CN112020615A - 高效皮带及制造该高效皮带的方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种在保持高摩擦系数的同时具有降低的抗弯刚度的高效皮带。在一些实施例中，高效皮带包括：背衬层、设置在背衬层上的楔材料层以及嵌入在楔材料层内的绳索，其中，高效皮带的摩擦系数大于或等于0.03N/mm乘以厚度在2.6mm到4.2mm范围内的皮带的抗弯刚度。高效皮带的其他特征可以包括在约30N/mm到约65N/mm范围内的抗弯刚度和在1.1到5.0之间的各向异性弹性模量比。还描述了制造高效皮带的方法，该方法可以包括以提供平行对齐的增强纤维的方式形成楔材料片材。在一些实施例中，片材形成方法提供了片材，其中，增强纤维在横向于高效皮带的旋转方向的方向上对齐。

Description

高效皮带及制造该高效皮带的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年9月27日提交的题为“高效皮带及制造该高效皮带的方法”的美国临时专利申请号62/737,517的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本申请涉及用于在例如汽车动力传动装置中使用的皮带，更特别地，本申请涉及这样的皮带，该皮带在减少转动皮带所需的能量方面与先前已知的皮带相比具有提高的效率并且不会牺牲皮带的其他性能特性，例如耐用性和动力传动能力。

背景技术

在例如汽车动力传动装置中使用的先前已知的皮带需要一定量的能量来使皮带转动。能量消耗通常为滞后热量产生以及由于转动皮带的扭矩增加而产生的额外燃料消耗的形式。出于各种原因，需要较少的能量来转动皮带的皮带是理想的。例如，需要较少能量来转动的皮带引起改善的燃油经济性以及减少的排放，这两者在车辆设计中都非常重要。

皮带的能量效率(即，转动皮带所需的能量)取决于皮带的许多不同特性，包括但不限于皮带中使用的材料、皮带的质量、皮带的厚度以及皮带的抗弯刚度。在制造这样的皮带时，当改变或调整这些类型参数中的一个或多个以试图提高皮带的效率时，需要考虑成本效益分析。例如，改变皮带中使用的材料和/或改变皮带的厚度可能有益地降低转动皮带所需要的能量，但是也可能因此降低皮带的耐用性或对皮带性能产生其他负面影响。调整皮带的某些特性可能会产生相互竞争的影响(即，对皮带的一个方面有正面影响，而对皮带的另一个方面有负面影响)。例如，减小皮带的厚度可以有益地降低皮带的抗弯刚度，从而使皮带更容易旋转，但是也可以降低摩擦系数并因此由于降低的扭矩传递而需要更多的能量来转动皮带。因此，存在对这样的皮带的需要，该皮带需要较少的能量来转动皮带，同时又不会降低皮带的其他重要特性，例如与性能和耐用性有关的那些特性。还存在制造这样的高效皮带的方法的需要。

发明内容

提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。该发明内容和前述的背景技术并非旨在限定所要求保护的主题的关键方面或必要方面。此外，本发明内容无意于用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

本申请描述了与具有比先前已知的皮带更高的能量效率并且不削弱皮带的其他特性的皮带有关的各个实施例以及用于制造这种皮带的实施例。在一些实施例中，高效皮带包括：背衬层、设置在该背衬层上的楔材料层以及嵌入在楔材料层内的绳索，其中，皮带的摩擦系数大于或等于0.03mm/N乘以皮带的抗弯刚度，例如摩擦系数大于或等于0.04mm/N乘以抗弯刚度。皮带产品的其他特征可以包括：厚度在约2.6mm到约4.2mm的范围内，例如在约3.0mm到约3.8mm之间；抗弯刚度在约30N/mm到约65N/mm的范围内；以及各向异性弹性模量在1.1到5.0之间。皮带的另外其他特征可以包括具有翅片式换热器设计的背衬层表面，这有助于扩大所公开的高效皮带的环境工作温度范围。

在一些实施例中，制造高效皮带的方法大体包括：将各种原配料混合在一起的步骤；将混合物铣削或挤出以形成片材的步骤；将片材压延以形成压延的片材的步骤；将压延的片材的各段结合(bannering)在一起的步骤；在模具上板坯构建(slab build)复合皮带结构的步骤，所述复合皮带结构包括结合的片材材料；在模具中固化复合皮带材料的步骤；以及各种可选的后处理步骤，以由固化材料生产出所需的皮带成品。在上述方法的一些实施例中，以特定量使用特定原配料，以便产生相对于弹性模量具有各向异性性质的片材材料。在一些实施例中，压延处理用于使增强材料在片材中均匀地。在一些实施例中，结合步骤要求将各个单独的片材结合在一起，使得所有增强材料在相同方向上对齐(aligned)，并且更特别地，在皮带的非弯曲方向上对齐。

在考虑了本文的具体实施方式和附图之后，本文所述的高效皮带的这些及其他方面将是明显得。但是，应该理解，所要求保护的主题的范围应由所颁布的权利要求确定，而不是由给定的主题是否解决背景技术中提到的任何或所有问题或者包括发明内容中记载的任何特征或方面来确定。

