트 동력전달 장치의 전방 개략도이다.

도 2는 도 1의 벨트부의 사시도이다.

도 3은 도 1의 벨트 코드의 구조를 나타내는 도면이다.

도 4는 코드 구조의 변형을 도시하는 도면이다.

도 5는 테스트 장비를 도시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 도면부호 1은 내연기관(2)의 복수 개의 부속품들을 구동하기 위한 전체 벨트 동력전달 장치를 나타낸다.

동력전달 장치는 엔진(2)의 크랭크축(4)에 키 박음된 제1 구동 풀리(3), 제1 부속품(7), 예를 들면 발전기를 구동하기 위해 축(6)에 키 박음된 제2 구동 풀 리(5), 및 제2 부속품(10), 예를 들면 에어컨 컴프레서를 구동하기 위해 축(9)에 키 박음된 제3 풀리(8)를 구비한다.

또한 동력전달 장치는 풀리들(3, 5, 8)에 감긴 다중 골 또는 폴리 V 타입 벨트(13)를 구비한다.

도 2를 참조하면, 벨트(13)는 엘라스토머(elastomer) 물질로 된 본체(18), 본체(18)에 길이 방향으로 삽입되고 서로 평행하게 인접하는 복수 개의 저항성 실 모양 요소들(19), 및 서로 인접하고 평행한 복수 개의 V자 형 리브(rib)들(21)을 구비하며, V자형 리브들은 각각이 두 개의 인접한 리브들(21) 사이에 포함된 V 자형 골(22)들을 형성하기 위하여 본체 자체에 대하여 길이 방향으로 본체(18)로부터 일체로 연장한다.

본체(18) 및 연결부(20)는 용도에 맞는 어느 엘라스토머 물질으로도 만들어질 수 있다.

강화 요소들(19)은 나선형으로 감긴 단일 실 모양 저항성 요소의 코일들 또는 연속적인 코드(23)로, 공지된 방식으로, 구성된다.

코드(23)는 공지된 방식으로, 서로 꼬아진 복수 개의 얀들(24)에 의하여 만들어지며(도 4 참고), 얀들은 필라멘트들(25)로 이루어진다. 코드(23)의 축은 A로서 지시된다.

필라멘트들은 폴리아미드(polyamide), 바람직하게는 폴리아미드 6.6이다. 사용될 수 있는 물질의 예로서 ENKA?Nylon 140HRT라는 상호로 폴리아미드 하이 퍼포먼스 GmbH(Polyamide High Performance GmbH)(독일, 우페르탈)에 의해 유통되는 폴리아미드를 들 수 있다.

본 발명에 따르면, 코드(23)는 "이중 밸런스 연사(double balanced twisting)" 타입의 구성을 제공하며, 이는 두 개의 연사 단계에서의 꼬임들이, 완성 코드에서, 필라멘트들(25)이 실질적으로 일직선이고 서로 평행하며 코드의 축(A)에 대해 평행하도록, 계산된다. 특히, 본 발명에 따르면, 필라멘트들은 코드의 축(A)에 대해 3°보다 작은 각(β), 바람직하게는, 0°의 각을 이룬다.

이 결과를 얻는 방법(도 3 참고)은 제1 연사와 제2 연사를 가지는 구성을 사용하는 것으로서, 제1 연사에서는 얀들(24)의 제1 개수, 예를 들면 두 개의 얀들이, 예를 들면 S 방향으로, 서로 꼬여서 겹침 얀들(26)을 형성하며, 제2 연사에서는 얻어진 겹침 연사들(26)의 제2 개수, 예를 들면 세 개의 겹침 연사들이 반대 방향, 예를 들면 Z 방향, 으로 서로 꼬여서 코드(23)를 형성한다. 어느 경우에서도 단위 길이당 꼬임 개수는 연사에 의해서 얻어지는 나선들의 각도(α1, α2)가 두 경우에서 실질적으로 동일하고, 그러므로 필라멘트들(25)과 코드의 축(A) 사이에 형성된 각도(β)가 실질적으로 0°가 된다.

