JP7085699B1 - 歯付ベルト - Google Patents
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Abstract
Description
前記補強層は、前記歯部の底部から当該補強層までの最大高さが、前記歯部の底部から歯先までの高さの30~100%の領域の範囲になるように前記歯部に埋設され、
前記補強層は、前記ベルト周方向に配列された複数の補強繊維フィラメントを含み、
前記補強層において、前記ベルト周方向に交差する繊維の単位面積当たりの重量が、前記補強繊維フィラメントの単位面積当たりの重量の30%以下であり、
前記補強層は前記補強繊維フィラメントが、無撚の状態で、前記ベルト周方向に配列しつつシート状になるように結合された構造をしており、
前記補強層の厚みは、0.05~0.2mmであり、
前記補強繊維フィラメントの引張弾性率(GPa)は、
5≦[前記補強層の厚み(mm)]×[前記補強繊維フィラメントの引張弾性率(GPa)]≦60
の条件を満たすことを特徴としている。
また、補強層は、ベルト周方向に交差する繊維を、補強繊維フィラメントの単位面積当たりの重量の30%以下しか含まない。そのため、補強層を設けない場合とほぼ同じ屈曲性を確保できる。つまり、歯付ベルトの屈曲性の低下を抑えることができる。また、補強繊維フィラメントが無撚の状態で埋設されることにより、補強層の厚みを薄くすることができる。これにより、屈曲性の低下をより抑えることができる。なお、本発明において、「無撚」とは、撚り数が1回/10cm以下であることを意味する。 また、補強繊維フィラメントが無撚の状態で埋設されるため、屈曲時に繊維同士の摩擦による発熱が生じにくい。また、屈曲性の低下を抑えたことで、歯付ベルトがプーリに巻きかかったり離れたりする際の屈曲による歯付ベルトの発熱を抑制できる。そのため、走行中の歯付ベルトの温度上昇を抑制できる。歯付ベルトの温度上昇を抑制したことで歯付ベルトをより長寿命化できる。
また、補強層の厚みは、0.05~0.2mmである。補強層の厚みが0.2mmを超えると、曲げ剛性の増加(屈曲性の低下)によって、耐屈曲疲労性が悪化する場合がある。本発明では、補強層の厚みを0.2mm以下とすることで、屈曲性の低下による耐屈曲疲労性を確実に抑制できる。一方、補強層の厚みが0.05mm未満であると、十分な耐歯元亀裂(歯欠け)性を確保できない場合がある。本発明では、無撚の補強繊維フィラメントによる耐歯元亀裂(歯欠け)性を向上させる効果が高いため、補強層が0.05~0.2mmという薄さであっても、耐屈曲疲労性の低下を抑制しつつ、十分な耐歯元亀裂(歯欠け)性を確保することができる。なお、本発明において、「補強層の厚み」とは、補強層が複数ある場合であっても、各補強層の厚みのことを指す。
また、補強層に含まれる補強繊維フィラメントの引張弾性率(GPa)は、補強層の剛性を表す指標値である、『[前記補強層の厚み(mm)]×[前記補強繊維フィラメントの引張弾性率(GPa)]』の値(指数Z)が5以上60以下の条件を満たすことにより、補強層の厚みが0.05~0.2mmの範囲で、耐屈曲疲労性の低下を抑制しつつ、十分な耐歯元亀裂性を確保することができる。
また、補強繊維フィラメントはシート状になるように結合されており、ばらけることがないため、歯付ベルト製造時に、補強層の取り扱いが容易である。具体的には、未加硫ゴムの上に補強層となるシートを巻き付ける作業や、補強層にRFL処理やゴム糊処理等の接着処理を施す作業を容易に行うことができる。
また、補強繊維フィラメントの引張弾性率が300GPa以下であれば、上記の不具合の抑制効果を確保することができ、歯付ベルトをより長寿命化できる。
本実施形態の歯付ベルト1は、無端状のかみ合い伝動ベルトであり、図1~図3に示すように、心線4がベルト周方向(ベルト長手方向)に延びて埋設された背部2と、背部2の内周面に沿って所定間隔で配設された、複数の歯部3と、を備えている。
歯部3は、表面が歯布6で構成されており、歯部3の輪郭に沿って、歯布6と接する側に配置される第1ゴム層33と、第1ゴム層33のベルト外周面側に配置される補強層5と、補強層5のベルト外周面側に配置される第2ゴム層34とを含む。第1ゴム層33と第2ゴム層34は、異なるゴム組成物で形成してもよく、同じゴム組成物で形成してもよい。
(A)ゴム成分
