具有韧性织物的同步带的制作方法

本发明主要涉及通过使用更具韧性的齿覆盖件织物设计来改进同步带或齿形带，更加特别地是通过使用具有沿着带纵向方向的高伸长率和高强度的织物，并且具体地是通过使用具有更高的如本文所定义的织物拉伸韧性的织物来改进同步带或齿形带。

背景技术：

同步带是在至少一侧上具有齿的带，所述齿设计成与相配的槽带轮啮合，用于进行强制接合以及同步运动或动力传输。这些齿形带通常具有弹性体带体，所述弹性体带体具有高拉伸强度和高拉伸模量的嵌入的拉伸帘线，以便在张力作用下保持齿距。齿表面可以覆盖有织物或者膜，以便增强耐磨性或支撑所述帘线。例如在美国专利号2,507,852中公开的早期的齿形带利用帆布，所述帆布是结实并且厚重的平纹织物。有限伸展的帆布和其它的织物要求预先形成齿形。在美国专利号3,078,206中介绍了可伸展织物，以便允许流动成型，其中，随着强制橡胶通过帘线并且进入到模具槽中从而将织物推动到所述橡胶前方，从而在模制期间使得织物符合齿形。例如在美国专利号4,826,472中公开了基于高拉伸强度卷曲尼龙的可伸展织物。卷曲或织构化由假捻方法来实施。

根据需要发展了特定的织物变型。美国专利号3,964,328公开了具有聚乙烯层压件的织物齿覆盖件，所述聚乙烯层压件提供了低摩擦系数并且防止低粘度的浇注弹性体穿透到带表面。美国专利号5,362,281公开了一种这样的织物：所述织物由在单层中捆在一起的两组经纱线和纬纱线双重编织而成，所述织物被证明在14mm齿距的圆形齿形带中是有用的，所述专利的全部内容在此以援引的方式并入本发明。

美国专利号5,529,545公开了包含芳纶纤维的伸展织物。因为芳纶纱线难以通过织构化而变得可伸展，所以可伸展纱线由覆盖有芳纶和尼龙的弹性纱线所形成。

美国专利号8,932,165公开了在齿形带中使用相对更厚的织物，用于增加耐用性，其全部内容在此以援引的方式并入本申请。

ep2,072,857a2公开了一种织物，所述织物的纬纱质量与经纱质量的比率处于3.00至5.17的范围内。其还公开了所有纬线的线性部分的至少60％覆盖经线并且面向带的外侧齿侧。据报道所述专利改善了齿形带中的噪音。

ep2,570,529a1公开了一种织物，所述织物能够应用在楔形带的工作表面上。所述织物由热塑聚合物制成的织构化的纱线编织而成，并且在2kg力、25mm宽度的样本条件下具有5％至60％的经纱延伸以及在2kg力、25mm宽度的样本条件下具有40％至250％的纬纱延伸。所述织物可以具有大体积的织构化经纱线和纬纱线，所述大体积的织构化经纱线和纬纱线优选地具有低模量、高延伸/伸展率以及低渗透性。

所需要的是改进的织物构造以便将同步带技术推动到更高的性能水平。

技术实现要素：

本发明涉及这样的系统和方法：所述系统和方法提供了用于同步带的新型织物构造，并且提供了一种选择织物构造以便提供改进的同步带性能的方法。

一个实施例是改进用于齿形传动带的已知齿覆盖件织物的方法，所述方法包括选择与已知的织物相比具有更高织物拉伸韧性的不同织物，定向所述不同织物使得最高的织物拉伸韧性的方向沿着带的纵向方向被定向。所述不同织物的织物拉伸韧性可以为60n/mm或更大，或者80n/mm或更大，或者90n/mm或更大。

