벨트 (기계)

3. 종류

벨트는 축이 정렬되지 않은 축 사이에서 동력을 전달하는 데 사용되는 저렴한 부품이다. 벨트 구동은 부드럽고 소음이 적으며, 힘과 동력 변화에 따라 모터, 하중, 베어링에 대한 충격 흡수를 제공한다. 기어나 체인 구동보다 동력 전달량이 적지만, 벨트 기술 발전으로 이전에는 체인이나 기어만 가능했던 시스템에도 벨트가 사용되고 있다.

벨트와 풀리 사이의 동력 전달은 장력 차와 벨트 속도의 곱으로 표현된다.

:$$P\; =\; (T\_1\; -\; T\_2)v,$$

:여기서 $T\_1$과 $T\_2$는 각각 벨트의 조임 측과 느슨한 측의 장력이다. 이들은 다음과 같이 관련된다.

:$$\backslash frac\{T\_1\}\{T\_2\}\; =\; e^\{\backslash mu\backslash alpha\},$$

:여기서 $\backslash mu$는 마찰 계수, $\backslash alpha$는 풀리 중심에서 접촉면이 이루는 각도(라디안)이다.

벨트는 기능과 형태에 따라 다양하게 분류된다. 다음 표는 벨트 종류에 따른 동력 손실을 나타낸다.

3. 1. 형태에 따른 분류

• '''평벨트(Flat belt)'''는 19세기와 20세기 초 공장의 라인 샤프트에서 동력을 전달하는 데 널리 사용되었다.^[4] 농업, 광업, 벌목 등 다양한 분야에서 사용되었으며, 벅소(bucksaw), 제재소, 탈곡기, 사일로 송풍기, 컨베이어 시스템, 베일러(baler), 물 펌프, 발전기 등에도 사용되었다. 평벨트는 간단한 동력 전달 시스템으로, 넓은 벨트와 큰 풀리를 사용하여 고속으로 높은 동력을 전달할 수 있지만, 부피가 크고 높은 장력이 필요하다는 단점이 있다. 오늘날에는 V벨트나 전기 모터에 의해 대체되는 추세이다. 평벨트는 풀리의 높은 쪽으로 올라가는 경향이 있어, 풀리는 약간 볼록하게 만들어진다. 또한 무거운 하중이 가해지면 미끄러지는 경향이 있어, 벨트 드레싱을 사용하여 마찰을 증가시키기도 한다. 전통적으로 가죽이나 직물로 만들어졌으나, 오늘날에는 고무나 합성 폴리머로 만들어진다.

• '''로프 구동(Rope drives)''' 방식은 19세기 중반 영국에서 개발되었으며, 로프로 연결된 다중 홈 풀리가 가죽 벨트로 연결된 평평한 풀리보다 성능이 뛰어나다는 것이 밝혀졌다. 면화, 대마, 마닐라삼 및 아마 로프가 주로 사용되었으며, 아이들러 풀리를 사용하여 장력을 유지했다. 로프 구동 방식은 정지형 증기 기관에서 공장의 잭 샤프트와 라인 샤프트로 동력을 전달하는 데 사용되었으며, 먼 거리에 걸쳐 동력을 전달하는 데에도 사용되었다.

• '''라운드 벨트(Round belt)'''는 원형 단면 벨트로, 60도 V홈이 있는 풀리에서 작동한다. 낮은 토크 상황에서 사용되며, 초기 재봉틀에 가죽 벨트가 사용되기도 했다.

• '''스프링 벨트(Spring belt)'''는 긴 강철 나선형 스프링으로 구성되며, 장난감이나 소형 모형 엔진에 주로 사용된다.

• '''V벨트(V-belt)'''는 미끄러짐과 정렬 문제를 해결한 벨트로, 현재 동력 전달을 위한 기본 벨트이다. 견인력, 이동 속도, 베어링 하중 및 긴 수명을 최적으로 결합하며, 일반적으로 무한대로 연결된다. 벨트의 "V"자 형상은 풀리의 홈에 맞춰져 벨트가 빠져나가지 않도록 하며, 하중이 증가함에 따라 쐐기처럼 박히는 경향이 있다. 다중 V벨트 구동 장치는 여러 개의 V벨트를 나란히 연결하여 고출력 ആവശ്യ에 대응할 수 있다.

