Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein Zahnriemen zur Kraftübertragung und ein
Verfahren zum Herstellen derselben. Die Erfindung weist eine besondere Nützlichkeit bei
einem Zahnriemen zum Antreiben der Nockenwelle eines Automobilmotors auf.
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Ein herkömmlicher Zahnriemen besteht aus einem Zugspannungslagerglied, bspw.
einem Satz von Kerndrähten, das zwischen einem Zahnabschnitt aus Gummi, d.h.
einem "Zahngummi", und einem Rückseitenabsohnitt aus Gummi, d.h. einem
"Rückseitengummi", sandwichartig angeordnet ist. Die äußere Oberfläche des
Zahngummis ist durch ein Zahngewebe abgedeckt, das üblicherweise ein Polyamid
(Nylon) umfaßt.
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Beim Herstellen des Riemens wird das Zahngewebe typischerweise mit einer
Gummimasse behandelt, deren Zusammensetzung im wesentlichen dieselbe ist wie die
des Zahngummis und des Rückseitengummis. Alternativ wird der Zahngummi mit
einer Resorcin-Formaldehyd-Latex(RFL)-Lösung behandelt, die VP-SBR-Latex umfaßt,
d.h. Vinylpyridin-Styrol-Butadien-Gummilatex. Wie hierin verwendet, umfaßt der
Ausdruck "behandelt" "imprägniert sein", "eingetaucht und danach getrocknet sein",
"beschichtet und danach getrocknet sein" und äquivalente Operationen. Das mit
einer RFL-Lösung behandelte Zahngewebe kann weiterhin mit einer Gummimasse
behandelt werden. In der Vergangenheit haben das Zahngummi und das
Rückseitengummi typischerweise aus CR (Chloropren) bestanden. Jedoch kürzlicher ist CR
(Chloropren) in erster Linie als Ergebnis der Tendenz in Richtung erhöhter
Pferdestärke bei Automobilmotoren durch HSN (hydriertes Nitril) als das Material des
Zahngummis und des Rückseitengummis ersetzt worden.
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Da Automobile unentbehrlich sind und mehr und mehr verfeinert werden, sind
wartungsfreie Motorteile in hohem Maße wünschenswert. Ein Zahnriemen ist ein
Motorbestandteil, der in der Vergangenheit in besonderem Maße Gegenstand des
Versagens gewesen ist. Ein Zahnriemen mit einer langen Lebensdauer ist deshalb
besonders wünschenswert.
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Um die Lebensdauer eines Zahnriemens zu steigern, ist es erforderlich, den Grund
des Riemenversagens zu identifizieren. Ein Zahnriemen versagt gewöhnlich, weil er
gerissen ist oder weil seine Zähne abreißen. Die primäre Aufgabe dieser Erfindung
besteht darin, die Abrißfestigkeit der Zähne eines Zahnriemens zu steigern.
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Frühere Anstrengungen zur Steigerung der Abrißfestigkeit der Zähne eines
Zahnriemens haben im allgemeinen Mittel verwendet, um die Antiverschleiß- und
Wärmewiderstandseigenschaften des Zahngewebes zu steigern. Anstrengungen zur
Steigerung der Antiverschleißeigenschaften haben ein Erhöhen der Menge an Fasern pro
Einheitsfläche des Zahngewebes und ein Steigern der Antiverschleißeigenschaften
der in dem Zahngewebe eingesetzten Fasern umfaßt. Zur Steigerung der
Wärmewiderstandseigenschaften des Zahngewebes ist das Gewebe mit einer HSN(hydriertes
Nitril)-Gummimasse behandelt worden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Untersuchung zeigt, daß das Behandlungsmittel Wirkung auf die
Wärmewiderstandseigenschaft des Zahngewebes hat, sich jedoch beträchtlich auf die
Antiverschleißeigenschaft des Zahngewebes auswirkt. Im Fall eines Riemens, der mit einem
Polyamidzahngewebe abgedeckt ist, bei dem kein Behandlungsmittel verwendet
wurde, wurde bemerkt, daß die Zahnoberfläche bald fusselig wurde, und dann wurde
sie wie Baumwolle und schließlich rissen mehrere Zähne ab. Dieses Ergebnis zeigt,
daß das Zahngewebe nicht nur als Folge der Behandlung durch das
Behandlungsmittel mit dem Zahngummi verbunden ist, sondern daß das Zahngewebe durch das
Behandlungsmittel geschützt wird und die Dichte des Zahngewebes als Folge des
Verbindens aufrechterhalten ist. Folglich können die Antiverschleißeigenschaften der
Zahnoberfläche des Riemens verbessert werden, kann die Zahnabrißfestigkeit
gesteigert werden und kann die Haltbarkeit des Riemens ebenfalls verbessert werden.
