Система ременного привода
Изобретение относится к системам трансмиссий с ременным приводом, где необходима синхронизация приводимых в движение компонентов. Система ременного привода содержит ремень, приводную звездочку, закрепленную на коленчатом валу двигателя, имеющего несколько цилиндров, и ведомую звездочку. Эластичный корд расположен в теле ремня и проходит вдоль продольной оси. Множество зубцов ремня расположены на наружной поверхности тела ремня, при этом зубцы ремня ориентированы поперек продольной оси. Количество канавок на приводной звездочке в целое число раз превышает число цилиндров двигателя, разделенное на два. Количество канавок на ведомой звездочке в целое число раз превышает число канавок в приводной звездочке. Количество зубцов ремня, длина контактной поверхности и расстояние между канавками звездочки зависят от числа событий зажигания двигателя за один оборот коленчатого вала, за счет чего уменьшается частота зацепления ремня и шкива до уровня внутри гармонических частот двигателя. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 14 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе ременного привода, а более конкретно к системе ременного привода, содержащей ремень и взаимодействующую с ним звездочку, в которой число зубцов ремня, участок контактной поверхности и расстояние между канавками звездочки зависят от числа событий зажигания двигателя за один оборот коленчатого вала, с уменьшением посредством этого частоты и шума за счет частоты зацепления ремня и шкива, одинаковой с кратностью зажигания двигателя.
Уровень техники
Синхронные ремни или зубчатые ремни используются в системах трансмиссий с ременным приводом, где необходима синхронизация приводимых в движение компонентов. Синхронизация достигается за счет взаимодействия поперечных зубцов, расположенных на ремне, с канавками приводной и ведомой звездочки. Зацепление зубцов с соответствующими канавками служит для механической координации вращения звездочек и тем самым приводимого в движение оборудования.
Синхронные ремни содержат множество поперечно установленных зубцов, расположенных рядом друг с другом по длине ремня. Передача мощности происходит в точке соприкосновения каждого зубца со звездочкой в плоскости, по существу касательной к звездочке в точке соприкосновения. Поэтому зубцы большую часть времени находятся под напряжением среза. Участок между каждым рядом зубцов называется контактной поверхностью.
Известны также синхронные ремни, имеющие относительно большую зону контактной поверхности или расстояние между зубцами. Такие ремни основываются частично на фрикционном взаимодействии контактной поверхности с периферией звездочки для передачи крутящего момента. Способность передачи крутящего момента является функцией угла обхвата ремня вокруг звездочки, установочного натяжения и коэффициента трения поверхности ремня.
Представителем из уровня техники является патент США №4047444 (1977) на имя Джефрей, в котором описан синхронный ремень и привод звездочек, в котором привод между расположенными на расстоянии друг от друга звездочками обеспечивается первично фрикционным контактом ремня на периферии звездочек.
Решение, согласно уровню техники, основано только на различном расстоянии канавок в приводной и ведомой звездочках, которое основывается частично на различном натяжении ремня. Проблема уменьшения рабочих гармоник и шума не ставится и не решается в уровне техники.
Необходима система ременного привода для обеспечения ремня и взаимодействующей с ним звездочки, в которой количество зубцов ремня, участок контактной поверхности и расстояние между канавками звездочки зависит от числа событий зажигания за один оборот коленчатого вала, за счет чего уменьшается частота зацепления ремня и шкива до уровня, не отличимого от гармоник частоты двигателя. Настоящее изобретение удовлетворяет эту необходимость.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту изобретения предлагаются ремень и взаимодействующая звездочка, в котором количество зубцов ремня, участок контактной поверхности и расстояние между канавками звездочки зависят от числа событий зажигания двигателя за один оборот коленчатого вала, что уменьшает частоту зацепления ремня и шкива до уровня, не отличимого от гармоник частоты двигателя.
Другие аспекты изобретения будут указаны или следуют из приведенного ниже описания изобретения и прилагаемых чертежей.
Изобретение содержит систему ременного привода, имеющую ремень, имеющий тело ремня. Эластичный корд, расположенный в теле ремня, проходит вдоль продольной оси. На наружной поверхности тела ремня расположено множество зубцов ремня, при этом зубцы ремня ориентированы поперек продольной оси. Контактная поверхность расположена между зубцами ремня. Приводная звездочка закреплена на коленчатом валу двигателя, при этом двигатель имеет несколько цилиндров. Предусмотрена ведомая звездочка. При этом множество канавок на приводной звездочке в целое число раз превышает число цилиндров двигателя, разделенное на два. Количество канавок на ведомой звездочке в целое число раз превышает число канавок в приводной звездочке. Количество зубцов ремня, участок контактной поверхности и расстояние между канавками звездочки зависит от числа событий зажигания двигателя за один оборот коленчатого вала, за счет чего уменьшается частота зацепления ремня и шкива до уровня внутри гармоник частоты двигателя.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены и образуют часть описания, служат для иллюстрации предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.
