ПРИВОДНОЙ РЕМЕНЬ
DRIVE BELT

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к приводным ремням, имеющим специальную поверхность, и более конкретно к приводным ремням, имеющим специальную поверхность, которая включает часть, имеющую нетканый материал, включающий акриловое волокно.
Из уровня техники известно производство приводных ремней из упругих материалов, имеющих встроенный растяжимый элемент. Ремни могут иметь многоручьевой, зубчатый, клиновидный или плоский профили. Ремни взаимодействуют со шкивами, имеющими соответствующий профиль.
Известно нанесение на поверхности ремней, включая тыльную сторону, боковины, профиль и/или кромки ребер, покрытия из разнообразных текстильных материалов или волокон для придания износоустойчивости, фрикционных характеристик, устойчивости к растрескиванию, жесткости и/или прочностных характеристик поверхности и/или нижележащей упругой области. Для формирования профиля могут потребоваться ткани со специальными характеристиками и/или специальные условия обработки. Например, ткань может быть предварительно сформована с образованием контура профиля перед формованием, что является трудоемкой стадией процесса производства. В большинстве случаев, чтобы избежать стадии предварительной формовки, покрытый тканью зубчатый ремень, изготовленный непрерывным поточным способом на зубчатой пресс-форме, требует применения ткани, которая является растяжимой, такой как ткань с очень низким модулем упругости и высоким относительным удлинением, по меньшей мере, в одном направлении. Покрытый тканью ступенчатый или зубчатый клиновидный ремень или многоручьевой клиновидный ремень, изготовленный обратным способом на плоской оправке путем прессования с помощью профилированной верхней пресс-формы аналогично, требует применения ткани с высоким относительным удлинением (обычно от 40 до 100%) и с низким модулем упругости, чтобы иметь возможность быть вытянутым из первоначальной плоской конфигурации в конечную профилированную конфигурацию без образования разрывов или искаженного профиля. Для такого применения известны подходящие текстильные и плетеные ткани, включающие разнообразные волокнистые материалы. Показательным примером в этой области технологии является патент США №5645504 на имя Westhoff, в котором предлагается, что арамидная, хлопковая, вискозная и акриловая пряжа могла бы быть применима в кудирных эластичных трикотажных материалах для нанесения покрытий или армирования ремней для применения в системах сцепления, поскольку эти материалы имеют температуры плавления, достаточно высокие, чтобы противостоять теплоте трения, выделяющейся при таких вариантах применения. В качестве лишь показательного примера был представлен ремень с трикотажным материалом из пряжи, составленной арамидно-вискозной смесью. Пригодные для ремней вязаные и текстильные материалы с высокой эластичностью являются относительно дорогостоящими.
Способ ворсопечати (флокирования) известен в производстве ремней с точно контролируемым количеством и ориентацией волокна на поверхности ремня. Представительным примером в этой области технологии является патент США №6561937 на имя Wegele, в котором ткань на поверхности ремня, передающей крутящий момент, покрыта перпендикулярно ориентированным флоком из короткого волокна, закрепленным с помощью клеевого средства. Приведен длинный список волокнистых материалов, которые якобы могут быть использованы для флока, включая акриловые волокна, но не представлено никаких разумных обоснований, помогающих выбрать тип волокна, и не приведено никаких примеров акрилового материала. Флокирование добавляет дополнительные производственные стадии в процесс производства ремней и требует применения специального оборудования.
Нетканые полотна (часто называемые как «нетканые материалы») были предложены для нанесения покрытий на поверхности профилированных ремней. Представительным примером в этой области технологии является патент США №6793599 на имя Patterson et al., патент США №6824485 на имя Edwards et al. и патент США №6609990 на имя Kopang. Полотна из нетканых материалов могут создавать открытую структуру, в которую во время формования легко проникает упругий материал, или более закрытую структуру, которая оставляет высокую концентрацию волокна на поверхности, и широкое многообразие тканевых материалов имеется в распоряжении для достижения желаемых фрикционных, термических и механических характеристик ремня. Нетканые материалы могут быть обработаны на общепринятом оборудовании для производства ремней и обеспечивают экономию средств по сравнению с вязаными и текстильными тканями.
Однако на практике было обнаружено, что известные в уровне техники полотна из нетканых материалов, основанные на целлюлозных волокнах и целлюлозно-синтетических смесях, имеют одну или более нежелательных характеристик. Во-первых, целлюлозные материалы имеют относительно плохую износостойкость, в особенности в условиях мокрой обработки. Во-вторых, известные в уровне техники нетканые материалы имеют очень ограниченную эластичность или степень удлинения. Типично в испытании на разрыв нетканые материалы растягиваются только на величину от 2 до 10% и затем начинают течь или разрываются, так что последующее вытягивание локализуется исключительно в зоне разрыва. Подобным образом, когда нетканые материалы подвергаются растяжению во время формования, беспорядочно расположенные волокна просто скользят друг по другу и разделяются, и при этом происходит разрушение любых связей между волокнами, сформированных с помощью адгезивных связующих средств, если таковые применяются. В отличие от текстильных или вязаных тканей растяжение нетканых материалов с большим трудом поддается контролю, и часто вследствие разделения волокон возникают дыры или разрывы. Образование отверстий и разрывов ведет к неравномерным поверхностям ремней, чрезмерному проступанию наружу резины и/или пятнам обнажившегося упругого материала, имея результатом плохую износоустойчивость, шумность и/или ухудшение фрикционных характеристик. В-третьих, ранее было затруднительным контролировать проникновение резины в полотно из нетканого материала для обеспечения желаемых поверхностных характеристик, в особенности, когда это сочеталось с проблемой разрывов. Именно после углубленного исследования в плане модифицирования известных свойств тканей, таких как пористость, проницаемость, плотность и прочность на разрыв, или технологических параметров, таких как применение множественных слоев нетканых материалов, требуются усовершенствования в плане обработки и эксплуатационных качеств.
