国外汽车传动带技术最新进展

宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]45国外汽车传动带技术昀新进展吴贻珍，蔡伟（无锡贝尔特胶带有限公司，江苏214037）摘要：本文对近几年来国外汽车传动带昀新技术发展作了简介。汽车传动带主要往高性能、长寿命、节能、高精度、低排放和低噪音及集成化模块式等方向发展。关键词：汽车传动带带传动多楔带同步带进展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）在同步带应用、三元乙丙橡胶（EPDM）在多楔带应用等，都是为了适应汽车工业昀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，这些技术包括多阀门（MultivalveEngines，MVES）和变阀门（VariableValveTiming，VVT）技术[1]、催化转换器、42V发电/启动集成电机（integratedstarteralternator，ISA）[2]、直喷式柴油发动机和240000Km甚至300000Km维修周期[3]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。本文对近几年来，国外汽车传动带的一些昀新研究进展作些简介。1．齿形多楔带[4]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。图1齿形多楔带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，有宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]齿多楔带可达167h[5]。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，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，如图1。2．植绒多楔带[6]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），如图2。图2植绒多楔带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，如图3所示。图3两种多楔带噪音比较宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]47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。3．弹性多楔带[7]弹性多楔带昀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，如图4。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。图4弹性多楔带图5普通多楔带（a）与弹性多楔带（b）拉伸性能近几年来，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。图5为二种多楔带拉伸性能对比。DAYCO、CONTITECH生产的汽车用弹性多楔带，据称使用寿命已达150000Km。4．EPDM多楔带[8]近年来，多楔带在汽车得到普遍应用，而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[9]，可使用较廉价耐热性好多的三元乙丙橡胶（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[5]。CONTITECH开发的EPDM多楔带使用寿命已达宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]240000Km，如图6。图6EPDM多楔带5．短纤维补强同步带[10]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。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昀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℃，瞬时高温可答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，如图7。图7短纤维补强同步带结构宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]49CONTITECH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。6．有背布同步带[11]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，纯橡胶无法达到这个要求。如将带的背部做成有布，如图8所示，则可大大提高带的背部耐磨性。如CONTITECH的“ContiDieselRunner”同步带就是如此结构[3]。图8有背布同步带7．耐油同步带[12]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，再加上正时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[13]。为了与链条竞争，近年来国外传动带厂家如CONTITECH、GATES和DAYCO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（如图9），这样可以降低带的摩擦系数30%，结构空间跟更为紧凑[3]。宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]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或溶剂接触的传统观念。其带体配方需用高丙烯腈含量的HNBR，齿布涂覆胶料需配合的特氟隆，强力层线绳使用高强度复合玻纤或碳纤维[14]。1-皮带2-凸轴皮带轮3-皮带轮4-导向导轨5-张紧轮图9耐油同步带使用示意图8．“人”字齿同步带[15]“人”字齿同步带类（图10）似于“人”字齿轮，昀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[16]。图10人字齿同步带9．非圆带轮传动技术[17]目前汽车发动机正时系统普遍采用多阀门和变阀门技术、以及气门传动机构中滚轮摇臂应用的增多，这给凸轮轴的交变扭矩成倍增加，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。为了昀大限度低抵消这个振动，Litens公司发明了宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]51SmartSprocketTM非圆齿轮传动技术(CTCcamshafttorquecancellationtechnology)，如图11所示，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[3]。图11非圆齿轮传动技术10．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GEM10TM系统即是[18]，如图12。图12模块式传动系统盖茨公司还开发了集成化辅助传动系统[19-20]（Electro-MechanicalDrive,EMD）如图13，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/启动系统应用[21]。宁波市超传同步带有限公司由宁波市超传同步带有限公司提供资料网址：邮箱：[e-mail]图13EMD集成化辅助传动系统11.CVT用复合V带[22-23]无极变速机构（CVT）是汽车理想的变速机构，它与传统的齿轮和油压自动变速机构（A/T）截然不同，是有带轮与皮带构成的无极变速机构。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的发动机达到昀大转矩时，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