CN101076683A - 具有摩擦轮的皮带驱动装置 - Google Patents

Abstract

皮带驱动装置(1)包括一曲轴皮带轮(4)；一辅助皮带轮(6)；一驱动带(9)围绕曲轴皮带轮(4)、辅助皮带轮(6)、水泵摩擦轮(14)上，以及一摩擦轮(17)，其具有与摩擦轮(14)和传送带(9)的带背(20)在围绕曲轴皮带轮(4)的部位协作的摩擦面(19)；摩擦轮(17)由金属制成，并具有滚花摩擦表面(19)。摩擦轮(14)包括一与摩擦轮(17)的摩擦面(19)结合的软摩擦环(25)。

Description

具有摩擦轮的皮带驱动装置

技术领域

【0001】本发明涉及一种用于车辆内燃(IC)机的、具有摩擦轮的皮带驱动装置。

背景技术

【0002】车辆内燃机通常都被连接到一电机上，通过一种辅助皮带驱动装置产生电能。已知的辅助皮带驱动装置包括一连接到内燃机曲轴上的皮带轮、一连接到电机上的皮带轮、以及多条V型皮带围绕在前述皮带轮上并可能驱动其它引擎附件(例如空调系统压缩机)的皮带驱动装置。

【0003】如人们所知，内燃机配置有冷却回路，其中在工作时，曲轴驱动的泵使适于吸收引擎产生的热量的制冷液循环，从而使引擎组件的温度保持在一个可接受的范围之内。

【0004】按照通常方案，水泵通过皮带或齿轮传动由曲轴永久地驱动。

【0005】另一种已知的方案是通过一从曲轴取力的摩擦轮和一安装在水泵轴上、并适于通过滚动摩擦相互协作的皮带轮来驱动水泵。

【0006】这种布置可用作一永久驱动装置，例如允许水泵被曲轴永久驱动，或作为一可选地可起动的驱动装置。

【0007】后者用于使内燃机在起动之后尽可能快的达到预热条件，达到减少污染排放和使引擎迅速达到最大效率的双重目的。为了达到这个目标，最近已提出适于可选择地将摩擦轮连接到水泵皮带轮和与皮带轮分离、以及特别在引擎发动直到达到预热条件时将水泵分离的控制装置。

【0008】从DE-A-10309062和EP-A-1464870得知，摩擦轮通过与辅助驱动的皮带的背面在皮带绕过曲轴皮带轮的部分滚动接触而驱动。在正常工作条件下，摩擦轮通过与皮带背面和与水泵皮带轮的摩擦共同作用。当引擎起动时，一个制动器将摩擦轮与水泵皮带轮分离并由此将水泵与曲轴分离。

【0009】DE-A-10309062公开了前述形式的驱动装置，为在恶劣的天气条件下基本上没有任何摩擦轮的滑移，从而提高传递到水泵上的力矩，其中摩擦轮周围具有橡胶或塑料制成、并具有用来排水的雕塑轮廓的摩擦环。

【0010】虽然有效地达到了减少滑移目的，使用“软”摩擦环也不可避免具有缺点。事实上，同时由皮带的背面以及水泵皮带轮传递到摩擦轮的剪切应力彼此相对并相互作用；这使摩擦环径向变形、并趋于楔入皮带的背面和水泵皮带轮之间，从而引起降低摩擦轮可靠性和寿命的异常应力。

【0011】EP-A-1 464 870公开了上面所讨论的另一种类型的皮带和摩擦轮驱动装置，其中摩擦轮由塑料材料制成，并且水泵轮具有一层软材料的衬里。虽然摩擦轮具有利于排水的雕塑外形，但没有进一步公开这种外形的细节。

【0012】使用雕塑外形(例如槽状或轮胎型外形)，特别是与使用相对皮带的背面和水泵皮带轮“硬”的材料的摩擦轮复合使用，已经证明会带来额外的问题，即涉及到特别是使用了连续的周向槽时的驱动带额外的磨损，和工作时特别是在使用周向不连续的、周期性的的周向图案时产生的噪音。

【0013】总之，在潮湿环境下进行扭矩传递，带磨损和噪音是难于一起优化的参数，因为其优化要求采取相互矛盾的措施。

发明内容

【0014】本发明的目的是在潮湿环境下提供一种高性能的皮带和摩擦轮驱动装置，并避免如上面所描述的皮带的快速磨损及噪音等附加缺陷。根据本发明，还提供了一种如权利要求1所限定的具有摩擦轮的皮带驱动装置。

