KR20030069998A - 액세서리 및 모터/발전기를 포함하는 벨트 구동 시스템용텐셔너 - Google Patents

액세서리 및 모터/발전기를 포함하는 벨트 구동 시스템용텐셔너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벨트 텐셔너와, 크랭크축 풀리와, 액세서리 풀리와, 모터/발전기 풀리를 포함하는 벨트 구동 시스템을 위한 개선된 벨트 텐셔너에 관한 것이다. 상기 벨트 구동 시스템은 상기 크랭크축 풀리와 액세서리 풀리 및 모터/발전기 풀리 둘레로 주행하는 전동 벨트를 더 포함한다. 본 발명의 벨트 텐셔너는 엔진의 실린더 블록에 대해 움직이지 않는 지점에 고정되는 부착점과, 제1 벨트 텐셔너 풀리와, 편향 부재와, 이 편향 부재로부터의 힘을 상기 제1 텐셔너 벨트 풀리를 통해 상기 전동 벨트로 전달하는 연결부를 포함하는 형태이다. 본 발명의 개선점은 벨트 텐셔너가 제2 텐셔너 풀리를 포함하고, 상기 연결부는 상기 편향 부재로부터의 힘을 상기 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리로 전달하여, 상기 전동 벨트에 걸리는 인장력이 증가하는 방향으로 이동하도록 상기 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리를 함께 비대칭적으로 편향시키도록 구성되었다는 점이다.

Description

액세서리 및 모터/발전기를 포함하는 벨트 구동 시스템용 텐셔너 {ACCESSORY AND MOTOR/GENERATOR BELT DRIVE TENSIONER}
흔히, 내연 기관에서는 엔진의 크랭크축으로부터 동력을 인출하여 하나 이상의 다양한 엔진 보조 장치, 즉 액세서리로 공급하기 위해 전동 벨트 구동 시스템을 사용한다. 자동차에 적용되는 경우, 그러한 액세서리들에는 동력 조향 펌프, 물 펌프, 공조용 압축기, 연료 펌프, 그리고 올터네이터(alternator)가 포함된다. 역사적으로, 그러한 엔진에는 주 동력 전도점이 엔진 뒤쪽으로부터 돌출하는 크랭크축에 위치하며, 그 전도점에는 자동차를 움직이는 휠을 구동시키는 구동 트레인이 부착되어 있다. 액세서리들은 크랭크축 앞쪽에 부착된 풀리로부터 구동된다. 각 액세서리에는 풀리가 마련되어 있다. 모든 풀리들은 그들 둘레에 감겨 있는 하나이상의 전동 벨트를 통해 기계적으로 연결되어 있다. 각 전동 벨트를 인장시키기 위한 방법이 몇 가지 제공된다. 전동 벨트와, 풀리와, 벨트를 인장시키는 장치가 액세서리 벨트 구동 시스템을 형성한다.
종전의 시스템들은 다중 V 벨트를 포함하였다. 보통, 각 벨트마다 액세서리 또는 아이들러 하나씩의 위치를 수동으로 조정하고 고정하여 각 벨트가 인장되게 하였다. 이를 잠금식 중심 벨트 구동 장치라고 부르는데, 왜냐하면 전체적으로 벨트나 구동 장치의 변하는 상태에 맞게 풀리 중 어느 것도 자동으로 움직이지 않기 때문이다. 만약 벨트가 신장되거나 기타 방식으로 길어지면 벨트에 걸리는 인장력이 감소된다. 더구나, 벨트 구동 시스템이 적절하게 작동하기 위해서는 최악의 상태에 대처할 수 있도록 벨트의 인장력을 크게 설정해야 한다. 그러한 최악의 상태는 온도나 엔진 작동 또는 액세서리 작동이 과도해지면 생길 수 있다.
자동차 엔진실의 체적을 더 작게 만들기 위한 관심이 있어 왔다. 엔진실을 더 작게 하기 위해서는, 액세서리 벨트 구동 시스템을 비롯하여 엔진의 여러 부분들을 더 작게 만들어야 한다. 이는 벨트의 사용 개수를 줄임으로써 적어도 부분적으로는 달성되었다. 각 벨트가 제거되고 엔진 앞쪽으로부터 연장되는 층들이 제거됨에 따라, 엔진 앞쪽으로부터 연장되는 벨트 구동 시스템의 전체 거리가 감소하였다. 때문에, 결국에는 많은 용례에서 단일의 서펜틴(serpentine) 벨트를 사용하게 되었다. 서펜틴 벨트라는 이름은 여러 풀리 둘레를 계속해서 전후 방향으로 휘어지면서 뱀 모양으로 진행하는 방식 때문에 붙여졌다. V 리브형 벨트 또는 Micro-V 벨트(The Gates Rubber Company의 등록 상표)가 서펜틴 벨트용으로는 가장 적합하다.
벨트를 인장시키기 위한 잠금식 중심 벨트 구동 장치는 서펜틴 벨트에 적용될 때 그 한계가 더욱 뚜렷해진다. 따라서, 오늘날 대부분의 서펜틴 벨트 구동 장치에는 벨트 구동 시스템의 변하는 상태에 더 잘 적응하도록 자동 텐셔너가 포함되어 있다. 기본 형태에 있어서, 자동 텐셔너는 엔진의 실린더 블록에 직접 부착되거나 차량 엔진에 대해 움직이지 않는 차량의 소정 지점에 간접적으로 부착되는 골격 또는 부착점과, 벨트 구동 시스템의 회전면에서 벨트를 압박하는 풀리를 구비하고 있다. 골격과 풀리 사이에는 가동 부재 또는 연결부가 연장되어, 풀리를 통해 벨트에 압력을 가한다. 이 압력은 벨트가 감겨지는 거리를 증가시켜 벨트를 인장시키는 역할을 한다. 이 편향력을 제공하기 위해 다양한 기법과 기하학적 형상을 사용하였다. 보통, 강 스프링과 같은 탄성 부재가 가동 부재를 회전시키는 역할을 하며, 그에 따라 풀리는 벨트 표면 쪽으로 이동하려고 하고, 그 결과 벨트에 걸리는 인장력이 증가한다.