Der Verschleiß des Zahngewebes ist sowohl seinem Kontakt mit den
Riemenscheiben als auch der Berührung der Fasern des Riemens untereinander zuzuschreiben.
Man nimmt an, daß das Behandlungsmittel das Zahngewebe vor beiden
Verschleißursachen schützt.
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Eine Untersuchung zeigt weiter, daß die Wärmewiderstandseigenschaft des
Behandlungsmittels mit der Antiverschleißeigenschaft korreliert. Wenn ein Zahnriemen
unter Bedingungen mit hoher Temperatur verwendet wird, wird normalerweise ein
Wärmewiderstandsbehandlungsmittel eingesetzt.
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Ein gutes Wärmewiderstandsbehandlungsmittel härtet sich nicht selbst und trägt
nicht zur Verbesserung hinsichtlich der Antiverschleißeigenschaften des
Zahngewebes bei. Andererseits haben wir entdeckt, daß ein Behandlungsmittel, dessen
Wärmewiderstandseigenschaft geringer ist, zu einer Verbesserung in den
Antiverschleißeigenschaften des Zahngewebes als Folge eines Härtens beitragen kann.
Insbesondere ist herausgefunden worden, daß die physikalischen Eigenschaften des
Behandlungsmittels mit der Temperatur variieren und daß seine
Antiverschleißeigenschaften im Fall eines Behandlungsmittels mit geringen
Wärmewiderstandseigenschaften unerwartet gesteigert werden können, wenn der Riemen unter Bedingungen
mit hoher Temperatur verwendet wird.
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Diese Erfindung verlängert die Lebensdauer eines Zahnriemens durch Ausnutzen der
Wärmehärtungseigenschaft eines Behandlungsmittels für ein Zahngewebe. Genauer
löst die Erfindung das oben erwähnte Problem durch Behandeln des Zahngewebes
mit einer besonderen RFL(Resorcin-Formaldehyd-Latex)-Lösung.
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Es ist herausgefunden worden, daß ein Zahnriemen mit sowohl
Wärmewiderstandseigenschaften als auch Antiverschleißeigenschaften durch Einstellen der folgenden
Faktoren innerhalb eines geeigneten Bereichs erhalten werden kann: Das
Molekularverhältnis von Resorcin und Formaldehyd, das Gewichtsverhältnis von
carboxylmodifiziertem Nitril-Butadien-Gummi und carboxylmodifiziertem hydriertem Nitril-Butadien-
Gummi, das Gewichtsverhältnis einer Resorcin-Formaldehyd-Lösung ("RF-Lösung")
und einer Latex-Lösung ("L-Lösung"), der Kohlenstoffgehalt der RFL-Lösung und die
Menge des festen Anteils an an dem Zahngewebe anhaftendem RFL.
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Um geeignet zu sein, muß das Molekularverhältnis von Resorcin zu Formaldehyd in
der RF-Lösung in dem Bereich von 1:1 bis 1:3 sein.
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Das Gewichtsverhältnis von carboxylmodifiziertem Nitril-Butadien-Gummi relativ zu
carboxylmodifiziertem hydriertem Nitril-Butadien-Gummi sollte im Bereich von 4:6 bis
1:9 sein. Wenn das Verhältnis größer ist als 4:6, wird der Wärmewiderstand des
Zahngewebes unbefriedigend und kann seine Lebensdauer nicht verlängert werden.