Фиг.1 представляет собой схему системы согласно уровню техники;
Фиг.2 представляет собой вид сбоку ремня и звездочки согласно изобретению;
Фиг.3 представляет собой вид сбоку канавки звездочки;
Фиг.4 представляет собой вид сбоку канавки звездочки;
Фиг.5 представляет собой вид сбоку ремня согласно изобретению;
Фиг.6 представляет собой вид сбоку ремня согласно изобретению;
Фиг.7 представляет собой график, показывающий зависимость угловой вибрации от установочного натяжения при использовании системы согласно изобретению;
Фиг.8 представляет собой график, показывающий зависимость эффективного натяжения от установочного натяжения при использовании системы согласно изобретению;
Фиг.9 представляет собой график сравнения гармоник девятнадцатого порядка;
Фиг.10 представляет собой график сравнения гармоник восьмого порядка;
Фиг.11 представляет собой вид в перспективе ремня с зубцами и участком контактной поверхности согласно уровню техники;
Фиг.12 представляет собой вид в перспективе ремня с зубцами и участком контактной поверхности согласно изобретению;
Фиг.13 представляет собой вид в перспективе ремня с зубцами и участком контактной поверхности согласно изобретению;
Фиг.14 представляет собой вид в перспективе части звездочки для сцепления с ремнем согласно Фиг.13.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения
Системы синхронного ременного привода широко используются в автомобильных двигателях для привода распределительных валов и других устройств, таких как топливные насосы, водяные помпы, генераторы переменного тока и т.д.
В некоторых двигателях величина угловых вибраций одного или нескольких приводимых в действие элементов вызывает необходимость включения торсионного демпфирующего устройства. Использование демпфирующего устройства увеличивает стоимость, сложность и вес двигателя.
Настоящее изобретение позволяет исключить такие демпфирующие устройства в некоторых случаях посредством увеличения жесткости системы ременного привода с помощью изменений установочного натяжения, увеличения модуля и поверхности взаимодействия зубцов ремня и шкива без уменьшения срока службы ремня или увеличения шумности системы.
Увеличение натяжения системы с обычными зубчатыми ремнями может приводить к увеличению износа контактной поверхности ремня за счет более высокого контактного давления между контактной поверхностью ремня и звездочкой, а также к увеличению шума системы за счет более сильного соударения ремня и звездочки.
Настоящее изобретение исключает увеличение износа контактной поверхности ремня посредством включения значительного расстояния между зубцами, называемого шагом Р (см. Фиг.5), что уменьшает давление на единицу площади, вызываемое силами натяжения контактной поверхности ремня. Конфигурация, согласно изобретению, приводит к большему чем обычно шагу Р, что в свою очередь приводит к меньшему количеству зубцов на ремне, имеющихся в распоряжении для передачи крутящей нагрузки для заданной длины ремня. Однако ремень и система, согласно изобретению, компенсируют это посредством оптимизации профиля зубцов ремня и обеспечения передачи значительной части крутящей нагрузки зоной контактной поверхности между зубцами. Кроме того, настоящее изобретение исключает любое увеличение шума, связанное с высокими натяжениями ремня, посредством уменьшения частоты вибраций ремня и порядка гармоник, а также посредством наложения частоты зацепления зубцов ремня и канавок приводной звездочки на частоту зажигания цилиндров двигателя, что значительно уменьшает заданные и нежелательные порядки гармоник вибраций ремня.
Значительную часть передаваемой нагрузки несет контактная поверхность ремня. Поэтому, передача мощности плоской контактной поверхностью ремня основывается на формуле Эйлера для плоского ремня, которая описывает поведение ремня в зависимости от передаваемого крутящего момента.
В рабочих условиях ремень находится в натяжении между приводной и ведомой звездочкой. Натяжение (Ti) в ремне, входящем в звездочку, отличается от натяжения
(Т2) ремня при его выходе из звездочки. Для плоского ремня при использовании теории Эйлера уравнение зависимости натяжений Т1 и Т2 ремня от коэффициента трения (μ) и угла (Θ) охвата в радианах имеет вид
Т1 = Т2 еμΘ
где е является основанием натуральных логарифмов, равным 2,718, Ti является натяжением на ведущей стороне и Т2 является натяжением на стороне сбегания. Неизбежное проскальзывание является верхним пределом фрикционной способности ремня передавать мощность.
Этот график показывает приблизительное предельное отношение Т1/Т2 для угла обхвата ремня θ=180° в зависимости от коэффициента трения между плоским ремнем и звездочкой.
Принятый коэффициент трения = 0,35
| Т1/Т2 | Т2=Тinst(N) | T1(N) | T1-T2=Te (N) |
| 3 | 250 | 750 | 500 |
| 3 | 500 | 1500 | 1000 |
| 3 | 750 | 2250 | 1500 |
Как показано в приведенной выше таблице, согласно этой теории можно передавать эффективный уровень натяжения (Те) лишь с помощью трения, равный приблизительно 1500 Н при Т2 = 750 Н и коэффициенте трения (μ) примерно 0,35. Эффективное натяжение задается как разница между натяжением на ведущей стороне ремня и натяжением на ведомой стороне ремня. Натяжение на ведомой стороне является функцией установочного натяжения (Tinst). Натяжение на ведущей стороне является функцией нагрузки (Т1), передаваемой приводом.
