JP4533424B2 - 摺動材料及び湿式無段変速機用ベルト - Google Patents
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Description
第2の発明においては、ベルトを構成するブロックの、プーリ(プーリ側接触面)と接触する接触面(ブロック側接触面)の一部もしくは全部に、メソフェーズピッチ系炭素繊維の含有割合が1〜60体積%の前記第1の発明である摺動材料を用いることで、上記のような高い接触面圧条件下においても、ブロックとプーリとの間、換言すればベルトとプーリとの間の摩擦係数(μ)を大きくすることができる。また、高すべり速度領域、低荷重領域等のベルトとプーリとの間に油膜が形成されやすい条件であっても、大きな摩擦係数(μ)を維持することができ、両者の接触状態を良好に保つことが可能である。
本発明の摺動材料は、湿式無段変速機の摺動部を形成するのに適した樹脂材料であり、少なくとも、母材となる樹脂と、メソフェーズピッチ系炭素繊維とを含んでなり、必要に応じて、更に分散剤、離型剤、着色剤などの他の成分を用いて構成することができる。
本発明の摺動材料は、メソフェーズピッチ系炭素繊維の少なくとも一種を含有する。メソフェーズピッチ系炭素繊維を含有することにより、ブロックのプーリ(プーリ側接触面)と接触する接触面(ブロック側接触面)における摩擦係数(μ)を高くすることができ、これによって、ベルトとプーリとの間の摩擦をも抑制することができる。
メソフェーズピッチ系炭素繊維の含有割合としては、上記同様の理由から、5〜50体積%の範囲がより好ましく、25〜50体積%の範囲が更に好ましい。
メソフェーズピッチは、平板状の縮合多環芳香族炭化水素高分子の混合物であり、液晶性を示す。ナフタレン等の芳香族化合物など2環以上の縮合多環式炭化水素又はこれを含有する物質を重合するとメソフェーズピッチが得られる。このメソフェーズピッチを溶融紡糸すると、液晶芳香族高分子を例えば断面円形の細管を通すと配向するのと同様に、平板状の縮合多環芳香族炭化水素高分子の芳香環核が繊維軸方向に配向したメソフェーズピッチ繊維が得られる。このメソフェーズピッチ繊維を不融化工程において気相で酸化することにより架橋構造が形成され、熱で溶融しない状態に処理される。その後、不活性雰囲気下で高温熱処理することにより、炭素以外の元素が離脱して炭素繊維が得られる。このとき、熱処理温度の違いで炭化もしくは黒鉛化と呼ばれ、黒鉛化は通常2000℃以上の熱処理を指す。メソフェーズピッチ系炭素繊維の製造時に外力が加えられるのは、溶融紡糸の際に平板状の縮合多環芳香族炭化水素高分子を細管を通す時のみであるため、炭化、黒鉛化処理時に炭素以外の元素が離脱した箇所に空隙が生じ、繊維内に空隙を有することになる。このようにして繊維内に空隙が存在することにより、繊維接触面の真実接触面積は減少する一方で真実接触面圧が増加し、油膜貫通能力が高くなるものと推察される。
PAN系炭素繊維は、アクリロニトリルを重合して得られたポリアクリロニトリルを紡糸してPAN繊維とし、その後耐炎化・炭素化・黒鉛化することでPAN系炭素繊維を得る。PAN系炭素繊維は、PAN系前駆体(PAN系耐炎化繊維、PAN繊維、又はPAN)に1軸配向を賦与した状態で炭化焼成した場合に、以降の過程では配向が保持された繊維構造を有する炭素繊維が得られるという特徴がある。耐炎化工程でPAN分子は、ピリジン環あるいはアクリドン環などを主成分とするラダーポリマーとなる。耐炎化処理時に分子の配向性が熱収縮により崩壊するのを防ぐために、緊張化もしくは延伸操作を加えながら耐炎化処理を行なう。このとき、炭素以外の元素が離脱するが、緊張化もしくは延伸操作を加えているので、繊維内に生じる空隙が少なくなると考えられる。その後、炭素化して炭素繊維を得る。そのため、繊維内の空隙が少なく、メソフェーズピッチ系繊維と比較して真実接触面積が増大し、真実接触面圧が低下するため、油膜貫通能力を低下させていると推察される。
