CN1059588A

CN1059588A - 齿形带

Info

Publication number: CN1059588A
Application number: CN91105017A
Authority: CN
Inventors: 横井淳二
Original assignee: Unitta Co Ltd
Current assignee: Unitta Co Ltd
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 1992-03-18
Anticipated expiration: 2006-06-13
Also published as: EP0461865B1; JPH0446240A; US5209961A; KR0167785B1; CN1027392C; DE69109371T2; KR920001100A; DE69109371D1; JP3009427B2; EP0461865A1

Abstract

本发明的齿形带包括，由氢化率为90％或更高的丙烯腈-丁二烯共聚物(NBR)制造的背表面部分和齿部分；覆盖齿部分和齿底表面的齿覆盖层，齿覆盖层由粘度相当于2.45-2.53硫酸粘度的工业尼龙纤维原料制造，其拉伸强度为5克/旦或更高，单纤维细度为5旦或更小，用间苯二酚-甲醛乳液(RFL) 处理，其中间苯二酚-甲醛树脂与作为胶乳组分的氢化NBR混合；和芯直径为0.63-0.85mm的芯纤维，该芯纤维由高强度的拧成束的玻璃纤维制成。

Description

本发明涉及齿形带，例如，用于传动汽车的上凸轮轴（OHC）;更特别的是，本发明涉及在严酷运转条件下，使用寿命长，耐久性极好的齿形带。

不象平皮带，V形皮带或同类型的传动带，齿形带不打滑，因此具有高传动效率。而且，与传动装置象齿轮，链条等装置相比较，齿形带具有噪音低的优点。因此，齿形带同时也可以用于汽车的上凸轮轴（OHC）这种场合，而且齿形带的应用正在不断增加。

按照惯例，齿形带的构成如图1所示，其包括背表面部分1和齿部分2，它们由弹性材料例如橡胶制成，齿覆盖层3复盖齿部分2和齿底5的表面，齿底5置于两相邻的齿部分2之间，齿覆盖层3可以防止皮带与皮带轮之间摩擦产生的擦伤，多个芯部纤维4沿纵向穿过背表面部分1的内侧，与齿覆盖层3相接触。

例如，采用这种结构的齿形带同时驱动汽车的上凸轮轴。用于驱动上凸轮轴的齿形带在高速、高负载和高温条件下运动。尤其是近来高输出功率的汽车引擎正在发展，其中采用的齿形带以更高的速度运动，而且引擎温度增高。在这种条件下使用齿形带时，由于皮带与皮带轮的接触摩擦，加速了复盖齿形带齿底部的齿覆盖层的磨损。同时，由于齿形带暴露于高温条件下，齿覆盖层退化。当齿形带环绕若干个皮带轮时，齿形带在具有多处弯曲的状态下运动。因为在高温条件下，采用齿形带驱动上凸轮轴，弹性材料，例如橡胶等等，被用于构成背表面部分1和齿部分2，它们产生老化，因而导致皮带断裂。因为在高负载条件下，以高速运动，与皮带轮接触的齿覆盖层3的磨损量非常大，使其易于导致断裂，撕裂等结果。同样，与皮带轮相配合的齿部分2受高压力作用，使其易于产生断裂、撕裂等现象，导致齿形带损坏。而且，当齿形带在具有多处弯曲状态下运动时，由多个皮带轮使齿形带弯曲，齿形带的弯曲部分增多，以致由于摩擦在芯部纤维4和弹性材料之间产生内热，弹性材料由背表面部分1和齿部分2形成，内热导致芯部纤维和弹性材料加速老化。如上所述，在严酷条件下采用齿形带驱动上凸轮轴，存在着耐久性和使用寿命的问题。

耐久性极好的齿形带已由日本特许公开昭62-159827和64-87937提出。在日本特许公开昭62-159827中公开的齿形带采用了经过氢化的丙烯腈-丁二烯共聚物（NBR），这种共聚物中的氢化率达80%或更高，用NBR共聚物制作背表面部分1和齿部分2。用工业尼龙纤维原料制作齿覆盖层3，这种纤维的粘度相当于2.6～2.8硫酸的粘度，拉伸强度为5克/旦或更高，单根纤维的细度为5旦或更小。而且，用预定数量的玻璃纤维单丝拧绕成纤维束制造芯部纤维4，芯部纤维的直径相对于齿覆盖层厚度尺寸设定在一定范围内。如上所述的齿形带结构可以显著改善耐久性，并且在高负载条件下以高速长时间稳定运动。

