JP2022136110A - セルロース含有ギヤ - Google Patents
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Abstract
Description
一般に高トルク条件下で使用されるギヤ(例えばEPSギヤ)には高トルク条件下での高い摺動性、耐摩耗性、及び耐久性が特に求められるが、特許文献1~3はそのような特性を所望の程度満たすギヤを提供するものではない。
すなわち、本発明は以下の態様を包含する。
[2] (A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含み、前記(A)熱可塑性樹脂の数平均分子量が10000~150000の範囲にある樹脂組成物で構成された樹脂成形体であり、他のギヤ歯との摺動面の算術平均表面粗さSaが3.0μm以下である、EPS(電動パワーステアリング)用のギヤ。
[3] 前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス1~10を有する、上記態様1又は2に記載のギヤ。
[4] 前記樹脂組成物が、(A)熱可塑性樹脂45~95質量%、及び(B)セルロースナノファイバー5~50質量%を含む、上記態様1~3のいずれかに記載のギヤ。
[5] 前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、及びポリフェニレンスルフィド系樹脂からなる群より選択される1種以上の樹脂である、上記態様1~4のいずれかに記載のギヤ。
[6] (A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド及びポリアセタールからなる群より選択される1種以上の樹脂である、上記態様4に記載のギヤ。
[7] 前記樹脂組成物が(C)表面処理剤を更に含む、上記態様1~6のいずれかに記載のギヤ。
[8] (C)表面処理剤の数平均分子量が200~10000である、上記態様7に記載のギヤ。
[9] 前記樹脂組成物が、(C)表面処理剤を(B)セルロースナノファイバー100質量部に対して1~50質量部含む、上記態様7又は8に記載のギヤ。
[10] 前記樹脂組成物が(D)金属イオン成分を更に含む、上記態様1~9のいずれかに記載のギヤ。
[11] 前記樹脂組成物が、(D)金属イオン成分を(A)熱可塑性樹脂100質量部に対して0.005~5質量部含む、上記態様10に記載のギヤ。
[12] (E)摺動剤成分を更に含む、上記態様1~11のいずれかに記載のギヤ。
[13] 前記樹脂組成物が、(E)摺動剤成分を(A)熱可塑性樹脂100質量部に対して0.01~5質量部含む、上記態様12に記載のギヤ。
[14] (E)摺動剤成分の融点が40~150℃である、上記態様12又は13に記載のギヤ。
[15] ISO179に準拠して測定したときの前記樹脂組成物の曲げ弾性率が3000MPa以上である、上記態様1~14のいずれかに記載のギヤ。
[16] ISO 294-3に準拠して作製された多目的試験片の形態で、往復動摩擦摩耗試験機、及び相手材料として直径5mmの球であるSUS304試験片を用い、線速度50mm/sec、往復距離50mm、温度23℃、湿度50%、及び荷重19.8Nにて測定したときの摩擦係数の、前記(B)セルロースナノファイバーを含まない他は前記樹脂組成物と同組成の組成物の値(I)に対する前記樹脂組成物の値(II)の比である摩擦係数比(II/I)が、0.8以下である、上記態様1~15のいずれかに記載のギヤ。
[17] 80℃熱水中に24時間曝露し、その後、80℃相対湿度57%の条件下で120時間保持して吸水させた際の吸水寸法変化が、3%以下である、上記態様1~16のいずれかに記載のギヤ。
[18] 真円度が400μm以下である、上記態様1~17のいずれかに記載のギヤ。
[19] 前記ギヤ内のボイドの最大サイズが1.0μm以下である、上記態様1~18のいずれかに記載のギヤ。
[20] モジュールが2.0以下である、上記態様1~19のいずれかに記載のギヤ。
[21] (A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物で構成された樹脂成形体であるギヤであって、
前記ギヤが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤ。
[22] (A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物で構成された樹脂成形体であるEPS(電動パワーステアリング)用のギヤであって、
前記ギヤが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤ。
[23] 射出成型品である、上記態様1~22のいずれかに記載のギヤ。
[24] 削り出し成形品である、上記態様1~22のいずれかに記載のギヤ。
[25] 丸棒成型体からの切削加工品である、上記態様24に記載のギヤ。
[26] 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるギヤシステムであって、
前記従動ギヤ及び/又は前記駆動ギヤが、上記態様1~25のいずれかに記載のギヤである、ギヤシステム。
[27] 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるEPS(電動パワーステアリング)用のギヤシステムであって、
前記従動ギヤ及び/又は前記駆動ギヤが、上記態様1~25のいずれかに記載のギヤである、ギヤシステム。
[28] 前記ギヤ機構が、ラックとピニオンとで構成されるラック・アンド・ピニオン機構、又はウォームとウォームホイールとで構成されるウォームギヤ機構であり、
前記ピニオン又は前記ウォームホイールが、上記態様1~25のいずれかに記載のギヤである、上記態様26又は27に記載のギヤシステム。
[29] 前記ピニオン又は前記ウォームホイールが、ギヤの歯の全歯たけ/円ピッチ比1.0~20を有する、上記態様28に記載のギヤシステム。
[30] 前記ピニオン又は前記ウォームホイールが、ギヤの歯の円ピッチ/歯幅比1.0~3.0を有する、上記態様28又は29に記載のギヤシステム。
[31] 前記ピニオン又は前記ウォームホイールにかかるトルクが5N・m~100N・mである、上記態様28~30のいずれかに記載のギヤシステム。
[32] 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるギヤシステムであって、
前記ギヤ機構が、ウォームとウォームホイールとで構成されるウォームギヤ機構であり、
前記ウォームホイールが、(A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物の射出成形体であるギヤであり、
前記ウォームホイールが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤシステム。
[33] 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるEPS(電動パワーステアリング)用のギヤシステムであって、
前記ギヤ機構が、ウォームとウォームホイールとで構成されるウォームギヤ機構であり、
前記ウォームホイールが、(A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物の射出成形体であるギヤであり、
前記ウォームホイールが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤシステム。
[34] 前記従動ギヤと前記駆動ギヤとがグリースを介して互いに噛合しており、
