CN104389948B - Cvt皮带 - Google Patents

Abstract

一种用于履带驱动车辆驱动的、为环状皮带形式的硫化橡胶履带，所述履带具有皮带主体，该皮带主体包括：顶表面、顶宽度、底表面、总厚度、由嵌入在橡胶组分内的被螺旋扭绞的张力绳构成的张力绳层、绳上方橡胶层、绳下方橡胶层、在所述顶表面上的顶部齿轮廓以及在所述底表面上的底部齿轮廓；其中所述张力绳包括由用粘结剂浸渍处理过的碳纤维构成的具有捻度的单束线。

Description

CVT皮带

本申请是发明名称“CVT皮带”、申请号201080042385.8、国际申请号PCT/US2010/050156、国际申请日2010年9月24日的发明申请的分案申请。

本发明要求享有2009年9月24日提交的美国临时专利申请No.61/245,377的优先权，其整体内容合并于此以作参考。

技术领域

本发明总体涉及用于变距驱动的动力传输驱动皮带，更具体地涉及用于无级变速器的皮带，特别涉及带有碳纤维张力绳的橡胶CVT皮带。

背景技术

变距驱动(“VPD”)包括至少一个变距带轮。这些驱动的速比是通过相对一个带轮侧壁移动另一个带轮侧壁从而皮带以变距带轮的不同节径运转进行控制的。为了获得更大范围的速比，VPD可以具有两个变距带轮。这样的驱动传统上都称之为“变速驱动”，但随着闭环控制、无级变速器(“CVT”)的发展，术语“变速驱动”(“VSD”)已经变得更多地与较简单的开路控制驱动相关联，在开路控制驱动中速比是选择性的或拨入式的或可调节的，这里VSD将被用作这样的意思。由此，VSD是带有相对慢的、不频繁的、或手动变速或比率调节的可变皮带驱动。另一方面，CVT通常具有某种基于系统中驱动的动态自动且相对快速换挡的闭环控制或反馈装置。通常，在CVT中是基于速度测量或速度变化或对速度测量或速度变化作出反应来控制主动带轮以将动力源或发动机保持在最佳功率或速度范围内，并且是基于扭矩负载或对扭矩负载作出反应来控制从动带轮的。变距带轮可由各种机构进行调节，包括机械的、电动机械的、电子的、液压的等等。皮带驱动CVT广泛地使用于小型摩托车、全地形车辆、雪地机动车甚至汽车。一般说来，当VPD中两个半轮沿轴向朝背离方向或靠拢方向移动以强行改变皮带径向位置时，由于皮带在带轮内改变径向位置，所以皮带会受到极大的摩擦力。当两个半轮沿轴向朝靠拢方向移动以增加皮带的节线时，皮带受到极大的摩擦力和高的轴向或横向压力。高的可变扭矩负载导致高的张力和高的楔入力，该高的张力和高的楔入力也会导致皮带上的高横向力。一些VPD应用也将皮带用作离合器，这在皮带的接触表面上产生了附加的摩擦力。所有这些力在CVT中会因为动态应用(例如，伴随高的加速负载的频繁、快速的换挡)而非常剧烈。由于CVT皮带横跨驱动皮带轮和从动皮带轮，其也受到持续的弯曲或挠曲。橡胶皮带CVT皮带通常无润滑地使用在被称为“干式CVT”应用中。由此，一般VPD皮带，特别是CVT皮带必须设计成具有良好的纵向柔韧性、高的纵向模量、高的抗磨损性以及高的横向刚度。皮带必须在宽的温度范围上长时间运转。

本领域的代表是美国专利No.6,620,068，其公开了一种粗制边缘双面带齿V型皮带，这种皮带用于可变速驱动，在内侧和外侧具有曲线齿，一个由诸如聚酯、芳族聚酰胺和/或玻璃纤维做成的成螺旋形卷绕的绳的层。皮带包括橡胶压缩层和橡胶拉伸层，该橡胶压缩层和橡胶拉伸层含有横向排列以进行横向加强的短纤维。皮带还包括在内侧齿表面和/或外侧齿表面上的织物加强层。

同样为本领域代表的是美国专利No.4,708,703，其公开了一种带有对齐的上部齿和槽及下部齿和槽的CVT皮带，且带有纵向绳。齿优选为在其顶部覆盖有带有横向强化元件以处理屈曲的问题并增加扭矩性能。

授予Knutson的美国专利No.6,695,733和6,945,891公开了一种带有碳纤维张力绳的有齿橡胶皮带。Knutson的张力构件是经RFL处理过的绳，这些绳以隔开间隔并排排列的方式跨皮带的宽度螺旋状卷绕。给出的绳例子全部是6K-2构造，虽然也提到了12K-1、6K-3以及其它构造。绳可占到从约75％到约95％的皮带宽度。Knutson仅仅建议该绳能应用于其它皮带类型中的V型皮带，但没有提到CVT皮带。

美国专利公报No.2001/041636A1公开了一种块式CVT皮带，其包括环形负载载体，该环形负载载体具有其上安装有多个刚性块的张力构件。碳纤维被提及作为许多可能的张力构件中的一种。该设计没有在张力构件上设置横向负载，而仅在块体上设置了横向负载。

