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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Transmissionsriemen, und bezieht sich insbesondere
auf Transmissionsriemen mit einer Vielzahl von in einem seitlichen
Abstand voneinander angeordneten Rippen, die sich in Längsrichtung erstrecken.
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STAND DER TECHNIK
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Es
ist bekannt, V-förmige
Riemen in Automobilen zu verwenden, um verschiedene Zubehörteile von der
Kurbelwelle des Motor anzutreiben. Verschiedene Riemen können unabhängig voneinander über die
Kurbelwelle angetrieben werden. In einer beispielhaften Motorkonstruktion
treibt ein Riemen einen Wechselstromgenerator und einen Lüfter, ein
weiterer Riemen treibt die Servolenkung, und ein dritter Riemen
die Kühlausrüstung an.
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Aus
der nachveröffentlichten
DE 198 54 017 A1 ist
ein Transmissionsriemen bekannt mit einem Körper mit einer Länge und
definiert durch eine dämpfende
Kautschuklage mit mindestens einer darin eingebetteten und sich
in Bezug auf den Körper
in Längsrichtung
erstreckenden lasttragenden Schnur und einer zumindest teilweise
aus Kautschuk hergestellten Drucklage. Die dämpfende Kautschuklage weist
eine Kautschukzusammensetzung auf, die ein Ethylen-a-Olefinelastomer
mit der Fähigkeit
zur Vernetzung mit Schwefel enthält.
Der Kautschuk in der Drucklage ist eine Kautschukzusammensetzung,
die aus einem Ethylen-a-Olefinelastomer mit der Fähigkeit
zur Vernetzung mit einem organischen Peroxyd hergestellt ist.
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Es
bestand ein Trend zur Reduzierung des Gewichtes und der Größe von Autos,
um den Kraftstoffverbrauch zu verringern. In vielen dieser Autos
wird ein V-förmig
gerippter Riemen genutzt, der einen Körper mit Längsdehnung, lasttragende Schnüre und eine
Vielzahl von V-förmigen
Rippen aufweist, die in seitlichem Abstand voneinander angeordnet
sind und sich der Länge
nach an einer der Innen- oder Außenseiten des Riemenkörpers erstrecken.
Die andere Innen- oder Außenseite
des Riemenkörpers
weist eine oder zwei Schichten von mit Kautschuk imprägniertem
Segeltuch auf. Der Riemen kann in einer kurvenreichen Konfiguration angeordnet
werden, um mit verschiedenen zusätzlichen
Rollen zusammenzuarbeiten. Der Riemen kann von einer Leitrolle gespannt
werden, die gegen die nichtgerippte Oberfläche gepresst wird. Die nichtgerippte
Oberfläche
wird auch dazu genutzt, ein oder mehrere zusätzliche Zubehörteile anzutreiben.
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Weitere
V-förmig
gerippte Transmissionsriemen dieser Bauart sind aus
DE 4234149 A1 ,
US 5610217 A ,
JP 042112748 A und
JP 09290486 A vorbekannt.
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Generell
hat die nichtgerippte Oberfläche
nicht die Kraftübertragungsfähigkeit
wie die gerippte Oberfläche.
Reibungsverschleiß der
nichtgerippten oder der gerippten Oberfläche kann zu einer Verminderung
der Riemenspannung führen,
welches zum Rutschen des Riemens führen kann. Wenn dies geschieht,
kann der Riemen unfähig
sein, eine Kraftübertragung
unter einer schweren Last durchzuführen.
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Um
dieses Problem zu lösen,
ist es bekannt, doppelt V-förmig
gerippte Riemen zu verwenden, wo eine Vielzahl von in seitlichem
Abstand zueinander und sich der Länge nach erstreckende Rippen
sowohl an der Innenseite als auch der Außenseite des Riemenkörpers gebildet
sind. Normalerweise haben die gerippten Teile auf den Innen- und
Außenseiten
des Riemens ein gleiches Rippenprofil, eine gleiche Rippenhöhe und eine gleiche
Rippenform. Lasttragende Schnüre
sind zwischen den inneren und äußeren Rippen
des Riemenkörpers
eingebettet.
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Ein
doppelt V-förmig
gerippter Riemen wird gewöhnlich
in den Motorenräumen
von kompakten Automobilen genutzt. Diese Motoren können genügend Hitze
in diesen kleineren Räumen
entwickeln, so dass die Riemen in einer Umgebung mit hohen Temperaturen
arbeiten müssen.
Es ist bekannt, Naturkautschuk, Styrolbutadienkautschuk und Chloroprenkautschuk
zu verwenden, um Transmissionsriemen für diese Umgebung herzustellen.
Trotzdem neigen diese Riemen mit diesen Kautschuken zur verfrühten Rißbildung.
Typischerweise erfolgt die Rißbildung
in der Drucklage des Riemens, wobei der Kautschuk darin sich in
einem gehärteten Zustand
befindet.
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Untersuchungen
wurden gemacht, um die Hitzebeständigkeit
des Chloroprenkautschuks zu erhöhen. Einige
Fortschritte wurden durch diese Bemühungen schon erzielt. Trotzdem
ist die Verbesserung begrenzt und in vielen Umgebungen ist das Verhalten
des verbesserten Chloroprenkautschuks unzureichend.
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Studien
wurden auch betrieben, um als Alternative dazu Kautschuk, wie chlorsulfonierten
Polyethylenkautschuk, Polyethylenkautschuk, hydrierten Nitrilkautschuk
oder Fluorokautschuk zu verwenden. Mit einem Hauptskelett darin,
das hoch oder vollständig
gesättigt
ist, haben diese Kautschuke eine exzellente Hitzebeständigkeit.
Es ist bekannt, dass unter diesen Kautschuksorten chlorsulfonierter
Polyethylenkautschuk vergleichbar ist mit Chloroprenkautschuk in
Bezug auf seine dynamische Ermüdung,
Abnutzungsbeständigkeit und
Widerstandsfähigkeit
gegen Öl.
