CN110546400B - 带有单向织物增强件的同步带 - Google Patents

Abstract

一种同步带，所述同步带具有：抗拉构件层，其具有嵌入于弹性体主体中的抗拉构件；齿状表面，其具有从所述主体突出的规律间隔的多个横向齿；覆盖所述齿状表面的护套；以及单向织物层，其在所述护套与所述抗拉构件层之间悬置于所述带中并且遵循所述护套的近似外形。

Description

带有单向织物增强件的同步带

技术领域

本发明主要涉及一种同步带构造，更特别地涉及这样一种同步带：该同步带具有嵌入于其中以增强齿的单向织物层。

背景技术

同步带(也被称为齿形带、正时带以及强制传动带)被广泛地用于机械动力传输和同步。例如，它们被用于汽车气门正时系统、商用机器、自行车和摩托车驱动装置以及许多其它应用中。在许多这样的应用中，改进带的负载能力或减小带所需的宽度或同时实现两者将是有利的。负载能力的一个因素是齿刚度。本领域公开了许多方法来增加齿刚度。

某些现有的带设计方法包含选择较高模量的橡胶化合物来增加齿在负载下的刚度，例如通过包含短纤维或某些填充物。该方法可能受到齿中可能出现的高应变或应力集中的限制，并且所述高应变或应力集中最终可能导致齿被从带剪切。

美国专利第4,632,665号公开了一种带，所述带在每个齿的主体中具有织物增强件的层，所述织物增强件的层通过由橡胶制成的缓冲层与通常的外部齿覆盖的织物相分离。两种织物都围绕整个带延伸，并且因此两个织物都在齿底区域中支撑帘线，从而有助于节线的定位。所公开的两个织物优选地为由尼龙6-6制成的均匀布织物，其优选地被斜裁以使得经纱和纬纱各自相对于带的纵向轴线成30度至60度的角度。该方法的一个困难是存在于齿底区域中的两个织物层都影响带的节线，从而对织物特性造成实际的限制。在制造带期间，在施加抗拉构件和额外的橡胶之前，将两个织物层和缓冲橡胶层放置于模具中并预先形成为齿的大致形状。这是所谓的“预先形成”法。

所需要的是一种方法和带设计，其提供关于材料选择的更大的灵活性以及带性能的更大的潜力。

发明内容

本发明涉及提供带有增强的齿的正时带的系统和方法。凭借根据本发明的增强的齿，可以改进齿负载至抗拉帘线的传递，从而增加负载能力或带强度，或减小齿剪切故障的趋势，或减小正时误差或齿隙，或者带的尺寸可以设计成更窄或更小并且仍然承载相同的负载。对节线或帘线位置的影响可以被最小化。

本发明涉及一种同步带，所述同步带具有：抗拉构件层，其具有嵌入于弹性体主体中的抗拉构件；齿状表面，其具有从所述主体突出的多个有规律地相间隔的横向齿；以及覆盖所述齿状表面的护套；其中由单向织物制成的至少一个增强织物层位于所述抗拉构件与所述护套之间并且围绕所述带的整个圆周延伸，并且在齿内遵循齿的近似外形或形状，其中单向纤维通常沿带的纵向方向定向。所述单向织物层可以由碳纤维制成。厚度可以远远小于具有类似强度的梭织织物所需的厚度，从而使得带的节线的移动最小。增强织物层可以具有沿带的纵向方向单向定向的碳纤维，并且可以具有沿带的横向方向梭织的其它纤维。带中可以存在不止一层的增强织物。

上文已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解对本发明的以下具体描述。下文将描述本发明的另外的特征和优点，其构成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解的是，所公开的理念和特定实施例可以针对修改或设计用于执行本发明的相同的目的的其它结构而容易地作为基础使用。本领域技术人员还应当认识到的是，这样的等同构造不脱离本发明的在所附权利要求中所阐述的范围。当结合附图考虑时，根据以下描述将更好地理解被认为是本发明的特征的、关于本发明的组织以及操作方法的新颖特征连同另外的目的和优点。然而，应当明确地理解的是，附图中的每个附图仅仅是为了示例说明和描述的目的而被提供，并且不旨在作为对本发明的限制的定义。

