[傳動微知識] 汽車同步帶技術(shù)最新進展
近年來，由于全球氣候變暖、環(huán)境保護和對汽車舒適性要求，節(jié)能、排放和NVH(噪音、振動和平穩(wěn))是汽車工業(yè)主要話題。如何提高燃料利用率和減少廢氣排放、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(Multivalve Engines，MVES)和可變門(Variable Valve Timing，VVT)技術(shù)、催化轉(zhuǎn)換器、42V發(fā)電/起動集成電機(integrated starter alternator，ISA)、直噴式柴油發(fā)動機和240 000 km甚至300000km維修周期等。這些技術(shù)進步對汽車零部件的性能要求也相應(yīng)提高和苛刻，汽車同步帶也不例外。為了適應(yīng)這些變化，國外一些著名同步帶廠家對汽車同步帶進行了許多改進和性能提高。
汽車同步帶是汽車發(fā)動機重要的零部件，也是同步帶重要的組成部分?？梢哉f，同步帶的許多技術(shù)進步和發(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。
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，高溫疲勞試驗普通多楔帶66h，有齒多楔帶可達167h。有齒多楔帶還可降低對帶的裝配精度要求。但有齒多楔帶在使用時通過帶輪會帶進帶出空氣流，產(chǎn)生有節(jié)奏的氣流聲。固特異公司通過斜齒，特高(DAYCO)公司做成不規(guī)則齒來抵消這種聲音，可減少15dB左右的噪音。兩家公司分別以“Gatorhark”和“POLYCOG”標(biāo)識推向市場。
植絨多楔帶
多楔帶同步缺點之一是同步噪音較大，在低速或角速度變化快使用時，以及一段時間后，楔面磨損、硬化和張力松弛，或在雨天沾到水后，同步時會發(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同步噪音。
植絨多楔帶一般用特殊的研磨工藝來實現(xiàn)。研磨時，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、干洗機和健身器材等。原理是，帶的長度比輪系計算周長小，帶在裝配時，使用專用工具強制拉伸在固定的帶輪上，通過帶的彈性變形力使帶產(chǎn)生足夠的張力。在整個使用過程中無需調(diào)整張力，這樣可以省略張力調(diào)節(jié)機構(gòu)。
近幾年來，小型家用轎車為了簡化發(fā)動機前端附件同步輪系結(jié)構(gòu)也開始使用彈性多楔帶作為驅(qū)動用帶。彈性多楔帶一般使用扯斷伸長率大于20％的高捻度的尼龍纖維作為強力層線繩。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150000km。
EPDM多楔帶
近年來，發(fā)動機室的溫度越來越高，有的要求橡膠件能耐150℃，瞬間能耐170℃，傳統(tǒng)氯丁橡膠(CR)顯然達不到要求。由于HNBR過于昂貴，人們在研究發(fā)現(xiàn)小量的油污并不對發(fā)動機前端的皮帶造成損害，可使用較廉價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、高溫抗撕裂和動態(tài)性能不理想，與其它材料粘合差，這些都需要通過改性如添加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125h。大陸開發(fā)的EPDM多楔帶使用壽命已達240000Km。
短纖維補強同步帶
自1975年HNBR首件專利公布以來，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為基材制作的同步帶的新型汽車。德國BWM公司亦于1997年通過由日本進口的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，市場競爭激烈，汽車生產(chǎn)廠家紛紛想方設(shè)法通過最大限度地延長凸輪軸同步同步帶的使用壽命來提高汽車發(fā)動機的工作性能，目前，世界上幾乎所有的汽車生產(chǎn)廠家都在通過采用HNBR同步帶來提高汽車的產(chǎn)品質(zhì)量。實踐證明，在一般行駛條件下HNBR同步帶的工作壽命可達100000-150000km。
現(xiàn)代的汽車對同步帶的要求是：使用壽命達250000-300000km；使用溫度-35-150％，瞬時高溫可達175％；耐油性≥CR；150℃下臺架壽命可達3000h，而且在提高耐油性能時不犧牲其低溫性能，帶齒的動態(tài)儲存模量≥1.4MPa。要達到如此高的條件，只有采用過氧化物硫化的HNBR/甲基丙烯酸鋅(ZMA)復(fù)合物與芳綸短纖維補強的復(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同步帶在汽油機使用，其壽命已超過240000km，已接近與“發(fā)動機同壽命”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背部需同時帶動其它部件如油泵及張緊機構(gòu)，尤其是直噴式柴油發(fā)動機。要求要有很大的張緊力，這樣對背部磨損非常大，純橡膠無法達到要求。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“Conti Diesel Runner”同步帶就是如此結(jié)構(gòu)。