前記グリースが、
鉱油、ポリα-オレフィン油、及びアルキルポリフェニルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも一種を80質量%以上の割合で含有する基油、
増稠剤、及び
融点又は軟化点が70~130℃の範囲にある炭化水素系ワックス3~10質量%
を含む、上記態様26~33のいずれかに記載のギヤシステム。
[35] 前記駆動源が、作動回転数800rpm以上のモータである、上記態様26~34のいずれかに記載のギヤシステム。
[36] 前記駆動源が、作動回転数10000rpm以下のモータである、上記態様26~35のいずれかに記載のギヤシステム。
[37] 前記ギヤにかかるトルクが3N/m以上である、上記態様26~36のいずれかに記載のギヤシステム。
[38] 前記ギヤにかかるトルクが5N・m以上である、上記態様37に記載のギヤシステム。
[39] 前記ギヤにかかるトルクが10N/m以上である、上記態様38に記載のギヤシステム。
本発明において用いることができる(A)熱可塑性樹脂の数平均分子量は、10000~150000、特に20000~150000の範囲である。なお本開示の数平均分子量は、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)を用い、標準ポリメタクリル酸メチル換算で測定される値である。数平均分子量の下限値は、より好ましくは22000であり、さらにより好ましくは、25000であり、最も好ましくは、30000である。また、上限値はより好ましくは120000であり、さらにより好ましくは100000であり、最も好ましくは80000である。数平均分子量は、ギヤの耐久性向上の観点から、上記下限値以上が望ましく、ギヤ成形時の樹脂組成物の流動性の観点から、上記上限値を超えないことが望ましい。
ポリアミド系樹脂において、好ましい全末端基に対するカルボキシル末端基比率([COOH]/[全末端基])が、0.30~0.95であることがより好ましい。カルボキシル末端基比率下限は、より好ましくは0.35であり、さらにより好ましくは0.40であり、最も好ましくは0.45である。またカルボキシル末端基比率上限は、より好ましくは0.90であり、さらにより好ましくは0.85であり、最も好ましくは0.80である。上記カルボキシル末端基比率は、(B)セルロースナノファイバーの組成物中への分散性の観点から0.30以上とすることが望ましく、得られる組成物の色調の観点から0.95以下とすることが望ましい。
次に本発明において用いることができる(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバー(本開示で、「(B)セルロースナノファイバー」ということもある。)について詳述する。
セルロースナノファイバーの製法は特に限定されないが、例えば、原料パルプを裁断後100℃以上の熱水等で処理し、ヘミセルロース部分を加水分解して脆弱化したのち、高圧ホモジナイザー、マイクロフリュイダイザー、ボールミル、ディスクミル等を用いた粉砕法により解繊して得ることができる。
樹脂組成物は、付加的成分として、(C)表面処理剤を含むことができる。一態様において、(C)表面処理剤は水溶性ポリマーである。本開示で、「水溶性」とは、23℃で100gの水に対して0.1g以上溶解することを意味する。一態様において、(C)表面処理剤は親水性セグメント及び疎水性セグメントを有する(すなわち両親媒性分子である)。両親媒性分子としては、炭素原子を基本骨格とし、炭素、水素、酸素、窒素、塩素、硫黄、及びリンから選ばれる元素から構成される官能基を有するものが挙げられる。分子中に上述の構造を有していれば、無機化合物と上記官能基とが化学結合したものも好ましい。(C)表面処理剤が2種以上の物質の混合物である場合、本開示の特性値(例えば分子量、HLB値、静的表面張力、動的表面張力、SP値)は、当該混合物の値を意味する。一態様において、(C)表面処理剤は界面活性剤である。一態様において、(C)表面処理剤は非イオン性界面活性剤である。別の一態様において、(C)表面処理剤は低分子熱可塑性樹脂である。(C)表面処理剤は、(A)熱可塑性樹脂とは異なる(例えば、本開示の(A)熱可塑性樹脂と同種のポリマーの変性物(例えば酸変性体、共重合体)、(A)熱可塑性樹脂と異種のポリマー、等であることによって)。一態様において、(C)表面処理剤は、(A)熱可塑性樹脂と分子量、繰り返し構造、及び/又はブロック構造が異なるポリマーである。一態様において、(C)表面処理剤と(A)熱可塑性樹脂とは、分子量が互いに異なる同種のポリマーであり、この場合、分子量が小さい方が(C)表面処理剤である。
アクリル系ポリマー、スチレン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、塩化ビニリデン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリヘキサメチレンアジパミド(6,6ナイロン)、ポリヘキサメチレンアゼラミド(6,9ナイロン)、ポリヘキサメチレンセバカミド(6,10ナイロン)、ポリヘキサメチレンドデカノアミド(6,12ナイロン)、ポリビス(4‐アミノシクロヘキシル)メタンドデカン等の、炭素数4~12の有機ジカルボン酸と炭素数2~13の有機ジアミンとの重縮合物、ω-アミノ酸(例えばω-アミノウンデカン酸)の重縮合物(例えば、ポリウンデカンアミド(11ナイロン)等)、ε-アミノカプロラクタムの開環重合物であるポリカプラミド(6ナイロン)、ε-アミノラウロラクタムの開環重合物であるポリラウリックラクタム(12ナイロン)等の、ラクタムの開環重合物を含むアミノ酸ラクタム、ジアミンとジカルボン酸とから構成されるポリマー、ポリアセタール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリエーテルケトン系樹脂、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、疎水性シリコーン系樹脂、メラミン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂。
本開示の(C)表面処理剤のHLB値の下限値は水への易溶解性の観点から、特に限定されないが、好ましくは0.1であり、より好ましくは0.2であり、最も好ましくは1である。また、当該HLB値の上限値は、(B)セルロースナノファイバーの樹脂組成物中での分散性の観点から、好ましくは12未満であり、より好ましくは10であり、さらに好ましくは8であり、さらに好ましくは7.5であり、最も好ましくは7である。水及び有機溶媒への分散性(例えば、樹脂組成物の製造において、(B)セルロースナノファイバーと(C)表面処理剤とを含む混合物を予め調製し、これを水又は有機溶媒に再分散させる場合における再分散性)に優れるためには、(C)表面処理剤のHLB値は上述の範囲内にあることが望ましい。また、有機溶媒への分散性に優れることは、すなわち樹脂への分散性に優れことを意味する。尚、HLB値とは、界面活性剤の疎水性と親水性のバランスを示す値であり、1~20までの値をとり、数値が小さいほど疎水性が強く、数値が大きくなると親水性が強いことを示す。
γ=(P-mg+shρg)/Lcosθ
ここで、γ:静的表面張力、P:つりあう力、m:プレートの質量、g:重力定数、L:プレート周囲長、θ:プレートと液体の接触角、s:プレート断面積、h:(力が釣り合うところまで)液面から沈んだ深さ、ρ:液体の密度である。
σ=ΔP・r/2
ここで、σ:動的表面張力、ΔP:圧力差(最大圧力-最小圧力)、r:キャピラリー半径である。
ここで最も好ましいポリオレフィン系樹脂としては、ポリプロピレンが挙げられる。