Trotzdem hat chlorsulfoniertes Polyethylen eine verringerte Wasserfestigkeit,
hervorgerufen durch die Vulkanisierung und dabei insbesondere durch
die Verwendung eines Säure
annehmenden Mittels. Typischerweise werden Oxide wie MgO und PbO
als Säure
annehmendes Mittel für
chlorsulfoniertes Polyethylen verwendet.
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Wenn
jedoch ein Säure
annehmendes Mittel mit einer Bleiverbindung wie PbO und Pb3O4 verwendet wird,
erhöht
sich die Wasserfestigkeit, aber es entsteht ein Problem der Verunreinigungen
und der Hygiene, welche auf das Blei zurückzuführen sind.
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Wenn
MgO als Säure
annehmendes Mittel verwendet wird, verschlechtert sich die Wasserbeständigkeit
deutlich aufgrund der Bildung von MgCl2 während der
Vernetzungs-Reaktion. Der resultierende Kautschuk kann nicht für die Nutzung
in einem Transmissionsriemen verwendet werden.
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Auf
der anderen Seite kann eine Zusammensetzung mit einer guten Wasserbeständigkeit
erhalten werden, wenn ein Säure
annehmendes Mittel vom Epoxy-Typ anstelle von Metalloxiden verwendet
wird, wodurch das erhaltene Produkt einen unangenehmen Geruch besitzt,
wodurch das Produkt für
die mit ihm umgehenden Personen unangenehm ist.
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Während Transmissionsriemen,
die – wie
oben beschrieben – hergestellt
wurden, eine signifikant längere
Betriebsdauer und exzellente Hitzebeständigkeit unter Hochtemperatur-Konditionen
im Vergleich zu unter der Verwendung von Chloroprenkautschuk hergestellten
Riemen haben, können
diese Riemen in einer Tieftemperatur-Umgebung, wie bei –30°C oder niedriger,
eine inakzeptabel kurze Lebensdauer besitzen. Dies kann darauf zurückzuführen sein,
dass chlorsulfonierter Polyethylenkautschuk durch die Chlorsulfonierung
von Polyethylen erhalten wird und Chlor enthält. Die Kohäsionsenergie von Chlor wird
bei niedrigen Temperaturen erhöht
und verursacht ein Härten
des Kautschuks. Bei einer niedrigen Temperatur verliert der Kautschuk
an Elastizität
und neigt dazu, Risse zu bekommen.
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Ethylen-α-Olefinelastomere,
wie Ethylen-Propylen-Kautschuk
(EPR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), sind Polymere
mit einer ausgezeichneten Hitzebeständigkeit und Kältebeständigkeit.
Diese Elastomere sind auch relativ preiswert. Weil jedoch diese
Elastomere eine geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber Öl haben,
werden sie nicht in Umgebungen verwendet, in denen sie mit Öl in Berührung kommen.
Bei trockener Reibungsübertragung
bei einem V-förmig
gerippten Riemen neigt der Riemen zum Rutschen, wenn er einer wesentlichen
Menge Öl
ausgesetzt wird, seine Übertragungsfähigkeit
ist verringert, was ihn allgemein für die Verwendung in dieser
Umgebung unpraktisch macht. Die Verwendung dieser Elastomere in
einer Kraftübertragungsumgebung
wurde untersucht und ist in der
japanischen
Offenlegungsschrift 345948/1994 beschrieben.
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Ethylen-Propylen-Kautschuk
weist eine relativ geringe Reißfestigkeit
auf, welche durch die Verwendung eines Peroxid-Vernetzungssystems
noch weiter verringert wird. Als Ergebnis davon kann es zum Herausspringen
lasttragender Schnüre
während
des Betriebs kommen. Es ist auch schwer, den Grad der Vulkanisierung
im Kautschuk unter Verwendung eines Schwefel-Vernetzungssystems
effektiv zu erhöhen,
so daß die
Abnutzung während
des Betriebs signifikant sein kann. Abnutzungsstaub tendiert zur
Ansammlung an der Basis der Rippen, wobei Haftabnutzung auftreten
kann. Dies kann auch zur Erzeugung von erheblichem Lärm führen. Während die
Verwendung von EPDM mit einer sehr großen Zahl von Doppelbindungen
in den Molekülen
den Grad der Vulkanisierung erhöhen
und die Haftabnutzung mindern kann, neigt es zu einer Verringerung
der Hitzebeständigkeit.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transmissionsriemen
bereitzustellen, der eine angemessene Betriebsdauer sowohl in Hochtemperatur-Umgebung als auch
in Tieftemperatur-Umgebung aufweist, auch wenn die verschiedenen
Kautschukschichten im Riemen während
des Zusammendrückens
und der Spannung wiederholt deformiert werden, und der eine gute
Festigkeit gegen Wasser und andere Umgebungskontamination aufweist.
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In
einer Ausführungsform
betrifft die Erfindung einen Transmissionsriemen mit einem Körper mit
einer Länge,
einer Innenseite, einer Außenseite,
und in seitlichem Abstand voneinander angeordneten Seiten. Der Körper hat
eine bindende Kautschukschicht, in welcher gestreckte lasttragende
Schnüre
eingebettet sind, die sich in Längsrichtung
zum Körper
erstrecken. Der Körper
hat eine erste Schicht an der Innenseite der bindenden Kautschukschicht,
in welcher eine Vielzahl von in seitlichem Abstand voneinander angeordneten
Rippen gebildet werden, die sich in Längsrichtung zum Körper erstrecken,
und eine zweite Schicht auf der Außenseite der bindenden Kautschukschicht,
in welcher eine Vielzahl von in seitlichem Abstand voneinander angeordneten
Rippen gebildet werden, die sich in Längsrichtung zum Körper erstrecken.