이러한 구성 요소들만 갖춘 텐셔너는 시스템이 정지 상태에 있을 때(즉, 풀리가 회전하지 않을 때) 벨트 표면에 어느 정도 일정한 힘을 가한다. 시간이나 온도 또는 제조 공차로 인해 구동 시스템의 치수가 불안정해지는 것은 텐셔너의 형상을 통해, 그리고 탄성 부재의 작용으로 적어도 탄성 부재의 한계까지는 훌륭하게 대처할 수 있다. 따라서, 시스템이 정지해 있을 때에는, 벨트가 신장되었거나 엔진이 고온 또는 저온이라도 벨트에 걸리는 인장력은 비교적 일정하게 유지된다. 그러나, 전술한 구성 요소만을 갖춘 텐셔너는 시스템의 모든 작동 상태에 대해서벨트에 적절한 인장력이 걸리도록 유지할 수는 없다.
작동 중인 전동 벨트 구동 시스템은 크랭크축 또는 액세서리의 비틀림 진동 또는 기타 각가속도의 영향과, 균형 잡히지 않은 상태의 영향 또는 기타 영향으로 인하여 요동하는 것이 보통이다. 크랭크축의 비틀림 진동은, 부분적으로는 각 실린더와 피스톤 조합의 연소 사이클을 통해 크랭크축에 가해진 별도의 충격의 결과로서 일어난다. 그러한 요동은 벨트의 진동을 초래한다. 그러면, 텐셔너의 가동부가 진동하게 된다. 그렇게 되면, 가동부의 운동량이 증가해서 풀리가 벨트 표면에 가하는 힘과 벨트에 걸리는 인장력이 변하게 된다. 벨트에 걸리는 인장력이 변하면 벨트 구동 시스템의 성능이 허용 불가능한 정도로 될 수 있다. 한 가지 예를 들면, 벨트 구동 시스템의 벨트가 과도하게 미끄러져 시스템의 효율 또는 전동 능력이 제한되거나, 미끄럼 또는 기타 원인으로 과도한 소음이 발생하는 단기 성능 문제가 일어날 수 있다. 또 다른 예로서, 단기 성능이 허용 가능한 수준이 되기 위해서 벨트에 걸려야 하는 인장력의 크기가, 벨트를 비롯한 시스템의 하나 이상의 구성품이나 하나 이상의 액세서리가 조기 파손되는 것과 같은 장기 문제를 일으킬 수 있다.
이러한 문제들을 해결하여 텐셔너의 성능을 개선하기 위해 텐셔너에 감쇠 기구를 도입하였다. 초기의 감쇠식 텐셔너는 대칭식 감쇠를 채택하여, 텐셔너의 가동부의 순간적인 움직임이 벨트에 걸리는 인장력을 증가시키는 방향이거나 감소시키는 방향이거나에 상관 없이 텐셔너 가동부의 이동이 대략 동일하게 감쇠되었다. 탄성 부재가 가하는 힘과 감쇠 작용이 조합되어 풀리/벨트 계면에서의 편향이 조정된다.
다른 텐셔너에서는 비대칭식 감쇠를 채택하였다. 보통, 그러한 텐셔너의 감쇠 작용은, 벨트가 인장되는 방향으로 텐셔너가 이동할 때 가동부에 대한 감쇠가 최소가 되고, 벨트가 이완되는 방향으로 이동할 때에는 최대가 되는 방식으로 이루어진다. 한 가지 접근 방식에서는, 슈(shoe)가 레이스(race)의 표면에 수직인 각도 이외의 각도로 레이스에 대해 편향된다. 그 결과, 슈와 레이스가 한쪽 방향으로 상대 이동하면 슈가 레이스로부터 들리게 된다. 그러면 이들의 계면에서 압력이 감소하여, 감쇠를 일으키는 마찰이 줄어들게 되어 감쇠 작용이 저하된다. 나머지 방향의 경우에는 슈가 레이스에 고정되려고 하므로 감쇠 작용이 향상된다. 한 가지 예가 서크 등에게 허여된 미국 특허 제5,964,674호에 개시되어 있다. 이 특허에서는 단일 풀리가 벨트 표면에 대해 편향되어 인장력을 발생시키는 텐셔너가 사용된다. 또한, 그러한 벨트에 대한 편향은 엔진 블록에 대해서만 이루어진다.
화이트 주니어의 미국 특허 제4,416,647호에서는 전동 벨트를 압박하는 풀리를 2개 구비한 텐셔너를 사용하고 있다. 이 특허는, 그러한 접근 방식이 공조용 압축기와 같은 주기적인 부하물을 갖는 시스템을 인장시키는 데에 유용하다고 말한다. 풀리 중 하나는 주기적인 부하물의 바로 상류에 있는 전동 벨트의 일정 구간에 압력을 가한다. 나머지 풀리는 주기적인 부하물의 바로 하류에서 전동 벨트에 압력을 가한다. 한 가지 실시 형태에서, 이들 2개의 풀리는 정점 주위로 선회할 수 있는 경사 부재 상에서 서로에 대해 고정되어 있다. 이 조립체는 전동 벨트를 향해 압박되어 잠금 중심 방식으로 정적 인장 상태를 발생시킨다. 전술한 선회가동적 인장 상태를 가능하게 한다고 할 수 있다. 정적 인장 상태는 벨트가 인장되는 방향으로 텐셔너가 전동 벨트에 힘을 인가한 결과 생기며, 시스템의 풀리들 주위로 전동 벨트가 이동해야 하는 거리가 증가하는 효과를 가져온다. 시스템의 각 풀리가 자유롭게 회전할 수 있다고 가정하면, 각 구간마다 동일한 정적 인장 상태에 있게 될 것이다. 동적 인장 상태는, 각 풀리에 가해지는 토크와 시스템의 여러 불균형 상태의 영향으로 정적 인장 상태가 변한 결과, 전동 벨트의 길이에 생기는 인장 상태이다. 또한, 각 구간에 상이한 인장 상태가 생기는 결과가 된다.