이 계산은, 근사법으로, 두 개의 연사 단계에서 "꼬임 배수(twist multiplier)" 파라미터를 일정하게 함으로써 수행된다.

여기서, N은 연사의 미터당 꼬임 개수이고, LD는 (제1 연사에서는) 겹침 얀의 선형 밀도 또는 카운트이거나 (제2 연사에서는) 데시텍스(g/10000m)로 표현되는 코드의 선형 밀도 또는 카운트이다.

특히, 특정 경우에서는 다음의 관계식이 적용되어야 한다.

즉,

여기서, N1은 (예를 들면 S방향으로의) 제1 연사의 미터당 꼬임 개수이고,

LDpy는 데시텍스로 표현되는 겹침 얀의 선형 밀도이고,

N2는 (예를 들면 Z방향으로의) 제2 연사의 미터당 꼬임 개수이고,

LDc는 데시텍스로 표현되는 코드의 선형 밀도이다.

940데시텍스의 상기한 타입의 얀을 사용하여, 위의 방정식은, 예를 들면 940 2×3 S300 Z175 구성을 가진 코드(Z 방향으로 미터당 175회 꼬인 세 개의 겹침 얀들로 되어 있고, 각 겹침 얀은 S 방향으로 미터당 300회 꼬인 두 개의 얀들로 되어 있음)에 의해 근사적으로 계산해 보면, 다음과 같은 결과를 얻는다.

TM1 = 4.3, TM2 = 4.4, α1 = 24.5°, α2 = 24.7°, β = 0.2˚

실험예

상기한 타입의 코드를 가진 벨트(이하에서는 "벨트 A"라고 지시됨)는 탄성 계수와 사용 중의 장력 감소를 비교하고 검토하기 위하여, 다른 타입의 코드를 사용하는 것을 제외하고는 다른 모든 조건은 동일한 벨트군으로 비교 실험을 수행하였다.

벨트 A, B, C의 코드들의 구성의 특징은 다음과 같다.

A: 940 2×3 S300 Z175 (본 발명에 따른 실험예)

B: 940 2×3 S150 Z125 (대조예)

C: 940 2×3 S250 Z200 (대조예)

벨트 A, B, C는 다음과 같은 공통적인 특징들을 가진다.

얀: ENKA?Nylon 140HRT, 선형 밀도 940데시텍스

공칭 길이(nominal length): 140N/리브(=벨트의 리브들의 개수)에서의 Ln = 1000mm

예 A, B, C에서의 벨트의 코드들의 특징이 아래의 표 1에 정리되어 있다.

각 타입의 코드에 대하여, 꼬임 개수에 관한 제조 공차가 7%(충분히 그리고 미리 주의깊게 고려한 값임)라는 것을 고려하여, 각도(β) 값들은 꼬임 개수의 공칭 값들(A1, B1, C1 열의 값들)에 대해서 뿐만 아니라, N1과 N2에 대한 반대 방향으로의 이러한 최대 편차 값들에 대해서도 계산되었다. 이것은 공차의 가장 바람직하지 않은 조합들에 대해서도 고려하기 위함이다. 특히, A2, B2, C2열에는 제1 연사들의 꼬임 개수가 공차 범위에서 상한에 있을 경우와 제2 연사들의 꼬임 개수가 공차 범위에서 하한에 있을 경우의 데이터들이 나열되어 있다. 그리고 A3, B3, C3에는 제1 연사들의 꼬임 개수가 공차 범위에서 하한에 있을 경우와 제2 연사들의 꼬임 개수가 공차 범위에서 상한에 있을 경우의 데이터들이 나열되어 있다.