在一些实施例中本发明涉及一种带，所述带包括：弹性体、嵌入在所述弹性体中的拉伸帘线以及具有不同织物的织物拉伸韧性的齿形织物，所述不同织物的织物拉伸韧性可以为60n/mm或更大，或者80n/mm或更大，或者90n/mm或更大。齿形织物可以具有如在本文表1中所示的示例2或示例3的性能，或者如在表2中所示的示例5、示例6或示例7所示的性能。弹性体可以为硫化橡胶或热塑弹性体或浇注弹性体(例如浇注聚氨酯)。拉伸帘线可以是碳纤维。所述带可以是齿形带、平带、v型多楔带或者v型带的形式。齿形带的齿距可以为8mm、9.525mm、11mm、14mm或者其它齿距。织物的纬纱方向可以布置成沿着带的纵向方向。

通过使用至少沿着一个方向具有两倍韧性的织物，可以将齿形带的负荷寿命增大至三倍，并且负载能力还可以增加约15％。这意味着带可以比现有设计维持更长的时间，或者可以减小带宽度以便提供更紧凑和更轻的带/链轮设计，而同时保持相同的使用寿命。这种改进可以增加潜在市场，以便包括与当前的带所提供的负荷应用相比更高的负荷应用。另外，织物设计可以保持带合适地配合到当前的链轮和带轮廓，并且织物可以在当前的织物、护套和带制造工艺中使用。

可以利用尺寸、粘结处理、层压膜或橡胶涂层或其组合来处理织物。这种处理后的织物在本文称作“护套”。

包括v型带、平带和v型多楔带的其它类型的传动带通常包括在一个或多个表面(特别是在带轮接触表面)上覆盖的织物。这种织物在各种应用中都可以增加耐磨性、停止或抑制在带体中使用的橡胶中的裂纹发展、增强带强度或负荷能力、提供环境抗性、影响带的噪音水平或影响制造方法的选择。这种带还可以从本文公开的方法和织物中获益。

前述内容已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的本发明的详细描述。在下文中将描述本发明的另外的特征和优点，所述本发明的另外的特征和优点形成了本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应当理解的是，公开的理念和具体的实施例可以容易地用作为修改或设计用于实施本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应当意识到的是，这种等效的构造没有背离如在附带权利要求中所阐述的本发明的范围。当结合附图考虑时从下面的描述中将更好地理解被认为是本发明的特性、组织和操作方法的新特征以及另外的目的和优点。然而，应当明确理解的是，附图中的每个附图仅出于图解和描述的目的，而非旨在作为限制本发明的限定。

附图说明

包含在说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理，在所述附图中相同的附图标记表示相同的零件。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的齿形带的局部侧视图；

图2是根据本发明的实施例的织物编织的示意性图示；

图3是针对三个示例带的负荷-寿命的带测试数据的图表；

图4是根据本发明的实施例的另一个织物编织的示意性图示；

图5是根据本发明的实施例的另一个织物编织的示意性图示；

图6是根据本发明的实施例的另一个织物编织的示意性图示；和

图7是根据本发明的实施例的另一个织物编织的示意性图示。

具体实施方式

参照图1，本发明的带10具有带体12，所述带体12可以是浇注的聚氨酯带材料，其中，由所述带体形成带齿14并且所述带齿以齿距p间隔开。齿覆盖有耐磨织物16，所述耐磨织物16沿着带齿的周边表面布置。螺旋盘绕帘线制成的拉伸构件18嵌入在带体中。多条横向定向的槽20可以选择地形成在带的外层中。尽管并非必需，但是槽20可以减轻带的重量并且某种程度上增强带的挠性。

改进同步织物的现有方法是基于一次改进一个特征，诸如尝试更高性能的纤维材料或者增加织物重量或织物密度。本发明源自于同时考虑多个设计变量并且发现将称作“织物拉伸韧性”(特别是沿着针对齿形带的纵向方向的“织物拉伸韧性”)的参数最大化会导致大幅改进带的使用寿命。在此，织物的纬纱方向用作带纵向方向，而织物的经纱方向用作带横向方向。然而，应当理解的是，如果需要，这些带方向可以取决于编织工艺而掉换。