これらの中でより好ましいポリエステル系樹脂としては、PET、PBS、PBSA、PBT、及びPENが挙げられ、更に好ましくは、PBS、PBSA、及びPBTが挙げられる。
樹脂組成物は、付加的成分として(D)金属イオン成分を含むことが可能である。(D)金属イオン成分は市販の試薬又は製品であってもよい。(D)金属イオン成分としては、銅化合物、金属(銅又は銅以外)のハロゲン化物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩などが挙げられる。
一態様において、樹脂組成物は、(E)摺動剤成分を含むことができる。(E)摺動剤成分は、(A)熱可塑性樹脂及び(C)表面処理剤とは異なる物質である。典型的な態様においては、(C)表面処理剤が本開示の意味における水溶性を有し、(E)摺動剤成分が当該水溶性を有さない。
[R11-(A1-R12)x-A2-R13]y・・・(1)
A3-R11-A4・・・(2)
R14-A5・・・(3)
ここで、式(1)及び(2)中、R11、R12及びR13は、各々独立して、炭素数1~7000のアルキレン基、置換若しくは非置換の炭素数1~7000のアルキレン基の少なくとも1個の水素原子が炭素数6~7000のアリール基で置換された置換アルキレン基、炭素数6~7000のアリーレン基、又は炭素数6~7000のアリーレン基における少なくとも1個の水素原子が炭素数1~7000の置換若しくは非置換のアルキル基で置換された置換アリーレン基である。
式(1)中、xは1~1000の整数を示し、1~100の整数が好ましい。yは1~1000の整数を示し、1~200の整数が好ましい。
本実施形態において、(E)摺動剤成分は、ギヤ(すなわち成形体)から分離することで分子構造や分子量、融点、酸価、粘度などを算出することが可能である。
次に本発明において用いることができるその他の成分について詳述する。本実施形態の樹脂組成物は、前述した成分に加え、本実施形態の目的を損なわない範囲で、従来熱可塑性樹脂に使用されている各種安定剤を含有することができる。安定剤としては、以下に限定されるものではないが、例えば、下記の無機充填剤、熱安定剤、潤滑油等が挙げられる。これらは1種のみを単独で使用してもよく2種以上を組み合わせて使用してもよい。これらは市販の試薬又は製品であってもよい。
(1)単軸又は二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂、セルロースナノファイバー、及び表面処理剤の混合物を溶融混練し、ストランド状に押出し、水浴中で冷却固化させ、ペレット状成形体を得る方法。
(2)単軸又は二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂、セルロースナノファイバー、及び表面処理剤の混合物を溶融混練し、棒状又は筒状に押出し冷却して押出成形体を得る方法。
(3)単軸又は二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂、セルロースナノファイバー、及び表面処理剤の混合物を溶融混練し、Tダイより押出し、シート又はフィルム状の成形体を得る方法。
(1)熱可塑性樹脂と、所望の比率で混合されたセルロースナノファイバー、表面処理剤混合粉末とを、一括溶融混練する方法。
(2)熱可塑性樹脂及び必要により表面処理剤を溶融混練した後、所望の比率で混合されたセルロースナノファイバー粉末、及び必要により表面処理剤を添加して、さらに溶融混練する方法。
(3)熱可塑性樹脂、所望の比率で混合されたセルロースナノファイバー、表面処理剤混合粉末、及び水を溶融混練した後、所望の比率で混合されたセルロースナノファイバー、及び水、並びに必要により表面処理剤を混合した後、一括で溶融混練する方法。
(4)熱可塑性樹脂及び必要により表面処理剤を溶融混練した後、所望の比率で混合された熱可塑性樹脂、セルロースナノファイバー、表面処理剤混合粉末、及び水、を添加して、さらに溶融混練する方法。
(5)上記(1)~(4)を単軸又は二軸押出機を用いて任意の割合でTopとSideで分割して添加し、溶融混練する方法。
本実施形態のギヤは、他のギヤとの摺動面において、算術平均表面粗さSaが3.0μm以下である。このような低い算術平均表面粗さSaはギヤの高摺動性(したがって静音性)及び高耐久性において有利である。算術平均表面粗さSaとは、ISO25178に準拠した測定方法で得られる値であり、算術平均表面粗さRaを面に拡張して得ることができる。算術平均表面粗さRaは、JISB0031に準拠し、樹脂成形体であるギヤの表面(ギヤの表面は、樹脂製ギヤの形状に基づいて当業者によって特定できる。)における粗さ曲線を計測し、粗さ曲線の平均線方向で基準長さ(a)だけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向をX軸、縦倍率の方向をY軸とし、粗さ曲線をy=f(x)で表したときに、下記式(2)によって求められる値をマイクロメートル(μm)で表したものをいう。
一態様において、ギヤ中のボイドは少ない方が望ましい。ボイドが存在する場合、ボイドの部分を起点に、ギヤの歯にかかる荷重による応力集中が起こり、繰り返し疲労時の破断の起点となりうる。特に、射出成型により成形したギヤのモジュールサイズが大きくなると、ボイドは大きくなる傾向にある。ボイドの存在は、ギヤを歯に対して垂直方向に半分に割断し、その断面を観察し、ミクロボイドを観察する事で確認できる。例えば、共焦点顕微鏡(例えばOPTELICS(登録商標) H1200、レーザーテック(株)社製)を用いて測定する事で。ミクロボイドのサイズを確認する事が出来る。ボイドの最大サイズ(本開示で、ギヤの上記断面全体で観察されるボイドの円相当径の最大値として定義される。)の上限は2.0μmであることが好ましく、より好ましくは1.0μm、さらにより好ましくは0.5μm、最も好ましくは0.4μmである。ボイドは、存在しないことが好ましく、また存在する場合でもその最大サイズが小さいことが好ましいが、実用上の耐久性の観点から、例えば、ボイドの最大サイズが、0.01μm以上であってもよい。
ギヤにおいては、平衡状態(80℃熱水中に24時間暴露させ、その後、80℃相対湿度57%の条件下で120時間保持)で吸水させた際の吸水寸法変化(以下、平衡吸水寸法変化ともいう。)が、3%以下であることが好ましい。実使用環境において、寸法変化が小さい方が、ギヤの特定の歯に大きな荷重がかかること(応力集中)が起こりにくくなり、耐久性が向上しやすい。平衡吸水寸法変化の上限は3%であることが好ましく、より好ましくは2.5%、さらにより好ましくは2%、最も好ましくは1%である。平衡吸水寸法変化の下限は特に制限されないが、実用上の耐久性の観点から、例えば、0.5%であってもよい。
ギヤは、真円度が400μm以下であることが好ましい。実使用環境において、真円度が小さい方が、ギヤの寸法均一性が高くなり、特定の歯に大きな荷重がかかること(応力集中)が起こりにくくなり、耐久性が向上しやすい。真円度の上限は好ましくは400μm、より好ましくは300μm、さらにより好ましくは200μm、最も好ましくは100μmである。真円度の下限は特に制限されないが、実際の製造上の観点から、例えば、1μmであってもよい。なお真円度は本開示の[実施例]の項に記載される方法で測定される値である。
本実施形態のギヤは、特定のセルース繊維を含むことから、一態様において、溶融状態でチキソトロピー性を示す。ギヤが含む(A)熱可塑性樹脂の融点+25℃での、せん断速度が1s-1の時と10s-1の時との粘度比(下記式(4))をチキソトロピーインデックスとすると、例えば、せん断速度1s-1の時の粘度が2000Pa・s、せん断速度が10s-1の時の粘度が600Pa・sであるとき、チキソトロピーインデックスは、約3.33となる。
