KR20100014297A - 오일과 접촉하여 사용하는 벨트 드라이브용 풀리 텐셔너 - Google Patents

Abstract

벨트 드라이브용 텐셔너(1)는 축(A), 축(A)에 힌지되고 바람직하게 원형 프로파일을 가지는 가이드 표면(22)을 정의하는 지지부(4), 지지부(4)를 작동하기 위한 탄성 요소(18) 및 축(A)에 대해 중심을 달리하고 가이드 표면(22)을 둘러싸는 크라운 풀리(5)를 포함한다. 텐셔너(1)는 가이드 표면(22)에서 풀리(5)를 지지하기 위한 저널 베어링(4, 28, 31, 32)을 더 포함한다.

Description

오일과 접촉하여 사용하는 벨트 드라이브용 풀리 텐셔너{PULLEY TENSIONER FOR A BELT DRIVE FOR USE IN CONTACT WITH OIL}

본 발명은 오일과 접촉하여 사용하는 내연 기관의 타이밍 드라이브(timing drive) 등과 같은 벨트 드라이브(belt drive)용 풀리 텐셔너(pulley tensioner)에 관한 것이다.

타이밍 드라이브는 일반적으로 오일-윤활(oil-lubricated) 체인 또는 건조 상태에서 움직이는 톱니 벨트(toothed belt)를 포함한다. 오일의 화학적 공격(chemical attack)에 견딜 수 있고 자동차의 경우 240,000㎞ 및 10년, 경상용 차량(light commercial vehicle)의 경우 350,000㎞ 및 10년의 수명을 가지도록 형성된 톱니 벨트를 포함하는 오일과 접촉하여 움직이는 타이밍 드라이브가 최근에 개발되었다.

오일과 접촉하여 사용하는 벨트 드라이브는 더 가볍고, 체인 드라이브에 관한 진동을 덜 유발한다. 게다가, 실험 테스트에서 그런 드라이브가 전통적인 체인 드라이브에 대해 소비(consumption)를 감소시킬 수 있다는 것을 증명하였다.

그런 벨트 드라이브를 가진 체인 드라이브를 위해 본래 설계된 엔진을 업그레이드하거나 개조해서 또한 그런 장점을 얻을 수도 있다. 그러나, 체인 드라이브 의 치수는 벨트 드라이브의 치수와 다르다. 그러므로, 벨트 드라이브에 대해 체인 드라이브를 업그레이드하기 위해서는, 벨트 드라이브의 모든 구성요소가 체인 드라이브를 위해 원래 설계된 베인(vane) 안에 들어가야 한다. 아마도, 엔진의 일부 비-실체적(non-substantial) 부품을 가장자리 방식(marginal manner)으로 변경할 수도 있다.

특히, 벨트 드라이브는 자동 텐셔너(automatic tensioner)를 포함하고 그 장치는 체인 드라이브를 위해 원래 설계된 베인(vane) 내의 어셈블리에 특히 중요한 것처럼 보인다.

본 출원인이 출원한, 국제특허출원 WO-A1-2006111988은 오일에 접촉하여 적용되는 텐셔너를 기술하며, 상기 텐셔너는 고정 핀, 핀에 중심을 달리하여(eccentric manner) 설치되고 텐셔닝 스프링에 의해 작동되는 디스크 및 볼 베어링에 의하여 디스크에 동심으로(concentric manner) 설치된 풀리(pully)를 포함한다. 게다가, 텐셔너는 오일이 존재할 때 벨트의 진동을 상당히 줄이기 위한 마찰 덤핑 장치(friction damping device)를 포함한다.

그런 텐셔너는 축 방향에서 컴팩트하지만 반경 방향의 치수는 상당히 켜서 특히 복잡한 구조의 드라이브용 설비 격실이 제공될 때 사용될 수 없다.

본 발명의 목적은 상술한 단점이 없는 풀리 텐셔너를 제공하는 것이다.

상술한 목적은 청구항 1항에 따른 풀리 텐셔너에 의해 성취된다.