또 다른 실시 형태에서는, 피봇을 중심으로 이동할 수 있는 분리된 암에 2개의 풀리가 각각 부착된다. 이들 2개의 암은 스프링에 의해 서로를 향해 편향된다. 전술한 화이트 주니어의 미국 특허 제4,416,647호에 따르면, 전술한 두 실시 형태는 전동 벨트 구간이 각각인 풀리의 상호 작용에 의해 감쇠가 일어난다. 풀리가 엔진에 대해 이동하거나 서로에 대해 이동함에 있어, 피봇에 마찰이나 기타 감쇠가 도입된다는 언급이 없다.
전통적으로, 연소가 개시되어 엔진이 작동하도록 엔진의 크랭크축을 돌리기 위해서는 전기 시동 모터를 사용하였다. 시동 모터는 엔진 뒤쪽 부근에 위치하며, 기어 트레인을 통해 크랭크축의 뒤쪽 부분과 간헐적으로 맞물리도록 구성되어 있다.
현재, 자동차의 중량을 줄이고 후드 아래 구성품의 수를 감소시킴으로써 배출물을 줄이고 연비를 향상시켜야 한다는 압력이 증가 중에 있다. 이를 위한 한 가지 접근 방식으로, 시동 모터의 기능과 올터네이터의 기능을 단일 장치로 조합한모터/발전기, 즉 발전 시동 겸용 장치(Gen-Star)가 있다. 또한, 연비 향상을 목적으로, 발전 시동 겸용 장치는 소위 "스탑-인-아이들(stop-in-idle)" 구성의 사용을 촉진한다. 이 구성은 엔진이 보통 아이들 상태일 때 엔진이 정지하게 한 후, 엔진이 다시 움직일 것으로 예측되면 재시동한다. 이 구성에서는 액세서리 벨트 구동 장치에 대한 수요가 크게 증가한다. 적용시, 모터/발전기는 액세서리 벨트 구동 장치를 통해 크랭크축과 기계적으로 연결하도록 배치된다. 모터/발전기 및 관련 액세서리 벨트 구동 시스템은 엔진 앞쪽에 위치하게 된다. 그러나, 이들 시스템을 엔진 뒤쪽을 비롯한 다른 위치에 배치하는 것도 생각할 수도 있다.
발전 시동 겸용 시스템의 출현으로, 전동 벨트 시스템의 설계자는 단순한 요동 부하를 넘어서는 큰 새로운 도전에 직면하게 되었다. 그 중 큰 도전의 하나는, 이 새로운 장치를 포함하는 액세서리 벨트 구동 장치에 의해 성능이 허용할 수 있는 수준으로 되며, 상당한 부하 및 회전 관성을 제공할 뿐만 아니라 큰 구동 토크를 액세서리 벨트 구동 장치에 추가하는 텐셔닝 시스템을 개발하는 것이다. 또한, 상기 큰 구동 토크는 간헐적으로 제공된다.
모터/발전기를 포함하는 액세서리 벨트 구동 시스템을 인장시키기 위한 한 가지 접근이라고 할 수 있는 텐셔닝 시스템이 일본 특허 공보 제1997-359071호에 개시되어 있다. 이 공보에는, 텐셔너가 없다고 가정할 때, 모터/발전기가 시동 모드에 있을 때 가장 이완되는 벨트 구간과 마주하는 위치에 통상적인 단일 암 자동 텐셔너를 배치하는 것에 대해 설명되어 있다. 이 구간은, 벨트가 정상 작동 방향으로 이동할 때 벨트가 모터/발전기를 지나간 직후에 벨트를 받아들이는 구간에 해당한다.
상기 일본 특허 공보에 개시되어 있는 텐셔닝 시스템은 덜 최적화되어 있는 것으로 밝혀졌다. 허용 가능한 수준의 단기 성능을 얻기 위해서는, 장기 성능을 희생해야 할 뿐만 아니라, 적절한 단기 성능을 얻기 위해 채택해야 하는 벨트 폭도 최적의 값이 아니다.
바토스 등에게 허여된 미국 특허 제4,758,208호에서는 풀리가 각각 지지되어 있는 암을 2개 사용한다. 이들 암에는 발전 시동 겸용 장치의 축과 대응하는 피봇점이 장착되어 있다. 이들 암은 스프링에 의해 서로를 향해 편향된다. 또한, 텐셔너에는 발전 시동 겸용 장치가 제한적으로 회전하도록 장착되어, 발전 시동 겸용 장치가 시동 모터 모드 또는 올터네이터 모드로 작동하느냐에 응답하여 하우징이 몇 도 회전할 수 있게 되어 있다. 이러한 응답성 이동은 한 쌍의 래치를 작동시키며, 이들 래치는 모드에 따라서 2개의 암 중 하나 또는 나머지를 움직이지 않게 교대로 잠근다. 이러한 방식으로, 발전 시동 겸용 장치의 모드에 따라, 최고 인장 상태로 발전 시동 겸용 장치 풀리에서 종결되는 전동 벨트 구간과 연관되어 있는 암이 제자리에 잠기게 된다. 그 후, 자유 상태에 있는 암이 전동 벨트 시스템을 인장시킨다. 이 텐셔너는 명백히 복잡하고, 마모될 수 있는 가동부를 갖는 발전 시동 겸용 장치를 특수하게 장착해야 하며, 적용상의 융통성이 없다. 또한, 상기 미국 특허 제4,758,208호에서는 시스템 성능 향상을 위해 추가적으로 풀리 중 하나의 이동을 감쇠시키는 것을 고려하고 있지 않다.
따라서, 발전 시동 겸용 장치와 관련하여 사용하기 위한 텐셔너 및 시스템으로서, 적절한 단기 성능과 적절한 장기 성능을 동시에 제공하고, 임의의 주어진 용도에 사용할 수 있도록 벨트의 폭을 최적화하며, 비용과 복잡성이 한정되어 있고, 적용 대상이 될 수 있는 발전 시동 겸용 장치에 따른 융통성이 있는 텐셔너 및 시스템에 대한 요구가 남아 있다.
본 발명은 일반적으로 발전 시동 겸용 장치(Gen-Star)라고도 종종 부르는 모터/발전기와 같은 일체형 장치가 엔진 시동 기능과 발전 기능을 모두 행하는 내연 기관 액세서리 벨트 구동 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 자동차 용도로 사용되는 그러한 벨트 구동 시스템에 관한 것이다. 상세하게 말하면, 본 발명은 모터/발전기와 텐셔너를 각각 구비한 벨트 구동 시스템을 위한 텐셔너 및 구성에 관한 것이다.
