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Die
vorliegende Erfindung betrifft V-Rippenriemen, die aus wärmebeständigen Kautschukmassen
hergestellt sind.
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Treibriemen
sind bekannt für
die Verwendung bei Motoren, wie Automotoren zum Zweck der Kraftübertragung.
Die Treibriemen können
Zahnriemen sein zur Verminderung des Schlupfs und Erhöhung der
Effizienz. Die Treibriemen können
aber auch V-Rippenriemen sein zum Einsatz für den Antrieb von mehreren
motorischen Hilfsapparaturen, z. B. Alternator, Klimaanlage und
dergleichen.
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Ein
konventioneller Zahnriemen umfasst den gezahnten Teil und den Rückwandteil.
Die Teile können aus
einem Kautschukmaterial hergestellt sein, das Chloroprenkautschuk
einschließt.
Eine Seele (tragende Einlage) kann in die Rückwand eingebettet sein zur
Erhöhung
der Riemenfestigkeit. Die Einlagen können aus Glasfasercord bestehen,
der an die Rückwand
mittels einer Resorzin-Formalin-Latex (RFL)-Lösung mit einem Gehalt an einem
Styrol-Butadien-Kautschuk(SBR)-Vinylpyridin-Latex
als Latexkomponente gebunden ist. Eine Schicht aus einem gezahnten
Gewebe mit schrumpfgepacktem Nylonkettgarn in der Längsrichtung
des Riemens kann über
den Zähnen
angebracht werden zur Erhöhung
der Lebensdauer des Riemens.
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Ein üblicher
V-Rippenriemen besteht aus einer Schicht des Bindergummis und einer
Schicht aus einem zusammengepressten Gummi mit wenigstens zwei Rippengliedern
in der Längsrichtung
des Riemens. Der V-Rippenriemen wird serpentinenförmig um
mehrere der an den Hilfsapparaturen montierten Scheiben gespannt
zwecks Erzielung einer gleichzeitigen Rotation durch die Übertragung
der Drehung von einer an eine kraftfahrtechnische Kurbelwelle montierte
Scheibe. Das Spannen erfordert, dass die V-Rippenriemen in hohem Maß biegefest
und temperaturfest sind.
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Die
Arbeitstemperatur in kraftfahrtechnischen Motoren, denen der Zahnriemen
oder V-Rippenriemen ausgesetzt ist, ist angewachsen, nachdem der
Motorenraum kompakter gestaltet und der Frontantrieb populärer wurden.
Die üblichen
Zahnriemen fallen bei diesen höheren
Temperaturen öfters
aus, und zwar wegen eines Fehlers im Chloroprengummi, der zu einem
Verlust eines Zahnes auf Grund von in dem Rückwandgummiteil und Zahnfuß entstehenden
Rissen oder von Schnitten auf Grund der durch ein Biegen verursachten Schädigung der
Einlagen führt.
Es wurde angestrebt, die Lebensdauer der Riemen zu verlängern, und
zwar durch den Einsatz von hitzefesten Elastomeren, wie hydriertem
Chloropren, hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), erhalten
durch Hydrieren von Acrylnitril-Butadien-Copolymeren, und chlorsulfiniertem Polyethylen
(CSM) in dem Kautschukmaterial. Ein hitzefester Kautschuk ist z.
B. beschrieben in der japanischen Offenlegungsschrift 62-159827
A.
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Die
erhöhte
Härte der
Arbeitsbedingungen verbunden mit dem Erfordernis einer längeren Haltbarkeit des
Riemens machten es erforderlich, dass die Kautschukmaterialien eine
weit höhere
Hitzefestigkeit als bei den üblichen
Gummimaterialien aufweisen. Von den drei oben genannten hitzefesten
Elastomeren ist HNBR das am meisten verwendete Produkt wegen der
Hitzefestigkeit und Ölbeständigkeit.