Если отношение Т1/Т2 меньше или равно еμθ, то ремень не проскальзывает на звездочке. Большие отношения, т.е. если Т1/Т2 больше еμθ, приводят к проскальзыванию.
Однако во всех случаях ремень будет ползти по звездочкам. Рассмотрим отрезок ремня единичной длины, перемещающийся по первой звездочке с натяжением Т1. При круговом движении этого отрезка ремня единичной длины вместе со звездочкой действующее на него натяжение уменьшается с Т1 до Т2. За счет своей эластичности отрезок ремня слегка сжимается по длине. Поэтому первая (приводная) звездочка непрерывно принимает большую длину ремня, чем она выдает, и скорость поверхности звездочки больше скорости ремня, движущегося по ней. Аналогичным образом вторая (ведомая) звездочка принимают меньшую длину ремня, чем она выдает, и скорость ее поверхности меньше скорости ремня, движущегося по ней. Это «проскальзывание» ремня при его движении по звездочкам приводит к некоторой неизбежной потере мощности, которая уменьшает эффективность.
При приближении величины Т1 к величине Т2, а именно при Т1/Т2>1, величина проскальзывания уменьшается, поскольку имеется меньшее изменение длины единичного отрезка ремня, движущегося по звездочке. При Т1=Т2 имеем условие как при установке, и система не может передавать мощность.
Коэффициент трения для контактной поверхности ремня в указанных выше примерах, не имеющих ограничительного характера, составляет приблизительно 0,35. Диапазон достаточных коэффициентов трения (μ) для контактной поверхности (110) составляет от около 0,30 до около 0,40.
Для синхронного ременного привода указанная выше теория плоского ремня ограничена взаимодействием зубцов ремня с канавками звездочек. Передача мощности обеспечивается посредством разделения нагрузки на нагрузку зубцов ремня и фрикционные эффекты. На практике в настоящее время большую часть этой нагрузки несут зубцы ремня.
Профиль зубцов оптимизируется по размерам и геометрической форме для несения нагрузки и зацепления ремня и звездочки. Например, профиль зуба может соответствовать профилю, описанному в патенте США №4605389, полное содержание которого включено здесь посредством ссылки. В патенте США №4605389 в качестве примера приведен профиль, который не должен рассматриваться как ограничение типов профилей, которые можно использовать в настоящем изобретении.
Как указывалось выше, в ремне, согласно изобретению, максимально увеличена длина контактной поверхности ремня и тем самым контактная площадь между контактной поверхностью ремня и периферией звездочки при сохранении синхронных признаков зубчатого ремня. Кроме того, система обеспечивает отсутствие помех между вершиной каждого зуба ремня и нижней частью или основанием каждой соответствующей канавки звездочки с целью обеспечения сохранения давления в контактной зоне между каждой контактной поверхностью ремня и взаимодействующей частью поверхности звездочки.
Отношение площади контактной поверхности к площади зуба для ремней, согласно уровню техники, имеющих стандартный шаг, составляет приблизительно 0,50:1 (см. Фиг.11). Как показано на Фиг.5, 6 и Фиг.11-13, площадь зуба является плоской площадью зуба ремня, занимаемой зубцом, а именно, произведением длины (w) зуба на ширину ремня. Площадь контактной поверхности является плоской площадью ремня, занимаемой контактной поверхностью, а именно произведением длины L контактной поверхности на ширину ремня. Ширина ремня известна из уровня техники и соответствует ширине промышленных стандартов. Ремень, согласно изобретению, имеет отношение площади контактной поверхности к площади зуба в диапазоне от около 1,5:1,0 до около 10,0:1,0 (см. Фиг.12).
В альтернативном варианте выполнения, показанном на Фиг. 13, отношение площади контактной поверхности к площади зуба является обратным, что означает, что отношение площади контактной поверхности к площади зуба находится в диапазоне от приблизительно 0,20:1,0 до приблизительно 0,09:1,0. Это отношение альтернативного варианта выполнения описывает ремень, в котором площадь зуба значительно больше площади контактной поверхности. В этом случае мощность передается посредством трения между нижней частью канавки 3002 шкива и вершиной 2012 зуба 2010 (см. Фиг.14). Поэтому в этом случае глубина зуба ремня больше глубины канавки шкива, и имеется зазор между вершиной зуба 3000 шкива и ремнем в зоне 2011 контактной поверхности для обеспечения контакта между поверхностями 2012 и 3002 для передачи нагрузки. На Фиг.14 в перспективе показана часть звездочки для сцепления с ремнем, показанным на Фиг.13. Звездочка 3001 содержит поверхность 3002 канавки шкива, которая входит в зацепление с трением с верхней поверхностью 2012 зуба. За счет этого зацепления с трением в этом альтернативном варианте выполнения происходит передача мощности. Зуб 3000 звездочки входит в зацепление с зоной 2011 канавки ремня между зубцами 2010 для сохранения синхронизации. Все другие аспекты конструкции ремня, раскрытые в данном описании, относятся к другим вариантам выполнения.