チキソトロピーインデックス=(せん断速度1s-1の時の粘度/せん断速度10s-1の時の粘度)・・・(4)
本実施形態のギヤのチキソトロピーインデックスの上限は特に限定されないが、成形容易性の観点から、10であることが好ましく、より好ましくは8、さらにより好ましくは5、特に好ましくは4である。チキソトロピーインデックスの下限は、本実施形態のギヤによる良好な寸法安定性の観点の利点を得る観点から、一態様において1であり、好ましくは1.3、より好ましくは2である。チキソトロピー性の測定は後述する方法で行うことができる。
ギヤが、真円度400μm以下を有し、
(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
樹脂組成物が、(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤである。
本実施形態のギヤは、トルクが大きい使用環境においても優れた耐久性を示すことから、一態様において、トルク5N・m以上で使用される。本実施形態のギヤの使用時のトルクの上限はとくに限定されないが、耐久性の観点から、100N・mであることが好ましく、より好ましくは50N・m、さらにより好ましくは30N・mである。トルクの下限は、本実施形態のギヤによる良好な耐久性の利点を得る観点から、好ましくは12N・m、より好ましくは15N・mである。
ギヤは、当該ギヤが適用される駆動源の作動回転数によってその耐久性が大きく変動し、高作動回転数の使用環境下では劣化しやすい傾向がある。本実施形態のギヤは、優れた耐久性を有することから、より高作動回転数の駆動源に適用された場合にも優れた性能を示す。一態様において、駆動源はモータである。駆動源の作動回転数の上限は1000rpmであることが好ましく、より好ましくは500rpm、さらにより好ましくは300rpm、最も好ましくは200rpmである。作動回転数の下限は特に制限されないが、本実施形態のギヤによる良好な耐久性の利点を得る観点から、例えば、10rpm、又は30rpm、又は50rpm、又は80rpmであることが好ましい。
本実施形態のギヤは、モジュールが0.5以上であってよい。モジュールとは、ギヤの基準円直径を歯数で除した値であり、歯車の大きさを表す。モジュールの大きさによってギヤの耐久性は大きく変動する。本実施形態のギヤは幅広いモジュール設計に亘って優れた性能を示す。モジュールの上限は25.0であることが好ましく、より好ましくは20.0、さらにより好ましくは10.0、最も好ましくは5.0である。モジュールの下限は特に制限されないが、本実施形態のギヤによる良好な耐久性の利点を得る観点から、例えば、1.0であることが好ましい。
本実施形態のギヤは、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーを含むため、従来の樹脂製ギヤよりも低い線膨張性を示すことが可能となる。具体的には、ギヤの構成材料である樹脂組成物の温度範囲0℃~60℃における線膨張係数は60ppm/K以下であることが好ましい。線膨張係数は、より好ましくは50ppm/K以下であり、さらにより好ましくは45ppm/K以下であり、最も好ましくは35ppm/K以下である。線膨張係数の下限は特に制限されないが、製造容易性の観点から、例えば、5ppm/Kであることが好ましく、より好ましくは10ppm/Kである。
本実施形態のギヤは、(A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーと、任意にその他の成分とを含む樹脂組成物を溶融混練し、特定の形状の樹脂成形体に成形すること等により製造することができる。
鉱油、ポリα-オレフィン油、及びアルキルポリフェニルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも一種を80質量%以上の割合で含有する基油、
増稠剤、及び
融点又は軟化点が70~130℃の範囲にある炭化水素系ワックス3~10質量%
を含む。
本実施形態のギヤは、機械的強度、耐久性及び静音性に優れるため、様々な態様で使用できる。特に、歯車として、以下に制限されないが、例えば、はすば歯車、平歯車、内歯車、ラック歯車、やまば歯車、すぐばかさ歯車、はすばかさ歯車、まがりばかさ歯車、冠歯車、フェースギヤ、ねじ歯車、ウォームギヤ、ウォームホイールギヤ、ハイポイドギヤ、及びノビコフ歯車が挙げられる。また、上記のはすば歯車や平歯車などは、シングル歯車、2段歯車、又は、駆動モータから多段に組み合わせ、回転ムラをなくして減速するような構造を有する組合せ歯車であってもよい。
図1において、図1(A)はギヤシステム1の概略構成を示し、図1(B)は図1(A)中のギヤ機構11をより詳細に示している。図1を参照し、ギヤシステム1は、車両のステアリングコラムに用いられ、従動ギヤ111としてのウォームホイール及び駆動ギヤ112としてのウォームを含むギヤ機構11と、駆動源12としてのモータとを備える。
図2において、図2(A)はギヤシステム2の概略構成を示し、図2(B)は図2(A)中のギヤ機構21をより詳細に示している。図2を参照し、ギヤシステム2は、車両のステアリングギヤに用いられ、従動ギヤ211としてのピニオン及び駆動ギヤ212としてのラックを含むギヤ機構21と、駆動源22としてのモータとを備える。
本実施形態のギヤは、従来のギヤと比較して、顕著に優れた耐久性、及び一態様においては更に静音性を保持できる観点から、例えば自動車、電動車全般のEPSシステムに適用することができる。電動車としては、以下に制限されないが、例えば、シニア四輪、バイク及び電動二輪車が挙げられる。
以下に、使用した原料及び、評価方法について説明する。
以下の表1に記載の原料を用いた。
ポリアミド系樹脂の分子量を、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)にて、下記の条件で測定した。
装置:東ソー社製Eco Sec
カラム:TSKgel Super GMH-M 2本,
TSKgel Super G1000H
オーブン:40℃
溶離液:HFIP (TFANa 4.848g/kg)
流量:サンプル:0.5ml/min,レファレンス:0.25mL/min
試料量:25μl,3mg/ml
検出器:RI
校正曲線:PMMA(ポリメチルメタクリレート)
ポリアセタール樹脂の分子量を、GPCにて、下記の条件で測定した。
装置:東ソー社製Eco Sec
カラム:TSKgel Super GMH-M 2本,
TSKgel Super G1000H
オーブン:40℃
溶離液:HFIP
流量:サンプル:0.5ml/min,レファレンス:0.25mL/min
試料量:25μl,3mg/ml
検出器:RI
校正曲線:PMMA(ポリメチルメタクリレート)
(b-1)CNF-1
リンターパルプを裁断後、オートクレーブを用いて、120℃以上の熱水中で3時間加熱し、ヘミセルロース部分を除去した精製パルプを、圧搾、純水中に固形分率が1.5質量%になるように叩解処理により高度に短繊維化及びフィブリル化させた後、そのままの濃度で高圧ホモジナイザー(操作圧:85MPaにて10回処理)により解繊することにより解繊セルロースを得た。ここで、叩解処理においては、ディスクリファイナーを用い、カット機能の高い叩解刃(以下カット刃と称す)で2.5時間処理した後に解繊機能の高い叩解刃(以下解繊刃と称す)を用いてさらに2時間叩解を実施し、CNF-1を得た。
国際公開第2017/159823号[0108]実施例1に記載の方法でCNF-2を得た。