附图说明

【0015】为更好的理解本发明，下面对一优选实施例进行了说明，该说明完全以不限于例子，并参考了附图，其中：

【0016】图1是根据本发明具有摩擦轮的皮带驱动装置的正视图；

【0017】图2是皮带驱动装置的组件的沿图1中II-II线的截面放大图；

【0018】图3是图1中皮带驱动装置的摩擦轮的部分剖面侧图；

【0019】图4是图3中摩擦轮的表面轮廓的局部放大图；

【0020】图5是沿图4中V-V线的截面图；

【0021】图6a是在平面摩擦轮的第一次测试中作为时间的函数的曲轴皮带轮、摩擦轮和水泵皮带轮的转速的比较图；

【0022】图6b是在第一次测试中曲轴皮带轮和摩擦轮的转速差的比较图；

【0023】图7a是对应于图6a的，根据本发明在平面摩擦轮的第二次测试中获得的图；

【0024】图7b是对应于图6b的，在第二次测试中获得的图；

【0025】图8显示的是，作为具有本发明中的皮带驱动装置和不同形式的摩擦轮的引擎速度函数的引擎产生的噪音的比较图；以及

【0026】图9显示的是具有本发明中的皮带驱动装置和不同形式的摩擦轮，作为时间函数的皮带磨损的比较图。

具体实施方式

【0027】在图1中整体上以附图标记1表示的是位于引擎车辆的内燃机3的垂直壁2附近的皮带驱动装置。

【0028】驱动装置1包括：刚性连接在引擎3的曲轴5上，并围绕曲轴5的轴线A转动的曲轴皮带轮4；连接在可反转的电机7上的皮带轮6；连接在空调系统压缩机上的皮带轮8，未示出；和围绕皮带轮4、6和8用于将曲轴5转动连接到可反转的电机7上的多条V型皮带9。

【0029】驱动装置1还包括一双臂皮带张紧器12，设置在可反转的电机7附近并作用于皮带9的各个部分13上，分别是位于皮带轮4和皮带轮6之间、以及位于皮带轮8和皮带轮6之间。

【0030】驱动装置1还包括一摩擦轮组件10，用于选择性地驱动水泵11。摩擦轮组件10包括一摩擦轮17，其适于通过滚动摩擦与皮带9的背面20在围绕曲轴皮带轮4的部位协作；以及与具有轴线D，且连接到水泵11的驱动轴15上的摩擦轮14协作。

【0031】摩擦轮组件10包括以其一端铰接在平行于轴线A的轴线B上，另一端支撑摩擦轮17的臂16，其中摩擦轮17可围绕平行于轴线B、由臂16支撑的轴线C自由转动。

【0032】臂16设置在皮带轮4和摩擦轮14之间，同时轴线B和C分别设置在相对于将皮带轮4的中心和摩擦轮14的中心连接在一起的直线相对的两侧。摩擦轮组件10还包括制动单元18，制动单元18用于相对于轴A径向地在接合位置和非接合位置移动臂16，在接合位置时，导致水泵11被驱动，在非接合位置时，水泵11从曲轴5上分离，所述接合位置是摩擦轮17同时与皮带9的背面20和摩擦轮14协作，所述非接合位置是摩擦轮17与摩擦轮14分离、但仍与皮带9的背面20接触。

【0033】摩擦轮17由压制钢件制成，并具有限定一摩擦表面19(图3)的基本为圆柱形的侧壁，该表面由滚花工艺获得，即具有通过滚压成型获得的多个压痕。

【0034】摩擦表面19的滚花图案27由直线压痕30的两个相互倾斜的、束线28、29彼此相交，形成相邻的菱形(图3和4)。各个束线由平行的，相距P的直线压痕30形成，并且两个束线28、29相对摩擦面19的母线g(图4)以相反方向倾斜。形成于各个压痕30和母线g之间的角α从15°变化到75°，并优选为从15°变化到45°。最优选地，该角为30°。在最优选的实施例中，压痕30的两束线相互交叉形成60°的β角。

【0035】在横截面中(图5)，压痕30具有圆形的底线31和光滑连接到底线31和外形顶线33的挠形侧面32，外形由摩擦面19的圆柱外表面限定。侧面32与顶线33的过渡区域34的曲率半径大于0.05mm，优选为约0.1mm。

