-
Sachgebiet
der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft Kraftübertragungsriemen
mit einer tiefen Kordlinie und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Es
ist auf diesem Gebiet bekannt, Kraftübertragungsriemen aus elastomeren
Materialien mit einem eingebetteten Zugelement herzustellen. Die Riemen
können
ein Mehrrippen-, Zahn- oder Keilprofil beschreiben. Die Riemen laufen
in Riemenscheiben, die ein mit diesen zusammenwirkendes Profil aufweisen.
-
Es
ist bekannt, dass das Zugkord in Kraftübertragungsriemen im allgemeinen
in einer Elastomermatrix angeordnet ist. Insbesondere sind bei Mehrrippenriemen
die Zugelemente im Körper
des Riemens angeordnet. Diese Form des Aufbaus wird der durch die
Zugelemente gestützten
Riemenrippe ein verstärkter
Hebelarm vermittelt. Die Größe der ausgeübten Kraft
ist direkt proportional zu dem radialen Abstand zwischen der Mitte
der Zugkordlinie und der Auflagefläche der entsprechenden Riemenscheibe.
Eine größere Hebelarmlänge verkürzt die Lebensdauer
des Riemens.
-
Das
Verfahren zur Herstellung des Riemens bestimmt zum Teil die Position
des Zugkords. Bei gefrästen
Riemen wird ein Riemenrohling auf einem Dorn geformt und vulkanisiert.
Der Riemenrohling wird anschließend
abgenommen und das Mehrrippenprofil wird sodann in den Riemenrohling
gefräst. Da
der Fräsvorgang
nicht vollständig
kontrolliert werden kann, muss eine gewisse Zugabe bei der Position
des Zugkords vorgesehen werden, um ein Zerschneiden desselben während des
Fräsvorgangs
zu verhindern. Dies führt
zu einem Abstand der Zugkordlinie von einem Rippenscheitel, der
größer ist
als bevorzugt.
-
Repräsentativ
für den
Stand der Technik ist das US-Patent 3 820 409 an Meadows, das einen Keilriemen
mit mehreren eng beabstandeten Stützkords beschreibt, die quer
zu und mindestens auf einer Seite des lasttragenden Kords angeordnet
sind.
-
Es
besteht Bedarf an einem Riemen mit einem erheblich verringerten
Abstand zwischen einem Zugkord und einem Rippenscheitel. Es besteht
Bedarf an einem Riemen mit einem erheblich verringerten Abstand
zwischen einem Zugkord und der Kontaktfläche zwischen Rippen und Riemenscheibe.
Es besteht Bedarf an einem Riemen mit einer Überkordschicht, die in einer
Elastomerschicht angeordnet ist, welche über einem Zugkord liegt, um
die Position des Zugkords während
des Formens zu kontrollieren. Die vorliegende Erfindung entspricht
diesen Bedürfnissen.
-
JP-A-11
099 347 ist ein Riemen des in dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Typs beschrieben.
-
Überblick über die
Erfindung
-
Der
primäre
Aspekt der Erfindung ist es, einen Kraftübertragungsriemen zu schaffen,
der einen erheblich verringerten Abstand zwischen dem Zugkord und
dem Rippenscheitel aufweist.
-
Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist es, einen Kraftübertragungsriemen zu schaffen,
der einen erheblich verringerten Abstand zwischen dem Zugkord und
der Kontaktfläche
von Rippen und Riemenscheibe aufweist.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist es, einen Kraftübertragungsriemen
zu schaffen, der eine Überkordschicht
aufweist, die in einer den Zugkord überla gernden Elastomerschicht
angeordnet ist, um die Position des Zugkords während des Formens zu kontrollieren.
-
Andere
Aspekte der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung
der Erfindung und die zugehörigen
Zeichnungen aufgezeigt oder ersichtlich.
-
Die
Erfindung schafft einen Riemen gemäß dem beigefügten Patentanspruch
1.
-
Die
Erfindung umfasst somit einen Riemen mit einem gefalteten Aufbau,
der über
Zugkords liegt. Eine Elastomerschicht liegt über einem Überkord, welcher über einer
weiteren Elastomerschicht liegt, die ihrerseits über einem Zugkord liegt. Die Überkordschicht
stützt
die Zugkords während
des Formens, wodurch die Position der Kordlinie stabilisiert wird.