授予Knutson等人的美国专利No.5,807,194描述了碳纤维，包括6K-3构造，用于铸造聚氨酯有齿皮带。如根据ASTM D4018确定的那样，碳纤维通常具有范围从约50GPa到约350GPa的弹性模量。单根碳纤维的横截面直径是从约4μm到约7μm的范围。碳绳没有被粘结剂处理以便在皮带铸造期间不用限制聚氨酯材料的渗入。有齿的皮带不在横向负载下运转。

同样参考于2009年4月30日提交的共同未决美国专利申请序列号No.12/432,985和于2008年7月1日提交的共同未决美国专利申请序列号No.12/217,026，两者内容整体合并于此以作参考。

发明内容

本发明涉及这样的系统和方法，即：提供改进的CVT皮带，所述皮带提供改进的CVT驱动性能，并且也提供改进的皮带构建特性。

本发明涉及一种硫化橡胶皮带，其以环状V型皮带的形式用于变距驱动，其具有皮带主体，该皮带主体带有：顶宽度、总厚度、倾斜的侧面、由嵌入到皮带主体中的螺旋扭绞的张力绳构成的张力绳层、位于绳上方的绳上方橡胶层以及位于绳下方的绳下方橡胶层。该张力绳包括由碳纤维构成的具有捻度的且用粘结剂浸渍处理过的单束线，粘结剂优选与该绳所嵌入的橡胶相容。

在本发明的各种实施方式中，碳绳束可以是18K单束，且/或碳纤维可具有从约6.0微米到约6.4微米的长丝直径，和/或从约200GPa到约300GPa的弹性模量，和/或从约1.9％到约2.3％的断裂伸长率。

在各种实施方式中，皮带可具有范围从约2.0到约3.0的顶宽度与厚度的比率。皮带也可在顶部和/或底部具有齿轮廓，其可以是双面齿轮廓，双面齿轮廓可具有对齐的齿根和相等的齿节距。皮带也可具有在倾斜的侧面上且靠近底部的后角。另外该皮带可在室温下具有大于55N/mm/mm或从55N/mm/mm至75N/mm/mm范围内的横向刚度。

在各种实施方式中，张力绳层、绳上方层以及绳下方层中的至少一个可包括氯丁橡胶组分和乙烯-a-烯烃橡胶组分。当在垂直存在于所述橡胶组分中的任何取向纤维的交叉纹理方向测量时，张力绳层的橡胶组分的弹性模量高于绳下方层的橡胶组分的弹性模量。顶表面和/或底表面可以是橡胶，而不带有任何覆盖织物。

前面提到的内容已经相当宽地概述了本发明的特征及技术益处以求更好地理解接下来本发明的详细说明。形成本发明权利要求书主题的本发明的附加特征及益处将在下文描述。本领域技术人员应当领会到公开的思想和具体实施方式可以容易地当作为了实现与本发明相同的目的而进行修改或设计其它结构的基础来使用。本领域技术人员同样也应当意识到这样的等同结构不脱离如在随附的权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。被认为是本发明特征的新的特征，关于其结构和使用方法，连同另外的目的和益处，将会从下面结合附图考虑的说明书中很好地理解。然而，显然可以理解，每一幅图都是仅仅为了解释和说明而提供的而无意作为限制本发明的定义。

附图说明

附图包含于说明书并形成说明书的一部分，其中相同的附图标记表示相同的零件，附图示出了本发明的优选实施例，且与说明书一起，用于解释本发明的原理。在附图中：

图1是本发明的一个实施方式的局部分段的侧视图；

图2是图1的实施方式沿着2-2线的剖视图；

图3是本发明的另一个实施方式的局部分段的立体图；

图4是拉伸率打滑试验的皮带特性的比较曲线图；以及

图5是示出轴向刚度试验的图。

具体实施方式

图3示出了为CVT皮带或VPD皮带形式的本发明典型实施方式。皮带100具有大体上等腰梯形的横截面，背部的、上侧的、外面的或顶侧的面30平行于底部的、下侧的或内侧的面40。其余两侧的横向侧面42是限定出带有夹角α的V型的皮带轮接触表面。皮带主体包括嵌入可选的粘结胶层116的张力绳16、绳上方层14以及绳下方层12。粘结胶层116、绳上方层14以及绳下方层12通常为硫化橡胶组分。至少绳下方层可包括横向取向的、分散的短纤维，以增加皮带主体的横向刚度同时保持纵向柔韧性。张力绳16是纵向负载承载构件。张力绳在常规上是由用粘结剂处理过的聚酯纤维或纤维束、芳族聚酰胺纤维或纤维束或玻璃纤维或纤维束构成的高模量、抗疲劳的且具有捻度的或成缆的束。在本发明中，张力绳是具有由碳纤维长丝构成的具有捻度的单束。在优选的实施方式中，张力绳是由18,000根碳纤维构成的具有捻度的单丝线，优选具有约6.2微米的长丝直径。皮带的下侧或底部通常是“带槽口的”或“带有突起的”，即，被赋予波浪轮廓，以便加强皮带主体所要求的柔韧性和刚性的平衡。可以给皮带的底部提供绳下方织物覆盖物(或有槽口的织物)(未图示)以减少绳下方裂缝的产生和蔓延且增加皮带主体的横向刚性。同样地，因为类似原因，可以给皮带背部提供绳上方织物覆盖物(未图示)。在优选的实施方式中，不使用织物。