歯部3(歯ゴム層)を構成するゴム組成物(架橋ゴム組成物)のゴム成分としては、例えば、ジエン系ゴム[天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ビニルピリジン-スチレン-ブタジエンゴム、アクリロニトリル-ブタジエンゴム(ニトリルゴム:NBR)、アクリロニトリル-クロロプレンゴム、水素化ニトリルゴム(HNBR)など]、エチレン-α-オレフィンエラストマー[エチレン-プロピレン共重合体(EPM)、エチレン-プロピレン-ジエン三元共重合体(EPDM)など]、クロロスルホン化ポリエチレンゴム(CSM)、アルキル化クロロスルホン化ポリエチレンゴム(ACSM)、エピクロルヒドリンゴム、アクリル系ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴムなどが例示できる。これらのゴム成分は、カルボキシル化SBR、カルボキシル化NBRなどのように、カルボキシル化されていてもよい。これらのゴム成分は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。
特に好ましいゴム成分は、水素化ニトリルゴム(HNBR)であり、クロロプレンゴム、エチレン-プロピレン-ジエン三元共重合体(EPDM)も好適に用いられる。特に高い負荷が作用する用途での好ましいゴム成分は、耐熱老化性の高いゴム、特に、水素化ニトリルゴムである。ゴム成分中、上記好ましいゴム成分の割合は、50質量%以上(例えば80~100質量%程度)が好ましく、特に100質量%であるのが好ましい。水素化ニトリルゴムの水添率は、50~100%程度の範囲から選択でき、70~100%であってもよい。
また、架橋ゴム組成物は、充填系配合剤をさらに含んでいてもよい。充填系配合剤としては、補強性充填剤、非補強性充填剤、短繊維などが例示できる。
好ましい非補強性充填剤は、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、ケイ酸塩(ケイ酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸アルミニウムマグネシウムなどのケイ酸塩、若しくはケイ酸塩鉱物(タルク、クレイ、マイカなど))から選択された少なくとも一種である。さらには、非補強性充填剤は、ベルトの加工性や配合剤の分散性の向上の効果が大きく、配合剤の分散不良を起こしにくい点から、炭酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム又はケイ酸マグネシウムを含むタルク、ケイ酸アルミニウム又はケイ酸アルミニウムを含むクレイから選択された少なくとも一種を含むのが好ましく、特に炭酸カルシウムを含むのが好ましい。非補強性充填剤としては、ゴムの充填剤として市販されている粉末状の充填剤を使用できる。
非補強性充填剤の割合は、ゴム成分の総量100質量部に対して、例えば70質量部以下、好ましくは40質量部以下、さらに好ましくは30質量部以下である。必要に応じて非補強性充填剤を用いる場合、非補強性充填剤の割合は、ゴム成分100質量部に対して、例えば3~70質量部、好ましくは5~40質量部、さらに好ましくは10~30質量部であってもよい。非補強性充填剤の割合が多すぎると、配合剤の分散性が不良となる虞がある。
ゴム組成物は、ゴム成分を架橋させるための架橋剤(加硫剤)が配合され、必要に応じて、共架橋剤、架橋助剤(加硫助剤)、架橋促進剤(加硫促進剤)、架橋遅延剤(加硫遅延剤)などが配合される。これらのうち、架橋系配合剤は、少なくとも架橋剤および共架橋剤(架橋助剤)を含むのが好ましく、架橋剤と共架橋剤との組み合わせが特に好ましい。
架橋剤としては、ゴム成分の種類に応じて慣用の成分が使用でき、例えば、有機過酸化物、硫黄系架橋剤、金属酸化物などが例示できる。
ゴム組成物は、歯付ベルト1のゴム組成物に使用される慣用の添加剤をさらに含んでいてもよい。慣用の添加剤としては、例えば、金属酸化物(酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化鉄、酸化銅、酸化チタン、酸化アルミニウムなど)、軟化剤(パラフィンオイルやナフテン系オイルなどのオイル類など)、加工剤または加工助剤(ステアリン酸またはその金属塩、ワックス、パラフィン、脂肪酸アマイドなど)、可塑剤[脂肪族カルボン酸系可塑剤(アジピン酸エステル系可塑剤、セバシン酸エステル系可塑剤など)、芳香族カルボン酸エステル系可塑剤(フタル酸エステル系可塑剤、トリメリット酸エステル系可塑剤など)、オキシカルボン酸エステル系可塑剤、リン酸エステル系可塑剤、エーテル系可塑剤、エーテルエステル系可塑剤など]、老化防止剤(酸化防止剤、熱老化防止剤、屈曲き裂防止剤、オゾン劣化防止剤など)、着色剤、粘着付与剤、可塑剤、カップリング剤(シランカップリング剤など)、安定剤(紫外線吸収剤、熱安定剤など)、難燃剤、帯電防止剤などが挙げられる。また、ゴム組成物は、必要により、接着性改善剤(レゾルシン-ホルムアルデヒド共縮合物、アミノ樹脂など)を含んでいてもよい。これらの添加剤は、単独でまたは二種以上組み合わせて使用できる。