Die bindende Kautschukschicht umfasst eine mit Schwefel vernetzte
Kautschukzusammensetzung, die ein Ethylen-α-Olefinelastomer enthält, wobei
der Schwefel in der bindenden Kautschukschicht in einer Menge von
0,5–3,0
Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Ethylen-α-Olefinelastomer vorliegt. Mindestens
eine der ersten und zweiten Schicht hat ein vernetztes Produkt,
welches eine mit organischem Peroxid vernetzte Kautschukzusammensetzung
aufweist, die ein Ethylen-α-Olefinelastomer
enthält,
wobei das organische Peroxid entweder alleine oder als ein Gemisch
in einem Bereich von 0,005 bis 0,020 Mol pro 100 g Ethylen-a-Olefinelastomer
genutzt wird.
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In
einer Ausführungsform
enthalten die erste und die zweite Schicht beide ein quervernetztes
Produkt, welches eine mit organischem Peroxid vernetzte Kautschukzusammensetzung
aufweist, die ein Ethylen-α-Olefinelastomer
enthält.
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In
einer Ausführungsform
gibt es keinen verstärkenden
Stoff für
irgendeine der Innen- oder Außenseiten oder
für die
in seitlichem Abstand voneinander angeordneten Seiten des Körpers.
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Das
Ethylen-α-Olefinelastomer
in der ersten und zweiten Schicht kann mindestens ein Ethylen-Propylen-Dienmonomer
(EPDM) und/oder ein Ethylen-Propylen-Kautschuk
(EPR) sein.
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Das
Dienmonomer kann mindestens eine der Verbindungen Dicyclopentadien,
Methylennorbornen, Ethylidennorbornen, 1,4-Hexadien und Cyclooctadien
sein.
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Das
organische Peroxid kann mindestens eine der Verbindungen Dicumylperoxid,
Di-t-butylperoxid, t-Butylcumylperoxid, Benzoylperoxid, 1,3-Bis(t-butylperoxyisopropyl)-benzol,
2,5-Dimethyl-2,5-di-(t-butylperoxy)-hexin-3,2,5-Dimethyl-2,5-(benzoylperoxy)-hexan
und 2,5-Dimethyl-2,5-mono(t-butylperoxy)-hexan sein.
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Der
Riemen kann ferner ein Vernetzungs-Co-Agens enthalten, welches mindestens
eine der Verbindungen TIAC, TAC, 1,2-Polybutadien, Metallsalze von
ungesättigten
Carbonsäuren,
Oxime, Guanizin, Trimethylolpropantrimethacrylat, Ethylenglykol-dimethacrylat,
N,N'-m-Phenylenbismaleinsäureamid
und Schwefel ist.
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Der
Riemen kann ferner a) ein Verstärkungsmittel,
das mindestens eines von Ruß und
Siliziumdioxid ist, b) einen Füllstoff,
der mindestens einer von Calciumcarbonat und Talkum ist, c) einen
Weichmacher, d) einen Stabilisator, e) ein Verarbeitungsmittel,
und f) ein Färbemittel
enthalten.
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Der
Riemen kann ferner kurze verstärkende
Fasern in mindestens einer der ersten und zweiten Schicht enthalten.
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Eine
Vielzahl der kurzen verstärkenden
Fasern können
an der in seitlichem Abstand voneinander angeordneten Seiten des
Körpers
herausragen.
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Die
kurzen verstärkenden
Fasern können
mindestens eine aus Nylon 6, Nylon 66, Polyester, Baumwolle, Aramidfasern,
Aramidfasern mit einem aromatischen Kern in der molekularen Struktur,
und Aramidfasern, die kommerziell erworben werden können unter
einer der Marken CONEXTM, NOMEXTM,
KEVLARTM, TECHNORATM und
TWARONTM sein.
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In
einer Ausführungsform
weisen die kurzen verstärkenden
Fasern eine Länge
von 1–20
mm auf. Die kurzen verstärkenden
Fasern können
in einer Menge von 1–30
Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Ethylen-α-Olefinelastomer vorliegen.
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In
einer Ausführungsform
ist mindestens eine der ersten und zweiten Schicht faserverstärkter Kautschuk,
in dem ein Ethylen-α-Olefinelastomer
propfgebunden mit kurzen Fasern ist, wobei die kurzen Fasern einen
Durchmesser von nicht mehr als 1,0 μm aufweisen und in einer Menge
von 1–50
Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Ethylen-α-Olefinelastomer vorliegen.
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In
einer Ausführungsform
weisen die kurzen Fasern einen Durchmesser von 0,05 bis 0,08 μm auf und liegen
in einer Menge von 5–25
Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Ethylen-α-Olefinelastomer vor.
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In
einer Ausführungsform
wird eine Grenzschicht zwischen den kurzen Fasern und dem Ethylen-α-Olefinelastomer propfgebunden
unter Verwendung eines Klebstoffs enthaltend mindestens a) ein Silankupplungsmittel,
das mindestens eines von Vinyltris(β-methoxyethoxy)-silan, Vinyltriethoxysilan,
und γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan
ist, b) ein Titanat-Kupplungsmittel, das mindestens eines von Isopropyltriisostearoyltitanat
und eine ungesättigte
Carbonsäure
umfassend mindestens eine aus Acrylsäure, Methacrylsäure und
Maleinsäure
ist und c) ein Phenolharz vom Novolak-Typ.
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Das
Ethylen-α-Olefinelastomer
in der bindenden Schicht kann EPDM mit einem Jodwert von 4 bis 40 sein.
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Die
bindende Kautschukschicht kann ferner mindestens ein Mittel ausgewählt aus
a) einem Verstärkungsmittel
umfassend mindestens Ruß und/oder
Siliziumdioxid, b) einem Füllstoff
umfassend mindestens Calciumcarbonat und/oder Talkum, c) einem Weichmacher,
d) einem Stabilisator, e) einem Verarbeitungsmittel und f) einem
Färbemittel
aufweisen.
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Die
bindende Kautschukschicht kann ferner eine Vielzahl von darin eingebetteten
kurzen Fasern aufweisen.
