14.10.2009

Beschreibung

Zahnriemen zum Antrieb einer Nockenwelle in Hochleistungsmotoren

Die Erfindung betrifft einen Zahnriemen zum Antrieb einer Nockenwelle in Hochleistungsmotoren mit einem Grundkörper aus einer vulkanisierten Kautschukmischung (Vulkanisat), enthaltend eine Kautschukkomponente oder einen

Kautschukkomponentenverschnitt sowie Mischungsingredienzien, wobei der Grundkörper eine Decklage als Riemenrücken, einen eingebetteten Festigkeitsträger und einen Unterbau mit einer zahnförmigen Kraftübertragungszone umfasst.

Hinsichtlich des Standes der Technik von Zahnriemen wird insbesondere auf folgende Patentliteratur verwiesen.

EP 0 599 145 Bl EP 1 129 308 Bl

EP 0 737 228 Bl WO 2005/080821 Al EP 0 866 834 Bl WO 2006/066669 Al

EP 1 088 177 Bl US 5 417 618

In der Offenlegungsschrift WO 2005/080821 Al, die hier als nächstliegender Stand der Technik anzusehen ist, wird eine vulkanisierte Kautschukmischung auf der Basis eines Copolymeren aus Butadien und Acrylnitril vorgestellt. Ein derartiges Copolymer ist auch unter der Bezeichnung Nitrilkautschuk (NBR) bekannt. Von besonderer Bedeutung ist dabei der (teil)hydrierte Nitrilkautschuk (HNBR). Nach dieser hier zitierten Lehre beträgt in Bezug auf das Gesamtgewicht des Copolymeren der Anteil an Acrylnitril (ACN-Gehalt) 33 bis 49 Gew.-%. Für eine optimale Ölbeständigkeit ist man bislang davon ausgegangen, dass ein ACN-Gehalt von > 33 Gew.-% erforderlich ist. Nachteile ergeben sich bei einem hohen ACN-Gehalt jedoch hinsichtlich der Kälteflexibilität. So haben beispielsweise Zahnriemen aus HNBR mit einem ACN-Gehalt von > 33 Gew.-% eine untere Einsatztemperatur von - 25 °C. Bei tieferen Temperaturen kommt es zu Rissen und der Antriebsriemen fällt aus. Hinzu kommt, dass das Werkstoffkonzept auf Basis NBR, insbesondere HNBR, kostenintensiv ist.

Im Rahmen einer Weiterentwicklung besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Zahnriemen zum Antrieb einer Nockenwelle in Hochleistungsmotoren bereitzustellen, der sich zumindest unter teilweisem, insbesondere vollständigem Verzicht von NBR und HNBR durch eine verbesserte Tieftemperaturflexibiltät und höherer Lebensdauer bei zumindest bei gleicher oder insbesondere besserer Kraftübertragung auszeichnet.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Kautschukmischung als Kautschukkomponente/n zumindest ein Ethylen-Propylen-Mischpolymerisat (EPM) oder zumindest ein Ethylen-Propylen-Dien-Mischpolymerisat (EPDM) sowie ferner Fasern enthält.

Das EPM und EPDM sind nach einer Alternative jeweils unverschnitten. Nach einer weiteren Alternative kann EPM oder EPDM mit wenigstens einer weiteren Kautschukkomponente, die im Hintergrund der Aufgabenstellung insbesondere nicht NBR oder HNBR ist, einen Verschnitt bilden, wobei dann ein EPM/EPDM- Verschnitt bevorzugt ist.

Die vulkanisierte Kautschukmischung enthält neben der/den Kautschukkomponente/n noch Mischungsingredienzien. Die Mischungsingredienzien umfassen wenigstens einen Vernetzer oder Vernetzersystem (Vernetzungsmittel und Beschleuniger), wobei hier die peroxidische Vernetzung im, Vordergrund steht. Weitere Mischungsingredienzien sind zumeist noch ein Füllstoff und/oder ein Verarbeitungshilfsmittel und/oder ein Weichmacher und/oder ein Alterungsschutzmittel sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe (z.B. Farbpigmente, Harze). Diesbezüglich wird auf den allgemeinen Stand der Kautschukmischungstechnologie verwiesen. Von erfindungswesentlicher Bedeutung ist, dass der Kautschukmischung Fasern beigemischt sind. Die Fasern bestehen aus Polyvinylalkohol (PVA), Aramid, Baumwolle, Cellulose, Kohle oder Glas. Von besonderer Bedeutung sind Fasern aus PVA und Aramid, insbesondere in Form von para- Aramid. Die Fasern sind bevorzugt Kurzfasern mit einer Faserlänge von 1 bis 5 mm, insbesondere von 3 bis 4 mm. Der Mengenanteil an Fasern beträgt 5 bis 20 phr, insbesondere wiederum 5 bis 15 phr. Die Fasern sind innerhalb der Kautschukmischung gleichmäßig verteilt.