附图说明

将参照以下附图描述所公开的高效皮带的非限制性和非穷尽的实施例，包括优选实施例，其中，贯穿各个视图，相似的附图标记指代相似的部分，除非另有说明。

图1是示出根据本文所述的各个实施例的制造高效皮带的方法的流程图。

图2是在根据本文所述的各个实施例的制造方法中使用的结合步骤的示意图。

图3A和3B分别是先前已知的皮带和根据本文所述的实施例的高效皮带的横截面图。

图4A和4B是分别示出根据本文所述的各个实施例的高效皮带中的温度和皮带厚度对抗弯刚度的影响的曲线图。

图5A和5B是分别示出先前已知的具有各种厚度(单位为mm)的皮带的抗弯刚度以及根据本文公开的各个实施例的具有各种厚度(单位为mm)的皮带的抗弯刚度的柱状图。

图6是示出先前已知的皮带和根据本文所述的各个实施例的皮带的抗弯刚度和摩擦系数之间的关系的曲线图。

图7是示出在各种皮带轮直径下与先前已知的皮带相比根据本文所述的各个实施例的皮带的功率损失的图表。

图8是摩擦系数(COF)测试皮带轮构造。

具体实施方式

下面参照附图更全面地描述实施例，这些附图形成本说明书的一部分，并且通过说明的方式示出了特定的示例性实施例。充分详细地公开了这些实施例，以使本领域技术人员能够实施本发明。然而，实施例可以以许多不同的形式来实施并且不应被解释为局限于这里阐述的实施例。因此，以下详细描述不应被视为限制性的。

参照图1，一种制造高效皮带的方法100大体上包括：将原配料混合在一起的步骤110；铣削或挤出混合物以形成片材的步骤120；压延片材的步骤130；将多片压延的片材结合在一起的步骤140；使用至少结合的片材在模具上板坯构建皮带的步骤150；在模具中固化皮带结构的步骤160；从模具中移除固化的圆柱体并将圆柱体切割成多个单独的皮带的步骤170；以及将皮带研磨和轮廓成型为其最终尺寸(根据需要)的可选步骤180。通过图1所示的方法形成的皮带是一种高效皮带，其与具有类似尺寸(例如，厚度)的已知皮带相比需要更少的能量来转动。特别关注并且如下面更详细描述的那样，由图1所示的方法形成的高效皮带具有关于其弹性模量的各向异性材料构造和改进(即降低的)抗弯刚度，这两者都有助于提高皮带的效率。

在步骤110中，将原配料混合在一起以形成混合物。在步骤110中混合在一起的原配料大体上包括：1)基础弹性体或橡胶原料，2)增强材料，3)填料材料，4)油，和5)硫化剂。也可以可选地加入增塑剂、抗降解剂、着色剂、加工助剂、助剂等等。

在一些实施例中，通常使用工业混合器，例如班伯里(Banbury)混合器执行混合步骤100，以将所有原配料混合在一起。但是，也可以使用其他混合技术和方法。在一些实施例中，将各种原配料以特定的顺序添加到混合器中，以确保原配料的充分合并和分散。在一些实施例中，某些原配料可以在顺序添加到混合物中之前混合在一起。可以使用的示例性但非限制性的混合顺序包括首先添加聚合物、炭黑和油；然后是纤维和填料；接着是硫化剂。

关于橡胶原料，可以使用任何合适的橡胶原料。在一些实施例中，橡胶原料为粉末、球团、捆包或块体的形式。合适的示例性橡胶原料包括但不限于天然橡胶、丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、乙烯丙烯弹性体(EPDM和EPM)以及其他乙烯-弹性体共聚物(例如乙烯丁烯(EBM)、乙烯戊烯和乙烯辛烯(EOM))、氢化丁腈橡胶(HNBR)和含氟弹性体(FKM)。在一些实施例中，步骤110中使用的橡胶原料的量为混合组合物的总重量的30wt％至70wt％。在一些实施例中，橡胶原料为混合组合物的总重量的约40wt％至60wt％。

关于增强材料，本文描述的方法的一些实施例使用短切纤维段作为增强材料，但是也可以使用其他增强材料，只要增强材料为细长段的形式即可。当使用短切纤维时，短切纤维可以是例如芳族聚酰胺、聚酯(PET)、棉或尼龙。短切纤维可以由有机或合成材料制成，或者由有机和合成材料的混合物制成。短切纤维材料也可以是碳纤维纳米管的形式。通常不限制步骤110中使用的短切纤维的尺寸。在一些实施例中，增强材料是高纵横比材料，其长度在0.2mm到3mm的范围内。在一些实施例中，增强材料(例如，短切纤维)的纵横比为10到250。在一些实施例中，在步骤110中使用的增强材料(例如，短切纤维)的量为混合组合物的总重量的5wt％到30wt％。在一些实施例中，增强材料为混合组合物的总重量的约6wt％到约14wt％。

关于填料，本文描述的方法的一些实施例使用炭黑作为填料，不过也可以单独使用或与炭黑结合使用其他填料。适用于步骤110的其他填料包括但不限于粘土、纸浆和二氧化硅。在一些实施例中，步骤110中使用的填料的量为混合组合物的总重量的5wt％到45wt％。在一些实施例中，填料为混合组合物的总重量的约10wt％到约20wt％。