附图说明

并入说明书中且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与具体描述一同用来解释说明本发明的原理，在附图中相同的附图标记指示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的实施例的局部段透视图；

图2为可用于本发明中的单向织物；

图3为可用于本发明中的层压的单向织物；以及

图4为可用于本发明中的带有单向碳纤维的织物。

具体实施方式

图1示出本发明的实施例。在图1中，同步带10包含齿11，所述齿包括布置于抗拉帘线13的层的一侧上的齿橡胶12。带的另一侧(与齿状侧相对)为包括背部橡胶组合物的背部侧14。齿状表面或轮廓包含齿尖15、齿侧面16、齿根17以及齿底区域18。齿、背部侧以及其中可以嵌入帘线13的抗拉构件层的的橡胶可以彼此不同或者可以相似或相同。齿11覆盖有齿护套19，所述齿护套可以包含织物以及各种处理物中的一种或多种。根据本发明的实施例，通过包含嵌入的单向丝(亦即单向织物20)的层而使齿11变硬。织物20还可以包含各种处理物，例如以便促进齿橡胶、帘线或护套的渗透或促进至齿橡胶、帘线或护套的粘接，或者以便有利于处理。单向织物20可以通过缓冲橡胶层21或其它弹性体材料(该弹性体材料可以与齿橡胶12相同、相似或不同)与护套19分离。缓冲橡胶层21在厚度方面可以变化，例如在齿底区域18中非常薄且在齿尖15或齿侧面16附近更厚。单向织物和缓冲层通常遵循齿的外形或轮廓。

图2示出包括有许多对齐的丝22的单向织物20，所述丝可以通过横向缝合、粘合物或线24而保持在一起以用于处理目的。使用单向织物的优点包括利用最小的材料厚度使得沿期望的方向的强度最大化，这继而保持最大的柔韧性。织物可以为提供高强度和柔韧性的任何合适的纤维类型，比如碳纤维、芳族聚酰胺、玻璃、聚对苯撑苯并二恶唑(“PBO”)、聚酯等。优选地，单向纤维为玻璃或芳族聚酰胺，最优选地为碳纤维。所述粘合物或线可以为热塑性粘合剂，比如薄的热熔材料条。

可以利用通常来自制造商的整理剂(finish)或胶料(size)或粘合剂来处理单向织物。优选地，施加轻质整理剂或胶料以增强与齿橡胶材料的相容性，或者增强与随后的粘接处理物(如果使用粘接处理物的话)的相容性。可以对可商购的碳纤维织物进行上胶以便与用于在结构复合材料中使用的环氧树脂、乙烯基酯树脂或聚酯树脂相容。通常在这里必须使用相同的胶料与粘接处理物，以增强纤维或其胶料与齿橡胶之间的相容性。粘接处理物可以包括弹性体材料，所述弹性材料包括乳胶、含水的橡胶处理物和/或溶剂型橡胶处理物。粘接处理物可以包括固化剂，或者所述粘接处理物可以为交联材料或热固性材料。示例包含了间苯二酚-甲醛-胶乳粘合剂(“RFL”)、官能化聚丁二烯、底涂物(primer)以及外涂层/粘固剂。RFL的胶乳可以包含但不限于腈丁二烯(“NBR”)、氢化-NBR(“HNBR”)、乙烯弹性体(比如EPM和EPDM，CSM，以及VPSBR)。底涂物和外涂层的类型包含异氰酸酯，环氧树脂，氨基甲酸酯，CSM等等。可以通过喷涂、刷涂、辊涂或刮涂或者浸涂的方法完成对织物的处理。将带电的官能团、极性或非极性的官能团引入至碳纤维织物表面的其它方法(例如化学气相沉积，等离子体处理以及表面活化)也是适用的。