Tanδとは、損失弾性率(E´´)をE´で除したものであり、振動1サイクルの間に熱として散逸されるエネルギーと貯蔵される最大エネルギーとの比の尺度となっている。即ち、Tanδはゴム組成物に加えられる振動エネルギーが熱として散逸され易さを表すものであり、Tanδが大きくなるほど外部から加えられるエネルギーの多くが熱に変換されるため、ゴム組成物は自己発熱により温度が高くなり、耐熱性が低下する。一方、Tanδが低いほど発熱量は低く抑えられるため、ゴム組成物の耐熱性は向上する。
補強層5は、図1~図3に示すように、歯付ベルト1(主に歯部3)に、歯部3の形状(略輪郭)に沿って、第1ゴム層33と第2ゴム層34との間に埋設されている。この補強層5が歯部3に埋設されるベルト厚み方向の位置は、歯部3の底部31(歯布6を含む)から補強層5までの最大高さH2(以下、補強層5の位置H2)が、歯部3の底部31から歯先32(歯布6を含む)までの高さH1(以下、歯高さH1)の30~100%(H2/H1=0.3~1.0)の領域であればよく、50~100%(H2/H1=0.5~1.0)の領域であれば、より好ましい。補強層5の位置H2が小さすぎると(補強層5の位置H2が心線4に近すぎると)、曲げ剛性が大きくなりすぎる。前記所定の領域に調整することにより、背反関係にある歯付ベルト1の歯剛性と曲げ剛性とのバランスを好適に調整でき、屈曲性を確保しつつ、十分な耐歯元亀裂(歯欠け)性を確保できる。
なお、補強層5の位置H2が、歯高さH1の100%(H2/H1=1.0)の場合は、補強層5が歯布6と接する態様となる。すなわち、歯ゴム層が第2ゴム層34のみで、第1ゴム層33が存在しない態様となる。
また、補強繊維フィラメント51の引張弾性率が300GPa以下であれば、上記の不具合の抑制効果を確保することができ、歯付ベルト1をより長寿命化できる。
また、補強層5の厚みが0.10mmであれば、補強繊維フィラメント51の引張弾性率は、50~600GPa(5≦指数Z≦60)、好ましくは100~600GPa(10≦指数Z≦60)、より好ましくは、補強繊維フィラメント51の引張弾性率の上限値及び下限値(50~300GPa)を踏まえて50~300GPa(更に好ましくは100~300GPa)である。
また、補強層5の厚みが0.20mmであれば、補強繊維フィラメント51の引張弾性率は、25~300GPa(5≦指数Z≦60)、好ましくは50~300GPa(10≦指数Z≦60)である。
一方向性繊維シート50を構成するアラミド繊維の具体例としては、例えば、東レ(株)製の「ケブラー」、帝人(株)製の「トワロン(登録商標)」、「コーネックス」、「ノーメックス」がある。一方向性繊維シート50の市販品の具体例としては、ファイベックス(株)製の「フィブラシート」がある。
ベルト内周面(歯部3および歯底部7の表面)を構成する歯布6は、例えば、織布、編布、不織布などの布帛などで形成してもよい。慣用的には織布(帆布)である場合が多く、ベルト幅方向に延在する経糸とベルト周方向に延在する緯糸とを織成してなる織物で構成される。織布の織り組織は、経糸と緯糸とが規則的に縦横方向に交差した組織であれば特に制限されず、平織、綾織(または斜文織)、朱子織(繻子織、サテン)などのいずれであってもよく、これらの組織を組み合わせた織り組織であってもよい。好ましい織布は、綾織および朱子織組織を有している。
この態様においては、緯糸のうちの、歯布6の表面側(歯付プーリとのかみ合い側)に位置する(露出する)緯糸として、歯布6と歯付プーリとの間の摩擦を低減するために、摩擦係数が低いフッ素系繊維(例えば、PTFE繊維)を使用することが好ましい。一方、歯布6の裏面側(歯ゴム層との接着側)に位置する緯糸には、フッ素系繊維以外の繊維(ナイロン繊維やウレタン弾性糸)を使用することで、歯布6と歯部3を構成するゴムとの接着力を高めることが可能となる。この態様の歯布6では、歯布6と歯付プーリとのかみ合いでの摩擦を低減でき、発音を抑制できる。
