CN1434228A - 齿形皮带传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种齿形皮带传动装置(50)，其中齿形皮带(27)环绕主动和被动皮带轮(26，28)被拖动。每个齿形皮带轮具有与多个齿一齐形成的圆周外围。邻近的齿被标记为第一齿部(61)和第二齿部(66)。各个齿部在齿边缘(62，67)和齿面(71，71)之间限定的角部具有圆弧部分(63，68)。接触第一齿部和第二齿部的圆弧部分的切线被标记为公共切线(75)。经过第一齿部的齿边缘的圆弧部分的起始点的切线被标记为第一切线(74)。在该公共切线和第一切线之间的角度(α)落在从6°到14.4°的范围内。

Description

齿形皮带传动装置
技术领域
本发明涉及一种在齿形皮带传动装置中的改进，该皮带传动装置具有环绕齿形主动皮带轮和被动皮带轮而被拖动的齿形皮带。
背景技术
由题目为“齿形皮带传动装置”的日本专利公开平11-132291和题目为“同步皮带轮和使用该皮带轮的传动装置”的日本专利2995021，可以知道这样的齿形皮带传动装置，即：它们每一个都具有传递动力的齿形皮带和两个齿形皮带轮。
在平11-132291的齿形皮带传动装置中，齿形皮带具有由各个圆弧形成的齿边缘和齿底，并且链轮的齿边缘和齿底由各个圆弧形成。对于这种结构，使齿形皮带的齿底和链轮的齿边缘彼此进入紧啮合，以便使齿底和齿边缘之间的相对滑动受到限制，从而预防对耐磨损性能的破坏。
在日本专利2995021的传动装置中，齿形皮带轮包括齿槽，每一个齿槽由设置在齿槽的中心线的相对两侧上的一对凹入的或者圆弧的承压面限定。形成承压面的圆弧的曲率中心位于与齿槽中心线相交的直线上。设定在该直线和槽底面之间的距离(在齿槽的中心线上)，从而使曲率中心位于皮带轮的节线之外，以便每个齿槽的周边尺寸变得比传统齿槽的周边尺寸小，在传统齿槽中该曲率中心位于皮带轮的节线上，由此导致皮带轮的接触面部分的周边长度大于传统皮带轮接触面部分的周边长度。作为其结果，抑制了在皮带轮的接触面和齿形皮带的皮带接触面之间的表面压力的增加，从而防止由于表面压力的增加引起的皮带磨损，这样就改善了齿形皮带的耐久性。
在日本专利公开平11-132291和日本专利2995021中的传动装置都致力于这样的技术，其中：通过改进齿形皮带和齿形皮带轮(或者链轮)的齿部或者齿槽形状，来改善齿形皮带传动装置的耐久性。例如，当将齿形皮带传动装置应用于较小外部尺寸的发动机时，齿形皮带环绕小直径的齿形皮带轮(或者链轮)被拖动，并且引起该皮带本身尤其是它的齿根局部弯曲较大的程度。此外，对于该齿形皮带而言，为了防止伸长，沿着该齿形皮带的周边长度嵌入环形的芯线，从而引起芯线局部弯曲较大的程度。由此导致齿形皮带的齿部或者芯线的耐久性的降低。
发明内容
所以，需要提供一种齿形皮带传动装置，其具有与齿形皮带啮合的小直径的齿形皮带轮，同时齿形皮带具有提高的耐久性。
根据本发明，提供了一种齿形皮带传动装置，其包括：齿形主动皮带轮；齿形被动皮带轮；齿形皮带，它绕着两个齿形皮带轮被拖动，并且具有嵌入其内的多条芯线，其中每个齿形皮带轮的邻近的齿部被标记为第一齿部和第二齿部，并且在第一和第二齿部的各个齿边缘和各个齿面之间的角部形成圆弧部分，由此，当将公共切线画成接触第一齿部和第二齿部的圆弧部分，并且第一切线经过第一齿部的齿边缘的起始点时，将在该公共切线和第一切线之间的角度选择为具有从6到14.4°范围内的一个值。
通过将在该公共切线和第一切线之间的角度设定为从6到14.4°范围内的一值，可能提供齿形皮带的芯线和齿根的延长的耐久性，从而提高齿形皮带自身的耐久性。进而使得齿形皮带轮的外径减小以提供尺寸减小的发动机成为可能。
当该角度变得小于6°时，由于齿形皮带轮齿部的影响，齿根的耐久性降低。当角度变得大于14.4°时，芯线的弯曲应力变大，从而破坏芯线的耐久性。
附图说明
下面将参考附图，仅通过例子来详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了采用本发明的齿形皮带传动装置的发动机的剖面图；
图2是沿着图1的2-2线剖开的剖面图；
图3是透视图，以剖面的形式部分地画出了图1的齿形皮带；
图4是示意图，示出了图3中所示的齿形皮带传动装置的齿形带的弯曲角度；
图5是图形，说明了在本发明的齿形皮带上进行的疲劳磨损试验的结果。
具体实施方式