图2以剖面形式示出了本发明的另一个实施方式，其具有用于皮带主体的单橡胶组分及嵌入其中的张力绳16。皮带的总宽度称为顶宽度且在图2中标识为“TW”。皮带的总体厚度标识为“T₀”。对于宽范围的可变速驱动，如上述CVT应用，与单一速度的V型皮带相比，要求相对宽且薄的特殊的皮带剖面。而典型且常规的V型皮带通常具有约与厚度一样尺寸的顶宽度，或TW/T₀之比率为约1到约1.7，根据本发明的VPD或CVT皮带通常宽度是其厚度的至少约两倍，或具有TW/T₀之比率为约2到约2.5或甚至到约3.0。如在本领域中已知的那样，宽度、厚度以及V型角确定了可能的速度变化范围。例如参见Wallace D.Erickson,ed.,“Belt Selection and Application for Engineers,”Marcel Dekker,Inc.,New York,(1987)，这里在此引入其内容以作参考，尤其是由David E.Roos编写的第六章“Variable-Speed Drive Design Using V-Belts”。

转向张力绳的更详细描述，碳纤维通常通过碳化母体纤维如聚丙烯腈纤维制得，在碳化过程中形成的碳纤维直径明显减小。虽然在先的参考文献大体公开从100到100,000根纤维的任何线支数都可使用于张力绳，但包括长丝支数(即，每支纱中单根碳纤维的数量)为1K、3K、6K、12K、24K以及48K在内的、商业上可用的线是颇受限制的，其中，最经济的等级为6K或12K。因此，为了形成所期望的中等线绳的细度，需要将较小长丝支数的多支纱集束在一起，例如，五支3K线来获得15K线绳，或者3支6K线来获得18K线绳。如本领域中所熟知的，碳纤维和由其形成的线绳的特征可由包含于其中的纤维数量而非以旦尼尔或分特克斯来描述。数字和字母“K”的命名用于指示一支纱中碳纤维的数量。因此，在“3K”碳纤维线中，“K”是“1000根纤维”的缩写标记，而“3”指示倍数。因此“18K”碳纤维标识着18,000根纤维或丝的线。此外，关于绳的命名，例如，在“18K-3”的碳纤维绳中，“3”指示三支18K线被加捻和/或以其它方法被集束在一起以形成具有54,000长丝支数的绳。同样地，市场上可得到的线的长丝直径已经颇受限制，大多数供应商提供约5微米的细级别和/或约7微米的级别。此外，由于几乎没有柔韧强化应用获得商业上的成功，所以供应商一般都瞄准各种结构性复合材料市场。虽然在诸如皮带和轮胎的橡胶应用中使用碳纤维在许多年前就被提出，但是制造和使用这种产品的实际困难令人望而却步。例如，为了获得粘结剂渗透到束内的合适的渗透深度而进行的碳纤维浸渍处理一直是困难的。因此，许多参考文献曾经尝试给碳纤维提供合适的粘结剂系统，并且还需要特殊的处理工艺，比如美国专利申请公开公报No.2004/0043213 Al公开的内容。作为另一个例子，碳纤维线容易在处理期间落屑，而且众人皆知的是其在浸渍处理和加捻设备上的绒毛聚集。此外，即使表面上看起来合适的张力绳被生产出来了，但获得具有合适的性能特性，诸如疲劳寿命长、长度稳定性、粘结性好之类的碳纤维加强的橡胶皮带一直是极其困难的。例如，美国专利No.6,695,733公开了基于微调用来处理张力绳中碳纤维纱RFL的模数来获得合适的低伸长同步皮带的许多详细的方法，这里特此引入其内容作为参考。因此，直到本发明为止，用于商业上可实施的CVT皮带的合适的碳纤维张力绳尚不为公众所知。

包含本发明构件的张力构件的绳包括由合适类型的碳纤维线构成的加捻单束线。在本文中且贯穿本公开文件，术语“纤维”和“丝”可互换地使用来指示这样的材料，即：具有小的截面直径，例如，4-7μm，而且长度至少约是其直径的一百倍，不过通常具有极大的甚至不确定的长度；并且形成了线的基本元素。术语“线”使用于此且贯穿本公开文件来指示至少两根、不过通常为碳纤维线，一千根或更多的纤维，这些纤维被拧在一起和/或被捻绕在一起和/或被以连续的股的形式以其它方式集束在一起来形成绳的组成部分。术语“绳”贯穿本公开文件使用来指示可被如本领域公知的那样捻绕的一种或更多线的产品，并且在采用两种或更多种线的场合，可被进一步拧在一起和/或被集束在一起和/或被捻绕在一起且用粘结物或粘结剂处理来用在强化橡胶产品，比如皮带中。术语“束”广泛用来表示碳化过程中产生的零捻度线。术语“单束”被用来描述仅由所产生的原始数量的丝组成的零捻度线，至少在最终碳化步骤期间如此。因此单束的长丝支数将以数字和带有词尾术语“-1”的字母“K”来表示以强调其不是超过一种以上较小线的组合。