但是，当这种齿形带用于驱动汽车的上凸轮轴时，存在着下列问题：因为在严酷条件下运行，不能获得满意的耐久性;与应用于引擎系统相比较，使用寿命减短。尤其是近来高输出功率的汽车引擎得到发展，以致齿形带在高速和引擎温度升高的条件下运动。当齿形带用于这种条件下时，由于齿形带与皮带轮接触，使复盖齿形带齿底部的齿覆盖层的磨损加剧。同时，由于齿形带暴露于高温环境中，加速齿覆盖层退化。当齿形带运动时，施加的作用力集中在齿根部分，易于使齿根部分产生弯曲。因此，在这种条件下，齿形带的运动使齿根部的齿覆盖层产生断裂，而且，齿形带的齿部分受到损坏。

如上所述，在引擎舱内使用的齿形带在高温条件下高速运动，由于齿覆盖层退化，导致齿形带损坏。

还有，用罩密封引擎舱的内部，但是密封性能不能完全得到保证。因此，水、砂、泥浆或灰尘等（下碳称为环境杂质）侵入引擎舱中，它们与引擎舱中的油或同类物有可能一同附着在齿形带上。当这些环境杂质侵入齿底5处的齿覆盖层3和皮带轮之间时，加剧齿覆盖层的磨损。这种齿覆盖层3的磨损比在上述严酷条件下的磨损得更快，以致在齿根部的齿覆盖层可能产生断裂。齿覆盖层3的磨损加剧引起芯部纤维4损坏，在这之前芯部纤维直接与齿覆盖层3接触。这些现象导致齿部分2损坏，芯部纤维4被破坏，等等。因为在严酷条件下，例如高温条件下，由环境杂质引起的齿形带损坏比想象得更快，可以预料，如热疲劳和弯曲疲劳这些因素对齿形带的损坏速率存在着某些影响。

如上所述，对于应用于汽车引擎的齿形带，为了改善其使用寿命，防止由环境杂质引起齿形带损坏是极其重要的。由于这个道理，必须改善齿形带的抗热性，抗弯曲能力，抗磨损性、强度、以及芯部纤维与背表面部分之间的粘接性。

鉴于目前高输出功率的汽车引擎正在进一步发展，背表面部分1和齿部分2会暴露于高温环境中。因此，构成背表面部分和齿部分的橡胶材料需要有很强的抗热性。

为了减少芯部纤维4与构成背表面部分1和齿部分2的橡胶材料之间的摩擦产生的热，还有芯部纤维4与齿覆盖层3之间的摩擦产生的热，以及芯部纤维4本身（构成芯部纤维的单根纤维之间的摩擦）产生的热，通常最好使芯部纤维4的直径减小。但是，当齿形带中的芯部纤维直径减小时，芯部纤维4自身的强度降低，并且不能获得足够的拉伸强度。因此，必须采用细度小，但是具有足够拉伸强度的芯部纤维4。

齿覆盖层3直接与皮带轮接触，在环境杂质的作用下，必然受环境影响，所以齿覆盖层3的条种机械性能对于齿形带的全部特性有重要影响。此外，如果不用综合机械性能比较好的工业材料制作齿覆盖层3，齿形带就不能获得极好的适应环境的性能。

还有，当考虑到齿覆盖层3与皮带轮配合接触时，存在着齿覆盖层3的厚度受芯部纤维4的直径限制的问题。为了使齿覆盖层3与皮带轮之间获得恰当的配合接触，齿覆盖层3的厚度和齿底部的芯部纤维4的直径必须在预定的范围内。此外，当齿覆盖层3的厚度增大，齿覆盖层3的机械强度得到改善。但是，考虑到齿覆盖层3与皮带轮配合接触，芯部纤维4的直径必须减小。为了增大齿覆盖层3的厚度，芯部4的直径必须减小。由于使芯部纤维4的直径减小，齿形带自身的弯曲刚度降低，因此在齿根部齿覆盖层3的弯曲疲劳性能得到改善。当芯部纤维4的直径减小，在齿底部，芯部纤维4和构成背表面部分1和齿部分2的橡胶材料之间的接触区域变小。另一方面，橡胶材料和齿覆盖层3之间的接触区域增加，每个芯部纤维4位于相互接触的橡胶材料和齿覆盖层3之间。