본 발명의 더 잘 이해하기 위해, 바람직한 구체예를 첨부된 도면을 참조하면서, 단지 제한하지 않는 예로서 설명할 것이다.

- 도 1은 본 발명에 따른 텐셔너의 사시도이다.

- 도 2는 도 1의 텐셔너의 축 평면에 따른 단면도이다.

도 1에서, 번호 1은 축(A)을 정의하는 피봇(pivot; 2) 및 피봇(2)에 설치되고 축(A)에 수직인 플레이트(plate; 3)를 포함하는 타이밍 벨트 드라이브용 풀리 텐셔너를 전체로서 지시한다. 텐셔너(1)는 축(A)에 관하여 중심을 달리하여 피봇(2)에 설치된 디스크(4) 및 플레이트(4)에 동심으로 설치되고 축(A)에 평행하며 축(A)에서 거리가 떨어져 있는 축(B)에 대해 회전할 수 있는 환형 풀리(5)를 더 포함하고 있다.

특히, 피봇(2)은 전체로서 플레이트(3)에 연결되는 베이스(base; 6) 및 디스크(4)의 회전을 가이드하는 축(A)을 정의하는 원통형 부분(cylindrical portion; 7)을 포함한다.

디스크(4)는 부싱(bushing; 8)에 의해 원통형 부분(7)에서 반경 방향으로 지지되고 마찰 링(9)에 의해 플레이트(3)에 축 방향으로 위치한다.

마찰 링(9)은 디스크(3)에 관하여 고정되어 있고 플레이트(3)의 슬라이딩 표면(11)과 협력하는 복수의 바람직한 반경 방향의 홈(10)을 제공한다. 사용 중에, 마찰 링(9)과 플레이트(3) 사이에 존재하는 오일이 홈(10)에 의하여 배출(evacuate)되고 결과적으로 댐핑 토크(damping torque)의 값이 증가한다.

오일 존재할 때 이용하도록 적용된 높은 축 방향의 부하를 적용하기 위해, 텐셔너(1)는 접시 스프링(belleville spring; 12) 및 피봇(2)의 헤드 부분(14)에 연결되는 뚜껑(13)을 포함하여, 접시 스프링(12)을 축 방향으로 적재하고 그 결과로 축(A)에 평행한 힘을 마찰 링(9)에 적용한다.

바람직하게, 디스크(4)는 반경 방향의 틈새(radial clearance)에 접시 스프링(12)과 뚜껑(13)을 수용하기 위하여 플레이트(3)에 대한 축 방향의 반대편에 배열된 원형 오목부(15)를 포함한다.

게다가, 상대 운동에 의해 유발되는 디스크(4)의 손상을 방지하기 위해 원형 요소(16)가 디스크(4)와 접시 스프링(12) 사이에 삽입되어 있다.

디스크(4)는 풀리(5)와 동등한 높이를 가지며 플레이트(3)를 향해 개구되고 피봇(2)에 동심으로 배열된 텐셔닝 코일 스프링(tensioning coil spring; 18)을 수용하는 원형 캐비티(annular cavity; 17)(도 2)를 더 포함한다. 특히, 텐셔닝 스프링(18)은 마찰 요소(9)보다 작은 지름을 가지며, 피봇(2)에 대해 고정되는 제1 말단부(19) 및 디스크(4)에 대해 고정되는 제2 말단부(20)를 포함한다.

원형 캐비티(annular cavity; 17)는 텐셔닝 스프링(18)과 마찰 링(9) 사이에 반경 방향으로 배열된 플레이트(3)의 일부를 구부려서 얻어진 축 돌출부(21)를 더 수용한다.

특히, 축 돌출부(21)에 의하여 플레이트(3)에 대한 디스크(4)의 최대 각 이동거리를 제한하기 위해 2개의 (미도시된) 스톱퍼(stopper)를 포함하도록 원형 캐비티(annular cavity; 17)를 형성한다.