背部2は、内周面において歯部3および歯底部7が形成されるとともに、その外周面側では、ベルト外周面を形成する背ゴム層21を有している。さらに、背ゴム層21は、ゴム組成物(架橋ゴム組成物)で形成されている。図1~図3の態様では、歯部3が形成されていない側の他方の表面(ベルト背面)は布帛(織布、編布、不織布等)で被覆されていないが、必要に応じて被覆されていてもよい。この布帛は、好ましい態様も含めて、歯布6として例示された布帛から選択できる。
特に、背ゴム層21を構成する架橋ゴム組成物において、ゴム成分は、背ゴム層21と歯部3との密着性を向上できる点から、第2ゴム層34(内部ゴム層)と同系列または同種のゴム成分を含むのが好ましく、同種のゴム成分であるのがさらに好ましい。
背部2には、背ゴム層21の内周側において、ベルト周方向に沿って延びる心線4が埋設されている。この心線4は、抗張体として作用し、歯付ベルト1の走行の安定性及び強度を向上できる。さらに、背部2では、通常、ベルト周方向に沿って延びる撚りコードである心線4が、ベルト幅方向に所定の間隔を空けて埋設されており、ベルト周方向に平行な複数本の心線4が配設されていてもよいが、生産性の点から、通常、螺旋状に埋設されている。螺旋状に配設する場合、ベルト周方向に対する心線4の角度は、例えば5°以下であってもよく、ベルト走行性の点から、0°に近いほど好ましい。
特に高い負荷が作用する用途では、炭素繊維のマルチフィラメント糸が好適に用いられる。炭素繊維は、例えば、東レ株式会社製、商品名「トレカ」等が用いられる。
本実施形態の歯付ベルト1は、例えば、以下の工法(予備成形工法)で作製してもよい。
まず、補強層5を形成する一方向性繊維シート、歯布6を形成する歯布前駆体、第1ゴム層33(表部ゴム層)を形成する未架橋ゴムシート、第2ゴム層34(内部ゴム層)を形成する未架橋ゴムシート、背ゴム層21を形成する未架橋ゴムシートを作製する。
次に、図5に示すように、下型に歯付ベルト1の歯部3に対応する複数の溝部(凹条)を有するプレス用金型(平型)に、歯布6を形成する歯布前駆体を敷設する。続いて、その上面に第1ゴム層33を形成する未架橋ゴムシートを積層して積層体Aを作製する。そして、ゴム組成物が軟化する程度の温度(例えば、70~90℃程度)に加熱しつつ、複数の溝部ごとに対応した突起(凸条)を備えた押さえ盤で積層体Aを加圧し、積層体Aを溝部内に圧入して所定形状を得る。このとき、押さえ盤の突起の形状は、後で配設する補強層5の形状や位置H2に対応した形状に調整されている。
得られた予備成形体の外周面に、心線4を構成する撚りコードを螺旋状に所定のピッチで(円筒状モールドの軸方向に所定のピッチを有するように)巻き付ける。さらにその外周側に、背ゴム層21を形成する未架橋ゴムシートを巻き付けて未架橋のベルト成形体(未架橋積層体)を形成する。
最後に、円筒状モールドから脱型した架橋ベルトスリーブを所定の幅に切断することにより、複数の歯付ベルト1が得られる。
実施例1~5、比較例1~2、参考例1~2では、全厚(t)5.6mm、歯高さH1(歯布含む)3.5mm、歯ピッチ(P)8mm、歯型G8Mの歯付ベルトを用いて、歯せん断試験を模擬した2次元モデルを作成し、歯付ベルトの歯部と歯付プーリとの接触面にかかる荷重を与えた場合に、歯元に生じる応力を有限要素法解析によって、比較検証した。
そして、心線層のモデルは、ベルト厚み方向における中立面にトラス要素を配置し(心線層1)、周囲をソリッド要素で構成した(心線層2)。
また、心線層1(B)のトラス要素部は線形材料モデルであり、ヤング率=27000MPa、ポアソン比=0.4、心線層2(C)のソリッド要素部は線形材料モデルであり、ヤング率=2000MPa、ポアソン比=0.4に設定した。
補強層Dは線形材料モデルであり、ヤング率は変量し、ポアソン比=0.4に設定した。
また、補強層Dの厚み=0.1mmと設定した。
補強層Dの配置はモデル上で変量した。
以下に示す実施例及び比較例として検証した種々の歯付ベルトに関して、2次元の有限要素モデルを作成して解析を行い、歯剛性の最大値Xと、歯元に発生するMises応力の最大値Yを算出した。歯剛性の最大値Xは大きい方が優れており、Mises応力の最大値Yは、小さい方が優れている。以下の基準に基づいて優劣を判定した。
A判定:100N/mm以上
B判定:62N/mm以上、100N/mm未満
C判定:62N/mm未満
A判定:15.0MPa未満
B判定:15.0MPa以上、22.0MPa未満
C判定:22.0MPa以上
