기계 간에 동력이 어떻게 전달되는지 궁금한 적이 있으신가요? 벨트 드라이브는 기계 공학에 혁명을 일으킨 간단하면서도 독창적인 솔루션입니다. 이 블로그 게시물에서는 기본 원리부터 다양한 응용 분야까지 벨트 드라이브의 매혹적인 세계를 살펴봅니다. 현대 기계의 필수 구성 요소인 벨트 드라이브의 수수께끼를 풀고 오늘날 우리 세상을 어떻게 변화시키고 있는지 함께 알아보세요.
벨트 드라이브는 연속적이고 유연한 벨트를 사용하여 회전 운동과 토크를 구동축에서 하나 이상의 피동축으로 전달하는 기계식 동력 전달 시스템입니다. 이 시스템은 구동 부품과 피동 부품이 공간적으로 분리되어 있어 상당한 거리를 효율적으로 동력을 전달할 수 있을 때 특히 효과적입니다.
벨트 드라이브는 몇 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다:
다른 기계식 변속기에 비해 벨트 드라이브는 몇 가지 장점이 있습니다:
하지만 벨트 드라이브에도 한계가 있습니다:
벨트 구동 시스템은 그림 8-1과 같이 구동 풀리, 구동 풀리, 양쪽 풀리에 단단히 장착된 변속 벨트, 지지 기계 프레임 등 몇 가지 주요 구성 요소로 구성된 기본적인 동력 전달 메커니즘입니다. 이러한 배열은 마찰력을 통해 한 회전축에서 다른 회전축으로 기계적 에너지 전달을 용이하게 합니다.
일반적으로 전기 모터나 엔진과 같은 동력원에 연결된 구동 풀리는 시스템의 동작을 시작합니다. 풀리가 회전하면서 풀리의 표면 마찰이 변속기 벨트와 맞물려 움직이게 됩니다. 이 움직임은 동력이 필요한 기계 또는 장치의 샤프트에 장착된 구동 풀리로 전달됩니다.
벨트 드라이브 시스템의 효율성과 성능은 여러 요인에 따라 달라집니다:
벨트 드라이브는 충격 흡수, 소음 감소, 상당한 거리까지 동력을 전달할 수 있는 등의 장점을 제공합니다. 하지만 시간이 지남에 따라 마모되고 늘어나기 때문에 주기적인 유지보수 및 교체가 필요할 수 있습니다.
1- 구동 풀리
2- 구동 풀리
3- 드라이브 벨트
벨트 드라이브는 구동 원리에 따라 마찰식 및 맞물림식으로 분류할 수 있습니다. 이 문서에서는 주로 마찰식 벨트 드라이브와 관련된 문제에 대해 설명합니다.
2.1. 마찰식 벨트 드라이브는 풀리에 단단히 고정된 구동 벨트와 풀리의 접촉면 사이에 발생하는 마찰력을 통해 운동과 동력을 전달하는 방식으로 작동합니다. 구동 벨트의 단면 모양에 따라 플랫 벨트, V 벨트, 멀티 웨지 벨트, 원형 벨트로 나눌 수 있습니다.
2.1.1 플랫 벨트의 단면은 직사각형이며 풀리와 접촉하는 안쪽 표면이 작업면입니다. 주로 같은 방향으로 회전하는 두 개의 평행한 샤프트 사이의 장거리 전송에 사용됩니다.
2.1.2 V-벨트의 단면은 사다리꼴이며, 풀리 홈에 닿는 양면이 작업 표면 역할을 합니다. 풀리 홈도 사다리꼴입니다. 쐐기 표면의 힘 분석 결과, 동일한 장력과 마찰 계수 조건에서 V벨트에 의해 발생하는 마찰력이 플랫벨트보다 더 큰 것으로 나타났습니다.
