-
Diese Erfindung betrifft Zahnriemen zur Kraftübertragung und im speziellen
Verbesserungen von Zahnriemen der Art, die zum Antreiben der Nockenwelle eines
Automobilmotors verwendet wird.
-
Ein typischer Zahnriemen besteht aus einer Schleife aus Gummi, die auf der Seite
ausgebildete Zähne aufweist, die zum Inneren der Schleife gerichtet ist, aus
Zugkrafthalteelementen oder "Zugkörpern", die in den Gummi eingebettet sind, und aus
einem "Zahngewebe", das zumindest die gezahnte Oberfläche des Gummis abdeckt.
Das Zahngewebe ist aus Schuß- und Kettfasern gebildet und ist mittels eines
Elastomers verfestigt. Die Schußfasern erstrecken sich in der longitudinalen Richtung
des Zahnriemens, und die Kettfasern erstrecken sich in der Richtung der Breite des
Zahnriemens. Die für das Zahngewebe verwendeten Fasern sind typischerweise
Polyamid-(Nylon)-Fasern. Bei dem typischen Zahnriemen ist sowohl für den Schuß als
auch für die kette eine Polyamidfaser vom Gewebetyp verwendet oder es ist eine
Industriematerial-Polyamidfaser für den Schuß verwendet und eine Polyamidfaser vom
Gewebetyp für die kette verwendet.
-
Ein Zahnriemen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs list aus der EP-A-0 139
341 bekannt.
-
Bei der Herstellung des oben beschriebenen Zahngewebes wird das Gewebe durch
Formen geleitet, die Zahnprofile aufweisen, die zu denen einer gezahnten
Riemenscheibe korrespondieren. Das durch die Formen laufende Zahngewebe muß sich in
der Schußrichtung dehnen, während es sich an die Irregularitäten der Formen
anpaßt. Folglich ist der Schuß üblicherweise einem wolligen Finish unterworfen.
-
Aufgrund des Trends in Richtung des Erreichens von Hochleistung in
Automobilmotoren ist es für gezahnte Nockenwellenantriebsriemen erforderlich geworden, den
hohen Temperaturen und gestiegenen Lasten gewachsen zu sein. Insbesondere ist es
wichtig, eine hohe Stabilität des Riemens zu gewährleisten, um ein Zahnabspringen
zu verhindern. Das Zahnabspringen wird allgemein im Zusammenhang mit dem
Rutschen und dem Querreißen des Zahngewebes gesehen.
-
Das Rutschen eines Zahngewebes tritt als Ergebnis übermäßiger Lasten,
unzureichender Steifigkeit des Zahngummis, schwacher Adhäsion des Zahngewebes,
unzureichender verbleibender Dehnung des Zahngewebes oder von kombinationen des
obigen auf.
-
Folglich besteht die Hauptaufgabe dieser Erfindung darin, ein Zahnabspringen von
einem Zahnriemen durch eine Verbesserung des Aufbaus eines Zahngewebes zu
vermeiden.
-
Es ist bestimmt worden, daß das Zahngewebe mit den Zahnprofilen, die zur Zeit bei
gezahnten Riemenscheiben und Riemen verwendet werden, um etwa 50 bis 60%
gedehnt wird, wenn der Riemen hergestellt wird. Als Folge verliert das Zahngewebe
viel seiner Fähigkeit, sich in der Schußrichtung zu dehnen. Angenommen ein
Zahngewebe verliert seine Dehnungsfähigkeit vollständig, wenn eine Last angelegt wird,
die die Zähne des Riemens deformiert, so tendiert das Zahngewebe zum Rutschen,
d.h. zum Separieren von dem Gummi an den unteren Teilen der Zähne. Dies
ermöglicht ein Auftreten eines Querrißes des Zahngewebes und eines Zahnabspringens.
-
Der Zahnriemen gemäß der Erfindung verhindert ein Zahnabspringen durch
Verwenden eines Zahngewebes mit einer hohen Dehnung und einem hohen Produkt aus
Dehnung und Zerreißstärke. Genauer umfaßt der Zahnriemen der Erfindung ein
längliches Gummielement, das in einer Schleife angeordnet ist und eingebettete
Zugbewehrungskörper aufweist, und ein Zahngewebe, das zumindest eine einzige
Oberfläche des Gummielements abdeckt, worin das Zahngewebe einen sich in der
Richtung der Verlängerung des Gummielements erstreckenden Schuß und eine sich
in der Richtung der Breite des Gummielements erstreckende Kette aufweist und
worin der Schuß ein wolliges Finish aufweist, wobei, bevor das Zahngewebe an dem
Gummielement befestigt wird, sein Schuß einen Dehnungsprozentsatz von
zumindest 70% unter einer Dehnung in der Schußrichtung zeigt, wenn er einer Kraft von 1
kgf/cm ausgesetzt ist, und das Produkt des Dehnungsprozentsatzes (%) und der
Zerreißstärke (kgf/3cm) des Schusses zumindest 16.000 ist.