参考图1，发动机10包括一小型四冲程的顶置凸轮轴发动机(OHCengine)，其中，通过轴承13、14将曲轴15可旋转地安装在上壳体11和下壳体12之间的圆周上，通过活塞销18将连杆17可摆动地安装到曲轴15上，并且通过活塞销18将活塞21可摆动地安装到上壳体11中。该活塞21可移动地装到设在上壳体11中的汽缸部23内。
与打开和关闭进气阀和排气阀的凸轮一齐形成的曲轴(未示出)安装在上壳体11的上部区域。齿形皮带也称作同步皮带(timing belt)，环绕安装在曲轴15上的齿形主动皮带轮26和连接在凸轮轴上的齿形被动皮带轮28而被拖动。
参考标号33、34、35、36、37、38、41、42和43分别表示火花塞、塞帽、高压线、反冲式起动器、反冲式起动器的手柄、燃料箱、上盖、作为齿形被动皮带轮28的可旋转轴的枢转轴以及缸盖罩。
接下来参考图2，图2示出了绕着直径减小的齿形主动皮带轮26和齿形被动皮带轮28而被拖动的齿形皮带27。
齿形主动皮带轮26、齿形皮带27和齿形被动皮带轮28结合在一起，形成齿形皮带传动装置50。
由于齿形主动皮带轮26和齿形被动皮带轮28具有按照给定比率设置的齿数，所以将齿形主动皮带轮26选择成具有小的直径，就能够使齿形被动皮带轮28具有较小的直径。这样，分别将现有的齿形主动皮带轮26和齿形被动皮带轮28选择成具有这样小的直径，就能够减小容纳齿形皮带传动装置50的壳体的尺寸，从而能够使发动机10设置成更小的尺寸。
如图3中所示，齿形皮带27包括：由橡胶制造的皮带本体53，其具有与齿部一体形成的平皮带部分；嵌入皮带本体53内的由玻璃纤维制造的多条芯线54，用来抵抗伸长；以及齿部的覆盖织物56。
接下来参考图4来讨论齿形皮带的弯曲角度。齿形皮带的耐久性原则上由芯线和齿的耐久性确定，而芯线和齿的耐久性明显地取决于齿形皮带的弯曲特性的度数。在将要描述的实施例中，将齿形皮带的弯曲特性的度数限定为由齿形皮带轮的形状获得的弯曲角度。下面说明弯曲角度。
在图4中，假设齿形主动皮带轮26的第一齿部61的齿边缘62的半径是R1，与齿边缘62和下面描述的齿面71邻近的圆弧部分63的半径是R2，位于齿底且与圆弧部分63邻近的圆弧部分64的半径是R3，与齿边缘67和与第一齿部邻近的第二齿部66(尽管第二齿部66采用与第一齿部61相同的形状，但是为了清楚起见，将这些齿部彼此区别开)的圆弧部分65邻近的圆弧部分68的半径是R2。齿面71、71邻近圆弧部分63和68，并且形成圆弧部分65的一部分。
假设在齿边缘62和圆弧部分63之间的接触点是弯曲点73(即，在圆弧部分63中齿边缘62的起始点)，经过弯曲点73的切线是作为第一切线的齿边缘切线74，和第一齿部61的圆弧部分63及第二齿部66的圆弧部分68接触的切线是公共切线，位于公共切线75的圆弧部分63上的接触点是第一接触点77，位于公共切线75的圆弧部分68上的接触点是第二接触点78。在齿边缘切线74和公共切线75之间的夹角称作弯曲角度α。
齿形皮带27绕着齿形主动皮带轮26的齿边缘62和圆弧部分63被拖动或者缠绕，从而使芯线54在点81和82之间的范围内以α的弯曲角度弯曲。点81是经过该弯曲点73的齿边缘切线74的法线83和芯线54相交的交叉点。点82是经过第一接触点77的齿边缘切线75的法线84和芯线54相交的交叉点。
和弯曲角度有关的因素包括齿形主动皮带轮26的外径(即齿边缘直径)和齿数。例如，假设齿部61、66的外部形状是不变的，那么齿形主动皮带轮26的外径的增加会引起齿数的增加，从而允许齿形皮带27以更多边的多边形形状缠绕，即：多边形的顶点越多，外角就越小，并且相似地，弯曲角度α越小。另外，齿形主动皮带轮26的外径的减小会引起齿数的减少，结果弯曲角度α增加。
也就是说，在图4中，弯曲角度α的增加使得芯线54以大的角度弯曲，导致增加的应力施加到芯线54上，结果耐久性降低。弯曲角度α的减小使得芯线54以小的角度弯曲，并且作用在芯线54上的应力变小，从而提高耐久性。
然而，在图4中，如果弯曲角度α小，那么当齿形皮带27环绕齿形主动皮带轮26的齿边缘62和圆弧部分63缠绕时，最大应力集中在齿形皮带27内表面的一点上，这一点在弯曲点和位于公共切线75的圆弧部分63上的第一接触点77之间。即，由于随着弯曲角度α的减小，在弯曲点73和第一接触点77之间的距离减小，齿形皮带27的齿部覆盖织物的磨损倾向于增加，因此齿形皮带27的齿根具有减小的强度，结果耐久性降低。
即使当齿形主动皮带轮26的外径减小时，考虑前面得到的经验，在齿形皮带27上进行有关弯曲角度α的疲劳和磨损试验，从而获得防止芯线54的弯曲应力增加的弯曲角度α的上限，并且获得确保齿根的疲劳和磨损强度的弯曲角度α的下限。