표 1

살펴보는 바와 같이, A 벨트 타입의 코드들은 꼬임 개수의 ±7% 의 공차범위내의 꼬임 개수값들에 대해 절대값으로 3.3° 이하의 β 각을 가진다. 반면, B와 C의 대조예들은 절대값으로 더 큰 β각을 가지며, 이것은 제조 공차 때문에 심지어 가능한 변화가 일어나게 한다.

두 개의 고정된 폴리 V 풀리들을 장착한 엔진동력계(dynanometer)를 사용하여 벨트들의 계수가 계산되었다. 조립 동안의 벨트의 탄성 동작을 시뮬레이션하는 것을 목적으로 했던 테스트가 다음의 단계들에 따라 수행되었다.

가) 벨트를 풀리들에 위치시키는 단계,

나) 1050mm인 길이(Le)에 대응하는 값(T1)까지 벨트 장력을 점진적으로 증가시키는 단계,(1050mm는 1000mm인 공칭 설치 길이(Ln)보다 약 5% 큰 값으로서, 조립 중에 필요한 길이를 증가시킴으로써 리브의 꼭대기가 풀리들의 측면 플랜지들을 넘 어서 끼워지기 위해 조립 중에 필요한 벨트의 길이 방향 신장을 시뮬레이션한다.)

다) 벨트 장력을 공칭 길이인 1000mm에 대응하는 값(T2)으로 낮추는 단계;

라) 다음 공식을 이용하여 계수(M)를 계산하는 단계;

장력 감소는 도 5에 개략적으로 도시된 테스트 장비(30)로 측정된다. 이 테스트 장비는 구동 풀리(31)와 서로 평행한 축들(a, b)을 가지는 피동 풀리(32)를 필수적으로 구비한다. 풀리의 중심들 사이의 거리는 벨트들의 프로젝트 데이터를 가지고 테스트 설치 장력과 동일한 장력값인 120N/리브의 이론적인 정지 장력을 얻도록 미리 정해졌다. 확실히, 풀리의 중심들 사이의 거리를 동일하게 한 상태로, 조립 후의 각 벨트의 실제 장력은 제조 공차로 인해 공칭 값과 달랐다.

각 벨트는 다음 순서와 같은 단계들로 수행되었다.

가) 풀리들에 벨트를 끼우는 단계,

나) 초기 장력(Ti)을 측정하는 단계,

다) 회전 속도는 3000rpm, 토크는 3.2Nm/리브, 지속시간은 24시간인 조건하에서 테스트를 시작하는 단계,

라) 테스트 종료시의 장력(Tf)을 측정하는 단계,

마) 감소율(TD=(Ti-Tf)/Ti)을 계산하는 단계.

각 벨트 A, B, C,에 대해서, 계수들의 평균값과 장력 감소의 평균값들이 아래의 표와 같이 계산되었다.

표 2

벨트 타입	계수(N/리브·mm)	장력 감소율
A	8.5	29.2%
B	10.1	30.2%
C	7.8	39.8%

상기 표를 살펴보면, 본 발명에 따른 밸런스 구성을 가진 코드(벨트 A)를 사용하는 것이 비밸런스 구성을 가진 종래 타입의 코드의 벨트 B에 대하여 사용 중에 장력의 감소를 실질적으로 변하지 않도록 유지함과 동시에 다른 모든 조건들을 동일하게 하면서도 벨트의 계수들을 상당히 감소시킬 수 있음을 명확하게 알 수 있다.

벨트 C에 관한 대조예는 길이당 꼬임 개수를 증가시키는 것이 실질적으로 계수를 감소시키지만 그에 못지 않게 바람직하지 않은 상당한 장력 감소를 초래할 수 있다는 것을 보여준다.

마지막으로, 특허청구범위를 벗어나지 않고도 본 발명에 따라 실시된 벨트에 변형과 수정이 가해질 수 있음은 물론이다. 특히, 다른 폴리아미드가 사용될 수도 있는 코드 얀의 물질은 예를 들면 폴리아미드 4.6과 같은 물질로 변형될 수 있다.