关于油，通常将作为原配料的油提供为液体或粘合剂材料，其允许将其他干配料混合在一起并形成可以形成为片材的浓稠混合物。可以使用任何合适的油，包括但不限于芳族、环烷和石蜡。在一些实施例中，步骤110中使用的油的量为混合组合物的总重量的2wt％到18wt％。在一些实施例中，油为混合组合物的总重量的约2wt％到约8wt％。

关于硫化剂，可以使用任何合适的硫化剂材料，其中在下面更详细地描述硫化剂在固化步骤150期间的辅助作用。适用于步骤110的示例性硫化剂包括但不限于硫和过氧化物。在一些实施例中，步骤110中使用的硫化剂的量小于混合组合物的总重量的约8wt％，例如小于5wt％。

表1列出了步骤110的混合物的组分的示例性重量百分比范围。

表1

美国专利号5,610,217和6,616,558提供了有关用于形成在形成皮带中使用的混合物的材料配方和混合方法的附加信息，其中的一些或全部可用于本文所述的混合步骤110。因此，美国专利号5,610,217和6,616,558通过引用整体合并于此。

在如上所述执行混合步骤110之后，执行铣削或挤出步骤120以由混合物形成片材。可以使用任何标准的铣削或挤出技术。在一些实施例中，在铣削或挤出以形成片材之前，使混合物冷却至室温。所形成的片材具有相对较高的表面面积。

当在步骤120中形成片材时，在片材上执行压延步骤130。压延步骤130主要用于两个目的：减小并精确控制片材的厚度；以及对增强材料进行定向，使得所有高纵横比的增强材料在片材内沿相同方向对齐，从而为片材提供各向异性的材料性质(下面更详细地讨论)。

可以使用任何已知的用于压延材料的技术，包括使片材材料通过旋转鼓，所述旋转鼓的间隔距离小于片材材料的厚度，使得片材材料的厚度随着其通过鼓而减小。在一些实施例中，压延步骤130用于将步骤110中生产的片材的厚度减小至约0.25mm到1.5mm的厚度内。将厚度减小到目标厚度有助于确保在执行步骤150的板坯构建过程(下面将更详细地描述)时，片材可以围绕圆柱形模具多次缠绕(例如3次)，但所引起的累积厚度仍然大约是皮带成品的楔材料部分的期望的最终厚度。

为了从压延步骤120实现增强材料对齐，压延处理可以利用剪切力，例如通过以不同的角速度操作这两个鼓。例如，当第一(例如，上部)鼓的角速度ω₁小于第二(例如，下部)鼓的角速度ω₂时，这种角速度的差异将剪切力施加到正在通过所述鼓的片材上，这导致增强材料在片材内变得对齐。也就是说，所有高纵横比增强材料在片材内大体上彼此平行地对齐。

以这种方式对齐增强材料的结果是所得到的压延片材具有关于弹性模量的各向异性性质。一般而言，片材在“顺纹理”方向上具有第一弹性模量(高剪切)，而在“横向纹理”方向上具有第二弹性模量。结合起来，可以认为该片材具有弹性模量比，该比是在顺纹理方向上的模量与在横向纹理方向上的模量之比。在一些实施例中，步骤110中生产的片材的模量比为1.1到5.0。

在步骤140中，将由步骤120和130形成的各个片材连结在一起(有时称为结合(banner)在一起)。如本文所使用的，术语“结合”是指将压延片材材料的各个片材端对端地拼凑在一起从而形成新的更大的片材。图2示出了该结合处理的结果，其中多个单独的片材201被拼凑在一起以形成复合(即，结合的)片材200。在一些实施例中并且如图2所示，各个片材都将具有相同的长度，使得当将片材并排放置时，每张片材的上边缘201a和下边缘201b对齐。当并排对齐每个片材201时，每个片材201被定向成使得从一个片材201到下一个片材的增强材料203都是对齐的。更特别地，片材201被对齐成使得增强材料203垂直于片材201并排布置的方向而对齐。例如，图2示出了其中增强材料203彼此平行地且在与片材201并排布置的方向垂直的方向上对齐的实施例。最终，由该结合的片材200形成的各个皮带将具有在皮带的非弯曲方向上对齐的增强材料。这允许增强材料增大在压缩皮带的楔时的横向模量，同时减小在皮带挠曲时的纵向模量，这在保持柔韧性的同时提供了更高的承载能力。

在结合步骤140期间可以使用将相邻段附接在一起的任何方式。在一些实施例中，将相邻段缝合或缝纫在一起，不过也可以使用其他附接方法，例如通过使用粘合剂。附接在一起以形成新的结合的片材的每个段的长度和宽度尺寸通常不受限制，并且通常将基于由片材材料形成的皮带产品的期望的最终尺寸来选择。结合在一起的各个片材可以具有相同的尺寸，或者每个片材的宽度可以变化(每个片材之间的长度优选是相同的，使得当如上所述并且如图2所示将片材结合在一起时，上边缘和下边缘对齐)。