Что касается конструкции ремня, то материалы ремня дополнительно содержат материал покрытия, используемый в оболочечном слое 106, имеющем высокий коэффициент трения (см. Фиг.5). Оболочечный слой может содержать текстурированный или нетекстурированный тканый или текстурированный или нетекстурированный нетканый материал, содержащий нити арамида, полиамида, политетрафторэтилена (PTFE), РВО, полиэфируглерода или другие синтетические волокна или комбинации из двух или более указанных материалов. Они могут быть нанесены непрерывным слоем, могут быть включены в резиновый композиционный материал или могут быть нанесены в форме элемента растяжения.
Материал покрытия оболочечного слоя может быть обработан растворителем на основе полимерных клеев или системой латекса на водной основе, содержащим резорцино-формальдегидную смолу (RFL), содержащей любое количество гидрированного бутадиен-нитрильного каучука (HNBR), любое количество CR, сульфинированного полиэтилена или каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM). Они используются для увеличения до максимума абразивостойкости, увеличения до максимума теплостойкости и стойкости к тепловому старению и для обеспечения высокого уровня адгезии между этим лицевым материалом и другими компонентами ремня при всех уровнях температуры в течение всего срока службы приводной системы. Общим результатом является ремень, который имеет увеличенную до максимума способность контактной поверхности ремня выдерживать значительный уровень нагрузки за счет использования указанной выше теории привода с плоским ремнем.
Как показано на Фиг.5, ремень дополнительно содержит высокомодульные эластичные элементы 107, расположенные параллельно продольной оси, которая проходит в бесконечном направлении. Эластичные элементы могут содержать скрученные или скрученные и пряденые нити, содержащие стекловолокно, высокопрочное стекло, РВО, арамид, проволоку или углерод или их комбинации. Эластичный корд может быть нанесен в виде единичного сердечника, образующего спираль поперек ширины ремня, или нанесен парами эластичного корда с попеременным направлением скручивания (z и s) с образованием спирали поперек ширины ремня. Эластичный корд может быть также обработан растворителем на основе полимерных клеев или системами латекса на водной основе, содержащим резорцино-формальдегидную смолу (RFL), включающими VPCSM/VPSBR/HNBR/CR в RFL. Они могут содержать любую долю HNBR, любую долю CR, сульфинированный полиэтилен или EPDM вместе с клеящим веществом. Эти вещества обеспечивают высокий уровень адгезии между эластичным элементом и другими эластомерными компонентами ремня при всех уровнях температуры в течение срока службы приводной системы. Они также минимизируют уменьшение предела прочности на разрыв, вызванное усталостью и трением между волокнами, где это имеет место, в течение срока службы привода. Они также минимизируют уменьшение предела прочности на разрыв, вызванное низкой температурой при одновременном увеличении до максимума стойкости к текучим средам эластичного элемента в течение срока службы ремня.
Тело 108 ремня содержит высокомодульную эластомерную структуру на основе любой доли HBBR, CR, EPDM, SBR и полиуретана или любой комбинации двух или более указанных материалов.
Тело ремня может при необходимости включать прерывистые волокна для волоконного наполнения, которые можно использовать для увеличения модуля полученной структуры. Тип волокон 40, 400 (см. Фиг.5, 6), которые можно предпочтительно использовать в качестве усиления эластомера ремня, включают метаарамиды, параарамиды, сложный полиэфир, полиамид, хлопок, вискозу и стекло, а также комбинации двух или более указанных материалов, однако предпочтительным является параамид. Волокна могут быть фибриллированы или пульпированы, как хорошо известно из уровня техники, где возможно применение данного типа волокон для увеличения их площади поверхности, или же они могут быть нарублены или применяться в виде штапельного волокна, что также известно из уровня техники. Для целей данного раскрытия понятия «фибрилированы» и «пульпированы» используются как взаимозаменяемые для указания известной характеристики, а понятия «нарублены» или «штапельные» используются взаимозаменяемо для указания особой известной характеристики. Волокна 40 предпочтительно имеют длину от около 0,1 мм до около 10 мм. Волокна при необходимости могут быть обработаны желаемым образом в зависимости от типа волокон для улучшения их склеивания с эластомером. Примером обработки волокон является обработка любым подходящим латексом, содержащим резорцино-формальдегидную смолу (RFL).
