説明

CVTベルト

エンドレスVベルトの形状の加硫ゴムCVTベルトは、アングルドサイド、ベルト本体に埋設された螺旋状に巻かれた心線の心線層、オーバーコードゴム層及びアンダーコードゴム層を備えたベルト本体を有する。そこにおいて、前記心線は、連続フィラメントの縒り合わされた、シングルトウヤーンの束であり、炭素繊維は、接着剤によって含浸された及び/又は心線層のゴムと適合する接着剤によって上塗りされる。シングルトウヤーンは18Kであっても構わない。炭素繊維は、約6.0〜約6.4ミクロンのフィラメント径と、約200〜約300GPaの引張係数と、約1.9%〜約2.3%の破断点伸びを有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、2009年9月24日に出願された米国仮特許出願第61/245,377号の利益を主張し、その内容全体が参照により本明細書中に組み込まれている。
【0002】
本発明は、広く可変ピッチ駆動用の動力伝達駆動ベルトに関し、より具体的には無段変速機用ベルトに関し、特に炭素繊維の心線を備えたゴム製のCVTベルトに関する。
【背景技術】
【0003】
可変ピッチ駆動(「VPD」)は、少なくとも1つの可変ピッチシーブを含む。これらの駆動の速度比は、可変ピッチシーブが異なるピッチ径でベルトに乗るように、一方のシーブの側壁を相対的に動かすことによって制御される。VPDは、広範な速度比を有するために2つの可変ピッチシーブを有していても構わない。そのような駆動は伝統的に全て「可変速駆動」と呼ばれているが、閉ループ制御(無段変速機(「CVT」))の開発にともない、「可変速駆動」(「VSD」)という用語は、より単純な開ループ制御駆動に関連するようになってきた。そこにおいて、速度比は選択されるか、ダイヤルされるか、又は調整されており、VSDはここにおいてその意味で使用される。したがって、VSDは、比較的低速な、まれな、又はマニュアルシフトで移動又は比率調整される可変ベルト駆動である。その一方で、CVTは、一般にある種の閉ループ制御又は自動のためのフィードバック・メカニズムを有し、システムの駆動力に基づいて比較的急速にシフトする。多くの場合、CVTでは、最適な電力又は速度範囲内で電源又はモータを維持するために、駆動シーブは速度計測又は速度変換に基づいて又は反応して制御され、従動シーブはトルク負荷に基づいて又は反応して制御される。可変ピッチシーブは、機械的、電気機械的、電子的、水力学的等を含む様々なメカニズムによって調整することができる。ベルト駆動型CVTは、スクーター、全地形車、スノーモービル及び自動車でさえも広く使用されている。一般的に、2つのプーリハーブが、任意のVPDにおいてベルトの半径方向の位置を変化させるために、軸方向に離れるか又は共に移動すると、ベルトのシーブ内の半径方向の位置が変化するにつれて、ベルトは極端な摩擦力を受けることがある。2つのシーブハーブがベルトのピッチ線を高めるために軸方向に一緒に移動すると、ベルトは極端な摩擦力及び高軸又は横方向の圧縮力にさらされる。高く可変のトルク負荷は、高い張力と高いくさび力(wedging forces)となり、これはまた、ベルト上の高い横圧縮力になる。いくつかのVPDのアプリケーションも、クラッチとしてベルトを使用しており、ベルトの接触面に対する更なる摩擦力となる。これらの全ての力は、アプリケーションの変動(例えば、頻繁な、高加速度負荷を伴う急速なシフト)により、CVTにおいては最も深刻かもしれない。CVTベルトが駆動及び従動プーリを行き来するにつれて、継続的な曲げ又は屈曲にもさらされる。ゴム製CVTベルトは、一般的に、潤滑油なしの、いわゆる 「ドライCVT」アプリケーションで使用される。したがって、一般のVPDベルトと特定のCVTベルトは、優れた長手方向の柔軟性と、高い縦係数と、高い耐摩耗性と、高い横方向剛性を持つように設計されている必要がある。ベルトは、長い間、広い温度範囲にわたって動作する必要がある。
【0004】
技術の典型は米国特許第6,620,068号明細書であり、それは、内側と外側に曲線のコグと、例えば、ポリエステル、アラミド、及び/又はガラス繊維等の繊維で作られた螺旋状に巻かれた心線の層を有する可変速駆動のためのローエッジダブル・コグドV−ベルト(raw-edge double-cogged V-belt)を開示する。ベルトは、横補強のための横方向に整列した短繊維を含むゴムの圧縮層及び張力層を含む。ベルトは、コグ表面の内側及び/又は外側に補強用の歯布の層も含む。
【0005】
同様に技術の典型は米国特許第4,708,703号明細書であり、それは整列された上側及び下側の歯及び溝と、長手方向の心線を備えるCVTベルトを開示する。歯は、座屈の問題に対処し、トルク能力を高めるために、好ましくは横補強要素によって上部が覆われている。
【0006】
ナットソン(Knutson)による米国特許第6,695,733号明細書と第6,945,891号明細書は、炭素繊維の心線を有する歯ゴムベルトを開示する。ナットソンの引張部材は、RFL処理された心線であり、その心線は螺旋状に巻かれてベルトの幅全体に等間隔に並んだ形状である。既知の心線の例は、全て6K−2の構成であるが、12K−1、6K−3及び他の構成についても言及されている。心線は、ベルト幅の約75〜約95%を占める。ナットソンは、心線は、いくつかあるベルトのタイプの中でもV−ベルトに使用可能であることを単に示唆しているが、CVTベルトについては言及していない。
【0007】
米国特許出願公開第2001/041636A1号明細書は、複数の剛ブロックが設けられた引張部材を有するエンドレスの荷物運搬具を備えるブロック型CVTベルトを開示する。炭素繊維は多くの可能性のある引張部材の1つとして言及されている。この設計は、引張部材上には横荷重を課さないが、ブロックのみに課す。
【0008】
ナットソンらによる米国特許第5,807,194号明細書は、6K−3の構成を含む、鋳造に用いられるポリウレタンの歯付きベルト用の炭素繊維について開示する。炭素繊維は、一般的に、ASTM D4018に従って測定された約50GPa〜約350GPaの範囲の引張係数を有する。個々の炭素繊維の断面直径は、約4〜約7μmの範囲になると言われている。炭素の心線は、ベルトの鋳造時におけるポリウレタン材料の浸透を制限しないように接着剤処理されていない。歯付ベルトは、横荷重下では動作しない。
【0009】