HNBR wird zumeist eingesetzt als mit Schwefel vulkanisierter Gummi,
sofern der Riemen auch gute dynamische Eigenschaften, wie dynamische
Ermüdungsfestigkeit
und dynamische Deformation aufweisen soll. Schwefel allein oder
in Kombination mit anderen Vulkanisationsbeschleunigern, wie Thiuram,
Thiazol, Sulfenamidverbindungen und Sulfurylamidkomponenten sind
in dem System zum Vulkanisieren vom HNBR verwendet worden.
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Aus
der
DE 32 32 692 A1 ist
eine Kautschuk-Zusammensetzung bekannt, die für die Herstellung von Treibriemen
verwendet werden kann. Die Kautschuk-Zusammensetzung enthält 95 bis 20 Gew.-% eines partiell
hydrierten ungesättigten
Nitril-konjugierten Dien-Copolymerisat-Kautschuks, worin zumindest
50 % der sich vor dem konjugierten Dien ableitenden Einheiten hydriert
sind, 5 bis 80 Gew.-% eines Ethylen-Propylen-nichtkonjugierten Dien-Terpolymerisat-Kautschuks,
einen Vulkanisationsbeschleuniger, wie ein Dithiocarbamatbeschleuniger,
und Schwefel.
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Die
EP 0 440 425 A1 beschreibt
V-Rippenriemen, deren Pressgummischicht einen Acryl-Butadien-Copolymer-Kautschuk
mit einer Butadien-Sättigung
von mindestens 80 % umfasst. Diese Schicht enthält Fasern, die mit einem Resorzin-Formalin-Nitril-Kautschuklatex oder
einem Resorzin-Formalin-hydrierten Nitril-Latex vorbehandelt sind.
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Aus
der US-A-4,643,938 ist ein Treibriemen bekannt, der hauptsächlich aus
einem Acryl-Nitril-Butadien-Kautschuk mit hohem Butadien-Sättigungsgrad
besteht. Es können
in dieser Kautschukschicht auch Fasern enthalten sein, die als erstes
mit Isocyanaten, Ethylenthioharnstoffen und Epoxyverbindungen und
dann mit Resorzin/Formaldehyd behandelt werden.
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Von
diesem Vulkanisationssystem ist bekannt, dass die Menge des Schwefels
nicht nur die Hitzeeigenschaften, sondern auch die dynamischen Eigenschaften
des HNBR stark beeinflusst. Eine Herabsetzung der Menge des Schwefels
führt zu
einer Zunahme der Hitzefestigkeit und Verminderung der wünschenswerten dynamischen
Eigenschaften. Eine Erhöhung
der Schwefelmenge hat eine Abnahme der Hitzefestigkeit und Verbesserung
der wünschenswerten
dynamischen Eigenschaften zur Folge.
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Die
Optimierung des Jodwertes (Jodzahl) von HNBR und der Menge des mit
dem HNBR zu vermischenden Schwefels leidet an einer natürlichen
Grenze in Bezug auf Verbesserung der Hitzefestigkeit, obgleich die
Grenze leicht variiert in Abhängigkeit
von der Kombination mit Alterungsschutzmitteln.
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Es
wäre wünschenswert, über eine
Kautschukzusammensetzung und Riemen aus dieser Zusammensetzung zu
verfügen,
die wenigstens eine der oben angeführten Unzulänglichkeiten überwinden
würde.
Der erfindungsgemäße V-Rippenriemen
erfüllte
dieses Bedürfnis.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst einen für die Verwendung bei einem
Motor geeigneten V-Rippenriemen, mit einer Gummibindeschicht und
einer Pressgummischicht, die mindestens zwei Rippenglieder in der Längsrichtung
des Riemens aufweist und wobei mindestens eine der Gummischichten
hergestellt ist aus einer hitzebeständigen Kautschuk-Zusammensetzung,
bestehend aus hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) mit
einer Butadien-Sättigung
von nicht weniger als 80 Mol-%, einem Kupfersalz einer Dithiocarbamatverbindung,
Schwefel, kurzen Fasern, die ausschließlich mit Epoxyverbindungen
oder Isocyanatverbindungen vorbehandelt sind, Ruß und weiteren Vulkanisationsmitteln.
