汽車傳動(dòng)帶技術(shù)的最新進(jìn)展
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hxbelt 發(fā)布時(shí)間：2012-07-17 08:53:31
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汽車傳動(dòng)帶是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)重要的零部件，也是傳動(dòng)帶重要的組成部分。可以說(shuō)，傳動(dòng)帶的許多技術(shù)進(jìn)步和發(fā)明與汽車工業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，如V帶發(fā)明，切邊V帶、多楔帶和同步帶的快速發(fā)展，氫化丁腈橡膠(HNBR)應(yīng)用于同步帶、三元乙丙橡膠(EPDM)應(yīng)用于多楔帶等，都是為了適應(yīng)汽車工業(yè)最新技術(shù)要求而獲得迅速發(fā)展的。
近年來(lái)，由于全球氣候變暖、環(huán)境保護(hù)和對(duì)汽車舒適性要求，節(jié)能、排放和NVH(噪音、振動(dòng)和平穩(wěn))是汽車工業(yè)主要話題。如何提高燃料利用率和減少?gòu)U氣排放、提高維修周期一直是汽車工業(yè)研究目標(biāo)，這些技術(shù)包括多氣門(mén)(MultivalveEngines，MVES)和可變門(mén)(VariableValveTiming，VVT)技術(shù)、催化轉(zhuǎn)換器、42V發(fā)電/起動(dòng)集成電機(jī)(integratedstarteralternator，ISA)、直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和240000km甚至300000km維修周期等。這些技術(shù)進(jìn)步對(duì)汽車零部件的性能要求也相應(yīng)提高和苛刻，汽車傳動(dòng)帶也不例外。為了適應(yīng)這些變化，國(guó)外一些著名傳動(dòng)帶廠家對(duì)汽車傳動(dòng)帶進(jìn)行了許多改進(jìn)和性能提高。
齒形多楔帶
齒形多楔帶類似于齒形切邊V帶，即在楔部切成齒形，以提高帶的曲撓性能及帶散熱性能，可明顯提高帶使用壽命。固特異公司研究表明，相同的氯丁橡膠(CR)材料多楔帶，高溫疲勞試驗(yàn)普通多楔帶66h，有齒多楔帶可達(dá)167h。有齒多楔帶還可降低對(duì)帶的裝配精度要求。但有齒多楔帶在使用時(shí)通過(guò)帶輪會(huì)帶進(jìn)帶出空氣流，產(chǎn)生有節(jié)奏的氣流聲。固特異公司通過(guò)斜齒，特高(DAYCO)公司做成不規(guī)則齒來(lái)抵消這種聲音，可減少15dB左右的噪音。兩家公司分別以“Gatorhark”和“POLYCOG”標(biāo)識(shí)推向市場(chǎng)。
植絨多楔帶
多楔帶傳動(dòng)缺點(diǎn)之一是傳動(dòng)噪音較大，在低速或角速度變化快使用時(shí)，以及一段時(shí)間后，楔面磨損、硬化和張力松弛，或在雨天沾到水后，傳動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的尖叫聲，影響汽車的NVH性能。解決辦法之一是楔面留有0.1-1.0mm高強(qiáng)度短纖維(如芳綸、PBO纖維等)。由于纖維摩擦系數(shù)穩(wěn)定、具有吸音功能，因此大大降低多楔帶傳動(dòng)噪音。
植絨多楔帶一般用特殊的研磨工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。研磨時(shí)，先將楔快速磨成大致的楔形，然后低速濕磨，將橡膠磨掉，楔面露出一定長(zhǎng)度的纖維。
彈性多楔帶
彈性多楔帶最早用于白色家電如洗衣機(jī)、干洗機(jī)和健身器材等。原理是，帶的長(zhǎng)度比輪系計(jì)算周長(zhǎng)小，帶在裝配時(shí)，使用專用工具強(qiáng)制拉伸在固定的帶輪上，通過(guò)帶的彈性變形力使帶產(chǎn)生足夠的張力。在整個(gè)使用過(guò)程中無(wú)需調(diào)整張力，這樣可以省略張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
近幾年來(lái)，小型家用轎車為了簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件傳動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)也開(kāi)始使用彈性多楔帶作為驅(qū)動(dòng)用帶。彈性多楔帶一般使用扯斷伸長(zhǎng)率大于20％的高捻度的尼龍纖維作為強(qiáng)力層線繩。特高、大陸(CONTITECH)生產(chǎn)的汽車用彈性多楔帶，據(jù)稱使用壽命已達(dá)150000km。
EPDM多楔帶
近年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)室的溫度越來(lái)越高，有的要求橡膠件能耐150℃，瞬間能耐170℃，傳統(tǒng)氯丁橡膠(CR)顯然達(dá)不到要求。由于HNBR過(guò)于昂貴，人們?cè)谘芯堪l(fā)現(xiàn)小量的油污并不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端的皮帶造成損害，可使用較廉價(jià)耐熱性好的三元乙丙橡膠(EPDM)作為多楔帶主體橡膠材料。但EPDM耐磨性、高溫抗撕裂和動(dòng)態(tài)性能不理想，與其它材料粘合差，這些都需要通過(guò)改性如添加ZDA或ZDMA和與其它材料并用加以解決。