可以将粘接材料施加于坯布(未处理)织物上，以用于向橡胶或其它弹性体组合物提供粘接性。利用单向碳纤维织物进行的实验室粘接性研究表明，带有Cilbond 81外涂层的HNBR RFL对HNBR橡胶具有良好的粘接性。除了提供最大的单向增强之外，单向织物提供最大的纤维外露表面面积，以用于更容易地渗透粘合剂或齿材料以及实现更好的机械和/或化学粘结。

合适的粘接处理物可以包括用于橡胶应用中的碳纤维抗拉帘线的那些粘接处理物，比如橡胶粘固剂、聚脲或聚氨酯、RFL或其它基于乳胶的处理物。对于该应用，由于所造成的处理刚度、与齿橡胶的相容性不足以及可能由于处理而引起的强度损失，掺有旨在用于结构复合材料领域的商业粘合剂的织物通常并非优选的。

在共同待决的美国专利申请第15/348,712号中公开了一种优选的处理物，所述美国专利申请的全部内容通过引用全文而并入本文中。该申请公开了一种含水的粘接组合物，其用于处理用于粘结至热固性聚合物基体的增强纤维。所述粘接组合物包含：作为溶剂或分散介质的水；能够与聚合物基体共同固化的聚电解质；能够与纤维相容且能够与聚电解质共同固化的底涂物材料；以及可选择地、能够与聚电解质和聚合物基体相容的橡胶固化剂。

合适的聚电解质的示例包含：马来酸化的聚丁二烯或苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化的聚苯乙烯或聚丁二烯或苯乙烯-丁二烯共聚物、马来酸化的乙烯-α-烯烃-弹性体等等。“马来酸化”在本文中是指利用马来酸对聚合物进行接枝(即“马来酸接枝的”)(或利用马来酸酐进行接枝然后水解成二酸)并且接着利用比如NaOH、NH₄OH、KOH等的碱来中和该聚合物。“羧化”在本文中是指利用羧酸对聚合物进行接枝然后中和该聚合物。同样，“磺化”在本文中是指利用磺酸对聚合物进行接枝然后至少部分地中和该聚合物。因此，可以利用碱金属阳离子、碱土金属阳离子或过渡金属阳离子(所述碱金属阳离子、碱土金属阳离子或过渡金属阳离子包括例如锌、钠、铝、钙、铜、铁、镁、钾、锂等)来中和阴离子有机酸基团。可以使用的其它离子基团包括巯基乙酸基团或膦酸基团，以及例如含有季铵基团的阳离子。“接枝”可以通过将官能团附接至聚合物的接枝反应或者通过与官能单体的共聚来实现。优选的聚电解质为水溶性的，或者是易于以高达大约30％的水平(按重量计)而水分散的。“马来酸根”(MA)的含量按重量计可以在1％至30％的范围内；每个链的MA基团的数量为每个链1-20个基团。每个链具有少于大约15摩尔％的离子基团的聚电解质通常被归类为“离聚物”。在本文中，聚电解质被理解为包括离聚物。优选的聚电解质每个链可以具有1摩尔％至15摩尔％，或5摩尔％至15摩尔％的离子基团。马来酸化的聚合物的分子量可以优选地介于3000Mn与6000Mn之间，并且其可以包含含量(按重量计)为10-35％、优选地为大约28％的乙烯基团。含水的粘接制剂中的马来酸化的聚合物材料的固体含量可以为20-40％(按重量计)，并且粘接制剂可以具有介于4.0与12.0之间的、优选地大致介于大约8.0至大约9.0之间的pH；并且在室温下所述粘接制剂具有小于约1000cps的粘度。马来酸化的聚合物也可以与表面活性剂混合或不与表面活性剂混合以增强分散体的稳定性，所述分散体可以具有尺寸通常小于500nm的固体颗粒。在这样的情况下，含水的聚电解质制剂可以被认为是离子乳胶(或离聚物乳胶)。