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Der
Einsatz des Kupfersalzes einer Dithiocarbamat-Verbindung verbessert
die Hitzefestigkeit des aus der Kautschukzusammensetzung hergestellten
Gummiprodukts trotz der Anwesenheit vom Schwefel. Demzufolge weist
der vulkanisierte Gummi eine dem Schwefel beizumessende Verbesserung
der dynamischen Eigenschaften auf, ohne dass eine Abnahme der Hitzefestigkeit
eintritt, wie das üblicherweise
bei Erhöhung
der verwendeten Schwefelmenge der Fall ist.
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V-Rippenriemen
für den
Einsatz in Motoren werden aus diesen Kautschukzusammensetzungen
hergestellt. Diese Riemen weisen eine verbesserte Hitzefestigkeit
gegenüber
solchen V-Rippenriemen auf, die aus einem Kautschukmaterial ohne
den Gehalt an dem Kupfersalz einer Dithiocarbamat- Verbindung gefertigt wurden.
Diese V-Rippenriemen sind daher bestens geeignet für Räume, wo
sie erhöhten
Temperaturen, wie im Falle von Automotoren, ausgesetzt sind.
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Weitere
andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
und den anliegenden Patentansprüchen.
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Von
den hier kurz umrissenen Zeichnungen stellen dar:
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1 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen V-Rippenriemens, senkrecht
zum Lauf des V-Rippenriemens,
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2 eine
dreiachsige Testversuchsapparatur für V-Rippenriemen.
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Obgleich
die Erfindung anwendbar ist für
den Einsatz in verschiedenster Gestaltung, werden nur derzeit bevorzugte
Ausgestaltungen in den Zeichnungen gezeigt und im Detail beschrieben.
Es ist daher anzumerken, dass die vorliegende Beschreibung nur als
Erläuterung
der Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu betrachten ist und
die Erfindung nicht auf die angeführten Ausgestaltungen beschränkt sein
soll.
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Das
Kupfersalz der Dithiocarbamat-Verbindung, die der mit Schwefel zu
vulkanisierenden Kautschuk-Zusammensetzung zugegeben wird, erhöht die Hitzefestigkeit
der vulkanisierten Mischung. Die hitzefeste Kautschuk-Zusammensetzung besteht
aus einem hydrierten Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) mit einer
Butadien-Sättigung
von nicht weniger als 80 Mol-%, dem Kupfersalz der Dithiocarbamat-Verbindung, Schwefel,
kurzen Fasern, die ausschließlich
mit Epoxyverbindungen oder Isocyanatverbindungen vorbehandelt sind,
Ruß und
weiteren Vulkanisationsmitteln. Vorzugsweise enthält die hitzefeste
Kautschuk-Zusammensetzung bezogen auf 100 Gewichtsteile (GT) an
HNBR 0,5 bis 3 GT an dem Kupfersalz der Dithiocarbamat-Verbindung
und 0,2 bis 5 GT an Schwefel.
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Der
prozentuale Sättigungsgrad
in dem HNBR ist mindestens 80, vorzugsweise mindestens 90 Mol-%. Wenn
die Butadien-Sättigung
niedriger als 80 Mol-% beträgt,
zeigt der Gummi eine große
Abnahme bei der Hitze- und Ozonfestigkeit.
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Das
Acrylnitril-Butadien-Copolymer, aus dem HNBR hergestellt ist, enthält Acrylnitril
in einer Menge von 20 bis 45 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht
von Acrylnitril und Butadien. Die Ölfestigkeit und Kältebeständigkeit
werden verbessert durch den Einsatz von Acrylnitril in dem angeführten Mengenbereich.
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Der
Jodwert (Jodzahl) ist ein Maß für die Nichtsättigung
und entspricht der Jodmenge in mg, die von 100 mg HNBR aufgenommen
wird. Um die Hitzefestigkeit zu erhöhen, liegt der Jodwert vorzugsweise
im Bereich von 5 bis 35 mg.