参照はまた、同時係属の2009年4月30日に出願された米国特許出願第12/432,985号及び2008年7月1日に出願された米国特許出願第12/217,026号に対しても行われ、いずれの内容もその全体が参照により本明細書に援用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は、改良されたCVTベルトを提供し、改良されたCVT駆動特性を提供するシステム及び方法を対象とし、また、改良されたベルトの建築特性についても提供することを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、上面、全厚、アングルドサイド(angled sides)、ベルト本体に埋設された螺旋状に巻かれた心線の心線層、心線層の上のオーバーコードゴム層(overcord rubber layer)及び心線層の下のアンダーコードゴム層(undercord rubber layer)を備えるベルト本体を有するエンドレスVベルトの形状の可変ピッチ駆動用加硫ゴムベルトを対象とする。心線は、接着剤を含浸させた炭素繊維が縒り合わされた、シングルトウヤーン(single-tow yarn)を有し、好ましくは埋設されるゴムに適合する。
【0012】
本発明の様々な実施形態において、炭素の心線の束は18Kシングルトウであり、及び/又は炭素繊維は約6.0〜約6.4ミクロンのフィラメント径、及び/又は約200〜約300GPaの引張係数、及び/又は約1.9%〜約2.3%の破断点伸びを有しても構わない。
【0013】
本発明の様々な実施形態において、上部幅の全厚に対する比率は、約2.0〜約3.0の範囲であっても構わない。ベルトはまた、上部及び/又は下部にコグプロファイルを有していても構わない。それは2つのコグプロファイル、アングルサイドの下部に近接する逃げ角を有してもよく、一列に並ぶルート(aligned roots)や同じコグピッチを有していても構わない。ベルトはまた、アングルサイドの下部に近接する逃げ角(relief angle)を有していても構わない。ベルトは更に、室温における横方向剛性は、55N/mm/mmより上であるか、55〜75N/mm/mmの範囲を示すことが好ましい。
【0014】
本発明の様々な実施形態において、心線層、オーバーコードゴム層及びアンダーコードゴム層のうちの少なくとも1つはポリクロロプレンゴム組成物又はエチレン−α−オレフィンゴム組成物を備えることが好ましい。組成物中に存在する任意の配向繊維に垂直に、逆目に測定したときの心線層のゴム組成物の引張係数は、アンダーコードゴム層のゴム組成物の引張係数よりも高いことが好ましい。上面及び/又は底面は歯布ではなくゴムであることが好ましい。
【0015】
上記では、以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解し得るように、本発明の特徴及び技術的な利点をかなり広く概説した。以下、本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の追加の特徴及び利点を説明する。ここで開示される概念及び特定の実施形態は、本発明の同じ目的を達成するために改変し、また他の構造を設計する基礎として容易に用いることができることを当業者によって理解されたい。このような均等構造は、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の精神及び範囲から逸脱するものではないことも当業者によって理解されたい。本発明の編成及び動作方法に関して本発明を特徴づけると考えられる新規な特徴は、さらなる目的及び利点と合わせて、以下の説明を添付の図と併せ読むとよりよく理解されよう。ただし、各図は例示及び説明のためにのみ提供されるものであり、本発明の制限を定義するためのものではないことを明確に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0016】
添付図面は、明細書に組み込まれて明細書の一部を構成し、本発明の好ましい実施形態を例示して、説明と共に、発明の本質を説明するのに役立つ。
【0017】
【図1】本発明の実施形態の部分的に断片化された側面図である。
【0018】
【図2】図1の実施形態の2−2線に沿った断面図である。
【0019】
【図3】本発明の別の実施形態の部分的に断片化された斜視図である。
【0020】
【図4】張力比滑り試験で得られたベルト特性の比較グラフである。
【0021】
【図5】軸方向の剛性試験の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
図3は、CVTベルト又はVPDベルトの形状の本発明の典型的な実施形態を示している。ベルト100は、通常、底部側、下側又は内側40と平行な背面、上側、外側又は上面30を備えた等脚台形断面を有する。他の2つの側面、側面42は、狭角αが含まれたV字型を定義するプーリ接触面である。ベルト本体は、任意の接着ゴム層116に埋設された心線16と、オーバーコード層14と、アンダーコード層12を含む。接着ゴム層116、オーバーコード層14及びアンダーコード層12は、通常、加硫されたゴム組成物である。少なくともアンダーコード層は、ベルト本体の長手方向の柔軟性を維持しながら、横方向の剛性を高めるために横方向に配向されて分散された短繊維を含めても構わない。心線16は、縦荷重の装着部材である。それは、従来は、高弾性率であるか、耐疲労性であるか、縒り合わされた又はポリエステル、アラミド又はガラス繊維、又は接着剤で処理された糸の有線の束である。本発明では、心線は、炭素繊維フィラメントが拠り合わされた、シングルトウ(single-tow)の束である。好ましい実施形態では、心線は、18,000の炭素繊維が捻じれたシングルトウヤーンであり、好ましくは約6.2ミクロンのフィラメント径を有する。ベルト本体に必要な柔軟性と剛性のバランスを改善するために、ベルトの下側又は底部は、多くの場合、「刻み目状の」又は「コグ状の」すなわち、波状の断面となっている。アンダーコードの亀裂の形成と伝播を減少させ、ベルト本体の横方向の剛性を高めるために、ベルトの底部はアンダーコード歯布カバー(又はノッチ歯布(notch fabric))(図示せず)であっても構わない。同様に、ベルト背面は同様の理由によりオーバーコード歯布カバー(図示せず)であっても構わない。好ましい実施形態では、歯布は使用されない。
【0023】