碳纤维的例子在例如上述内容作为参考被引入的美国专利No.5,807,194中进行了描述。如本领域技术人员应当知了解的那样，根据皮带的尺寸、想要达到的扭矩性能、最小弯曲半径等等，可以使用的束可以例如具有约66特克斯到约3,600特克斯的单位长度质量，以及约1000到约60,000的长丝支数(即，每支线中单根碳纤维的数量)。如根据ASTMD4018确定的那样，符合本发明使用的碳纤维具有从约50GPa到约350GPa范围的弹性模量；优选从约200GPa到约300GPa；最佳为从235GPa到约275GPa。符合本发明使用的碳纤维具有从约1.9％到约2.3％的拉伸伸长率，优选从约2.0％到约2.2％，最佳为约2.1％。在单根碳纤维的横截面直径在从约4μm到7μm范围内的本发明的实施方式中，使用于动力传动带的绳的长丝支数可为从约6000到约60,000。在本发明的优选实施方式中，绳的长丝支数可为约18,000。在优选实施方式中，绳的长丝直径可为从约6微米到6.4微米，更优选地为约6.2微米。

碳纤维纱的束可被加捻以改进操作性、柔韧性等等。加捻可以使用已知的方法和机器进行。捻级不应该高到引起过度的纤维断裂或使得通过粘结剂处理进行的渗透不可能。依据束尺寸，捻级可从每英寸约0.5捻回数到每英寸约10捻回数(“tpi”)。优选地，捻级，包括对于18K-1线，优选每英寸约0.75到约2捻回数的捻绕。

适合使用于实践本主题发明的碳纤维束的非限定性例子是由三菱人造纤维有限公司(Mitsubishi Rayon Co.,Ltd.)将其商业化的，其商标为PYROFIL，优选PYROFIL TRH5018k，据报道其长丝直径为约6微米或6.2微米，密度为1.82g/cc，拉伸模量为约250GPa，伸长率为约2.1％，每单位长度的重量为1000mg/m，抗拉强度为5.30GPa，长丝支数为18K-1。

纤维制造商一般都为纤维涂上胶料，该胶料通常用于防止纤维在被加工成线并被卷绕在线轴上时发生断裂，并且/或者使由其形成的纤维和线在绳处理时易于变湿。在一些实例中，胶料可因此而具有一种化学结构，该结构与对线和/或长丝实施的以将处理后的绳结合到动力传输皮带为目的的绳处理相容，并且可以例如由此成为水基或溶剂基的环氧溶液。贯穿本公开文件，术语“胶料”用于指示以约0.2％到2％干重的水平施加于线或线长丝以使其发挥上述功能的通常较薄的薄膜，其中，“干重”是指基于干燥的处理的线或长丝，将被施以胶料的干燥的线或长丝的重量。束和线都可具有胶料，并且即使未提及也通常推定为具有胶料。

除了由碳纤维制造商提供的胶料以外，可对碳纤维束施以粘结剂处理。可将碳纤维束浸渍于潮湿的粘结剂组分中，然后进行干燥或固化。可使用的粘结剂的非限定性例子包括：间苯二酚甲醛树脂/乳胶溶液(“RFL”)、环氧树脂、异氰酸脂、聚氨酯、及其组合。RFL是优选的粘结剂处理。根据本发明的一个实施方式，通过控制一个或多个变量选择RFL绳处理的弹性模量是有益的，这些变量的控制包括：调整绳加工条件，包括绳所暴露的温度和/或在处理加工期间被进行绳处理浸渍线的暴露时间(此后称为“加工条件”)；控制绳的最终含水量；添加相对小量的填料诸如炭黑至用于浸入碳纤维的RFL绳处理溶液；控制RFL中甲醛与间苯二酚的重量比；控制RFL中间苯二酚甲醛与胶乳的重量比，添加较少量常规抗氧化剂的水成色散体至绳处理溶液，选择用于RFL溶液的乳胶类型，并且添加成块的异氰酸至RFL溶液，所有这些控制内容在授予Knuson的美国专利No.6,945,891中被更详细地公开，该专利的内容合并于此以作参考。各种类型的胶乳均可适当地使用，包括例如VPSBR、CSM、HNBR、SBR、CR等等。

绳可进一步被涂上附加的粘结剂层，主要意图为涂抹在绳的外面以增强对皮带主体橡胶的附着力。这样的通常在外面的绳涂层在此称为“外涂层”或外涂层粘结剂。基于这样处理的绳的最终重量，外涂层通常以从约1％到约10％干重范围的水平下实施。在本领域找到了可使用的粘结剂例子，包括由Lord Corporation销售的商标为CHEMLOK或CHEMOSIL的各种组分和由Chemical Innovations Limited(CIL)销售的商标为CILBOND的各种组分。可选择特定的外涂层以与下层粘结剂处理和橡胶皮带主体相容的且具有其它期望的诸如耐热性、环境耐性或类似的特性。