EPDM多楔帶耐高溫性能和高溫疲勞壽命明顯提高，如CR多楔帶107℃下疲勞壽命只有50h，而EPDM多楔帶在121℃下疲勞壽命可達(dá)125h。大陸開(kāi)發(fā)的EPDM多楔帶使用壽命已達(dá)240000Km。
短纖維補(bǔ)強(qiáng)同步帶
自1975年HNBR首件專利公布以來(lái)，HNBR已逐漸發(fā)展成為當(dāng)今世界汽車同步帶生產(chǎn)首選的標(biāo)準(zhǔn)彈性體材料。日本HONDA公司于1985年首次生產(chǎn)出裝備有以HNBR為基材制作的傳動(dòng)帶的新型汽車。德國(guó)BWM公司亦于1997年通過(guò)由日本進(jìn)口的HNBR同步帶而成為歐洲第一家裝有HNBR同步帶的汽車生產(chǎn)廠家。上世紀(jì)90年代后期，全世界汽車工業(yè)發(fā)展迅速，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，汽車生產(chǎn)廠家紛紛想方設(shè)法通過(guò)最大限度地延長(zhǎng)凸輪軸傳動(dòng)同步帶的使用壽命來(lái)提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，目前，世界上幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家都在通過(guò)采用HNBR同步帶來(lái)提高汽車的產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)踐證明，在一般行駛條件下HNBR同步帶的工作壽命可達(dá)100000-150000km。
現(xiàn)代的汽車對(duì)同步帶的要求是：使用壽命達(dá)250000-300000km；使用溫度-35-150％，瞬時(shí)高溫可達(dá)175％；耐油性≥CR；150℃下臺(tái)架壽命可達(dá)3000h，而且在提高耐油性能時(shí)不犧牲其低溫性能，帶齒的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存模量≥1.4MPa。要達(dá)到如此高的條件，只有采用過(guò)氧化物硫化的HNBR/甲基丙烯酸鋅(ZMA)復(fù)合物與芳綸短纖維補(bǔ)強(qiáng)的復(fù)合材料。
大陸公司采用HNBR/ZMA與芳綸短纖維配合制造HSN-POWER壽命HNBR同步帶在汽油機(jī)使用，其壽命已超過(guò)240000km，已接近與“發(fā)動(dòng)機(jī)同壽命”的目標(biāo)。
有背布同步帶
汽車同步帶由于制造工藝的限制，帶的背部一般都是純橡膠，由于現(xiàn)在汽車同步帶在使用時(shí)背部需同時(shí)帶動(dòng)其它部件如油泵及張緊機(jī)構(gòu)，尤其是直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。要求要有很大的張緊力，這樣對(duì)背部磨損非常大，純橡膠無(wú)法達(dá)到要求。如將帶的背部做成有布，則可大大提高帶的背部耐磨性。如大陸的“ContiDieselRunner”同步帶就是如此結(jié)構(gòu)。
耐油同步帶
自上世紀(jì)60年代，美國(guó)通用公司首次將同步帶用于新開(kāi)發(fā)的頂制式凸輪(OHC)發(fā)動(dòng)機(jī)替代原來(lái)使用的滾珠鏈條以來(lái)，由于同步帶具有同步性能好、噪音小、無(wú)需潤(rùn)滑、重量輕、成本低和維修方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，迅速在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用，尤其是小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，幾乎占100％。但是進(jìn)入新世紀(jì)，隨著現(xiàn)代轎車發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，維護(hù)周期的不斷延長(zhǎng)(240000km甚至300000km)，正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)荷不斷增大，對(duì)配氣正時(shí)的精度要求也越來(lái)越高，同步帶已越來(lái)越難滿足現(xiàn)代轎車發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻的要求，再加上正鏈條技術(shù)的提高如強(qiáng)度、耐磨、降噪和優(yōu)化設(shè)計(jì)等，克服了鏈條自身存在的缺點(diǎn)，凸現(xiàn)鏈條傳動(dòng)大功率、無(wú)需維護(hù)和耐熱、耐油等固有的優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有傾向于使用鏈條的趨勢(shì)。
為了與鏈條競(jìng)爭(zhēng)，近年來(lái)國(guó)外傳動(dòng)帶廠家如大陸、蓋茨和特高等開(kāi)發(fā)了耐油同步帶，即同步帶可以像鏈條一樣直接與潤(rùn)滑油接觸，省略張緊輪而用導(dǎo)軌張緊和導(dǎo)向，這樣可以降低帶的摩擦系數(shù)30％，結(jié)構(gòu)空間跟更為緊湊。
耐油同步帶是傳動(dòng)帶技術(shù)的一大突破，改變了傳動(dòng)帶不能與礦物油接觸的傳統(tǒng)觀念。