-
Mit einer Dehnung des Zahngewebes von 70% oder mehr in der Schußrichtung,
bevor es an dem Gummielement befestigt ist, ist eine verbleibende Dehnung von
zumindest 10% ermöglicht, nachdem das Zahngewebe an dem Gummielement,
vorzugsweise mittels adhäsivem Verbinden, befestigt ist. Dies ermöglicht dem
Zahngewebe, sich zu dehnen, wenn sich die Gummizähne unter Last deformieren, und
verhindert ein Rutschen des Zahngewebes aufgrund unzureichender verbleibender
Dehnung des Zahngewebes. Es verhindert ebenfalls, daß die Zugfestigkeit des
Zahngewebes in der Schußrichtung reduziert wird, wenn ein Rutschen auftritt.
-
Ein Rutschen des Zahngewebes kann dadurch verhindert werden, daß dessen
Dehnung gestattet wird, wenn eine geringe Kraft an es angelegt wird. Folglich ist der
Dehnungswert derjenige, der erhalten wird, wenn das Zahngewebe durch das
Anlegen einer Kraft von 1 kgf/cm gedehnt wird, und nicht der Dehnungswert, der bei
einem Zerreißen des Zahngewebes erhalten wird.
-
Ein Zahnabspringen ist ebenfalls von der Zerreißzugstärke des Schusses abhängig,
und folglich ist die Zerreißzugstärke des Schusses (ausgedrückt in Ausdrücken des
Produkts des Dehnungsprozentsatzes und der Zerreißstärke in kgf/3cm) hoch. Durch
ein Belassen einer ausreichenden verbleibenden Dehnungsfähigkeit in dem
Zahngewebe und durch ein Herstellen der Zerreißzugstärke des Zahngewebes in
ausreichender Höhe kann eine exzellente Haltbarkeit bei einem Zahnriemen erreicht
werden. Daher beträgt gemäß der Erfindung das Produkt des Dehnungsprozentsatzes
(%) und der Zerreißstärke (kgf/3cm) des Schusses vorzugsweise zumindest 16.000.
-
Weitere Aufgaben, Details und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Zusammenhang mit den Zeichnungen
gelesen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines Zahnriemens
gemäß der Erfindung, der im Schnitt gezeigt ist, um die eingebetteten
Bewehrungselemente und das Verhältnis zwischen den Gummizähnen
und dem Zahngewebe zu illustrieren;
-
Fig. 2 ist eine fragmentarische geschnittene Ansicht, die das Phänomen des
Rutschens des Zahngewebes bei einem Zahnriemen herkömmlicher Art
illustriert; und
-
Fig. 3 ist eine fragmentarische geschnittene Ansicht, die das Phänomen eines
Zerreißens einer Faser eines Zahngewebes bei einem Zahnriemen
herkömmlicher Art illustriert.
Detaillierte Beschreibung
-
Unter erster Bezugnahme auf Fig. 2 ist der Riemen mit einem in den Gummi
eingebetteten Zugkörper 22, einem Gummizahn 24 und einem Zahngewebe 26 gezeigt.
Der Zahn 24 ist durch eine Last deformiert, und das Zahngewebe ist in einem
rutschenden Zustand gezeigt, wobei es von einer Seite des Zahns 24 separiert ist. Wie
oben erwähnt, wird das Rutschen des Zahngewebes als Ergebnis übermäßiger Last,
unzureichender Steifigkeit des Gummis des Zahns, schwacher Adhäsion des
Zahngewebes, unzureichender verbleibender Dehnung des Zahngewebes und von
Kombinationen davon angesehen.
-
Ein Zerreißen des Zahngewebes, wie in Fig. 3 gezeigt, hält man für das Resultat
übermäßiger Lastkonzentration und/oder unzureichender Festigkeit in einer oder
mehreren der Fasern des Zahngewebes 26. Wie gezeigt, ermöglicht ein Zerreißen
von Fasern des Zahngewebes das Auftreten eines Abspringens der Zähne und
endgültig eines Versagens des Riemens.