図2は、ベルト本体のための1つのゴム組成物とその中に埋設された心線16を有する本発明の別の実施形態の断面図を示す。ベルト幅全体は上幅と呼ばれ、図2において「TW」として識別されている。ベルト全体の厚さは「T」として識別される。例えば、上記のようなCVTアプリケーション等の、広範囲の可変速駆動のために、高速Vベルトに比べて比較的幅が広くて薄い、特殊なベルト断面が必要になる。典型的な従来のVベルトは、一般的に、厚さとほぼ同じ寸法の上幅を有するか、又はTW/Tの比は約1〜約1.7であるのに対し、本発明のVPD又はCVTベルトは、典型的には少なくとも厚さの約2倍の幅を有するか、又はTW/Tの比は約2〜約2.5であるか、又は約3.0に等しい。当技術分野で周知のように、幅、厚さ及びV角度が、可能な速度変動の範囲を決定する。例えば、ウォレス D.エリクソン、エド(Wallace D. Erickson, ed.)、「エンジニアのためのベルトの選択と応用(Belt Selection and Application for Engineers)」、マルセル・デッカー社(Marcel Dekker, Inc.)、ニューヨーク(1987)を参照してほしい。その内容は参照により本明細書中に組み込まれている。そして、デビッド E.ルース(David E. Roos)による「V−ベルトを用いた可変速ドライブの設計(Variable-Speed Drive Design Using V-Belts)」の特に第6章を参照してほしい。
【0024】
心線のより詳細な説明を見てみると、炭素繊維は、一般的にポリアクリロニトリル繊維等の前駆体繊維を炭化することによって作られ、炭化工程により、得られた炭素繊維の直径は大幅に減少する。一方、先行文献は一般的に、100〜100,000の繊維からなる任意の糸番は心線として利用することができ、市販されている糸は幾分限定されており、フィラメント数が1K、3K、6K、12K、24K及び48K(すなわち、糸ごとの個々の炭素繊維の数)を含み、その中で最も経済的なグレードは6K又は12Kであることを開示している。したがって、所望の中間心線のサイズを形成するためには、小さなフィラメント数の複数の糸を1つに束ねる必要があり、例えば、5本の3K糸により15K心線を得られ、3本の6K糸により18K心線が得られる。当技術分野で周知のように、そこから形成された炭素糸と心線は、デニール又はデシテックスよりも、そこに含まれる繊維数によって特徴付けられるかもしれない。数の命名と文字「K」は、糸の炭素繊維の数を表すために使用されている。したがって、「3K」炭素繊維糸において、「K」は「1000繊維」の略称であり、「3」は乗数を示す。したがって、「18K」炭素糸は18,000繊維又はフィラメントの糸を表す。また、心線の命名に関しては、例えば「18K−3」炭素繊維心線において、「3」は3本の18K糸が縒り合わされているか、及び/又はそれ以外の場合には束ねられて、54,000のフィラメント数を有する心線が形成されることを表す。同様に、商用糸の使用可能なフィラメント径は幾分限定されており、ほとんどの供給メーカは約5ミクロン及び/又は約7ミクロンの細いグレードを提供する。また、供給メーカは、非常に少数の柔軟な補強アプリケーションでは、商業的に成功されているので、一般的に様々な構造用複合材料市場をターゲットとする。ベルト及びタイヤのようなゴムアプリケーションにおける炭素繊維の使用が何年も前に示唆された一方、このような製品を製作し、使用することにおける困難性により、実際は抑制されている。例えば、束に接着剤を適切に浸透させるように炭素繊維を浸漬処理することは困難であった。したがって、多数の参照は、炭素繊維に適した接着剤システムを提供しようとしており、米国特許出願公開第2004/0043213A1号明細書に開示されているように、特別な処理法が必要とされている。別の例では、炭素繊維糸は、処理中にほつれる傾向があり、浸漬処理や撚糸機で集まるケバで知られている。また、一見、適切な心線が生成されている場合でも、例えば、長い疲労寿命、長さの安定性、良好な密着性等の適切なパフォーマンス特性を持つ炭素繊維補強ゴムベルトを得ることは極めて困難である。例えば、米国特許第6,695,733号明細書は、その内容はここに参照により本明細書に組み込まれており、心線の炭素繊維糸を処理するために使用されるRFLの比率を微調整することに基づく、適切な低成長同期ベルトを得るための多くの詳細なアプローチを開示している。したがって、本発明までは、商業的に実現可能なCVTベルトに適した炭素繊維の心線は知られていない。
【0025】
本部材の引張部材を構成する心線は、適切な型の炭素繊維の捻じれたシングルトウヤーンで構成されている。本文脈において、またこの開示を通して、用語 「繊維」と「フィラメント」は小さい断面直径、例えば、4−7μmを有する材料を指定する意味で使用されている。そして、長さは少なくともその直径の約100倍であり、しかし、通常、非常に大きな、あるいは不定な長さを有し、糸の基本要素を形成する。用語 「糸」は、ここにおいて、またこの開示を通じて少なくとも2つを指定するために利用される。しかし、通常炭素繊維糸に関しては、1000以上の繊維は、心線の構成要素を形成するために、配置され、及び/又は縒り合わされて、及び/又はそうでなければ連続ストランドで1つに束ねられる。用語 「心線」は、この開示を通じて、当技術分野で知られているように、1つ又は複数の糸が縒り合わされた製品を指定するために使用され、2つ以上の糸が採用される場合には、更に配置され、及び/又は束ねられて、及び/又は共に縒り合わされた、及びベルトなどの補強ゴム製品に使用するために結合剤又は接着剤で処理される。用語 「トウ」は、炭化工程により生成される無ねん糸(zero-twist yarn)を示すために一般的に使用される。用語「シングルトウ」は、少なくとも最終的な炭化工程の間に生成される時に、フィラメントの元の数のみから成る無ねん糸を参照するために使用される。したがって、シングルトウのフィラメント数は数値として示され、添え字「−1」を有する文字「K」は、複数の小さい糸の組み合わせではないことを強調する。
【0026】