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Die
lasttragenden Schnüre
können
Fasern umfassen, die durch Auftragen einer Resorcin-Formalin-Latex
(RFL) Lösung
behandelt wurden.
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Die
Fasern der lasttragenden Schnüre
können
mit mindestens einer Epoxy und/oder Isocyanat-Verbindung vor der
Behandlung mit RFL vorbehandelt worden sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1:
eine perspektivische Querschnittsansicht eines nach der Erfindung
hergestellten doppelt V-förmig
gerippten Transmissionsriemens;
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2:
eine Ansicht eines V-förmig
gerippten, um im Abstand angeordnete Rollen umlaufenden Riemens
und eine gegen den Riemen gepresste rotierende Schleifscheibe beim
Vorrücken
zur Formung von Rippen auf einer Seite des Riemens; und
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3:
einen vergrößerten Querschnitt
der durch die Schleifscheibe auf der anderen Seite des Riemens gebildeten
Rippen, nachdem Rippen auf der einen Seite des Riemens – wie in 2 gezeigt – gebildet wurden.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In 1 wird
ein erfindungsgemäßer doppelt
V-förmig gerippter
Riemen 10 gezeigt. Der Riemen 10 hat einen Körper 12 mit
einer Innenseite 14, einer Außenseite 16, und in
seitlichem Abstand voneinander angeordnete Seiten 18, 20.
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Der
Körper 12 besteht
aus einer bindenden Kautschukschicht 22, worin lasttragende
Schnüre 24 eingebettet
sind. Die lasttragenden Schnüre 24 sind
in seitlichem Abstand voneinander angeordnet und erstrecken sich
in Längsrichtung,
in die Richtung des in beide Richtungen zeigenden Pfeils 26,
innerhalb des Körpers 12.
Die lasttragenden Schnüre 24 definieren
die neutrale Achse für
den Körper 10.
Eine innere Kautschukschicht 28 wird auf der Innenseite 14 der
bindenden Kautschukschicht 22 gebildet, eine äußere Kautschukschicht 30 wird
auf der Außenseite 16 der
bindenden Kautschukschicht 22 gebildet. Die innere Kautschukschicht 28 hat
V-förmige,
in seitlichem Abstand voneinander angeordnete Rippen 32,
die dort gebildet werden und sich in Längsrichtung des Riemenkörpers 12 erstrecken.
Die äußere Kautschukschicht 30 hat
V-förmig
gerippte Rippen 34, die dort gebildet werden und sich ebenfalls
in Längsrichtung
(Pfeil 26) des Riemenkörpers 12 erstrecken.
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Die
Rippen 32, 34 werden mit gleichem Profil und gleicher
Höhe gezeigt.
Trotzdem muss die Höhe
der Rippen 32, 34 nicht gleich sein. Die relative
seitliche Position der Rippen 32, 34 kann ferner
auch von der gezeigten variieren.
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Abhängig von
der Richtung der Biegung können
die Rippen 32, 34 entweder sich immer in Kompression
oder Spannng befinden oder sie können
sich abwechselnd, da sie gegeneinander gekrümmt sind, zwischen Kompression
und Spannung befinden.
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Die
lasttragenden Schnüre 24 wurden
so hergestellt, dass diese eine große Stärke bei geringer Dehnung haben.
Die lasttragenden Schnüre 24 können aus
verschiedenen Fasern hergestellt werden, wie Polyester, Aramid,
und/oder Glas. Die lasttragenden Schnüre 24 sind komplett
in der bindenden Kautschukschicht 22 eingebettet.
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Die
inneren und äußeren Kautschukschichten 28, 30 sind
Elastomerschichten. In einer bevorzugten Form ist das Elastomer
in der inneren und äußeren Kautschukschicht 28, 30 ein
Ethylen-α-Olefinelastomer, das
Ethylen-Propylen-Dienmonomer-Kautschuk (EPDM) sein kann. Das Dienmonomer
kann mindestens eine der Verbindungen Dicylopentadien, Methylennorbornen,
Ethylidennorbornen, 1,4-Hexadien, und Cyclooctadien sein. Das Elastomer
kann auch Ethylen-Propylen-Kautschuk
(EPR) sein.
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Zur
Quervernetzung der oben angegebenen Kautschuksorten wird organisches
Peroxid benutzt, welches bevorzugt mindestens eine der Verbindungen
Dicumylperoxid, Di-t-butylperoxid, t-Butylcumyl-peroxid, Benzoylperoxid,
1,3-Bis-(t-butyl-peroxyisopropyl)-benzol, 2,5-Dimethyl-2,5-di-(t-butylperoxy)-hexin-3,2,5-Dimethyl-2,5-(Benzoyl-peroxy)-hexan
und 2,5-Dimethyl-2,5-mono(t-butylperoxy)-hexan enthält. Das
organische Peroxid kann alleine oder als Gemisch in einer Menge
von 0,005 bis 0,02 Mol g pro 100 g Ethylen-α-Olefinelastomer verwendet werden.
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Der
Grad der Quervernetzung kann zur Vermeidung von Haftabnutzung durch
Zumischen eines quervernetzenden Co-Agens erhöht werden. Das quervernetzende
Co-Agens kann unter den üblicherweise
benutzten Verbindungen zur Peroxidvernetzung ausgesucht werden,
beinhaltend, aber nicht begrenzt auf mindestens eine der Verbindungen
TIAC, TAC, 1,2-Polybutadien, Metallsalze von ungesättigten
Carbonsäuren, Oxime,
Guanizin, Trimethylolpropan-trimethacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat,
N,N'-m-Phenylenbismaleinsäureamid
und Schwefel. Die Kautschukmischung in der inneren und äußeren Schicht 28, 30 kann
auch a) ein Verstärkungsmittel
wie Ruß und/oder
Siliziumdioxid, b) einen Füllstoff
wie Calciumcarbonat und/oder Talkum, c) einen Weichmacher, d) einen
Stabilisator, e) ein Verarbeitungsmittel, und/oder f) ein Färbemittel
enthalten.