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Andererseits kann die Antiverschleißeigenschaft nicht verbessert werden, wenn das
Verhältnis kleiner ist als 1:9.
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Wenn das Gewichtsverhältnis einer RF-Lösung relativ zu einer L-Lösung größer ist
als etwa 1:5, kann das Zahngewebe unpassend hart werden, wenn der Riemen
gebildet wird. Folglich wird die Herstellung des Riemens schwierig. Andererseits wird
die Adhäsion des Zahngewebes an dem Zahngummi schwach, wenn das Verhältnis
einer RF-Lösung zu einer L-Lösung kleiner ist als 1:15.
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Falls der kohlenstoffgehalt in der RFL-Lösung geringer ist als etwa 1 Gewichts-%,
kann die gewünschte Antiverschleißeigenschaft nicht erhaltbar sein. Wenn der
Kohlenstoffgehalt etwa 10 Gewichts-% übersteigt, kann das Zahngewebe andererseits
unpassend hart werden, wenn der Riemen gebildet wird, und der Wärmewiderstand
wird abnehmen. Der Kohlenstoffgehalt in der RFL-Lösung sollte deshalb im Bereich
von 1 bis 10 Gewichts-% sein und ist vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 Gewichts-
%.
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Wenn schließlich der Feststoffgehalt an an dem Zahngewebe anhaftendem RFL
geringer ist als 5 Gewichts-%, kann die Verbindung der Fasern in dem Zahngewebe
schwach werden, und folglich kann sich der Zahngummi von den Fasern separieren,
wenn der Riemen gebildet wird. Andererseits wird die Herstellung der Zähne
schwierig, wenn der Feststoffgehalt an an dem Zahngewebe anhaftendem RFL 30
Gewichts-% übersteigt.
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Die Erfindung liefert deshalb einen Zahnriemen, umfassend einen Zahngummi und
einen Rückseitengummi mit einem eingebetteten Lagerglied und ein Zahngewebe,
das den Zahngummi abdeckt, bei dem das Zahngewebe mit einer Lösung behandelt
ist, die ein Gemisch in einem Gewichtsverhältnis von 1:5 bis 1:15 einer Resorcin-
Formaldehyd-Lösung, die Resorcin und Formaldehyd in einem Molekularverhältnis
von 1:1 bis 1:3 enthält, und einer Latex-Lösung enthält, die carboxylmodifizierten
Nitril-Butadien-Gummi und carboxylmodifizierten hydrierten Nitril-Gummi in einem
Gewichtsverhältnis von 4:6 bis 1:9 enthält, bei dem die RFL-Lösung weiterhin
Kohlenstoff
von 1 bis 10 Gewichts-% enthält. Der an dem Zahngewebe anhaftende
Feststoffgehalt beträgt von 5 bis 30 Gewichts-%.
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Weitere Aufgaben, Details und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
detaillierten Beschreibung offensichtlich werden, wenn sie im Zusammenhang mit den
Zeichnungen gelesen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Zahnriemens,
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Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Prüfeinrichtung einer Verschleißmenge,
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Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Prüfeinrichtung der Zahnabrißzeit,
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Fig. 4 ist eine schematische Ansicht einer Prüfeinrichtung der Zahnabrißzeit,
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Adhäsionskraft zwischen dem Zahngewebe und dem
Zahngummi zeigt, wobei das Zahngewebe mit den in den Tabellen gezeigten Mitteln
behandelt ist,
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Widerstandskonstanz des Wärmewiderstands des
Zahngewebes zeigt, das mit den in den Tabellen gezeigten Mitteln behandelt ist,
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Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Verschleißmenge des Zahngewebes zeigt, das mit
den in den Tabellen gezeigten Mitteln behandelt ist,
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Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Zahnabrißzeit des Zahngewebes zeigt, das mit den
in den Tabellen gezeigten Mitteln behandelt ist,
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Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Zahnabrißzeit des Zahngewebes zeigt, das mit den
in den Tabellen gezeigten Mitteln behandelt ist, und
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Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Zahnabrißzeit des Zahn gewebes zeigt, das mit den
in den Tabellen gezeigten Mitteln behandelt ist.