现在已经创建了包含步骤110的原配料并且具有关于弹性模量的各向异性性质的所期望的结合的片材，可以执行在模具上板坯构建皮带的复合结构的步骤150。板坯构建处理通常需要在模具上依次提供复合皮带结构的每一层，以便模具可以被封闭并暴露于压力和/或温度下以活化硫化剂形成接近完成的皮带产品。

在一些实施例中，在其上执行板坯构建处理的模具是圆柱形鼓，该鼓的直径大约等于正在形成的皮带的直径。具体的直径没有限制，并且可以是皮带产品所需的任何直径。

在一些实施例中，待布置在鼓模具上的第一层是背衬材料。可以使用适合用于皮带构造的任何背衬材料。类似地，背衬材料的厚度不受限制，并且可以基于所得到的皮带的背衬层的期望厚度来调节。在一些实施例中，背衬材料是橡胶材料，不过其典型地是不同于由步骤140得到的结合的片材的橡胶材料。在其他实施例中，背衬材料可包括织物、粘合橡胶或类似材料中的一种或多种。优选地，背衬材料的厚度减小。薄的背衬材料的均匀性使得先前提到的改进的绳索同心度成为可能。

在将背衬材料放置在鼓模具上之后，板坯构建处理通常将要求围绕圆柱形鼓上的背衬材料缠绕皮带的绳索材料。通常将单层绳索围绕背衬层缠绕且跨背衬材料的整个长度。可以根据成品的需要调整诸如缠绕角度、缠绕张力以及相邻绳索缠绕之间的间距之类的参数。围绕鼓模具缠绕的绳索材料通常不受限制，并且在一些实施例中，可以包括金属、芳族聚酰胺、碳纤维、尼龙、聚酯、玻璃、陶瓷和各种复合材料，并且可以包括材料的混合物。绳索本身的尺寸(例如直径)不受限制并且可以基于皮带的期望的最终应用来选择。

在将绳索材料围绕背衬材料缠绕之后，步骤150的板坯构建处理包括将由步骤140得到的结合的片材材料围绕鼓模具缠绕并且缠绕在绳索和背衬材料上。可以施加一层或多层结合的片材材料，以提供由结合的片材材料、例如三层(即，结合的片材材料可以围绕鼓缠绕三次)制成的皮带的楔材料部分的总厚度。在缠绕结合的片材材料之前可以紧挨着绳索施加可选的粘合层。

然后，可以将最终的可选表面层施加到结合的片材材料上以完成步骤150的板坯构建处理。表面层可以是用于皮带应用中的任何合适的表面层材料，例如编织管和聚乙烯膜。表面层的厚度通常不受限制，并且可以基于所形成的皮带的具体应用来调整。

在板坯构建处理完成之后，可以应用外部模具以将复合皮带结构封闭在模具的内部分(鼓圆柱体)和外部分之间。模具的外部分通常将以与鼓圆柱体成镜像的方式呈圆柱形，以便能够包封复合皮带结构并形成具有均匀厚度的皮带。在所形成的皮带不具有齿、楔或类似物的实施例中，外模具可以具有平坦的内表面。可替代地，外模具的内表面可以包括轮廓，该轮廓将产生皮带产品所需的任何齿、楔等等，包括为楔或齿提供大体所需的尺寸、形状和间隔。在一些实施例中，在此描述的高效率皮带包括楔。在此描述的高效率皮带可以包括横切、凹口和其它类型的表面修改。

内模具的外表面可用于向皮带的背衬添加图案，例如，换热器翅片。例如，在本文所述的皮带的一些实施例中，制造方法包括其中在背衬材料的外侧上形成翅片式换热器元件的步骤。这些翅片式换热器元件有助于从皮带上将热量散走，并进一步改善皮带的性能和增加皮带能够使用的温度范围。任何合适的翅片式元件，包括任何图案，都可以用于散热。在一些实施例中，翅片式元件的高度为约0.2mm到约10mm。

在步骤160中，执行固化处理，以便使聚合物配方交联，使产品致密并提供性能特性。固化处理通常不受限制，并且可以与已知的固化技术相似或相同，例如施加热量和/或压力以激活皮带材料中的硫化剂。在一些实施例中，特别使用蒸汽用于固化步骤，不过也可以使用非蒸汽方法。如在步骤110的讨论中所指出的那样，皮带可以包括有助于固化处理并使聚合物材料交联以形成具有期望的最终材料性质和尺寸的皮带的硫化剂。

在步骤170中，通过移除外模具部分，然后通过将固化的皮带材料从鼓圆柱体上滑离，而从模具中移除皮带材料。所得到的产品是复合皮带结构的细长圆柱体。为了由该圆柱体形成单独的皮带，横向于圆柱体的轴线切割圆柱体，以形成较薄的皮带材料环，其中每个环都具有所期望的皮带最终产品的宽度。

最后，在步骤180中，如果需要的话，执行使单独的皮带段达到其最终尺寸所需的任何研磨和轮廓成型。可以使用任何方式的研磨和/或轮廓成型。在一些实施例中，执行研磨和/或轮廓成型以例如调整皮带的厚度和/或细化皮带中形成的任何齿或楔的尺寸。然而，特别值得注意的是，与先前已知的制造方法相比，基于本文所述的用于制造高效皮带的方法，可以显著减少或消除所需的机加工和/或研磨的量。