皮带主体可以由任何期望的组分构成，不过示范性的材料是基于弹性体的硫化橡胶组分，诸如天然橡胶、聚氯丁二烯、聚异戊二烯、丁苯橡胶、乙烯-a-烯烃弹性体、丁腈橡胶、聚氨酯弹性体等等。这些弹性体可如本领域公知的那样与各种填料、短纤维填料、增塑剂、油类、加工辅料、抗氧化剂、抗臭氧剂、药品、辅助剂等等混合。示范性的用于皮带主体的橡胶组分是以乙烯-a-烯烃弹性体，诸如EPDM、EPM、EOM等等为基础的，带有在例如其内容合并于此以作参考的美国专利No.5,610,217中公开的过氧固化物和二羧酸金属盐。示范性的用于皮带主体以及包围在张力绳周围的粘结胶层的橡胶组分在例如其内容合并于此以作参考的美国专利No.6,616,558中公开。另一个优选的橡胶组分是以具有优秀的抗磨损性的氯丁橡胶为基础的。当在垂直于出现在组分中任何取向纤维的交叉纹理方向上测量时，张力绳层中粘合橡胶组分的弹性模量可比绳下层的橡胶组分的弹性模量更高。在优选的实施方式中，绳下层和绳上层被装载了横向取向的芳族聚酰胺、聚酰胺、棉等的短纤维，且粘合橡胶组分可以是不带纤维填料的纯胶料。

除了张力绳层以外，其它加强层，例如其它织物层也可被结合到皮带中，这些其它织物层可以是如本领域公知的取向的或无取向的，编织的、非编织的、编结的或不连续的纤维层。例如，织物层可使用于皮带的任何表面从而例如改变表面特性，增强对龟裂形成和/或传播的抵抗性等等。然而，在优选的实施方式中，在皮带的外表面不使用织物覆盖物。

根据本发明的一个实施方式，皮带的内侧(即底部)表面、外侧(即顶部)表面或这两个表面都可包括齿，这些齿是按照预定的一个齿轮廓或多个齿轮廓形成的。齿的益处可包括，在不明显增加齿根裂纹敏感度的情况下改进其柔韧性，改进抗龟裂性尤其是下部齿齿根的抗龟裂性，以及改进皮带性能的一致性。2009年4月30日提交的美国专利申请12/432,985描述了优选的双面齿轮廓，其内容合并于此以作参考。

参照图1，双面齿CVT皮带10包括夹在形成皮带主体的绳上方层14和绳下方层12之间的张力绳层16。图1示出的双面齿V型皮带也具有从皮带主体突出的下部齿18和上部齿20。上部齿20包括齿顶17、齿侧面26以及齿谷或齿根22。同样地，下部齿18包括齿顶19、齿侧面36以及齿根32。图1的双面齿V型皮带是以齿条的形式画出的，即，平的且没有张力绳的弯曲。

因此，本发明的VPD或CVT皮带的一个实施方式可以是带有上部齿轮廓和下部齿轮廓的双面带齿V型皮带，该上部齿轮廓和下部齿轮廓是对称的，并且具有从一个齿根的中心开始延伸至相邻齿的中心的按顺序相连的直线(“L”)和弧线(“A”)，对于上部轮廓而言该顺序为L1-A1-L2-A2-L3，而对于下部轮廓而言该顺序为L4-A3-L5-A4-L6，并且L1的长度加上半径Al之和小于等于L4的长度加上半径A3之和的20％，至少一个上齿根与一个下齿根大体上彼此对齐。参照图1，L1相当于齿根22宽度的一半，Al相当于齿根半径24，L2相当于齿侧面26，A2相当于齿顶半径28，L3对应于齿顶17宽度的一半。同样地，L4相当于齿根32宽度的一半，A3相对于齿根半径34，L5相当于齿侧面36，A4相当于齿顶半径38，L6相当于齿顶19宽度的一半。在一个实施方式中，上部和下部的齿距可以是相等的且所有齿根大体上对齐。在另一个实施方式中，上部齿可以比下部齿多。上部齿与下部齿的数量比可以到1.3或从1.1到1.3。又在另一个实施方式中，L4为零长度，这样下部轮廓具有ALAL的顺序。在本实施方式的变型例中，上部和下部的齿距可以是相等的且所有齿根大体上对齐，或者上部齿比下部齿更多。在各种实施方式中，一些或所有的弧线和直线可以沿切线方向相连。例如，直线L1和直线L2可沿切线方向与弧线Al相连，并且所述直线L4和直线L5可沿切线方向与弧线A3相连。优选L1、L3、L4以及L6沿切线方向与它们位于齿根中心和齿顶中心的镜像相连，从而使齿根和齿顶是平坦且光滑的。在各种实施方式中，齿的齿侧面可以是倾斜的，从而使相反齿的齿侧面之间的夹角在从约10度到约30度的范围内。

图2显示本发明的一个实施方式的在图1的平面2-2处剖开的横截面，示出了本发明的皮带的备选的后角特征。V型皮带的皮带轮接触面或侧表面42以相对于皮带的竖直轴线成α/2的角度地被切割，该竖直轴线通常应当与皮带轮或传动系统的竖直轴线重合。由此，一对相反的皮带侧表面42形成夹角α。在工作期间每一侧表面42都与带轮啮合，带轮角度也大体上等于α/2。虽然作为得到图2的视图的图1是双面齿CVT皮带，但是应当理解为图2的截面给出了等同于单面齿CVT皮带或不带齿的CVT皮带。