-
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein typischer Zahnriemen 10 gemäß der Erfindung ein
gezahntes Gummielement 14 mit eingebetteten Zugbewehrungskörpern 12 und ein
Zahngewebe 16, das eine einzige Oberfläche des Gummielements 14 abdeckt.
Obwohl es möglich ist, daß der Riemen ein Zahngewebe, wie gezeigt, nur auf einer
Seite aufweist, können Zähne bei einer alternativen, nicht gezeigten Version auf
beiden Seiten des Gummielements ausgebildet sein, wobei beide Sätze von Zähnen
durch Zahngewebe abgedeckt sind. Das Material und der Aufbau des Zahngewebes
16 verbessern die Haltbarkeit des Riemens gegen Stoß und Reibung.
-
Der Schuß und die Kette des Zahngewebes sind aus einem Polyamid (Nylon 66)
zusammengesetzt und weisen die folgenden Merkmale auf:
-
1. Relative Schwefelsäurenviskosität: 3 oder mehr
-
2. Größe (d) einer einzelnen Faser: 5 bis 10
-
3. Stärke (g/d) einer einzelnen Faser: 8 bis 12.
-
Bei einer bevorzugten Ausführung weisen der Schuß und die Kette die folgenden
Merkmale auf:
Schuß
-
1. Relative Schwefelsäurenviskosität: 3 oder mehr
-
2. Größe (d) einer einzelnen Faser: 6
-
3. Stärke (g/d) einer einzelnen Faser: 9,5
-
4. Denier der Basisfaser x Anzahl: 210 x 3
-
5. Dichte (Anzahl/5cm): 116 bis 127.
Kette
-
1. Relative Schwefelsäurenviskosität: 3 oder mehr
-
2. Größe (d) einer einzelnen Faser: 6
-
3. Stärke (g/d) einer einzelnen Faser: 9,5
-
4. Denier der Basisfaser x Anzahl: 210 x 2
-
5. Dichte (Anzahl/5cm): 105 bis 122.
-
Das Zahngewebe, das aus dem obigen Schuß und der obigen Kette gebildet ist, ist
mit einem Gummizement imprägniert, der Isocyanat, RFL (eine Lösung aus einem
RF-Harz, der durch Reaktion von Resorcin und Formalin erhalten wird, gemischt mit
einem Latex) oder dgl. enthält. Bei dem obigen kann nach der Imprägnierung mit RFL
ein Mantel aus Gummizement aufgebracht werden.
-
Das Zahngewebe weist vor seiner Ausbildung die folgenden Charakteristiken auf:
-
1. Dehnung (%) in Schußrichtung unter einem Dehnen mit 1 kgf/cm: 70
oder mehr
-
2. Produkt der Dehnung (%) in Schußrichtung unter einem Dehnen mit 1
kgflcm und der Zugstärke (kgf/3cm) in Schußrichtung: 16.000 oder
mehr
-
3. Gesamtes Denierverhältnis zwischen Kette und Schuß: 1:1,4 oder
mehr.
-
Der Zahnriemen wird ausgebildet durch die Schritte: Wickeln eines Zahngewebes mit
den obigen Charakteristiken um eine Form mit einem Riemenzahnprofil; Wickeln von
Zugbewehrungskörpern um das Zahngewebe auf der Form; Wickeln einer
unvulkanisierten dünnen Gummilage zum Bilden eines Zahngummis und eines
Rückengummis; Bilden und Vulkanisieren der dünnen Gummilage unter Druck, um den
ausgebildeten Riemen mit dem Gummi, den Zugbewehrungskörpern und dem Zahngewebe
zu erzeugen, und Schneiden des ausgebildeten Riemens auf eine spezifizierte
Breite, um den ringförmigen Zahnriemen zu bilden.
-
Jeder Zugkörper ist aus einem Kerndraht aus verdrillten Glasfasern, Aramidfasern,
Metallfasern oder dgl. gebildet, die, falls erforderlich, mit RFL imprägniert sind, wobei
auf dessen Oberfläche ein Gummizement oder dgl. aufgebracht ist. Als Zahngummi
und Rückengummi kann ein Gummi verwendet werden, der aus einer Sorte oder
einer Mischung aus CR, NBR, HSN, BR, EPDM, EPR, CSM, Epichlorhydrin, Urethan
und dgl. ausgewählt ist.
-
Bei dem Zahnriemen gemäß der Erfindung haben die verschiedenen Parameter des
Zahngewebes die folgende Bedeutung:
-
Wenn die relative Schwefelsäurenviskosität weniger als 3 ist, ist der
Polymerisationsgrad des Polyamids erniedrigt. Dies verkürzt die Lebensdauer durch ein Erhöhen der
Anfälligkeit des Gummis für das Zahnabspringen.