特别是，当芯部纤维4用玻璃纤维制造时，玻璃纤维的弹性大大低于橡胶材料。这样，当齿形带与皮带轮配合连接时，产生的冲击力不能由芯部的玻璃纤维本身吸收。但是，如上所述，当橡胶材料和齿覆盖层3之间的接触区域增加时，由皮带轮产生的冲击由橡胶材料吸收，而且使作用到芯部纤维4的冲击力减轻。以同样方式，由于齿形带与皮带轮配合接触，产生作用于齿覆盖层3的冲击力，这个冲击力由与齿覆盖层3相接触的橡胶材料吸收。所以，齿覆盖层3本身的耐久性得到改善。当环境杂质介入齿覆盖层3和皮带轮之间时，作用于齿覆盖层3，芯部纤维4，以及橡胶材料上的冲击力进一步增大。但是，由于齿覆盖层3和橡胶材料之间的接触区域增大，所以，与现有技术相比，冲击力被橡胶材料吸收，而且齿覆盖层3和芯部纤维4的耐久性得到进一步改善。

发明人从他们的实验结果中发现，如果用弹性材料制造背表面部分1和齿部分2，用齿覆盖层3复盖齿部分2和齿底5，以及通过结合选定的材料制造出芯部纤维4，齿形带自身的耐久性能够得到显著改善。

本发明的齿形带克服了上述齿形带中存在的缺点和已有技术中存在的其他缺陷，其包括：

由氢化率达到90%或更高的丙烯腈-丁二烯共聚物（NBR）制造背表面部分和齿部分;

齿覆盖层复盖齿部分和齿底的表面，齿覆盖层由工业尼龙纤维原料制成，这种纤维的粘度相当于2.45～2.53的硫酸的粘度，拉伸强度为5克/旦或更高，单根纤维的细度为5旦或更小，并且用间苯二酚-甲醛乳液（RFL）进行处理，在乳液中，间苯二酚-甲醛树脂与作为乳化剂的、经过氢化的NBR共聚物相混合;并且

芯部纤维的芯部直径为0.63～0.85毫米，由高强度玻璃纤维拧绕成纤维束制成芯部纤维。

在优选的实施例中，齿形带用于驱动汽车的上凸轮轴。

在优选的实施例中，背表面部分和齿部分用经过氢化的NBR共聚物制造，用过氧化物进行硫化处理。

因此，根据本文对本发明的描述，由本发明提供的齿形带能够达到所述的发明目的，即显著改善齿形带的耐久性，特别是，对于环境杂质具有极好的耐久性，以及能够在重负荷条件下，以高速长时间稳定运转。

参照附图，本专业的普通技术人员可以比较清楚地理解本发明，并且了解本发明的目的和优点。

图1是表示齿形带的局部剖视示意图。

图2是表示双轴传动测试系统的示意图。

图3是表示三轴传动测试系统的示意图。

图4是表示传动带呈多弯曲状的传动测试系统示意图。

下面描述本发明的实施例。

本发明的齿形带的外形轮廓与图1所示常规齿形带的外轮廓相同，其包括背表面部分1，齿部分2，覆盖齿部分2和齿底部分5的表面的齿覆盖层3，以及多根穿过背表面部分1内侧的芯部纤维4。各芯部纤维4与齿覆盖层3相接触。

例如，背表面部分1和齿部分2由丙烯腈-丁二烯共聚物（NBR）制成，这种共聚物中具有90%或更高比例的物质被氢化，并且用过氧化物进行硫化。采用其中90%或更高比例的物质被氢化的NBR共聚物可以改善抗热性和抗臭氧性等，此外材料的抗热固性，防止材料内部产生热、冷和油的性能极佳。而且，采用NBR共聚物，齿覆盖层3和每一根芯部纤维4的粘接性能非常好。因此，NBR共聚物是比较好的用于制造齿形带中背表面部分1和齿部分2的弹性材料。