따라서 V-벨트는 더 강력한 전달 능력과 더 컴팩트한 구조를 가지고 있어 기계식 변속기에 널리 사용됩니다. V-벨트는 상대적인 폭과 높이에 따라 일반 V-벨트, 좁은 V-벨트, 넓은 V-벨트, 자동차 V-벨트, 코그드 V-벨트, 하이 앵글 V-벨트 등의 유형으로 더 세분화할 수 있습니다. 현재 일반 V벨트가 가장 널리 사용되고 있습니다.
2.1.3 플랫 벨트와 다중 V 벨트의 하이브리드인 멀티 웨지 벨트는 두 벨트의 장점을 결합한 것으로, 컴팩트한 구조가 필요한 대형 동력 전달 시스템에서 자주 사용됩니다.
2.1.4 원형 벨트의 단면은 원형이며 재봉틀 및 악기와 같은 저속, 저전력 전송에만 사용됩니다.
2.2 메시 벨트 드라이브는 벨트의 톱니와 풀리의 톱니가 맞물려 동작과 동력을 전달합니다. 그리고 동기식 벨트 드라이브가 대표적인 예입니다(그림 8-3 참조).
동기식 벨트는 마찰 벨트 변속기의 장점을 유지하면서 높은 동력 전달과 정밀한 기어비를 제공하며 테이프 레코더, 식품 믹서, CNC 공작 기계 및 섬유 기계와 같이 부드러운 전달과 고정밀이 필요한 상황에서 자주 사용됩니다. 동기식 벨트의 단면은 직사각형이며 벨트 안쪽 표면은 톱니 모양입니다.
마찰 구동 벨트의 구조와 달리 동기식 벨트의 강도층은 대부분 강철 와이어 로프로 구성되어 있어 하중 하에서 변형이 적습니다. 동기식 풀리의 가장자리도 인벌 류트 기어에 의한 생성 공정을 사용하여 생산되는 벨트 내부 표면에 해당하는 인벌 류트 톱니 모양으로 제조됩니다. 절단 도구. 따라서 풀리 톱니의 치수는 사용되는 절삭 공구의 크기에 따라 달라집니다.
벨트 드라이브는 탄성이 뛰어나 진동을 효과적으로 완충하고 흡수하여 소음 발생을 최소화하면서 원활한 동력 전달을 보장합니다. 과부하 상태에서는 벨트와 풀리 사이의 미끄러짐을 제어하여 다른 구동계 구성품의 잠재적 손상을 방지하는 보호 메커니즘 역할을 합니다. 벨트 전송 시스템의 단순성은 제조, 설치 및 유지보수를 용이하게 하여 비용 효율적인 동력 전달 솔루션을 제공합니다.
작동 중 변속기 벨트는 탄성 미끄러짐이 발생하여 변속비에 약간의 변화가 생길 수 있습니다. 이 현상은 일반적으로 관리할 수 있지만, 엄격하게 일정한 속도 비율을 유지하는 데 방해가 됩니다. 벨트 드라이브는 일반적으로 다른 동력 전달 방식에 비해 전체 치수가 더 크기 때문에 전송 효율이 약간 떨어질 수 있습니다. 따라서 벨트 전송 시스템은 50kW 이하의 동력 전달 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되며, 최적의 벨트 속도는 5~25m/s 범위입니다. 효율적인 작동을 위해 권장되는 전송 비율은 5:1을 초과하지 않아야 합니다. 적절한 설계 및 유지보수 조건 하에서 벨트 구동 시스템은 92%에서 97% 사이의 효율을 달성할 수 있습니다.
벨트 드라이브는 탄성 변형이 동력 전달 및 시스템 신뢰성에 중요한 역할을 하는 동적 조건에서 작동합니다. 엘라스토머 소재와 강화 섬유로 구성된 구동 벨트는 하중을 받으면 점탄성 거동을 보입니다. 장력이 가해지면 벨트는 탄성 스트레칭을 겪으며 변형의 크기는 적용된 장력에 정비례합니다.
