DE60225940T2 - Riemen mit niedrigem modul - Google Patents

Riemen mit niedrigem modul Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Kraftübertragungsriemen und insbesondere einen Kraftübertragungsriemen mit niedrigem Modul.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Kraftübertragungsriemen finden verbreitet Verwendung zur Übertragung von Drehkraft. Der Riemen ist im Allgemeinen zwischen einer Antriebsriemenscheibe und einer getriebenen Riemenscheibe vorgesehen, wie beispielsweise im Falle eines Zusatzriementriebsystems eines Fahrzeugmotors.
  • Der Riemen weist in einem Elastomermaterial eingebettetes Zugcord auf. Der Zugcord oder die Zugcords sind parallel zu einer Längsachse angeordnet, um die Lastaufnahmekapazität zu maximieren. Der Zugcord wird während der Herstellung endlos auf einen Riemenaufbau gewickelt.
  • Kraftübertragungsriemen müssen ausreichend Zugfestigkeit aufweisen, um die Übertragung eines erforderlichen Drehmoments und einer erforderlichen Last zwischen Riemenscheiben zu ermöglichen.
  • Ein Riemen mit einer hohen Zugfestigkeit hat im Allgemeinen auch einen entsprechend hohen Modul. Ein Riemen mit einem hohen Modul ist relativ steif und ist höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt. Ferner erfordert die Installation eines bekannten Riemens mit hohem Modul bewegbare Riemenscheiben.
  • Ein Riemen mit niedrigem Modul kann in Situationen verwendet werden, in denen das zu übertragende Drehmoment relativ niedrig ist. Riemen mit niedrigem Modulus werden unter Verwendung von Zugcords mit wenig oder ohne Vorspannung hergestellt, oder sie werden unter Verwendung von Zugcords mit einer Drehung hergestellt, die eine vorbestimmte Streckung unter Last ermöglicht.
  • Repräsentativ für den Stand der Technik EP 0 625 650 an Gates, das einen Riemen mit niedrigem Modul beschreibt, der ein mit einer in Längsrichtung verlaufenden Vorspannung gedrehtes Zugcord aufweist.
  • Für den Stand der Technik ist ferner US-A-4 229 254 an Gill (1980) repräsentativ, das einen Riemen mit einer Verstärkungsstruktur beschreibt, die zwei als über Kreuz vorgespannte Schichten vorgesehene Cordlagen aufweist.
  • Des weiteren ist US 6 033 331 an Winninger et al. (2000) als für den Stand der Technik repräsentativ anzusehen, welches einen Riemen mit einer Stützstruktur aufweist, so dass der Riemen einen durchschnittliche Spannungs-Dehnungs-Kurvenanstieg zwischen 12 und 20 daN/% Längung pro Zentimeter Breite aufweist.
  • Der Stand der Technik lehrt die Verwendung von Zugcords die zur Aufnahme von Zuglast in Längsrichtung gewickelt sind. Der Stand der Technik lehrt ferner Riemen mit niedrigem Modul, die einen relativ mäßigen bis hohen Modul aufweisen.
  • Es besteht Bedarf an einem Riemen mit niedrigem Modul, der ein aus mehreren Einheiten bestehendes Cord-Zugelement aufweist. Es besteht Bedarf an einem Riemen mit niedrigem Modul, der ein Gewebe-Zugelement aufweist. Es besteht ferner Bedarf an einem Riemen mit niedrigem Modul, der ein Zugelement aufweist, das eine Pantographform beschreibt. Es besteht darüber hinaus Bedarf an einem Riemen mit niedrigem Modul, der geringer als 1500 N/mm ist. Die vorliegende Erfindung entspricht diesen Forderungen.