在下面的表1中列出了疲劳和磨损试验的结果值，下面参考表1来描述芯线的疲劳和磨损强度的结果。
                          表1
  试验例      弯曲角度A(°)  芯线的寿命比     判断
对比例1      4.0     1.48     好
优选实施例1      6.0     1.49     好
优选实施例2      8.0     1.42     好
优选实施例3      8.9     1.41     好
优选实施例4      10.0     1.39     好
优选实施例5      12.0     1.30     好
优选实施例6     14.4     1.02     好
对比例2     16.0     0.56     不好
当齿形皮带的弯曲角度α结合在优选实施例1-6以及对比例1和2中使用的试验例而改变时，表1表示出芯线的疲劳和磨损强度的评价值。
当进行疲劳和磨损试验时，将齿形皮带绕着齿形主动皮带轮和齿形被动皮带轮拖动，以允许齿形主动皮带轮以给定的转速旋转，从而由于各自的弯曲，使得齿形皮带，更具体地说，使得芯线和齿根上被施加一应力振幅，并且相对于确定寿命比的参考寿命时间，通过芯线的寿命比和齿根的寿命比能够判断齿形皮带的耐久性(其被表示为：芯线的寿命比＝时间间隔(其中芯线被损坏)÷参考寿命时间，齿根的寿命比＝时间间隔(其中齿根被损坏)÷参考寿命时间)，经计算能够找到芯线和齿根被损坏(包括裂纹)的时间比(真正的寿命)。表1列出了芯线的寿命比，下面参考表2描述齿根的寿命比，表2将在后面描述。
在试验中使用的齿形皮带的芯线具有下面的规格。
芯线规格
材料：玻璃纤维
线直径：0.5mm
现在，将各个测试例的试验结果描述如下。
对比例1：
弯曲角度α＝4.0°
齿形皮带的芯线的寿命比是1.48，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例1：
弯曲角度α＝6.0°
齿形皮带的芯线的寿命比是1.49，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例2：
弯曲角度α＝8.0°
齿形皮带的芯线的寿命比是1.42，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例3：
弯曲角度α＝8.9°
齿形皮带的芯线的寿命比是1.41，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例4：
弯曲角度α＝10.0°
齿形皮带的芯线的寿命比是1.39，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例5：
弯曲角度α＝12.0°
齿形皮带的芯线的寿命比是1.30，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例6：
弯曲角度α＝14.4°
齿形皮带的芯线的寿命比是1.02，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
对比例2：
弯曲角度α＝16.0°
齿形皮带的芯线的寿命比是0.56，它小于1.00，并且得到一个“不好”的判定。
接下来，参考下面的表2来描述齿根的疲劳和磨损强度的试验结果。
                                表2
    试验例     弯曲角度α(°)   齿根的寿命比     判断
对比例11      4.0      0.8     不好
优选实施例11      6.0      1.01     好
优选实施例12      8.0      1.17     好
优选实施例13      8.9     1.18     好
优选实施例14      10.0     1.28     好
优选实施例15      12.0     1.35     好
优选实施例16      14.4     1.43     好
表2列出了对齿根的疲劳和磨损强度的评价值，齿形皮带的弯曲角度α结合在优选实施例11-16以及对比例11中使用的试验例而改变。用于测试齿形皮带的齿根的具体要求这样选择，即：相对于优选实施例1到6和对比例1和2，芯线的疲劳和磨损强度提高，从而防止在测试中由于芯线的损坏而可能发生的中断。(还有，选择的齿形皮带具有与表1中除了芯线之外的其他项目一样的规格)。