炭素繊維の例は、前述の米国特許第5,807,194号明細書に記載されており、その内容は参照により本明細書中に組み込まれている。有用なトウは、例えば、単位長さ当たりの質量が約66テックス〜約3,600テックスであり、フィラメント数(すなわち、糸ごとの個々の炭素繊維の数)は約1000〜約60,000であり、ベルトの大きさ、対象とするトルク容量、最小曲げ半径等によることを当業者は理解するであろう。本発明に従って使用する炭素繊維は、ASTM D4018に従って決定されるように、約50GPa〜約350GPaの範囲の引張係数を有し、好ましくは約200GPa〜約300GPであり、最も好ましくは約235GPa〜約275GPaである。本発明に従って使用する炭素繊維は、約1.9%〜約2.3%の引張伸びを有し、好ましくは約2.0%〜約2.2%であり、最も好ましくは約2.1%である。本発明の実施形態では、個々の炭素繊維の断面直径は約4〜約7μmの範囲であり、動力伝達ベルトで利用される心線のフィラメント数は、約6000〜約60,000であっても構わない。本発明の好ましい実施形態では、心線のフィラメント数は約18,000であっても構わない。好ましい実施形態では、心線のフィラメント径は、約6〜約6.4ミクロンであってもよく、より好ましくは約6.2ミクロンである。
【0027】
炭素繊維トウは、取扱、柔軟性等を向上させるために縒り合わされても構わない。縒り合いは、既知の方法や機械を用いて行うことができる。縒り合いの程度は、過剰な繊維の破損を引き起こすか、不可能な接着剤処理による浸透を不可能にするほど高すぎるべきではない。縒り合いの程度は、トウのサイズに応じて1インチ当たり約0.5〜約10回転(「tpi」) であっても構わない。好ましくは、18K−1糸を含むより合わせの程度は、1インチ当たり約0.75〜約2回転であることが好ましい。
【0028】
本発明の要旨の実施に適した炭素繊維トウの非限定的な例は、PYROFILの商標の下、三菱レイヨン株式会社により市販されており、好ましくはPYROFIL TRH 50 18kであり、これは報告によれば、フィラメント径が約6ミクロン又は6.2ミクロン、密度が1.82g/cc、引張係数が約250GPa、約2.1%の伸び、長さ当たりの質量が1000mg/m、引張強度が5.30GPa、及びフィラメント数が18K−1を有する。
【0029】
繊維メーカは、通常、サイジング(sizing)により繊維を被覆する。これは一般に繊維が糸に加工され、スプールに巻かれ、及び/又は繊維の濡れ性を促進し、糸が心線処理によって形成されるにつれて破壊されることを抑制するのに役立つ。場合によっては、サイジングは、糸及び/又はフィラメントに適用される心線の処理と適合するような化学構造を持っていてもよく、処理された心線は動力伝達ベルトに組み込まれるため、それは例えば水性又は溶剤系のエポキシ溶液であっても構わない。本開示を通して、用語「サイジング」は、通常、糸及び/又はフィラメント糸に対して乾燥重量、すなわち乾燥された状態の重量に基づいて約0.2〜2.0%のレベルとなるようにして適用される薄膜を表すために使用され、そのようにして処理された糸又はフィラメントは、すなわち、以上に説明したように機能するようにサイジングが施されて乾燥された糸又はフィラメントである。トウと糸の両方をサイジングしていてもよく、記載されていない場合であっても、通常はサイジングされていると推定される。
【0030】
炭素繊維メーカから提供されているサイジングに加えて、接着剤処理は、炭素繊維束にも適用することができる。炭素繊維束には、湿潤接着剤組成物を含浸させ、次いで乾燥又は硬化させてもよい。有用な接着剤の非限定的な例としては、レゾルシノール−ホルムアルデヒド樹脂/ゴムラテックス溶液(「RFL」)、エポキシ、イソシアネート、ポリウレタン、及びそれらの組合せを含む。RFLは好ましい接着剤処理である。本発明の実施形態によれば、複数の変数の操作によるRFL心線処理の弾性係数を選択することは有利であるかもしれない。それは、心線が暴露される及び/又は処理工程(以下、「処理条件」)の間、心線処理−含浸された糸の暴露期間の温度を含む心線の処理条件を調整すること、心線の最終的な含水率を制御すること、炭素繊維に含浸させるためのRFL心線処理液に用いるカーボンブラック等の充填剤を比較的少量を加えること、ホルムアルデヒドを操作すること、RFLのレゾルシノールの重量比、レゾルシノールホルムアルデヒド樹脂を操作すること、RFLのラテックスの重量比、心線の処理液に、従来の酸化防止剤の少量の水分散液を加えること、RFL溶液のラテックスタイプを選択すること、及びRFLにブロックイソシアネートを加えることを含む。これらは全ての操作は、ナットソンによる米国特許第6,945,891号明細書でより詳細に開示されており、これは参照により本明細書中に組み込まれている。ラテックスの様々なタイプが適切に使用することができ、例えば、VPSBR、CSM、HNBR、SBR、CRなどを含む。
【0031】
心線は、更に、追加の接着層によって被覆されても構わず、それはそもそも、ベルト本体のゴムの付着増強のために心線の外側を被覆することを目的としていた。このような通常外側の心線の被覆は、ここにおいて「上塗り」又は上塗り接着剤として称される。上塗りは通常、そのように処理された心線の最終的な重量に基づいた乾燥重量の約1%〜約10%の範囲のレベルで適用される。有用な上塗り接着剤の例は、当技術分野で発見され、ロード株式会社(Lord Corporation)により商標CHEMLOK又はCHEMOSILで販売されている種々の組成物を含み、様々な組成物がケミカル・イノベーション株式会社(Chemical Innovations Limited(CIL))により商標CILBONDで販売されている。下部の接着剤処理とゴムベルト本体の両方に適合し、耐熱性、耐環境性等の他の所望の特性を有する特定の上塗りを選ぶことができる。
【0032】