뿐만 아니라, 밸런스 구성을 가지는 한, 코드의 구성, 예를 들면 1×3 타입의 코드 또는 3×3 타입의 코드가 사용될 수 있으며(도 4 참고), 1×3 타입의 코드는 제1 연사에 의해 만들어진 단일 얀이 제2 연사에 의해 함께 교대로 꼬아진 세 개의 겹침 얀들로 이루어진다. 이 경우에도, 상기한"꼬임 배수"파라미터를 일정하게 유지한 채로, 제1 연사 및 제2 연사가 수행되어야 한다. 인장 탄성 계수를 9N/리브·mm 이하로 하고, 24시간 사용 후 장력 감소를 30% 이하로 테스트함으로써, 탄성 인장 계수와 장력 감소가 측정되는 될 수 있다.

본 발명은 자동차 분야를 포함하여 전동 벨트를 사용하는 모든 산업 분야에 이용될 수 있다.

Claims (11)

1. 내연기관(2)의 부속품(7, 10)들을 구동하는 폴리 V 벨트로서,

   엘라스토머(elastomer) 물질 본체(18);

   상기 본체에 길이 방향으로 매립되며, 나선형으로 감긴 코드(23)에 의해 정의되는 복수의 저항성 실 모양 인서트들(19); 및

   상기 본체(19)에 일체로 연결되며, 서로 인접한 복수의 V자형 리브들(21)을 구비하고 V자형 골들(22)이 교대로 형성된 연결부(20);를 포함하며,

   각각이 적어도 하나의 얀(24)으로 이루어진 적어도 두개의 겹침 얀(26)이 형성되는 제1 연사(twisting)와 상기 겹침 얀(26)들이 상기 코드(23)를 형성하기 위해 서로 꼬아진 제2 연사에 의하여, 상기 코드(23)는 복수의 필라멘트들(25)을 구비하는 얀(24)으로부터 제조되며,

   상기 제1 연사와 상기 제2 연사는 반대 방향으로 꼬아지며, 완성된 상기 코드(23)에서 상기 필라멘트들(25)이 코드의 축(A)과 이루는 각이 3.3도 보다 작은 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 필라멘트들(25)이 코드의 축(A)을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,

   상기 제1 연사와 상기 제2 연사는 실질적으로 동일한 나선의 각들(α1, α2)로 되는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,

   상기 제1 연사의 미터당 꼬임 개수(N1)와 상기 제2 연사의 단위 길이의 미터당 꼬임 개수(N2)는 다음과 같은 식에 의하여 서로 연관되는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.

   

   여기서, LDpy는 데시텍스(dTex)로 표현된 상기 겹침 얀(26)들의 개수이고,

   LDc는 데시텍스로 표현된 상기 코드(23)의 개수이다.
5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,

   상기 얀(24)을 구성하는 물질은 폴리아미드(polyamide)인 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 얀(24)을 구성하는 물질은 폴리아미드 6.6인 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 얀(24)을 구성하는 물질은 폴리아미드 4.6인 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
8. 제1 항에 있어서,

   인장 탄성 계수를 9N/리브·mm 이하로 하고, 24시간 사용 후 장력 감소를 30% 이하로 테스트함으로써, 탄성 인장 계수와 장력 감소가 측정되는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 코드(23)는 두 개의 제1 연사와 세 개의 제2 연사로 이루어진 구성(2×3 구성)을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
10. 제1 항에 있어서,

    상기 코드(23)는 한 개의 제1 연사와 세 개의 제2 연사로 이루어진 구성(1×3 구성)을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.
11. 제1 항에 있어서,

    상기 코드(23)는 세 개의 제1 연사와 세 개의 제2 연사로 이루어진 구성(3×3 구성)을 가지는 것을 특징으로 하는 폴리 V 벨트.

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