작동 중에는 벨트의 팽팽한 쪽(F1)과 느슨한 쪽(F2) 사이에 장력 차이가 존재하며 F1 > F2가 됩니다. 이러한 장력 불균형으로 인해 벨트 길이에 따라 탄성이 균일하지 않게 늘어납니다. 팽팽한 쪽은 더 높은 인장 응력으로 인해 더 큰 신장을 경험하는 반면, 느슨한 쪽은 상대적으로 더 적은 신축성을 나타냅니다. 이러한 차이 스트레칭은 벨트가 동력을 효율적으로 전달하는 능력의 기본입니다.
벨트의 탄성 특성은 또한 두 가지 중요한 현상에 기여합니다:
탄성 미끄러짐은 벨트 구동 작동의 본질적인 현상으로, 구동 벨트의 작동 주기 동안 필연적으로 발생합니다. 이 복잡한 동작은 벨트 소재의 탄성 특성과 벨트 경로를 따라 발생하는 다양한 장력 때문에 발생합니다.
구동 벨트의 팽팽한 면이 A 지점에서 구동 풀리와 맞물리면서 벨트 속도(v)는 처음에 풀리 1의 원주 속도(v1)와 일치합니다. 그러나 풀리 1이 A 지점에서 B 지점으로 회전함에 따라 벨트의 장력이 F1에서 F2로 점차 감소하여 탄성 연신율이 그에 상응하여 감소합니다. 이렇게 벨트가 점진적으로 짧아지면 풀리 면을 따라 미세한 후방 상대 미끄러짐이 발생하여 벨트 속도(v)가 풀리 1의 원주 속도(v1)보다 약간 작아지게 됩니다.
반대로 벨트가 진입 지점 C에서 출구 지점 D까지 구동 풀리 2와 인터페이스할 때 마찰로 인한 힘으로 인해 벨트 장력이 F2에서 F1으로 다시 증가합니다. 이 장력 증가는 벨트의 점진적인 연장으로 이어집니다. 결과적으로 풀리 2의 표면에 작은 전방 상대 미끄러짐이 발생하여 벨트 속도(v)가 풀리 2의 각속도(v2)를 약간 초과하는 결과가 발생합니다. 구동 벨트의 탄성 변형으로 인한 이러한 차동 미끄러짐을 탄성 미끄러짐이라고 합니다.
탄력적 미끄러짐의 의미는 중요합니다:
탄성 미끄러짐의 영향을 완화하기 위해 엔지니어는 벨트 장력 최적화, 탄성이 감소된 적절한 벨트 소재 선택, 중요 애플리케이션에 액티브 텐션 시스템 구현과 같은 전략을 사용할 수 있습니다. 다양한 산업 분야에서 효율적이고 안정적인 벨트 구동 시스템을 설계하고 유지보수하려면 탄성 미끄러짐에 대한 이해와 고려가 중요합니다.
벨트 구동 시스템의 작동 중 주요 고장 모드는 풀리에서의 벨트 미끄러짐, 벨트 마모 가속화, 피로로 인한 고장입니다. 이러한 각 모드는 시스템 성능과 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다:
또한 덜 일반적이지만 똑같이 중요한 장애 모드도 있습니다:
2.1 미끄러짐
벨트 드라이브는 마찰에 의해 작동합니다. 초기 장력 F₀가 일정할 때 유효 원주력 F가 벨트와 휠 표면 사이의 한계 마찰력을 초과하면 벨트가 휠 표면에서 미끄러지는 현상인 미끄러짐이 뚜렷하게 나타나게 됩니다.
벨트가 미끄러지면 구동 풀리는 계속 회전하지만 구동 풀리와 벨트 모두 상당한 속도 손실이 발생하거나 심지어 완전히 멈출 수도 있습니다. 미끄러짐은 구동 고장을 일으키고 벨트 마모를 악화시키므로 해로운 현상입니다. 정상 작동 중에는 미끄러짐을 방지해야 합니다.