В одном предпочтительном варианте выполнения, в котором волокна являются нарубленными или штапельными волокнами, волокна могут быть выполнены из полиамида, вискозы или стекла и иметь относительное удлинение или “L/D” (отношение длины волокна к его диаметру) предпочтительно равным 10 или больше. Кроме того, волокна предпочтительно имеют длину от около 0,1 мм до около 5 мм.
В другом предпочтительном варианте выполнения, в котором волокна являются различными фибриллированными или пульпированными волокнами, волокна предпочтительно выполнены из параамида и имеют удельную площадь поверхности от около 1 м2/г до около 15 м2/г, более предпочтительно от около 3 м2/г до около 12 м2/г, наиболее предпочтительно от около 6 м2/г до около 8 м2/г и/или среднюю длину волокон от около 0,1 мм до около 5,0 мм, более предпочтительно от около 0,3 мм до около 3,5 мм и наиболее предпочтительно от около 0,5 мм до около 2,0 мм.
Количество параамидного фибриллированного волокна, используемого в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения, может преимущественно составлять от около 0,5 мас.% до около 20 мас.% нитриловой резины, предпочтительно от около 0,9 мас.% до около 10,0 мас.% нитриловой резины, более предпочтительно от около 1,0 мас.% до около 5,0 мас.% нитриловой резины и наиболее предпочтительно от около 2,0 мас.% до около 4,0 мас.% нитриловой резины. Для специалистов в данной области техники понятно, что при более высокой концентрации волокон наполнения предпочтительно модифицировать эластомер с включением дополнительных материалов, например пластификаторов, для предотвращения чрезмерной жесткости вулканизованного эластомера.
Волокна могут быть распределены хаотично в эластомерном материале передающего мощность ремня или же могут быть ориентированы в любом желаемом направлении. Возможно также и является предпочтительным для зубчатых ремней, изготовленных согласно настоящему изобретению, что волокна ориентированы в эластомерном материале передающего мощность ремня, как показано, например, на Фиг.13.
Волокна 40, 400 в зубцах 104, 105, 201 предпочтительно ориентированы в продольном направлении, т.е. в направлении прохождения ремня. Однако волокна 40, 400 в зубцах 104, 105, 201 не все параллельны эластичному корду 107, 203; волокна 40, 400 в зубцах расположены в продольном направлении, однако следуют направлению потока эластомерного материала во время формирования зубца, когда формирование выполняется в соответствии со способом сквозного потока. Это приводит к ориентации волокон 40, 400 в зубцах 104, 105, 201 ремня по продольной, по существу, синусоидальной схеме, которая согласована с профилем зубцов.
При ориентации в этой предпочтительной конфигурации, так что направление волокон, по существу, проходит в направлении прохождения зубчатого ремня, было установлено, что волокна 40, 400, расположенные в задней секции 120, 1200 поверхности ремня, препятствуют распространению трещин в задней поверхности ремня, в частности вызываемых при работе с чрезмерно высокой или низкой температурой, которые в противном случае обычно распространяются в направлении, перпендикулярном направлению движения ремня. Однако следует понимать, что волокна 40, 400 не должны быть ориентированы или могут быть ориентированы в различном направлении или направлениях, чем показано.
Описание применения различных принципов конструкции приведено в следующем примере.
Как показано на Фиг.1, система, согласно уровню техники, имеет следующие характеристики. Зубчатый ремень (В) имеет 135 зубцов и шаг (Р), равный 9,525 мм. Длина привода составляет 1285,875 мм.
Звездочки имеют следующие характеристики:
- звездочка коленчатого вала (CRK) имеет 19 канавок;
- звездочка водяной помпы (W_P) имеет 18 канавок;
- звездочка распределительных валов (СМ1, СМ2) имеет 38 канавок;
- двигатель имеет 4 цилиндра.
Звездочки (СМ1, СМ2) распределительных валов имеют диаметр 113,84 мм. Позициями TEN и IDR обозначены соответственно натяжное устройство и направляющий шкив, известные из уровня техники.
Как показано на Фиг.1, ремень и система согласно изобретению, которая заменяет систему, согласно уровню техники выполнена так, что длина привода остается неизменной и не превышаются диаметры звездочек.
Система, согласно изобретению, имеет шаг (Р), который зависит частично от полной приводной длины ремня. Количество канавок в звездочке коленчатого вала зависит от числа событий зажигания двигателя за один оборот коленчатого вала. Отношение ширины зоны срезания зубца к длине контактной поверхности зависит от шага (Р).
Ремень (В), согласно изобретению, имеет целое число зубцов, расположенных поперек продольной оси, в данном случае 57 зубцов в противоположность 135 зубцам ремня согласно уровню техники. В этом примере шаг (Р) ремня составляет 22,62 мм по сравнению с 9,525 мм в системе согласно уровню техники. Звездочка (CRK) коленчатого вала (приводная звездочка) имеет целое число канавок, которое в целое число раз превосходит число цилиндров двигателя, разделенное на два, в данном случае выбрано 8 канавок (4 цилиндра двигателя Х 2). Звездочки (СМ1, СМ2) распределительных валов имеют каждая число канавок, в 2 раза превосходящее число канавок звездочки коленчатого вала (8 канавок), что означает в этом случае 16 канавок в каждой звездочке распределительных валов. Число канавок звездочки (W_P) водяной помпы является также целым, в этом случае 8 канавок. Если необходимо, то для различных конструкций ремня шаг (Р) ремня можно регулировать для задания желаемого положения рычага натяжного устройства.