Проведя исследования большого числа полотен из синтетических, натуральных и смешанных нетканых материалов, ни один из которых не давал ремни, полностью свободные от вышеупомянутых недостатков, авторы изобретения наконец нашли решение в представленном здесь изобретении. То, что требуется, представляет собой приводной ремень, имеющий контактирующую со шкивом область, включающую нетканый поверхностный материал, расположенный на нижележащем упругом материале в основе ремня или смешанный с таковым, в котором нетканый материал включает акриловые волокна, необязательно смешанные с неакриловыми волокнами, в количестве вплоть до 75%, такими как целлюлозные волокна. То, что требуется, представляет собой приводной ремень с многоручьевым профилем, имеющий контактирующий со шкивом поверхностный слой из нетканого материала и слой сжатия, со слоем из нетканого материала, включающим акриловые волокна или микроволокна, необязательно смешанные с неакриловыми волокнами в количестве таковых до приблизительно 75%. Настоящее изобретение отвечает этим потребностям.
Раскрытие изобретения
Главный аспект изобретения состоит в представлении приводного ремня, включающего основу, включающую в себя упругий материал и имеющее работающие на растяжение элементы, расположенные в продольном направлении, основу, имеющую контактирующую со шкивом часть, имеющую профиль; контактирующую со шкивом часть, включающую полотно из волокнистого нетканого материала; отличающегося тем, что волокна нетканого материала включают акриловые волокна.
В еще одном аспекте изобретения волокна нетканого материала включают по меньшей мере приблизительно 25% по весу акриловых волокон.
В еще одном аспекте изобретения нетканый материал смешан с упругим материалом основы в контактирующей со шкивом области.
В еще одном аспекте изобретения акриловые волокна представляют собой акриловые микроволокна, имеющие размер волокна приблизительно 1,5 или менее dpf, предпочтительно приблизительно 1,0 dpf или менее, или волокна могут иметь средний диаметр приблизительно 13,5 микрон или менее, предпочтительно 11 микрон или менее. Акриловые волокна могут иметь среднюю длину от приблизительно 1 до приблизительно 10 мм, предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 6 мм или от приблизительно 2 до приблизительно 5 мм.
В еще одном аспекте изобретения вплоть до 75% волокон нетканого материала могут составлять неакриловые волокна, такие как прочие синтетические волокна, натуральные волокна или целлюлозные волокна.
Еще один аспект изобретения состоит в представлении приводного ремня с многоручьевым профилем, имеющего на контактирующей со шкивом поверхности слой из нетканого материала и слой сжатия, со слоем из нетканого материала, включающим акриловые волокна или микроволокна, необязательно смешанные с целлюлозными волокнами в количестве до приблизительно 75%.
Еще один аспект изобретения состоит в представлении улучшенного способа изготовления ремня, включающего в себя стадии: размещения первого упругого и/или текстильного слоя ременной заготовки на оправке; укладки эластичного корда на первый слой; нанесения второго упругого слоя на слой эластичного корда; нанесения полотна из волокнистого нетканого материала на второй упругий слой; отверждение ременной заготовки в создающей профиль пресс-форме; и выбора полотна из акрилового нетканого материала для области нетканого материала.
Прочие аспекты изобретения будут особо выделены или сделаны очевидными с помощью нижеследующего описания изобретения и сопроводительных чертежей.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид сбоку поперечного сечения ремня в варианте исполнения согласно изобретению.
Фиг.2 изображает компоновку шкивов в испытании на шумность вследствие нарушения прямолинейности ремня.
Фиг.3 изображает компоновку шкивов в испытании на износоустойчивость при принудительном проскальзывании.
Фиг.4 изображает компоновку шкивов в испытании коэффициента трения (COF).
Подробное описание изобретения
Фиг.1 представляет собой вид поперечного сечения ремня 20 в варианте исполнения согласно изобретению. Ремень 20 включает основу 11 и контактирующие со шкивом ручьи 12, проходящие в продольном направлении. Ремень 20 также включает несущие нагрузку упругие элементы 10, которые проходят вдоль продольной оси ремня. Упругие элементы 10 могут включать, например, упругий кордовый материал из любого органического или неорганического волокна, известный в технологии, включающий арамид, сложный полиэфир, нейлон, стекло, углерод, поливиниловый спирт (PVAL), стальную проволоку, вискозу, поли(пара-фенилен-2,6-бензобисоксазол) (РВО), жидкокристаллический сложный полиэфир (продаваемый под торговым наименованием Vectran), полиэфирэфиркетон (РЕЕК), поликетон (РОК) и разнообразные натуральные волокна. Волокно из сложного полиэфира может включать, например, полиэтилентерефталат (РЕТ) или полиэтиленнафталат (PEN).
Ручьи 12 включают упругий материал ручья, который может состоять только из резины, как иллюстрировано ручьем 12а. Альтернативно, ручьи 12 могут далее включать волокна 18, распределенные по всему объему упругого материала ручья, как иллюстрировано ручьем 12b. Упругий материал может включать EPDM (сополимер этилена, пропилена и диена), ЕРМ (этилен-пропиленовый каучук), ЕОМ (этилен-1-октеновый каучук), ЕВМ (этилен-бутиленовый каучук), SBR (бутадиен-стирольный каучук), NBR (бутадиен-акрилонитрильный каучук), NR (натуральный каучук), HNBR (гидрированный акрилонитрил-бутадиеновый каучук), полихлоропрен, дробленый полиуретан или смеси двух или более таковых и их эквиваленты. Ремень 20 может также необязательно включать оболочку 6 и/или внешний корд 7 на тыльной стороне. Оболочка 6 может включать тканевый материал из нейлона, сложного полиэфира, хлопка или других подходящих эквивалентных тканей, включая смесевые ткани. Оболочка 6 может включать термопластический или термореактивный материал, такой как нейлон, полиуретан, полиэтилен и их эквиваленты. Оболочка 6 может быть текстильной, вязаной или нетканой. Внешний корд 7 может быть сделан из любого пригодного упругого материала. Поверхность тыльной стороны ремня может быть текстурированной, например, путем формования или шлифования, или фрезерования, или применения текстурированной ткани.