底涂物材料为对纤维表面具有已知的亲和力且与聚电解质反应的化学制品或化学制品的混合物。例如，水溶性的环氧树脂底涂物材料通常优选地与碳纤维、玻璃纤维等一起用作纤维表面上的胶料或整理剂。这样的环氧树脂底涂物材料可以主要地由环氧型树脂制备或者基于环氧型树脂配制，所述环氧型树脂比如是缩水甘油胺型、酚醛树脂，甲酚酚醛树脂、双酚A、双酚F以及双酚S、溴化双酚A、氨基甲酸酯官能化双酚A型树脂等等。其它的底涂物材料示例包括水溶性或水分散性聚氨酯、聚乙烯醇、聚酰胺(例如尼龙分散体)、聚乙烯、硅烷、聚丙烯、乙烯基丙烯酸共聚物等等。可以利用有助于与纤维表面亲和或有助于在水中分散的基团来进一步官能化底涂物材料。

在本发明的实施例中，底涂物材料可以包括具有小于120℃的玻璃化转变温度的阴离子和阳离子表面活性剂、单体或聚合物，并且所述底涂物材料可以具有<60％的固体含量、<5000cps的粘度以及介于2-12之间的pH。基于阴离子的底涂物材料在其分子结构中可以具有比如硫酸根、磺酸根、磷酸根、羧酸根等的基团。基于阳离子的底涂物材料可以包括基于伯胺、仲胺或叔胺以及季铵基团的那些。

固化剂是指这样的反应材料，其在热固性聚合物基体中的聚合物分子之间形成交联或促进所述交联的形成。粘接组合物的交联可以通过过氧化物固化、硫固化、热辐照、或光辐照处理以及系统来实现，所述处理和系统可以引发反应中间体的生成，所述反应中间体可以包括自由基、自由基阳离子/阴离子，所述自由基、自由基阳离子/阴离子可以引起粘接组合物的聚合以及至热固性基体的交联，所述热固性基体可以为例如橡胶或其它弹性体或聚合物。固化剂可以为硫、硫促进剂、过氧化物、氧化锌、双马来酰亚胺、二胺、异氰酸酯等等。

在一个优选实施例中，粘接剂为含水的粘接组合物，所述粘接组合物包含水、作为底涂物的环氧树脂(优选地为环氧树脂水分散体或溶液)、作为聚电解质的马来酸化的聚丁二烯衍生物以及固化剂(比如过氧化物固化剂)。

单向织物可以层压有橡胶材料，比如缓冲材料21。图3示出包括织物20与橡胶层21的层压物30，所述层压物预先形成为齿11的大致形状。

图4示出增强织物(图1中的20)的第二实施例，所述增强织物可以悬置于齿中并且遵循齿外形。织物40优选地包括与其它纤维44梭织在一起的单向纤维42，所述单向纤维优选地为碳纤维。其它纤维44可以为芳族聚酰胺、玻璃、聚酰胺、聚酯、丙烯酸、棉或其它合适的纤维或它们的组合。尽管碳纤维42主要被选择为沿纵向方向在薄层中提供高强度或高模量，但其它纤维44也可以被选择为提供其它功能，比如提供至齿组合物的更好的粘接性，或者提供沿横向方向的所期望的物理特性等等。因此，增强织物可以为带有纵向单向纤维的混合织物，所述纵向单向纤维为提供高强度和高柔韧性的任何合适的纤维类型，比如碳纤维、芳族聚酰胺、玻璃、PBO、聚酯等或者它们的组合。优选地，单向纤维包括玻璃或芳族聚酰胺以及最优选地碳纤维，或者所述单向纤维由玻璃或芳族聚酰胺以及最优选地碳纤维组成。优选地，纵向单向纤维42的面积重量大于所有的其它纤维44的面积重量。