탄성 슬라이딩과 미끄러짐은 뚜렷하게 다른 두 가지 개념입니다. 그 차이점은 표 8-1에 요약되어 있습니다.
표 8-1 탄성 슬라이딩과 미끄러짐의 차이점
항목 | 탄력적인 슬라이딩 | 미끄러짐 |
현상 | 로컬 휠 표면의 로컬 벨트 슬라이딩 | 전체 접촉 호에서 벨트와 휠 표면 사이에 상대적인 슬라이딩이 발생합니다. |
발생 원인 | 벨트 양쪽의 장력 차이 | 유효 당기는 힘이 벨트와 휠 표면 사이의 최종 마찰력에 도달하거나 이를 초과합니다. |
결론 | 불가피한 | 피할 수 있음 |
2.2 피로 실패 의 벨트
변속기 벨트에 가해지는 응력은 작동에 따라 변화하여 교대 응력을 형성합니다. 회전 속도가 빠르고 벨트가 짧을수록 단위 시간당 벨트가 풀리를 더 자주 감싸게 되어 응력의 변화가 더 자주 발생합니다. 시간이 지남에 따라 교번 응력의 반복적인 영향으로 벨트가 박리되고 찢어져 궁극적으로 피로 고장을 일으켜 변속기 고장을 초래할 수 있습니다.
변속기 벨트는 풀리에 설치될 때 벨트 드라이브의 정상적인 작동을 보장하기 위해 일정한 장력을 가져야 합니다. 그러나 일정 기간 작동하면 벨트의 소성 변형으로 인해 느슨해져 초기 장력이 점차 감소하고 벨트의 하중 지지력이 감소할 수 있습니다.
변속기 벨트의 초기 장력을 제어하고 벨트 드라이브의 작동 성능을 보장하려면 적절한 장력 조절 장치를 사용해야 합니다. 일반적으로 사용되는 몇 가지 장력 조절 장치가 그림 8-11에 나와 있습니다.
수평으로 배열되거나 적당히 경사진 벨트 드라이브에서는 그림 8-11(a)와 같은 장력 조절 장치를 사용할 수 있습니다. 풀리가 장착된 모터의 위치는 나사를 사용하여 조정할 수 있습니다. 중심 거리를 눌러 장력을 조절할 수 있습니다. 조정 방법은 슬라이드 레일에 모터를 장착하고 벨트의 초기 장력을 조정하는 동안 조정 나사를 사용하여 모터를 원하는 위치로 밀어 넣는 것입니다.
수직 또는 수직에 가까운 벨트 드라이브에서는 그림 8-11(b)와 같은 텐셔닝 장치를 사용할 수 있습니다. 스윙 프레임(모터 샤프트 중심)의 위치를 조정하여 중심 거리를 늘려 텐셔닝을 달성합니다. 조정 방법은 나사의 너트를 조정하여 기계 베이스가 고정된 지지축을 중심으로 흔들리도록 하여 초기 장력을 조정하는 것입니다. 위치가 조정되면 너트를 잠가야 합니다.
그림 8-11(c)는 풀리가 장착된 모터가 플로팅 스윙 프레임에 장착된 자동 텐셔닝 장치를 보여줍니다. 모터와 스윙 프레임의 무게를 이용하여 풀리와 모터가 고정된 지지축을 중심으로 흔들리면서 중심 거리를 자동으로 조정하여 장력을 확보합니다. 이 방식은 일반적으로 동력 전달이 적고 수직에 가까운 배치의 벨트 드라이브에 사용됩니다.
그림 8-11(e)는 텐셔닝 휠이 무게로 인해 벨트를 자동으로 눌러 장력을 발생시키는 것을 보여줍니다. 이 방식은 변속비가 크고 중심 거리가 작은 플랫 벨트 드라이브에 자주 사용되며 벨트의 수명에 큰 영향을 미칩니다.