Dieser Aufbau führt
zu einem erheblich verringerten Abstand zwischen der Zugkordmittellinie
und dem Rippenscheitel bzw. der Kontaktfläche zwischen Rippen und Riemenscheibe
bei einem Mehrrippenriemen.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Querschnittsdarstellung des Standes der Technik.
-
2 ist
eine Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen Riemens.
-
2A ist
ein Detail von 2 nach dem Formvorgang.
-
3 ist
ein Diagramm von Testergebnissen für den erfindungsgemäßen Riemen.
-
4 zeigt
die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Riemens
im Lebensdauertest unter hoher Belastung.
-
5 zeigt
die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Riemens
im Beständigkeitstest
bei hohen Temperaturen.
-
6 ist
eine Querschnittsansicht der Abmessung -d.
-
7 ist
eine Seitenansicht eines Riemenabschnitts.
-
8 zeigt
einen herkömmlichen Überkordaufbau.
-
9 zeigt
den Überkordaufbau
des erfindungsgemäßen Riemens.
-
Detaillierte
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
-
1 ist
eine Querschnittsansicht des Standes der Technik. Der bekannte Aufbau
weist einen Überkord
A, einen Unterkord B und Zugkords C auf. Die Mittellinie der Kordlinie
ist mit einem bestimmten Abstand d zu einem Scheitel eines Mehrrippenprofils dargestellt.
Die Kordlinie muss einen ausreichenden Abstand d zu dem Rippenscheitel
aufweisen, um eine Beschädigung
beim Fräsen
des Mehrrippenprofils in den Riemen zu vermeiden. Die Zugkords C
sind in Elastomermaterial D eingebettet.
-
2 ist
eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Riemens. Der Riemen 100 weist mehrere
Schichten auf. Der Unterkord 14 hat bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ein Mehrrippenprofil. Im Betrieb greift der Riemen 100 in
die Riemenscheibe P ein.
-
Genauer
gesagt weist die Schicht 10 Gummi oder faserhaltiges Elastomermaterial
auf. Der Überkord
oder Querkord 11 umfasst eine Querkordschicht. Die Querkordschicht
stützt
den Zugkord 13 während
des For- und Härtungsvorgangs,
wodurch eine korrekte Kordlinienposition in dem Riemenkörper beibehalten
wird. Der Querkord 11 kann Gewebe- oder Vliesmaterial aufweisen.
-
Die
Querkordschicht 11 ist im wesentlichen nicht porös, wodurch
verhindert wird, dass eine erhebliche Menge der Schicht 10 während des
Formvorgangs durch die Schicht 11 dringt. Dies hat den Effekt,
dass die Schicht 11 den Zug kord 13 stützt, wodurch
eine gleichmäßige Position
der Zugcordmittellinie CL kontrolliert erreicht wird.
-
Eine
dünne Gummischicht 12 ist
zwischen der Schicht 11 und dem Zugkord 13 aufgebracht. Kords 13 erstrecken
sich entlang der Längsachse des
Riemens. Zwar ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Gummischicht 12 zwischen
der Schicht 11 und den Zugkords 13 aufgebracht,
jedoch kann das Gummi 12 auch zwischen den Zugkords 13 und
der Unterkordschicht 14 aufgebracht sein, solange die Kords 13 während des
Formens von Gummi 12 umschlossen sind.
-
Der
Unterkord 14 umfasst ein Elastomermaterial mit Faserzuschlag.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann er ebenfalls reines Elastomer ohne Faserzuschlag, d.h. eine
Gummischicht, aufweisen. Der Faserzuschlag für die Schichten 10 und 14 kann
im Bereich von 0,1 bis 20 Teile pro hundert Teilen liegen. Die Fasern
können
jede bekannte Faser sein, einschließlich beispielsweise Baumwolle, PTFE
und Aramid.
-
Ein
Mantel 15 kann vorgesehen sein und Gewebe- oder Vliesmaterial
umfassen, um einen Reibungskoeffizienten zu erreichen.
-
Herstellung
-
Der
erfindungsgemäße Riemen
wird in einem Prozess des sequentiellen Aufbringens jeder Schicht
auf einer Aufbautrommel aufgebaut. Der Riemen wird durch Formen
hergestellt, indem eine expandierende Membran verwendet wird, die
den Riemenrohling in eine gerippte äußere Formschale presst. In
diesem Vorgang wird der Riemen auf einem Dorn mit einem expandierbaren
Teil auf der Oberfläche
des Dorns aufgebaut. Während
des Formens und Härtens
drückt
das expandierbare Teil den aufgebauten Riemen in eine äußere Formschale.