在本发明的实施方式中，对于皮带的倾斜的侧面或在存在齿的情况下每一个齿而言，进一步包括一对方向相反的第二侧表面44是有益的，该第二侧表面44被朝向皮带的内侧表面或下部齿顶40布置且与第一侧表面10相配合。每一对第二侧表面44形成夹角γ。角α可以在约15°到50°(因此每个皮带轮槽角约7°到约25°)的范围。角γ可以在约25°到65°的范围。即，γ＝α+(2×后角)。“后角”可约等于或大于5°且可被限定为(γ/2-α/2)。第一侧表面和第二侧表面的配合性质被认为使得在运转期间由皮带产生的噪声大大降低。除非另有声明，在本说明书中用于描述本发明的所有数值仅作为例子且无限定本发明的范围和/或适用性之意。作为例子，第二侧表面44可包括由阻止第二侧表面44与带轮接触的约5°的后角。假定角α是20°，这样给出30°的角γ。图2中的齿顶切割高度(“h_t”)可根据需要调节，例如，其可为1mm到5mm。更多关于本发明的CVT皮带的备选特征的细节可在于2008年7月1日提交的美国专利申请12/217,026中找到，两者的内容也都被整体合并于此作为参考。

本发明可以根据已知的皮带制造方法制造出来，已知的皮带制造方法包括例如，在圆柱形铸模或用于移至铸模的心轴上构建各种竖直的或倒置的织物层、弹性体层以及张力构件层。张力绳可以以预定的绳间距或单位宽度的端部数量螺旋形地卷绕在心轴上。铸模可具有形成在其中的齿轮廓并且/或者所谓的“矩阵”可被使用来生成齿轮廓。在固化或硫化以形成厚片后，可从其上切出和/或磨出带有合适的一个或多个接触表面V型角的皮带单体，且如果需要的话被反转。

在皮带构建过程中，注意到了18K单束碳纤维绳保持了非常圆的绳形状。这与之前的用诸如6K-3线或6K-2线的多束线进行的试验形成了对比，当将那些6K-3线或6K-2线绳螺旋形地卷绕到皮带构架上，即卷绕到心轴的橡胶层上时，这些线会显示出截然不同的凸起和/或平部分导致难以保持均匀的间隔。因此，本发明的单束碳纤维绳以更为均匀的间隔的绳的形式提供皮带制造过程中的改进方案和成品皮带的质量改进方案。改进的环形也可以有助于轴向刚度的增加和皮带支撑。

许多的CVT皮带实施例被做出以说明本发明的各方面和各实施方式。每一个比较例(称为“Comp.Ex”)和每一个实施例(称为“Ex.”)都是基于相同的普通的CVT皮带结构的。皮带结构使用载有EPDM纤维的绳下方材料，高模量EPDM粘合胶，以及载有EPDM纤维的绳上方材料。EPDM组分与美国专利No.5,610,217和6,616,558中公开的组分相似。不存在织物或其它加强层。所有的皮带都被构建并固化为在心轴上的厚片，然后被角切，并且最终侧面被磨成26度的V型夹角，顶宽度33.6mm，整体设计厚度约16mm，形成顶宽度与总厚度的比率为2.1。皮带结合有具有如上所述的齿根对齐且LALAL型轮廓的双面齿轮廓。下部齿的侧面具有与距齿顶约4mm到5mm(即，如上所述的ht)的侧面相交的约5度的后角。所有的绳具有相似的约1.2mm的直径以及在约每英寸23至24个端部的相似的张力绳层中。比较用的绳包括KEVLAR和TECHNORA的芳族聚酰胺绳和玻璃纤维绳，均被认为在功能上具有相似的RFL和外涂层粘结剂处理。本发明的实施例使用了PYROFIL的TRH5018K单束碳纤维绳，其以1.5tpi为目标加捻(实际上1.6tpi)并用X-HNBR RFL和CILBOND进行了外涂层处理。纵向模量是通过如下方法来测量的，即：在两个光滑的、直径4.25英寸的平皮带轮上安装倒置的皮带并用可选的钳形伸长计以50mm/min在常规的张力试验仪上拉伸。为了评估作为CVT皮带的改进后的性能，执行了许多其它专门的试验。

皮带轴向刚度(即横向刚度)对于包括支撑绳张力的CVT皮带性能至关重要。图5中示出了轴向刚度试验。轴向刚度是通过压缩被背靠背地保持在两个压缩固定器50、50'之间的两段CVT皮带54、54'来测量的，其中，每一个压缩固定器都具有能够与皮带侧面的角相匹配的V型部分52。图5中的箭头表示施加压缩力的方向，该压缩力由常规的液压或螺杆驱动张力试验机提供。刚度被定义为：作用力除以皮带段长度的二分之一，再除以变形，并且是以N/长度mm/变形mm为单位报告的。压盘以0.3mm/s的压缩率移动了3mm的总位移，然后回到零，接着又重复了两次。轴向刚度取为通过最终点的三次重复的斜率的平均值。虽然轴向刚度仅仅是在松弛的皮带段中测量的，不过可以预料其为CVT驱动中被张紧的皮带的轴向刚度提供了合理的近似值。众所熟知的纤维和绳是用来加强橡胶的，但对于高度取向的纤维或绳而言，加强效果主要在平行于纤维取向的方向而在横向方向最小。由于张力绳是在轴向取向的，所以并不期待它会对皮带的横向刚度产生很大影响。因此，许多在先的皮带设计使用了另外的手段增加横向刚度，诸如横向取向的短纤维填充物、横杆或横梁、横向的轮胎绳、织物等等。出人意料的是，现在已经发现根据本发明的实施方式的碳绳在CVT皮带的轴向刚度上具有比预料的大得多的效果。下表示出了轴向刚度效果。