Для улучшения параметров шумности число канавок звездочки коленчатого вала превосходит в целое число раз число цилиндров двигателя, разделенное на два. Это соотносит число канавок звездочки коленчатого вала с числом событий зажигания цилиндров двигателя за один оборот коленчатого вала. Таким образом, частота зацепления ремня и звездочки значительно уменьшается и поэтому шум зацепления становится неотличимым от шумов двигателя других гармонических частот.
Хотя в указанном примере двигателя с 4 цилиндрами звездочка коленчатого вала имеет 8 канавок, звездочка коленчатого вала может также содержать любое целое число раз количества цилиндров двигателя, разделенного на два, например 4 или 12 канавок.
При работе каждый зубец ремня последовательно входит в зацепление с канавкой приводной звездочки для сохранения правильной синхронизации приводимого в действие вспомогательного оборудования. Система требует зацепления, по меньшей мере, двух зубцов ремня с канавками приводной звездочки и зацепления двух зубцов ремня с канавками ведомой звездочки всегда для сохранения правильной синхронизации. Число зубцов и, в частности, шаг непосредственно связаны с углом (α) обхвата. То есть при уменьшении угла обхвата расстояние между зубцами ремня и расстояние между канавками звездочки должно уменьшаться для обеспечения нахождения, по меньшей мере, двух зубцов ремня в контакте с соответствующими канавками звездочки всегда. В пределе шаг (Р) зубцов равен
,
где r равно радиусу звездочки с наименьшим шагом,
α равно углу обхвата ремня вокруг наименьшей звездочки.
На Фиг.2 на виде сбоку показаны звездочка и ремень согласно изобретению, при этом положение, обозначенное буквой (А), представляет точку касания хорды дуги ведущей части ремня на контактной поверхности ремня при максимальной нагрузке. Положение (А) является местом, в котором контактная поверхность входит в зацепление с приводной звездочкой. Ремень В показан в зацеплении с приводной звездочкой 100, вращающейся в направлении, обозначенном стрелкой. Мощность, т.е. крутящий момент, передается на ведомый шкив посредством фрикционного контакта между контактной поверхности ремня и периферией шкива.
Звездочка 100 коленчатого вала содержит 8 канавок для зацепления с ремнем. Точка (А) представляет положение ремня и звездочки, когда происходит событие зажигания цилиндра. Относительно положения (А), по меньшей мере, приблизительно 50% расстояния между точкой (А), где ремень входит в зацепление с приводной звездочкой, и первым непосредственно находящимся в зацеплении зубцом, по меньшей мере, 50% контактной поверхности ремня находится в контакте со звездочкой при каждом событии зажигания цилиндра. Синхронизацию двигателя можно регулировать так, что точка (А) приводит к тому, что вплоть до 100% зоны контактной поверхности между точкой (А) и первым непосредственно находящимся в зацеплении зубцом (А') на ведущей части ремня находится в зацеплении во время события зажигания каждого цилиндра.
Этот способ синхронизации уменьшает до минимума нагрузку сдвига зуба, вызываемую каждым событием зажигания двигателя, то есть максимальная часть контактной поверхности находится в зацеплении со звездочкой во время каждого события зажигания двигателя для увеличения до максимума фрикционного вклада контактной поверхности в выдерживание усилия сдвига зубца во время передачи мощности. Поэтому зацепление зубца используется в первую очередь для обеспечения синхронизации передачи мощности. Мощность или крутящий момент передается в первую очередь за счет вхождения в зацепление контактной поверхности ремня с соответствующей поверхностью на звездочке.
На Фиг.3 показан профиль канавки звездочки. Каждая канавка 1000 в свою очередь содержит первую канавку 101 и вторую канавку 102. Зубец 103 расположен между каждой парой канавок 101, 102. Канавка 1000 входит в зацепление с соответствующим профилем ремня, показанным на Фиг.5, то есть зубцы 104, 105 входят в зацепление в соответствующие канавки 101, 102. Зоны 300, 301 контактной поверхности входят в зацепление с зоной 110 контактной поверхности ремня. На Фиг.4 показан другой профиль канавки звездочки. В этом примере канавка 2000 содержит единственную канавку 200. Канавка 200 входит в зацепление с зубцом 201 ремня, как показано на Фиг.6. Зоны 500, 501 контактной поверхности входят в зацепление с зонами 205 контактной поверхности ремня.