Ремень 20 может также необязательно включать слой поперечного корда 8, расположенный рядом с упругими элементами 10 поперек ширины ремня. Слой поперечного корда 8 может быть главным образом непористым, с тем чтобы во время процесса формования упругий материал, по существу, не проникал в слой поперечного корда 8, тем самым поддерживая должное положение упругого элемента внутри ремня. Слой поперечного корда 8 может включать текстильный или нетканый материал, например непористый шинный корд. Тонкий слой резины 9 необязательно может быть расположен между слоем поперечного корда 8 и упругими элементами 10, чтобы амортизировать упругие элементы 10 и тем самым избежать изнашивания упругих элементов. Тонкий резиновый слой 9 может располагаться между упругими элементами 10, формируя приливы 17 между упругими элементами. Дополнительный резиновый слой (не показан) также может быть предусмотрен на противоположной стороне корда, если желательно полное инкапсулирование корда. В другом варианте слой поперечного корда 8 может быть пористым, чтобы материал внешнего корда 7 взаимно проникал в материал поперечного корда во время формования, тем самым обеспечивая возможность формирования приливов 17 между упругими элементами с применением резинового слоя 9 или без использования такового.
Ручьи 12 могут включать любое число ручьев и любой профиль, нужный пользователю. Фиг.1 изображает многоручьевой клиновой профиль. Хотя ручей 12b изображен отличающимся от ручья 12а, чтобы проиллюстрировать различные варианты исполнения изобретения, должно быть понятно, что все ручьи 12 в многоручьевых ремнях в общем имеют одинаковую конструкцию. Ремень также может включать одноручьевой клиновой профиль. Ремень также может включать зубчатый профиль, в котором ручьи или зубья ориентированы поперечно, в том числе зубчатые синхронные ремни, имеющие тканевую оболочку в качестве обкладки зубьев.
Область контактирования со шкивом 13 может включать произвольно распределенный нетканый материал, смешанный с материалом ручья 12 с глубоким проникновением в таковой, тем самым формируя область нетканого материала 15. Таким образом, область нетканого материала 15 может иметь или может не иметь четкую границу между зоной, содержащей нетканый материал, и материалом ручья. В зависимости от степени взаимопроникновения как нетканый материал, так и упругий материал могут находиться на контактирующей со шкивом поверхности 14, или только нетканый материал может присутствовать на контактирующей со шкивом поверхности 14. Предпочтительно на контактирующей со шкивом поверхности имеет место высокая концентрация акрилового волокна и минимальное количество упругого материала.
Ручей 12b иллюстрирует альтернативный вариант исполнения, в котором подповерхностная зона 16 располагается между контактирующей со шкивом областью нетканого материала 15 и материалом ручья 12b. Подповерхностная зона 16 включает упругий фрикционный материал, который отличается от материала основы 11 и ручья 12b. Упругий материал подповерхностной зоны 16 связан с полотном из нетканого материала, глубоко проникая в последний. Толщина подповерхностной зоны 16 может быть равномерной, или она может варьировать в пределах профиля так, как иллюстрировано в фиг.1. Вариация толщины может быть обусловлена способом изготовления.
Упругий материал ручья 12 или подповерхностной зоны 16 необязательно может включать модификатор трения. В качестве примера, но не ограничения, модификаторы трения могут включать воск, масла, графит, нитрид бора, дисульфид молибдена, фторированные полимеры, слюду, тальк и разнообразные смеси и эквиваленты таковых. Графитовый модификатор трения может быть в форме частиц или волокон. Модификатор трения может включать металлическую соль карбоновой кислоты, как описано в патенте США №6824485, который приведен здесь для сведения.
Толщина области нетканого материала может вносить основной вклад в жесткость ручья или ремня. Для гибкого ремня желательно создавать область нетканого материала настолько тонкой, насколько возможно и подповерхностную зону толстой в достаточной мере, по меньшей мере, для обеспечения уровня предполагаемого износа. Для жесткого ручья (в поперечном направлении) и гибкого ремня (в продольном направлении) желательно ориентировать нетканый материал так, чтобы направление, имеющее преимущественную ориентацию волокон, было перпендикулярным длине ремня.
Область нетканого материала 15 может включать одиночный слой или несколько перекрывающихся слоев нетканого материала, пропитанного упругим материалом. Модификатор трения может быть использован в области нетканого материала 15 для возможности регулирования коэффициента трения (COF) внешней поверхности области нетканого материала. В качестве примера, но не ограничения, модификаторы трения могут включать воск, масла, графит, нитрид бора, дисульфид молибдена, фторированный полимер, слюду, тальк, металлическую соль карбоновой кислоты и разнообразные смеси и эквиваленты таковых, как описано в связи с подповерхностной зоной 16. Модификатор трения может быть нанесен на нетканый материал во время формования мокрым или сухим способом или в процессе отдельной обработки перед сборкой ремня и тем самым может быть добавочным для любого необязательного модификатора трения, содержащегося в глубоко проникающем эластомерном материале необязательной подповерхностной зоны 16 или материале ручья 12.
Нетканый материал включает акриловые волокна. Согласно обычной практике акриловое волокно представляет собой синтетическое волокно, в котором образующее волокна вещество представляет собой синтетический полимер с длинными цепями, состоящий по меньшей мере примерно на 85% по весу из мономерных акрилонитрильных структурных блоков. Синтетическое волокно, в котором образующее волокна вещество представляет собой любой длинноцепочечный синтетический полимер, состоящий из акрилонитрильных структурных единиц в количестве менее чем 85%, но по меньшей мере 35% по весу, обычно называется «модакриловым» волокном. В настоящем изобретении может быть применено либо акриловое, либо модакриловое волокно. Ссылки на акриловое волокно здесь подразумевают обе формы, то есть «акриловый материал» здесь имеет отношение к любому синтетическому волокну, содержащему, по меньшей мере, 35% по весу акрилонитрильных структурных единиц. Предпочтительный акриловый материал имеет, по меньшей мере, приблизительно 85% по весу акрилонитрильных структурных единиц. Может быть применено любое акриловое волокно, пригодное для использования в любом из известных способов производства нетканых материалов, включая паклю, штапель, рубленое волокно, целлюлозу, измельченное волокно и тому подобные. Пригодное акриловое волокно может иметь среднюю длину от приблизительно 1 мм до приблизительно 10 мм, предпочтительно от приблизительно 1 мм до приблизительно 6 мм или от приблизительно 2 мм до приблизительно 5 мм. Пригодное акриловое волокно может иметь размер от приблизительно 0,05 до приблизительно 5 dpf или предпочтительно от приблизительно 0,05 до приблизительно 1,5 dpf. Денье определяется как вес в граммах волокна длиной 9000 метров. Предпочтительное акриловое волокно представляет собой акриловое микроволокно, имеющее размер менее чем приблизительно 1 dpf или от приблизительно 0,05 до приблизительно 1 dpf. Волокна могут иметь средний диаметр менее чем приблизительно 13,5 микрон или предпочтительно менее чем приблизительно 11 микрон или менее чем приблизительно 5 микрон. Следует понимать, что диаметр волокна соотносится с размером (dpf).