명세서에 포함되어 일부를 이루는 첨부 도면에서 동일한 부분에는 동일한 도면 부호를 사용하였다. 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 예시하며, 명세서와 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 모터/발전기를 포함하는 구성의 액세서리 벨트 구동 시스템의 한 가지 바람직한 실시 형태의 개략도로, 시스템은 발전 모드에 있다.
도 2는 모터/발전기를 포함하는 구성의 액세서리 벨트 구동 시스템의 한 가지 바람직한 실시 형태의 개략도로, 시스템은 시동 모드에 있다.
도 3은 모터/발전기를 포함하는 한 가지 바람직한 액세서리 벨트 구동 시스템의 일부를 형성하는 텐셔너의 사시도이다.
도 4는 모터/발전기를 포함하는 한 가지 바람직한 액세서리 벨트 구동 시스템의 일부를 형성하는 텐셔너의 부분 파단 사시도이다.
도 5는 도 3에서 5-5선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 모터/발전기를 포함하는 한 가지 바람직한 액세서리 벨트 구동 시스템의 일부를 형성하는 텐셔너의 평면도이다.
도 7은 도 4에서 7-7선을 따라 취한 단면도이다.
본 발명의 목적은 단기 성능과 장기 성능의 조합을 개선하고 벨트 선택을 최적화하도록 구성된 액세서리 벨트 구동 텐셔너 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은 비용과 복잡성이 한정되고 적용 대상이 될 수 있는 발전 시동 겸용 시스템에 따른 융통성이 있도록 구성된 액세서리 벨트 구동 텐셔너 및 시스템을 제공하는 것이다.
전술한 목적과 기타 목적들을 본 발명의 의도에 따라 달성하기 위해, 본 명세서에서 구체화하고 폭넓게 개시하는 바와 같이, 모터/발전기를 포함하는 텐셔너 및 액세서리 구동 시스템이 제공된다. 본 발명은 벨트 텐셔너와, 크랭크축 풀리와, 액세서리 풀리와, 모터/발전기 풀리를 구비한 벨트 구동 시스템용 개선된 벨트 텐셔너를 제공한다. 상기 벨트 구동 시스템은 크랭크축 풀리와 액세서리 풀리 및 모터/발전기 풀리 둘레로 주행하는 전동 벨트를 더 포함한다. 상기 벨트 텐셔너는 엔진의 실린더 블록에 대해 움직이지 않는 지점에 고정되는 부착점과, 제1 벨트 텐셔너 풀리와, 편향 부재와, 이 편향 부재로부터의 힘을 제1 벨트 텐셔너 풀리를 통해 전동 벨트로 전달하도록 구성된 연결부를 포함하는 형태이다. 본 발명에서 개선된 점은, 벨트 텐셔너가 제2 텐셔너 풀리를 포함하고, 상기 연결부가 편향 부재로부터의 힘을 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리로 전달하도록 구성되어, 전동 벨트에 걸리는 인장력이 증가하는 방향으로 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리를 함께 비대칭적으로 편향시킨다는 점이다.
액세서리 벨트 구동 시스템(10)의 한 가지 바람직한 실시 형태가 도 1과 도 2에 도시되어 있다. 이 액세서리 벨트 구동 시스템(10)은 모터/발전기(12)와, 모터/발전기 풀리(14)와, 동력 조향 펌프 풀리(18)와, 공조용 압축기 풀리(20)와, 물 펌프 풀리(22)와, 크랭크축 풀리(24)와, 이중 텐셔너(28)와, 제1 텐셔너 풀리(16)와, 제2 텐셔너 풀리(26)와, 전동 벨트(30)를 포함한다.
비록 특정 형상으로 구성된 특정한 액세서리 풀리들을 도시하였지만, 본 발명은 용도에 따라서 서펜틴 구성 및 비서펜틴 구성을 비롯한 다양한 부품수로 조합된 액세서리들과 형상으로 이루어진 구성에 적용할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도시된 구성은 서펜틴 구성이다. 따라서, 전동 벨트(30)는 보통 V 리브형이다. 그러나, 본 발명은 모든 형태의 벨트에 대해 실시할 수 있다. 또한, 도시된 사항은 벨트가 다수인 액세서리 밸트 구동 시스템에서 벨트/풀리의 한 국면으로 볼 수도 있다.
"벨트 이동 방향"이라고 표시된 화살표는 발전 모드와 시동 모드에서의 정상 작동 중에 벨트가 이동하는 방향을 의미한다. 전동 벨트(30)가 주행하는 경로를 따라 하류로 이동하면 벨트 이동 방향과 동일한 방향으로 이동하는 것이 된다. 상류로 이동하는 것은 벨트 이동 방향과 반대 방향으로 이동하는 것이다.
크랭크축 폴리(24)에서 하류로 이동할 때, 크랭크축에서 모터/발전기까지의 구간(32)은, 크랭크축 풀리(24)와 전동 벨트(30) 사이의 최종 접촉점의 종단에서 시작하여 모터/발전기 풀리(14)와 전동 벨트(30) 사이의 최초 접촉점의 종단에서 종결되는 거리에 해당한다. 제1의 모터/발전기∼크랭크축간 구간(34)은, 모터/발전기 풀리(14)와 전동 벨트(30) 사이의 최종 접촉점에서 시작하여 동력 조향 펌프 풀리(18)와 전동 벨트(30) 사이의 최초 접촉점에서 종결되는 거리에 해당한다. 도 1과 도 2에는, 모터/발전기∼크랭크축간 구간(34', 34", 34'")이 셋 더 도시되어 있다. 크랭크축∼모터/발전기간 구간(32)과 모터/발전기∼크랭크축간 구간(34)의 개수와 배치는 특정 용도에 따른 액세서리 풀리의 개수 및 배치에 좌우된다.