디스크(4)에 대해 풀리(5)의 상대 회전을 허용하기 위하여 텐셔너는 다음에 기술한 저널 베어링(journal bearing)을 더 포함한다.

특히, 디스크(4)는 풀리(5)에 의해 포위된 주위의 원통형 표면(22), 원통형 표면(22)에 대하여 반경 방향으로 돌출하고 연속하는 원형 프로파일(continuous annular profile)을 가지는 숄더(shoulder; 23) 및 바람직하게 내마모성 재료(anti-wear material)로 코팅된 탄성 링(25)의 어셈블리를 구성하는 시트를 정의한다. 탄성 링(25)은 원통형 표면(22)에 관하여 숄더(23)의 반대 축 방향 쪽에 배열되고 풀리(5)의 축 방향의 위치를 정의한다.

바람직하게, 원통형 표면(22)의 거칠기(roughness; Ra)는 0.3 내지 0.9 미크론이며 중앙 바디(26)를 정의하는 대응하는 원통형 표면의 거칠기(Ra)는 0.2 내지 0.8 미크론이다. 그 값은 디스크(4) 및 풀리(5) 사이의 마찰을 줄이는 것을 허용한다.

풀리(5)는 원통형 표면(22)에 주위 온도에서 미리 결정된 반경 방향의 틈새를 두고 설치되고, 숄더(23) 및 탄성 링(25) 사이의 축 방향의 틈새를 두고 설치된 중앙 바디(26) 및 중앙 바디(26)의 양쪽에서 대칭적으로 돌출하고 숄더(23) 및 탄성 링(25)을 둘러싸는 2개의 윙(wing; 27)을 제공한다.

게다가, 피봇(2)은 베이스(6)의 지지면에서 형성된 입구(29) 및 반경 방향으로 배열된 출구(30)를 가지는 오일 공급 도관(28)을 정의한다.

디스크(4)는 피봇(2)을 향하는 입구 및 원통형 표면(22)을 향하고 우묵한 섬프(sump; 32)와 연통하는 출구를 가지는 반경 방향의 도관(31)을 더 포함한다.

특히, 반경 방향의 도관(31)은 오목부(15)와 캐비티(cavity; 17) 사이에서 축 방향으로 배열되고 도관(28)의 출구(29)와 동축이다. 코일 스프링(18)의 축 방향의 치수 때문에, 반경 방향의 도관(31)의 축은 원통형 표면(22)과 풀리(5)의 중앙선에 위치하지 않고, 반면에 섬프(sump; 32)는 풀리(5)에 대칭적으로 작용하기 위하여 원통형 표면(22)의 중앙선에 대해 대칭적이다.

편리하게, 오일이 출구(29)에서 반경 방향의 도관(31) 쪽으로 흐르는 동안 스로틀링(throttling) 또는 초킹(chocking)을 유발하지 않고 피봇(2)에 대한 디스크(4)의 어떤 상대 각 위치에서도 오일이 통행할 수 있도록 하는 원주 치수(circumferential dimension)를 가지는 갭(33)이 부싱(bushing; 8)에 제공된다.

게다가, 디스크(4)의 재료가 풀리(5)에 사용된 재료보다 더 큰 열팽창계수(thermal expansion coefficient)를 제공하도록 디스크(4)와 풀리(5)를 제조에 이용되는 재료를 선택한다.

바람직하게, 디스크(4)는 알루미늄으로 풀리(5)는 강철로 제조된다.

게다가, 텐셔너(1)는 반경 방향의 도관(31)으로 들어온 오일이 섬프(sump; 32)에 도달하기 전에 새는 것을 막기 위한 축 방향의 실(seal)을 포함한다.

특히, 실(seal)은 플레이트(3) 쪽을 향해 캐비티(cavity; 17) 안에서 돌출하고 부싱(bushing; 8)의 일부와 피봇(2)의 일부를 수용하는 디스크(4)의 관 부분(34)에 의해 지지된다.