2
2
2
2
2
2

3
2
3
2
3
2
3
2
Нетканый материал может иметь базовый вес в диапазоне от приблизительно 4 г/м до приблизительно 90 г/м. Пригодный нетканый материал может иметь базовый вес в диапазоне от 10 г/м до приблизительно 50 г/м. В предпочтительном варианте осуществления базовый вес варьирует в диапазоне от 14 г/м до приблизительно 25 г/м, и могут быть использованы два сгиба или слоя нетканого материала. Пористость нетканого материала может быть определена измерениями проницаемости воздуха с использованием прибора для измерения проницаемости воздуха по разности давлений Frazier (торговое наименование фирмы Frazier Precision Instrument Company, Inc.) и/или стандартизированным способом, таким как ASTM D737 или эквивалентный. Пористость нетканого материала может варьировать в диапазоне от приблизительно 20 до приблизительно 400 см/с на см при разности давлений в 12,7 мм водяного столба (от приблизительно 40 до приблизительно 800 фут/мин на фут при разности давлений в 1/2 дюйма водяного столба). Предпочтительно пористость нетканого материала может варьировать в диапазоне от приблизительно 30 до приблизительно 200 см/с на см при разности давлений в 12,7 мм водяного столба. Предпочтительный нетканый материал имеет пористость в диапазоне от приблизительно 60 до приблизительно 200 см/с на см при разности давлений в 12,7 мм водяного столба, и могут быть использованы два слоя. Конечно, реальная пористость на практике должна существенно сокращаться при употреблении более чем одного слоя нетканого материала. Предпочтительно конечная пористость (то есть проницаемость) многослойного исполнения находится в заданном диапазоне.
Нетканый материал может включать сеть из беспорядочно ориентированных волокон, или волокна могут иметь некоторую степень ориентации вследствие условий обработки и характеристик оборудования, использованного для его производства. В результате прочность нетканого материала на разрыв в продольном направлении может в некоторой мере отличаться от таковой в поперечном направлении. Средняя прочность на разрыв может варьировать от приблизительно 170 до приблизительно 2000 г/см (в расчете на силу относительно единицы ширины при растяжении образца). Предпочтительно средняя прочность на разрыв может варьировать от приблизительно 200 до приблизительно 1500 г/см или от приблизительно 400 до приблизительно 700 г/см.
Толщина области нетканого материала 15 может составлять приблизительно 0,025 мм или больше. Толщина нетканого материала может варьировать в диапазоне от приблизительно 0,05 до приблизительно 1,2 мм. Предпочтительно толщина нетканого материала составляет от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,6 мм или от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,3 мм. Если нетканый материал является слишком толстым, то либо эластомер будет недостаточно проникать в нетканый материал, либо нетканый материал будет препятствовать течению эластомера в пресс-форму и мешать формированию надлежащих контуров профиля. Если нетканый материал слишком тонок, то либо он будет разрываться, либо он будет позволять слишком сильное проникновение эластомера, имея результатом проступание резины и слишком большое количество резины на поверхности.
Полотно из нетканого материала может включать неакриловые волокнистые материалы в дополнение к заранее заданному количеству акрилового волокна. Представляется, что любое количество пригодного акрилового волокна, добавленное к иному полотну из неакрилового нетканого состава, будет улучшать параметры эффективности нетканого материала в варианте осуществления изобретения. Содержание акрилового волокна в нетканом материале может варьировать от приблизительно 25% до 100% по весу, в расчете на общее содержание волокна в нетканом материале. Предпочтительно содержание акрилового волокна в нетканом материале составляет от приблизительно 40% до 100% по весу. Нетканый материал может включать натуральные, органические или целлюлозные волокна, включающие, например, целлюлозу из древесины хвойных пород, целлюлозу из древесины твердых пород, древесную муку, льняное волокно, джут, пеньку, волокна гибискуса коноплевого, хлопок, растительный пух, волокна агавы, шерсть, шелк или прочие целлюлозные волокна, или комбинации таковых. Нетканый материал может включать другие синтетические, неорганические волокна, включая арамид, углерод, сложный полиэфир, полиолефин, полиимид, PVAL (поливинилацеталь), вискозу, стекловолокно, базальт или нейлон. Нетканый материал может включать до приблизительно 75% по весу от общего содержания волокна вышеупомянутых неакриловых волокон или комбинаций таковых, и по меньшей мере приблизительно 25% общего содержания волокна составляют акриловые волокна. Предпочтительно до приблизительно 60% по весу волокон в нетканом материале составляют неакриловые волокна.