参照图3A和3B，示出了先前已知的皮带300(图3A)和根据方法100制造的皮带350(图3B)的横截面图。如图3A和3B所示，先前已知的皮带具有较大的总体厚度，例如约4.3mm，而本文所述的皮带350可以具有例如在约3.2mm到3.5mm范围内的厚度。本技术的皮带350大体上可以包括背衬层360、绳索370、楔材料380(由多层上述片材材料形成)和表面层390。如图3B所示，皮带350包括楔355，但是应当理解的是，皮带350可以包括或可以不包括齿、楔或类似类型的表面修改。厚度减小可以部分地来自较薄的背衬层以及部分地来自较浅的楔。厚度减小大部分可能来自较浅的楔。

本文所述的皮带的厚度可以基于皮带的特定应用而变化。在一些实施例中，皮带的厚度在约2.6mm到约4.2mm之间变化。在一些实施例中，皮带的厚度在约3.0mm到3.8mm的范围内，例如在约3.2mm到约3.5mm的范围内。

虽然前文描述的方法100和图3B所示的皮带构造大体上描述和示出了具有背衬层/绳索/楔材料层/表面层构造的皮带，但是应当理解，也可以使用结合有本文所述的楔材料的替代皮带构造。例如，皮带构造可以在绳索和背衬材料之间(包括当背衬材料由织物制成时)包括橡胶材料(例如，不同于楔材料的橡胶组合物)，皮带构造可以包括横向绳索材料作为背衬材料，和/或皮带构造可以包括附加层，例如围绕绳索但与楔材料不同的粘合层。

参照图4A和4B，基于诸如温度和皮带厚度之类的参数，本文所述和根据本文所述的方法和材料制造的皮带将具有可变的抗弯刚度。具体参照图4A，示出了4.2mm厚的皮带的抗弯刚度与温度之间的测量关系的曲线图显示随着温度升高，皮带的抗弯刚度降低。参照图4B，示出了抗弯刚度与皮带厚度之间的关系的曲线图显示随着皮带厚度增加，抗弯刚度增加。这大体暗示，较薄的皮带是期望的，因为相应降低的抗弯刚度将使皮带更容易转动。然而，如下面更详细讨论的那样，减小的厚度还可以降低皮带的摩擦系数(COF)，所述摩擦系数是皮带传递扭矩的能力的量度。因此，COF的这种降低通常是不希望的，因为这使皮带传递扭矩的能力降低，因此皮带可能需要额外的动力来转动皮带轮。如前所提到的那样，减小的皮带厚度也会降低皮带的耐用性。因此，仅仅减小皮带的厚度通常不能解决提供高效皮带的问题。

图5A和5B进一步示出了与具有类似厚度的先前已知的皮带相比，本文所述的皮带具有相当的抗弯刚度，以及与先前已知的皮带相比具有减小的厚度的本文所述的皮带具有改善的弯曲厚度。图5A示出了针对各种先前已知的皮带的抗弯刚度测量，每个皮带的厚度在约4.2mm到约5.0mm的范围内。可以看出，这些先前已知的皮带的抗弯刚度在约50N/mm到约80N/mm的范围内。对于具有在该范围的较高端上的抗弯刚度的先前已知的皮带而言，需要更多的动力来转动皮带，从而使这些皮带的能量效率较低。先前已知的皮带通常不使用较小的厚度，这是因为尽管人们认识到较薄的皮带可以提供降低的抗弯刚度并因此提高了动力传输效率，但是这些皮带的减小厚度将皮带的使用寿命降低到不可接受的水平并对皮带的扭矩传递性能造成负面影响。

图5B示出了根据本文描述的实施例制造和构造的各种皮带的抗弯刚度测量值。所测试的皮带具有三种不同的厚度：4.2mm(类似于先前已知的皮带)；3.4mm；和2.6mm。可以看出，4.2mm皮带的抗弯刚度范围大体在约55N/mm到65N/mm的范围内，因此能够与具有类似厚度的先前已知的皮带的性能相当。在3.4mm厚度下，抗弯刚度范围在约35N/mm到约50N/mm的范围内。在2.6mm厚度下，抗弯刚度范围在约30N/mm到35N/mm的范围内。因此，从改善的动力传递效率的角度来看，这些较薄的皮带具有优异的抗弯刚度测量值。

图6示出了相对于每种皮带的有效摩擦系数(COF)绘制的先前已知的皮带的抗弯刚度。图6所示的所有先前已知的皮带的厚度大体在4.2mm的范围内，并因此通过例如材料选择和数量的调整来实现降低的抗弯刚度。先前已知的皮带的数据点(以菱形标绘点示出)显示了COF随着抗弯刚度的降低而降低，从而展现了传统上存在与降低抗弯刚度有关的负面结果(即，降低的抗弯刚度理论上使皮带更容易转动，但是降低的COF意味着皮带将扭矩传递给皮带轮的效率较低)。先前已知的皮带的数据点还显示了先前已知的皮带大体上遵守摩擦系数与抗弯刚度之间的关系，其中摩擦系数小于或等于大约0.02N/mm乘以抗弯刚度。