벨트 드라이브의 중심 거리를 조정할 수 없는 경우 그림 8-11(d)와 같이 장력 풀리를 사용하여 벨트에 장력을 가할 수 있습니다. 장력 풀리는 일반적으로 벨트가 단방향으로 구부러질 수 있도록 느슨한 쪽의 안쪽에 설치됩니다. 작은 풀리의 랩 각도가 과도하게 감소하는 것을 방지하려면 텐션 풀리를 큰 풀리에 가능한 한 가깝게 설치해야 합니다.
1. V벨트의 선형 속도는 초당 25미터를 초과해서는 안 되며, 플랫 벨트의 선형 속도는 일반적으로 초당 10~20미터입니다. 특별한 경우에는 줄일 수 있습니다. 벨트 선형 속도는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:
V = πDn/60 x 1000(미터/초)
어디
2. 작은 벨트 풀리가 초당 플랫 벨트를 통과하는 횟수인 C는 3~5회를 초과하지 않아야 하며, V 벨트의 경우 20회를 초과하지 않아야 합니다.
C = V/L(횟수/초)
여기서 L- 벨트 길이(m)
3. 소형 V 벨트 풀리의 랩 각도는 120°(플랫 벨트의 경우 150°) 이상이어야 하며, 그렇지 않으면 두 벨트 풀리 사이의 직경 차이를 줄이거나 중심 거리를 늘리거나 압력 풀리를 설치해야 합니다.
4. 작은 벨트 풀리의 직경이 너무 작아 벨트가 과도하게 구부러져 수명이 단축되는 것을 방지해야 합니다.
플랫 벨트 드라이브의 경우, 소형 벨트 풀리의 직경은 일반적으로 천 테이프 두께의 25~30배 이상이어야 합니다.
소형 플랫 벨트 풀리의 최소 직경인 D_min은 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:
D분 = C³√N / n1 (mm)
어디
V-벨트 드라이브의 경우 소형 V-벨트 풀리의 직경은 다음 값보다 작아야 합니다. 그렇지 않으면 랩 각도가 충분하지 않아 벨트가 미끄러지거나 손상되기 쉽습니다.
V-벨트 모델 | O | A | B | C | D | E | F |
소형 풀리의 최소 직경(mm) | 70 | 100 | 148 | 200 | 315 | 500 | 800 |
5. 플랫 벨트 풀리의 중심 거리는 두 바퀴 직경의 합의 2배 이상이어야 하며, V 벨트 풀리의 중심 거리는 두 바퀴 직경의 합의 절반 이상이어야 하지만 합의 2배를 초과해서는 안 됩니다.
6. 벨트 길이 L은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:
L=2A + π/2(D1+D2) + (D2-D1)²/4A [mm(개방형 전송)]]
공식에서 A는 두 벨트 풀리 사이의 중심 거리(mm)를 나타내고, D2와 D1은 각각 대형 및 소형 벨트 풀리의 직경(mm)을 나타냅니다.
7. 벨트의 초기 장력은 벨트 단면적 평방 센티미터당 약 16~18kg의 힘으로 조여야 합니다.
1. 플랫 벨트 전송의 경우 전송에 사용되는 동력과 벨트의 선형 속도를 기준으로 벨트의 단면적은 계산할 수 있습니다.
F=P/K(cm²)
이 공식에서,
K는 실제 유효 응력(kg/cm²)을 나타냅니다. 고무 벨트의 경우 K는 10-25kg/cm² 범위 내에서 선택할 수 있습니다. 선형 속도가 빠르고, 하중 충격이 크고, 시작 하중이 크고, 연속 작업 시간이 길고, 랩 각도가 작은 경우 더 작은 값을 선택할 수 있으며, 그렇지 않은 경우 더 큰 값을 선택할 수 있습니다.