-
Die Größe der einzelnen Fasern übt eine Wirkung auf ein Verhältnis zwischen der
Stärke, der Dehnung und der Spannung der Fasern aus. Wenn die Fasergröße
nämlich
geringer ist, führt dies zum Auftreten eines Zerstückelns der Faser. Dies führt zu
einem Zerreißen des Zahngewebes. Andererseits ist die zum Erreichen eines
vorgegebenen Dehnungsgrads erforderliche Spannung merklich höher, wenn die
Fasergröße größer ist, und folglich neigt das Zahngewebe dazu, sich nicht adäquat als
Reaktion auf eine Deformation der Zähne zu dehnen.
-
Wenn die Stärke einer einzelnen Faser geringer als 8 g/d ist, führt dies zum Auftreten
eines Zerreißens des Zahngewebes, wenn der Zahnriemen als Reaktion auf einen
Stoß mit einer Scherkraft beaufschlagt ist. Andererseits ist ihre Steifigkeit gegen ein
Biegen höher, wenn die Stärke der einzelnen Faser größer als 12 g/d ist, so daß die
zum Erreichen eines vorgegebenen Dehnungsgrads des Zahngewebes erforderliche
Spannung erhöht ist. Dies verschlechtert die Fähigkeit des Gewebes, sich zu
dehnen, wenn es einer Dehnung mit einer Kraft von 1 kgf/cm unterworfen wird.
-
Das Produkt des Denier der Basisfasern und deren Anzahl und die Dichte werden
bestimmt, wobei dies eine Berücksichtigung des P.L.D. (Teilliniendifferential) des
gegenwärtig verwendeten Zahnriemens ergibt.
-
Der Grund, warum die Dehnung des nicht ausgebildeten Zahngewebes 70% oder
mehr beträgt, wenn es mit einer Kraft von 1 kgf/cm gedehnt wird, liegt darin, daß eine
verbleibende Dehnungsfähigkeit von zumindest 10% gewährleistet ist, nachdem das
Zahngewebe nach seiner Ausbildung adhäsiv mit dem Gummi des Zahnriemens
verbunden ist. Dies basiert auf der Tatsache, daß das Zahngewebe bei der Bildung
eines Riemens mit einem Zahnprofil, das an die gegenwärtig bei gezahnten
Riemenscheiben verwendete Zahnform angepaßt ist, 50 bis 60% seiner Dehnung verliert.
Eine anfängliche Dehnung des Zahngewebes erfordert lediglich eine sehr geringe
Kraft, und die vollständige Dehnung von 70% oder mehr erfordert eine Kraft, die etwa
1 kgf/cm nicht übersteigt.
-
Das Zahngewebe, das die erforderliche verbleibende Dehnungsfähigkeit
gewährleistet, kann entlang dem Zahngummi gedehnt werden, wenn die Zähne deformiert
werden. Dies macht es möglich, ein Rutschen des Zahngewebes zu verhindern, d.h.
ein Separieren des Zahngewebes von dem Zahngummi. Zusätzlich ist ein
Anwachsen der Spannung des Zahngewebes unterdrückt, wenn die Zähne deformiert
werden,
und es wird verhindert, daß das Zahngewebe sofort die obere Grenze seiner
Zugfestigkeit erreicht, wenn die Zähne deformiert werden.
-
Der Grund, warum das Produkt des Dehnungsprozentsatzes (%) in der
Schußrichtung unter einer Dehnung mit 1 kgf/cm und der Zerreißstärke (kgf/3cm) in der
Schußrichtung 16.000 oder mehr beträgt, basiert auf der Tatsache, daß das
Zahnabspringen ebenfalls beträchtlich durch die Zerreißzugstärke des Schusses beeinflußt ist.
Die Fähigkeit des Zahngewebes sich zu dehnen, ist für sich allein gesehen
ungenügend. Das Zahngewebe muß auch eine gewisse Stärke aufweisen, nachdem seine
Dehnung etwa 70% überschreitet. Ein Zahnabspringen ist durch die Kombination von
Dehnungsfähigkeit und Stärke des Zahngewebes verhindert. Demzufolge ist der
wichtige Parameter das Produkt aus Dehnung und Zerreißzugstärke.
-
Das gesamte Denier-Verhältnis zwischen der Kette und dem Schuß beträgt
vorzugsweise 1:1,4 oder mehr, um die Menge der Kette vom Standpunkt der Biegesteifigkeit
und des Abriebs des Zahnriemens aus auf ein Minimum zu unterdrücken.