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Die
chemische Formel des Kupfersalzes der Dithiocarbamat-Verbindung
ist
in der R
1 und
R
2 gleich oder verschieden sein können und
Alkylgruppen mit 1 bis 6 C-Atomen,
Phenylgruppen oder Benzylgruppen bedeuten. Repräsentative Dithiocarbamatkupfersalze
sind: Kupferdimethyldithiocarbamat, Kupferdiethyldithiocarbamat,
Kupferdipropyldithiocarbamat, Kupferdibutyldithiocarbamat, Kupferdipentyldithiocarbamat,
Kupferdihexyldithiocarbamat, Kupferdiphenyldithiocarbamat, Kupferdibenzyldithiocarbamat, Kupfermethylpropyldithiocarbamat
und Kupferethylphenyldithiocarbamat.
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Je
100 GT an HNBR sind in der hitzefesten Kautschuk-Zusammensetzung
vorzugsweise 0,1 bis 0,3 GT des Dithiocarbamat-Kupfersalzes vorhanden.
Wenn weniger als 0,1 GT verwendet werden, lässt sich die erwünschte Hitzefestigkeit
nicht erreichen. Sofern mehr als 3 GT eingesetzt werden, resultiert
eine kürzere
Anvulkanisationszeit, was sich auf die Verformungszeit des Riemens
und das Ausblühen
auswirkt. Die auf Grund des Dithiocarbamat-Kupfersalzes verbesserte
Hitzefestigkeit wird durch die Schwefelmenge in den Kautschuk-Zusammensetzungen
nicht beeinflusst, wodurch es möglich
ist, dass die Kautschuk-Zusammensetzungen Schwefel in einer Menge
enthalten können,
die die erforderlichen dynamischen Eigenschaften gewährleistet.
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Schwefel
kann als elementarer Schwefel vorhanden sein, aber auch in der Form
eines Schwefel abgebenden Schwefeldonators oder einer Kombination
aus elementarem Schwefel und dem Schwefeldonator.
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Geeignete
Schwefeldonatoren sind Dipentamethylenthiuram und 4,4-Dithiobisdimorpholin.
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Schwefel
(in der Form von elementarem Schwefel oder durch den Donator bereitgestellt)
liegt in einer Menge zwischen 0,2 bis 5 GT, bezogen auf 100 GT von
HNBR vor.
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Die
V-Rippenriemen können
eine Einlage aus einem Glasfasercord oder Aramidcord aufweisen.
Geeignete Aramide, aus denen die Aramidcorde hergestellt sein können, bestehen
aus para-Faser-Filamentgarnen, wie "Kevlar", "Technola" und "Twaron" sowie Spinngarnen
aus meta-Fasern, wie "Nomex" und "Cornex".
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen V-Rippenriemen 21 mit
einer Gummibindeschicht 23 und einer Pressgummischicht 24.
Einlagen 22 sind in die Gummibindeschicht 23 eingebettet.
Die Pressgummischicht 24 weist mehrere Rippenglieder 27 auf,
die sich in der Längsrichtung
des Riemens 21 erstrecken und einen gestutzten dreieckigen
Querschnitt haben. Mit der Oberfläche der Gummibindeschicht 23 ist
ein zweilagiger Kanevas 25 verbunden. Von der Gummibindeschicht
und der Pressgummischicht sind mindestens eine und vorzugsweise
beide aus der hitzefesten Kautschuk-Zusammensetzung hergestellt.
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Die
Pressgummischicht 24 kann kurze Fasern 28 enthalten
zur Verbesserung der seitlichen Druckfestigkeit. Sofern kurze Fasern 28 aus
der Pressgummischicht 24 herausragen und die Scheiben (nicht
gezeigt) berühren,
werden der Reibungskoeffizient der Pressgummischicht 24 und
das Geräusch
beim Betrieb des V-Rippenriemens 21 vermindert.