  • Überblick über die Erfindung
  • Der primäre Aspekt der Erfindung ist es, einen Riemen mit niedrigem Modul zu schaffen, der ein aus mehreren Einheiten bestehendes Cord-Zugelement aufweist.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung ist es, einen Riemen mit niedrigem Modul zu schaffen, der ein Gewebe-Zugelement aufweist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, einen Riemen mit niedrigem Modul, der ein Zugelement aufweist, das eine Pantographform beschreibt.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung ist es, einen Riemen mit niedrigem Modul zu schaffen, dessen Modul geringer als 1500 N/mm ist.
  • Andere Aspekte der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung und den zugehörigen Zeichnungen angegeben oder dargelegt.
  • Die Erfindung weist einen Kraftübertragungsriemen mit niedrigem Modul auf, der mit einem aus mehreren Einheiten bestehenden Cord-Zugelement versehen ist. Der Riemen weist ferner einen Elastomerkörper mit niedrigem Modul auf. Eine aus mehreren Einheiten gebildete Cord-Zugelementkonfiguration ist in den Elastomerkörper schichtweise eingelegt, wobei die Zug-Cordelemente einen eingeschlossenen Winkel im Bereich von 120° bis 180° zwischen jeder Lage aufweisen. Der Riemen weist einen Elastizitätsmodul von weniger als 1500 N/mm und eine Längung von ungefähr 6,8% über einen Belastungsbereich von ungefähr 0–350 Newton auf.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die zugehörigen Zeichnungen, die in die Beschreibung einbezogen sind und einen Teil derselben bilden, zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
  • 1 ist eine Draufsicht auf einen Riemen zur Darstellung einer Zug-Cordanordnung.
  • 2 ist eine Draufsicht auf einen Riemen zur Darstellung einer Zug-Cordanordnung.
  • 3 ist eine Draufsicht auf einen Riemen zur Darstellung einer Zug-Cordanordnung.
  • 4 ist eine Endansicht eines Riemens zur Darstellung einer Zug-Cordanordnung.
  • 5 ist eine Endansicht eines Riemens zur Darstellung einer Zug-Cordanordnung.
  • 6 ist eine Endansicht eines Riemens zur Darstellung einer Zug-Cordanordnung.
  • 7 ist ein Diagramm zur Darstellung des Last-Längungsverhaltens des erfindungsgemäßen Riemens.
  • Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • 1 ist eine Draufsicht auf einen Riemen mit einer Zug-Cordanordnung. Der erfindungsgemäße Riemen hat einen niedrigen Modul. Ein niedriger Modul ermöglicht eine höhere Flexibilität eines Riemens. Die Flexibilität bestimmt zum Teil, wie weit die Riementemperatur im Betrieb steigt. Da der erfindungsgemäße Riemen mit niedrigem Modul ein Riemen mit relativ hoher Flexibilität ist, wird eine relativ niedrige Temperatur erreicht. Dies verlängert wiederum die Lebensdauer des Riemens erheblich.
  • Der Riemen 100 weist einen Elastomerkörper 10 und darin eingebettete Zugcords 11 auf. Der Elastomerkörper 10 kann EPDM oder jede andere Elastomerzusammensetzung umfassen, die auf dem Gebiet der Riemenfertigung verwendet wird, einschließlich Kautschuk, synthetisches Gummi oder Mischungen derselben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Riemen werden die Zugcords 11 und 21 während der Herstellung derart auf einen Riemenaufbau aufgelegt, dass sie in Draufsicht eine Pantographform beschreiben. Die Zugcords 11 und 21 beschreiben einen eingeschlossenen Winkel α. Der eingeschlossene Winkel α liegt im Bereich von 0° bis 180°, oder alternativ liegt der Winkel zwischen 0° und 90°, gemessen von der Breite W des Riemens. Der bevorzugte Bereich ist 120° bis 150°.
  • Die Zugcords 11 und 21 können Polyamid 4.6 oder Polyamid 6.6 oder jedes andere auf dem Gebiet der Riemen-Zugcords bekanntes Material, einschließlich Polyester und Aramid, Baumwolle, Seide, Fiberglas, Stahl oder Mischungen oder Kombinationen derselben umfassen.