【0036】在图5中，A和D分别代表压痕30的宽度和深度。

【0037】为在潮湿环境下获得减少滑移需求(即好的排水性)、带磨损和减小噪音产生之间好的平衡，优选利用以下关系：

A/P＝0.15-0.5(优选值：0.25)

A/D＝5-10(优选值：7，5)

P、A和D的优选值分别为1.2、0.3和0.04mm。

【0038】优选地，皮带9的背面20包括凹凸不平的抗磨表层21。抗磨表层21包括由经线和纬线交织形成一连串的凸起和凹坑的织物层22，从而形成一凹凸不平的表层并进一步提高了机械附着力。凸起和凹坑的尺寸优选为小于1毫米。

【0039】特别地，织物层22优选由针织物棉/聚酯纤维或聚合材料构成，优选为脂肪族的或芳香族的，甚至更优选地，由具有高热阻抗和高硬度的6/6聚酰胺构成。

【0040】织物层22还可以是这种类型，即各缕经线由弹性丝作为核心，至少一缕复合丝缠绕在弹性丝上，其中复合丝包括一具有高热和机械阻抗丝线和至少一缠绕在具有高热和机械阻抗丝线上的覆层丝线。

【0041】摩擦轮14包括一支撑盘24和一由弹性材料制成的摩擦环25，其周向设置在支撑盘24上并具有一摩擦面26与摩擦轮17结合。摩擦环25可围绕支撑盘24模制，或由一绕支撑盘24干涉配合的预制的环形带组成。优选地，摩擦环25由三元乙丙橡胶(EPDM)制成。摩擦环25在摩擦面26上测量具有肖氏硬度85-99，优选为肖氏硬度94。

【0042】可选地，摩擦环25的摩擦面26可由一包括上述织物22的抗磨层21(图2)所限定。

【0043】摩擦轮皮带驱动装置1的运转如下面的说明。

【0044】在引擎启动阶段，制动单元18将摩擦轮17从摩擦皮带轮14移开，同时保持与皮带9的背面20接触(分离位置)。水泵11由此与曲轴5分离。内燃机4最初由作为一启动电机的可反转电机7启动，当达到一给定速度阀值时内燃机点火。制动单元18维持摩擦轮17于分离位置直到达到内燃机的预热条件。然后制动单元18关闭，摩擦轮17设定在接合位置并同时与皮带9的背面20以及摩擦环25同时接触。

【0045】由于是钢制因此可以理解刚度大于带9和摩擦环25，摩擦轮17在接触时不会变形，也没有楔入效应。

【0046】图6a到9所示为根据本发明的具有多个操作特点的摩擦轮，与现有的摩擦轮相比的工况。

【0047】特别地，图6a，7a所示为在选择的干、湿两种条件下，在加速测试中作为时间函数的水泵14(曲线W/P)、曲轴皮带轮4(曲线C/S)、和摩擦轮17(曲线FW)的转速。为达到测试目的，摩擦轮17始终保持在接合位置。除了引擎加速后的短时间歇，水喷洒在摩擦面上以保持湿润(在图中高亮显示)。图6b、7b所示为曲轴皮带轮4和水泵皮带轮14之间的速度差或滑移，由占曲轴转速的百分比表示。

【0048】图6a，6b的测试是使用一“平”摩擦轮，即，一不具有滚花的圆柱摩擦面19；图7a、7b的测试是使用一具有根据图3-5中形式的滚花摩擦面的摩擦轮17。

【0049】通过比较所述附图可清楚看出，平摩擦轮在潮湿环境中的测试结果为约25％的滑移，而在干态环境中滑移量则迅速下降到3％。相反地，在对本发明的滚花摩擦轮的测试中，在潮湿环境中滑移量小于2％，而仅比在干态环境中的滑移量略多。

【0050】根据本发明的滚花摩擦轮17基本对水不敏感，并显示出在干湿两种环境中基本稳定的性能。

【0051】图8所示为作为引擎速度函数的噪音测量。实线、断线及点划线分别表示使用了本发明的滚花摩擦轮、“平”摩擦轮以及轮型摩擦轮的测试结果。由此可见，滚花摩擦轮噪音曲线基本上与平摩擦轮噪音曲线相同，而远优于使用轮型摩擦轮所得结果。