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In
Frage kommende kurze Fasern sind z. B. Fasern aus Nylon-6, Nylon-6,6,
Polyester, Baumwolle und Aramid. Vorzugsweise werden kurze Aramidfasern
verwendet, die eine gute Steifigkeit, Festigkeit und Abriebbeständigkeit
aufweisen. Geeignete kurze Aramidfasern sind solche, die aus Aramiden
mit aromatischen Ringen hergestellt sind, wie z. B. "Cornex", "Nomex", "Kevlar", "Technola" und "Twaron".
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Die
kurzen Fasern haben vorzugsweise eine Länge im Bereich von 1 bis 20
mm.
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Die
kurzen Fasern sind vorzugsweise vorhanden in einer Menge im Bereich
von 1 bis 30 GT je 100 GT vom HNBR. Wenn der Anteil an den kurzen
Fasern unter 1 GT vorliegt, wird die Kautschuk-Zusammensetzung der
Pressgummischicht in unerwünschter
Weise leicht gestiftet (sticked) und abgetragen. Sofern der Anteil
an den kurzen Fasern höher
als 30 GT ist, werden die kurzen Fasern nicht gleichmäßig in der
Kautschuk-Zusammensetzung verteilt, was die Festigkeit der Pressgummischicht
herabsetzt.
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Zur
Verbesserung der Bindung der kurzen Fasern an den HBNR werden die
kurzen Fasern vorbehandelt mit einer Behandlungslösung mit
Epoxyverbindungen oder Isocyanatverbindungen. Geeignete Epoxyverbindungen
sind z. B. die Reaktionsprodukte von einem mehrwertigen Alkohol,
wie Ethylenglykol, Glycerin und Pentaerythrit, mit einer halogenhaltigen
Epoxyverbindung, wie Epichlorhydrin, oder aber von einem Polyalkylenglykol,
wie Polyethylenglykol, mit einer halogenhaltigen Epoxyverbindung
sowie von einer mehrwertigen Phenylverbindung, wie Resorcin, Bis(4-hydroxyphenyl-)dimethylmethan,
Pheno-Formaldehyd-Harz und Resorcin-Formaldehyd-Harz mit einer halogenhaltigen
Epoxyverbindung.
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Geeignete
Isocyanatverbindungen sind 4,4-Diphenylmethandiisocyanat, Toluol-2,4-diisocyanat, Phenyldiisocyanat
und Polyarylpolyisocyanat.
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Die
Vorbehandlungslösung
wird hergestellt durch Mischen der Epoxyverbindung oder der Isocyanatverbindung
mit einem organischen Lösungsmittel,
wie Toluol und Methylethylketon.
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Das
folgende Beispiel soll zur Erläuterung
dienen.
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Beispiel 1: V-Rippenriemen
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Hitzefeste
Kautschuk-Zusammensetzungen 1 bis 3 und übliche, zum Vergleich dienende
Zusammensetzungen C1 bis C5, deren Aufbau in der nachstehenden Tabelle
I angeführt
ist, wurden verwendet zur Herstellung der Pressgummischicht von
V-Rippenriemen.
Die Gummibindeschicht wurde ausgehend von der Vergleichs-Zusammensetzung C1A
hergestellt.
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C1A
enthält
(in GT):
100 HNBR (Zetpol 2020, hydrierter Nitrilkautschuk,
erhältlich
von Nippon Zeon Co. Ltd.)
1 Stearinsäure
5 Zinkoxid
2
Antioxidans (4,4'(α',α'-Dimethylbenzyl)diphenylamin)
8
Weichmacher (Dioctylsebazat)
40 HAF-Ruß
1 Schwefel
1 Beschleuniger
(Tetramethylthiuramdisulfid) [TMTD]
0,5 Beschleuniger (Dibenzothiazyldisulfid)
[MBTS] TABELLE
I Kautschuk-Zusammensetzungen
für V-Rippenriemen
- 1) Zetpol 2020, hydrierter
Nitril-Kautschuk von Nippon Zeon Co. Ltd.
- 2) 4,4'(α,α-Dimethylbenzyl)diphenylamin
- 3) Dioctylsebazat
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Die
kurzen Aramidfäden
wurden vorbehandelt durch ein Eintauchen in eine Behandlungslösung, die bestand
aus 90 g Toluol und 90 g "PAPI" (einer Polyisocyanatverbindung),
die von Kasei-Uplohn, Inc. vertrieben wird.