Die Verwendung der Querkord-Überkordlage 11 stabilisiert
die Position der Zugkordlinie 13, was zu einer genau kontrollierten
Position der Kordlinie führt.
Dies ermöglicht
es, den Zugkord 13 näher
an einem Rippenscheitel 16 und damit näher an der Rippen/Riemenscheiben-Kontaktfläche RF anzuordnen,
wodurch die Lebensdauer erheblich verlängert wird. Zum Vergleich befinden
sich bekannte Kordlinien in einem erheblich größeren Abstand von dem Rippenscheitel
und der Rippen/Riemenscheiben-Kontaktfläche, was zu einer kürzeren Lebensdauer
führt.
-
Insbesondere
wird eine erste Elastomerschicht 10 aus einem Gummielastomer
oder einem faserhaltigen Material auf den Dorn gelegt. Anschließend wird
eine Querkordschicht 11 aufgebracht. Aufgrund der Fließeigenschaften
des Gummis während des
Formens kann die Querkordschicht 11 durch Zusammennähen der
Enden der Lagen stumpf oder unter Belassung eines Spalts, wie in
Zusammenhang mit 9 beschrieben, miteinander verbunden
werden.
-
Anschließend wird
eine zweite Elastomerschicht aus einer dünnen Lage Gummimaterial 12 über der
Querkordlage 11 aufgebracht. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht die Schicht 12 ausschließlich aus Gummimaterial. Anschließend werden
die Zugelemente oder Kords 13 über die Gummimaterialschicht
gewickelt. Danach wird die dritte Elastomerschicht, welche eine
faserhaltige Unterkordlage 14 aufweist, aufgebracht. Schließlich wird
eine Lage 15 aus Vliesmaterial auf die Oberfläche der
Unterkordlage aufgebracht. Das Vliesmaterial 15 kann Materialien
umfassen, die auf Zellstoff basieren oder nicht.
-
Die
Verwendung dieses Aufbaus und Verfahrens führt dazu, dass die letztliche
Kordposition stabil und erheblich näher an dem Rippenscheitel 16 und der
Rippen/Riemenscheiben-Kontaktfläche
RF bleibt. Insbesondere wird während
des invertierten Formvorgangs der Riemenaufbau, und insbesondere der
Kord 13, spiralförmig
auf eine in einer Aufbautrommel angeordnete expandierbare Membran aufgebracht.
Während
des Formens drückt
die expandierbare Membran oder der Beutel den Riemenaufbau in die
Formschalenrippen.
-
Im
Stand der Technik neigt der Kord 13 während eines Formablaufs dazu,
sich entweder zu verzerren oder in die erste verfügbare Stützschicht
hinabzuzie hen. Die resultierende Fehlausrichtung der Kords bewirkte,
dass diese unterschiedliche Lasten aufnahmen, wodurch die Lebensdauer
verringert wurde.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Aufbau
und Verfahren ist die Stütze,
die dies verhindern soll, durch die Querkordschicht 11 gebildet.
Auf diese Weise wird der Kord 13 gestützt, wodurch die Kordlinie
CL genauer und näher
an der Rippen/Riemenscheiben-Kontaktfläche RF angeordnet ist.
-
Dieser
Aufbau hat ferner einen erheblichen Vorteil gegenüber dem
Herstellungsverfahren, bei dem ein Riemenprofil in den gehärteten Riemenaufbau
gefräst
wird. Bei einem gefrästen
Riemen muss die Kordlinie weiter von dem Rippenscheitel 16 beabstandet
sein, um ein unbeabsichtigtes Beschädigen des Kords durch den Fräsvorgang
zu vermeiden. Bei dem vorliegenden geformten Aufbau ist die Kordlinie dem
Scheitel wesentlich näher.
-
Der
offenbarte Aufbau des erfindungsgemäßen Riemens positioniert die
Kordlinie CL im Vergleich mit bekannten Riemen in einem geringeren
radialen Abstand d über
dem Rippenscheitel 16 und der Rippen/Riemenscheiben-Kontaktfläche RF (d2). Ein
derartiges Positionieren der Kordlinie schafft eine überlegene
dynamische Leistung, siehe 3. Der Bereich
des radialen Abstands d bei dem erfindungsgemäßen Riemen ist derart, dass
die Außenfläche des
Kords 13 ungefähr
0 bis 1,29 mm (0,000'' bis 0,050'') über
dem Rippenscheitel 16 liegt. Es ist ebenso möglich, dass
der Abstand d der Kordlinie negativ ist, so dass die Außenfläche des
Kords unterhalb des Rippenscheitels liegt, wodurch der Kord 13 effektiv
teilweise oder vollständig
innerhalb der Rippen positioniert ist, siehe 6. Der Abstand
der Kordmittellinie in Bezug auf den Rippenscheitel liegt in dem
ungefähren
Bereich von –1,03
bis 0 mm (–0,040'' bis 0.000'').