Нетканый материал также может включать дополнительные ингредиенты, известные в технологии, для придания нетканому материалу благоприятных производственных характеристик или физических свойств. Например, нетканый материал может включать проклейку, химические связующие средства и/или адгезивные полимеры, включая активаторы склеивания с резиной. Химические связующие средства могут быть, например, составлены с включением поверхностно-активных веществ, загустителей, красителей, пигментов, сшивающих реагентов, кислот и оснований, наполнителей и тому подобных, и связующее средство типично может составлять от приблизительно 0,5% до приблизительно 35% от общего сухого веса нетканого материала. Пригодные активаторы склеивания с резиной включают, например, латекс, блокированные изоцианаты, триаллилцианурат, акрилаты, уретаны, эпоксиды, резорцин-формальдегидные смолы, фенольные смолы, хлорфенольные полимеры, углеводородные полимеры, эфиры канифоли, меламиновые смолы, длинноцепочечные сложные моно-, ди- или триэфиры алифатических кислот или спиртов и тому подобные, и комбинации таковых. Преимущественные активаторы склеивания описаны, например, в патенте США №6858664. В дополнение к химическому связыванию или вместо химического связывания может быть привлечено механическое сцепление, термическое соединение, скрепление прядением или связывание с помощью растворителей, или комбинации вышеназванных способов. Технологии механического сцепления включают, например, иглопробивание, термокомпрессионное сшивание и сцепление гидроструйным способом (спанлейс). Степень сцепления является важным фактором, влияющим на прочность, пористость и плотность нетканого материала. Пригодный нетканый материал, в качестве неограничивающего примера, включает от приблизительно 0,5% до приблизительно 25% по весу химического связующего средства с составом, основанным на PVAL (поливинилацетале). Пригодный нетканый материал, в качестве неограничивающего примера, может включать в себя композицию химического связующего средства, включающую от приблизительно 1% до приблизительно 15% по весу в сухом состоянии активатора склеивания с резиной в качестве компонента композиции химического связующего средства.
Волокна 18 могут быть введены в основу из упругого материала 11, и/или внешний корд 7, и/или ручей 12, и/или, необязательно, в подповерхностную зону 16. Волокна 18 далее могут уменьшать шелушение или деформацию поверхности ручья и/или дребезжание или шумность. Волокна могут быть синтетическими или натуральными, органическими или неорганическими, и могут включать арамид, углерод, сложный полиэфир, полиолефин, полиимид, PVAL (поливинилацеталь), вискозу, акрилат, стекловолокно и нейлоннейлон, и смеси и эквиваленты таковых. Прочие органические волокна могут включать шерсть, шелк, пеньку, хлопок и смеси и эквиваленты таковых. Количество волокон, используемых в эластомере ручья, может варьировать в диапазоне от 0 до приблизительно 25 частей волокна на сто частей резины (PHR). В примерном варианте осуществления используются от приблизительно 0,01 до приблизительно 5 частей волокна на сто частей резины. Область нетканого материала позволяет резко сократить процентную долю флока или волокнистое наполнение, требуемые в материалах ручьев под кордом. Это изменение имеет результатом улучшение эксплуатационных характеристик ремня благодаря повышению упругости и гибкости конструкций, расположенных ниже корда.
По сравнению с известными в уровне техники ремнями, имеющими нетканые материалы, на 100% состоящие из древесной целлюлозы, или нетканые материалы из смесей древесной целлюлозы и синтетических волокон, применение акрилового волокна в нетканом материале существенно улучшает износоустойчивость контактирующей со шкивом поверхности и уменьшает шум от проскальзывания ремня, согласно изобретению в условиях испытания как в мокром, так и в сухом состоянии и как для новых ремней, так и ремней, изношенных в продолжительных испытаниях. Применение акрилового волокна в нетканом материале в значительной степени модифицирует фрикционные характеристики ремня и улучшает стабильность коэффициента трения (COF) ремня на протяжении срока службы ремня. Использование акрилового волокна в нетканом материале значительно упрощает изготовление ремня и улучшает постоянство поверхностного слоя нетканого материала на полученных ремнях.
Составы упругого материала в необязательной подповерхностной зоне, теле ремня и внешнем корде необязательно, но предпочтительно включают одну или более дополнительных общепринятых упругих добавок, технологических масел и масляных наполнителей, антиоксидантов, восков, пигментов, пластификаторов, мягчителей, средств для повышения липкости, наполнителей, активаторов, ускорителей, замедлителей теплового коробления, вулканизаторов, смазочных средств и тому подобных, соответственно общепринятой практике резинотехнического производства. Например, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения эластомерные материалы также включают углеродную сажу, пластификатор, антиоксиданты, вспомогательный реагент, пероксид и замедлитель вулканизации.
Способ изготовления
Ремень согласно изобретению может быть собран, начиная с тыльной стороны, на оправке в виде серии слоев. Оболочка 6, если таковая присутствует, накладывается первой. Следующим наворачивается упругий внешний корд 7 ремня. Каждый последующий упругий слой укладывается поверх ранее уложенного слоя. Необязательный слой поперечного корда 8 может быть нанесен поверх внешнего корда 7. Кордовый шнур 10 укладывается путем спиральной намотки на слой поперечного корда 8, если таковой наличествует, или на внешний корд 7, или оболочку 6, как требуется. Слой резины 9 может быть нанесен между кордовым шнуром 7 и слоем поперечного корда 8, чтобы обеспечить упругую прокладку для кордового силового шнура 10. Упругий элемент под кордом, или основа ремня 11, затем наносится поверх кордового шнура 10. Необязательная эластомерная подповерхностная зона 16 затем наносится в последнюю очередь в заданном количестве. Подповерхностная зона 16 может включать один или более слоев упругого материала. Конечный слой, который наносится для завершения формирования упругого подповерхностного слоя 16, или области под кордом, или матрицы основой ремня 11, представляет собой область, включающую нетканый материал 15.
Область нетканого материала может включать один или более слоев нетканого материала. В предпочтительном варианте осуществления применяются два слоя акрилового нетканого материала. Известно, что слой или слои нетканого материала имеют дополнительное преимущество в том, что позволяют газам, выделяющимся во время процесса отверждения, уходить или улетучиваться через стыки пресс-формы. Однако было очень затруднительно добиться должного взаимопроникновения упругого материала из зоны под кордом в нетканый материал, тем самым формируя область 15. Авторы изобретения нашли, что нетканый материал, основанный на акриловых волокнах, необязательно включающий до приблизительно 75% целлюлозных или прочих волокон, обеспечивает равномерное и воспроизводимое взаимопроникновение упругого материала в нетканый материал во время процесса формования. Хотя лежащий в основе этого механизм не ясен, акриловые нетканые материалы и преимущественно акриловые микроволокнистые нетканые материалы оказались исключительно пригодными для этого процесса и этого применения в ремнях.