合适的单向碳纤维织物的示例包含：来自比如Toray IndustriesInc.、HexcelCorp.、Toho Tenax、Mitsubishi Rayon Corporation以及Formosa Plastics的初级生产商(或基于来自初级生产商的碳纤维)的单向碳纤维织物。所使用的纤维在直径方面可以介于4微米至15微米之间并且可以具有介于3k至48k之间的丝束尺寸(tow size)。单向织物可以具有介于大约40g/m²至1200g/m²之间的面积重量以及介于1cm至1m之间或更大的宽度。优选的宽度为所使用的带制造工具的宽度。替代地，可以螺旋地缠绕宽度较窄的带以形成具有工具的宽度的层。单向织物的厚度可以介于约0.05mm至约0.4mm之间。合适的织物广泛地用于结构复合材料市场，但是尚未在动力传输带市场中被使用或优化。

用于在本文中被称为“橡胶”的各种橡胶层的弹性体配制物或化合物可以基于任何已知的弹性体，所述已知的弹性体包括例如腈弹性体、聚氯丁二烯、天然橡胶、二烯橡胶、聚氨酯、丙烯酸弹性体、乙烯-α-烯烃弹性体等等，所述已知的弹性体包括液态弹性体，其全部可以被交联或硫化(热固性的)，或者可以使用热塑性弹性体。优选的弹性体包含HNBR、聚氨酯、以及乙烯-α-烯烃弹性体。

护套可以利用在带中使用的任何已知的织物，所述已知的织物包括例如尼龙、聚酯、丙烯酸、天然纤维、人造丝、芳族聚酰胺或它们的组合的梭织、针织或无纺织物。织物可以为弹力织物或斜裁的梭织织物。护套可以包括本领域中已知的一种或多种处理物，比如如上所述的橡胶粘固剂、RFL等等。

抗拉构件或帘线可以由在带中使用的任何已知的抗拉帘线材料制成，所述已知的抗拉帘线材料包括例如玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺、PBO、聚酯、尼龙、钢或它们的混合物等等。可以以预定的帘线间距螺旋地包裹或缠绕帘线。可以存在并排地施加的两根帘线，比如S形双绞帘线和Z形双绞帘线。

最好可以通过预先形成方法来制造根据本发明所述的带。可以将护套施加至带槽的型芯或模具，其中护套遵循槽的大致外形，所述槽被设计成与同步带中的所期望的齿轮廓相匹配。护套可以在单独的型芯或模具上被预先形成为这样的外形形状，然后将所述护套放置至带槽的型芯或模具上，或者护套的预先形成可以在带槽的型芯或模具自身上进行。可以在将护套施加至型芯之前或之后将护套结合至圆柱形管中。可以同样地预先形成单向织物，以使得所述单向织物围绕型芯或模具配合从而遵循护套的外形。端部可以优选地在齿区域中重叠或对接，以使得不影响齿底区域中的带厚度。预先形成可以包括在以螺旋方式围绕型芯施加抗拉帘线之前利用齿橡胶填充剩余的齿腔，其中最后施加背部橡胶。替代地，可以施加帘线，然后施加齿橡胶的层，在这种情况下，将在模制期间以局部流通法迫使橡胶通过帘线。

在美国专利第3,250,653号、第3,973,894号、第4,235,119号、第6,406,397号以及第9,353,827号中描述了带制造的预先形成方法的示例。预先形成方法对具有有限的拉伸或不具有拉伸的护套(其无法通过流通法成形)特别地有用。然而，在这种情况下，预先形成方法有利的地方在于，其容许在施加抗拉构件和其它层之前将悬置的单向织物放置于预先形成的护套的齿腔中。护套和单向织物因此可以在单独的步骤中预先形成和/或施加至模具，或者它们可以被层压在一起并且作为层压物一起预先形成和/或施加至模具。

在所有材料被施加至型芯或模具之后，可以通过施加热量和压力使它们固化，以便将护套、单向织物、帘线以及橡胶形成并固化成带套筒。然后可以从模具中移除带套筒，所述带套筒可选地被研磨至期望的厚度，并且被切割成具有预定宽度的单独的带。