Vorteilhafterweise sind die Fasern haftfreundlich präpariert und/oder ein Haftmittel ist der Kautschukmischung beigemischt. Nach einem Ausführungsbeispiel sind die Fasern mit einem Haftsystem auf der Basis eines Resorcin- Formaldehyd-Harzes, insbesondere eines Resorcin-Melamin-Harzes, beschichtet. Unbeschichtete Fasern ergeben geringere Haftwerte.

Im Rahmen einer Versuchsdurchführung werden nun drei Zahnriemenmischung I bis III miteinander verglichen, wobei die Tabelle 1 die Zusammensetzungen der jeweils peroxidisch vernetzten Mischungen in phr (per hundred rubber) unter Angabe von vorteilhaften Alternativen und die Tabellen 2 und 3 die Ergebnisse festhalten:

Tabelle 1

(a) ReEPM: Keltan 740® von DSM

(b) EPDM: BUNA EP G 6850® von Lanxess

(c) HNBR: 34 % ACN-Gehalt, 4 % Restdoppelbindungsgehalt (Therban C3446® von Lanxess)

(d) Rußtypen: N 550, SAF, ISAF, HAF, FEF oder GPF

(e) Kurzfasern: PVA (4 mm), beispielsweise Kuralon® oder Mewlon® oder Kurzfasern: para-Aramid (3 mm), beispielsweise Twaron® oder Technora®

(f) Hochdisperse Kieselsäure VN 3

(g) Ester der Trimellitsäure

(h) Zinksalz von Methylmercaptobenzimidazol (i) Di(tert-butylperoxyisopropyl)benzo 1

Tabelle 2

* längs ** quer

Den Ergebnissen der Tabelle 2 lagen folgende Prüfvorschriften zugrunde:

Härte: DIN 53504

Festigkeit, Dehnung, Spannungswert: DIN 53504, DIN 53455, DIN 53571

Weiterreißfestigkeit: DIN 53507

Tabelle 3

Den Ergebnissen der Tabelle 3 lagen folgen Prüfvorschriften zugrunde:

Laufzeittest bei 150 °C: Interner 5-Scheibenprüfstand des Anmelders

Kältetest: Interner Kälteprüfstand des Anmelders, Abbruch bei Auftreten von Rissen in der Decklage

In Bezug auf die Zahnriemenmischung gemäß WO2005/080821 Al wurden bei der Zahnriemenmischung III 30 phr HNBR durch EPM oder EPDM ersetzt, wobei zusätzlich eine Faserverstärkung vorgenommen wurde. Durch die Beimischung von EPM oder EPDM tritt bereits im Rahmen des Kältetestes ein verbessertes Eigenschaftsniveau auf. Eine noch deutlichere Verbesserung im Hinblick auf die Kälteflexibilität tritt bei den Zahnriemenmischungen I und II auf, die als Kautschukkomponente ausschließlich EPM oder EPDM enthalten. Zwecks Erfüllung einer erhöhten Lebensdauer ist es jedoch von wesentlicher Bedeutung, dass der Zahnriemenmischung Fasern beigemischt werden, was der Vergleichsversuch der Zahnriemenmischung I und II anhand der Ergebnisse der Tabellen 2 und 3 verdeutlicht.

Im Rahmen einer weiteren Versuchsdurchführung werden nun zwei Zahnriemenmischungen IV und V auf der Basis EPM oder EPDM miteinander verglichen, die beide faserverstärkt sind. Bei der Mischung IV kommt jedoch im Gegensatz zu der Mischung V noch ein Haftsystem für die Fasern zum Einsatz. Die Zusammensetzungen der beiden ebenfalls peroxidisch vernetzten Mischungen in phr sind in der Tabelle 4 zusammengetragen, während die Tabelle 5 die diesbezüglichen Ergebnisse festhält.

Tabelle 4

(i) Resorcinol Derivat von Lanxess

(j) Hexa(methoxmethyl)melaminether, beispielsweise Resimene XT 922 Hinsichtlich der anderen Mischungsbestandteile wird auf die Erläuterungen zu der Tabelle 1 verwiesen.

Tabelle 5

längs ** quer

Hinsichtlich der Prüfvorschriften wird auf die Erläuterungen zu der Tabelle 2 verwiesen.