모터/발전기 풀리(14)와 크랭크축 출리(24)에서의 토크의 방향은 액세서리 벨트 구동 시스템(10)의 작동 모드에 따라 역전되며, 이 토크 방향은 도 1과 도 2에서 모터/발전기 풀리(14)와 크랭크축 출리(24)에 각각 "토크"라고 표시된 화살표로 나타내었다. 발전 모드에서는 크랭크축 풀리(24)가 모든 구동 토크를 공급한다. 물 펌프 풀리(22)와, 공조용 압축기 풀리(20), 동력 조향 펌프 풀리(18) 및 모터/발전기 풀리(14)가 구동 토크를 소비하며, 그 중 일부는 제1 텐셔너 풀리(16)와 제2 텐셔너 풀리(26)가 소비한다. 시동 모드에서는 모터/발전기 풀리(14)가 모든 구동 토크를 공급한다. 크랭크축 풀리(24)와 물 펌프 풀리(22), 공조용 압축기 풀리(20) 및 동력 조향 펌프 풀리(18)가 구동 토크를 소비하며, 그 중 일부는 제1 텐셔너 풀리(16)와 제2 텐셔너 풀리(26)가 소비한다.
일반적으로, 작동 모드와는 상관 없이, 각 풀리가 자유롭게 회전할 수 있다고 가정하면, 각 구간마다 동일한 정적 인장 상태에 있을 것이다. 도 1 내지 도 6을 참조하면, 이 바람직한 실시 형태에서의 정적 인장 상태는, 텐셔너(28)가 탄성 부재(38)를 통해 전동 벨트(30)에 힘을 인가하여, 그 힘이 제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44)의 조합에 작용함으로써 제1 텐셔너 풀리(16)와 제2 텐셔너 풀리(26)가서로를 향해 편향되거나 함께 편향되고, 또한 그 힘이 크랭크축∼모터/발전기간 구간(32)과 모터/발전기∼크랭크축간 구간(34)의 조합에 작용해서 전동 벨트(30)가 모든 풀리 둘레를 주행해야 하는 거리가 길어지게 되는 결과로서 생긴다.
도 1에 도시된 통상적인 모드, 즉 발전 모드에서는 크랭크축 풀리(24)가 구동 토크를 공급한다. 최종의 모터/발전기∼크랭크축간 구간(34"')이 최고 인장 상태에 있다. 크랭크축 풀리(24)의 상류에 있는 각 풀리는 구동 토크의 일부를 흡수하여, 텐셔너의 영향을 무시하면, 바로 상류에 있는 구간에서의 인장력을 감소시킨다. 모터/발전기 풀리(14)가 최대 부하를 제공한다. 마지막으로, 크랭크축∼모터/발전기간 구간(32)이 최소 인장 상태에 있다.
도 2에 도시된 시동 모드에서는 모터/발전기(12)가 구동 토크를 공급한다. 크랭크축∼모터/발전기간 구간(32)이 최고 인장 상태에 있다. 모터/발전기∼크랭크축간 구간(34)이 최소 인장 상태에 있다. 발전 모드와는 달리 크랭크축 풀리(24)가 최대 부하를 제공한다. 전통적으로, 최적화는 구동 설계에 있어서의 다양한 부하의 배열과 텐셔너 배치의 함수로 간주되었다. 발전 모드에서의 최적화 설계는 시동 모드에서의 최적화 설계와 크게 다르다는 것을 알 수 있을 것이다.
통상적인 액세서리 V 리브형 벨트 구동 시스템에서의 근본적인 설계 고려 사항으로서, 1) 예상되는 토크의 공급 및 소비와 관련된 벨트의 폭(보통 리브의 개수로 나타냄) 및 형태의 선정과, 2) 정적 인장 상태를 선정함에 있어, 벨트나 시스템 구성품에 가해지는 응력의 크기가 사용 수명이 허용 가능한 기간에 못미치게 단축되는 정도까지, 그리고 허용할 수 없는 정도로 미끄럼이 생기는 정도를 초과하여커지지 않도록 해야 한다. 또한, 벨트의 형태와 폭 선정은 벨트의 사용 수명에도 영향을 준다. 더구나, 이들 두 근본적인 설계 고려 사항은 서로 영향을 미친다.
액세서리 벨트 구동 시스템을 설계함에 있어서 항상 목표로 삼는 것은 비용과 복잡성을 고려하여 전술한 두 고려 사항을 최적화하는 것이다. 그러한 최적화는 당업자에게 알려져 있는 많은 기하학적 형상과 재료 파라미터를 조작함으로써 달성한다. 그러한 파라미터에는 구동 풀리와 피동 풀리가 각각 제공하는 관성 또는 기타 토크에 기초하여 이들 풀리를 배치하는 것이 포함된다.
모터/발전기를 포함하는 구동 시스템은 이 특정 최적화를 허용하지 않으며, 새롭고 어려운 제약을 부과하고, 지금까지 실제적인 최적화를 암시하였다. 문제들의 뿌리는, 구동 토크를 공급하고 최대 관성 토크를 제공하는 풀리가 작동 모드에 따라 다르다는 사실에 있다. 또한, 통상적인 구동 시스템에서 보통 생기는 것보다 더 큰 관성 토크가 발생한다.
본 발명의 함께 편향되는 2중 풀리 텐셔너(28)는 모드의 조합을 위한 몇몇 용도에서 액세서리 벨트 구동 시스템(10)을 크게 최적화하며, 바람직한 실시 형태의 설계에 사용될 때 특히 그러하다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 텐셔너(28)는 제1 텐셔너 풀리(16)와, 제2 텐셔너 풀리(26)와, 탄성 부재(38)와, 피봇 볼트(40)와, 제1 연결 암(42)과, 제2 연결 암(44)와, 감쇠 슈(46)와, 감쇠 레이스(48)와, 장착판(50)과, 제1 풀리 볼트(52)와, 제2 풀리 볼트(54)와, 부싱(56)과, 워셔(57)와, 피봇 포스트(58)와, 제1 암 허브(60)와, 제2 암 허브(62)를 포함한다. 제1 텐셔너 풀리(16)와 제2 텐셔너풀리(26)는 볼 베어링 조립체에 의해서 제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44) 상에 각각 저널된다. 볼 베어링 조립체는 베어링(70)과 레이스(72)를 포함한다.