比較検証した実施例及び比較例の歯付ベルトについて、各ベルトの仕様と、有限要素法解析によって算出した歯剛性の最大値X、及び、歯元に発生するMises応力値の最大値Yとを、総合判定結果とともに図12及び図14に示す。なお、図12及び図14において、各ベルトの仕様につき、歯部における補強層の位置を、歯高さH1に対する補強層の位置H2の割合[H2/H1×100(%)]で示した(図9参照)。さらに、一方向性繊維弾性率(GPa)、歯剛性の最大値X(N/mm)、歯元に発生するMises応力の分布図、歯元に発生するMises応力の値の最大値Y(MPa)を示した。一方向性繊維弾性率とは、一方向性繊維シート(補強層)を構成する補強繊維フィラメントの引張弾性率を意味する。
また、図13(A)では、図12における、歯高さH1に対する補強層の位置H2の割合[H2/H1×100(%)]と歯剛性との関係性をグラフ化したものである。また、図13(B)では、図12における、歯高さH1に対する補強層の位置H2の割合[H2/H1×100(%)]とMises応力との関係性をグラフ化したものである。また、図15(A)では、図14における、一方向性繊維弾性率と歯剛性との関係性をグラフ化したものである。また、図15(B)では、図14における、一方向性繊維弾性率とMises応力との関係性をグラフ化したものである。
図12(及び図13)、図14(及び図15)に示す総合判定では、以下の基準に基づいてAランク~Cランクに分類した。
Aランク:X,Yが共にA判定である場合
Bランク:X,Yの一方又は両方がB判定である場合(C判定ではない)
Cランク:X,Yが一方でもC判定である場合
実施例1~3及び比較例1~2について、歯ピッチ=8.0mm、歯型G8Mの歯付ベルトにおいて、一方向性繊維弾性率115GPaの一方向性繊維シートを補強層として、歯高さH1に対する補強層の位置H2を変化させたときの歯剛性の最大値X(N/mm)、及び、歯元に発生するMises応力の最大値Y(MPa)の解析結果及び総合判定結果を図12及び図13に示した。
歯高さH1に対する補強層の位置H2の割合H2/H1が34%(1.2/3.5≒0.34)の歯付ベルト(実施例1)では、歯剛性は最大値X=133N/mm、歯元に発生するMises応力は最大値Y=12.5MPaで、いずれもA判定で、総合判定がAランクとなった。
歯高さH1に対する補強層の位置H2の割合H2/H1が63%(2.2/3.5≒0.63)の歯付ベルト(実施例2)では、歯剛性は最大値X=140N/mm、歯元に発生するMises応力は最大値Y=11.0MPaで、いずれもA判定で、総合判定がAランクとなった。
歯高さH1に対する補強層の位置H2の割合H2/H1が91%(3.2/3.5≒0.91)の歯付ベルト(実施例3)では、歯剛性は最大値X=137N/mm、歯元に発生するMises応力は最大値Y=10.9MPaで、いずれもA判定で、総合判定がAランクとなった。
実施例1の歯付ベルト(一方向性繊維弾性率が115GPa、歯高さH1に対する補強層の位置H2の割合H2/H1が34%)を基準(ベース)にして、H2/H1を34%で一定にしたまま、一方向性繊維弾性率を変化させた場合の歯剛性の最大値X、及び歯元に発生するMises応力の最大値Yの解析結果を図14及び図15に示した。
一方向性繊維弾性率が5GPaの歯付ベルト(参考例2)では、歯剛性は最大値X=79N/mm、歯元に発生するMises応力は最大値Y=20.7MPaで、いずれもB判定で、総合判定がBランクとなった。
一方向性繊維弾性率が50GPaの歯付ベルト(実施例4)では、歯剛性は最大値X=118N/mm、歯元に発生するMises応力は最大値Y=13.7MPaで、いずれもA判定で、総合判定がAランクとなった。
実施例1よりも一方向性繊維弾性率が大きい歯付ベルト(230GPa:実施例5)では、歯剛性は最大値X=140N/mm、歯元に発生するMises応力は最大値Y=12.5MPaで、いずれもA判定で、総合判定がAランクとなった。
実施例A~Mおよび比較例A~Gでは、下記表1~8に示す材料・構成に基づき作製した各歯付ベルトから試験片(幅20mm、長さ196mm)を採取し、歯剛性試験を行い、各歯付ベルトの歯剛性を比較評価した。
HNBR:日本ゼオン(株)製「Zetpol2010」、ヨウ素価11mg/100mg
不飽和カルボン酸金属塩を含むHNBR:日本ゼオン(株)製「Zeoforte ZSC2295CX」、ベースHNBR:不飽和カルボン酸金属塩(質量比)=100:110、ベースHNBRのヨウ素価28mg/100mg
アラミド短繊維:帝人(株)製「コーネックス」、平均繊維長3mm、平均繊維径14μm
ステアリン酸:日油(株)製「ステアリン酸つばき」
カーボンブラックSRF:東海カーボン(株)製「シーストS」、平均粒子径66nm、ヨウ素吸着量26mg/g