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Kurze
verstärkende
Fasern 36 können
in die inneren und äußeren Schichten 28, 30 eingebettet
sein. Die Fasern 36 erstrecken sich seitlich, um die seitliche
Druckfestigkeit zu erhöhen.
Vorzugsweise stehen die Fasern 36 aus den Seiten 18, 20 heraus,
die mit einer Riemenscheibe zusammenwirken, um dadurch den Reibungskoeffizienten
zwischen der Riemenscheibe und dem Riemen 10 zu senken.
Dies verringert potentiell die Lärmerzeugung
während
des Riemenbetriebes.
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Die
kurzen Fasern 36 können
mindestens eine von Nylon 6, Nylon 66, Polyester,
Baumwolle und Aramid sein. Aramidfasern werden aufgrund ihrer Stärke und
ihrer guten Abnutzungsbeständigkeit
bevorzugt.
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Vorzugsweise
weisen die Aramidfasern eine Länge
von 1 bis 20 mm auf und liegen in einer Menge von 1–30 Gewichtsteilen
pro 100 Gewichtsteilen des Ethylen-α-Olefinelastomers vor. Die Aramidfasern
bestehen bevorzugt aus Aramidfasern mit einem aromatischen Kern
in der molekularen Struktur. Beispiele für geeignete Aramidfasern sind
die kommerziell unter den Namen CONVEXTM,
NOMEXTM, KEVLARTM,
TECHNORATM und TWARONTM vertriebenen
Fasern.
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Wenn
die Menge der Aramidfasern weniger als ein Gewichtsteil beträgt, neigt
der Kautschuk in der inneren und äußeren Schicht 28, 30 dazu
klebrig zu werden, was die Abnutzung erhöht. Wenn die Fasern 36 in
einer Menge von mehr als 30 Gewichtsteilen vorliegen, kann eine
gleichmäßige Dispersion
in den Kautschukschichten 28, 30 nicht stattfinden.
Jedoch sind die kurzen Fasern 36 erfindungsgemäß nicht
wesentlich. Kurze Fasern aus anderen Materialien können auch
verwendet werden.
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Die
inneren und äußeren Kautschukschichten 28, 30 können auch
durch winzig kurze Fasern 38 verstärkten Kautschuk enthalten,
in dem ein Ethylen-α-Olefinelastomer
pfropfgebunden mit winzig kurzen Fasern 38 ist, welche
einen Durchmesser von nicht mehr als 1,0 μm aufweisen. Die Fasern 38 liegen
bevorzugt in einer Menge von 1 bis 50 Gewichtsteilen vor, und höchst bevorzugt
in einer Menge von 5 bis 25 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen
Ethylen-α-Olefinelastomer.
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Wenn
die Fasern 38 in einer Menge von weniger als einem Gewichtsteil
vorliegen, kann die Abnutzungsbeständigkeit des Kautschukes unzureichend
sein. Auf der anderen Seite wird die Dehnbarkeit der Kautschukzusammensetzung
verringert, wenn die Menge der Fasern 38 über 50 Gewichtsteile
hinausgeht, so dass die Hitzebeständigkeit und die Biegefestigkeit
verringert sind.
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Der
mit winzig kurzen Fasern 38 verstärkte Kautschuk bindet zufriedenstellend
mit dem Matrix-Kautschuk, da das Ethylen-α-Olefinelastomer, welches den
Kautschuk ausmacht, identisch oder ähnlich ist zu dem Ethylen-α-Olefinelastomer
des Matrix-Kautschukes der inneren und äußeren Schichten 28, 30.
Da das Ethylen-α-Olefinelastomer
und die winzig kurzen Fasern 38 chemisch miteinander gebunden
sind, sowohl zwischen dem durch winzig kurze Fasern 38 verstärkten Kautschuk
und dem Matrix-Kautschuk oder in dem durch winzig kurze Fasern 38 verstärkten Kautschuk,
ist das Auftreten von Rissen in der inneren und äußeren Schicht 28, 30 weniger
wahrscheinlich. Selbst wenn diese Risse gebildet werden, sind sie
weniger anfällig
zur Fortsetzung.
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In
dem durch winzig kurze Fasern 38 verstärkten Kautschuk ist die Grenzschicht
zwischen den winzig kurzen Fasern 38 und dem Ethylen-α-Olefinelastomer
propfgebunden, unter der Verwendung eines Klebstoffes, ausgewählt aus
mindestens a) einem Silankupplungsmittel, das mindestens eines von
Vinyltris(β-methoxyethoxy)-silan,
Vinyltrieth-oxysilan und γ-Methacryloxypropyl-trimethoxysilan
ist, b) einem Titanat-Kupplungsmittel, das mindestens eines von
Isopropyltriisostearoyl-titanat und einer ungesättigten Carbonsäure ist,
umfassend mindestens eine von Acrylsäure, Methacrylsäure und
Maleinsäure,
und c) einem Phenolharz vom Novolak-Typ.
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Der
Kautschuk wird durch Kneten und Extrudieren des Ethylen-α-Olefinelastomers
und der winzig kurzen Fasern 38 sowie eines Klebstoffes,
wie des oben beschriebenen Kupplungsmittels, bei Temperaturen, bei welchen
die Fasern 38 schmelzen, hergestellt. Der durch winzig
kurze Fasern 38 verstärkte
Kautschuk enthält eine
kontinuierliche Phase, die aus den Kautschukbestandteilen besteht,
worin die winzig kurze Fasern 38 fein dispergiert sind.
Die winzig kurzen Fasern 38 sind chemisch mit dem Kautschuk
gebunden, oder sie wirken interaktiv an der Grenzschicht. Diese
Kautschukzusammensetzung ist nicht anfällig für Rissbildung. Falls Risse
entstehen, sind diese Risse nicht anfällig zur Weiterent wicklung.
Ein mit dieser Zusammensetzung hergestellter Riemen 10 kann
ausgezeichnete Hitze- und Kältebeständigkeit
sowie Biege- und Abnutzungsfestigkeit vorweisen.