  • Die Zugcords 11 und 21 weisen mehrere parallele Cords auf, die auf diesem Gebiet als aus mehreren Einheiten bestehende Cords bekannt sind, wobei die Cords auf einem Tisch abgelegt werden, so dass beim Aufbringen der Zugcordlagen auf den Riemenaufbau der erforderliche eingeschlossene Winkel in bezug auf die Riemenmittellinie CL erhalten wird. Um die in 1 und 2 dargestellte Pantographform zu erreichen, werden die Zugcordbahnen, die jeweils ein reziprokes Winkelverhältnis zu einer Riemenmittellinie CL haben, in abwechselnden Lagen aufeinander auf den Riemenaufbau gelegt. Genauer gesagt wird eine erste aus mehreren Einheiten bestehende Cordlage 11 mit einer entlang einer bestimmten Diagonalen zur Riemenmittellinie CL verlaufenden Ausrichtung in einen Riemenaufbau gelegt. Danach wird eine zweite aus mehreren Einheiten bestehende Cordlage 21 mit einer Ausrichtung, die zu derjenigen der ersten aus mehreren Einheiten bestehenden Cordlage entgegengesetzt ist, in den Riemenaufbau gelegt; hierdurch wird der eingeschlossene Winkel α gebildet. Wie auf diesem Gebiet bekannt, sind ferner Elastomerschichten in dem Riemenaufbau enthalten. Der aus mehreren Einheiten bestehende Zugcord 11 kann auch mit parallel zu der Riemenmittellinie verlaufenden Kettfäden auf den Riemenaufbau aufgebracht werden, wie in 3 dargestellt.
  • Ein aus mehreren Einheiten bestehender Zugcord umfasst mehrere parallele Cords, die in Kettrichtung ausgerichtet sind. Dies ist auf dem Gebiet der Reifenherstellung bekannt. Jeder Cord kann eine verdrehte oder nicht verdrehte Litze aufweisen. Ein Schussgarn mit einer erheblich niedrigeren Denier-Zahl als die Kettgarne ist im Allgemeinen alle 1.0 cm über die Länge vorgesehen, um eine korrekte Ausrichtung der Kettfäden beizubehalten, obwohl diese Abmessung je nach Hersteller variieren kann. Die Schussfäden beeinflussen den Riemenmodul nicht und können während des Herstellungsvorgangs zertrennt werden, sobald die Cords auf den Riemenaufbau gelegt sind. Der aus mehreren Einheiten bestehende Cord umfasst eine Bahn und wird als Bahn auf den Riemenaufbau gelegt. Während des Vorgangs des Aufbringens auf den Riemenaufbau wird auf den Zugcord keine Vorspannung aufgebracht. Ferner können die Enden der aus mehreren Einheiten bestehenden Cordbahn nach dem Aufbringen auf den Riemenaufbau in Stoßverbindung oder überlappend miteinander verbunden werden. Die aus mehreren Einheiten bestehenden Cords werden nicht auf kontinuierliche gewickelte Weise aufgebracht, wie dies bei einem Riemen mit einzelnen Cords der Fall ist, bei dem der Cord spiralförmig um den Riemenaufbau gewickelt wird.
  • 2 ist eine Draufsicht auf einen Riemen zur Darstellung einer Zugcordanordnung. Diese Figur zeigt einen eingeschlossenen Winkel von 120° zwischen jeder Lage von aus mehreren Einheiten bestehenden Zugcords. Dies entspricht ferner einem Winkel von 60° gemessen von der Breite W des Riemens.
  • 3 ist eine Draufsicht auf einen Riemen zur Darstellung einer Zugcordanordnung.