ベルト本体は、任意の所望の組成でもよいが、典型的な材料は、エラストマー、例えば、天然ゴム、ポリクロロプレン、ポリイソプレン、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−α−オレフィンエラストマー、ニトリルゴム、ポリウレタンエラストマー等に基づいた加硫可能なゴム化合物である。当該技術分野で知られているように、これらのエラストマーには、様々な充填剤、短繊維充填剤、可塑剤、油、加工助剤、抗酸化剤、オゾン化防止剤、硬化剤、架橋助剤等を配合することができる。ベルト本体のための典型的なゴム組成物は、例えばEPDM、EPM、EOM等のエチレン−α−オレフィンエラストマーに基づいており、例えば米国特許第5,610,217号明細書に開示されているように、過酸化物硬化剤とジカルボン酸の金属塩を含み、その内容は参照により本明細書中に組み込まれている。ベルト本体及び心線を囲む接着ゴム層に用いる典型的なゴム組成物の例は、米国特許第6,616,558号明細書に開示されており、その内容は参照により本明細書中に組み込まれている。別の好適なゴム組成物はポリクロロプレンに基づき、これは優れた耐摩耗性を有する。組成物中に存在する任意の配向繊維に垂直に、逆目に測定したときの心線層のゴム組成物の引張係数は、アンダーコード層のゴム組成物の引張係数よりも高いことが好ましい。好ましい実施形態では、アンダーコードとオーバーコードは、アラミド、ポリアミド、綿等の横指向性の短繊維が混ぜられており、接着ゴム組成物は、繊維の充填剤を含まないゴム配合物であっても構わない。
【0033】
他の補強層は、心線層に加えてベルトに組み込むことができ、例えば他の繊維層は、織って作られた、不織布、ニット、又は不連続繊維層であってもよく、当技術分野で公知のように配向又は配向していない。例えば、繊維層は、ベルトの任意の面で使用することができ、例えば、表面特性を改良し、構造及び/又は伝播等をクラックするために抵抗を強化する。しかしながら、好ましい実施形態では、歯布カバーはベルトの外表面に使用されない。
【0034】
本発明の実施形態によれば、内部(つまり下)表面、外側(すなわち上部)表面、又はベルトの両面には、所定のコグプロファイルまたはプロファイルに従うコグを有していても構わない。コグの利点は、裂根による影響を著しく増大させることなく、柔軟性を改善すること、特に低いコグの根の亀裂抵抗を改善すること、及びベルトの性能の調和を改善することを含む。好ましい2つのコグプロファイルは、2009年4月30日に出願された米国特許出願第12/432,985号に記載されており、その内容は参照により本明細書中に組み込まれている。
【0035】
図1を参照すると、ダブルコグドCVTベルト10は、オーバーコード層14とアンダーコード層12との間に挟まれた心線層16を含み、ベルトの本体を構成する。図1に示されたダブルコグドVベルトはまた、メインベルト本体から突出している下側コグ18と上側コグ20を有する。上側コグ20は先端17、側面26及び谷又はルート22を含む。同様に、下側コグ18は、先端19、側面36及びルート32を含む。図1のダブルコグドVベルトは、ラック形、すなわち、平面と心線層の湾曲なしに描かれている。
【0036】
従って、本発明のVPD又はCVTベルトの実施形態は、対称的な上側及び下側コグプロファイルを備えたダブルコグドVベルトであってもよく、ルートの中心から配列の先頭に応じて接続され、隣接するコグの中心に伸びる線(「L」)と円弧(「A」)を有し、上側のプロファイルの配列はL1−A1−L2−A2−L3であり、下側のプロファイルの配列はL4−A3−L5−A4−L6であり、L1の長さとA1の半径を足した和は、L4の長さとA3の半径を足した和の20%以下であり、少なくとも1つの上側ルートと1つの下側ルートは実質的に互いに整列する。図1を参照すると、L1はルート22の半分の幅に対応し、A1はルート半径24に対応し、L2は側面26に対応し、A2は先端半径28に対応し、そしてL3はコグ先端17の半分の幅に対応する。同様に、L4はルート32の半分の幅に対応し、A3はルート半径34に対応し、L5は側面36に対応し、A4は先端半径38に対応し、そしてL6はコグ先端19の半分の幅に対応する。1つの実施形態では、上側及び下側のピッチは等しくてもよく、全てのルートは実質的に整列される。他の実施形態では、下側コグよりも上側コグをより備えていても構わない。上側コグの下側コグに対する数の比は1.3以下であるか、又は1.1〜1.3であっても構わない。更に別の実施形態では、L4は長さがなく、このため下側のプロファイルはALALの配列を有する。この実施形態のバリエーションでは、上側と下側のピッチが等しくなっても構わない。そして、全てのルートは実質的に整列し、又は下側コグよりも上側コグが多くても構わない。様々な実施形態では、一部又は全ての円弧や線は接線方向に接続することができる。例えば、線L1とL2は、円弧A1と接線方向に接続することができ、線L4とL5は円弧A3と接線方向に接続することができる。好ましくは、L1、L3、L4及びL6はルートの中心とコグ先端の中心においてそれらが鏡像となるように接線方向に接続し、これによりルートと先端は平滑になる。様々な実施形態では、コグの側面は反対のコグ側面の間の夾角が約10〜約30度の範囲にあるように傾斜していてもよい。
【0037】
図2は、図1の平面2−2に沿った本発明の実施形態の断面図を示し、本発明ベルトの任意の逃げ角を説明している。Vベルトのプーリ接触面又は側面42は、ベルトの縦軸に対してα/2の角度で切断され、通常、プーリ又は駆動システムの縦軸と一致するべきである。従って、一対の対向するベルト側面42は、夾角αを描く。各側面42は、実質的にα/2に等しいシーブ角度で動作中にシーブに係合する。図1から得られた図2がダブルコグドCVTベルトであったとしても、図2の断面図は、シングルコグドCVT又はコグのないCVTベルトを等しく描写していることが理解されるべきである。
【0038】
本発明の実施形態では、更にベルトの内側表面又は下側コグの先40に向かって配置され、第1の側面10と協同する、対向する一対の第2の側面44を含むことは、ベルトのアングルドサイドにとって又はコグがある場合には各コグにとって有益かもしれない。第2の側面44の各々は夾角γをなす。角度αは例えば約15°〜50°の範囲(すなわち、プーリシーブ角毎に約7°〜25°)にある。角度γは例えば約25°〜65°の範囲にある。すなわち、γ=α+(2×逃げ角(relief angle))である。「逃げ角」は、例えば約5°以上であり、例えば(γ/2−α/2)で定義される。第1の側面と第2の側面を協同させることによってもたらされる特徴は、運転中にベルトによって発生される騒音の顕著な低減と考えられている。本発明を説明するのにこの明細書で使用される数値は単なる実例であり、特に言明されない限り、本発明の幅や応用性を限定することを意図したものではない。例として、第2の側面44は約5°の逃げ角を備え、シーブが第2の側面44と接触することを防止する。20°の角度αを仮定すると、これは30°の角度γを与える。コグ頂部切断高さ、図2における(「h」)は、必要に応じて調整でき、例えば、約1〜5mmである。本発明のCVTベルトの任意の機能の詳細については、2008年7月1日出願の米国特許出願第12/217,026号明細書に見出され、どちらの内容もまた、その全体が参照により本明細書に援用されている。