계산된 단면적에 따라 벨트의 폭과 두께를 결정할 수 있습니다. 벨트의 각 층 두께가 약 1.2mm인 경우 평평한 벨트의 층 수를 대략적으로 계산할 수 있습니다.
2. V-벨트 전송의 경우 다음 표를 참조하여 전송되는 전력에 따라 V-벨트 유형을 결정하세요.
다양한 유형의 V-벨트에 적용할 수 있는 전력 범위입니다.
전력 전송(kW) | 0.4-0.75 | 0.75-2.2 | 2.2-3.7 | 3.7-7.5 | 7.5-20 | 20-40 | 40-75 | 75-150 | 150 이상 |
권장 모델 | O | O、A | O,A,B | A,B | B,C | C,D | D,E | E,F | F |
V-벨트의 개수인 Z는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:
Z = N / (Z0 * C1 * C2) ^ 0.5
Where:
벨트 랩 각도 a° | 180 | 170 | 160 | 150 | 140 | 130 | 120 | 110 | 100 |
C1 | 1.0 | 0.97 | 0.94 | 0.91 | 0.88 | 0.85 | 0.82 | 0.79 | 0.76 |
C2 - 작업 조건 계수; 0.6-0.7.
V-벨트 풀리 홈의 치수(그림 참조)는 아래 표에서 확인할 수 있습니다.
단일 V-벨트에 의해 전송되는 전력(kW).
모델 | 소형 벨트 풀리 직경 D1(mm) | 벨트 속도(m/s) | |||
5 | 10 | 15 | 20 | ||
O | 50~63 | 0.31 | 0.59 | 0.88 | 1.07 |
80 | 0.38 | 0.74 | 1.04 | 1.29 | |
>90 | 0.42 | 0.82 | 1.14 | 1.40 | |
A | 80~90 | 0.59 | 1.04 | 1.32 | 1.33 |
100 | 0.66 | 1.18 | 1.51 | 1.64 | |
>125 | 0.81 | 1.47 | 1.87 | 2.21 | |
B | 125 | 1.02 | 1.84 | 2.43 | 2.58 |
140 | 1.12 | 2.06 | 2.80 | 3.10 | |
>180 | 1.32 | 2.41 | 3.28 | 3.94 | |
C | 2OO | 1.98 | 3.60 | 4.80 | 5.52 |
250 | 2.41 | 4.45 | 6.14 | 7.00 | |
>280 | 2.67 | 4.95 | 6.77 | 7.72 | |
D | 315 | 3.98 | 7.00 | 9.20 | 9.95 |
400 | 5.07 | 9.10 | 12.30 | 14.40 | |
>450 | 5.45 | 9.95 | 13.30 | 15.40 |
V-벨트 풀리 홈의 치수 다이어그램
변속비를 계산할 때 풀리의 직경은 휠의 바깥쪽 가장자리가 아닌 다이어그램의 위치 D를 의미합니다. 또한 벨트의 미끄러짐이 1%라는 점을 고려하세요.
V-벨트 풀리 홈의 치수입니다:
홈 치수(mm) | 모델 | ||||||
O | A | B | C | D | E | F | |
a | 10 | 13 | 17 | 22 | 32 | 38 | 50 |
ι | 10 | 13 | 17 | 22 | 30 | 36 | 48 |
c | 3 | 4 | 5 | 7 | 9 | 12 | 16 |
t | 12 | 16 | 21 | 27 | 38 | 44 | 58 |
s | 9 | 12 | 15 | 18 | 23 | 26 | 32 |
해당 슬롯 각도 φ | V-벨트 풀리의 최소 직경(밀리미터) | ||||||
34° | 70 | 100 | 148 | 200 | 315 | 500 | 800 |
36° | 90 | 125 | 180 | 250 | 400 | 710 | 1000 |
38° | ≥112 | ≥160 | ≥225 | ≥315 | ≥500 | ≥800 | ≥1250 |