  • 4 ist eine Endansicht eines Riemens zur Darstellung einer Zugcordanordnung. Diese Figur zeigt einen Riemen mit einer ersten Zugcordschicht 11 und einer zweiten Zugcordschicht 21, oder Lagen, von aus mehreren Einheiten bestehenden Zugcords. Das Profil des erfindungsgemäßen Riemens ist mehrrippig mit Rippen 12, welche die Breite des Riemens überspannen. Eine Nut zwischen jeder Rippe 12 beschreibt einen Winkel β im Bereich von 34° bis 52°. Die Rippen 12 können auch darin eingebettete Fasern aufweisen, wie beispielsweise kurze organische oder synthetische Fasern, die sich von einer Riemenangriffsfläche 13 aus erstrecken. Die Fläche 13 weist ferner einen Reibungskoeffizienten auf.
  • 5 ist eine Endansicht eines Riemens zur Darstellung einer Zugcordanordnung. Diese Figur zeigt einen Riemen mit drei Lagen von aus mehreren Einheiten bestehenden Zugcords. Eine ungerade Anzahl von Lagen kann beim Aufbringen von gerade verlaufendem (eingeschlossener Winkel = 180°) aus mehreren Einheiten bestehendem Cord, wie in 3 und 5 dargestellt, verwendet werden. Pantograph-Cordausrichtungen erfordern im Allgemeinen, wie in 1, 2, 4 und 6 dargestellt, eine gerade Anzahl von Cords, um ein Kriechen zu verhindern.
  • 6 ist eine Endansicht eines Riemens zur Darstellung einer Zugcordanordnung. Diese Figur zeigt die Zugcordanordnung eines Riemens mit vier Lagen von aus mehreren Einheiten bestehenden Zugcords.
  • Es ist ersichtlich, dass die in den 4, 5 und 6 dargestellte Anzahl der Zugcordschichten die Anzahl der in dem erfindungsgemäßen Riemen verwendbaren Zugcordschichten nicht begrenzt.
  • 7 ist ein Diagramm zur Darstellung des Last-Längungsverhaltens des erfindungsgemäßen Riemens. Das Diagramm enthält Spannungs-Dehnungs- oder Modulkurven bei 70° F (23°C). Das Diagramm zeigt, dass ein Riemen mit zwei Zugcordlagen mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° zueinander das größte Verhältnis zwischen Längung und Last, nämlich 0,13, und damit den niedrigsten Modul. Der durch die Kurve A angegebene Riemen kann sich bis zu 6,8% der Länge bei einer Last von 50 N strecken. Der Elastizitätsmodul des Riemens der Kurve A beträgt 230 N/mm.
  • Ein Fortschritt in Richtung eines geringeren Verhältnisses zwischen Längung und Last, bei einer Erhöhung des Moduls, beinhaltet zum Teil eine Erhöhung der Anzahl der Lagen von 2 auf 3 und auf 4. Dies kann auch eine Vergrößerung des eingeschlossenen Winkels umfassen. Es handelt sich jeweils um: Kurve B, 4 Lagen und eingeschlossener Winkel von 120°, Kurve C, 2 Lagen und eingeschlossener Winkel von 150°, und Kurve D, 4 Lagen und eingeschlossener Winkel von 150°. Die Kurven E, F und G entsprechen 2, 3 und 4 Lagen von aus mehreren Einheiten bestehendem Cord mit gerader Ausrichtung. "Gerade Ausrichtung" bedeutet, dass die Kettgarne parallel zur Mittellinie des Riemens verlaufen. Der Elastizitätsmodul für jeden Riemen ist: Kurve B – 373 N/mm, Kurve C – 428 N/mm, Kurve D – 913 N/mm, Kurve E – 728 N/mm, Kurve F – 1019 N/mm, Kurve G – 1385 N/mm. Ein Kontrollriemen mit einer Einzel-Zugcordausrichtung (parallel zur Riemenmittellinie) weist ein Elastizitätsmodul von 1989 N/mm auf, der als Kurve H dargestellt ist und wesentlich höher als der Modul jedes der erfindungsgemäßen Riemen ist.