シリカ:エボニック・デグサ・ジャパン(株)製「ウルトラシルVN-3」、比表面積155~195m2/g
炭酸カルシウム:丸尾カルシウム(株)製「スーパー#1500」、平均粒子径1.5μm
酸化亜鉛:堺化学工業(株)製「酸化亜鉛2種」、平均粒子径0.55μm
老化防止剤:p,p'-ジオクチルジフェニルアミン、精工化学(株)製「ノンフレックスOD3」
有機過酸化物:1,3-ビス(t-ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン、理論活性酸素量9.45%
共架橋剤:N,N'-m-フェニレンジマレイミド、大内新興化学(株)製「バルノックPM」
可塑剤:(株)ADEKA製「アデカサイザーRS700」
一方向性繊維シート1:東レ(株)製「トレカT700S」炭素繊維フィラメント(引張弾性率230GPa、フィラメント径7μm、密度1.80g/cm3)を用い、エポキシ樹脂で結合して、3水準の厚み0.05mm(目付量60g/m2)、0.10mm(目付量120g/m2)、0.20mm(目付量240g/m2)のシートを調製した。
一方向性繊維シート2:帝人(株)製「テナックスIMS60」炭素繊維フィラメント(引張弾性率290GPa、フィラメント径6μm、密度1.73g/cm3)を用い、エポキシ樹脂で結合して、厚み0.10mm(目付量120g/m2)のシートを調製した。
一方向性繊維シート3:東レ(株)製「ケブラー49」アラミド繊維フィラメント(引張弾性率112GPa、フィラメント径12μm、密度1.45g/cm3)を用い、エポキシ樹脂で結合して、3水準の厚み0.05mm(目付量50g/m2)、0.10mm(目付量100g/m2)、0.20mm(目付量200g/m2)のシートを調製した。
一方向性繊維シート4:東レ(株)製「ケブラー119」アラミド繊維フィラメント(引張弾性率54.7GPa、フィラメント径12μm、密度1.44g/cm3)を用い、エポキシ樹脂で結合して、3水準の厚み0.05mm(目付量50g/m2)、0.10mm(目付量100g/m2)、0.20mm(目付量200g/m2)のシートを調製した。
すだれシート1:一方向に配向するアラミド繊維の撚りコード(1670dtex/1×2)が、綿の細糸(番手20S/1)で連結されたシート(通称、すだれコード)。撚りコードの密度を50本/5cmで、細糸の密度を4本/5cm、シートの厚みを0.7mmとした。
すだれシート2:一方向に配向するPET繊維の撚りコード(1100dtex/1×2)が、綿の細糸(番手20S/1)で連結されたシート(通称、すだれコード)。撚りコードの密度を50本/5cmで、細糸の密度を4本/5cm、、シートの厚みを0.6mmとした。
12Kのマルチフィラメント糸[東レ(株)製「トレカT700SC-12000」、単糸繊度0.67dtex、総繊度800tex]1本を片撚りした炭素繊維コード(12K-1/0,引張弾性率230GPa)を作製し、HNBR系オーバーコート処理剤による接着処理を行って、心線径1.1mmの心線を得た。
表2に示す織布をRFL処理液およびゴム糊を用いて浸漬処理して歯布前駆体を作製した。詳しくは、RFL処理は、表3に示す2種類のRFL処理液(RFL1、RFL2)を用い、RFL1、RFL2の順に浸漬処理を行った。さらに、ゴム糊処理も、表4に示す2種類のゴム糊(ゴム糊1、ゴム糊2)を用い、ゴム糊1、ゴム糊2の順に浸漬処理を行った。
歯部(第1ゴム層、第2ゴム層)および背部(背ゴム層)を形成するための未架橋ゴムシートとして、表1に示す配合の各ゴム組成物について、バンバリーミキサーを用いて混練し、得られた混練ゴムをカレンダーロールで所定の厚みに圧延し、未架橋ゴムシートを作製した。未架橋ゴムシート中に含まれるアラミド短繊維は、圧延方向に配向していた。
実施例A~Mおよび比較例A~Gでは、以下に示すように、本実施形態で説明した予備成形工法を用いて、全厚9.0mm、歯型S14M、歯高さ(歯布含む)5.3mm、歯ピッチ14mm、歯数80、周長1120mm、幅20mmの歯付ベルトを作製した。
各実施例、比較例および参考例で作製した歯付ベルトについて、歯部の構成(補強層の構成)および歯剛性の測定結果を表5~8に示す。
歯付ベルトの歯部に対応する複数の溝部(凹条)を有するプレスモールド(平型)に、歯布を形成する歯布前駆体、第1ゴム層を形成する未架橋ゴムシート(ゴム組成物A)の順に積層し、温度90℃、プレス圧(面圧)20.2MPaの条件で加圧して半架橋状態の積層体Aを形成し、次いで補強層5を形成する一方向性繊維シート(一方向性繊維シート1;目付量120g/m2、厚み0.10mm)を型付けして積層体Bを形成し、さらに第2ゴム層を形成する未架橋ゴムシート(ゴム組成物A)を圧入して予備成形体を作製した。