リンターパルプを裁断後、オートクレーブを用いて、120℃以上の熱水中で3時間加熱し、ヘミセルロース部分を除去した精製パルプを、圧搾、純水中に固形分率が1.5重量%になるように叩解処理により高度に短繊維化及びフィブリル化させた後、そのままの濃度で高圧ホモジナイザー(操作圧:85MPaにて10回処理)により解繊することにより解繊セルロースを得た。ここで、叩解処理においては、ディスクリファイナーを用い、カット機能の高い叩解刃(以下カット刃と称す)で4時間処理した後に解繊機能の高い叩解刃(以下解繊刃と称す)を用いてさらに4時間叩解を実施し、CNF-3を得た。
「第14改正日本薬局方」(廣川書店発行)の結晶セルロース確認試験(3)に規定される銅エチレンジアミン溶液による還元比粘度法により測定した。
X線回折装置(株式会社リガク製、多目的X線回折装置)を用いて粉末法にて回折像を測定(常温)し、Segal法で結晶化度を算出した。また、得られたX線回折像から結晶形についても測定した。
(B)セルロースナノファイバーを、1質量%濃度で純水懸濁液とし、高剪断ホモジナイザー(日本精機(株)製、商品名「エクセルオートホモジナイザーED-7」、処理条件:回転数15,000rpm×5分間)で分散させた水分散体を、0.1~0.5質量%まで純水で希釈し、マイカ上にキャストし、風乾したものを、原子間力顕微鏡(AFM)で計測された際に得られる粒子像の長径(L)と短径(D)とした場合の比(L/D)を求め、100個~150個の粒子の平均値として算出した。
(B)セルロースナノファイバーを固形分40質量%として、プラネタリーミキサー((株)品川工業所製、商品名「5DM-03-R」、撹拌羽根はフック型)中において、126rpmで、室温常圧下で30分間混練した。次いで、固形分が0.5質量%の濃度で純水懸濁液とし、高剪断ホモジナイザー(日本精機(株)製、商品名「エクセルオートホモジナイザーED-7」、処理条件:回転数15,000rpm×5分間)で分散させ、遠心分離(久保田商事(株)製、商品名「6800型遠心分離器」、ロータータイプRA-400型、処理条件:遠心力39200m2/sで10分間遠心した上澄みを採取し、さらに、この上澄みについて、116000m2/sで45分間遠心処理する。)した。遠心後の上澄み液を用いて、レーザー回折/散乱法粒度分布計(堀場製作所(株)製、商品名「LA-910」、超音波処理1分間、屈折率1.20)により得られた体積頻度粒度分布における積算50%粒子径(体積平均粒子径)を測定し、この値を平均繊維径とした。
(B)セルロースナノファイバーの化学修飾の度合について、セルロースナノファイバーを乾燥させ、多孔質シートとした後、多孔質シートのATR-IR法による赤外分光スペクトルを、フーリエ変換赤外分光光度計(JASCO社製 FT/IR-6200)で測定することにより評価を行った。赤外分光スペクトル測定は以下の条件で行った。
(赤外分光スペクトルの測定条件)
積算回数:64回、
波数分解能:4cm-1、
測定波数範囲:4000~600cm-1、
ATR結晶:ダイヤモンド、
入射角度:45°
IRインデックス= H1730/H1030・・・(5)
式(5)中、H1730およびH1030は、1730cm-1、1030cm-1(セルロース骨格鎖C-O伸縮振動の吸収バンド)における吸光度である。ただし、それぞれ1900cm-1と1500cm-1を結ぶ線と800cm-1と1500cm-1を結ぶ線をベースラインとして、このベースラインを吸光度0とした時の吸光度を意味する。
次に平均置換度(DS)をIRインデックスより下記式(6)に従って算出した。
DS=4.13×IRインデックス・・・(6)
(c-1)2Lオートクレーブ中に、ポリエチレンオキシド(Mn1000)47質量部と触媒としてKOH 0.6質量部を入れ、窒素置換したのちポリプロピレンオキシド(Mn1050)100質量部を加えて、160℃で4時間かけて逐次導入した。反応完結後、乳酸1.2質量部で中和し、c-1を得た。得られたc-1はMn3100、曇点55℃、HLB6.5であった。
(c-2)青木油脂工業株式会社製 ブラウノンRCW-20(CASNo.61788-85-0、静的表面張力42.4mN/m、動的表面張力52.9mN/m)
常圧下沸点100℃超。
(c-3)第一工業株式会社製 スーパーフレックス 300
(c-4)三洋化成株式会社製 PEG20000
表面処理剤の分子量を、HPLC(高速液体クロマトグラフィ)にて、下記の条件で測定した。
[HPLC測定]
装置名:HP-1260(アジレントテクノロジー株式会社製)
カラム:TSKgel ODS-80Ts (東ソー株式会社製)
移動相:水/アセトニトリル移動相による溶媒グラジエント
検出器:蒸発型光散乱検出器(ELSD)
測定温度:40℃
流速:1mL/min
試料濃度:1mg/mL
注入量:10μL
常温で固体のものは、融点以上に加熱して溶融させた後に水へ溶解させサンプルとした。
装置名:SV-10A 株式会社エー・アンド・デイ社製
測定濃度:0.5質量%、1.0質量%、5質量%
測定温度:0~90℃
上記方法で曇点を示さないものは、ガラス製の可視化可能な密閉容器に封をした。後に温度を上昇させ、析出水溶液が曇った点を目視で確認し曇点を測定した。
(c-1)について、グリフィン法を用い、下記式に従ってHLB値を求めた。
HLB値=20×(親水基の式量の総和/分子量)
(式中、親水基の式量は、ポリエチレンオキシドセグメントの式量である。)
各表面処理剤を用い、自動表面張力測定装置(協和界面科学株式会社製、商品名「CBVP-Z型」、付属のガラス製セル)を用い、ウィルヘルミー法により静的表面張力を測定した。実施例、比較例で用いた各表面処理剤は常温で液体であったので、装置に付属のステンレス製シャーレに底から液面までの高さを7mm~9mmとなるように仕込み、25℃±1℃に調温した後に測定し、以下の式により求めた。γ=(P-mg+shρg)/Lcosθ。ここで、P:つりあう力、m:プレートの質量、g:重力定数、L:プレート周囲長、θ:プレートと液体の接触角、s:プレート断面積、h:(力が釣り合うところまで)液面から沈んだ深さ、ρ:液体の密度(実施例、比較例で用いた表面処理剤は密度が1±0.4g/mLだったので、1を用いた。)、である。
常温で固体のものは、融点以上に加熱して溶融させた後、融点+5℃の温度に調節し、上述したウィルヘルミー法により表面張力を測定した。
各表面処理剤を用い、動的表面張力計(英弘精機株式会社製 製品名シータサイエンスt-60型、プローブ(キャピラリーTYPE I(ピーク樹脂製)、シングルモード)を使用し、最大泡圧法により気泡発生周期を10Hzで動的表面張力を測定した。実施例、比較例で用いた各表面処理剤を5質量%としてイオン交換水に溶解又は分散し測定液を調製し、その溶液又は分散液100mLを、100mL容量のガラス製ビーカーに仕込み、25℃±1℃に調温された後、測定された値を用いた。動的表面張力は、以下の式により求められた。σ=ΔP・r/2。ここで、σ:動的表面張力、ΔP:圧力差(最大圧力-最小圧力)、r:キャピラリー半径、である。
(d-1)ヨウ化銅(I) 和光純薬工業製 商品名 ヨウ化銅(I)
(d-2)ヨウ化カリウム 和光純薬工業製 商品名 ヨウ化カリウム
(d-3)ステアリン酸カルシウム 堺化学工業社製 商品名 ステアリン酸カルシウム
(e-1)ワックス ベーカーペトロライト社製 商品名 ユニシド700(融点110℃)
(e-2)エチレンビスステアリルアミド ライオン製 商品名 アーモワックス EBS(融点145℃)
以下の表3に記載の原料を用いた。