На Фиг.5 показан разрез ремня. Ремень содержит зубчатые части 104 и 105, расположенные в теле 108 ремня. Впадина или канавка 109 расположена между зубчатыми частями 104 и 105. Зубчатые части 104 и 105 вместе с впадиной 109 образуют единичный зубец Т для целей данного описания. Зубец Т имеет длину W. Между каждым зубцом Т расположена зона 110 контактной поверхности, имеющая длину L. В ремне, согласно изобретению, зона 110 контактной поверхности имеет длину L, превышающую длину W зубца. Шаг Р представляет собой расстояние между соответствующими точками следующих друг за другом зубцов. При необходимости впадина 109 может отсутствовать в форме зубца (см. Фиг.6), при этом отсутствует также взаимодействующий с ней зубец 103 в звездочке.
Эластичный корд 107 расположен вдоль продольной оси ремня. Продольная ось проходит в бесконечном направлении. Оболочечный слой 106 расположен на входящей в зацепление со звездочкой поверхности ремня.
На Фиг.6 показан разрез другого ремня. Ремень содержит зубцы 201, расположенные в теле 204 ремня. Эластичный корд 204 расположен вдоль продольной оси ремня. Продольная ось проходит в бесконечном направлении. Оболочечный слой 204 расположен на входящей в зацепление со звездочкой поверхности ремня. Зубец 201 имеет длину W. Между каждым зубцом 201 расположена зона 205 контактной поверхности, имеющая длину L. В ремне, согласно изобретению, зона 205 контактной поверхности имеет длину L, равную или превышающую длину W зубца.
Система, согласно изобретению, обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с системой, согласно уровню техники. На Фиг.7 показан график уменьшения угловой вибрации (AV) распределительного вала двигателя в зависимости от установочного натяжения ремня без необходимости применения механизма демпфирования распределительного вала. Как можно заметить, при использовании ремня и звездочки согласно изобретению, угловая вибрация значительно уменьшается с 2,2° до 0,9°. Предпочтительно, чтобы угловая вибрация в системе была меньше 1,5° для минимизации износа ремня и системы. Таким образом, изобретение обеспечивает уменьшение сложности системы и стоимости за счет исключения демпфирующих устройств для распределительного вала.
Амплитуда вибрации участка ведущей части ремня во время работы уменьшается примерно на 30% при использовании ремня согласно изобретению. Скорость, на которой происходит резонанс на участке ведущей части ремня, увеличивается с примерно 2000 об/мин до 3000 об/мин.
Как показано на Фиг.8, эффективное натяжение (Те) уменьшается при увеличении установочного натяжения (Tinst) с 230 Н, согласно уровню техники, до 375 Н в системе согласно изобретению. В системах, согласно уровню техники, это увеличение натяжения приводило бы к сокращению срока службы и увеличению шума. Это не происходит в системе, согласно изобретению, по указанным выше причинам.
Что касается шума, создаваемого системой, то в системе, согласно изобретению, значительно уменьшается девятнадцатая гармоника и связанные с ней гармонические частоты (см. Фиг.9), которые связаны с различимым шумом, вызываемым зацеплением ремня и звездочки в системах согласно уровню техники. Вводится дополнительная восьмая гармоника и связанные с ней гармонические частоты (см. Фиг.10), но это происходит на той же частоте, что и другие гармоники двигателя, такие как гармоника зажигания. В показанных на Фиг.9 и 10 примерах система, согласно изобретению, установлена с эффективным натяжением 375 Н без демпфирующего устройства. С другой стороны, каждая другая система включает демпфирующее устройство, что дополнительно увеличивает стоимость системы. В системе, согласно изобретению, уменьшается частота вибраций, вызванных зацеплением ремня и шкива до уровня, неотличимого от гармонических частот двигателя.
Хотя выше было приведено описание вариантов выполнения изобретения, для специалистов в данной области техники очевидно, что возможны изменения в конструкции и взаимосвязи частей, не отступая от объема и сущности изобретения, описанного выше.
1. Система ременного привода, содержащая ремень, имеющий тело ремня; эластичный корд, расположенный в теле ремня, проходящий вдоль продольной оси; множество зубцов ремня, расположенных на наружной поверхности тела ремня, причем между зубцами ремня расположена контактная поверхность; приводную звездочку, закрепленную на коленчатом валу двигателя; ведомую звездочку; при этом количество канавок на приводной звездочке в целое число раз превышает число цилиндров двигателя, разделенное на два; и между точкой (А), в которой ремень входит в зацепление с приводной звездочкой, и первым непосредственно находящимся в зацеплении зубцом (А') ремня, по меньшей мере, 50% контактной поверхности ремня находится в контакте со звездочкой во время события зажигания цилиндра.
2. Система по п.1, в которой расстояние между зубцами ремня является таким, что, по меньшей мере, два зубца ремня находятся в зацеплении с двумя канавками на звездочке, имеющей наименьший угол обхвата.
3. Система по п.1, в которой множитель для числа канавок на ведомой звездочке по сравнению с приводной звездочкой является целым числом, равным или большим, чем два.