用于制造背表面部分1和齿部分2的NBR共聚物不限于用过氧化物进行硫化，而且可以用硫进行硫化。与采用硫进行硫化处理的NBR共聚物相比较，用过氧化物进行硫化的NBR共聚物具有下列特征：采用过氧化物进行硫化的NBR共聚物其拉伸强度比用硫进行硫化的NBR共聚物的好;而且拉伸量低，弹性模量高;永久性拉伸量小，抗撕裂强度高，运动中产生的热量值和低温下的弯曲性能令人满意;特别在高温大气条件或热油中，永久性压缩变形小;抗热老化性能和在蒸汽或热油条件下的抗老化性能特别好。由于上述这些特性，当传动带用于汽车的上凸轮轴（OHC）的传动时，用过氧化物进行硫化的，并且经过氢化的NBR共聚物特别适用。

由工业尼龙纤维原料构成的织物用于制作齿覆盖层3。该工业尼龙纤维原料具有与2.45～2.53的硫酸相当的粘滞性。与硫酸的粘滞性相当的尼龙纤维原料的粘滞性很高，这意味着用于制作覆盖层的尼龙树脂原料的聚合程度也很高，即使用这种树脂制造的织物的拉伸性得到改善，其弯曲疲劳性能还是比较低。因此，粘滞性相当于2.45～2.53的硫酸，这种粘滞性是比较好的选择。

采用的工业尼龙纤维原料的拉伸强度为5克/旦或更高，单根纤维的细度为5旦（denier）或更小。用这种工业尼龙纤维原料制造的织物的拉伸强度、抗热性和抗磨性极好。而且，用间苯二酚和甲醛的乳液对织物进行处理（RFL处理），间苯二酚和甲醛树脂与经过氢化的NBR共聚物混合作为乳化剂，以使织物形成齿覆盖层。经过RFL处理的齿覆盖层与经过氢化的NBR共聚物之间有极好的粘合性。以致齿覆盖层可以满意地粘接到由经过氢化的NBR共聚物形成的背表面部分和齿部分。并且，在运动时由于弯曲在齿覆盖层3的齿根部分产生的断裂现象可以被消除。

通过第一次和第二次缠绕具有高强度的玻璃纤维可以获得每一根芯部纤维4。与E玻璃纤维相比较，具有高强度的玻璃纤维中SiO₂、Al₂O₃和MgO和成份比例分别增加，而CaO和B₂O₃成份的比例分别减少。高强度玻璃纤维的成份比例与E玻璃纤维的成份比例的对照表见表1。

表1

成份	高强度玻璃	E玻璃
			SiO₂(%)	60～65	52～56
AL₂O₃(%)	23～26	12～16
			CaO(%)	0～10	12～25
MgO(%)	7～11	0～6
			B₂O₃(%)	0～1	8～13

这些具有高强度的玻璃纤维的实例是S玻璃纤维，R玻璃纤维和T玻璃纤维等等。以这种方式通过采用具有高强度的玻璃纤维作为芯部纤维4可以改善芯部纤维4本身的拉伸强度。

每根芯部纤维4的直径是0.63～0.85毫米;最好为0.65～0.85毫米。芯部纤维4与形成背表面部分1和齿部分2（在齿形带的情况下）并且经过氢化的NBE共聚物相接触。以这种方式，在弯曲过程中，产生磨损，使传动带内部产生热的现象通过使芯部纤维4的直径变小得以消除。

此外，如果芯部纤维4的直径与齿覆盖层3的厚度的比率在预定的范围内，当芯部纤维4与由经过氢化的NBR共聚物制造的背表面部分1和齿部分2接触时，以及与由工业尼龙纤维原料制造的齿覆盖层相接触时，可以防止在弯曲过程中使芯部纤维4过早的疲劳，可以减小齿损伤（齿部分2的损伤），并可以防止在运动中产生齿跳。即，在齿形带的最终产品中芯部纤维4的直径与齿覆盖层3的厚度之比是1.5或更小时，在运动过程中齿跳容易上升。另一方面，当比率是2.2或更高时，齿的耐久性迅速降低，伴随着防止齿跳能力的降低。因此，设定芯部纤维4的直径与齿覆盖层3厚度的比率范围在1.5～2.2之间，这样可以防止出现下列问题，如芯部纤维4由于弯曲产生过早疲劳，齿损伤，以及在运动过程中产生齿跳。