二軸押出機(東芝機械(株)製TEM-26SS押出機(L/D=48、ベント付き)を用いて、ポリアミド6は260℃、ポリアミド66は290℃,ポリオキシメチレン系材料は200℃にシリンダー温度を設定し、(A)、(B)成分、並びに使用される場合の(C)成分及び/又は(D)成分を一括混合し、押出機メインスロート部より定量フィーダーより供給して、押出量15kg/時間、スクリュー回転数250rpmの条件で樹脂混練物をストランド状に押出し、ストランドバスにて急冷し、ストランドカッターで切断しペレット形状の樹脂組成物を得た。
先の製造条件で得られたペレット形状の樹脂組成物から、射出成形機を用いて、ISO294-3に準拠した多目的試験片を成形した。
ポリアミド系材料:JIS K6920-2に準拠した条件
ポリオキシメチレン系材料:JIS K7364-2に準拠した条件
なお、ポリアミド系材料は、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋に保管し、吸湿を抑制した。
先の≪成形条件・多目的試験片≫で得られた多目的試験片について、ISO527に準拠して引張降伏強度及び引張破断伸び、ISO179に準拠して、曲げ弾性率、曲げ強度を測定した。
エスペック株式会社製GPH-102を用いて150℃雰囲気にて多目的試験片の曝露試験を実施した。暴露後のサンプルはアルミ袋に保管し、ISO527に準拠して引張降伏強度を測定した。この時の強度保持率は暴露0日の多目的試験片を基準(100%)とし、引張降伏強度が80%を保持している日数を評価した。
先の≪成形条件・多目的試験片≫で得られた多目的試験片について、以下の試験条件で溶融時の粘弾性を測定した。
装置名:ARES G2 ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン株式会社
測定温度:各樹脂の融点+25℃(例えば、PA6では250℃)
せん断速度:1.0~40s-1
25mm/40mmパラレルプレートを使用し、Gap1mmで行った。
この時の測定結果から、下記式(7)に従ってチキソトロピーインデックスを算出した。
チキソトロピーインデックス=(せん断速度1s-1の時の粘度/せん断速度10s-1の時の粘度)・・・(7)
この値が高いほどチキソトロピー性が高いと判断した。
上記≪成形条件・多目的試験片≫で得られた多目的試験片について、往復動摩擦摩耗試験機(東洋精密(株)製AFT-15MS型)、及び相手材料としてSUS304試験片(直径5mmの球)を用いて、線速度50mm/sec、往復距離50mm、温度23℃、湿度50%で、摺動試験を実施した。摩擦係数は下記試験条件終了時の値を採用した。また摩耗量は摺動試験後のサンプルの摩耗量(摩耗断面積)を、共焦点顕微鏡(OPTELICS(登録商標) H1200、レーザーテック(株)社製)を用いて測定した。摩耗断面積はn=4で測定した数値の平均値とし、小数点第一位で四捨五入した。測定箇所は摩耗痕の端より12.5mmの位置とし、等しい間隔をあけて実施した。また摩耗断面積は数値が低い方が摩耗特性に優れると評価した。
試験条件:荷重19.6N(例Iについて)、9.8N(例IIについて)、往復回数10,000回
先の≪成形条件・多目的試験片≫で得られた多目的試験片の中央部から、精密カットソーにて縦4mm、横4mm、長さ10mmの直方体サンプルを切り出し、測定温度範囲-10~80℃で、ISO11359-2に準拠して測定し、0℃~60℃の間での膨張係数を算出した。
上記≪摩擦係数、摩耗量≫の測定で得られた摩擦係数に基づき、下記式(8)にしたがって摩擦係数比を算出した。
摩擦係数比=強化樹脂組成物/非強化樹脂組成物・・・(8)
(式中、強化樹脂組成物とは、実施例又は比較例で調製した、ガラスファイバー又はセルロースナノファイバーを含有する樹脂組成物であり、非強化樹脂組成物とは、比較用の組成物であって、ガラスファイバー又はセルロースナノファイバーを含まない他は上記強化樹脂組成物と同組成の組成物である)
例えば、下記比較例4(熱可塑性樹脂として1022B使用)の非強化樹脂組成物の摩擦係数0.65と実施例3(熱可塑性樹脂として1022B使用)のCNF強化樹脂組成物の摩擦係数0.15を用いると、上記式(8)から
摩擦係数比=0.15/0.65=0.23
となり、CNF添加により摩擦係数が著しく低減することがわかる。
摩擦係数比の数値が低いほど、摩擦係数の低減効果が高く、成形体が摺動性に優れると判断できる。
上記≪成形条件・多目的試験片≫で得られた多目的試験片について、平衡状態(80℃熱水中に24時間暴露させ、その後、80℃相対湿度57%の条件下で120時間保持)とした後、吸水前後のそれぞれの外径寸法を株式会社ミツトヨ製のデジタル精密ノギスにて測定し、平衡吸水寸法変化(%)=(吸水後寸法)/(吸水前寸法)×100、を算出した。吸水前とは成形直後の多目的試験片をアルミ袋に保管し、常温に戻った状態を言う。
例Iについて、先の製造条件で得られたペレット形状の樹脂組成物を、ファナック(株)製の射出成形機(商品名「α50i-A射出成形機」)を用いて、シリンダー温度をポリアミド6系材料について260℃、ポリアミド66系材料について290℃、ポリオキシメチレン系材料について200℃とし、金型温度80℃、最大射出圧力120MPa、射出時間10秒、冷却時間60秒の射出条件で射出成形し、モジュール3.0、歯数50、歯厚5mm、歯幅15mmのウォームホイールギヤを得た。なお、ポリアミド系材料については、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋にて保管し、吸湿を抑制した。
例Iについて、先の≪射出成形ギヤ成形≫の同一成形条件で得られたギヤの任意の10個を選択し、各ギヤの歯先円直径(計25箇所)を測定した。ひとつのギヤの歯先円直径25箇所の平均値を算出し、連続成形したギヤ10個の変動量を算出した。
優:変動量が100μm以下であり、連続成形性に優れると判断した。
良:変動量が100μm超150μm以下であり、連続成形性が良いと判断した。
可:変動量が150μm超200μm以下であり、連続成形性が良くないと判断した。
不良:変動量が200μm超であり、連続成形性に劣ると判断した。
例Iについて、先の製造条件で得られたペレット形状の樹脂組成物を、引き取り装置と、押出機ダイ部に水冷ゾーンを有した30mm単軸固化押出成形機に供給し、シリンダー温度をポリアミド6系材料について280℃、ポリアミド66系材料について320℃、ポリオキシメチレン系材料について230℃に設定し、直径90mmの丸棒を固化押出した。この際、押出成形体のヒケと、ミクロボイドの発生を抑制するため、押出速度が3mm/分となるよう、引き取り装置をダイ側に向かって駆動させた。得られた丸棒を切削し、≪成形条件・射出成形ギヤ≫と同じ歯車に成形した。なお、ポリアミド系材料については、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋にて保管し、吸湿を抑制した。
例IIについて、先の製造条件で得られたペレット形状の樹脂組成物を、ファナック(株)製の射出成形機(商品名「α50i-A射出成形機」)を用いて、シリンダー温度をポリアミド系材料について250℃、ポリオキシメチレン系材料について190℃とし、金型温度80℃、射出圧力120MPa、射出時間10秒、冷却時間60秒の射出条件で射出成形し、モジュール0.8、歯数50、歯幅5mmの平歯車を得た。なお、ポリアミド系材料については、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋にて保管し、吸湿を抑制した。この時の金型表面としては、鏡面仕上げ、シボ仕上げの2種を用いた。鏡面仕上げの金型表面の算術平均表面粗さRaは0.03、シボ仕上げの金型表面の算術平均表面粗さRaは2.0とした。