  • Der Elastizitätsmodul jedes Riemens wird wie folgt bestimmt. Die verwendeten Einrichtungen umfassen einen servohydraulischen Tester InstronTM 8532 mit digitaler Steuerung, der eine dynamische Lastzelle von 10 kN und eine Traversengeschwindigkeit von 10 mm/Minute aufweist. Der Riemen ist auf glatten, frei drehbaren Riemenscheiben aus Stahl mit einem Durchmesser von 108 mm angebracht. Der Testablauf umfasst das Umkehren des gerippten Übertragungsriemens und das Platzieren auf den glatten Riemenscheiben. Der Riemen wird zunächst gerade ausreichend gespannt, um ein Durchhängen des Riemens zu verhindern. Der InstronTM umfasst Testsoftware, genauer gesagt ElastTestTM Software, die zum Belasten des Riemens und zum Erfassen von Daten dient. Daten werden ungefähr bei jeder Bewegung um 0,25 mm zwischen den Riemenscheiben erfasst. Der Test wird bei einer Temperatur von ungefähr 23°C (Raumtemperatur) durchgeführt. Der Riemen durchläuft drei Zyklen, wobei die größte Längung ungefähr 6,7% beträgt. In diesem Fall wird die "Längung" als die Gesamtbewegung der Traverse während des Tests gemessen. Zur Datenanalyse, enthält die Datendatei der ElastTestTM Software die normale Länge des Riemens, die Anzahl der Rippen, die Traversenposition und die Gesamtlast. Anhand dieser Informationen wird eine Spannungs-Dehnungskurve für jeden Riemen erstellt, wie in 7 gezeigt. Für den Elastizitätsmodulwert in N/mm wird ein durchschnittlicher Spannungs-Dehnungskurvenanstieg zwischen 1% und 5% für den zweiten und den dritten Riemenlängungszyklus berechnet.
  • Das Erhöhen des Moduls M umfasst das Vergrößern des eingeschlossenen Winkels oder Schnittwinkels vom unteren Ende des Bereichs zum oberen Ende, von 90° bis 180°, in Kombination mit der Anzahl der Lagen. Das obere Ende dieses Bereichs ist im Wesentlichen parallel zur Riemenmittellinie CL mit einem eingeschlossenen Winkel von 180°. Genauer gesagt weist der Aufbau mit 4 Lagen bei einem eingeschlossenen Winkel von 180° das kleinste Verhältnis von Längung zu Last (0,023) bzw. den höchsten Modul für einen Riemen auf.
  • Die Riemen mit dem kleinsten Verhältnis zwischen Längung und Last oder dem höchsten Elastizitätsmodul sind im Allgemeinen jene, welche die gerade Ausrichtung aufweisen. Ein jeder dieser Riemen zeigt eine höhere Lastaufnahmefähigkeit mit jeder zusätzlichen Zugcordlage. Diese sind als Kurven E, F bzw. G in 7 dargestellt.
  • Der Elastizitätsmodul des erfindungsgemäßen Riemens kann somit spezifisch gewählt werden, um die Anforderungen eines Benutzers zu erfüllen, indem die Anzahl der Zugcordschichten oder der eingeschlossene Winkel des Zugcords, oder beides, angepasst wird. Wie zuvor beschrieben, ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, dass der Winkelbereich der Zugelemente bis zu einer zur Riemenmittellinie parallelen Ausrichtung, oder 180°, umfassen kann. Am anderen Ende des Bereichs liegt die Grenze nahe 90° zur Riemenmittellinie oder entspricht einer im Wesentlichen quer gerichteten oder senkrecht zur Riemenmittellinie verlaufenden Ausrichtung.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der erfindungsgemäße Riemen eine Schicht oder mehreren Schichten eines Gewebes als Zugelement 11 aufweisen. Das Gewebe kann Aramid, Baumwolle, Polyester und Mischungen sowie Äquivalent derselben aufweisen. Der zwischen dem Kettgarn und dem Schussgarn des Gewebes eingeschlossene Winkel kann zwischen ungefähr 90° Und 150° variieren. Das Gewebe wird bei der Herstellung auf einen Riemenaufbau aufgebracht, so dass ein eingeschlossener Winkel von einer senkrecht zur Riemenmittellinie verlaufenden Linie halbiert wird. Um den Modul zu erhöhen, kann das Gewebe auf dem Riemen derart ausgerichtet werden, dass der eingeschlossene Winkel von der Riemenmittellinie halbiert wird. Bei der Ausrichtung für den höchsten Modul nimmt das Kettgarn einen Winkel von ungefähr 0° zur Riemenmittellinie ein, d. h. das Gewebe ist parallel zur Längsachse des Riemens ausgerichtet.