【0039】
本発明は、ベルトの製造の公知の方法に従って行うことができ、例えば、円筒の型又は型への転送用のマンドレル上に直立に又は逆さに、繊維、エラストマー及び引張部材の様々な層を構築する。心線は、所定の心線間隔で、又は所定の単位幅あたりの両端の数となるように、螺旋状にマンドレルの周りに巻かれてもよい。金型は、コグプロファイルが形成されていてもよく、及び/又はいわゆる「マトリックス」はコグプロファイルを形成するために使用することができる。スラブを形成するために硬化又は加硫した後、個々のベルトは切断され、及び/又はそこに適切な接触面V−角度又は角度で設置され、必要に応じて反転される。
【0040】
ベルトを形成する過程で、18Kシングルトウ炭素繊維心線は、非常に円形の心線の形状を維持することに気づいた。これは、例えば6K−3又は6K−2のような、以前のマルチトウ糸(multi-tow yarns)の経験とは対照的であり、それは異なる突出物及び/又は平坦な部分を示し、ベルト型上に、すなわち、マンドレル上のゴム層の上にそれらの心線を螺旋状に巻き取る時に、更に間隔を維持する難しさにつながる。従って、本発明のシングルトウ炭素心線はベルトの製造工程、得られたベルトの品質の改善を提供し、より均一な間隔の心線の形状の改善を提供する。また改良された円形形状が軸方向剛性とベルト支持の増加に寄与していても構わない。
【0041】
多くのCVTベルトの例が、本発明の態様及び実施形態を説明するために行われた。各比較例(「比較例」と称する)と、各実施例(「実施例」と称する)は、同じ一般的なCVTベルトの構造に基づいている。ベルト構造は、EPDM繊維を含むアンダーコード材料、高弾性EPDM接着ゴム、及び繊維を含むEPDMオーバーコード材料を使用する。EPDM組成物は、米国特許第5,610,217号明細書及び第6,616,558号明細書に開示されたものと類似していた。歯布又は他の補強層は存在しなかった。ベルトは全てマンドレル上にスラブとして構築され、硬化され、それから正方形に切断され、最後に両側は地面に対して26度の角度でVとなるようにされ、33.6mmの上部幅を有し、全体的に約16mmの厚さとなるように設計され、全厚に対する上部幅の比が2.1となる。ベルトは、上記のように整列されたルートとLALAL型のプロファイルを有するタブルコグドプロファイルを組み込まれた。下側コグの側面には、コグの先端(すなわち、前述のとおりh)から約4〜5mm側面に交差する5度の逃げ角を有した。心線は全て、約1.2mmの同様の直径を有し、1インチ当たり約23−24端の心線層と同様の充填剤を有した。比較の心線は、KEVLARとTECHNORAアラミド心線とガラス繊維心線の両方が含まれ、全てが機能的に類似したRFLと上塗り接着剤処理されていると信じられていた。本発明の実施例は、PYROFIL TRH 50 18Kシングルトウ炭素繊維心線使用し、1.5tpiターゲット(実際には1.6tpi)でよりあわされ、X−HNBR RFLとCILBOND上塗り剤によって処理した。縦弾性率は、2つの平坦な、直径が4.25のフラットプーリ上に反転ベルトを装着し、任意のクリップ式の伸縮計を用いて、50mm/分で従来の引張試験機を引っ張ることにより測定された。多くの他の特別なテストは、CVTベルトとしての性能を向上させるための可能性を評価するために実施した。
【0042】
ベルト軸方向剛性、すなわち横方向剛性は、心線張力のサポートを含むCVTベルトの性能にとって重要である。軸方向剛性試験が図5に図示される。軸方向剛性は、それぞれがベルトの辺の角度に合うように適合したV字型部分52を有する2つの圧縮治具50、50’の間に背中合わせに保持されたCVTベルトの2つの部分54、54’を圧縮することによって測定された。図5中の矢印は、実際に適用された圧縮歪みの方向を示し、これは、従来の油圧式又はスクリュー駆動型引張試験機によって供給される。剛性は、ベルト部の長さを2で割ることによって、たわみによって割った、割った力として定義され、単位N/mm長さ/mm変位として報告された。圧盤は、3mmの総移動のために0.3mm/sの圧縮速度で移動し、それからゼロに戻り、それから2回以上繰り返した。軸方向剛性は、最終的なポイントを介して斜面の3反復の平均値として得られた。軸方向の剛性は、弛緩したベルト部分でのみ定量したが、しかしCVT駆動の張力をかけたベルトの軸方向剛性に合理的な近似を提供することが見込まれる。繊維及び心線は、ゴムを補強することが知られているが、高配向繊維又は心線の補強効果は、主に繊維の配向方向に平行であり、横方向には最小限である。心線は長手方向に配向しているので、ベルトの横方向剛性に大きな影響を与えると予想されていない。従って、多くの以前のベルトのデザインは、横方向剛性を高めるために追加の手段を使用し、例えば、横方向配向の短繊維荷重、綾振棒又はや梁、横タイヤ心線、歯布等などがあげられる。驚くべきことに、本発明の実施形態によれば、現在見出されている炭素の心線は、CVTベルトの軸方向剛性に期待される効果よりもはるかに大きい。以下の表は、この軸方向剛性の影響を示している。
【0043】
表1は、測定したいくつかの心線の軸方向剛性の比較を示している。ここに記載された炭素繊維は、ガラス又はアラミド心線のいずれよりも高い軸方向剛性を与える。表1は、ベルトは縦弾性率で変化し、異なる心線材料の種類に対する予想と一致していることを示している。表1は、比較例1−4のガラス及びアラミド心線を示し、軸方向剛性は、比較例1−4の異なる心線材料の種類では有意な差を示さない。しかし、実施例5、すなわち本発明の炭素心線のベルトは、比較例のベルトよりも有意に大きい軸方向剛性(約20%以上)を示す。表2は、この影響が一貫して室温〜100℃までの、広い温度範囲にわたって観測されたことを示している。平均して、炭素心線は同等のアラミドベルトを越えた、軸方向剛性が約24%増加した本発明のCVTベルトは提供する。従って、本発明の実施形態では、ここに記載されたテストに従った軸方向剛性は、有利には55N/mm/mmより大きくてもよく、又は55〜75N/mm/mmであるか、又は60〜70N/mm/mmである。
【0044】
【表1】

【0045】
【表2】

【0046】