• '''필름 벨트(Film belt)'''는 매우 얇은 플라스틱 또는 고무 띠 모양의 벨트로, 저전력, 고속 용도에 사용된다.

• '''타이밍 벨트(Timing belt)'''는 톱니가 있는 벨트로, 미끄러짐 없이 정확한 동력 전달이 가능하다. 캠샤프트, 소형 타이밍 시스템, 스테퍼 모터 등에 사용된다.

• '''기타'''
• '''컨베이어 벨트(Conveyor belt)''': 벨트 외면으로 벌크 물품이나 제품을 운반한다.
• '''코그드 벨트(Cogged belt, 이빨형 벨트)''': 평벨트의 미끄러짐을 없애기 위해 돌기(코그)를 설치한 것.
• '''리브 벨트(Ribbed belt)''': 평벨트의 한쪽 면에 여러 개의 리브(물결, 산)가 병렬로 있는 것.
• '''원형 벨트(Circular belt)''': 소형 전기 기기에 많이 사용된다.

3. 2. 기능에 따른 분류

• 플랫 벨트 (평벨트): 과거에는 캔버스와 같은 섬유 제품이 공장이나 농업 기계에서 널리 사용되었다.
• 컨베이어 벨트: 벨트의 바깥쪽 면을 이용하여 벌크 물품이나 제품을 운반하며, 공장의 조립 라인에도 사용된다.
• 코그드 벨트 (이빨형 벨트, 톱니 벨트): 평벨트의 미끄러짐을 방지하기 위해 돌기(코그 또는 톱니)를 설치한 벨트이다. 자동차 엔진의 타이밍 벨트나 소형 전기 기기(프린터, 플레이어 등)와 같이 정확한 동기화가 필요한 기계에 사용된다. 윤활이 필요 없어 롤러 체인을 사용할 수 없는 곳에 적용된다.
• V벨트: V자 형태의 단면을 가진 벨트로, 자동차 엔진의 팬 벨트, 보조 벨트, 스쿠터의 무단 변속기, 세탁기, 농기계 등 다양한 기기에 사용된다. 규격은 인치 단위이다. 미끄러짐을 줄이기 위해 높이를 높이고, 굽힘 저항을 줄이기 위해 안쪽에 절개를 넣은 코그 벨트도 있다. 하지만 코그 벨트는 측면 마찰력으로 힘을 전달하며, 튼튼한 이빨을 가진 코그드 벨트와는 다르다.
• 리브 벨트: 평벨트의 한쪽 면(안쪽)에 여러 개의 리브(물결, 산)가 평행하게 배열된 벨트이다. V벨트의 다중 사용을 대체하며, 얇고 가는 것은 자동차 엔진의 서펜타인 벨트, 팬 벨트, 보조 벨트 등에 사용되고, 두껍고 굵은 것은 공장에서 주로 사용된다.
  유연성이 뛰어나 자동차용 스트레치 타입은 벨트 텐셔너(장력 조정 장치)를 생략할 수 있다. 그러나 열화되어 미끄러짐이 발생하면 장력을 높여도 미끄러짐을 멈출 수 없고, 강하게 조이면 보조 기기의 베어링이 손상될 수 있으므로 교체가 필요하다.
• 원형 벨트: 소형 전기 기기(플레이어, 테이프 레코더, 비디오 데크 등)에 많이 사용되며, 크로스 걸이에 강하다. 솔리드, 중공, 코어 내장 등 다양한 형태가 있다.

4. 장점 및 단점

벨트는 축이 정렬되지 않은 경우에도 동력 전달을 할 수 있는 가장 저렴한 방법이다. 벨트와 풀리를 사용하여 동력을 전달하며, 다양한 종류가 있어 여러 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 벨트 구동은 부드럽고 소음이 적으며, 모터, 하중, 베어링에 가해지는 충격을 흡수한다. 그러나 기어나 체인 구동보다 동력 전달량이 적다는 단점이 있다.

벨트와 풀리 사이의 동력 전달은 장력 차와 벨트 속도의 곱으로 표현된다.

:$$P\; =\; (T\_1\; -\; T\_2)v,$$

:여기서 $T\_1$과 $T\_2$는 각각 벨트의 조임 측과 느슨한 측의 장력이다. 이들은 다음과 같이 관련되어 있다.