4. Система по п.1, в которой шаг (Р) зубцов ремня задан формулой Р≤(π/180°)·(r)·(α),
где r равно радиусу звездочки с наименьшим шагом;
α равно углу обхвата ремня вокруг наименьшей звездочки.
5. Система по п.1, в которой ремень дополнительно содержит волоконное наполнение.
6. Система по п.1, в которой число канавок на ведомой звездочке в целое число раз превышает число канавок в приводной звездочке.
7. Ремень, содержащий эластомерное тело; эластичный элемент, расположенный в теле параллельно продольной оси; множество зубцов, расположенных на теле в направлении поперек продольной оси, причем каждый зубец имеет площадь зубца; участок контактной поверхности, расположенный между зубцами, причем участок контактной поверхности имеет площадь контактной поверхности; при этом площадь контактной поверхности больше площади зуба, причем отношение площади контактной поверхности к площади зуба находится в диапазоне от приблизительно 1,50:1,0 до приблизительно 10,0:1,0 и участок контактной поверхности имеет коэффициент трения для передачи крутящего момента посредством зацепления с поверхностью звездочки.
8. Ремень по п.7, в котором коэффициент трения находится в диапазоне от приблизительно 0,30 до приблизительно 0,40.
9. Ремень по п.7, дополнительно содержащий волоконное наполнение.
10. Система ременного привода для двигателя внутреннего сгорания, содержащая ведущую и ведомую звездочку; ремень, находящийся в зацеплении между ведущей и ведомой звездочкой; причем ремень содержит тело, поперечные зубцы, имеющие шаг, эластичный корд, заключенный в тело, расположенный в бесконечном направлении, и контактную поверхность, имеющую площадь контактной поверхности, расположенную между смежными зубцами; при этом приводная звездочка имеет заданное количество взаимодействующих канавок, в целое число раз превосходящее число цилиндров двигателя, разделенное на два; в которой время зажигания цилиндров двигателя определяет величину контактной поверхности ремня, находящейся в контакте с ведущей звездочкой на ведущей части ремня относительно точки (А) во время события зажигания цилиндра двигателя для уменьшения до минимума нагрузки зубца ремня, и между точкой (А), в которой ремень входит в зацепление с приводной звездочкой, и первым непосредственно находящимся в зацеплении зубцом (А') ремня, по меньшей мере, 50% контактной поверхности ремня находится в контакте со звездочкой во время события зажигания цилиндра.
11. Система ременного привода, содержащая ремень, имеющий тело ремня; эластичный корд, расположенный в теле ремня, проходящий вдоль продольной оси; множество зубцов ремня, расположенных на наружной поверхности тела ремня, причем между смежными зубцами ремня расположена контактная поверхность ремня; приводную звездочку, закрепленную на коленчатом валу двигателя; ведомую звездочку; при этом число канавок приводной звездочки в целое число раз превышает число цилиндров двигателя, разделенное на два; число канавок на ведомой звездочке в целое число раз превышает количество канавок на приводной звездочке; и частота зацепления зубцов ремня и канавок приводной звездочки по существу неотличима при наложении на частоту времени зажигания цилиндров двигателя.
12. Система по п.11, в которой время зажигания цилиндров двигателя определяет величину контактной поверхности ремня, находящейся в контакте с приводной звездочкой на ведущей части ремня относительно точки (А) во время события зажигания цилиндра двигателя для уменьшения до минимума нагрузки зубцов ремня, и между точкой (А), в которой ремень входит в зацепление с приводной звездочкой, и первым непосредственно находящимся в зацеплении зубцом (А') ремня, по меньшей мере, 50% контактной поверхности ремня находится в контакте со звездочкой во время события зажигания цилиндра.
13. Система по п.12, в которой отношение площади контактной поверхности к площади зуба находится в диапазоне от приблизительно 1,5:1,0 до приблизительно 10,0:1,0.
14. Система по п.11, в которой тело ремня дополнительно содержит волоконное наполнение.
15. Система по п.11, в которой отношение площади контактной поверхности к площади зуба находится в диапазоне от приблизительно 0,20:1,0 до приблизительно 0,09:1,0.
16. Система по п.15, в которой нагрузка передается посредством фрикционного зацепления между верхней поверхностью зубца и поверхностью канавки шкива.
17. Ремень, содержащий эластомерное тело; эластичный элемент, расположенный в теле параллельно продольной оси; множество зубцов, расположенных на теле в направлении поперек продольной оси, причем каждый зубец имеет площадь зубца; участок контактной поверхности, расположенный между зубцами, при этом участок контактной поверхности имеет площадь контактной поверхности; при этом площадь контактной поверхности меньше площади зуба, причем отношение площади контактной поверхности к площади зуба находится в диапазоне от приблизительно 0,20:1,0 до приблизительно 0,09:1,0, и площадь зуба имеет коэффициент трения для передачи крутящего момента посредством зацепления с поверхностью звездочки.
