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汽车传动带技术最新进展

信息来源:chuandong.biz  时间:2008-01-29  浏览次数:193

  汽车传动带是汽车发动机重要的零部件,也是传动带重要的组成部分。可以说,传动带的许多技术进步和发明与汽车工业的发展息息相关,如V带发明,切边V带、多楔带和同步带的快速发展,氢化丁腈橡胶(HNBR)应用于同步带、三元乙丙橡胶(EPDM)应用于多楔带等,都是为了适应汽车工业最新技术要求而获得迅速发展的。
  近年来,由于全球气候变暖、环境保护和对汽车舒适性要求,节能、排放和NVH(噪音、振动和平稳)是汽车工业主要话题。如何提高燃料利用率和减少废气排放、提高维修周期一直是汽车工业研究目标,这些技术包括多气门(Multivalve Engines,MVES)和可变门(Variable Valve Timing,VVT)技术、催化转换器、42V发电/起动集成电机(integrated starter alternator,ISA)、直喷式柴油发动机和240 000 km甚至300000km维修周期等。这些技术进步对汽车零部件的性能要求也相应提高和苛刻,汽车传动带也不例外。为了适应这些变化,国外一些著名传动带厂家对汽车传动带进行了许多改进和性能提高。
  齿形多楔带
  齿形多楔带类似于齿形切边V带,即在楔部切成齿形,以提高带的曲挠性能及带散热性能,可明显提高带使用寿命。固特异公司研究表明,相同的氯丁橡胶(CR)材料多楔带,高温疲劳试验普通多楔带66h,有齿多楔带可达167h。有齿多楔带还可降低对带的装配精度要求。但有齿多楔带在使用时通过带轮会带进带出空气流,产生有节奏的气流声。固特异公司通过斜齿,特高(DAYCO)公司做成不规则齿来抵消这种声音,可减少15dB左右的噪音。两家公司分别以“Gatorhark”和“POLYCOG”标识推向市场。
  植绒多楔带
  多楔带传动缺点之一是传动噪音较大,在低速或角速度变化快使用时,以及一段时间后,楔面磨损、硬化和张力松弛,或在雨天沾到水后,传动时会发出刺耳的尖叫声,影响汽车的NVH性能。解决办法之一是楔面留有0.1-1.0mm高强度短纤维(如芳纶、PBO纤维等)。由于纤维摩擦系数稳定、具有吸音功能,因此大大降低多楔带传动噪音。
  植绒多楔带一般用特殊的研磨工艺来实现。研磨时,先将楔快速磨成大致的楔形,然后低速湿磨,将橡胶磨掉,楔面露出一定长度的纤维。
  弹性多楔带
  弹性多楔带最早用于白色家电如洗衣机、干洗机和健身器材等。原理是,带的长度比轮系计算周长小,带在装配时,使用专用工具强制拉伸在固定的带轮上,通过带的弹性变形力使带产生足够的张力。在整个使用过程中无需调整张力,这样可以省略张力调节机构。
  近几年来,小型家用轿车为了简化发动机前端附件传动轮系结构也开始使用弹性多楔带作为驱动用带。弹性多楔带一般使用扯断伸长率大于20%的高捻度的尼龙纤维作为强力层线绳。特高、大陆(CONTITECH)生产的汽车用弹性多楔带,据称使用寿命已达150000km。
  EPDM多楔带
  近年来,发动机室的温度越来越高,有的要求橡胶件能耐150℃,瞬间能耐170℃,传统氯丁橡胶(CR)显然达不到要求。由于HNBR过于昂贵,人们在研究发现小量的油污并不对发动机前端的皮带造成损害,可使用较廉价耐热性好的三元乙丙橡胶(EPDM)作为多楔带主体橡胶材料。但EPDM耐磨性、高温抗撕裂和动态性能不理想,与其它材料粘合差,这些都需要通过改性如添加ZDA或ZDMA和与其它材料并用加以解决。
  EPDM多楔带耐高温性能和高温疲劳寿命明显提高,如CR多楔带107℃下疲劳寿命只有50h,而EPDM多楔带在121℃下疲劳寿命可达125h。大陆开发的EPDM多楔带使用寿命已达240000Km。
  短纤维补强同步带
  自1975年HNBR首件专利公布以来,HNBR已逐渐发展成为当今世界汽车同步带生产首选的标准弹性体材料。日本HONDA公司于1985年首次生产出装备有以HNBR为基材制作的传动带的新型汽车。德国BWM公司亦于1997年通过由日本进口的HNBR同步带而成为欧洲第一家装有HNBR同步带的汽车生产厂家。上世纪90年代后期,全世界汽车工业发展迅速,市场竞争激烈,汽车生产厂家纷纷想方设法通过最大限度地延长凸轮轴传动同步带的使用寿命来提高汽车发动机的工作性能,目前,世界上几乎所有的汽车生产厂家都在通过采用HNBR同步带来提高汽车的产品质量。实践证明,在一般行驶条件下HNBR同步带的工作寿命可达100000-150000km。
  现代的汽车对同步带的要求是:使用寿命达250000-300000km;使用温度-35-150%,瞬时高温可达175%;耐油性≥CR;150℃下台架寿命可达3000h,而且在提高耐油性能时不牺牲其低温性能,带齿的动态储存模量≥1.4MPa。要达到如此高的条件,只有采用过氧化物硫化的HNBR/甲基丙烯酸锌(ZMA)复合物与芳纶短纤维补强的复合材料。