:$$\backslash frac\{T\_1\}\{T\_2\}\; =\; e^\{\backslash mu\backslash alpha\},$$

:여기서 $\backslash mu$는 마찰 계수이고, $\backslash alpha$는 풀리 중심에서 접촉면에 의해 이루어지는 각도(라디안)이다.

벨트 종류에 따른 동력 손실은 아래 표와 같다.

벨트는 다음과 같은 장점과 단점을 가진다.
장점:

• 축이 정렬되지 않아도 되는 간단하고 저렴한 방식이다.
• 과부하 및 작동 정지로부터 기계를 보호하고, 소음과 진동을 줄인다.
• 부하 변동에 따른 충격을 흡수한다.
• 윤활이 필요 없고 유지보수가 적다.
• 효율이 높고(90~98%, 일반적으로 95%), 정렬 오차에 대한 허용 오차가 크다.
• 축 사이 거리가 멀 경우 비용이 저렴하다.
• 클러치 작용을 할 수 있다. (벨트 이동 또는 장력 해제)
• 다양한 속도를 얻을 수 있다. (계단형 또는 테이퍼형 풀리 사용)
• 톱니형 벨트를 사용하면 미끄러짐과 늘어남 문제를 해결할 수 있다.
• 작동 온도 범위는 -35°C ~ 85°C이다.
• 중심 거리 조정이나 아이들러 풀리를 추가하여 마모와 늘어남을 보상해야 한다.

• 기어나 체인 구동보다 동력 전달량이 적다.
• 구매 비용이 비교적 높다.
• 특수 제작된 톱니형 풀리가 필요하다.
• 과부하, 잼, 진동으로부터 보호 기능이 없다.
• 클러치 작동이 불가능하다(마찰 구동 벨트만 가능).
• 길이 조절이 불가능하다(링크 V벨트, 체인 제외).

4. 1. 장점

• 벨트 구동 방식은 간단하고 저렴하다.
• 과부하 및 작동 정지로부터 기계를 보호하고, 소음과 진동을 줄여준다.
• 부하 변동에 따른 충격을 흡수(완충)한다.
• 윤활이 필요 없고 유지보수가 적다.
• 효율이 높고(90~98%, 일반적으로 95%), 정렬 오차에 대한 허용 오차가 높다.
• 축 사이의 거리가 멀 경우 상대적으로 비용이 저렴하다.
• 벨트를 자유 회전 풀리로 이동하거나 벨트 장력을 해제하여 클러치 작용을 할 수 있다.
• 계단형 또는 테이퍼형 풀리를 사용하여 다양한 속도를 낼 수 있다.

4. 2. 단점

• 상대적으로 높은 구매 비용
• 특수 제작된 톱니형 풀리 필요
• 과부하, 잼 및 진동으로부터 보호 기능 부족
• 클러치 작동 불가능 (마찰 구동 벨트에서만 가능)
• 고정된 길이로 인해 길이 조절 불가능 (링크 V벨트나 체인과 달리)

5. 재료

벨트는 전통적으로 가죽이나 직물로 만들어졌다. 우크라이나의 초기 제분소에는 가죽 벨트 구동 장치가 있었는데, 제1차 세계 대전 이후 신발 가죽이 부족해지자 사람들이 벨트 구동 장치를 잘라 신발을 만들기도 했다.^[5] 가죽 구동 벨트는 로디지아 부시 전쟁(1964~1979) 중 차량 바닥에 깔아 지뢰로부터 운전자를 보호하는 용도로도 사용되었다. 오늘날 대부분의 벨트 구동 장치는 고무나 합성 폴리머로 만들어진다. 가죽 벨트의 그립은 가죽의 털이 있는 면(바깥쪽)을 풀리에 대고 조립하면 더 좋아지지만, 일부 벨트는 끝을 연결하기 전에 반바퀴 꼬아(뫼비우스 띠 형성) 양쪽의 마모를 고르게 분산시키기도 한다.