耐油同步帶
自上世紀(jì)60年代，美國通用公司首次將同步帶用于新開發(fā)的頂制式凸輪(OHC)發(fā)動機替代原來使用的滾珠鏈條以來，由于同步帶具有同步性能好、噪音小、無需潤滑、重量輕、成本低和維修方便等諸多優(yōu)點，迅速在汽車發(fā)動機正時同步機構(gòu)使用，尤其是小排量發(fā)動機，幾乎占100％。但是進入新世紀(jì)，隨著現(xiàn)代轎車發(fā)動機強化程度的不斷提高，排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，維護周期的不斷延長(240000km甚至300000km)，正時同步機構(gòu)的負荷不斷增大，對配氣正時的精度要求也越來越高，同步帶已越來越難滿足現(xiàn)代轎車發(fā)動機苛刻的要求，再加上正鏈條技術(shù)的提高如強度、耐磨、降噪和優(yōu)化設(shè)計等，克服了鏈條自身存在的缺點，凸現(xiàn)鏈條同步大功率、無需維護和耐熱、耐油等固有的優(yōu)點，因此近年來汽車發(fā)動機正時同步機構(gòu)有傾向于使用鏈條的趨勢。
為了與鏈條競爭，近年來國外同步帶廠家如大陸、蓋茨和特高等開發(fā)了耐油同步帶，即同步帶可以像鏈條一樣直接與潤滑油接觸，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。
耐油同步帶是同步帶技術(shù)的一大突破，改變了同步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，強力層線繩以使用高強度復(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)點是降低噪音，同步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)識推向市場?！叭恕弊铸X同步帶的開發(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％，同步能力也大幅提高(或減少帶寬)等。已在汽車試用，使用壽命已超過210000km。
非圓帶輪同步技術(shù)
目前汽車發(fā)動機正時系統(tǒng)普遍采用多氣門和可變氣門技術(shù)，這給凸輪軸的脈沖負荷成倍增加，造成發(fā)動機振動幅度加大，影響整車NVH(噪音、振動和平穩(wěn))性能，也對同步帶和其它部件造成損害。為了最大限度低抵消這個振動，萊頓(Litens)公司發(fā)明了SmartSprocketTM非圓齒輪同步技術(shù)(CTCcamshaft torque cancellation tech-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。這樣在運行過程中，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。
模塊式和集成化同步系統(tǒng)
所謂模塊式同步系統(tǒng)是將正時皮帶同步系統(tǒng)(包括同步件的帶、輪和張緊機構(gòu))與發(fā)動機前端輔助同步系統(tǒng)(除同步件外還包括驅(qū)動發(fā)電機、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)過程簡單化。蓋茨公司開發(fā)的GEMl0TM系統(tǒng)即是。
蓋茨公司還開發(fā)了集成化輔助同步系統(tǒng)(Electro-Mechanical Drive，EMD)，同時適應(yīng)于14V/42V電機系統(tǒng)，使用壽命已達240000km和500000次啟動次數(shù)。該系統(tǒng)已在標(biāo)致、通用等新開發(fā)的42V發(fā)電/起動系統(tǒng)應(yīng)用。
CVT用復(fù)合V帶
無級變速機構(gòu)(CVT)是汽車?yán)硐氲淖兯贆C構(gòu)，它與傳統(tǒng)的齒輪和液壓自動變速機構(gòu)(A/T)截然不同，是有帶輪與皮帶構(gòu)成的無級變速機構(gòu)。汽車CVT同步形式有兩種：摩擦同步和牽引同步，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。
摩擦同步CVT用的同步帶原來是用金屬同步帶。金屬同步帶需要在潤滑油中使用，要求較大的帶輪推動力，這樣會降低同步總效率。
而改用橡膠V帶則可不必，且橡膠V帶比金屬皮帶制造費用低，保養(yǎng)使用均為方便，因此成為各廠商競相研究開發(fā)對象。
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)動機達到最大轉(zhuǎn)矩時，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。要達到如此高的模量，只能采用由橡膠張力層(tension belt)與金屬復(fù)合塊(block)構(gòu)成的復(fù)合V帶才能達到如此高的要求。
CVT用復(fù)合V帶幾乎世界上所有的有名同步帶廠都在研究開發(fā)，屬同步帶前沿技術(shù)，這不僅是這種同步帶的技術(shù)難度大，而且是這種帶的市場前景非常廣闊。無論在汽車和其他工業(yè)都有廣泛的用途。
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