바람직하게, 실(seal)은 관 부분(34)에 의해 지탱되는 원형 시트(36)에 수용되고 피봇(2)의 원통형 부분(7)과 협력하는 O-링(35) 등과 같은, 개스킷(gasket)을 포함한다.

텐셔너(1)의 작동에 대해 다음에서 살펴본다.

텐셔너(1)은 오일 펌프 배급관(oil pump delivery)에 연결된 포트가 제공되는 내연 기관 베인(vane)의 내부 벽에 설치된다. 게다가, 축(A) 및 반경 방향의 도관(31)에 교차하는 평면은 드라이브의 위치 조건(resting condition)에서 풀리(5)로 작용하는 벨트의 합력(the resultant of the action of the belt)에 대하여 미리 결정된 위치에서 배열된다.

특히, 그런 평면은 풀리가 각 60°내지 130°만큼 작동하는 동안 풀리(5)의 회전에 대한 풀리(5)로 작용하는 벨트의 합력보다 앞에 있다.

예를 들면, 도 2에 관하여, 풀리(5)가 부분(14)에서 베이스(6) 쪽으로 볼 때 시계방향으로 회전하면, 벨트에 의해 적용되는 작동의 합력이 시트에 작용하고 반경 방향의 도관(31)의 축에 대해 90°의 각을 제공한다.

풀리(5)로의 벨트의 작동은 비대칭이며 원통형 표면(22)에 가깝게 풀리(5)를 이동시키는 경향이 있어서 풀리(5)와 원통형 표면(22) 사이의 최소 반경 방향의 거리가 풀리(5)로 작용하는 벨트의 합력과 반경 방향의 도관(31)의 축 사이에 배열된다.

이런 방식에서, 풀리(5)가 디스크(4)에 대해 회전할 때, 원통형 표면(22)에 대해 걸려 있는 풀리(5)와 원통형 표면(22) 사이에 끼여 있는 오일 갭을 유지하는 유체 동압(hydrodynamic force)이 발생한다.

오일은 도관(28)에 의하여 연속적으로 공급되고 엔진 윤활 회로에 의하여 오 일 펌프 입구에 도달하기 위하여 중앙 바디(26), 숄더(23) 및 탄성 링(25) 사이에서 정의된 통로로부터 연속적으로 나간다.

공지된 것처럼, 유체 동압은 레이놀즈 방정식(Reynolds's equation)에 따라 유체의 점성에 비례하고 오일 갭의 높이에 반비례한다.

게다가, 오일의 점성은 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있지만 풀리(5)가 강철로 제조되고 디스크(4)가 알루미늄으로 제조되고 디스크(4)가 풀리(5)보다 더 많이 팽창하기 때문에 오일 갭의 높이가 감소하는 것에 대응하여 그 효력이 반대가 된다.

이런 방식으로, 오일 갭의 높이의 대응하는 감소와 점성의 감소를 보상할 수 있다. 그 결과, 텐셔너(1)가 온도 변화에 대하여 풀리(5)에서의 유체 동압을 일정하게 유지한다.

게다가, 텐셔너(1)는 미리 결정된 엔진 회전(revolution) 수 내에서, 정변위펌프(constant displacement pump)의 직렬 배관에 설치된 압력 제한 밸브(pressure limiting valve)에 의하여 전달 압력을 일정하게 유지하는 회로에 의해 공급된다.

텐셔너(1)는 다른 부하에 대해 평행하게 배열되고 오일이 텐셔너(1)를 통과하는 동안 오일에 적용되는 전체 압력의 감소에 따른 유량(flow)을 수신한다.

재료를 선택에 의하여, 반경 방향의 갭이 감소해서 전체 유압 저항이 증가하고 결과적으로 오일 점성 감소에 기인한 유량(flow)의 증가를 보상한다.

그러므로 오일 회로가 정압(constant pressure)인 조건에서, 텐셔너(1)가 온도의 변화에 관하여 필수적으로 요구되는 유량(flow)을 일정하게 유지한다.