【0052】最后，图9所示为不同类型的摩擦轮所产生的皮带磨损量：“平”摩擦轮(圆形标记)，滚花摩擦轮(钻形标记)，轮型摩擦轮(方形标记)。该测试是在一驱动转速为6000rpm，作用在水泵皮带轮14上的制动力矩为1.8Nm，温度为100度的测试台上进行。皮带磨损量的测量项目是作为时间(h)的函数的皮带的重量损失(g)。

【0053】显而易见的是，本发明的滚花摩擦轮17使带相对于平摩擦轮，蒙受了略大的磨损(工作300h后约为1g)，但远小于会导致不可接受的磨损量(在70h的工作后已达到5g)的雕塑轮型摩擦轮。

【0054】总之，使用滚花金属摩擦轮与皮带背面以及一“软”水泵皮带轮协作使得即使在湿润环境下实现最优性能，而不以产生噪音及带磨损为代价。

【0055】另外，由于摩擦轮17整体上由金属制成，其具有可靠的耐久性和可靠性，并防止楔入效应。

【0056】另外，由于摩擦环25应用到水泵皮带轮14而不是摩擦轮17上，该环承受了摩擦轮17的剪切应力，从而限制有害应力到最小值。使用摩擦环25具有在所公开的范围内的硬度值，磨损量是可接受的，而不损害传递的力矩。

【0057】在金属摩擦轮17以及由弹性材料制造的皮带的背面20和摩擦环25的交互作用下，通过使用提高驱动的可靠性的抗磨织物21，从而实现耐久的目的。

【0058】使用滚花表面使作用在摩擦环25和皮带20背面的接触应力减少到等于传递的剪切应力。

【0059】图10和11所示为压痕30的可选截面外形。

【0060】更特别地，图10中的压痕30具有基本上V形的外形，平侧面32朝向一基本上尖底角收缩。侧面32通过一圆形的具有曲率半径为0.05-0.1mm的过渡区域34平滑连接到顶线33上。在此例中，A/D比可从0.5变化到10：压痕较小的宽度可通过较大的深度补偿，以达到可排水的目的。

【0061】图11中的压痕具有基本为矩形的横截面，具有一形成夹角的平的底线31和曲侧面32。在1到10之间的A/D比适于这种情形。

【0062】最后，对具有这里所描述和说明的摩擦轮的皮带驱动装置作出修改和改变，而不背离所附权利要求的本发明保护范围是显而易见的。

【0063】特别地，摩擦环25可填充摩擦材料，并变得比要确保带的柔软以能够围绕皮带轮4，6和8的皮带9稍软。

【0064】另外，驱动装置1可制动一传统类型的电机，或一交流电机。

【0065】摩擦轮组件10可设计成永久地驱动水泵11；在这种情况下，制动单元18可以省去。

【0066】优选的，抗磨表面层21还包括一设置在织物22外的抗磨层23。抗磨层23由外加弹性材料的氟化塑料构成，并且氟化塑料的重量百分比要大于弹性材料。

【0067】优选地，氟化塑料是聚四氟乙烯基复合材料，例如可使用ZONYLMT 1500。

【0068】优选地，弹性材料与将氟化塑料混合以形成抗磨层23的是HNBR；更优选的是聚甲基丙烯酸的锌盐变性的HNBR，例如可使用ZEOFORTE ZSC(Nippon Zeon的注册商标)。

Claims (34)

1、一种皮带驱动装置(1)，包括：

围绕第一固定轴线(A)转动并连接在内燃机曲轴上的第一皮带轮(4)；至少一第二可转动皮带轮6；围绕所述第一和第二皮带轮(4、6)并具有皮带背部(20)的传动带(9)；一摩擦轮(14)，连接到引擎附件(11)上并围绕一平行于所述第一轴线(A)的第二固定轴线(D)转动；和一摩擦轮(17)，其围绕一平行于所述第一和第二轴线(A、D)的第三轴线(C)转动，并具有与所述摩擦轮(14)和所述带(9)的所述背部(20)在围绕第一皮带轮(4)之处协作的摩擦面(19)；所述摩擦轮(14)包括一软于所述摩擦轮(17)的所述摩擦面(19)的、并与所述摩擦轮(17)的所述摩擦面(19)协作的摩擦环(25)，其特征在于所述摩擦轮(17)由金属制成，并且所述摩擦面(19)是滚花的。