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Die
bindende Kautschukschicht 22 ist aus einer Kautschukzusammensetzung
des Ethylen-α-Olefinelastomeres
hergestellt worden, die oben beschrieben wurde, welche durch Schwefel
vernetzt ist. Dies führt
zu einer guten Hitzebeständigkeit
und einer guten Haftung mit Polyesterfasern, aromatischen Polyamidfasern, und/oder
Glasfasern in den lasttragenden Schnüren 24. Darüber hinaus
kann die Kautschukzusammensetzung mit a) einem Verstärkungsmittel
wie Ruß und/oder
Siliziumdioxid, b) einem Füllstoff
wie Calciumcarbonat und/oder Talkum, c) einem Weichmacher, d) einem
Stabilisator, e) einem Verarbeitungsmittel und f) einem Färbemittel
gemischt werden.
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Wenn
EPDM als Ethylen-α-Olefinelastomer
in der bindenden Kautschukschicht 22 verwendet wird, hat diese
vorzugsweise einen Jodwert von 4 bis 40. Wenn der Jodwert weniger
als 4 beträgt,
kann die Vernetzung der Kautschukzusammensetzung durch Schwefel
nicht ausreichend sein, um ein Herausspringen der lasttragenden
Schnüre 24 zu
verhindern. Auf der anderen Seite führt ein Jodwert von über 40 dazu,
daß das
Anvulkanisieren der Kautschukzusammensetzung verkürzt wird,
wodurch sie schwieriger handhabbar ist. Auch wird die Hitzebeständigkeit
verringert.
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Der
mit winzig kurzen Fasern 38 verstärkte Kautschuk kann zur bindenden
Kautschukschicht 22 hinzugegeben werden.
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Erfindungsgemäß liegt
der Schwefel in der bindenden Kautschukschicht 22 in einer
Menge von 0,5 bis 3,0 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteilen Ethylen-α-Olefinelastomer vor.
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Die
lasttragenden Schnüre 24 können behandelt
werden, um die Bindung mit dem Kautschuk der bindenden Kautschukschicht 22 zu
erhöhen.
Die lasttragenden Schnüre
können
in eine Resorcin-Formalin-Latex (RFL) Lösung eingetaucht werden und
danach erhitzt werden, um eine gleichmäßige Haftschicht auf ihrer Oberfläche zu bilden.
Die lasttragenden Schnüre 24 können mit
einer Epoxy und/oder Isocyanat-Verbindung vor der Behandlung mit
RFL vorbehandelt werden. Es gibt keine besondere Beschränkung bei
dem Verfahren zur Mischung der oben genannten Komponenten, da sie
durch bekannte Mittel oder Verfahren gemischt werden können. Beispielsweise
kann das Mischen auch unter Verwendung eines Banbury-Mischers oder
eines Kneters erfolgen. In bevorzugter Weise enthalten die Anteile
der inneren und äußeren Schicht 28, 30 des
Riemens 10, die der zusammenarbeitenden Rolle ausgesetzt
sind, keinen verstärkenden
Stoff oder eine Abschirmung, der die Charakteristika der Kraftübertragung
des Riemens 10 ändern
kann. Obwohl die Abwesenheit eines Stoffes oder einer Abschirmung
bevorzugt wird, berücksichtigt
die Erfindung auch, dass ein Stoff oder eine Abschirmung an den
exponierten, in die Rollen eingreifenden Teilen der einen oder beider
Schichten der inneren und äußeren Schicht 28, 30 benutzt
wird, um die Wahrscheinlichkeit von Rissbildung und Weiterverbreitung
dieser zu verringern, und um die Haftabnutzung an den Rippen 32, 34 zu
verhindern.
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Obwohl
nicht gezeigt, können
gegebenenfalls Kerben entlang der Breite des Riemens 10 vorgesehen werden,
um die Biegungsfähigkeiten
des Riemens 10, in einer dem Fachmann bekannten Weise,
zu verbessern.
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Die
Herstellung des doppelt V-förmig
gerippten Riemens
10 kann nach dem folgenden Verfahren durchgeführt werden,
wie im
japanischen Patent 2762238 beschrieben.
Die Kautschukschicht
28 mit einer Zusammensetzung, die
durch die Benutzung eines organisches Peroxides unter Verwendung
von Ethylen-α-Olefinelastomer
vernetzt werden kann, wird um die äußere Oberfläche einer Formtrommel gewickelt.
Die bindende Kautschukschicht
22 wird dann aufgetragen,
wobei diese eine Kautschukzusammensetzung aufweist, die durch die
Benutzung von Schwefel und Ethylen-α-Olefinelastomer vernetzt werden kann.
Lasttragende Schnüre
24 werden
dann spiralförmig
um die bindende Kautschukschicht
22 gewunden. Die Kautschukschicht
30 mit einer
Zusammensetzung, die durch die Benutzung eines organisches Peroxides
unter Verwendung von Ethylen-α-Olefinelastomer
vernetzt werden kann, wird dann über
die lasttragenden Schnüre
24 aufgetragen.
Das erhaltene Laminat wird vernetzt, um so eine Manschette
40,
wie in
2 und
3 gezeigt, zu erhalten.
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Die
Manschette 40 wird um eine Antriebsrolle 42 und
eine angetriebene Rolle 44 herum aufgezogen, welche sich
um parallele Achsen 46 bzw. 48 drehen. Die Manschette 40 wird
auf eine vorbestimmte Spannung gebracht und um die Rollen 42, 44 herum,
in Richtung des Pfeiles 50, betrieben. Eine Schleifscheibe 52,
die sich in Richtung des Pfeiles 53 dreht, wird gegen die
herausragende äußere Oberfläche der
sich bewegenden Manschette 40 gepreßt, um die Rippen 34 und
Kerben 54 zwischen angrenzenden Rippen 34 zu bilden.