相比之下，针对本文描述的皮带的图6的曲线图中所示的数据示出了即使在降低的抗弯刚度下，也实现了相对较高的COF值。换句话说，本文所述的皮带大体上克服了减小的弯曲厚度也导致不期望的减小的COF的问题。在一些实施例中，本文所述的皮带的COF大于或等于0.03N/mm乘以皮带的抗弯刚度，例如，COF大于或等于0.04N/mm乘以抗弯刚度。图6包括对于大于或等于0.03N/mm乘以抗弯刚度的COF值的趋势线601和对于大于或等于0.03N/mm乘以抗弯刚度的COF值的趋势线602。在一些实施例中，COF值大于0.03N/mm乘以抗弯刚度，小于0.06N/mm乘以抗弯刚度，或小于0.05N/mm乘以抗弯刚度。COF和抗弯刚度之间的这种关系显示出本文所述的皮带在保持高COF(与在类似的抗弯刚度下的先前已知的皮带相比)的同时提供降低的抗弯刚度从而提供高效皮带。遵循该关系的本文所述的高效皮带避免了对现有技术皮带所经历的处理高抗弯刚度或降低COF的额外动力的需求。

图7是进一步示出了与先前已知的皮带相比本文所述的皮带的改进性能的图表。该图表在各种皮带轮直径条件下经历的功率损失方面比较了本文所述的高效皮带与具有相同厚度的先前已知的皮带。如图7所示，随着两种皮带的皮带轮直径减小，功率损失增加，但是在每种皮带轮直径条件下，高效皮带中的功率损失明显小于先前已知的皮带。

通过本文所述的高效皮带和制造方法可以实现各种益处。例如，可以以比先前已知的皮带小的厚度(例如，与厚度为约4.2mm的先前已知的皮带相比，厚度为3.0mm到3.8mm)提供本文所述的高效皮带，不会遭受性能降低(例如，不降低扭矩传递)。通过减小皮带厚度，皮带中使用的材料更少，这意味着皮带质量更小。在一些实施例中，本文所述的皮带具有比先前已知的皮带少5％至40％的质量，同时具有与先前已知的皮带相当或更好的性能。材料和质量二者的减少都有助于使皮带在需要较少的转动能量方面更加有效。重要的是，厚度减小的皮带提供与较厚的先前已知的皮带相似或相等的耐用性，同时仍表现出相当或更好的能量效率。厚度减小的皮带还减少了浪费，这意味着更少的材料最终来到填埋场。类似地，由于皮带的质量降低，因此与本文所述的皮带相关的处置成本降低。

本申请的皮带还表现出改善的抗弯刚度(例如，由于较薄的皮带)，这进一步有助于改善皮带的效率。如前所述，在仍然保持高摩擦系数的同时实现了降低的抗弯刚度特性，这意味着皮带既易于弯曲和转动，又提供了良好的扭矩传递特性。这种组合提供了一种需要减少使用功率的高效皮带。

本文公开的皮带的另一个特征可以是改进的绳索同心度。绳索同心度通常是指每根绳索可能偏离中心线的偏差。在一些先前已知的皮带中，绳索的同心度可能为0.30mm或更高，这意味着皮带内的每根绳索可能偏离中心线(并因此偏离附近的其他绳索)多达0.30mm。在本文所述的皮带中，绳索的同心度大体被限制在0.1mm到0.2mm，因而在皮带内提供了更对齐的绳索。

本文所述的皮带还具有改善的工作温度范围。在一些实施例中，皮带可以在-40℃到130℃的温度范围下使用。尽管材料仍将在高于周围环境的已知温度下开始降解，但磁滞热产生的减少使皮带以较低的温度差运行，这将使环境温度升高。另外，本文所述的较薄的皮带表现出较少的滞后热产生并且运行更冷。较薄的皮带也更容易冷却，这进一步有助于提高皮带的能量效率。较薄的横截面还提供了这样的皮带，该皮带在皮带的端部处具有更好的应变，从而提供了又一导致更好的能量效率的特性。

皮带的有助于提高能量效率的其他特征包括更少的挠性疲劳、更低的滞后累积以及对等效性能的更低的增强要求。

本文所述的皮带表现出的改进的能量效率还允许系统设计和应用的改进。薄型设计和较低的抗弯刚度允许提高柔性，从而实现较小的弯曲半径皮带轮。较小的皮带轮半径将改善包装要求，降低系统质量和惯性负载。薄型结构可以在更高的转速下运行。因此，通过相应地减轻重量和减少包装实现了成本节省。

本文所述的皮带使用更薄的横截面的设计提供了上述的能量效率改进，并且对耐久性没有明显影响。在一些实施例中，前述皮带的改进的冷却有助于维持耐用的皮带。皮带还能够利用更短的齿高，这导致较低的应变能量密度，并因而导致较少的裂纹产生。本文所述的皮带在起停应用中也表现出更长的耐用性。