Собранную ременную заготовку затем подвергают воздействию отверждающих давлений и температур, достаточных для вулканизации и формования ремня. Например, процесс изготовления может включать выкачивание воздуха из пресс-формы; приложение давления пара снаружи к корпусу пресс-формы в диапазоне от приблизительно 175 до 235 psig (от приблизительно 1,2 до 1,62 МПа) в течение от приблизительно 2 до 10 минут; затем приложение давления пара к внутренней полости пресс-формы в диапазоне от приблизительно 85 до 210 psig (от приблизительно 0,59 до 1,45 МПа); и отверждение в течение от приблизительно 10 до 20 минут. По охлаждении отвержденный ременный комплект затем снимают с оправки и разрезают на ремни нужной ширины. Оптимальные контуры профилей достигаются с помощью рабочих давлений на верхнем пределе диапазона. Для приложения давления на ремень могут быть также использованы гидравлические и прочие способы, известные в технологии (пневматические, механические и тому подобные), в сочетании с одновременным подведением электрического тепла для вулканизации вместо парового отверждения. Диапазон давлений для гидравлического отверждения может составлять от приблизительно 85 до 500 psig (от приблизительно 0,59 до 3,45 МПа). Температурный диапазон может составлять от приблизительно 250 до 500°F (от приблизительно 120 до 260°С). Этот способ, включающий приложение давления с последующей вулканизацией, расширяет возможности выбора резиновых сырьевых материалов для включения многих таковых с относительно плохой устойчивостью к короблению и/или относительно высокой вязкостью.
Давление может быть приложено на гибкую наружную профилированную крышку пресс-формы, которая прижимается радиально внутрь к ременному блоку для формования профиля, тем самым с использованием жесткой внутренней оправки для формования. В другом варианте ремень может быть сформован на расширяющейся мембране, расположенной на внутренней оправке, так, что давление, приложенное к расширяющейся мембране, вжимает ременную заготовку в ребристую или профилированную наружную крышку пресс-формы. Приложение давления перед вулканизацией обусловливает проникновение упругого материала основы или подповерхностной области в нетканый материал. Упругий материал затем занимает промежутки между отдельными волокнами, составляющими нетканый материал. Этим создается область 15 нетканого материала, в которой нетканый материал является совместно смешанным и взаимопроникающим с упругим материалом.
Применение в ремнях известных в уровне техники нетканых материалов, включающих древесную целлюлозу и разнообразные синтетические волокна, является затруднительным вследствие либо слишком сильного, либо слишком слабого взаимопроникновения. Слишком сильное взаимопроникновение, или «проступание», имеет результатом образование резиновой поверхности, которая имеет пониженную износоустойчивость, более высокий коэффициент трения, более высокую шумность из-за проскальзывания и/или в общем повышенную нестабильность в работе, чем это желательно для ремней. Было обнаружено, что проступание может иметь место, когда известный в уровне техники нетканый материал имеет слишком высокую пористость, слишком низкую пористость, слишком низкую прочность или слишком высокую прочность, слишком сильную изнашиваемость или образование дыр в нетканом материале, и, возможно, также важны и прочие факторы. Нетканый материал со слишком высокой прочностью и слишком высокой пористостью не деформируется согласно контуру пресс-формы, и эластомер просто протекает сквозь нетканый материал, приводя к ремню только с резиной над контактирующей со шкивом поверхностью и/или неполным формированием профиля или с ручьями без наполнителя. Нетканый материал со слишком низкой прочностью истирается или образует отверстия во время формования, опять же приводя к поверхности контакта со шкивом, образованной только эластомером или пятнами эластомера. Нетканый материал со слишком малой пористостью и слишком высокой прочностью препятствует проступанию, но также мешает формированию должного профиля во время формования. Неожиданно применение акрилового нетканого материала согласно настоящему изобретению разрешает эти проблемы и дает ремень с желательной степенью проникновения эластомера в нетканый материал и равномерно сформированной поверхностью при желаемом количестве волокна на контактирующей со шкивом поверхности.
Примеры
Нижеприведенные примеры представлены для цели иллюстрирования сущности изобретения и не предполагают ограничения рамок такового.
Первый набор примеров иллюстрирует технологические усовершенствования ремней согласно изобретению относительно известного в уровне техники. Испытуемые ремни включали внешний корд 7, поперечный корд 8, резиновый слой 9, кордовый шнур 10, слой сжатия или основ ремня 11 и область нетканого материала 15 на многоручьевом клиновом профиле, как описано в фиг.1. В испытательных ремнях использовали эластомерные материалы на основе EPDM (сополимера этилена, пропилена и диена), кордовый шнур из сложного полиэфира, нейлоновый поперечный корд и два слоя нетканого материала с различными составами, как указано в Таблицах 1 и 2. Нетканые материалы в Таблицах 1 и 2 были получены при сравнимых технологических условиях способом влажного холстоформирования с использованием связующего средства PVAL (поливинилацеталя). Указанные процентные доли в составах приведены в расчете только на содержание волокна, без учета содержания связующего средства, которое составляет от приблизительно 15% до приблизительно 22% от общего веса нетканого материала. Для примеров 4, 6 и 8 PVAL-связующее средство включало меламино-формальдегидную (MF) смолу, активатор склеивания с резиной, который составлял приблизительно 5% от сухого веса связующего средства. Толщина, и пористость, и базовый вес нетканого материала приведены для одиночного слоя. В примерных нетканых материалах Таблицы 1 применяли акриловые микроволокна с размером приблизительно 0,1 dpf при диаметре приблизительно 3,5 микрон, длине приблизительно 3 мм и содержании акрилонитрила 85% или больше. Целлюлоза представляла собой техническую целлюлозу древесины хвойных пород с диаметром волокна от приблизительно 25 до приблизительно 35 микрон и длиной волокон от приблизительно 2 до приблизительно 4 мм. Изготовление ремней оценивалось с использованием как одного слоя, так и двух слоев нетканого материала.