最好如上所述，用相同方式对各芯部纤维4进行RFL处理，经过RFL处理的芯部纤维4可以满意地与经过氢化的NBR共聚物和经过RFL处理的齿覆盖层相粘接。

实例：

用细度为5旦，强度5克/旦，粘度相当于2.45的硫酸粘度的工业尼龙纤维材料生产织物，而且这种织物经过RFL处理制成齿覆盖层。还有，直径为0.63毫米（齿根部）的芯部纤维由高强度的玻璃纤维形成。用这种齿覆盖层，芯部纤维和氢化率为90%的NBR共聚物生产齿形带。通过将齿覆盖层，芯部纤维和未硫化的经过氢化的NBR芳聚物依次放入模具中，然后接着用过氧化物进行硫化，制造出齿形带。齿形带宽是19毫米，齿数是92，齿型为ZB（JAAO标准，E105-81（汽车传动带）和E106-81（皮带轮）。

在以这种方式生产的齿形带中，对齿部分的齿覆盖层分别进行弯曲疲劳试验，抗水性能试验，齿根部强度试验，芯部纤维弯曲疲劳试验和抗环境性能试验。

用图2所示的两轴传动测试系统测试齿根部分齿覆盖层的弯曲疲劳度。在双轴传动测试系统中，主动齿形皮带轮12是20ZB（JASO，E105-81，E106-81），被动齿形皮带轮11是40ZB。主动齿形皮带轮12以转速6000转/分转动。可以调节张紧轮13，使作用在齿形带（宽度19毫米）上的初张紧力设定在15公斤力，并且以功率为10马力驱动齿形带。在这种情况下的环境温度设定在110℃。消耗的时间是直到齿形带的齿根部的齿覆盖层损坏为止，测量出是4000～4320小时。测试结果见表2。

以同样方式用如图2所示的双轴传动测试系统测试齿形带的抗水性能，在这种情况下，向测试传动系统的环境空间注入100℃蒸汽。通过齿形带的齿底部分的齿覆盖层厚度的减少量可以评价齿形带的抗水性能。在传动2000小时后，齿覆盖层的厚度减小0.06毫米。测量结果见表2。

通过图3所示的三轴传动测试系统测试齿形带的齿根强度。在三轴测试系统中，采用主动轮31为20齿，各被动轮32为40齿。可以调解张紧轮33，使5公斤力的张紧力作用到齿形带上。以转速2600转/分转动主动皮带轮31，消耗的时间是直到齿根部分被撕裂损坏为止，测量出是584小时。测试结果见表2。

通过图4所示的7轴测试系统测试芯部纤维的弯曲疲劳度。由齿形带围绕的各皮带轮21、23、25、27是14ZA，而其他皮带轮22、24和26是直径为52毫米的平皮带轮。齿形带（宽度19毫米）的初张紧力是13公斤力。在室温条件下，预定以转速4500转/分空负荷使皮带轮25转动。消耗的时间是直到齿形带的齿部分在运转条件下损坏为止，测量出是4500小时。测量结果见表2。

在抗环境能力测试中，采用图3所示的测试机械，在测试环境中注入100℃蒸汽，每天向被驱动的皮带泼含有定量泥浆的确定量的水。消耗的时间是直到齿底部的齿覆盖层被显著擦伤，并且损坏，接着芯部纤维裸露，齿形带断裂为止，测量出是450小时。测试结果见图2。

