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다중 베벨트: 다중 베벨트는 원형 형태를 가지며, 평형 벨트 기반부에 종방향 삼각형 베벨지가 여러 개 부착된 벨트이다(그림 1 참조). 작동면은 베벨지의 측면으로 구성되며, 이는 새로운 형태의 전동 벨트이다. 평형 벨트와 V-벨트의 장점을 모두 취하면서도 각각의 단점도 보완하여, 최근 몇 년간 점차 보급 범위가 넓어지고 있다.
Ⅰ. 다중 V-벨트 구동의 특성
1. 기존 V-벨트 구동 방식과 비교할 때, 다중 V-벨트 구동 방식은 다음과 같은 장점을 제공한다:
(1) 멀티-V벨트는 고무의 유체 비압축성을 이용하여 접촉면 전체에 걸쳐 압력을 균일하게 분산시킨다(그림 2 참조). 벨트의 V홈 표면과 풀리 홈 사이의 접촉 효율은 거의 100%에 달한다. 따라서 동일한 폭을 가진 표준 V벨트에 비해 멀티-V벨트는 30~50% 더 높은 하중을 전달할 수 있다.
(2) 멀티-V벨트는 두께가 얇기 때문에 일반 V벨트 풀리 지름의 1/3 또는 1/5 수준으로 최소 유효 풀리 지름(demin)을 가질 수 있다. 이로 인해 구조가 보다 소형화되고 제조 비용이 절감된다(demin 값은 표 2에 명시되어 있음).
(3) 멀티-V벨트 구동 방식은 벨트 길이 변화로 인한 진동, 불균등한 하중 분배, 불안정한 변속비 등 다중 V벨트 구동 방식의 한계를 효과적으로 극복한다.
(4) 멀티-V 벨트는 신장률이 낮고 과부하 시 크리프 현상이 거의 발생하지 않습니다. 벨트의 V자형 홈과 풀리 홈 사이의 상대적 움직임이 최소화되어 마찰로 인한 열 발생이 적고, 벨트 및 풀리 작동면의 수명이 길어집니다.
(5) 멀티-V 벨트는 매우 유연하고 경량이기 때문에 동력 전달 시 굴곡 및 원심력으로 인한 동력 손실이 없어 전달 효율이 높습니다.
2. 멀티-V 벨트는 평벨트 구동 방식과 동일한 유연성을 가지므로, 장력 풀리(tension pulley)를 멀티-V 벨트의 내측 또는 외측에 설치할 수 있습니다. 그러나 평벨트와 달리 작동 중 풀리에서 벗어나는 일이 없습니다. 고속 전달에 사용해야 하며, 최대 회전 속도는 10,000 r/min에 이르며, 전달 비율은 1:10까지 가능합니다.
3. 다중 V벨트 풀리 또한 동기 벨트 구동 장치와 달리 특수 공구나 장비를 필요로 하지 않아 제조 및 가공이 더 용이합니다. 설치 요구 조건도 동기 벨트보다 간단하므로 많은 공장에서 쉽게 채택할 수 있습니다. 기계적 전달 비율이 약간의 허용 오차를 허용하는 경우, 동기 벨트를 다중 V벨트로 교체하는 것은 매우 경제적입니다.
II. 다중 V벨트 및 풀리 시스템 개요
1. 다중 V벨트 모델 및 단면 치수
멀티-V 벨트는 소재에 따라 고무 및 폴리우레탄으로 분류된다. 고무 V-리브 벨트는 폴리우레탄 벨트보다 높은 내열성과 하중 지지 능력을 가지며, 보다 일반적으로 사용된다. 고무 V-리브 벨트는 표 1에 나와 있는 바와 같이 ISO/DP 9982-1988 기준에 따라 PH 분류에 속한다. PH 벨트는 주로 사무기기 및 계측기 전동 장치에 사용되며, 이는 주로 운동 전달을 위해 사용된다. PK 벨트는 자동차용 팬, 알터네이터, 워터펌프 구동 등 특정 자동차 응용 분야에서 명확한 용도를 갖는다. PJ, PL, PM 벨트는 일반 산업용 기계 전동 시스템에서 광범위하게 사용된다. 미국 및 영국 등 일부 국가에서는 멀티-V 벨트의 규격명에 H, J, K, L, M을 사용하며, 기본 벨트 크기는 표 1과 매우 유사하다. 이 중 가장 널리 사용되는 것은 J형 및 L형이다. 각 국별로 단면 치수에 약간의 차이가 있음에도 불구하고, 제품 간의 전 세계적 상호 교환성에는 지장이 없다. 다만 M형 멀티-V 벨트의 경우, 모든 국가에서 웨지 각도는 동일하게 40도이지만, 웨지 간 간격은 국가별로 다르다. 따라서 각국에서 제조된 M형 멀티-V 벨트는 항상 서로 호환되지 않을 수 있다.
벨트의 ISO 마킹은 벨트의 웨지 수, 벨트 단면의 형상 종류 및 유효 길이로 구성된다. 예를 들어, 10개의 웨지를 가진 PM형 벨트이며 유효 길이가 3550mm인 경우, 이 벨트는 '10PM3550'으로 표기되지만 영국과 미국에서는 '550M10'으로 표기된다.