Результаты процесса были оценены количественно на основе наблюдений за качеством формирования клинового профиля ручья или заполнением пресс-формы, уровнем проступания и пятнистостью поверхности, покрытой нетканым материалом. Акриловые нетканые материалы в Таблице 1 всегда обеспечивали превосходное формирование профиля и высокую степень покрытия поверхности волокном. Типично проявлялось не более чем 5%-ное проступание для акриловых нетканых материалов в Таблице 1. С другой стороны, сравнительные примеры в Таблице 2 показали себя затруднительными в использовании и в общем имели либо чрезмерное проступание, либо неудовлетворительное формирование профиля (неполное заполнение пресс-формы). Из Таблиц 1 и 2 можно отметить, что Сравнительные Примеры были сходными в базовом весе, толщине, пористости и прочности (не показана) с примерами согласно изобретению. РЕТ (полиэтилентерефталат) в сравнительных примерах представлял собой микроволокно, только слегка более крупное, чем акриловые микроволокна в примерах. Таким образом, выбор акрилового волокна для нетканого материала представляется самой важной стадией для получения этих исключительных технологических результатов.
Второй набор примеров иллюстрирует технологические преимущества ремней с акриловыми неткаными материалами перед известными в уровне техники ремнями с целлюлозными неткаными материалами. Испытания на шумность, трение и износоустойчивость были проведены на примерных многоручьевых клиновых ремнях, изготовленных с акриловыми неткаными материалами согласно примерам 3-8 Таблицы 1. Подобным образом были протестированы известные в уровне техники ремни, имеющие известный в уровне техники целлюлозный нетканый материал сравнительного примера 11. Результаты показывают, что шум вследствие нарушения прямолинейности ремня, создаваемый ремнями согласно изобретению, существенно снижается. Ремень согласно изобретению также является более бесшумным и проявляет гораздо большую стабильность фрикционных характеристик во времени. Ремень согласно изобретению также устойчив к воде и проявляет стабильное фрикционное поведение при испытании во влажных условиях. Ремень согласно изобретению также демонстрирует меньший износ при стендовом испытании износоустойчивости.
Испытуемые ремни включали внешний корд 7, поперечный корд 8, резиновый слой 9, кордовый шнур 10, слой сжатия или основу ремня 11 и область нетканого материала 15, как описано в фиг.1. Во всех испытуемых ремнях использовали эластомерные материалы на основе EPDM (сополимера этилена, пропилена и диена), кордовый шнур из сложного полиэфира, нейлоновый поперечный корд и два слоя нетканого материала. Испытуемые ремни имели шесть ручьев, были с шириной 0,85 дюйма (21,6 мм) и длиной 1200 мм.
Характеристики износоустойчивости были протестированы в испытании на принудительное проскальзывание. Перед испытанием и затем с периодичностью 450 килоциклов (kc) на протяжении всего испытания на принудительное проскальзывание ремни помещали на установку для испытания коэффициента трения (COF) и также на тестер шумности вследствие нарушения прямолинейности ремня (МА). Испытание на принудительное проскальзывание проводили на системе из трех шкивов, как показано в фиг.3. С привлечением фиг.3 каждый из шкивов 31, 32 и 33 имеет диаметр 60 мм и угол охвата ремнем α, равный 60 градусам. Ведущий шкив 31 работает со скоростью приблизительно 2000 об/мин по часовой стрелке, и ведущий шкив 32 вращается со скоростью, примерно на 4% меньшей, чем шкив 31. Температура окружающей среды составляет 23°С. Вертикальная нагрузка W' величиной 180 Н/ручей приложена к ведомому шкиву 33.
Испытание коэффициента трения (COF) проводили в компоновке, показанной в фиг.4. С привлечением фиг.4 оба шкива, испытательный шкив 43 и ведущий шкив 41, имеют многоручьевой клиновой профиль и диаметр 141,5 мм. Шкивы 42, 45 и 47 представляют собой направляющие шкивы. В сухом испытании коэффициента трения (COF) шкив 44 располагается так, чтобы поддерживать 30-градусный угол охвата на шкиве 43, и ведущий шкив 41 вращается со скоростью 400 об/мин. В мокром испытании коэффициента трения (COF) шкив 41 расположен так, чтобы поддерживать 40-градусный угол охвата на шкиве 43, и ведущий шкив 41 вращается со скоростью 800 об/мин, в то время как вода набрызгивается на ремень вблизи шкива 42 в количестве 300 мл в минуту. Нагрузка W” величиной 360 Н прилагается к шкиву 46 для обеспечения натяжения ремня Т с силой 180 Н. Крутящий момент прилагается к испытательному шкиву 43 с линейным изменением от нулевого крутящего момента вплоть до прекращения вращения шкива. Коэффициент трения (COF) рассчитывают по максимальному наблюдаемому крутящему моменту. По своей компоновке испытание подобно инструкции SAE J2432-2000 (Society of Automotive Engineers, Ассоциация инженеров автомобилестроения).
Испытание шумности вследствие нарушения прямолинейности ремня проводили на четырехточечной схеме привода, как схематически показано в фиг.2. С привлечением фиг.2 шкивы 21, 23 и 24 имеют многоручьевые клиновые профили и диаметры 159, 101 и 61 мм соответственно. Шкив 23 является ведущим, вращаясь со скоростью 1000 об/мин по часовой стрелке. Шкив 22 представляет собой направляющий шкив с диаметром 80 мм. Шкив 22 может смещаться перпендикулярно плоскости компоновки, создавая рассогласование соосности с углом нарушения прямолинейности на отрезке L. Натяжение с силой приблизительно 267 Н было создано на испытуемом ремне с помощью статической нагрузки W величиной 489 Н. Затем шкив 22 сместили на некоторое расстояние и с помощью микрофона М измерили уровень шума. Для мокрого испытания шумности вследствие нарушения прямолинейности ремня воду набрызгивали на поверхность ремня - три струи при каждом угле отклонения от прямолинейности, настраиваемом непосредственно перед измерением шума.