Detaillierte Beschreibung
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Der Zahnriemen gemäß der Erfindung weist eine Struktur auf, die der eines
herkömmlichen Zahnriemens ähnlich ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Zahnriemen 10
gemäß der Erfindung aus Kerndrähten 12 oder anderen geeigneten
Zugspannungslagergliedern zusammengesetzt, die mit einem Zahnabschnitt 14 und einem
Rückseitenabschnitt 16 sandwichartig angeordnet sind. Der Zahnabschnitt 14 umfaßt
einen Zahngummi 18, und der Rückseitenabschnitt 16 umfaßt einen
Rückseitengummi 20. Die gesamte Zahnoberfläche ist durch ein Zahngewebe 22 abgedeckt,
das üblicherweise Polyamid (Nylon) oder ein ähnliches Material umfaßt.
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Das Zahngewebe 22 ist mit einem bestimmten Behandlungsmittel behandelt worden,
das ein Gemisch einer RF(Resorcin-Formaldehyd)-Lösung und einer
L(Latex)-Lösung in einem vorbestimmten Verhältnis umfaßt und eine vorbestimmte Menge an
Kohlenstoff einschließt.
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Die RF-Lösung wird durch Mischen von Resorcin und Formaldehyd in einem
vorbestimmten Verhältnis und Hinzufügen von Natriumhydroxid und reinem oder
gereinigtem Wasser erhalten. Die L-Lösung kann durch Mischen von carboxylmodifiziertem
Nitril-Butadien-Gummi und carboxylmodifiziertem hydriertem Nitril-Butadien-Gummi
in einem vorbestimmten Verhältnis und Hinzufügen von Ammoniak und reinem oder
gereinigtem Wasser erhalten werden.
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Die folgenden Tabellen illustrieren verschiedene Beispiele der Behandlungsmittel,
nämlich RFL-Lösungen. Der Zahnriemen gemäß der Erfindung ist mit den
RFL-Lösungen der Beispiele 2 oder 3 behandelt. Die Beispiele 1 und 4 bis 9 sind
Vergleichsbeispiele.
[Tabellen]
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Versuche wurden durchgeführt, um die Adhäsionsfestigkeit, die Widerstandskonstanz
des Wärmewiderstands des Zahngewebes, die Verschleißmenge und die
Zahnabrißzeit zu bestimmen.
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Fig. 2 illustriert schematisch die Prüfeinrichtung der Verschleißmenge des
Zahngewebes. Ein Riemen mit 124 Zähnen bei einer Teilung von 8 mm ist bei 4000
Umdrehungen pro Minute um einen Satz von vier ebenen Riemenscheiben P und eine
Zahnriemenscheibe A bei einer Temperatur von 140ºC angetrieben. Eine der
Riemenscheiben P ist wie gezeigt mit einer konstanten Gewichtskraft W beaufschlagt,
und die Zeit ist dieselbe für jeden Test. Die wie in Fig. 2 gezeigte Bedingung ist die
Bedingung A, auf die in der Tabelle Bezug genommen ist.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls schematisch eine Prüfeinrichtung zur Bestimmung der
Zahnabrißzeit bei einem Riemen mit Zähnen konstanter Breite durch Ausüben einer
konstanten Kraft gegen einen Zahn bei einer Temperatur von 100ºC. Die wie in Fig. 3
gezeigte Bedingung ist die Bedingung B, auf die in der Tabelle Bezug genommen ist.
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Fig. 4 illustriert eine Einrichtung zum Prüfen der Zahnabrißzeit durch Anlegen einer
Zugspannung an den Riemen. Hier ist ein Riemen mit 124 Zähnen bei einer Teilung
von 8 mm um ein Paar von Riemenscheiben P1 und P2 mit 22 bzw. 44 Zähnen
angetrieben. Die untere Strecke des Riemens läuft über eine Leitscheibe A1 mit einem
Durchmesser von 60 mm. Eine anfängliche Zugspannung von 118 N (12 kgf) ist an
den Riemen angelegt. Die Riemenscheibe P1 wird mit 3000 U/min gedreht. Die in
Fig. 4 gezeigte Bedingung korrespondiert zu den Bedingungen C-1 und C-2 in der
Tabelle. Genauer korrespondiert die Bedingung C-1 zu einer konstanten
Lastspannung von bestimmten F kgf und korrespondiert die Bedingung C-2 zu einer
Lastspannung von 0,61 x F kgf. Die Lastspannungen liegen zusätzlich zu der
anfänglichen Spannung vor.