-
Experimente wurden durchgeführt, um die Lebensdauer des Zahnriemens der
Erfindung unter Berücksichtigung des Zahnabspringens zu messen. Die Testbedingungen
waren wie folgt:
-
Riemenbreite: 15mm
-
Anzahl an Riemenzähnen: 124 (Teilung: 8mm)
-
Anfängliche Riemenspannung: 12 kgf
-
Übertragene Last: 100 kgf
-
Umdrehungsgeschwindigkeit: 3000 U/min
-
Testtemperatur: 30 bis 40ºC.
-
Die Ergebnisse sind unten in Tabelle 1 gezeigt.
-
Die Vergleichsbeispiele 1 und
2, die nicht mit der vorliegenden Erfindung
übereinstimmen, wurden präpariert, um den Effekt des Zahnriemens gemäß der Erfindung
zu bekräftigen.
-
Die Vergleichsbeispiele 1 und 2 zeigen gute Ergebnisse im Vergleich mit dem
herkömmlichen Beispiel. Jedoch sind sie im Vergleich mit dem Zahnriemen gemäß der
Erfindung minderwertig.
-
Zunächst weist der Zahnriemen des Vergleichsbeispiels 1 im Vergleich mit dem
herkömmlichen Beispiel eine verbesserte Stärke auf. Es weist eine relative
Schwefelsäurenviskosität von 3,0, eine Stärke einer einzelnen Faser von 9,5 g/d und eine
Zugstärke in der Schußrichtung von 235 kgf/3cm auf. Daher hat es eine verlängerte
Lebensdauer im Vergleich mit derjenigen des herkömmlichen Beispiels.
-
Andererseits weist der Zahnriemen des Vergleichsbeispiels 2 im Vergleich mit dem
herkömmlichen Beispiel dieselbe Zugstärke in der Schußrichtung, jedoch eine
verbesserte Dehnung in der Schußrichtung auf, d.h. 80% bei einer angelegten Kraft von
1 kgf/cm mit 80%. Bei dem Vergleichsbeispiel 2 ist die Lebensdauer des
Zahnriemens größer als diejenige des herkömmlichen Beispiels und ebenfalls etwas größer
als diejenige des Vergleichsbeispiels 1.
-
Bei dem Arbeitsbeispiel 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Stärke des
Zahngewebes erhöht, ist die Dehnung des Zahngewebes vergrößert und ist die
Stärke der einzelnen Fasern erhöht. Wie bei den Arbeitsbeispielen gezeigt, ist es
durch Kombinieren jeweiliger Charakteristiken miteinander möglich, ein
Zahnabspringen merklich zu reduzieren und dadurch merkliche Verbesserungen bei der
Lebensdauer des Zahnriemens zu ereichen. Es ist aus Tabelle 1 ersichtlich, daß es wichtig
ist zu gewährleisten, daß das Produkt aus Dehnungsprozentsatz (%) in der
Schußrichtung unter einem Dehnen mit 1 kgf/cm Kraft und der Zerreißstärke (kgf/3cm) in
der Schußrichtung 16.000 oder mehr beträgt. Dies macht es möglich, die
Lebensdauer des Zahnriemens merklich zu erhöhen.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es durch Vorsehen einer Dehnung von
zumindest 70% in der Schußrichtung bei dem nicht-ausgebildeten Zahngewebe unter einer
Dehnungskraft von 1 kgf/cm und durch Gewährleisten einer verbleibenden Dehnung
von zumindest 10% in dem Zahngewebe, nachdem der Zahnriemen ausgebildet ist,
möglich, ein Rutschen des Zahngewebes weg von dem Zahngummi aufgrund der
unzureichenden verbleibenden Dehnung des Zahngewebes zu verhindern und die
Zugspannung des Zahngewebes in der Schußrichtung zu reduzieren.
-
Da ein Zahnabspringen erheblich durch die Stärke des Schusses des Zahngewebes
beeinflußt wird, beträgt das Produkt des Dehnungsprozentsatzes (%) und der
Zerreißstärke (kgf/3cm) des Schusses bei der Erfindung 16.000 oder mehr. Durch
Gewährleisten der Dehnung und durch Verbessern der Zerreißzugstärke des
Zahngewebes ist es möglich, die Haltbarkeit des Zahnriemens zu steigern, ein
Zahnabspringen zu reduzieren und die Lebensdauer des Zahnriemens zu erhöhen.