表1显示了许多类型张力绳所测量的轴向刚度的比较，其中碳纤维与玻璃绳或芳族聚酰胺绳相比都具有较高的轴向刚度。表1显示了根据不同绳材料类型的期望值的皮带在纵向模量上变化。表1显示对于Comp.Ex.1-4的玻璃绳和芳族聚酰胺绳而言，在Comp.Ex.1-4的不同的绳材料类型之间的轴向刚度基本上没有表现出显著的区别。然而，Ex.5，本发明的碳绳皮带，展现了与比较皮带相比大得多(约大20％)的轴向刚度。表2显示在从室温至100℃的宽温度范围内始终观察到了这一效果。平均说来，碳绳给予本发明的CVT皮带在轴向刚度上比相当的芳族聚酰胺皮带有约24％的增加。由此，在本发明的实施方式中，根据此处描述的试验，轴向刚度可有利地大于约55N/mm/mm，或从55N/mm/mm到75N/mm/mm，或从60N/mm/mm到70N/mm/mm。

表1

1.是DuPont的对位芳族聚酰胺纤维用的商标。

2.是Teijin-Conex的对位芳族聚酰胺共聚物纤维用的商标。

表2

还应当注意，实施例的皮带显示了不同程度的柔韧性或弯曲刚度。尤其是，Ex.5的本发明皮带与Comp.Ex.2的芳族聚酰胺绳相比在纵向弯曲上明显更硬。这是出人意料的，因为与在过去例如美国专利No.6,945,891中使用的7微米级的碳纤维相比，碳绳具有更细，即直径6.2微米的碳纤维。由于滞后作用增加、效率更低、张力更高等原因，更硬的皮带通常不会被认为是理想的。然而，本发明的碳纤维皮带显示了非常好的皮带性能，尽管其在下文描述的步进应力试验中显示了较高的皮带运行温度。

此轴向刚度的增加被认为形成了至少另外两个皮带试验中的改进性能：拉伸率打滑(“TRS”)试验和步进应力筛选试验。TRS试验是在给定的负载下经过大量皮带拉伸测量皮带的打滑。如图4所示，结果绘在了X-Y坐标图中，横坐标为拉伸率，纵坐标为打滑百分比，如图4所示。在TRS试验中，完美的动力传输会在图上生成零打滑量的一条平坦线。换言之，在任何负载下都会有零打滑。完美的V型皮带由于必须有一些蠕滑来起作用而依然显示为平坦的线，但是会有1％到5％范围的蠕滑量。具有不同摩擦系数或不同横向和纵向的弹性特性的不同皮带将显示不同程度的蠕滑，并显示在蠕滑和整体打滑之间的不同转变，产生不同的曲线形状。对芳族聚酰胺皮带的Comp.Ex.2、和本发明的Ex.5皮带进行了TRS试验，结果在图4中通过曲线表示。使用了两种扭矩水平，18Nm和60Nm。在每个扭矩水平标出了拉伸率与打滑百分比。两条皮带的18Nm的曲线是不同的，这根据上文提到的柔韧性和轴向刚度的不同是意料之中的。在18Nm扭矩的情况下，与芳族聚酰胺皮带相比较，Ex.5的更硬碳皮带显示出更高程度的蠕滑。然而，皮带性能几乎全部都在对V型皮带所要求的1％到5％的正常蠕滑范围内。现在来看两条皮带的60Nm扭矩曲线，可以看到在相关性能上的显著变化。如数据点的无序散点表示的那样，在60Nm的情况下Comp.Ex.2的芳族聚酰胺皮带在拉伸率约为4的上方开始显示出不稳定性和整体打滑。在较低拉伸率的情况下，芳族聚酰胺皮带的60Nm曲线相对于18Nm曲线的蠕滑百分比的增长至少是2％。另一方面，碳纤维皮带在60Nm的情况下依然是稳定的，且不管拉伸率如何，相对于18Nm曲线的蠕滑百分比的增长仅为约1％。碳绳皮带的稳定性由数据点的相对小的散点表示。总之，与芳族聚酰胺绳皮带之前的技术状态相比，带有18-1碳绳的本发明的皮带的增大轴向刚度产生了更高的扭矩负载动力传输能力且减少了蠕滑或打滑性能的变化。这应该直接转化为CVT性能改进。