例IIについて、先の製造条件で得られたペレット形状の樹脂組成物を、ファナック(株)製の射出成形機(商品名「α50i-A射出成形機」)を用いて、シリンダー温度をポリアミド系材料について250℃、ポリオキシメチレン系材料について190℃とし、金型温度80℃、射出圧力120MPa、射出時間10秒、冷却時間60秒の射出条件で射出成形し、モジュール0.8、歯数50、歯幅12mmの平歯車を得た。なお、ポリアミド系材料については、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋にて保管し、吸湿を抑制した。この時の金型表面としては、鏡面仕上げ、シボ仕上げの2種を用いた。鏡面仕上げの金型表面の算術平均表面粗さRaは0.03、シボ仕上げの金型表面の算術平均表面粗さRaは2.0とした。
例IIについて、先の製造条件で得られたペレット形状の樹脂組成物を、ファナック(株)製の射出成形機(商品名「α50i-A射出成形機」)を用いて、シリンダー温度をポリアミド系材料について250℃、ポリオキシメチレン系材料について190℃とし、金型温度80℃、射出圧力120MPa、射出時間10秒、冷却時間60秒の射出条件で射出成形し、モジュール1.5、歯数50、歯幅12mmの平歯車を得た。なお、ポリアミド系材料については、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋にて保管し、吸湿を抑制した。この時の金型表面としては鏡面仕上げ、シボ仕上げの2種を用いた。鏡面仕上げの金型表面の算術平均表面粗さRaは0.03、シボ仕上げの金型表面の算術平均表面粗さRaは2.0とした。
先の≪射出成形ギヤ成形≫、≪丸棒成形ギヤ成形≫(例Iについて)、又は≪成形条件・ギヤ成形A≫、≪成形条件・ギヤ成形B≫、≪成形条件・ギヤ成形C≫(例IIについて)で得られた平歯車を、ポリアミド系材料については130℃1時間(A条件)、ポリオキシメチレン系材料については140℃5時間(B条件)、エスペック株式会社製GPH-102を用いて加熱処理した。
先の≪射出成形ギヤ成形≫、≪丸棒成形ギヤ成形≫の後に≪アニール処理≫を行った平歯車(例Iについて)、又は≪成形条件・ギヤ成形A≫、≪成形条件・ギヤ成形B≫、≪成形条件・ギヤ成形C≫で得られた平歯車、又は先の≪アニール処理≫によるアニール後の平歯車(例IIについて)を用いて、1つの平歯車につき任意の5個の歯を切りだし、各歯の表面の面内方向中心部の100μm角の面積について、ISO25178に準拠して表面粗さ(算術平均表面粗さSa)を測定した。また、測定した5個の歯のSa(すなわち各平歯車についてn=5、各歯についてはn=1回の測定)で数平均値を算出した。この時上記表面粗さは、共焦点顕微鏡(OPTELICS(登録商標) H1200、レーザーテック(株)社製)を用いて測定した。
先の≪射出成形ギヤ成形≫、≪丸棒成形ギヤ成形≫後に≪アニール処理≫を行った平歯車の真円度を以下の条件で測定した。
真円度円筒形状測定機((株)ミツトヨ製:ラウンドテストRA-400)を使用して、成形されたギヤの外周形状を測定し、LSC法(最小二乗中心法によって、偏差の二乗和が最小となる円に同心で外接する円と内接する円との半径差を誤差とする方法)で誤差をμmで表し、このギヤの全ピッチ誤差(μm)を真円度とした。この数値が小さいほど、真円度が高いと判断できる。
例Iについて、先の≪射出成形ギヤ成形≫、≪丸棒成形ギヤ成形≫で得られたウォームホイールギヤを、東芝機械(株)製の歯車耐久試験機に、ウォームと樹脂製のウォームホイールギヤを組み合わせて設置した。駆動側をウォームホィールギヤ、従動側をウォームとした。また、噛み合い部分にグリース(協同油脂株式会社製マルテンプ CPL)を塗布し、手で回転させてグリースがウォームとウォームホィールギヤ全体になじむようにした。次に、駆動側の歯車を下記条件で回転させ、歯車が破壊するまでの時間(耐久時間)を測定した。
耐久性試験:温度23℃、湿度50%、トルク25N/m、回転速度30rpm
往路と復路それぞれの1回転後に、10秒の間隔をあけてから、反対方向への回転を実施した。
基油(エステル系合成油)60~70質量%
増稠剤(ウレア誘導体)10~20質量%
極圧剤(ポリテトラフルオロエチレン)15~25質量%
その他(酸化防止剤)5質量%以下
耐久性試験A:トルク5N/m、回転数1000rpm
耐久性試験B:トルク5N/m、回転数2000rpm
耐久性試験C:トルク15N/m、回転数1000rpm
耐久性試験D:トルク20N/m、回転数1000rpm
また、耐久性試験Aにおいて、吸水寸法変化を、先の≪吸水寸法変化≫と同様に測定した。
例IIについて、静音性については、≪ギヤ耐久性試験≫の際に評価した。駆動側の歯車の軸より50mm離れた箇所にマイクを設置し、ギヤ耐久性試験開始後、60分後から1分間、騒音計(JIS C1502準拠)にて騒音レベルを測定し、以下の基準で評価した。
優:最大の騒音レベルが70dB未満
良:最大の騒音レベルが70dB以上75dB未満
可:最大の騒音レベルが75dB以上85dB未満
不良:最大の騒音レベルが85dB以上
例IIについて、先の製造条件で得られたペレット形状の樹脂組成物を、引き取り装置と、押出機ダイ部に水冷ゾーンを有した30mm単軸固化押出成形機に供給し、シリンダー温度をポリアミド系材料について280℃、ポリオキシメチレン系材料について230℃に設定し、直径60mmの丸棒を固化押出した。この際、押出成形体のヒケと、ミクロボイドの発生を抑制するため、押出速度が3mm/分となるよう、引き取り装置をダイ側に向かって駆動させた。得られた丸棒を切削し、≪成形条件・ギヤ成形A≫と同じ歯車に成形した。なお、ポリアミド系材料については、吸湿による変化が起きるため、成形直後にアルミ防湿袋にて保管し、吸湿を抑制した。
例IIについて、先の≪成形条件・ギヤ成形A≫で得られたギヤを射出成型ギヤ、≪成形条件・丸棒ギヤ成形≫で得られたギヤを丸棒切削ギヤとし、各々のギヤを歯に対して垂直方向に半分に割断し、その断面を観察し、ミクロボイドの有無を確認した。観察には、共焦点顕微鏡(OPTELICS(登録商標) H1200、レーザーテック(株)社製)を用いた。ミクロボイドが観察されたものについては、そのボイドが発生している領域の大きさを測定し、発生領域の円相当径の直径で数値として表した。観察されたボイドのうち最大値を記録した。
(実施例1~9及び比較例1~12)
樹脂組成物を先の製造条件に記載の方法で得た。これらを上述した評価方法に準拠して成形及び評価した。結果を表4、5に記載する。
(実施例1~13及び比較例1~4)
ポリアミド系樹脂組成物を表6及び7記載の方法で得た。これらを上述した評価方法に準拠して成形及び評価した。結果を表6及び7に記載する。
ポリアセタール系樹脂組成物を表8記載の方法で得た。これらを上述した評価方法に準拠して成形及び評価した。結果を表8に記載する。
Claims (39)
- (A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含み、前記(A)熱可塑性樹脂の数平均分子量が10000~150000の範囲にある樹脂組成物で構成された樹脂成形体であり、他のギヤ歯との摺動面の算術平均表面粗さSaが3.0μm以下である、ギヤ。
- (A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含み、前記(A)熱可塑性樹脂の数平均分子量が10000~150000の範囲にある樹脂組成物で構成された樹脂成形体であり、他のギヤ歯との摺動面の算術平均表面粗さSaが3.0μm以下である、EPS(電動パワーステアリング)用のギヤ。
- 前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス1~10を有する、請求項1又は2に記載のギヤ。