Die Tabelle 5 verdeutlicht, dass der Einsatz eines Haftsystems auf der Basis eines Resorcin-Melamin-Harzes, das auch die Bedeutung eines Verstärkungsharzes hat, vorteilhaft ist. Die Mischung IV zeigt höhere Festigkeiten und Spannungswerte als die Mischung V ohne das Harzsystem. Besonders die Weiterreißfestigkeit, die zur Lebensdauererhöhung beiträgt, wird signifikant verbessert.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Darstellung eines Zahnriemens mit Draufsicht auf die

Kraftübertragungszone, die mit einer Beschichtung ausgestattet ist;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Zahnriemen mit einer Beschichtung für die

Kraftübertragungszone und für die Decklage.

Fig. 1 zeigt einen Zahnriemen mit einer Decklage 2 als Riemenrücken, einem eingebetteten Festigkeitsträger 3 sowie mit einem Unterbau 4. Der Festigkeitsträger besteht aus mehreren Zugsträngen, die nebeneinander angeordnet eine Festigkeitsträgerlage bilden, und zwar hier im Rahmen einer einlagigen Ausführung. Der Zugstrang, insbesondere in Form von Corden, kann aus Polyamid (PA), Aramid, Polyester, Glas (z.B. E- oder K-Glas), Kohle, Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyethylen-2,6-naphthalat (PEN) bestehen.

Die Decklage (2) und der Unterbau (4) bilden als Gesamteinheit den elastischen

Grundkörper, der vorteilhafterweise aus einem Vulkanisat auf Basis von unverschnittenem EPM oder ebenfalls unverschnittenem EPDM oder eines EPM/EPD-Verschnittes besteht. In das Vulkanisat sind die bereits näher vorgestellten Fasern eingemischt, insbesondere unter Mitwirkung eines Haftsystems.

Der Unterbau 4 ist mit einer zahnförmigen Profilierung, umfassend Zähne 5 und Zahnstege 6, versehen und bildet die Kraftübertragungszone 7, die besonders verschleiß anfällig ist durch Abrieb und den Einfluss von Ölen. Aus diesem Grunde ist die Kraftübertragungszone mit einer abriebfesten Beschichtung 8 in Form einer Textilauflage ausgestattet. Die Textilauflage besteht aus einem Gewebe, Gewirke oder Gestrick, wobei bei Zahnriemen die Gewebevariante von besonderer Bedeutung ist. Die Textilauflage wiederum besteht aus Polyamid (PA) und/oder Polyester und/oder Baumwolle und/oder Aramid und/oder Polyetheretherketon (PEEK). Die Textilauflage ist vorzugsweise zusätzlich mit einem gleitfähigen und ölbeständigen Kunststoff getränkt und/oder oberflächenbeschichtet (Außenschicht 9). Der Kunststoff ist zumeist ein fluorhaltiger Kunststoff und/oder ein Silicon und/oder ein Polyurethan (PU). Der fluorhaltige Kunststoff ist insbesondere Polyvinylfluorid (PVF) und/oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE). Von besonderer Bedeutung ist PTFE. Die beiden Teilschichten 8 und 9 mit unterschiedlicher Funktion treten hier als gemeinsame Schutzschicht auf. Die Decklage 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 frei von einer schützenden Beschichtung.

Der Zahnriemen nach Fig. 2 umfasst eine Decklage 11 als Riemenrücken, einen eingebetteten Festigkeitsträger 12 in Form von Zugsträngen und einen Unterbau 13 mit einer zahnförmigen Kraftübertragungszone 14. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl die Decklage 11 als auch die Kraftübertragungszone mit einer Beschichtung 15 bzw. 16 ausgestattet. Die beiden Beschichtungen umfassen jeweils eine Textilauflage, insbesondere in Form eines Gewebes, die wiederum vorzugsweise zusätzlich mit einem gleitfähigen und ölbeständigen Kunststoff getränkt und/oder oberflächenbeschichtet sind. Hinsichtlich Werkstoffdetails von Textilauflage und Kunststoff wird auf die Beschreibung gemäß Fig. 1 verwiesen.

Bezugszeichenliste

(Teil der Beschreibung)

I Zahnriemen 2 Decklage als Riemenrücken

3 Festigkeitsträger in Form von Zugsträngen

4 Unterbau

5 Zahn

6 Zahnsteg 7 Kraftübertragungszone

8 Beschichtung in Form einer Textilauflage

9 Außenschicht aus Kunststoff

10 Zahnriemen

I 1 Decklage als Riemenrücken 12 Festigkeitsträger in Form von Zugsträngen

13 Unterbau

14 Kraftübertragungszone

15 Beschichtung in Form einer Textilauflage

16 Beschichtung in Form einer Textilauflage