また、実施例のベルトは、柔軟性や曲げ剛性の異なる度合いを示していることに留意すべきである。特に、本発明の実施例5のベルトは、比較例2のアラミド心線よりも縦曲げでかなり硬めだった。炭素心線は、例えば米国特許第6,945,891号明細書の過去に使用された7ミクロンの等級よりも細かい炭素繊維、すなわち直径6.2ミクロンであるため、これは予想外であった。硬めのベルトは、通常、ヒステリシスが増加し、低効率、高張力等により望ましいとはみなされない。それにもかかわらず、本発明の炭素繊維ベルトは、以下に説明するステップストレステストの高いベルト作動温度をにもかかわらず、非常に優れたベルトの性能を示した。
【0047】
この軸方向剛性の増加は、少なくとも2つの他のベルトのテストに対して性能の向上につながると考えられている。それは、テンション比スリップ(Tension Ratio Slip「TRS」)テストとステップストレススクリーニングテスト(Step-Stress Screening test)である。TRSテストでは、与えられた負荷で、ベルト張力の数を越えて、ベルトの滑りを測定する。図4に示すように、結果は、横軸に沿って張力比が、縦座標における滑る割合がX−Yプロットでグラフ表示される。TRSテストでは、出力の完全な転送は、グラフ上において滑りがゼロの大きさの、平らな線となるだろう。言い換えれば、任意の負荷でゼロスリップがあるだろう。完全なVベルトは、それが機能するためにいくつかのクリープ滑り(creep slip)を有する必要があるため、なおも平らな線を示すであろう。しかし、1%〜5%の範囲内のクリープの大きさを有する。摩擦係数の異なる、又は異なる横及び縦弾性を有する別のベルトは、クリープの異なるレベルを示し、クリープと全滑りとの間の別の転移を示し、別の曲線の形状が得られる。比較例2のアラミドベルトと、本発明の実施例5のベルトはTRSテストで試験され、その結果を図4にグラフで示す。2つのトルクレベルとして、18Nmと60Nmを用いた。各トルクレベルでの滑りの割合を、張力比に対してプロットした。2本のベルトの18Nmの曲線は同じではない。これは、柔軟性と上述した軸方向の剛性の違いを踏まえて予期されている。実施例5の堅い炭素製ベルトは、18Nmトルクでアラミドベルトより高いクリープレベルを示す。しかし、ベルトの性能は、大抵はV−ベルトに期待される1%〜5%クリープの正常範囲内である。今、2つのベルトに対する60Nmのトルク曲線を見てみると、相対的な挙動の劇的な変化がわかる。60Nmにおける比較例2のアラミドベルトでは、激しく散乱したデータ点により示されるように、不安定性と、張力比に対する滑りは約4を示す。18Nmの曲線より高い60Nmの曲線のクリープの割合の増加は、アラミドベルトの下側張力比で少なくとも2%である。一方、炭素繊維ベルトは、60Nmではまだ安定しており、18Nmより高いクリープの増加は張力比にかかわらず、わずかに約1%である。炭素心線ベルトの安定性が、データ点の比較的小さな散乱によって示されている。要約すると、18K−1炭素心線を備える本発明のベルトの増加する軸方向剛性は、結果的に高トルク負荷の動力伝達能力となり、アラミド心線ベルトの技術の以前の状態と比較して、クリープ又はスリップ性能の変動は低下した。これは改善されたCVTの性能に直接変換する必要がある。
【0048】
ステップストレステストは、加速されたベルトの寿命試験の一形態であり、ベルトが役にたたなくなるまで、トルク負荷やストレスレベルが徐々に増加する。ウェイン・ネルソン(Wayne Nelson)による教科書、「加速試験、統計的モデル:テスト計画、及びデータ分析(Accelerated Testing, Statistical Models: Test Plans, and Data Analyses)」、ワイリー・インターサイエンス(Wiley Interscience)、ニューヨーク、493頁〜505頁(1990)は、歴史の詳細な議論、方法及びステップ・応力疲労モデル(step-stress fatigue models)の例を示し、データ分析は、参照により本明細書中に組み込まれる。この場合では、ベルトの負荷は大体24時間ごとに増加し、他の全てのテスト・パラメータ、例えば回転速度と張力比は、テスト中のベルトの故障まで一定に保たれる。相対的なベルトの比較の目的のために、積極的なCVTアプリケーションにおける性能を予測することが期待され、ベルトを介して伝送される電力は、時間ゼロから停止する(failure)までベルトの耐用期間における各ステップの電力曲線を加算することにより積分され、
【数1】

ここでpは電力であり、tは時間である。この総和はベルトによって行われた仕事の累積をもたらす。表3は、実施例5の典型的なベルトテストのための負荷と時間のシーケンスを示している。また、各ステップにおけるベルト温度と合計累積仕事量を表3に示す。表4は、比較例2の5つのベルトと実施例5の2つのベルトのそれぞれの合計累積仕事量を平均値と共に与える。従って、本発明の実施例5のベルトにとって、平均的な総電力の合計は1156kWhであり、比較例2よりも15%以上向上した。データはまた、ワイブル分布に適合させ、15%の改善は、少なくとも95%の信頼水準で統計的に有意であることが判明した。従って、本発明の実施形態に係る炭素繊維心線は、同様の寸法の従来のアラミド繊維心線よりも大幅に性能が向上する。このテストでは大幅に加速されているので、これらの結果は、実地でのベルトの寿命において、はるかに大きく増加するように変換する必要があるか、又は同等の耐用期間においてパワー能力を増加する必要がある。
【0049】
【表3】

【表4】

【0050】
可変速ベルト駆動システムの設計が、ベルトの幅、厚さ、V−角の間のトレードオフを伴うことを理解すべきである。厚さを減少させ、角度を減らし、及び/又は幅を増加させることにより、速度比の範囲は増加する。しかし、増大する負荷の容量又は横方向剛性は、厚さを増加させ、角度を減らすこと及び/又はベルトの幅を減らすことに起因する。薄すぎる及び/又は幅の広いベルトは、サポートの欠如から張力下で内側に崩壊する傾向がある。心線の選択により20%以上の横剛性を与えることにより、本発明は先行技術より薄く、広く及び/又は狭い角度のベルトを許可することにより設計の選択が向上する。今や設計者は、これまでよりも負荷容量と速度範囲のよりよい組み合わせが利用できるようになる。
【0051】