Der negative Wert, beispielsweise –1,03 mm (–0,040''),
gibt an, dass sich der Kord "unterhalb" des Rippenscheitels
befindet, so dass der Kord in den Rippen angeordnet ist, s. 6,
bei der es sich um eine Querschnittsdarstellung einer Abmessung –d handelt.
-
Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt
der Bereich von d bei einem Kord 13 mit einem Durchmesser
von ungefähr
1,03 mm(0,040'') ungefähr zwischen
0,257 mm (0,010'') und 0,386 mm (0,015'') über
dem Rippenscheitel. Wenn der radiale Abstand d gleich 0,514 mm (0,020'') ist, befindet sich ein Zugkord 13 an
der Oberfläche
der Schicht 14 an dem Rippenscheitel 16. Der angegebene
Korddurchmesser dient lediglich illustrativen Zwecken und kann in
Abhängigkeit
von den Bedürfnissen
eines Benutzers und den Betriebsbedingungen des Riemens variiert
werden.
-
Wie
zuvor erwähnt,
hat der offenbarte Aufbau des erfindungsgemäßen Riemens den Effekt, den
Abstand d2 zwischen der Rippen/Riemenscheiben-Kontaktfläche RF und der Riemenkordlinie
CL zu verringern. Die Verringerung des Abstands d2 bewirkt eine
Verringerung des Auslenkungsbetrags der Rippe, wenn der Riemen in
eine Riemenscheibe eingreift. Insbesondere wird im Betrieb beim
Eingreifen eines Riemens in eine Riemenscheibe das Elastomermaterial
der Rippe in Reaktion auf das auf die Riemenscheibe übertragene
Drehmoment ausgelenkt. Die Auslenkung erfolgt entlang einer Längsachse
und ist relativ zu einem Punkt des Zugkords. Siehe 7.
-
7 ist
eine Seitenansicht eines Riemenabschnitts. A gibt einen Punkt an
einem Zugkord 13 an. C zeigt einen Punkt an einer Riemenscheibenangreiffläche einer
Rippe 14. Wenn der Riemen unter Last L an einer (nicht
dargestellten) Riemenscheibe angreift, wird die Rippe 14 derart
ausgelenkt, dass der Punkt C über
die Strecke D3 zum Punkt B ausgelenkt wird. Die Größe der Strecke
D3 ist wie beschrieben von d2 abhängig. Nimmt d2 zu, so nimmt
auch D3 zu. Umgekehrt führt
eine Verringerung von d2 zu einer Verringerung von D3. Übermäßiges Auslenken, D3,
bewirkt vorzeitiges Riemenversagen durch Reißen der Rippen. Ein Verringern
der Auslenkung D3 während
des Betriebs durch erhebliches Reduzieren von d2 führt zu einer
erheblichen Verlängerung
der Lebensdauer des erfindungsgemäßen Riemens.
-
2A ist
ein Detail der 2. Der Riemenquerschnitt ist
derart, dass die Elastomerschicht 12 zwischen und durch
die Zugkords 3 gedrückt
wurde, wo durch Nasen 120 gebildet wurden. Die Nasen 120 verlaufen
parallel zu und entlang einer Länge
der Zugkords, im wesentlichen parallel zur Längsachse. Die Schicht 11 ist
nahe den Zugkords ebenfalls gepresst und drückt über einen dünnen verbleibenden Bereich
der Schicht 12 auf die Kords 13. Die Nasen 120 umfassen
Elastomermaterial der Schicht 12. Die Nasen 120 stützen und
federn die Kords im Betrieb ab.
-
3 ist
ein Diagramm von Testergebnissen für den erfindungsgemäßen Riemen.