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Die unteren Teile der Tabellen zeigen die Ergebnisse von verschiedenen
Messungen. Die Figuren 7 bis 10 zeigen die Testergebnisse unter den Bedingungen A, B, C-
1 bzw. C-2.
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Unter Bezugnahme auf die Tabellen ist das Beispiel 1 ein Vergleichsbeispiel, worin
die Latex(L)-Lösung keinen carboxylmodifizierten Nitril-Butadien-Gummi enthält.
Das Beispiel 4 ist ebenfalls ein Vergleichsbeispiel, bei dem das Gewichtsverhältnis
von carboxylmodifiziertem Nitril-Butadien-Gummi relativ zu carboxylmodifiziertem
hydriertem Nitril-Butadien-Gummi in der L-Lösung 5:5 ist.
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Das Beispiel 5 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die RFL-Lösung keinen Kohlenstoff
enthält. In allen anderen Fällen liegt Kohlenstoff in einer Menge vor, die 2 Gewichts-
% der RFL-Lösung gleich ist, wobei er als eine 10%-Dispersion in Wasser eingeführt
ist.
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Das Beispiel 6 ist ein Vergleichsbeispiel, bei dem die L-Lösung keinen
carboxylmodifizierten hydrierten Nitril-Butadien-Gummi enthält.
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Schließlich sind die Beispiele 7 bis 9 Vergleichsbeispiele, bei denen die L-Lösung nur
hydrierten Nitril-Butadien-Gummi, Nitril-Butadien-Gummi oder VP (Vinylpyridin) bzw.
SBR (Styrol-Butadien-Gummi) enthält.
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Durch Vergleich der Beispiele 2 und 3 mit den Vergleichsbeispielen 1 und 4 bis 9
wird beobachtet, daß der Zahnriemen gemäß der Erfindung bezüglich der
Verschleißmenge und der Zahnabrißfestigkeit merklich besser ist als die
Vergleichsbeispiele, ungeachtet der Tatsache, daß er hinsichtlich des Wärmewiderstands etwas
schlechter ist als die Vergleichsbeispiele.
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Gemäß der Erfindung kann die Antiverschleißeigenschaft des Zahngewebes durch
Ausnutzen der Veränderung der physikalischen Eigenschaft des Behandlungsmittels
merkbar verbessert werden, die normalerweise eine ungünstige Auswirkung zeigt,
nämlich die Veränderung der physikalischen Eigenschaft des Behandlungsmittels
aufgrund eines Wärmequalitätsverlusts. Die bei dieser Erfindung verwendeten
speziellen Behandlungsmittel werden aufgrund des Wärmequalitätsverlusts ausgehärtet
und bieten dem Zahngewebe eine hervorragende Antiverschleißeigenschaft. Im
Ergebnis ist die Zahnabrißzeit eines Zahnriemens, die einer der die Funktion eines
Zahnriemens beeinflussenden Hauptfaktoren ist, beträchtlich verlängert.
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Verschiedene Abweichungen von den oben bekanntgemachten spezifischen
Beispielen werden Fachleuten offenbar werden und können innerhalb des Umfangs der
Erfindung, wie er in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, durchgeführt
werden.
[Tabellen
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¹ Latex, hergestellt durch Nippon Zeon KK
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² Nipol 1571, hergestellt durch Nippon Zeon KK
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¹
Latex, hergestellt durch Nippon Zeon KK
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² Nipol 1562, hergestellt durch Nippon Zeon KK
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³ Nipol 2518FS, hergestellt durch Nippon Zeon KK