2、一种如权利要求1所述的皮带驱动装置，其特征在于所述摩擦轮(17)由轧制钢制造。

3、一种如权利要求1或2所述的皮带驱动装置，其特征在于摩擦轮(17)的摩擦面(19)具有一个由直线压痕(30)的至少一束线(28，29)相对摩擦面母线(g)倾斜形成的滚花图案(27)。

4、一种如权利要求3所述的皮带驱动装置，其特征在于所述滚花图案(27)包括两个互相倾斜的直线压痕(30)的束线(28，29)彼此相交，以形成相邻的菱形。

5、一种如权利要求4所述的皮带驱动装置，其特征在于所述两个束线(28，29)反向相对摩擦面(19)的母线(g)倾斜。

6、一种如权利要求3-5中任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于各个压痕(30)与所述摩擦面(19)的母线(g)形成角(α)，该角的范围为从15°到75°。

7、一种如权利要求6中所述的皮带驱动装置，其特征在于所述角(α)的范围为从15°到45°。

8、一种如权利要求6中所述的皮带驱动装置，其特征在于所述角(α)为30°。

9、一种如权利要求5中所述的皮带驱动装置，其特征在于各束线(28，29)的压痕(30)相互交叉形成60°角。

10、一种如权利要求2-9中任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述压痕(30)在横截面的形状包括两个与顶线(33)平滑连接的侧面(32)。

11、一种如权利要求10中所述的皮带驱动装置，其中所述侧面(32)与顶线(33)形成圆形的过渡区域(34)。

12、一种如权利要求11中所述的皮带驱动装置，其特征在于所述过渡区域(34)的曲率半径大于0.05mm。

13、一种如权利要求11中所述的皮带驱动装置，其特征在于所述过渡区域(34)的曲率半径约为0.1mm。

14、一种如权利要求10-13中任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述压痕(30)的横截面外形包括一圆形底线(31)，所述侧面(32)是挠形的并平滑连接到所述底线(31)上。

15、一种如权利要求10-14中任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述压痕(30)的宽度A和距离P之间的比值A/P在0.15-0.5之间。

16、一种如权利要求15所述的皮带驱动装置，其中比值A/P约为0.25。

17、一种如权利要求10-14中任一项所述的皮带驱动装置，其中压痕(30)的宽度A和深度D之间的比值A/D在5-10之间变化。

18、一种如权利要求17所述的皮带驱动装置，其中比值A/D约为7，5。

19、一种如权利要求16和18所述的皮带驱动装置，其中所述突起(30)的距离P、宽度A、深度D分别为约1.2、0.3和0.04mm。

20、一种如权利要求10-13中任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述压痕具有基本上为V型的横截面。

21、一种如权利要求20所述的皮带驱动装置，其特征在于所述压痕(30)的宽度A和深度D之间的比值A/D在0.5-10之间变化。

22、一种如权利要求10-13中任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述压痕具有基本上矩形的横截面。

23、一种如权利要求20所述的皮带驱动装置，其特征在于所述压痕(30)的宽度A和深度D之间的比值A/D的范围为1-10。

24、一种如前面任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述摩擦环(25)和所述背部(20)中至少一个是具有压纹的。

25、一种如权利要求24所述的皮带驱动装置，其特征在于所述摩擦环(25)和所述背(20)中的至少一个包括一抗磨层(21)。

26、一种如权利要求25所述的皮带驱动装置，其特征在于所述抗磨层(21)包括织物(22)。

27、一种如权利要求26所述的皮带驱动装置，其特征在于所述织物(22)是针织物棉/聚酯纤维编织物。

28、一种如权利要求26所述的皮带驱动装置，其特征在于所述织物(22)包括由具有高热阻抗和高刚度的聚酰胺材料制成的纤维。

29、一种如权利要求26-28中任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述抗磨层(21)包括一位于所述织物(22)之外的抗磨层(23)。

30、一种如权利要求29所述的皮带驱动装置，其特征在于所述抗磨层(23)包括一聚四氟乙烯基化合物。

31、一种如前面任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述摩擦环(25)由弹性材料制成。

32、一种如权利要求31所述的皮带驱动装置，其特征在于所述摩擦环25具有85-99的肖氏硬度。

33、一种如权利要求32所述的皮带驱动装置，其特征在于所述摩擦环25具有约94的肖氏硬度。

34、一种如前面任一项所述的皮带驱动装置，其特征在于所述第三轴线(C)是可动地将所述摩擦轮(14)与所述带(9)分离。

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