- 前記樹脂組成物が、(A)熱可塑性樹脂45~95質量%、及び(B)セルロースナノファイバー5~50質量%を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載のギヤ。
- 前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、及びポリフェニレンスルフィド系樹脂からなる群より選択される1種以上の樹脂である、請求項1~4のいずれか一項に記載のギヤ。
- (A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド及びポリアセタールからなる群より選択される1種以上の樹脂である、請求項4に記載のギヤ。
- 前記樹脂組成物が(C)表面処理剤を更に含む、請求項1~6のいずれか一項に記載のギヤ。
- (C)表面処理剤の数平均分子量が200~10000である、請求項7に記載のギヤ。
- 前記樹脂組成物が、(C)表面処理剤を(B)セルロースナノファイバー100質量部に対して1~50質量部含む、請求項7又は8に記載のギヤ。
- 前記樹脂組成物が(D)金属イオン成分を更に含む、請求項1~9のいずれか一項に記載のギヤ。
- 前記樹脂組成物が、(D)金属イオン成分を(A)熱可塑性樹脂100質量部に対して0.005~5質量部含む、請求項10に記載のギヤ。
- (E)摺動剤成分を更に含む、請求項1~11のいずれか一項に記載のギヤ。
- 前記樹脂組成物が、(E)摺動剤成分を(A)熱可塑性樹脂100質量部に対して0.01~5質量部含む、請求項12に記載のギヤ。
- (E)摺動剤成分の融点が40~150℃である、請求項12又は13に記載のギヤ。
- ISO179に準拠して測定したときの前記樹脂組成物の曲げ弾性率が3000MPa以上である、請求項1~14のいずれか一項に記載のギヤ。
- ISO 294-3に準拠して作製された多目的試験片の形態で、往復動摩擦摩耗試験機、及び相手材料として直径5mmの球であるSUS304試験片を用い、線速度50mm/sec、往復距離50mm、温度23℃、湿度50%、及び荷重19.8Nにて測定したときの摩擦係数の、前記(B)セルロースナノファイバーを含まない他は前記樹脂組成物と同組成の組成物の値(I)に対する前記樹脂組成物の値(II)の比である摩擦係数比(II/I)が、0.8以下である、請求項1~15のいずれか一項に記載のギヤ。
- 80℃熱水中に24時間曝露し、その後、80℃相対湿度57%の条件下で120時間保持して吸水させた際の吸水寸法変化が、3%以下である、請求項1~16のいずれか一項に記載のギヤ。
- 真円度が400μm以下である、請求項1~17のいずれか一項に記載のギヤ。
- 前記ギヤ内のボイドの最大サイズが1.0μm以下である、請求項1~18のいずれか一項に記載のギヤ。
- モジュールが2.0以下である、請求項1~19のいずれか一項に記載のギヤ。
- (A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物で構成された樹脂成形体であるギヤであって、
前記ギヤが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤ。 - (A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物で構成された樹脂成形体であるEPS(電動パワーステアリング)用のギヤであって、
前記ギヤが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤ。 - 射出成型品である、請求項1~22のいずれか一項に記載のギヤ。
- 削り出し成形品である、請求項1~22のいずれか一項に記載のギヤ。
- 丸棒成型体からの切削加工品である、請求項24に記載のギヤ。
- 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるギヤシステムであって、
前記従動ギヤ及び/又は前記駆動ギヤが、請求項1~25のいずれか一項に記載のギヤである、ギヤシステム。 - 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるEPS(電動パワーステアリング)用のギヤシステムであって、
前記従動ギヤ及び/又は前記駆動ギヤが、請求項1~25のいずれか一項に記載のギヤである、ギヤシステム。 - 前記ギヤ機構が、ラックとピニオンとで構成されるラック・アンド・ピニオン機構、又はウォームとウォームホイールとで構成されるウォームギヤ機構であり、
前記ピニオン又は前記ウォームホイールが、請求項1~25のいずれか一項に記載のギヤである、請求項26又は27に記載のギヤシステム。 - 前記ピニオン又は前記ウォームホイールが、ギヤの歯の全歯たけ/円ピッチ比1.0~20を有する、請求項28に記載のギヤシステム。
- 前記ピニオン又は前記ウォームホイールが、ギヤの歯の円ピッチ/歯幅比1.0~3.0を有する、請求項28又は29に記載のギヤシステム。
- 前記ピニオン又は前記ウォームホイールにかかるトルクが5N・m~100N・mである、請求項28~30のいずれか一項に記載のギヤシステム。
- 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるギヤシステムであって、
前記ギヤ機構が、ウォームとウォームホイールとで構成されるウォームギヤ機構であり、
前記ウォームホイールが、(A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物の射出成形体であるギヤであり、
前記ウォームホイールが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤシステム。 - 従動ギヤと前記従動ギヤに噛合する駆動ギヤとで構成されるギヤ機構、及び
前記駆動ギヤを駆動する駆動源、
を備えるEPS(電動パワーステアリング)用のギヤシステムであって、
前記ギヤ機構が、ウォームとウォームホイールとで構成されるウォームギヤ機構であり、
前記ウォームホイールが、(A)熱可塑性樹脂と、(B)平均繊維径が1000nm以下であるセルロースナノファイバーとを含む樹脂組成物の射出成形体であるギヤであり、
前記ウォームホイールが、真円度400μm以下を有し、
前記(A)熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂を含み、
前記樹脂組成物が、前記(A)熱可塑性樹脂の融点よりも25℃高い温度におけるチキソトロピーインデックス2~10を有する、ギヤシステム。 - 前記従動ギヤと前記駆動ギヤとがグリースを介して互いに噛合しており、
前記グリースが、
鉱油、ポリα-オレフィン油、及びアルキルポリフェニルエーテルからなる群から選ばれる少なくとも一種を80質量%以上の割合で含有する基油、
増稠剤、及び
融点又は軟化点が70~130℃の範囲にある炭化水素系ワックス3~10質量%
を含む、請求項26~33のいずれか一項に記載のギヤシステム。 - 前記駆動源が、作動回転数800rpm以上のモータである、請求項26~34のいずれか一項に記載のギヤシステム。
- 前記駆動源が、作動回転数10000rpm以下のモータである、請求項26~35のいずれか一項に記載のギヤシステム。
- 前記ギヤにかかるトルクが3N/m以上である、請求項26~36のいずれか一項に記載のギヤシステム。
- 前記ギヤにかかるトルクが5N・m以上である、請求項37に記載のギヤシステム。
- 前記ギヤにかかるトルクが10N/m以上である、請求項38に記載のギヤシステム。
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