本文所述的皮带结构还可以提供诸如使用替代的增强材料的能力的益处，所述增强材料例如但不限于芳族聚酰胺、玻璃、碳纤维绳索、混合绳索、金属、陶瓷和塑料。

与本文公开的皮带的构造有关的其他优点包括使用更薄的拉伸层、具有更低应变模量的材料的实施以及基于皮带的更薄轮廓而减少的绳索未对齐。

抗弯刚度和摩擦系数

如本说明书和权利要求书中所指的皮带的抗弯刚度可以在针对皮带的一部分的三点动态弯曲测试中测量。在此，所有报告的刚度结果都基于在动态机械测试仪上在室温、1Hz频率、5N预载荷、0.25mm挠度的恒定挠度模式下测试6楔皮带。抗弯刚度结果是动态刚度K*，在此以N/mm表示。可以从皮带上切割样品。本文的测试使用了3英寸(75mm)长的皮带样品，用于抗弯刚度测试的两个支撑件间隔2英寸(50mm)。

本说明书和权利要求书中所指的有效摩擦系数或COF可以依据SAE J2432，MAR2015，“Performance Testing of PK Section V-Ribbed Belts”§10描述的标准测试程序来测量。图8示出了COF测试布置。参照图8，从动测试皮带轮122和驱动皮带轮121二者都具有多V型楔轮廓并且直径为121.6mm。皮带轮123、124和126是惰轮。定位这些皮带轮以在从动皮带轮122上保持20度的包角。驱动皮带轮121以400rpm的速度旋转。360N的重量W施加在皮带轮125上，以在皮带轮125上提供180N的松弛侧皮带张力。扭矩施加到测试皮带轮122，从零扭矩开始逐渐上升，直到皮带轮停止转动。根据观察到的最大扭矩来计算COF。应该理解，该测试测量的是皮带上的有效摩擦系数，其在数值上与理论摩擦系数不匹配。

示例

在以下非限制性示例中阐述了本文描述的技术的各种实施例。

示例1.一种多楔高效皮带，所述多楔高效皮带包括：

背衬层；

设置在背衬层上的楔材料层；

嵌入在楔材料内的多个绳索；和

在皮带的与背衬层相对的面上形成的多个楔；

其中，高效皮带的摩擦系数大于或等于0.03N/mm乘以高效皮带的抗弯刚度；并且

其中，高效皮带的厚度小于约3.8mm。

示例2.根据示例1所述的高效皮带，其中，高效皮带的摩擦系数大于或等于0.04N/mm乘以高效皮带的抗弯刚度。

示例3.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，高效皮带的厚度为约3.0mm至约3.8mm。

示例4.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，高效皮带的摩擦系数大于或等于0.03N/mm乘以高效皮带的抗弯刚度，且小于或等于0.05N/mm乘以高效皮带的抗弯刚度。

示例5.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，高效皮带的厚度为约3.4mm，并且抗弯刚度在约35N/mm到约50N/mm的范围内。

示例6.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，楔材料层的材料包括：

约30wt％至约70wt％的橡胶原料；

约5wt％至约30wt％的增强材料；和

约5wt％至约45wt％的填料。

示例7.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，橡胶原料选自于由天然橡胶、丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、乙烯丙烯二烯单体橡胶(EPDM)或其他乙烯弹性体共聚物、氢化丁腈橡胶(HNBR)、含氟弹性体及其组合构成的组。

示例8.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，增强材料包括细长段，并且细长段在楔材料内彼此平行地对齐。

示例9.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，细长段是短切纤维段。

示例10.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，平行对齐的增强材料横向于高效皮带的旋转方向对齐。

示例11.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，填料选自于由炭黑、粘土、纸浆、二氧化硅及其组合构成的组。

示例12.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，高效皮带具有各向异性弹性模量。

示例13.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，在增强材料对齐的方向上的弹性模量大于在横向于增强材料对齐的方向的方向上的弹性模量。

示例14.根据前述任一示例所述的高效皮带，其中，在增强材料对齐的方向上的弹性模量与在横向于增强材料对齐的方向的方向上的弹性模量之比在1.1到5.0的范围内。

示例15.一种制造用于高效皮带的楔层材料的方法，所述方法包括：

将橡胶原料、增强材料、填料和硫化剂混合以形成混合物，其中，增强材料包括细长段；

由混合物形成片材；

处理片材以使增强材料的细长段平行地对齐并形成各向异性片材；和

将两个或更多个各向异性片材结合在一起。

示例16.根据示例15所述的方法，其中，所述混合物包括：

约30wt％至约70wt％的橡胶原料；

约5wt％至约30wt％的增强材料；和

约5wt％至约45wt％的填料。

示例17.根据示例15或16所述的方法，其中，增强材料的细长段包括短切纤维，并且其中，处理片材以使增强材料的细长段平行地对齐并形成各向异性片材包括压延片材。

示例18.根据示例15-17中任一所述的方法，其中，将两个或更多个各向异性片材结合在一起包括：并排放置两个各向异性片材，其中增强材料的细长段彼此平行地且在垂直于各向异性片材并排布置的方向的方向上对齐；以及将这两个各向异性片材固定在一起。