-
Die
Manschette 40 wird dann von den Rollen 42, 44 entfernt
und umgedreht. Eine Patrone 56, mit sich abwechselnden
Vorwölbungen 58 und
Vertiefungen 60, die zu den Rippen 34 und Kerben 54 komplementär sind,
wird über
die Rolle 42 gelegt. Die umgekrempelte Manschette 40 wird
um die Rolle 44 und die Patrone 56 aufgezogen,
so dass die Rippen 34 in die Kerben 60 eingehen.
Die Manschette 40 wird unter einer vorbestimmten Spannung
betrieben. Wie in 3 zu sehen, wird die Schleifscheibe 52 gegen
die Manschette 40 gepresst, so dass sich die Rippen 32,
mit den dazwischen liegenden Kerben 62, bilden. Die Manschette 40 bewegt
sich in Richtung des Pfeils 50 vorwärts, und die Schleifscheibe 52 rotiert
in Richtung des Pfeils 53, wenn dieser Formungsschritt
durchgeführt
wird. Konventionell werden zwischen 3 bis 100 Kerben 54, 62 gleichzeitig
von der Schleifscheibe 52 geformt.
-
Die
entstandene Manschette 40 wird dann von der Rolle 44 und
Patrone 56 entfernt und um getrennte Antriebsrollen (nicht
gezeigt) und angetriebene Rollen (nicht gezeigt) herum auf einer
separaten Anordnung aufgezogen, auf denen sie konventionell durch
einen Schneidapparat (nicht gezeigt) in eine Breite geschnitten wird,
um so individuelle doppelt V-förmig
gerippte Riemen 10 zu erhalten.
-
Nachstehend
wird das Verhalten einer Reihe von spezifischen Riemen verglichen,
die nach der erfindungsgemäßen und
einer konventionellen Konstruktion hergestellt wurden.
-
Die
Manschetten
40 für
Riemen
10 wurden durch Nutzung einer gespannten Kautschuklage
von 3 mm, einer bindenden Kautschuklage von 0,5 mm und einer Kompressions-Kautschuklage
von 3 mm hergestellt. Die Schichten wurden durch Kalanderrollen
aus der Kautschukzusammensetzung, die unten in Tab. 1 gezeigt wird, geformt. TABELLE 1
| (Gewichtsteile) |
| obere/untere
Rippen | bindende
Kautschukschicht |
Verbindung | R1 | R2 | R3 | C1 | C2 | C3 |
EPDM Mitsui 4045 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
Nylon Schnittgarn | 10 | 10 | 10 | - | - | - |
Aramid Schnittgarn | 10 | 10 | 10 | - | - | - |
Stearinsäure | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
Zinkoxid | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
HAF Ruß | 55 | 55 | 55 | 40 | 40 | 40 |
Paraffinöl | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
Wäßriges Silika | - | - | - | 15 | 15 | 15 |
Vulkanisationsbeschleuniger
(1) | - | - | 1 | - | 1 | - |
Vulkanisationsbeschleuniger
(2) | - | - | 0,5 | - | 0,5 | 0,6 |
Vulkanisationsbeschleuniger
(3) | - | - | - | 1 | - | 1 |
Vulkanisationsbeschleuniger
(4) | - | - | - | - | - | 0,5 |
Vulkanisationsbeschleuniger
(5) | - | - | - | - | - | 2 |
Schwefel | - | - | - | 1 | 1 | 0,8 |
Peroxid (6) | 8 | - | - | 8 | - | - |
Peroxid (7) | - | 2 | - | - | - | - |
Vernetzungs Co-Agens | 2 | 2 | - | 2 | - | - |
- (1) Tetramethylthiuramdisulfid (TDM)
- (2) Dipentamethylenthiuramtetrasulfid (DPTT)
- (3) N-Cyclohexyl-2-benzothiazyl-sulfenamid (CBS)
- (4) Tetramethylthiurammonosulfid
- (5) Tellurdiethyldithiocarbamat
- (6) Dicumylperoxid (40%)
- (7) 1,3-Bis-(t-butylperoxyisopropyl)benzol (> 98%)
- (8) N,N'-m-Phenylendimaleinsäureamid
-
Die
Kautschukkomponenten wurden in einem Banbury-Mischer geknetet. Die lasttragenden
Schnüre wurden
aus Polyesterfasern hergestellt. Die in seitlicher Richtung sich
erstreckenden, kurzen, verstärkenden Fasern
wurden in die Kompressions- und Spannungs-Kautschukschichten eingebettet.
-
Eine
Manschette wurde um Antriebsrollen und angetriebenen Rollen herum
aufgezogen und bei einer vorbestimmten Spannung betrieben. Der sich
bewegende Riemen wurde von einer rotierenden Schleifscheibe gefräst, um Rippen
und, zwischen angrenzenden Rippen, Kerben zu bilden. Die Schleifscheibe
drehte sich bei 1800 Umdrehungen/Minute entgegengesetzt zur Drehrichtung
der Manschette.
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Nach
Bildung der Rippen und Kerben auf der einen Seite wurde die Manschette
umgedreht. Eine zylindrische Patrone, mit komplementären Rippen
und Kerben, wurde auf die angetriebene Rolle angebracht. Die umgedrehte
Manschette wurde dann mit der zylindrischen Patrone verzahnt und
gespannt. Die Manschette wurde dann angetrieben, von der Schleifscheibe
gefräst
und poliert, um einen zweiten Satz an Rippen und Kerben zu erhalten.
-
Die
so geformte Manschette wurde von der Antriebsrolle und der angetriebenen
Rolle entfernt, um getrennte Schneiderollen herum aufgezogen, und
in individuelle doppelt V-förmig
gerippte Riemen 10 geschnitten, wobei jeder drei Rippen 32, 34 enthält.
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Der
erhaltene V-förmig
gerippte Riemen 10 war ein dreifach gerippter Riemen 10 vom
K-Typ mit einer Länge
von 975 mm gemessen nach RMA-Standard. Der obere/untere Rippenabstand
war 3,56 mm. Die Rippenhöhe
war 2,0 mm. Die Riemendicke war 6,3 mm. Der Rippenwinkel für die oberen
und unteren Rippen betrug 40°.