在此，织物拉伸韧性被建模为纱线材料性能、纱线构造和织物构造的函数。模型基本上是针对织物的两个编织方向中的每个编织方向的五参数模型。五个参数是纱线线密度、纱线极限伸长率、纱线强度、纱线编织比率和纱线填充密度。

可以以分特(dtex)为单位，即，g/10,000m来测量纱线线密度ld。纱线极限伸长率ε在本文是基于被拉直的纱线，即，首先用最小的负荷将织构化的纱线拉直，然后在任意传统的拉伸测试机上完成拉伸测试。标准化的纱线强度τ＝f/ld作为纱线材料的特征在模型中使用。可以在测量极限伸长率的同时在任何合适的拉伸测试机上相似地测量纱线断裂力f(f可以以n/经纱作为单位)。纱线编织比率η被定义为每单位长度的平的、松弛的编织织物的纱线伸直长度，即，生产单位长度或宽度的织物所需要的拉直纱线的量。因此，编织比率η＝(拉直的纱线长度)/(沿着纱线方向的织物伸展量)，并且所述编织比率没有量纲。纱线填充密度n是每单位宽度或长度的织物的纱线经纱数量，所述纱线填充密度可以表示为经纱/25mm。

这些纱线参数可以用于根据以下模型来估算织物性能。纱线总重量(即，针对纬纱或经纱在沿着织物的一个方向的面积密度ad)被估算为ad＝ld·n·η/250。因子250考虑了多个单位，即，分特(dtex)的因子10以及纱线填充的因子25。将以n/25mm为单位的、沿着给定方向(经纱或者纬纱方向)的织物拉伸强度f估算为f＝τ·ld·n。织物极限伸长率εu被估算为εu＝(ε+1)η－1。

最后，假设处于拉伸中的织物具有线性特性，“织物拉伸韧性”t可以定义为使得单位面积织物断裂所需的能量(单位为mj/mm²或者n/mm)。因此t＝1/2·f·εu。这代表基于应力-应变曲线的端点的三角形面积公式。代入纱线参数则给出了最后的5参数模型方程。

t＝τ·ld·n·[(ε+1)η－1]/50

其中再一次地，因子50包括n的单位中所包含的25mm。注意的是，能够直接在织物上测量f、εu并且因此能够直接在织物上测量t。替代地，在测量织物时，可以直接通过应力-应变曲线的积分来确定面积。因此，能够通过沿着经纱和纬线方向中的每个方向比较由纱线性能计算得到的韧性与直接测量的织物韧性来测试模型。使用四条不同的正时带织物来实施所述比较，所述四条不同的正时带织物的重量处于359g/m²至535g/m²的范围内。由纱线性能计算得到的织物重量与测量到的织物重量的差介于4％至11％之间。由纱线性能计算得到的织物的纬纱强度与测量到的纬纱强度的差介于1％至8％之间。由纱线性能计算得到的织物的经纱强度与测量到的经纱强度的差介于18％至22％之间。沿着纬纱方向的织物伸长率与由纱线性能计算得到的数值的差介于10％至17％之间。

因为基于纱线性能的织物韧性的模型基本符合直接确定的织物数值，所以认为可以使用任意一种方法来表示织物拉伸韧性的特征并且描述本发明。

织物模型中的五个参数最容易由坯布织物确定或通过剖析坯布面料来确定。尽管与针对坯布织物的方式相比具有更大的难度，但还可以基于从完成的带产品中所提取的织物来确定参数和织物性能。在处理织物、带制造和提取期间操作织物时，参数会发生一些变化。在此，在重要时，将在上下文中区别织物或纱线的状态。通常，除非另有说明，否则权利要求中或说明书中的参数范围表示包括了这种操作影响的可能性，并且因此所述参数范围适用于坯布织物或坯布纱线以及适用于如在带中发现或从带中提取的织物或纱线。