제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44)은 부싱(56)과 워셔(57)에 의해 지지되어 피봇 포스트(58) 상에 회전 가능하게 각각 저널된다. 제1 암 허브(60)와 제2 암 허브(62)는 부싱(56) 및 워셔(57)와 만나고, 부싱(56) 및 워셔(57)는 피봇 포스트(58) 및 피봇 볼트(40)와 만난다. 이들 각각을 마찰이 상당 정도 일어나도록 끼워맞추는 것을 고려할 수 있다. 그러한 마찰은, 엔진(도시하지 않았음)의 실린더 블록에 대해 움직이지 않는 지점에 고정되는 장착판(50)과 관련하여, 제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44) 각각에 대한 감쇠 효과를 증가시킨다.
비록 제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44)이 장착 기부에 대해 회전할 수는 있지만, 서로에 대해 회전할 수는 없다. 오히려, 탄성 부재(38)가 가하는 힘 때문에 서로를 향해 편향되는데, 이 힘은 제2 암 허브(62)의 내측면 상에 형성된 감쇠 레이스(48) 상에 위치하는 감쇠 슈(46)를 포함하는 감쇠 기구에 의해 조정된다. 감쇠 슈(46)와 감쇠 레이스(48)의 계면에서 생기는 마찰 때문에 제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44)의 이동이 감쇠되는데, 단지 서로에 대해서만 감쇠된다.
본 바람직한 실시 형태에서는 강제 토션 스프링으로 구성된 탄성 부재(38)는, 감쇠 슈 스프링 부착점(66)에서 감쇠 슈(46) 및 감쇠 슈 접촉부(64)를 통해 제1 연결 암(42)에 간접적으로 부착되고, 제2 암 스프링 부착점(68)에서 제2 연결 암(44)에 직접 부착된다. 탄성 부재(38)는 도 4에서 보았을 때 시계 방향으로 제2 연결 암(44)에 토크를 인가하고, 도 6에서 보았을 때 반시계 방향으로 감쇠 슈(46)에 토크를 인가하도록 감겨 있다. 감쇠 슈(46)에 인가되는 반시계 방향 토크는 감쇠 슈 접촉부(64)로 전달된 후, 이 감쇠 슈 접촉부(64)가 부착되어 있는 제1 연결 암(42)으로 전달된다.
이 바람직한 실시 형태의 경우, 제1 암 허브(60)와 제2 암 허브(62), 부싱(56), 워셔(57), 피봇 포스트(58) 및 피봇 볼트(40)의 밀접한 끼워맞춤에 의해 장착판(50)과 관련하여 공급되는 모든 감쇠 작용은 대칭적이다. 또한, 이 형태의 밀접한 끼워맞춤은 제2 연결 암(44)에 대한 제1 연결 암(42)의 감쇠에 대칭 편향 성분을 추가시킨다. 한쪽 이동 방향에서는 감쇠력이 전체 편향력에 추가되지만, 다른 방향에서는 전체 편향력을 감소시키므로, 대칭적 감쇠라도 비대칭적 편향을 일으킨다는 것을 이해해야 한다.
제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44) 사이에 공급되는 감쇠 작용에는 비대칭 성분이 있어서, 제1 풀리(16)와 제2 풀리(26)가 서로 향하는 방향으로 이동할 때보다 서로로부터 멀어지는 방향으로 이동할 때 제1 풀리(16)와 제2 풀리(26)의 조합된 이동이 더욱 감쇠된다. 이는 제1 풀리(16)와 제2 풀리(26)가 벨트 인장 방향으로 이동하느냐 벨트 이완 방향으로 이동하느냐와는 무관하다. 제1 풀리(16)나 제2 풀리(26)를 각각 언급할 때 벨트가 이완되는 방향은, 벨트(30)가 더 짧은 경로로 주행하게 하는 제1 풀리(16)나 제2 풀리(26)의 방향이다. 벨트가 인장되는 방향은 그 반대 방향이다. 그러나, 제1 풀리(16)와 제2 풀리(26)의 이동을 언급할 때, 벨트가 이완되는 방향은 제1 풀리(16)와 제2 풀리(26)가 서로 멀어지는 때의 방향이다. 마찬가지로, 벨트가 인장되는 방향은 그 반대 방향이다.
도 7을 참조하면, 슈 스프링 탱(67)에는 굽힘 축선(A)이 있다. 이분 반경(B)이 피봇 포스트(58)의 중심으로부터 연장되어 감쇠 슈(46)와 감쇠 레이스(48)가 접촉하는 중간 지점을 통과한다. 코드 라인(C)은 이분 반경(B)과 직교하며, 감쇠 슈(46)와 감쇠 레이스(48)가 접촉하는 두 극한 지점과 만난다. 도시된 바와 같이, 굽힘 축선(A)은 코드 라인(C)과 소정 각도(X)로 교차하며, 따라서 코드 라인(C)과 평행하지 않다. 슈 스프링 탱(67)과 피봇 포스트(58) 사이의 접촉점, 즉 피봇점(P)으로부터, 감쇠 슈(46)와 감쇠 레이스(48)가 접촉하는 중간 지점까지의 거리는 고정 거리(R1)이다. 각도(X)로 인하여 제1 연결 암(42)과 제2 연결 암(44) 사이에 감쇠의 비대칭성이 생긴다. 정지 시에는 슈 스프링 탱(67)과 감쇠 슈(46)가 고정 거리(R1)를 연장시켜 최대 거리(R2)가 되게 하며, 이에 따라 탄성 부재(38)가 제공하는 최대의 힘을 감쇠 레이스(48)가 받게 된다.
제1 풀리(16)와 제2 풀리(26)가 서로를 향해 이동할 때, 즉 벨트 인장 방향인 경우에는 감쇠 레이스(48)가 제1 연결 암(42)에 대해 시계 방향으로 이동한다. 그렇게 되면, 감쇠 슈(46)와 슈 스프링 탱(67)이 피봇점(P)을 중심으로 시계 방향으로 이동한다. 이에 따라 최대 거리(R2)도 시계 방향으로 이동하게 된다. 당연히, 최대 거리(R2)는 더 커지게 된다. 그러나, 고정 거리(R1)는 더 커지지 않는다. 따라서, 감쇠 슈(46)가 감쇠 레이스(48)로부터 떠오르게 되어, 그렇지 않은 경우에는 탄성 부재(38)가 제공하게 되는 힘의 일부를 흡수한다. 감쇠 슈(46)와 감쇠 레이스(48)의 표면에서 생기는 마찰이 감소되어 벨트 인장 방향으로의 감쇠 효과가감소한다.