其帶體配方需用高丙烯腈含量的HNBR，齒布涂覆膠科需含有大量的特氟隆，強(qiáng)力層線繩以使用高強(qiáng)度復(fù)合玻纖或碳纖維。
“人”字齒同步帶
“人”字齒同步帶類似于“人”宇齒輪，最大的優(yōu)點(diǎn)是降低噪音，傳動(dòng)能力和使用壽命也大幅提高。這種帶是固特異上世紀(jì)90年代發(fā)明的，并于“ENGLE”標(biāo)識(shí)推向市場(chǎng)?！叭恕弊铸X同步帶的開(kāi)發(fā)成功，在同步帶發(fā)展歷史具有里程碑意義。該帶與相同的齒形直齒同步帶相比，噪音可降低10～26dB，使用壽命提高120％，傳動(dòng)能力也大幅提高(或減少帶寬)等。已在汽車試用，使用壽命已超過(guò)210000km。
非圓帶輪傳動(dòng)技術(shù)
目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)普遍采用多氣門(mén)和可變氣門(mén)技術(shù)，這給凸輪軸的脈沖負(fù)荷成倍增加，造成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)幅度加大，影響整車NVH(噪音、振動(dòng)和平穩(wěn))性能，也對(duì)同步帶和其它部件造成損害。為了最大限度低抵消這個(gè)振動(dòng)，萊頓(Litens)公司發(fā)明了SmartSprocketTM非圓齒輪傳動(dòng)技術(shù)(CTCcamshafttorquecancellationtech-nology)(圖8)，亦即，凸輪段的帶輪不是傳統(tǒng)純圓形的，而是橢圓或其它非圓的。這樣在運(yùn)行過(guò)程中，可以抵消大部分的振幅，可減少40％帶及其部件的作用力，提高帶使用壽命和節(jié)約燃料消耗。
模塊式和集成化傳動(dòng)系統(tǒng)
所謂模塊式傳動(dòng)系統(tǒng)是將正時(shí)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)(包括傳動(dòng)件的帶、輪和張緊機(jī)構(gòu))與發(fā)動(dòng)機(jī)前端輔助傳動(dòng)系統(tǒng)(除傳動(dòng)件外還包括驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、空調(diào)、水泵等)集成在一起，用戶只需裝配即可，以滿足現(xiàn)在汽車集約化生產(chǎn)，把復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單化。蓋茨公司開(kāi)發(fā)的GEMl0TM系統(tǒng)即是。
蓋茨公司還開(kāi)發(fā)了集成化輔助傳動(dòng)系統(tǒng)(Electro-MechanicalDrive，EMD)，同時(shí)適應(yīng)于14V/42V電機(jī)系統(tǒng)，使用壽命已達(dá)240000km和500000次啟動(dòng)次數(shù)。該系統(tǒng)已在標(biāo)致、通用等新開(kāi)發(fā)的42V發(fā)電/起動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用。
CVT用復(fù)合V帶
無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)(CVT)是汽車?yán)硐氲淖兯贆C(jī)構(gòu)，它與傳統(tǒng)的齒輪和液壓自動(dòng)變速機(jī)構(gòu)(A/T)截然不同，是有帶輪與皮帶構(gòu)成的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)。汽車CVT傳動(dòng)形式有兩種：摩擦傳動(dòng)和牽引傳動(dòng)，前者包括濕摩擦的金屬皮帶，干摩擦的橡膠V帶及復(fù)合V帶；后者為新近研究的CVT。
摩擦傳動(dòng)CVT用的傳動(dòng)帶原來(lái)是用金屬傳動(dòng)帶。金屬傳動(dòng)帶需要在潤(rùn)滑油中使用，要求較大的帶輪推動(dòng)力，這樣會(huì)降低傳動(dòng)總效率。
而改用橡膠V帶則可不必，且橡膠V帶比金屬皮帶制造費(fèi)用低，保養(yǎng)使用均為方便，因此成為各廠商競(jìng)相研究開(kāi)發(fā)對(duì)象。
但汽車用變速V帶要傳遞很高的扭矩，一般的橡膠V帶難以勝任。如1000ml的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，V帶必需能經(jīng)受2.0MPa的側(cè)壓力，而一般V帶只能承受0.4-0.5MPa。要達(dá)到如此高的模量，只能采用由橡膠張力層(tensionbelt)與金屬?gòu)?fù)合塊(block)構(gòu)成的復(fù)合V帶才能達(dá)到如此高的要求。
CVT用復(fù)合V帶幾乎世界上所有的有名傳動(dòng)帶廠都在研究開(kāi)發(fā)，屬傳動(dòng)帶前沿技術(shù)，這不僅是這種傳動(dòng)帶的技術(shù)難度大，而且是這種帶的市場(chǎng)前景非常廣闊。無(wú)論在汽車和其他工業(yè)都有廣泛的用途。
復(fù)合V帶國(guó)外已達(dá)到實(shí)用化的水平，如日本愛(ài)知機(jī)器公司與坂東公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的CVT系統(tǒng)裝在鈴木Mira轎車轎車上。三星、蓋茨、固特異、大陸和特高等都在開(kāi)發(fā)這種帶。
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