補強層5を形成する一方向性繊維シート1について、実施例Dでは目付量を60g/m2(厚み0.05mm)に、実施例Eでは目付量を240g/m2(厚み0.20mm)に変更したこと以外は、実施例Bと同様に歯付ベルトを作製した。
補強層5を形成する一方向性繊維シート1について、目付量を60g/m2(厚み0.05mm)に変更したこと以外は、実施例Cと同様に歯付ベルトを作製した。
補強層5を形成する一方向性繊維シートを、一方向性繊維弾性率の異なる一方向性繊維シート2(目付量を120g/m2、厚み0.10mm)に変更したこと以外は、実施例Bと同様に歯付ベルトを作製した。
実施例Hでは、補強層5を形成する一方向性繊維シートを、一方向性繊維弾性率の異なる一方向性繊維シート3(目付量を100g/m2、厚み0.10mm)に変更したこと以外は、実施例Bと同様に歯付ベルトを作製した。
実施例Iでは、補強層5を配置するベルト厚み方向の位置H2を5.3mm(H2/H1×100=100%)に変更したこと以外は、実施例Hと同様に歯付ベルトを作製した。
実施例Jでは、補強層5を形成する一方向性繊維シート3について、目付量を50g/m2(厚み0.05mm)に、実施例Kでは目付量を200g/m2(厚み0.20mm)に変更したこと以外は、実施例Hと同様に歯付ベルトを作製した。
実施例Lでは、補強層5を形成する一方向性繊維シートを、一方向性繊維弾性率の異なる一方向性繊維シート4(目付量を100g/m2、厚み0.10mm)に変更したこと以外は、実施例Bと同様に歯付ベルトを作製した。
比較例Eでは、補強層5を形成する一方向性繊維シート4について、目付量を50g/m2(厚み0.05mm)に、実施例Mでは目付量を200g/m2(厚み0.20mm)変更したこと以外は、実施例Lと同様に歯付ベルトを作製した。
補強層5を配置するベルト厚み方向の位置H2を5.3mm(H2/H1×100=100%)に変更したこと以外は、比較例Eと同様に歯付ベルトを作製した。
比較例Fでは、補強層5を形成する一方向性繊維シートを、すだれシート1(厚み0.70mm)に変更したこと以外は、実施例Bと同様に歯付ベルトを作製した。
比較例Gでは、補強層5を形成する一方向性繊維シートを、すだれシート2(厚み0.60mm)に変更したこと以外は、実施例Bと同様に歯付ベルトを作製した。
補強層を設けない例として、本実施形態で説明した予備成形工法の中で、一方向性繊維シートを使用しない方法で予備成形体を作製した。すなわち、歯付ベルトの歯部に対応する複数の溝部(凹条)を有するプレスモールド(平型)に、歯布を形成する歯布前駆体、歯ゴム層(第1ゴム層と第2ゴム層)を形成する未架橋ゴムシート(ゴム組成物A、シート厚み2.3mm)の順に積層し、温度90℃、プレス圧(面圧)20.2MPaの条件で圧入し、半架橋状態の予備成形体を作製した。
以降の工程は、他の実施例および比較例と同様に歯付ベルトを作製した。
作製した歯付ベルトから試験片(幅20mm、長さ196mm)を採取し、図16(A)に示すように試験片の歯部を歯せん断治具(歯付プーリの歯形状を想定した剛体)の突起部に係合し、1つの歯を一定圧力(締め付けトルク0.98cNm/1mm幅)で押え付けた状態で、オートグラフによって2mm/minの速度で引っ張った時の変位量に対する荷重を測定(図17のグラフ)し、その傾きK1(N/mm)を算出した。このとき、試験片の両端をチャック(掴み具)で掴んだ掴み幅は126mmとした。なお、この方法で得られるK1は歯部の変形だけでなくベルトの弾性伸びによる変位の影響も含まれた測定値である。そのため、図16(B)に示すように、歯せん断治具と係合する部分を除いた方法で、同様に測定して得られた傾きK2をベルトの弾性伸びの影響による数値と見做した。そして、下記の式(1)の関係により、K1とK2とから算出したKの値を、歯部の剛性(歯剛性)を表す指標とした。
歯付ベルトの歯剛性に関する判定は、以下の基準に基づいてAランク~Cランクに分類した。Cランク、Bランク、Aランクの順に歯剛性(耐変形性)に優れるグレードに位置づけされるが、実用的に補強層の効果が顕著に現れるのは、AランクまたはBランクの水準と判定した。
Aランク:K値(相対値)が1.7以上
Bランク:K値(相対値)が1.5以上1.7未満
Cランク:K値(相対値)が1.5未満
[1]一方向性繊維シート1(230GPa)を用いた場合
(実施例A~C、比較例A~C)