比较例1：

用细度5旦，强度5克/旦，粘度相当于2.60硫酸粘度的工业尼龙纤维原料制造的织物作为齿覆盖层。齿覆盖层不经过RFL处理。但是，当橡胶形成背表面部分和齿部分时，用同样的成份进行处理，还有，用高强度的玻璃纤维生产直径为1.05毫米的芯部纤维。用齿覆盖层，芯部纤维和氢化率达到80%的NBR共聚物制造齿形带。通过放置齿覆盖层，芯部纤维，以及未硫化的经过氢化的NBR共聚物依次进入模具中，然后用硫进行硫化制造出齿形带。在以这种方式生产的齿形带中，以相同于上述实例中所述的方式分别对齿根部分的齿覆盖层进行弯曲疲劳试验、抗水性能试验、齿根强度试验、芯部纤维弯曲疲劳试验，以及抗环境性能试验。测试结果见表2。

比较例2：

除芯部纤维直径是0.63毫米以外，这个比较例与比较例1相同。测试结果见表2。

比较例3：

除芯部纤维直径是1.05毫米以外，这个比较例与实例相同。测试结果见表2。

比较例4：

除对齿覆盖层进行处理的处理试剂采用了成份为丁吡丁苯的乳液以外（Vinyl pyridine-styrenebutadiene），这个比较例与比较例2相同。

比较例5：

除采用成份为氯磺化聚乙烯（Chlorosulfonated polyethylene）的乳液作为处理齿覆盖层的作用试剂以外，这个比较例与比较例4相同。测试结果见表2。

比较例6：

除采用成份为羰化NBR共聚物的乳液作为处理齿覆盖层的作用剂以外，这个比较例与比较例4相同。

表2

与常规齿形带相比较，本发明的齿形带的下列性能得到显著改善，这们是：防止齿覆盖层弯曲疲劳的能力，抗水性能，齿根强度，以及防止芯部纤维弯曲疲劳的能力。而且，与比较例相比较，本发明的齿形带抗环境杂质影响的耐久力提高大约一倍。即使芯部纤维的直径与本发明齿形带中芯部纤维直径相同，如果不对齿覆盖层进行RFL处理，在各种特性上就不能获得与本发明的齿形带相同的效果。用同样方式，即使对齿覆盖层进行RFL处理，如果芯部纤维的直径与本发明齿形带中的芯部纤维直径不同，也不能获得与本发明齿形带相同的效果。

如上所述，本发明的齿形带中背表面部分和齿部分采用氢化率达90%或更高的NBR共聚物制成。齿覆盖层用工业尼龙纤维原料制造，并且用成份为经过氢化的NBR乳液进行RFL处理。而且，采用细度小、强度高的玻璃纤维作为芯部纤维，使NBR共聚物、齿覆盖层和芯部纤维相互牢固接触，并且显著改善齿形带的齿根强度，抗水性能，以及防止弯曲疲劳的能力。此外，在本发明的齿形带能够长时间在严酷条件下，如高温、高负载和高速下正常运转，并且能够比较好的用于汽车的上凸轮轴（OHC）的传动系统。

在不超出本发明的范围和特征的情况下，本专业的普通技术人员可以提出其他修改方案，而且易于实施这些经过修改的方案。此外，上述对本发明的描述不是对本发明权利要求范围进行限制。而应该说，权利要求书中包括了存在于本发明中具有专利性的新颖的特征，而且包括了本发明所属领域中普通技术人员认为是等同物的全部特征。

Claims

1、齿形带，包括背表面部分和齿部分，它们由氢化率达90%或更高的丙烯腈-丁二烯的共聚物(NBR)制成，齿覆盖层复盖所述齿部分和齿底的表面，所述齿覆盖层由工业尼龙纤维原料制造，这种工业尼龙纤维原料的粘度相当于2.45～2.53硫酸的粘度，其拉伸强度为5克/旦或更高，单根纤维的细度为5旦或更小，并采用间苯二酚-甲醛乳液进行处理，乳液中的间苯二酚-甲醛树脂中混有作为乳液成份的经过氢化的NBR共聚物，并且芯部纤维直径为0.63～0.85毫米，所述芯部纤维用高强度玻璃纤维拧绕成束状制成。

2、根据权利要求1所述的齿形带，其特征在于：用于驱动汽车中的上凸轮轴。

3、根据权利要求2所述的齿形带，其特征在于：所述背表面部分和齿部分用经过氢化的NBR共聚物制造，用过氧化物进行硫化处理。