ここに記載されるように、シングルトウ炭素繊維心線はまた、横荷重の要件の有無に関わらず、柔軟なゴム物品の縦方向の補強を必要とする他の様々な用途で有利に使用することができる。非限定的な例としては、スノーモービル、タンク、又は他のトラック又はトレッド自動車のためのゴムトラック、歯付ベルト、マルチVリブドベルト、平ベルト、農業用ベルト、自動車用補機駆動ベルトを含む従来のVベルト、及びエンドレス状又は長尺のベルトにかかわらない、輸送、動力伝達、索引作業又は時間を計るための、又は他のアプリケーションにかかわらない一般的なベルト、フレキシブルホース又はチューブ・アプリケーションの編組またはスパイラル補強、空気バネ等があげられる。
【0052】
本発明及びその利点は詳細に説明されてきたが、添付された請求の範囲により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更、置き換え、および修正がここで可能であることが理解されるべきである。更に、本願の範囲は、本願明細書に記載された工程、機械、製造、合成物、手段、方法、及びステップからなる特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。ここで説明した実施形態と実質上同じ機能を演じ、あるいは実質上同じ結果をもたらす、既存のあるいは後に開発される工程、機械、製造、合成物、手段、方法、又はステップを本発明に従って利用できることは、当該技術分野において通常の技量をもつ者ならば本発明の開示から容易に理解できる。したがって、添付された特許請求の範囲は、それらの範囲に、そのような工程、機械、製造、合成物、手段、方法、又はステップを含むことを意図している。ここで開示された発明は、ここでは特に開示されない構成要素のいかなるものがなくとも適正に実施できる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
上面、上部幅、底表面、全厚、アングルドサイド、ゴム組成物に埋設された螺旋状に巻かれた心線の心線層、オーバーコードゴム層及びアンダーコードゴム層を備え、前記心線は、接着剤を含浸させた炭素繊維が縒り合わされた、シングルトウヤーンを有する
ベルト本体を有するエンドレスVベルトの形状の可変ピッチ駆動用加硫ゴムベルト。
【請求項2】
前記シングルトウヤーンは、18Kシングルトウヤーンであることを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項3】
前記炭素繊維は、約6.0〜約6.4ミクロンのフィラメント径と、約200〜約300GPaの引張係数と、約1.9%〜約2.3%の破断点伸びを有することを特徴とする請求項2に記載のベルト。
【請求項4】
前記上部幅の前記全厚に対する比率は、約2.0〜約3.0の範囲であることを特徴とする請求項3に記載のベルト。
【請求項5】
前記フィラメント径は約6.2ミクロンであり、前記引張係数は約235〜約275GPaであり、前記破断点伸びは約2.1%であることを特徴とする請求項2に記載のベルト。
【請求項6】
前記炭素繊維は、約6.0〜約6.4ミクロンのフィラメント径と、約200〜約300GPaの引張係数と、約1.9%〜約2.3%の破断点伸びを有することを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項7】
上部と下部にコグプロファイルと、アングルドサイドの下部に近接する逃げ角を有することを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項8】
前記心線は、埋設されるゴムに適合するオーバーコート接着剤を含むことを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項9】
前記縒り合いは1インチあたり0.75〜2.0回転であることを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項10】
前記上面幅の前記全厚に対する比率は、約2.0〜約3.0の範囲であることを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項11】
室温における横方向剛性は、55N/mm圧縮/mm長さより上であることを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項12】
室温における横方向剛性は、55〜75N/mm圧縮/mm長さであることを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項13】
前記心線層と、前記オーバーコードゴム層及び前記アンダーコードゴム層のうちの少なくとも1つはポリクロロプレンゴム組成物を備えることを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項14】
前記心線層と、前記オーバーコードゴム層及び前記アンダーコードゴム層のうちの少なくとも1つはエチレン−α―オレフィンゴム組成物を備えることを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項15】
前記組成物中に存在する任意の配向繊維に垂直に、逆目に測定したときの前記心線層の前記ゴム組成物の引張係数は、前記アンダーコードゴム層の前記ゴム組成物の引張係数よりも高いことを特徴とする請求項1に記載のベルト。
【請求項16】
2つの前記コグプロファイルは同じピッチであり、一列に並ぶルートを有することを特徴とする請求項7に記載のベルト。
【請求項17】
前記上面は歯布ではなくゴムであり、前記底面は歯布ではなくゴムであることを特徴とする請求項4に記載のベルト。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2013−506099(P2013−506099A)
【公表日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−531058(P2012−531058)
【出願日】平成22年9月24日(2010.9.24)
【国際出願番号】PCT/US2010/050156
【国際公開番号】WO2011/038200
【国際公開日】平成23年3月31日(2011.3.31)
【出願人】(504005091)ザ ゲイツ コーポレイション (103)
【Fターム(参考)】