示例19.根据示例15-18中任一所述的方法，其中，将楔层材料结合到高效皮带中。

根据前述内容，将理解的是，虽然出于说明的目的已经在本文中描述了本发明的特定实施例，但是在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种修改。因此，本发明不受除所附权利要求书之外的限制。

尽管已经以特定于某些结构和材料的语言描述了该技术，但是应当理解，所附权利要求书中限定的本发明不必局限于所描述的特定结构和材料。相反，特定方面被描述为实现所要求保护的发明的形式。因为可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下实践本发明的许多实施例，所以本发明存在于下文所附的权利要求中。

除非另有说明，否则在本说明书(除了权利要求书之外)中使用的所有数字或表述，例如表述尺寸、物理特性等等的那些数字或表述，在任何情况下都应理解为由术语“大约”修饰。至少并且不试图将等同原则应用于权利要求书，说明书或权利要求书中所记载的每个由术语“大约”修饰的数值参数至少应根据所记载的有效数字的数量并通过应用舍入技术来解释。此外，本文公开的所有范围应理解为涵盖并提供支持记载了任何和所有子范围或其中包含的任何和所有单个值的主张。例如，所述的1到10的范围应被认为包括并提供支持记载了介于最小值1和最大值10之间和/或包括最小值1和最大值10的任何和所有子范围或单个值的主张；也就是说，所有子范围均以最小值1或更大的值开始，并以最大值10或更小的值(例如，5.5到10，2.34到3.56等等)或1到10的任何值(例如，3、5.8、9.9994等等)结束。

Claims (19)

1.一种多楔高效皮带，包括：

背衬层；

设置在所述背衬层上的楔材料层；

嵌入在所述楔材料内的多个绳索；和

在所述皮带的与所述背衬层相对的面上形成的多个楔；

其中，所述高效皮带的摩擦系数大于或等于0.03N/mm乘以所述高效皮带的抗弯刚度；并且

其中，所述高效皮带的厚度小于约3.8mm。

2.根据权利要求1所述的高效皮带，其中，所述高效皮带的摩擦系数大于或等于0.04N/mm乘以所述高效皮带的抗弯刚度。

3.根据权利要求1所述的高效皮带，其中，所述高效皮带的厚度为约3.0mm至约3.8mm。

4.根据权利要求1所述的高效皮带，其中，所述高效皮带的摩擦系数大于或等于0.03N/mm乘以所述高效皮带的抗弯刚度且小于或等于0.05N/mm乘以所述高效皮带的抗弯刚度。

5.根据权利要求1所述的高效皮带，其中，所述高效皮带的厚度为约3.4mm，并且所述抗弯刚度在约35N/mm到约50N/mm的范围内。

6.根据权利要求1所述的高效皮带，其中，所述楔材料层的材料包括：

约30wt％至约70wt％的橡胶原料；

约5wt％至约30wt％的增强材料；和

约5wt％至约45wt％的填料。

7.根据权利要求6所述的高效皮带，其中所述橡胶原料选自于由天然橡胶、丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、乙烯丙烯二烯单体橡胶(EPDM)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、弹性体乙烯共聚物、含氟弹性体及其组合构成的组。

8.根据权利要求6所述的高效皮带，其中，所述增强材料包括细长段，并且所述细长段在所述楔材料内彼此平行地对齐。

9.根据权利要求8所述的高效皮带，其中，所述细长段是短切纤维段。

10.根据权利要求8所述的高效皮带，其中，所述平行对齐的增强材料横向于所述高效皮带的旋转方向对齐。

11.根据权利要求6所述的高效皮带，其中，所述填料选自于由炭黑、粘土、纸浆、二氧化硅及其组合构成的组。

12.根据权利要求10所述的高效皮带，其中，所述高效皮带具有各向异性弹性模量。

13.根据权利要求12所述的高效皮带，其中，在所述增强材料对齐的方向上的所述弹性模量大于在横向于所述增强材料对齐的方向的方向上的弹性模量。

14.根据权利要求13所述的高效皮带，其中，在所述增强材料对齐的方向上的弹性模量与在横向于所述增强材料对齐的方向的方向上的弹性模量之比在1.1到5.0的范围内。

15.一种制造用于高效皮带的楔层材料的方法，所述方法包括：

将橡胶原料、增强材料、填料和硫化剂混合以形成混合物，其中，所述增强材料包括细长段；

由所述混合物形成片材；

处理所述片材以使所述增强材料的所述细长段平行地对齐并形成各向异性片材；以及

将两个或更多个各向异性片材结合在一起。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述混合物包括：

约30wt％至约70wt％的橡胶原料；

约5wt％至约30wt％的增强材料；和

约5wt％至约45wt％的填料。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述增强材料的所述细长段包括短切纤维，并且其中，处理所述片材以使所述增强材料的所述细长段平行地对齐并形成各向异性片材包括压延所述片材。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，将两个或更多个各向异性片材结合在一起包括：并排放置两个各向异性片材，其中所述增强材料的所述细长段彼此平行且在垂直于所述各向异性片材并排放置的方向的方向上对齐；以及将所述两个各向异性片材固定在一起。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述楔层材料结合到高效皮带中。

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