-
Die
erhaltenen Riemen
10 wurden, a) einem Schältest zwischen
den lasttragenden Schnüren
24 und der
bindenden Kautschukschicht, b) einem Hitzebeständigkeits-Lauftest, und c)
einer Bestimmung der Anwesenheit und Abwesenheit von Haftabnutzung,
die mittels eines Betriebstests bei Raumtemperatur bestimmt wurde,
unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 unten dargestellt. TABELLE 2
| erfindungsgemäßes Beispiel 1 | erfindungsgemäßes Beispie 2 | erfindungsgemäßes Beispiel 3 | Vergleichsbeispiel
1 | Vergleichsbeispiel
2 |
bindende
Kautschukschicht | C2 Schwefel | C3 Schwefel | C2 Schwefel | C1 Peroxid | C2 Schwefel |
Kompressions-Kautschukschicht | R1 Peroxid | R1 Peroxid | R2 Peroxid | R1 Peroxid | R3 Schwefel |
atmosphärische Temperatur
(°C) | 23 | 120 | 23 | 120 | 23 | 120 | 23 | 120 | 23 | 120 |
Adhäsionskraft (N)
(Schälkraft von
zwei lasttragenden Schnüren) | 46,5 | 13,9 | 44,8 | 12,4 | 45,5 | 12,5 | 24,8 | 4,2 | 52,2 | 15,5 |
TABELLE 3
| erfindungsgemäßes Beispiel 1 | erfindungsgemäßes Beispiel 2 | erfindungsgemäßes Beispiel 3 | Vergleichsbeispiel
1 | Vergleichsbeispiel
2 |
bindende
Kautschukschicht | C2
Schwefel | C3
Schwefel | C2
Schwefel | C1
Peroxid | C2
Schwefel |
obere/untere Rippen | R1
Peroxid | R1
Peroxid | R1
Peroxid | R1
Peroxid | R3
Schwefel |
Herausspringen
nach 100 Std. Betrieb | Nein | Nein | Nein | Herausspringen
von 50 mm nach 24 Std. | Nein |
Auftreten
von Haftabnutzung | Nein | Nein | Nein | Nein | Ja |
-
In
dem Schältest
wurden zwei lasttragende Schnüre 24 bei
einer Geschwindigkeit von 50 mm/Minute bei einer Umgebungstemperatur
von 23°C
bis 12°C
unter Verwendung eines Strograph T geschält.
-
Für den Betriebstest
wurde ein System mit einer Antriebsrolle mit einem Durchmesser von
120 mm, einer angetriebenen Rolle mit einem Durchmesser von 120
mm, einer Führungsrolle
von 70 mm Durchmesser und einer Spannrolle von 45 mm Durchmesser
verwendet. Der Riemen wurde um die Rollen des Testsystems herum
gewunden und bei einer Umgebungstemperatur von 120°C betrieben.
Die Antriebsrolle wurde bei 4900 U/min betrieben, mit einer Last
auf der angetriebenen Rolle von 12 PS, und einer Anfangsspannung
von 57 kgf auf der Spannrolle. Die Führungsrolle wurde verbunden
auf der Rückseite
des Riemens, wobei der Winkel der Wicklung 90° betrug. Die Zeit bis zur Rissbildung
wurde gemessen. Das Hitzebeständigkeitsverhalten
wurde durch den Betriebstest ermittelt.
-
Zur
Bestimmung der Anwesenheit oder Abwesenheit von Haftabnutzung während des
Betriebstestes bei Raumtemperatur wurde ein Testaufbau verwendet,
der eine Antriebsrolle von 120 mm Durchmesser, eine angetriebene
Rolle von 120 mm Durchmesser und eine Spannrolle von 45 mm Durchmesser
aufwies. Der Riemen wurde darum gewunden und angetrieben, wobei
die Antriebsrolle bei 4900 Umdrehungen/Minute betrieben wurde. Eine
Anfangsspannung von 85 kgf wurde an die Spannrolle angebracht.
-
Es
kann von den in den Tabellen 2 und 3 dargestellten Ergebnissen gesehen
werden, dass der erfindungsgemäße Riemen 10 mit
einer Kautschukzusammensetzung des Ethylen-Propylen-Kautschukes
mit der Fähigkeit
zur Vernetzung mit einem organischen Peroxid für die innere und äußere Schicht,
und einer Kautschukzusammensetzung aus Ethylen-Propylen-Kautschuk
mit der Fähigkeit
zur Vernetzung mit Schwefel für die
bindende Kautschukschicht a) eine bessere Haftung zwischen den lasttragenden
Schnüren
und der bindenden Kautschukschicht, b) eine erhöhte Lebensdauer des Riemens
bei hohen Temperaturen, und c) eine geringere Haftabnutzung im Vergleich
zu einem konventionellen Riemen aufwies.
-
Die
vorstehende Beschreibung der speziellen Ausführungsformen ist zur Illustration
der von der Erfindung umfassten breiten Konzepte gedacht.
-
- 10
- Riemen
- 12
- Körper
- 14
- Innenseite
- 16
- Außenseite
- 18,
20
- Seite
- 22
- bindende
Kautschukschicht
- 24
- lasttragende
Schnur
- 26
- Pfeil
- 28
- innere
Kautschukschicht
- 30
- äußere Kautschukschicht
- 32
- V-förmige Rippe,
innen
- 34
- V-förmige Rippe,
außen
- 36
- verstärkende Faser
- 38
- kurze
Faser
- 40
- Manschette
- 42
- Antriebsrolle
- 44
- angetriebene
Rolle
- 46,
48
- Achse
- 50
- Pfeil
- 52
- Schleifscheibe
- 53
- Pfeil
- 54
- Kerbe
- 56
- Patrone
- 58
- Verwölbung
- 60
- Vertiefung
- 62
- Kerbe