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Die
Bestandteile einer jeden Zusammensetzung wurden zuerst in einem
Banbury-Mischer
geknetet und dann mittels eines Kalanders unter Bildung einer unvulkanisierten
Kautschuk-Schicht gerollt. Die gepresste Schicht enthielt die kurzen
Fäden orientiert
in der Breitenrichtung des V-Rippenriemens. Die V-Rippenriemen hatten
Einlagen aus Strängen
von Polyesterfasern, die in die Gummibindeschicht eingebettet waren.
Ein Baumwoll-Kanavas und die Gummipressschicht umfassten sandwichartig
die Gummibindeschicht. Die Konfiguration des V-Rippenriemens entsprach
der eines K 3-Rippenriemens gemäß dem RMA-Standard
und hatte eine Länge
von 1100 mm, einen Rippenabstand von 3,56 mm, eine Rippenhöhe von 2,9
mm, eine Riemendicke von 5,3 mm und einen Rippenwinkel von 40°. Die Vulkanisation
wurde unter üblichen
Vulkanisationsbedingungen und normalen Dämpfen vorgenommen, wobei die
Temperatur graduell auf 153°C
erhöht
und bei dieser Temperatur von 153°C
unter erhöhtem
Druck von 1MPa (etwa 10 kg/cm2) während einer
Dauer von 30 Minuten gehalten wurde.
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2 zeigt
eine dreiachsige Versuchsapparatur
29 für die Prüfung des V-Rippenriemens
21. Der V-Rippenriemen
21 wurde
um die Antriebsrolle
30 mit einem Durchmesser von 120 mm,
die Mitnehmerrolle
31 mit einem Durchmesser von 120 mm,
die Umlenkrolle
32 mit einem Durchmesser von 85 mm und
die Spannrolle
33 mit einem Durchmesser von 45 mm gespannt.
Der mit der Apparatur
29 durchgeführte Lauftest erfolgte in einer
Atmosphäre
von 120°C.
Die Antriebsrolle wurde rotiert mit 4900 upm bei einer Last auf
der Mitnehmerrolle
31 von 12 psi sowie einer auf die Spannrolle
wirkenden Anfangsspannung von 58,6 N. Die Umlenkrolle
32 stand
im Eingriff mit der Rückwand
des V-Rippenriemens
21 bei einem Kontaktwinkel von nahezu
120°. Die Laufzeiten
vor der Bildung eines Risses auf dem Rippenstück des V-Rippenriemens wurde ermittelt. Die Versuchsergebnisse
sind in der nachstehenden Tabelle II zusammengestellt. TABELLE
II Vergleichsversuchsergebnisse
mit V-Rippenriemen
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Weitere
Versuchsproben von einer jeden Zusammensetzung wurden hergestellt
durch Vulkanisieren der unvulkanisierten Gummischichten in einer
Presse bei einer Temperatur von 153°C, einem erhöhten Druck von 2 MPa während einer
Zeitdauer von 30 Minuten. Die Untersuchungsergebnisse mit den physikalischen
Eigenschaften, die gemäß JIS K
6301 erhalten wurden, sind in der Tabelle III weitergegeben. TABELLE
III Versuchsergebnisse über die
physikalischen Eigenschaften
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Die
aus der hitzefesten Kautschuk-Zusammensetzung hergestellten V-Rippenriemen
wiesen eine längere
Haltbarkeit auf als die aus einer üblichen Zusammensetzung.
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Die
vorliegende Erfindung wurde beschrieben an Hand von den im Einzelnen
beschriebenen Ausführungsformen.
Es ist jedoch selbstverständlich,
dass diese Ausführungsformen
nur zur Erläuterung
dienen sollen und dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist.
Modifikationen und Änderungen
ergeben sich für
den 5 Fachmann aus dem Sinn und Umfang der Beschreibung und nachfolgenden
Ansprüche.