V벨트는 전체적으로 고무 또는 폴리머로 균질하게 만들어지거나 강도와 강화를 위해 고무 또는 폴리머에 섬유가 포함될 수 있다. 섬유는 면, 폴리아미드(예: 나일론) 또는 폴리에스터와 같은 섬유 소재이거나, 최대 강도를 위해 강철 또는 아라미드(예: 테크노라, 트와론 또는 케블라)일 수 있다.

필름 벨트는 플라스틱, 때로는 고무로 만들어진 매우 얇은(0.5~15밀리미터 또는 100~4000마이크로미터) 띠 모양의 벨트이다.

초기에는 직물(布製)이 주를 이루었으나, 현재는 고무(ゴム)와 나일론(ナイロン) 등의 심재를 넣은 것이 주류를 이루고 있다. 원형 벨트(丸ベルト)에는 우레탄(ウレタン)제 등도 있다.

6. 벨트 걸이 방식

7. 벨트 마찰 및 장력

벨트는 축이 정렬되지 않은 상태에서도 동력을 전달할 수 있는 가장 저렴한 방법이다. 벨트 구동은 부드럽고 소음이 적으며, 충격 흡수 기능이 있어 모터, 하중, 베어링을 보호한다. 하지만 기어나 체인 구동보다 동력 전달량이 적다는 단점이 있다. 최근 벨트 엔지니어링의 발전으로 이전에는 체인이나 기어만 사용되던 시스템에도 벨트가 사용될 수 있게 되었다.

벨트와 풀리 사이의 동력 전달은 장력 차와 벨트 속도의 곱으로 표현된다.

: $$P\; =\; (T\_1\; -\; T\_2)v,$$

여기서 $T\_1$과 $T\_2$는 각각 벨트의 조임 측과 느슨한 측의 장력이다. 이들은 다음과 같은 관계를 가진다.

: $$\backslash frac\{T\_1\}\{T\_2\}\; =\; e^\{\backslash mu\backslash alpha\},$$

여기서 $\backslash mu$는 마찰 계수, $\backslash alpha$는 풀리 중심에서 접촉면이 이루는 각도(라디안)이다.

벨트 구동 장치는 구동부와 피동부 사이의 전달 속도 및 동력, 축 간 거리, 작동 조건 등을 고려하여 제작된다. 동력 방정식은 다음과 같다.

: 동력 [kW] = (토크) × (회전 속도) × (2π 라디안) / (60 s × 1000 W).

동력 조정 요소에는 속도비, 축 간 거리, 구동 장치 유형, 서비스 환경, 피동 장치 부하, 풀리-벨트 배열 등이 있다.

속도비가 크거나 중심 거리가 작으면 벨트와 풀리 사이의 접촉각이 180° 미만일 수 있다. 이 경우 동력 용량이 감소하므로, 제조업체 표를 참고하여 구동 동력을 증가시키고 선택 과정을 반복해야 한다.

벨트 구동은 마찰에 의존하지만, 과도한 마찰은 에너지 낭비와 벨트 마모의 원인이 된다. 벨트 마찰에 영향을 미치는 요인에는 벨트 장력, 접촉각, 벨트와 풀리 재료 등이 있다.

동력 전달은 벨트 장력의 함수이지만, 장력이 증가하면 벨트와 베어링의 응력(하중)도 증가한다. 이상적인 벨트는 고하중에서 미끄러지지 않는 최저 장력을 가진 벨트이다. 벨트 장력은 벨트 종류, 크기, 속도, 풀리 직경에 맞게 조정해야 한다. 타이밍 벨트는 벨트가 풀리에 접촉하도록 유지하는 데 필요한 적절한 장력만 있으면 된다.

벨트의 걸이 방식에 따라 구동축과 종동축의 회전 방향이 달라진다.

• 오픈 벨트(병렬 걸이): 종동축이 구동축과 같은 방향으로 회전한다.
• 크로스 벨트(크로스 걸이·십자 걸이·사선 걸이): 종동축이 구동축과 반대 방향으로 회전한다.
• 쿼터 턴: 축 방향을 90°(또는 그 외) 변경한다.

8. 벨트 진동 및 마모

벨트 마모의 주된 원인은 피로이다. 이러한 마모는 풀리 주위를 회전할 때 발생하는 응력으로 인해 발생한다. 높은 벨트 장력, 과도한 미끄러짐, 열악한 환경 조건, 충격, 진동 또는 벨트 슬래핑으로 인한 벨트 과부하 모두 벨트 피로의 원인이 된다.