能够以多种方式操作模型的五个参数，以便实现期望的织物拉伸韧性。可以随意选择或者从可用的纱线支数中选择纱线线密度ld。主要通过选择纱线材料(多种纱线材料)来确定纱线极限伸长率ε和标称纱线强度τ。在较小程度上，纱线构造(捻度、混纺、混合等)还可以影响ε和τ。任何已知的、合适的纤维材料都可以并入到纱线中，然后确定用于在模型中使用的伸长率和强度。编织比率η被纱线的处理(尤其是织构化的使用)所高度影响。高织构化的纱线将具有更高的编织比率。编织参数和织物后处理还将通过影响织物收缩、织物中纱线的弯曲等来影响编织比率。可以在与纱线支数、织物厚度、编织限制等相关的各种实际限制内随意选择纱线填充密度n。

根据各种实施例，有利地是针对齿形带选择纱线沿着带纵向方向的参数和织物的参数，使得如上文所定义的织物拉伸韧性尽可能地大。将存在限制针对织物的参数选择的其他约束，即带和织物上的几何结构约束。例如，期望的带的节圆直径、带轮和应用所述带将的系统都可以约束织物厚度。这些尺寸关系和约束在本领域是公知的。对于织物厚度和节圆直径的广泛讨论，见例如美国专利号8,932,165，其全部内容在此以援引的方式并入本申请。

因此，对于传统系统设计的14mm齿距齿形带而言，沿着经纱和纬纱方向中的一个或者两个方向的织物拉伸韧性有利地大于或等于60mj/mm²或者大于或等于80n/mm，或者处于90mj/mm²以上的范围内。织物拉伸韧性的目标水平可以取决于经纱或纬纱的纤维材料。例如，对于高韧性材料(其中，纱线拉伸强度大于约0.050n/dtex)而言，织物拉伸韧性有利地是大于或者等于80n/mm，或者处于90mj/mm²以上的范围内。对于中等韧性材料而言(其中，纱线拉伸强度约为0.030n/dtex至0.049n/dtex)，织物拉伸韧性有利地是大于或者等于60n/mm，或者处于70mj/mm²以上或80mj/mm²以上的范围内。

因为存在五个参数，所以存在能够满足这个目标的多种可能的织物构造。下面的示例将提供满足该目标的一些可能的说明。

表1示出了使用该模型来提供用于14mm齿距正时带的两种改进的正时带织物。对比示例(对比示例1)代表用于14mm带的传统织物，其中织构化的纬纱是中等韧性尼龙66。本发明的示例(示例2)在纬纱中使用高韧性尼龙66，从而导致标准化的纱线拉伸强度增加45％。纱线编织比率和纱线填充也同样增加，使得三个参数的增加大于为了平衡纱线线密度和纱线极限伸长率的少量减小所需的程度，从而使得沿着纬线方向的织物拉伸韧性大幅增加106％。本发明示例(示例3)利用与对比示例1相同的材料和基础编织，但是具有更高的纬纱密度。

注意的是，示例2具有减小的经纱线密度，所述经纱线密度主要造成了减小的经纱方向的织物性能。在14mm齿形带的情况中，这允许根据需要来平衡织物厚度，以便保持带中适当的齿距线或帘线位置。因此有利的是，对于一些带应用将纬纱与经纱重量比率(或者ad比率)选择为大于约5.2或者大于5.5。同样有利的是，对于一些带应用，较大程度地织构化纬纱，并且较小程度地织构化经纱或者不织构化经纱。

构建14mm齿距的浇注聚氨酯齿形带并且在负荷寿命测试机上测试所述齿形带，所述齿形带具有齿形轮廓并且具有碳帘线(例如在knutson和dodson发明的美国专利号5,807,194中公开的那样)。使用表1的三种织物。预先形成每种织物，以便符合模具轮廓，所述模具轮廓具有聚乙烯层压件(其提供低摩擦系数，例如在redmond,jr发明的美国专利号3,964,328中公开的那样)，使得织物不会在带中被预先拉伸。换言之，对于平的、松弛的织物而言，在此定义的编织比率与在成品带中发现的织物的编织比率相同。对比示例1的织物编织是双层、尼龙、方形的编织，例如在dutton和conley发明的美国专利号5.362,281中公开的那样。在以提花式编织的单层织物中实施本发明的示例2的模型参数，所述提花式还可以认为是v字形、或之字形的4×2断开式斜纹图案。在图2中示出了示例2的编织图案，其中，纬纱方向是平行的而经纱方向是竖直的。