補強層(一方向性繊維シート)を含まない比較例Aの歯付ベルト(歯剛性の指標K値1.00)に対して、一方向性繊維弾性率が高い炭素繊維のフィラメントで形成した一方向性繊維シート1(230GPa)を、厚み0.10mm(指数Z=230×0.10=23)で、ベルト厚み方向の位置H2(およびH2/H1の割合)を変量して配置した場合の歯剛性(K値)を比較した例である。
実施例Bの補強層(H2/H1×100=53%、厚み0.10mm、指数Z=23)に対して、厚みを変量した実施例D(厚み0.05mm、指数Z=12)、実施例E(厚み0.20mm、指数Z=46)においても、歯剛性(K値)がAランクとなった。
(実施例G)
実施例Bの補強層の配置(H2/H1×100=53%、厚み0.10mm)において、より一方向性繊維弾性率が高いフィラメントで形成した一方向性繊維シート2(290GPa)を用いた実施例Gの補強層(指数Z=290×0.10=29)でも、歯剛性(K値)がAランクとなった。
(実施例H~K)
実施例Bの補強層の配置(H2/H1×100=53%、厚み0.10mm)において、一方向性繊維弾性率が小さいアラミド繊維のフィラメントで形成した一方向性繊維シート3(112GPa)を用いた実施例Hの補強層(指数Z=112×0.10=11)では、実施例Bよりは小さいが歯剛性(K値)がAランクとなった。
(実施例L~M、比較例D~E)
実施例Hの補強層の配置(H2/H1×100=53%、厚み0.10mm)において、より一方向性繊維弾性率が小さいアラミド繊維のフィラメントで形成した一方向性繊維シート4(54.7GPa)を用いた実施例Lの補強層(指数Z=54.7×0.10=5.5)では、歯剛性(K値)が実施例Hより小さくなりBランクとなった。
この実施例Lの補強層に対して、厚みを大きくした実施例M(厚み0.20mm、指数Z=11)では歯剛性(K値)がAランクとなった。
さらに、比較例Eに対して、補強層の配置をH2/H1×100が100%となる位置に変更した比較例Dでは、一層歯剛性(K値)が不足しCランクとなった。
実施例Bの補強層の配置(H2/H1×100=53%)において、一般的にすだれコードと称されて汎用されているすだれシート1(アラミド繊維)、すだれシート2(PET繊維)を用いて作製した歯付ベルトについて、それぞれ比較例F、比較例Gとして歯剛性(K値)を比較検証した。
これらのすだれシートは、本実施例で用いた一方向性繊維シートに比べて厚みが大きいにもかかわらず、歯剛性(K値)が不足してCランクとなった。
・補強層が配置される領域(歯部の底部から当該補強層までの最大高さH2が、歯部の底部から歯先までの高さH1の30~100%の領域)
・補強層(一方向性繊維シート)の厚みと、繊維フィラメントの引張弾性率との組み合わせ
・指数Zが5以上の場合、Bランク(K値が1.5以上1.7未満)
・指数Zが10以上(60以下)の場合、Aランク(K値が1.7以上)。
2 背部
21 背ゴム層
3 歯部
31 底部
32 歯先
33 第1ゴム層
34 第2ゴム層
4 心線
5 補強層
50 一方向性繊維シート
51 補強繊維フィラメント
52 熱硬化性樹脂
6 歯布
H1 歯高さ
H2 補強層の位置
Claims (3)
- ベルト周方向に所定の間隔で配設された歯部と、前記歯部の輪郭に沿って埋設された補強層と、を有する歯付ベルトであって、
前記補強層は、前記歯部の底部から当該補強層までの最大高さが、前記歯部の底部から歯先までの高さの30~100%の領域の範囲になるように前記歯部に埋設され、
前記補強層は、前記ベルト周方向に配列された複数の補強繊維フィラメントを含み、
前記補強層において、前記ベルト周方向に交差する繊維の単位面積当たりの重量が、前記補強繊維フィラメントの単位面積当たりの重量の30%以下であり、
前記補強層は前記補強繊維フィラメントが、無撚の状態で、前記ベルト周方向に配列しつつシート状になるように結合された構造をしており、
前記補強層の厚みは、0.05~0.2mmであり、
前記補強繊維フィラメントの引張弾性率(GPa)は、
50~300GPaの範囲内であり、且つ、
5≦[前記補強層の厚み(mm)]×[前記補強繊維フィラメントの引張弾性率(GPa)]≦60
の条件を満たすことを特徴とする、歯付ベルト。 - 前記補強繊維フィラメントの太さは、0.1~50μmであることを特徴とする、請求項1に記載の歯付ベルト。
- 前記補強層は、前記ベルト周方向に交差する繊維を含まないことを特徴とする、請求項1又は2に記載の歯付ベルト。
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