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Riemens liegt in der einfachen Anbringung sowie der niedrigeren Betriebstemperatur. Der Riemen kann durch einfaches Dehnen über eine Riemenscheibe auf ein Riementriebsystem montiert werden. Dies ist im Vergleich zum bekannten Verfahren des Lösens einer Riemenscheibe, des Anbringens des Riemens und des erneuten Positionierens der Riemenscheibe in eine korrekte Betriebsvorspannungsposition erheblich einfacher. Bei bestimmten Anwendungen entfällt darüber hinaus die Notwendigkeit eines Riemenspanners. Dies bringt erhebliche Einsparungen an Kosten, Zeit, Teilen und Komplexität mit sich.
  • Zwar wurde vorliegend eine einzige Ausführungsform der Erfindung beschrieben, jedoch ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, dass am Aufbau und am Verhältnis der Teile Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der beanspruchten Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Riemen (100) mit: einem Elastomerkörper (10) mit einer Länge und einer Mittellinie; und einem in dem Körper (10) eingebetteten Zugelement; dadurch gekennzeichnet, dass der Riemen (100) eine Längung von ungefähr 6,8% der Länge über einen Lastbereich von ungefähr 0 bis 350 Newton aufweist.
  2. Riemen (100) nach Anspruch 1, bei dem das Zugelement ferner aufweist: mehrere eine Pantographform bildende Cords (11, 21).
  3. Riemen (100) nach Anspruch 1, bei dem das Zugelement aufweist: mehrere im Wesentlichen parallel zu der Riemenmittellinie verlaufende Cords (11, 12).
  4. Riemen (100) nach Anspruch 1, bei dem das Zugelement aufweist: ein Gewebe mit einem Kettfaden und einem Schussfaden; wobei der Kettfaden einen Winkel zu der Mittellinie von größer als 0° beschreibt.
  5. Riemen (100) nach Anspruch 1, bei dem das Zugelement aufweist: ein Gewebe mit einem Kettfaden und einem Schussfaden; wobei der Kettfaden im Wesentlichen mit der Riemenmittellinie ausgerichtet ist.
  6. Riemen (100) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei: der Riemen (100) einen Elastizitätsmodul relativ zu der Riemenbreite und gemessen in Längsrichtung des Riemens von weniger als ungefähr 1.500 N/mm aufweist.
  7. Riemen (100) nach Anspruch 6, wobei: der Riemen (100) einen Elastizitätsmodul relativ zu der Riemenbreite und gemessen in Längsrichtung des Riemens von weniger als ungefähr 1.200 N/mm aufweist.
  8. Riemen (100) nach Anspruch 6, bei dem: das Zugelement ein in dem Körper (10) eingebettetes Gewebe aufweist; und der Riemen (100) einen Elastizitätsmodul relativ zu der Riemenbreite und gemessen in Längsrichtung des Riemens von weniger als ungefähr 1.500 N/mm aufweist.
  9. Riemen (100) nach Anspruch 1, bei dem: das Zugelement einen in dem Körper (10) eingebetteten aus mehreren Einheiten bestehenden Cord aufweist.
  10. Riemen (100) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei: der Riemen (100) einen Elastizitätsmodul mit einem zwischen 1% und 5% Längung berechneten mittleren Spannungs-Dehnungs-Kurvenanstieg aufweist, wobei der Elastizitätsmodul kleiner als ungefähr 1.500 N/mm ist.
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