벨트 구동 장치의 오작동은 진동 특성을 통해 연구할 수 있다. 일반적인 오작동에는 벨트 장력의 영향, 속도, 풀리 편심 및 미정렬 상태가 포함된다. 풀리 편심은 벨트 구동 장치의 진동 특성에 큰 영향을 미치지만, 진동 크기가 반드시 증가하는 것은 아니고 강한 진폭 변조가 발생한다. 벨트의 상단 부분이 공진 상태에 있으면 기계의 진동이 증가하지만, 하단 부분만 공진 상태일 때는 기계 진동의 증가가 크지 않다. 벨트의 장력이 증가하면 진동 스펙트럼은 고주파수로 이동하는 경향을 보인다.

9. 벨트 드레싱

벨트 미끄러짐은 여러 가지 방법으로 해결할 수 있다. 벨트 교체는 가장 확실한 해결책이며, 결국에는 필수적인 조치이다(어떤 벨트도 영원히 지속될 수 없으므로). 하지만 종종 교체 옵션을 실행하기 전에, 텐션 조정(풀리 중심선 조정을 통해)이나 벨트 드레싱(다양한 코팅 중 하나를 사용하여)으로 벨트의 수명을 연장하고 교체 시기를 늦출 수 있다. 벨트 드레싱은 일반적으로 벨트 표면에 붓거나, 솔로 바르거나, 떨어뜨리거나, 분무하여 퍼지도록 하는 액체이며, 벨트의 구동 표면을 재생하고 벨트와 풀리 사이의 마찰을 증가시킨다. 일부 벨트 드레싱은 어둡고 끈적끈적하며 타르나 시럽과 비슷하고, 어떤 것은 광유와 비슷하게 묽고 투명하다. 어떤 것은 자동차 부품점에서 에어로졸 캔으로 일반 대중에게 판매되고, 다른 것들은 산업용 사용자에게만 드럼으로 판매된다.

10. 국제 표준

다음은 벨트(기계)에 대한 국제 표준이다.

참조

_[1] 서적 Science and Civilization in China 1988
_[2] 서적 Science and Civilization in China 1986
_[3] 서적 Science and Civilization in China 1988
_[4] 서적 Links in the History of Engineering and Technology from Tudor Times Ayer Publishing 1971
_[5] 서적 A Russian Dance of Death: Revolution and Civil War in the Ukraine Hyperion Press 1980
_[6] 웹사이트 How to lace a flat belt http://www.farmcolle[...] Farm Collector 2009-11-30
_[7] 웹사이트 Belt lacing patterns https://web.archive.[...] North Dakota Statue Univ. 2008-11-19
_[8] 웹사이트 Flat Belt Pulleys, Belting, Splicing http://www.hitnmiss.[...] Hit N Miss Enterprises 2010-04-04
_[9] 잡지 Rope Drive for Power Transmission https://books.google[...] 1892-07
_[10] 서적 Rope-Driving: A treatise on the transmission of power by means of fibrous ropes https://archive.org/[...] Wiley 1895
_[11] 학술지 A Modern Cement Plant Installation https://books.google[...] 1902-10
_[12] 학술지 Radiator fans and their design https://books.google[...] 1916-04-15
_[13] 학술지 S.A.E. divisions exhibit activity https://books.google[...] 1916-04-15
_[14] 웹사이트 Company Overview https://www.gates.co[...] 2021-07-05
_[15] 웹사이트 V Belts https://belthubs.com[...]
_[16] 표준 DIN 7867
_[17] 웹사이트 Gates Belt I.D. Chart https://www.aimsindu[...]
_[18] 서적 Automotive Handbook Robert Bosch GmbH 1993
_[19] 웹사이트 Poly V-Belt Sizes https://ametric.com/[...]
_[20] 웹사이트 Wind Tunnel, New Technology for Ground Effect Simulation: with a 4 million Euros investment Pininfarina is ready to enter the racing world https://web.archive.[...] Pininfarina Aerodynamic and Aeroacoustic Research Center 2009-10-24
_[21] 웹사이트 International use standard https://belthubs.com[...]
_[22] 웹사이트 調帯とは https://kotobank.jp/[...]