Таблицы 3 и 4 изображают результаты измерений коэффициента трения (COF) в сухом и влажном состоянии во время испытания износоустойчивости при принудительном проскальзывании соответственно. Можно видеть, что сравнительный ремень проявлял постепенное значительное нарастание коэффициента трения (COF) на протяжении всех испытаний. Как будет видно ниже, шумность вследствие нарушения прямолинейности ремня прослушивалась, начиная с 450 килоциклов (kc) и во все последующее время испытания шумности (МА). Напротив, ремни согласно изобретению, примеры 3-8, показали лишь незначительные отклонения коэффициента трения (COF) в ходе испытания износоустойчивости, и они работали бесшумно при испытании шумности вследствие нарушения прямолинейности ремня (МА) на каждой стадии испытания износоустойчивости. На протяжении всего испытания износоустойчивости в примерах 3-8, по существу, все акриловые волокна остались на поверхности. Слой целлюлозного нетканого материала в сравнительном примере 11 постепенно изнашивался в ходе испытания на принудительное проскальзывание и в значительной мере разрушился к концу испытания, тем самым обнажив значительную часть нижележащего упругого материала основы ремня. Износ слоя нетканого материала в мокром испытании был в особенности быстрым для сравнительного ремня. Эти результаты испытания коэффициента трения (COF) демонстрируют эффективность ткани из акрилового нетканого материала в улучшении ресурса устойчивости малошумной эксплуатации ремней согласно изобретению благодаря созданию стойкой волокнистой поверхности ручья с контролируемым коэффициентом трения (COF).
Все ремни согласно изобретению в примерах 3-8 работали, по существу, одинаково (в пределах от 1 до 3 децибел) в периодических испытаниях шумности МА, так что для простоты только усредненное или типичное значение уровня шума в децибелах (dB) приведено в Таблице 5 и сравнено со сравнительным примером 11. Как можно видеть из Таблицы 5, ремни согласно изобретению работали единообразно и бесшумно в течение всего испытания, тогда как сравнительный ремень постепенно становился очень шумным. Конечные измерения при 1800 килоциклах на некоторых из ремней не были завершены, но тенденция является очевидной.
Таблица 3
Пример №
Начальный коэффициент трения (COF) в сухом состоянии
Коэффициент трения (COF) в сухом состоянии при 450 килоциклах
Коэффициент трения (COF) в сухом состоянии при 900 килоциклах
Коэффициент трения (COF) в сухом состоянии при 1350 килоциклах
Коэффициент трения (COF) в сухом состоянии при 1800 килоциклах
3
0,96
0,87
1,00
1,01
1,08
4
0,91
1,03
0,95
1,02
1,17
5
1,28
1,12
1,18
1,11
-
6
1,17
1,24
1,35
1,23
-
7
1,45
1,12
1,19
1,13
-
8
1,45
1,27
1,32
1,33
-
Сравнительный пример 11
1,57
1,61
1,85
2,07
-
Таблица 4
Пример №
Начальный коэффициент трения (COF) во влажном состоянии
Коэффициент трения (COF) во влажном состоянии при 450 килоциклах
Коэффициент трения (COF) во влажном состоянии при 900 килоциклах
Коэффициент трения (COF) во влажном состоянии при 1350 килоциклах
Коэффициент трения (COF) во влажном состоянии при 1800 килоциклах
3
0,51
0,45
0,38
0,38
0,38
4
0,64
0,53
0,45
0,45
0,45
5
0,57
0,57
0,54
0,47
-
6
0,65
0,58
0,59
0,53
-
7
0,64
0,69
0,63
0,59
-
8
0,65
0,66
0,66
0,65
-
Сравнительный пример 11
0,81
0,92
1,01
1,03
-
Еще одно преимущество ремня согласно изобретению состоит в возможности регулирования коэффициента трения (COF) путем подбора содержания целлюлозы в акриловом нетканом материале. Таблицы 3 и 4 иллюстрируют влияние содержания целлюлозы на коэффициент трения (COF). По данным таблицы 1 примеры 3 и 4 представляют собой 100%-ное акриловое волокно, примеры 5 и 6 составлены на 70% акриловым волокном и на 30% целлюлозой, и примеры 7 и 8 представляют собой смеси с составом 50/50. Таким образом, влияние нарастающего содержания целлюлозы сказывается в увеличении коэффициента трения (COF), в то же время при сохранении хорошей износоустойчивости и малошумной работы ремня. Более высокий коэффициент трения (COF) был бы желательным для увеличения допустимой нагрузки на ремень или для сокращения проскальзывания. Следует понимать, что альтернативное и эквивалентное преимущество заключается в возможности регулирования коэффициента трения (COF) путем подбора содержания акрилового волокна в нетканом материале. Таким образом, регулирование содержания акрилового волокна относительно содержания неакрилового компонента в нетканом материале может оказывать благоприятное или желательное влияние на коэффициент трения (COF) поверхности, контактирующей со шкивом.
Квалифицированному специалисту в этой области технологии должны быть понятными прочие полезные варианты осуществления изобретения. Например, описанный здесь акриловый нетканый материал может быть использован для необязательной оболочки 6 в фиг.1, чтобы придать тыльной стороне ремня желательные фрикционные характеристики. В качестве еще одного примера описанный здесь акриловый нетканый материал может быть применен для необязательного слоя поперечного корда в фиг.1. В качестве еще одного примера описанный здесь акриловый нетканый материал может быть преимущественно применен в ремне, имеющем флокированное защитное покрытие, с использованием полотна из акрилового нетканого материала в качестве внутреннего тканевого слоя, который покрыт коротким волокнистым флоком с помощью клеевого средства для непосредственного приклеивания флока к ткани из нетканого материала, как описано в патенте США №6561937. В качестве еще одного примера, акриловый нетканый материал может быть предварительно обработан резиновым клеем или RFL (резорцин-формальдегидным латексом) или подвергнут прорезиниванию в процессе каландрования, в каковом случае покрытый акриловый нетканый материал приклеивается к поверхности профиля ремня, как описано в патенте США №6561937 или патенте США №4892510, вместо взаимопроникновения или сцепления с нижележащей резиной основы ремня или ручья. В качестве заключительного примера, описанный здесь акриловый нетканый материал может быть использован в литых приводных ремнях, имеющих полимерную основу из пригодного к литьевому формованию уретана, такого, как описанный в патенте США №5971879 или патенте США №4895555.
Хотя здесь были описаны варианты изобретения, квалифицированным специалистам в этой области технологии будет очевидно, что в конструкции и взаимосвязи частей могут быть произведены вариации без выхода за пределы смысла и рамок описанного здесь изобретения. Раскрытое здесь изобретение может быть должным образом реализовано при отсутствии любого элемента, который не представлен здесь специально.