벨트의 유효 길이(L) 측정에는 전용 측정 장비가 사용된다. 각 벨트 모델은 측정 시 유효 풀리 지름(d.)에 대해 고유한 값을 갖는다. 주목할 점은, ISO에서 사용하는 ‘유효 길이(L)’라는 용어가 영국 및 미국 등에서 사용되는 ‘피치 길이(Pitch Length)’라는 용어와 실질적으로 동일한 길이를 의미한다는 것이다. 즉, 두 용어 모두 유효 풀리 지름 d. 상에서 측정된 벨트의 둘레를 가리킨다. 피치 길이에 대한 동일한 표준 시리즈가 영국, 미국, 일본 및 기타 여러 국가에서 제정되었으나, ISO/DP9982에서는 제정되지 않았다.
2. 풀리 종류 및 단면 치수
멀티 V-벨트 풀리는 ISO/DP9982에 따라 5가지 유형으로 분류되며, 그 단면 치수는 그림 4 및 표 2에 제시되어 있다.
풀리의 외경(da)은 ISO에서 규정한 바에 따라 유효 지름(d.)과 같거나 다를 수 있다. 그러나 영국, 미국, 일본 등 다른 국가에서는 풀리의 외경(외경)이 피치 지름과 완전히 대응된다. 한편, ISO에서 규정한 유효 지름과 영국, 미국 등에서 사용하는 피치 지름은 실질적으로 동일한 지름이다. 벨트의 유효 길이 또는 유효 지름에 관해서는, ISO에서 이들에 대한 설명 및 규격이 엄격히 정의되어 있으며 정확하다. 그 이유는 멀티 V-벨트 풀리의 실제 피치 지름(dp)이 풀리에 벨트를 장착하고 적절히 인장한 후 벨트의 중립층 위치에 반드시 존재해야 하기 때문이다(그림 5 참조).
그림 5를 기반으로 하면, 풀리의 피치 지름에 작용하는 힘을 다음 식을 사용해 계산할 수 있음을 알 수 있다.
표 2는 유효 라인 차이를 나타낸다. △공식에서 e는 유효 라인 차이를 의미한다.
벨트의 원주 속도(V) 및 전달 비율(i)은 주로 피치 원 지름을 기준으로 계산되며, 그 식은 다음과 같다.
여기서: dp1은 소형 휠의 피치 원 지름으로, 단위는 밀리미터(mm)이며, n1은 소형 휠의 회전 속도로, 단위는 분당 회전수(rpm)이다.
해당 식에서 1과 2는 각각 소형 휠과 대형 휠을 의미한다.
전달 과정에서 벨트에 과도한 굽힘 응력이 발생하는 것을 방지하고 벨트 수명을 최소화하지 않도록 하기 위해, ISO에서는 표 2에 명시된 바와 같이 각 유형의 벨트에 대해 최소 유효 지름(dmin)을 규정하였다.
가공 시 다중 V벨트 풀리의 홈 깊이를 조정하기 위해, 홈에 끼워진 측정 막대(또는 구)의 외경(d₂)을 그림 6과 같이 결정하여야 한다. 계산 공식은 다음과 같다: d₂ = d + 2K.
단, 측정 막대(구)의 k 및 d₉ 값과 K 및 d₉ 값은 표 2에 제시되어 있다.
풀리가 da = d로 제작된 경우, d₂ = da + 2K가 된다. d₂에 대한 허용 편차는 ±0.13 mm이다.
III. 다중 V벨트 구동장치의 응용 분야
멀티-V 벨트 구동 방식은 자동차, 섬유, 화학, 국방, 가전제품 및 사무기기 등 해외의 다양한 산업 분야에서 광범위하게 사용되어 왔다. 멀티웨지 벨트 구동 방식은 다수의 V-벨트를 사용하는 장비 또는 충격 하중을 많이 받는 장비에서 기존 V-벨트 구동 방식을 대체하기에 가장 적합하다. 이에 해당하는 장비로는 잡화, 폐사, 신발 상부용 원단 절단기; 중형 섬유 기계; 피스톤 펌프 등이 있다. 또한, 휠축의 축선이 지면에 수직이거나 반교차 형태인 전동 장치에서는 V-벨트 또는 플랫 벨트 구동 방식을 멀티-V-벨트 구동 방식으로 변경할 경우 특히 뛰어난 이점을 얻을 수 있다.
멀티-V-벨트 구동 방식의 작동 파라미터는 일반적으로 다음과 같다: 회전 속도 n₁ = 200–10,000 r/min; 전달 동력 P₁ = 약 0.2 kW에서 300 kW; 변속 비율 i ≤ 10; 전달 효율은 플랫 벨트 수준에 근접하며, η ≈ 0.97이다.
멀티 V-벨트 구동 장치는 중국 내에서의 개발 전망 측면에서 상당한 어려움을 야기해 왔다. 수입 장비에 사용되는 노후된 멀티 V-벨트를 대체하는 문제는 특히 시급한 과제이다. 규격에 부합하는 멀티 V-벨트를 국내에서 생산하게 되면, 외화 지출을 크게 절감할 뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 새로운 벨트 구동 기술을 보편적으로 도입하는 데도 기여할 것이다. 이는 중국 내 벨트 제조 산업의 성장과 발전을 적극적으로 촉진할 것이다.