엔진 회전 수가 미리 결정된 값을 초과할 때 압력 제한 밸브는 오일 회로를 통제한다. 엔진이 저속 등과 같은, 그런 미리 결정된 수 이하로 작동하면, 오일 유량이 비교적 작아서 최소 유량에 접근하는 것을 허용하도록 서프(sump; 32) 쪽으로 오일 누출을 감소시키는 것이 중요하다.

이러한 목적으로, O링(35)이 원통형 부분(7), 부싱(8) 및 관 부분(34) 사이의 틈새를 통해 플레이트(3) 쪽으로 축 방향에 따른 오일 누출을 막을 수 있다.

헤드 부분(14) 쪽으로 축 방향에 따른 오일 누출은 제2 실(seal)에 의해 방지된다. 바람직한 구체예에 따르면, 그런 제2 실(seal)은 헤드 부분(14)에 유체기밀하게(fluid-tightly) 설치된 원형 요소(16)에 의해 정의되고 접시 스프링(12)에 의하여 적재되어서 부하가 축 방향의 틈새를 폐쇄하고 오일 누출을 막는다.

본 발명에 따른 텐셔너(1)의 장점은 다음과 같다.

볼 베어링 대신에 풀리(5)와 디스크(4) 사이에 저널 베어링을 설치하여 텐셔너(1)의 반경 방향의 치수 및 비용을 상당히 줄일 수 있다.

게다가, 오일 회로 압력이 압력 제한 밸브에 의해 제어될 때 유체 동력 및 요구된 유량(flow)이 필수적으로 일정하도록 디스크(4)와 풀리(5)의 재료를 선택한다.

원형 요소(16)와 O링(35)에 의해 정의된 축 방향의 실(seal)을 통해 오일 누출을 감소시킬 수 있다. 엔진 속도가 느리고 공급 유량이 감소할 때 또한 오일 소비를 감소시켜 텐셔너(1)의 정확한 작동을 보장한다. 게다가, 일부 응용에서, 오일 펌프 변위 및 힘의 증가시키지 않고 엔진에 텐셔너를 고정하기 때문에 오일 소비의 감소가 바람직하다. 그런 결과는 체인 드라이브를 위해 원래 설계된 엔진을 업그레이드할 것으로 예상될 때 상당한 비용적 장점을 나타낸다.

탄성 링(25)에 의하여 디스크(4)에 풀리(5)를 집합하는 것은 특히 간단하며 비교적 비용이 적게 들고 필요한 정확도로 풀리(5)의 축 방향의 틈새를 정확하게 정의하기 위할 수 있다.

게다가, 접시 스프링(12)을 통해 높은 축 방향의 부하 및 감소된 치수를 얻을 수 있고 따라서 체인 타이밍 드라이브를 위해 이미 설계된 엔진에 장착되는 것을 허용하기 위해 윤활 오일이 존재할 때의 높은 마찰 토크 및 감소된 치수의 문제 둘 다에 대한 해결책을 얻을 수 있다.

링(9)과 플레이트(3) 사이의 윤활유 오일 갭의 형성을 방지하는 홈(10)을 사용하여 유리하게 마찰 토크를 증가시킬 수 있다.

섬프(sump; 32)를 통해 원통형 표면(22)의 높이에 따라서 오일을 대칭적으로 분배해서 풀리(5)의 불균형을 피할 수 있다.

첨부된 청구항의 보호범위에서 벗어나지 않도록 여기에서 기술되고 설명된 텐셔너(1)에 변화 및 변형을 가하여 실행될 수 있음은 명백하다.

특히, 마찰 링(9)이 플레이트(3)에 고정된 방식으로 연결되고 디스크(4)에 대해 특정하게 고정된 표면에 접하여 협력할 수도 있다.