제1 풀리(16)와 제2 풀리(26)가 서로로부터 멀어지는 방향으로 이동할 때, 즉 벨트 이완 방향인 경우에는 감쇠 레이스(48)가 제1 연결 암(42)에 대해 반시계 방향으로 이동한다. 그렇게 되면, 감쇠 슈(46)와 슈 스프링 탱(67)이 피봇점(P)을 중심으로 반시계 방향으로 이동한다. 이에 따라 최대 거리(R2)도 반시계 방향으로 이동하게 된다. 당연히, 최대 거리(R2)는 더 작아지게 된다. 그러나, 고정 거리(R1)는 더 작아지지 않는다. 따라서, 감쇠 슈(46)가 감쇠 레이스(48)를 압박하여 탄성 부재(38)가 제공하는 힘을 증가시킨다. 감쇠 슈(46)와 감쇠 레이스(48)의 표면에서 생기는 마찰이 증가되어 벨트 인장 방향으로의 감쇠 효과가 증가한다.
전술한 바와 같이, 시스템 작동이 정적 상태로부터 발전 모드로 변하는 경우, 모든 크랭크축∼모터/발전기간 구간(34, 34', 34", 34"')은 모터/제너레이너∼크랭크축간 구간(32)보다 더 큰 인장력을 받고 있다. 따라서, 크랭크축∼모터/발전기간 구간(34)을 곧게 만들려는 힘은 모터/제너레이너∼크랭크축간 구간(32)을 곧게 만들려는 힘보다 크다. 도 1에 도시된 바람직한 실시 형태의 경우, 이러한 상태는 제2 연결 암(44) 및 관련 제2 텐셔너 풀리(26)를, 전동 벨트(30)가 크랭크축∼모터/발전기간 구간(34)에서 가능한 최단 경로를 취하게 하는 위치로 이동시킨다. 도시된 바와 같이, 이것은 제2 연결 암(44)이 크랭크축∼모터/발전기간 구간(34)에서 곧게 된 전동 벨트(30)와 거의 직교하는 위치를 취하는 것과 같다. 이러한 특정 형상으로, 제2 텐셔너 풀리(26)가 전동 벨트(30)를 여전히 편향시키면서 벨트 이완 방향의 이동 한계에 도달하게 되며, 이는 가장 바람직한 것이다. 그러나, 덜 바람직한 실시 형태에서는 제2 연결 암(44)이 메인 피봇(40)을 중심으로 회전하는 것을 정지부를 배치함으로써 제한하는 것도 고려할 수 있다. 그러나, 제2 연결 암(44)의 길이와 관련하여 메인 피봇(40)을 배치함에 있어, 제2 텐셔너 풀리(26)가 이동 한계에 도달하는 일 없이 크랭크축∼모터/발전기간 구간(34)이 곧게 되도록 하는 것도 생각할 수 있다. 어떠한 경우라도, 전동 벨트(30)는 크랭크축∼모터/발전기간 구간(34)에서 가능한 최단 경로에 도달하게 된다.
만약, 크랭크축∼모터/발전기간 구간(34)에서의 이러한 재배치를 다른 적절한 대책 없이 실시한다면, 벨트 구동 시스템(10)에서의 정적 인장력이 줄어들 것이다. 그러나, 제2 연결 암(44)이 메인 피봇(40) 주위로 회전함으로써 탄성 부재(38)에 응력이 가해져서, 결국 제1 연결 암(42)에 작용하는 편향력이 커진다. 그러면, 모터/발전기∼크랭크축간 구간(32)에서 제1 텐셔너 풀리(16)가 전동 벨트(30)에 가하는 인장력이 마찬가지로 증가한다. 따라서, 전동 벨트(30)에서의 정적 인장 상태는 작동 모드가 정적 모드, 즉 비작동 모드에서 발전 모드로 전환되어도 거의 변하지 않는다. 시동 모드에서 발전 모드로 전환되는 경우에도 마찬가지이다.
발전 모드에서 시동 모드로 전환할 때에는 그 역이 성립한다. 다시 말하면, 제1 인장 풀리(16)가 이완 방향 이동 한계에 도달한다. 제2 인장 풀리(26)에 걸리는 인장력이 증가한다. 전동 벨트(30)의 정적 인장 상태는 거의 변하지 않는다.
전술한 실시 형태에 나타나 있는 본 발명은, 장기 성능 및 단기 성능과 벨트선정을 크게 최적화하는 동시에, 비용과 복잡성을 크게 최소화하여 적용 대상이 될 수 있는 발전 시동 겸용 시스템에 대한 융통성이 향상된다.
본 발명의 전술한 설명과 예시적인 실시 형태들을 여러 가지로 변형하고 수정하면서 도면에 예시하고 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명에 대한 전술한 설명은 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명의 범위는 종래 기술을 고려하면서 청구범위에 의해서만 한정해야 한다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 예시된 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 요소 없이도 적절하게 실시할 수 있다.