Wie in 3 dargestellt, führt die Verringerung des durchschnittlichen
Abstands zwischen einem Rippenscheitel 16, und damit der
Rippen/Riemenscheiben-Kontaktfläche
RF, und der Kordlinie CL zu einer erheblichen Verlängerung
der Riemenlebensdauer. Beispielsweise beträgt die Lebensdauer eines Riemens
mit einem durchschnittlichen radialen Abstand d zwischen der Zugkordmittellinie
und dem Rippenscheitel von ungefähr
1,08 mm (0,042'') 100 Stunden im
Vergleich zu 280 Stunden bei einem Riemen mit einem durchschnittlichen
radialen Abstand d zwischen der Zugkordmittellinie und dem Rippenscheitel
von ungefähr 0,822
mm (0,032'').
-
4 zeigt
Ergebnisse des erfindungsgemäßen Riemens
nach einem Lebensdauertest unter hoher Belastung. Der erfindungsgemäße Riemen zeigte
eine erheblich verbesserte Lebensdauer unter hoher Belastung. Der
Test unter hoher Belastung umfasst das Treiben eines Riemens mit
ungefähr
4900 U/min bei ungefähr
36,5 N (264 pounds) Gesamtspannung bei einer Temperatur von ungefähr 85°. Der erfindungsgemäße Riemen
arbeitete ungefähr 280
Stunden bis zum Versagen, während
ein Riemen mit einer höheren
Kordlinienposition weniger als 150 Stunden bis zum Versagen arbeitete,
was einer Verbesserung von 86% entspricht.
-
5 zeigt
die Hochtemperaturbeständigkeit
des erfindungsgemäßen Riemens.
Der erfindungsgemäße Riemen
hat eine erheblich verbesserte Hochtemperaturbeständigkeit.
Der Hochtemperaturbeständigkeitstest
umfasst das Treiben eines Riemens auf einem Dreipunktantrieb bei
ungefähr
13000 U/min und ungefähr
39,0 N (282 pounds) Gesamtspannung bei einer Temperatur von ungefähr 250°F. Der erfindungsgemäße Riemen
arbeitete ungefähr 390
Stunden bis zum Versagen, während
ein Riemen mit einer Standard-Kordlinie 250 Stunden bis zum Versagen
arbeitete, was einer Verbesserung von 56% entspricht.
-
8 zeigt
einen herkömmlichen Überkordaufbau.
Die Überkordschicht
C ist an einer Überlappungsverbindung
zusammengefügt.
Ein Ende der Überlappungsverbindung
liegt um den Betrag OL über
dem unteren Bereich. Dieser "hohe
Punkt" erzeugt eine
Erhebung, die bei Verwendung des Riemens mit einer Rückseitenrolle
im Betrieb zu Geräuschen
führen
kann.
-
9 zeigt
den Überkordaufbau
des erfindungsgemäßen Riemens.
Wie an anderer Stelle in dieser Beschreibung erörtert, überlagert die Schicht 10 die
Querkordschicht 11. D bezeichnet die Aufbautrommel, auf
welcher der Riemen bei der Herstellung aufgebaut wird, wie an anderer
Stelle in dieser Beschreibung dargelegt. Die Enden 11A und 11B der Schicht 11 können in
Stoßverbindung
ausgebildet und/oder miteinander vernäht sein. Jedoch kann bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
während
der Herstellung auf der Aufbautrommel ein geringfügiger Spalt
G zwischen den Enden 11A und 11B vorhanden sein,
wodurch das Ende 11A mit der Schicht 10 anstatt
dem gegenüberliegenden
Ende 11B vernäht werden
kann. Während
des Vulkanisierens fließt
das Material der Schicht 10 durch den Spalt zusammen, wodurch
eine nahtlose Verbindung entsteht. Eine nahtlose Verbindung eliminiert
jedes Geräusch,
das durch das Laufen eines Riemens über eine Rückseitenrolle entstehen kann.
Das Herstellen des Riemens mit einem Spalt im Überkordbereich stellt daher
eine Verbesserung gegenüber
einem bekannten Riemen dar, bei dem ein Spalt in der Überkordschicht
bei Verwendung einer Rückseitenrolle
zu Geräuschen
führen
würde,
da die bekannten Riemen eine genaue Kontrolle der Enden der Überkordschicht
erfordern. Der erfindungsgemäße Riemen
erfordert nicht, dass die Enden der Schicht 11 genau geschnitten
und aufgelegt werden, was ferner zu einer Verringerung der Herstellungskosten
führt.
-
Obwohl
hierin lediglich eine einzelne Ausführungsform der Erfindung beschrieben
wurde, ist es dem Fachmann ersichtlich, dass an dem Aufbau und dem
Verhältnis
der Teile Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne den Rahmen der beschriebenen Erfindung zu verlassen.