此设计旨在改进带的疲劳寿命、改进带的极限强度，并且通过这样做，允许带设计者减少带的所需宽度而同时仍然实现与现有设计相当的性能。此设计被认为改进了齿帘线、负载传递相互作用的整体性。预先形成的单向丝层可以在从齿至帘线的负载传递期间充当“柔性桥”。因此可以减少“齿剪切”故障的发生。对于给定的聚合物或弹性体的齿组合物，或者在其它设计因子相同的情况下，可以扩大齿刚度的设计范围。通过包含单向层，带设计者能够设计强度更大的带，或者替代地能够在不牺牲强度或耐用性的情况下减小带宽度或其它尺寸。在带传动系统中，这种设计的灵活性可以允许设计者优选地利用宽度减小的带来减小系统最大带张力、最大带有效张力以及最大张紧器跨度张力。在实验性试验中，其它系统修改(比如各种带引导件和张紧器)不能够实现这样的理想的系统结果。

作为本发明的示例，制造两条齿形带，一条不带有本发明的齿增强件，而另一条具有单向碳纤维丝织物层。所述单向碳纤维织物具有约51g/m²(1.5盎司/平方码)的重量。如上所述，利用包括聚电解质、环氧树脂和固化剂的粘接处理物来处理单向材料。齿形带包括经处理的尼龙齿覆盖物、双绞抗拉帘线以及基于HNBR橡胶的弹性体。使每条带的多部分经受齿剪切试验，其中齿在抗拉试验机中被置于剪切力下并且被拉动直至从带撕除所述齿。试验期间的峰值负载被记录作为齿剪切力。未添加有单向织物层的对照带表现出144N/mm宽度的齿剪切力，而利用单向织物增强的本发明的带表现出206N/mm宽度的齿剪切力。因此，与对照带相比，本发明的带在齿剪切力方面表现出43％的增加。

尽管已经详细地描述了本发明以及其优点，但是应当理解的是，在不脱离本发明的由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换以及改动。而且，本申请的范围不限于说明书中所描述的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法以及步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的公开内容容易地理解的那样，根据本发明可以使用目前存在的或将要研发的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤，其执行与本文中所描述的相对应的实施例大致相同的功能或实现与本文中所描述的相对应的实施例大致相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。可以在缺乏本文中未具体地公开的任何元素的情况下合适地实践本文中所公开的发明。

Claims (7)

1.一种同步带，所述同步带包括：

抗拉构件层，其具有嵌入于弹性体主体中的抗拉构件；

齿状表面，其包括从所述主体突出的规律间隔的多个横向齿；

护套，其覆盖所述齿状表面；以及

单向织物层，其在所述护套与所述抗拉构件层之间悬置于所述带中并且遵循所述护套的近似外形。

2.根据权利要求1所述的同步带，其还包括处于所述护套与所述单向织物层之间的弹性体材料制成的缓冲层。

3.根据权利要求2所述的同步带，其中，所述单向织物层包括由碳纤维制成的单向丝。

4.根据权利要求1所述的同步带，其中，利用粘接组合物来处理所述单向织物层。

5.根据权利要求4所述的同步带，其中，所述粘接组合物包括底涂物材料、聚电解质以及固化剂。

6.一种同步带，所述同步带包括：

抗拉构件层，其具有嵌入于弹性体主体中的抗拉构件；

齿状表面，其包括从所述主体突出的规律间隔的多个横向齿；

护套，其覆盖所述齿状表面；以及

包括单向碳纤维的织物，所述织物在所述护套与所述抗拉构件层之间悬置于所述带中，并且其中大致沿所述带的纵向方向定向的所述碳纤维遵循所述护套的近似外形。

7.一种制造同步带的方法，所述方法包括：

预先形成护套以配合带槽的模具，所述带槽的模具具有与用于所述带的期望的齿轮廓相匹配的槽；

预先形成单向织物以配合预先形成的所述护套的形状；

将预先形成的所述护套以及所述单向织物施加至所述模具；

围绕所述模具在所述护套和所述单向织物上螺旋地缠绕抗拉帘线；

围绕所述模具将橡胶层施加于所述抗拉帘线上；

施加热量和压力以便将所述护套、单向织物、抗拉帘线以及橡胶层形成并固化成带套筒；

切割所述带套筒以便形成具有预定宽度的单独的带。

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