  大陆公司采用HNBR/ZMA与芳纶短纤维配合制造HSN-POWER寿命HNBR同步带在汽油机使用,其寿命已超过240000km,已接近与“发动机同寿命”的目标。
  有背布同步带
  汽车同步带由于制造工艺的限制,带的背部一般都是纯橡胶,由于现在汽车同步带在使用时背部需同时带动其它部件如油泵及张紧机构,尤其是直喷式柴油发动机。要求要有很大的张紧力,这样对背部磨损非常大,纯橡胶无法达到要求。如将带的背部做成有布,则可大大提高带的背部耐磨性。如大陆的“Conti Diesel Runner”同步带就是如此结构。
  耐油同步带
  自上世纪60年代,美国通用公司首次将同步带用于新开发的顶制式凸轮(OHC)发动机替代原来使用的滚珠链条以来,由于同步带具有同步性能好、噪音小、无需润滑、重量轻、成本低和维修方便等诸多优点,迅速在汽车发动机正时传动机构使用,尤其是小排量发动机,几乎占100%。但是进入新世纪,随着现代轿车发动机强化程度的不断提高,排放法规不断加严,维护周期的不断延长(240000km甚至300000km),正时传动机构的负荷不断增大,对配气正时的精度要求也越来越高,同步带已越来越难满足现代轿车发动机苛刻的要求,再加上正链条技术的提高如强度、耐磨、降噪和优化设计等,克服了链条自身存在的缺点,凸现链条传动大功率、无需维护和耐热、耐油等固有的优点,因此近年来汽车发动机正时传动机构有倾向于使用链条的趋势。
  为了与链条竞争,近年来国外传动带厂家如大陆、盖茨和特高等开发了耐油同步带,即同步带可以像链条一样直接与润滑油接触,省略张紧轮而用导轨张紧和导向,这样可以降低带的摩擦系数30%,结构空间跟更为紧凑。
  耐油同步带是传动带技术的一大突破,改变了传动带不能与矿物油接触的传统观念。
  其带体配方需用高丙烯腈含量的HNBR,齿布涂覆胶科需含有大量的特氟隆,强力层线绳以使用高强度复合玻纤或碳纤维。
  “人”字齿同步带
  “人”字齿同步带类似于“人”宇齿轮,最大的优点是降低噪音,传动能力和使用寿命也大幅提高。这种带是固特异上世纪90年代发明的,并于“ENGLE”标识推向市场。“人”字齿同步带的开发成功,在同步带发展历史具有里程碑意义。该带与相同的齿形直齿同步带相比,噪音可降低10~26dB,使用寿命提高120%,传动能力也大幅提高(或减少带宽)等。已在汽车试用,使用寿命已超过210000km。
  非圆带轮传动技术
  目前汽车发动机正时系统普遍采用多气门和可变气门技术,这给凸轮轴的脉冲负荷成倍增加,造成发动机振动幅度加大,影响整车NVH(噪音、振动和平稳)性能,也对同步带和其它部件造成损害。为了最大限度低抵消这个振动,莱顿(Litens)公司发明了SmartSprocketTM非圆齿轮传动技术(CTCcamshaft torque cancellation tech-nology)(图8),亦即,凸轮段的带轮不是传统纯圆形的,而是椭圆或其它非圆的。这样在运行过程中,可以抵消大部分的振幅,可减少40%带及其部件的作用力,提高带使用寿命和节约燃料消耗。
  模块式和集成化传动系统
  所谓模块式传动系统是将正时皮带传动系统(包括传动件的带、轮和张紧机构)与发动机前端辅助传动系统(除传动件外还包括驱动发电机、空调、水泵等)集成在一起,用户只需装配即可,以满足现在汽车集约化生产,把复杂的生产过程简单化。盖茨公司开发的GEMl0TM系统即是。
  盖茨公司还开发了集成化辅助传动系统(Electro-Mechanical Drive,EMD),同时适应于14V/42V电机系统,使用寿命已达240000km和500000次启动次数。该系统已在标致、通用等新开发的42V发电/起动系统应用。
  CVT用复合V带
  无级变速机构(CVT)是汽车理想的变速机构,它与传统的齿轮和液压自动变速机构(A/T)截然不同,是有带轮与皮带构成的无级变速机构。汽车CVT传动形式有两种:摩擦传动和牵引传动,前者包括湿摩擦的金属皮带,干摩擦的橡胶V带及复合V带;后者为新近研究的CVT。
  摩擦传动CVT用的传动带原来是用金属传动带。金属传动带需要在润滑油中使用,要求较大的带轮推动力,这样会降低传动总效率。
  而改用橡胶V带则可不必,且橡胶V带比金属皮带制造费用低,保养使用均为方便,因此成为各厂商竞相研究开发对象。
  但汽车用变速V带要传递很高的扭矩,一般的橡胶V带难以胜任。如1000ml的发动机达到最大转矩时,V带必需能经受2.0MPa的侧压力,而一般V带只能承受0.4-0.5MPa。要达到如此高的模量,只能采用由橡胶张力层(tension belt)与金属复合块(block)构成的复合V带才能达到如此高的要求。
  CVT用复合V带几乎世界上所有的有名传动带厂都在研究开发,属传动带前沿技术,这不仅是这种传动带的技术难度大,而且是这种带的市场前景非常广阔。无论在汽车和其他工业都有广泛的用途。
  复合V带国外已达到实用化的水平,如日本爱知机器公司与坂东公司联合开发的CVT系统装在铃木Mira轿车轿车上。三星、盖茨、固特异、大陆和特高等都在开发这种带。

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