步进应力试验是加速皮带寿命试验的一种形式，其中转矩负载或应力水平渐进式增大直到皮带失效。教科书“Accelerated Testing,Statistical Models:Test Plans,andData Analyses,”Wayne Nelson,Wiley Interscience,New York,pp493-505(1990)，提供了步进应力疲劳模型的历史、方法和实例的详细论述以及数据分析，其内容合并于此以作参考。在这种情况下，皮带负载约每24小时增加一次，所有其它试验参数(例如转速和拉伸率)保持不变直到处于试验的皮带失效。为了进行相关皮带的比较，以期预言在大胆的CVT应用方面的性能，通过在皮带寿命上对每一阶段的功率曲线求和，对通过皮带传输的功率从时间0到失效时间进行积分，其中p是功率，t是时间。该总和生成了由皮带所做的累积功。表3显示对Ex.5进行的典型皮带试验的负载和时间的序列。表3也显示了每一阶段的皮带温度以及寿命累积功。表4给出了五个Comp.Ex.2皮带中的每一个的寿命累积功和两个Ex.5皮带中的每一个的寿命累积功，同时给出了其平均值。因此，对于Ex.5的本发明的皮带，平均的总功率寿命是1156kWh，比Comp.Ex.2提高了15％。该数据也与韦布分布相吻合，且至少有95％的可信度发现该15％的改进在统计上是有效的。由此，根据本发明实施方式的碳纤维绳提供了超过同样尺寸的芳族聚酰胺绳的显著的性能改进。由于该试验是被极大加速，所以这些结果应当转化成领域的皮带寿命方面上的很大改进，或同等寿命下的功率能力的提高。

表3

表4

应当理解到可变速皮带驱动系统的设计包括皮带宽度、厚度以及V角之间的平衡。速比范围的增加产生于减小厚度、减小角度和/或增加宽度。但是负载能力或横向刚度的增大来自于增加厚度、减小角度和/或减小皮带宽度。太薄和/或太宽的皮带由于缺少支撑而具有因拉伸而向内塌缩的倾向。通过选择张力绳提供超过20％或更大的横向刚度，本发明通过允许比现有技术更薄、更宽和/或更窄角度的皮带极大地增加了设计选择。较之以前，设计者现在拥有了将负载能力和速度范围更好结合的途径。

此处描述的单束碳纤维绳也可用来有利于要求可伸缩橡胶件的纵向加强的各种其它应用，无论有无横向负载要求。非限定性例子包括：用于雪地机动车、坦克车辆或其它履带车辆或脚踏车辆的橡胶履带；有齿的皮带、多V楔型皮带、平皮带、常规V型皮带包括农用皮带、汽车附件驱动皮带，以及通用皮带，不管是环状的还是长条的，不管是用于交通、动力传输、分度或正时、或是其它应用；软管或管形材料应用的麻花状或螺旋状加强；空气弹簧；等等。

虽然已经对本发明及其益处进行了详细的描述，但是应当理解到在不脱离由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下可进行各种变型、替换或修改。此外，本申请的范围无意限定于本说明书中描述的具体实施方式的工序、机器、产品、物质的成分、装置、方法以及步骤。如本领域普通技术人员从本发明的公开内容中将容易地领会到，根据本发明，各种工序、机器、产品、物质的成分、装置、方法或步骤均可使用，无论是现存的还是以后将被开发的，只要其实现与此处描述的相应的实施方式大体上相同的功能或达到大体上相同的结果即可。相应地，随附的权利要求书将这样的工序、机器、产品、物质的成分、装置、方法或步骤包含于其范围内。此处公开的本发明在任何此处未明确公开的元件缺失的情况下均适宜于实施。

Claims (11)

1.一种用于履带驱动车辆驱动的、为环状皮带形式的硫化橡胶履带，所述履带具有皮带主体，该皮带主体包括：顶表面、顶宽度、底表面、总厚度、由嵌入在橡胶组分内的被螺旋扭绞的张力绳构成的张力绳层、绳上方橡胶层、绳下方橡胶层、在所述顶表面上的顶部齿轮廓以及在所述底表面上的底部齿轮廓；

其中所述张力绳包括由用粘结剂浸渍处理过的碳纤维构成的具有捻度的单束线，

所述顶部齿轮廓和所述底部齿轮廓具有从齿根的中心开始延伸至相邻齿的中心的按照顺序相连的直线(L)和弧线(A)，所述顺序为直线-弧线-直线-弧线-直线(L1-A1-L2-A2-L3，L4-A3-L5-A4-L6)。

2.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述单束线是18K单束。

3.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述单束线是12K单束。

4.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述碳纤维具有从6.0微米到6.4微米的长丝直径、从200GPa到300GPa的弹性模量以及从1.9％到2.3％的断裂伸长率。

5.如权利要求4所述的硫化橡胶履带，其中所述长丝直径是6.2微米，所述弹性模量是从235GPa到275GPa，并且所述断裂伸长率是2.1％。

6.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述碳纤维具有从6.0微米到6.4微米的长丝直径、从200GPa到300GPa的弹性模量、和从1.9％到2.3％的断裂伸长率。

7.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述张力绳包括与嵌入的橡胶相容的外涂层粘结剂。

8.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述捻度在每英寸0.75捻回数至每英寸2.0捻回数的范围内。

9.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述张力绳层、所述绳上方橡胶层以及所述绳下方橡胶层中的至少一个包括氯丁橡胶组分。

10.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中所述张力绳层、所述绳上方橡胶层以及所述绳下方橡胶层中的至少一个包括乙烯-a-烯烃橡胶组分。

11.如权利要求1所述的硫化橡胶履带，其中当在与存在于所述橡胶组分中的任何取向纤维垂直的交叉纹理方向上测量时，所述张力绳层的所述橡胶组分的弹性模量高于所述绳下方橡胶层的所述橡胶组分的弹性模量。