게다가, 링(37)은 중앙 바디(26)를 가이드하기 위해 숄더(23)에 대하여 축 접합이 제공될 수도 있다. 바람직하게, 그런 링은 상대 운동 및 풀리(5)에 대한 마 찰에 기인한 손상을 피하기 위하여 중앙 바디(26)를 향한 내마찰층 또는 내마모층을 제공한다. 더 바람직하게, 그런 링은 강철로 형성되고 층은 인산염으로 처리된(phosphating) 표면 망간으로 형성된다. 이전에 기술된 것과 동일한 링도 탄성 링(25)에 대하여 접하게 배열되는 것을 생각할 수도 있다.

Claims (15)

1. 축(A)을 정의하는 피봇(2),

   상기 축(A)에 힌지되어 있고 바람직하게 원형 프로파일을 가지는 가이드 표면(22)을 포함하는 지지부(4),

   상기 지지부(4)를 작동하기 위한 탄성 요소(18),

   상기 가이드 표면(22)에 대해 상기 지지부(4)에 설치되며 상기 축(A)에 대해 중심을 달리하는 제2 축(B)에 대해 회전가능한 크라운 풀리(crown pulley; 5), 및

   상기 가이드 표면(22)에서 상기 풀리(5)를 지지하기 위한 저널 베어링(4, 28, 31, 32)을 포함하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
2. 제1항에 있어서,

   상기 지지부(4)는 제1 열팽창계수를 가지는 재료로 제조되며,

   상기 풀리(5)는 상기 제1 열팽창계수보다 낮은 제2 열팽창계수를 가지는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
3. 제2항에 있어서,

   상기 저널 베어링은 상기 축(A)을 횡단하고 상기 가이드 표면(22)으로 오일을 공급하기 위한 출구를 포함하는 제1 도관(31)을 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
4. 제3항에 있어서,

   상기 가이드 표면(22)은 제1 및 제2 숄더(23, 25)에 의해 축 방향의 경계가 정해지며 상기 풀리(5)가 대칭으로 작용하도록 상기 제1 도관(28)에 유동적으로 연결되는 축 방향으로 대칭하는 오목부(32)를 정의하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 숄더(23, 25) 및 상기 풀리(5) 사이에 축 방향으로 삽입되는 링(37)을 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 도관(31)은 상기 지지부(4)에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
7. 제6항에 있어서,

   상기 피봇(2)은 가압된 유체의 유량(flow rate)으로 공급되도록 적용되고 상기 제1 도관(31)에 유동적으로 연결된 제2 도관(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
8. 제7항에 있어서,

   상기 지지부(4)는 상기 제1 도관(31) 및 상기 제2 도관(28) 사이에서 오일을 통과시키는 갭(33)을 포함하는 부싱(8)에 의해 상기 핀(2)에 반경 방향으로 지지되는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 제1 및 제2 숄더(23, 25)는 탄성 링에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    축 방향에 따른 오일 누출을 막기 위한 실링 수단(16, 35)을 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
11. 제9항에 있어서,

    상기 실링 수단은 상기 지지부(4)에 의해 지탱되고 상기 핀(2)과 협력하는 O 링(35)을 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,

    상기 실링 수단은 제2 탄성 요소(12)에 의해 축 방향으로 적재되는 요소(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
13. 제12항에 있어서,

    상기 축(A)에 대해 횡 방향으로 배열되는 접촉 표면(11)과 상대 운동에 협력하는 마찰 요소(9)를 포함하며, 상기 탄성 요소(12)는 상기 마찰 요소(9) 및 상기 접촉 표면(11)과의 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
14. 제13항에 있어서,

    상기 마찰 요소(9)는 상기 접촉 표면(1)을 향하는 적어도 하나의 홈(10)을 제공하는 것을 특징으로 하는 벨트 드라이브용 텐셔너.
15. 오일-저항 벨트(oil resistant belt) 및 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 텐셔너(1)를 포함하는 벨트 트랜스미션(belt transmission)으로서,

    상기 제1 도관(31)은 각 60° 내지 130°만큼 상기 풀리(5)로 상기 벨트가 작동하는 합력보다 앞에 위치하는 것을 특징으로 하는 벨트 트랜스미션.

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