在双点测试机上实施14mm负荷寿命测试。从动轮和驱动轮都具有32个槽。测试机在1750rpm和73hp负荷条件下运行。带齿的数量可以变化，但是所述测试是在具有140个齿和125个齿的带上实施的。带宽度可以变化，但是所述测试是在具有20mm、16mm和14mm宽度的带上实施的。因此，实现了负荷的三个水平：分别为2.66、3.42和3.91kg/mm/齿。在图3的图表中示出了所述结果。

图3中的最终结果是：利用更韧性的织物，带的负荷寿命增大至3倍到5倍，负荷能力也增加约15％至25％。这意味着具有更韧性织物的带比传统设计持续更长时间。这还意味着可以减小带宽度，以便提供更紧凑和更轻的带/链轮设计，而同时保持相同的寿命。这增加了潜在的市场应用，以便包括更高的负荷应用，所述更高负荷的应用当前仅由链条所提供。另外，织物设计保持了带与当前的链轮和带轮廓的合适配合，并且能够应用在当前的织物、护套和带制造工艺中。

应当注意的是，在匹配模型的五个参数方面，存在能够匹配示例2的多种织物构造。图4至图7示出了各种替代的编织，即之字形的、4×2斜纹图案的所有变体。另外，能够在相同的模型纱线参数的条件下应用其它的斜纹图案，以便实现目标的织物拉伸韧性。例如，5×2、2×2、3×2、3×1、2×1等，以及诸如人字形、之字形、断开式和v形的相关的斜纹衍生品。简而言之，存在满足这种目标的多种可能的斜纹织物构造。同样地，存在可以用于满足目标的织物拉伸韧性的多种其它的织物构造或者风格。其中包括平纹布、缎纹布和它们的衍生品，例如：牛津布、篮状编织布(basket)、坚实的粗条布(bedfordcord)、珠地布等；后衬织物(backedfabrics)、双层织物、三层织物或多层织物；纱罗织物等。后衬织物具有第二组经纱或纬纱，而双层织物、三层织物或多层织物具有两组、三组或多组经纱或纬纱。

示例3提供了针对同步带改进织物的模型应用的另一个示例。示例3的织物具有与对比示例1相同的双层编织结构和相同的中等韧性尼龙66纬纱材料，但是调整了纬纱线的密度和纱线支数，以为了增加36％的沿纬纱方向的织物拉伸韧性。还在表1中示出了示例3的织物变量和性能相对于对比示例1的百分比变化。以与示例2相同的方式构造具有示例3织物的带，并且以与示例2相同的方式测试具有示例3织物的带。图3中还示出了结果。能够看到的是，示例3的性能与示例2相比略微改进，而且与对比示例1相比有很大改进。这表示即使织物拉伸韧性的适度改进(例如，仅仅36％)也能够导致带性能的极大改进(约3倍)。还应当注意的是，其它因素也将影响带性能，并且该模型不必考虑所有这些因素。这些因素可以包括织物编织样式、织物厚度等等。在示例2与示例3的对比中，例如编织类型存在显著差异，原因在于示例2是断开式斜纹或者之字形斜纹，而示例3是双层方形编织织物。另外，示例3在方向上比示例2厚，这可以获得积极效果，例如在美国专利号8,932,165中描述的那样。而且，通过考虑织物拉伸韧性，在所有其它因素相同的情况下，人们能够根据模型改进带使用的任何给定织物。