Claims (8)

  1. 벨트 텐셔너와, 크랭크축 풀리와, 액세서리 풀리와, 모터/발전기 풀리를 포함하고, 상기 크랭크축 풀리와 액세서리 풀리 및 모터/발전기 풀리 둘레로 전동 벨트가 주행하는 벨트 구동 시스템용 개선된 벨트 텐셔너로서, 엔진의 실린더 블록에 대해 움직이지 않는 지점에 고정되는 부착점과, 제1 벨트 텐셔너 풀리와, 편향 부재와, 이 편향 부재로부터의 힘을 상기 제1 텐셔너 벨트 풀리를 통해 상기 전동 벨트로 전달하는 연결부를 포함하는 형태의 벨트 텐셔너에 있어서,
    제2 텐셔너 풀리를 포함하고,
    상기 연결부는 상기 편향 부재로부터의 힘을 상기 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리로 전달하여, 상기 전동 벨트에 걸리는 인장력이 증가하는 방향으로 이동하도록 상기 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리를 함께 비대칭적으로 편향시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 벨트 텐셔너.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비대칭적 편향은, 상기 제1 벨트 텐셔너 풀리 및 제2 벨트 텐셔너 풀리에 작용하는 외부력이 스프링 비율에 의한 편향 수준을 극복하기 위해 필요한 크기보다 작을 때, 단지 스프링 비율 편향에 의해 제공되는 수준에 있는 편향이어서, 상기 제1 벨트 텐셔너 풀리와 제2 벨트 텐셔너 풀리의 조합을 벨트 인장력이 증가하는 방향으로 이동시키는 경향이 있는 편향이며, 또한, 상기 제1 벨트 텐셔너 풀리 및 제2 벨트 텐셔너 풀리에 작용하는 외부력이 스프링 비율에 의한편향 수준을 극복하기 위해 필요한 크기보다 클 때에는, 상기 스프링 비율 편향 및 방향 역전 저항의 결과 생기는 수준의 편향이어서, 상기 제1 벨트 텐셔너 풀리와 제2 벨트 텐셔너 풀리의 조합을 벨트 인장력이 감소하는 방향으로 이동시키는 경향이 있는 편향인 것을 특징으로 하는 벨트 텐셔너.
  3. 제2항에 있어서, 상기 방향 역전 저항은, 벨트 인장력이 감소하는 방향으로의 상기 제1 벨트 텐셔너 풀리와 제2 벨트 텐셔너 풀리의 조합의 이동에 대응하는 감쇠 요인로부터 생기는 것을 특징으로 하는 벨트 텐셔너.
  4. 제1항에 있어서, 피봇을 더 포함하고, 상기 연결부는 상기 피봇에서 상기 피봇을 중심으로 선회하는 제1 연결점으로부터 상기 제1 텐셔너 풀리에 있는 연결점까지 연장되는 제1 암과, 상기 피봇에서 상기 피봇을 중심으로 선회하는 제2 연결점으로부터 상기 제2 텐셔너 풀리에 있는 연결점까지 연장되는 제2 암을 구비하며, 상기 편향 부재는 상기 제1 암 및 제2 암과 기계적으로 연결되어 있어, 상기 전동 벨트에 걸리는 인장력이 증가하는 방향으로 이동하도록 상기 제1 암 및 제2 암을 함께 편향시키는 것을 특징으로 하는 벨트 텐셔너.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전동 벨트에 걸리는 인장력이 증가하는 방향으로의 이동은, 상기 제2 텐셔너 풀리에 대한 상기 제1 텐셔너 풀리의 변위가 감소하는 방향의 이동인 것을 특징으로 하는 벨트 텐셔너.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 연결부를 중심으로 일어나는 선회는 상기 제2 연결부를 중심으로 일어나는 선회와 관련하여 감쇠되는 것을 특징으로 하는 벨트 텐셔너.
  7. 크랭크축 풀리와 액세서리 풀리 및 모터/발전기 풀리를 포함하는 동력 풀리와, 제1 벨트 텐셔너 풀리를 포함하는 벨트 텐셔너를 구비하고, 상기 동력 풀리와 제1 벨트 텐셔너 풀리 둘레로 전동 벨트가 주행하는 형태의 발전 설비를 위한 개선된 벨트 구동 시스템으로서, 상기 벨트 텐셔너는 상기 발전 설비의 실린더 블록에 대해 움직이지 않는 지점에 고정되는 부착점과, 상기 제1 벨트 텐셔너 풀리와, 편향 부재와, 이 편향 부재로부터의 힘을 상기 제1 텐셔너 벨트 풀리를 통해 상기 전동 벨트로 전달하는 연결부를 구비하고, 상기 전동 벨트에는 상기 동력 풀리들과 각각 인접한 종결부에 의해 구간이 정의되고, 이 구간에는, 정상 작동 중의 벨트 진행 방향을 기준으로 할 때 상기 크랭크축 풀리에서 시작되어 모터/발전기 풀리에서 종료되는 적어도 하나의 크랭크축∼모터/발전기간 구간과, 상기 모터/발전기 풀리에서 시작되어 상기 크랭크축 풀리에서 종료되는 적어도 하나의 모터/발전기∼크랭크축간 구간이 포함되는 것인 벨트 구동 시스템에 있어서,
    상기 벨트 텐셔너는 제2 텐셔너 풀리를 포함하고,
    상기 벨트 텐셔너는 피봇을 구비하며,
    상기 연결부는 상기 편향 부재로부터의 힘을 상기 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리로 전달하여, 상기 전동 벨트에 걸리는 인장력이 증가하는 방향으로 이동하도록 상기 제1 텐셔너 풀리와 제2 텐셔너 풀리를 함께 비대칭적으로 편향시키도록 구성되고,
    상기 연결부는 상기 피봇에서 상기 피봇을 중심으로 선회하는 제1 연결점으로부터 상기 제1 텐셔너 풀리에 있는 연결점까지 연장되는 제1 암과, 상기 피봇에서 상기 피봇을 중심으로 선회하는 제2 연결점으로부터 상기 제2 텐셔너 풀리에 있는 연결점까지 연장되는 제2 암을 구비하며,
    상기 편향 부재는 상기 제1 암 및 제2 암과 기계적으로 연결되어 있어, 상기 전동 벨트에 걸리는 인장력이 증가하는 방향으로 이동하도록 상기 제1 암 및 제2 암을 함께 편향시키고,
    상기 제1 텐셔너 풀리는 적어도 하나의 상기 크랭크축∼모터/발전기간 구간에 근접해 있으며, 상기 제2 텐셔너 풀리는 상기 모터/발전기∼크랭크축간 구간에 근접해 있는 것을 특징으로 하는 벨트 구동 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 암은 모터 토크를 발생시키는 중립 회전 위치를 상기 모터/발전기 풀리 상에서 취하려는 경향이 있고, 상기 제2 암은 발전기 토크를 흡수하는 중립 회전 위치를 상기 모터/발전기 풀리 상에서 취하려는 경향이 있는 것을 특징으로 하는 벨트 구동 시스템.
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