用于测试的齿形皮带的芯线具有下面的规格。
芯线规格
材料：玻璃纤维
线直径：0.4mm
线数：11条
现在，将各个测试例的试验结果描述如下。
对比例11：
弯曲角度α＝4.0°
齿形皮带的齿根的寿命比是0.8，它小于1.00，并且得到一个“不好”的判定。
优选实施例11：
弯曲角度α＝6.0°
齿形皮带的齿根的寿命比是1.01，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例12：
弯曲角度α＝8.0°
齿形皮带的齿根的寿命比是1.17，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例13：
弯曲角度α＝8.9°
齿形皮带的齿根的寿命比是1.18，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例14：
弯曲角度α＝10.0°
齿形皮带的齿根的寿命比是1.28，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例15：
弯曲角度α＝12.0°
齿形皮带的齿根的寿命比是1.35，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
优选实施例16：
弯曲角度α＝14.4°
齿形皮带的齿根的寿命比是1.43，它大于1.00，并且得到一个“好”的判定。
现在参考图5，在图5中，用图解的形式画出了关于齿形皮带的上述测试结果。在该图形中，纵坐标表示寿命比，而横坐标表示弯曲角度α(°)。实线和黑点或者黑圆点代表芯线的寿命比；虚线和白点或者白圆点表示齿根的寿命比。
如图形中所示，随着弯曲角度α的增加，芯线的寿命比减小。当该弯曲角度α超过14.4这一值之后，该寿命比变得小于1。
随着弯曲角度α的增加，齿根的寿命比增加。当该弯曲角度α超过6.0这一值之后，该寿命比变得大于1。
显然，从上面能够得到，当6.0≤α≤14.4时齿形皮带的耐久性变好。也就是说，可以获得具有满足上述弯曲角度α的形状的齿形皮带。
例如，α＝14.4°的齿形皮带轮具有19.3mm的齿边圆直径，它的齿数为10，并且选择小直径的齿形皮带能够允许因直径的减小而引起的齿形皮带总长的变短，结果，由于齿形皮带轮的直径减小和齿形皮带的长度变短，能够将发动机的尺寸变成最小。
如上面结合图2、4和5所描述的那样，本发明致力于齿形皮带传动装置50，在该装置中，具有嵌入其内的芯线54的齿形皮带27绕着用来传递驱动动力的齿形主动皮带轮26和齿形被动皮带轮28而被拖动，齿形皮带传动装置的特征在于，各个齿形皮带轮26、28的邻近的齿部被标记为第一齿部61和第二齿部66，它们在各个齿边缘62、67和齿面71之间的角部形成有圆弧部分63、68，因此，当将公共切线75画成经过第一齿部61的圆弧部分63和第二齿部66的圆弧部分68，同时在形成第一齿部61的圆弧部分63的齿边缘62起始点即弯曲点73画出齿边缘切线74时，将在公共切线75和齿边缘切线74之间的弯曲角度α选择成具有从6到14.4°范围内的一值。
将在公共切线75和齿边缘切线74之间的弯曲角度α选择成具有从6到14.4°范围内的一值能够使齿形皮带27的芯线54和齿根93具有提高的耐久性，从而改善齿形皮带27的耐久性，同时使齿形主动皮带轮26的外径减小，从而将发动机10的尺寸减到最小。
在上述角度为6°以下时，齿形主动皮带轮26的第一齿部61和第二齿部66对齿形皮带27的齿根93产生不利的影响，导致齿根93的耐久性降低。在上述角度变得大于14.4°的情况下，芯线54的弯曲应力增加，造成对芯线54的耐久性的破坏。

Claims (1)

1、一种齿形皮带传动装置(50)，其包括：
齿形主动皮带轮(26)；
齿形被动皮带轮(28)；
齿形皮带(27)，它绕着两个齿形皮带轮被拖动，并且具有嵌入其内的多条芯线(54)，
其中，每个齿形皮带轮的邻近的齿部被标记为第一齿部(61)和第二齿部(66)，并且在第一和第二齿部的各个齿边缘(62，67)和各个齿面(71，71)之间的角部形成圆弧部分(63，68)，因此，当将公共切线(75)画成与第一齿部的圆弧部分和第二齿部的圆弧部分接触，并且第一切线(74)画成经过第一齿部的齿边缘的起始点时，将在该公共切线和该第一切线之间的角度(α)选择为具有从6到14.4°范围内的一个值。
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