表1

应当注意的是，在其它应用中，该方法可以允许沿着纬纱和经纱方向在织物韧性方面进行改进。由纬纱方向(即，沿着纵向带方向定向的方向)决定齿形(同步)带性能，所以，可以如上面的示例2中那样舍去经纱性能，从而保持其他的约束(比如织物厚度)。对于需要改进经纱和纬纱两者性能的应用而言，该模型提供了这样的方法。

表2示出了改进在8mm齿距和9.525mm齿距的同步带中所使用的织物的模型的应用。对比示例4是高韧性尼龙66纱线制成的、沿着纬纱方向织构化的2×2斜纹织物。示例5至示例7示出了基于模型计算的改进的织物构造。通过使用相同的尼龙66材料，但增加编织比率和填充密度，并且因此增加织物拉伸强度和织物伸长率，示例5从而实现了沿着纬纱方向的2倍的更高的织物拉伸韧性。通过适当地增加纬纱的材料强度并且略微增加填充密度和编织比率，示例6从而实现了沿着纬纱方向的织物拉伸韧性的相似增加。仅仅通过增加纬纱的材料强度(即，通过改变材料)，示例7实现了沿着纬纱方向的织物拉伸韧性的相似增加。因此，通过增加沿一个方向或两个方向的织物拉伸韧性，模型针对同步带提供了改进齿覆盖件织物的引导和多种方法。

因此，对于传统系统设计的8mm或者9.525mm齿距的齿形带而言有利地是，沿着经纱和纬纱方向中的一个或两个方向的织物拉伸韧性大于或等于60mj/mm²，或者大于或等于80n/mm，或者处于90mj/mm²以上的范围内，织物拉伸韧性的目标水平可以取决于经纱或纬纱的纤维材料。例如，对于纱线拉伸强度大于约0.050n/dtex的高韧性材料而言有利地是，织物拉伸韧性大于或等于80n/mm，或者处于90mj/mm²以上的范围内。对于纱线拉伸强度为约0.030n/dtex至0.049n/dtex的中等韧性材料而言有利地是，织物拉伸韧性大于或等于60n/mm，或者处于70mj/mm²以上或80mj/mm²以上的范围内。

表2

¹仅列出了纬纱的性能。

可以利用尺寸、粘结处理、层压膜或橡胶涂层或其组合来处理织物。这种处理后的织物在本文称作“护套”。通常，护套可以包括在带的外表面上的热塑层压层，用于在浇注聚氨酯带中使用。通常，护套将包括在内表面上的粘合剂浸渍涂层和橡胶涂层，用于在橡胶或者硫化弹性体中使用。

除了齿形带之外的其它类型传动带(包括v型带、平带和多楔带)通常包括在一个或多个表面(特别是在带轮接触表面)上覆盖的或在带体中嵌入的织物。这种织物能够在各种应用中增加耐磨性、停止或者抑制在带体中使用的橡胶中的裂缝发展、增强带强度或负荷能力、提供环境抗性、影响带的噪音水平或影响制造方法的选择。这种带还可以从本文公开的方法和织物中获益。

可以通过利用了本文公开的韧性织物的任何已知的带制造方法来制造本发明的带。可以使用任何合适的拉伸帘线或弹性带体成分。

尽管已经详细描述了本发明和其优点，但是应当理解的是，在不背离由附带权利要求所限定的本发明范围的前提下，可以在此实施各种变形、替换和替代方案。而且，本发明的范围并不局限于在说明书中描述的工艺、机器、制造、物质成分、设备、方法和步骤的特定实施例。作为本领域中的一名普通技术人员将容易地从本发明的公开中理解的是，可以根据本发明来使用目前存在或者以后研发出的、执行与本文描述的对应实施例基本相同功能或实现基本相同结果的工艺、机器、制造、物质成分、设备、方法或步骤。因此，附带的权利要求旨在其范围内包括这些工艺、机器、制造、物质成分、设备、方法或步骤。可以在缺少本文未明确公开的任何元件的情况下合适地实施本文公开的本发明。