炭素繊維の伸び率は、黒鉛化が発達しているほど小さく、その指標は熱伝達率、密度、炭素含有量でみることができる。例えば、熱伝達率が高いほど黒鉛構造が大きくなるため、連続した黒鉛構造の炭素繊維となり、伸び率は低くなる(逆に黒鉛構造が小さいときには、黒鉛構造が断続的に繋がった炭素繊維になるため、熱伝達率は小さい)。同密度の場合は、炭素含有量が高いほど伸び率は低く、同炭素含有量の場合は、密度が高いほど伸び率は低い傾向がある。最も好ましいのは、伸び率の低い高熱伝達率、高密度、高炭素含有量のメソフェーズピッチ系炭素繊維である。
メソフェーズピッチ系炭素繊維の熱伝達率、高密度、高炭素含有量の好ましい範囲を以下に示す。
本発明の摺動材料は、母材として樹脂の少なくとも一種を含有する。樹脂としては、特に限定されるものではなく、公知の樹脂を任意に選択して用いることができる。
樹脂の含有量については、耐摩耗性の確保及び高μ化効果を大きくする場合には繊維を多く入れる必要があるものの、多く入れると成形性が悪化し、成形性を重要視しすぎると炭素繊維の量を減らすこととなり、耐摩耗性及び高μ化効果が得られなくなる。したがって、上記の範囲内とするのが好ましい。
前記補強材としては、有機繊維及び無機繊維等が挙げられる。例えば、セルロース繊維、ポリアミド繊維、ポリイミド繊維、アラミド繊維等の有機繊維;シリカ繊維、ムライト繊維、金属繊維、チタン酸カリウム繊維、炭素繊維等の無機繊維等が挙げられる。
前記充填材としては、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア等の無機粒子が挙げられる。また、カシューダストを用いてもよい。
前記分散剤としては、各種のアルミニウムキレート剤等が挙げられる。
前記離型剤としては、例えば、ステアリン酸力ルシウム等の各種の界面活性剤等が挙げられる。
前記着色材としては、例えばカーボンブラック等が挙げられる。
次に、本発明の摺動材料の製造方法について説明する。
本発明の摺動材料の製造方法は、樹脂と1〜60体積%のメソフェーズピッチ系炭素繊維とを含有できる方法であれば、特に制限はなく、例えば、樹脂及びメソフェーズピッチ系炭素繊維等の所定の素材を加熱しながら混合することにより製造することができる。また、本発明の摺動材料を基体の表面に被覆する場合には、例えば、所定の金型に基体を設置し、該金型に本発明の摺動材料を投入後、加熱加圧成形し樹脂を硬化させて樹脂部を形成する等の方法により行なえる。また、所定の金型に基体を設置し、該金型に本発明の摺動材料を投入後、加熱加圧成形し樹脂を溶融後冷却することにより、樹脂部を形成する等の方法にしてもよい。もしくは、本発明の摺動材料を液組成物に調製し、この液組成物を基体表面に塗布、スプレー、浸漬等の任意の方法により付与し、乾燥、硬化、又は溶融後冷却することにより、樹脂部を形成してもよい。
本発明の湿式無段変速機用ベルトは、基体及び、該基体の、プーリのプーリ側接触面と接触する接触面の少なくとも一部に設けられた既述の本発明の摺動材料を有し、プーリのプーリ側接触面との接触により動力伝達を行なう複数のブロックと、前記ブロックを支持する無端形状のフープと、を設けて構成されている。
図3に示すように、湿式無段変速機1は、駆動側プーリ21と、従動側プーリ22と、ベルト3とから構成される。駆動側プーリ21は、金属製であり、駆動軸(図略)に取り付けられている。駆動側プーリ21は、対向する二つの円板体を備える。各々の円板体の対向面210は、テーパ状を呈している。従動側プーリ22は、金属製であり、従動軸(図略)に取り付けられている。従動側プーリ22は、対向する二つの円板体を備える。各々の円板体の対向面220はテーパ状を呈している。ベルト3は、駆動側プーリ21と従動側プーリ22とに巻き付けられている。ベルト3は、左右一対のフープ31と、複数のブロック32とからなる。複数のブロック32は、一対のフープ31に挟まれており、一対のフープ31の周方向に連続的に係止されている。ベルト3は、本発明の湿式無段変速機用ベルトに相当する。
−樹脂系材被覆ブロック試験片の作製−
以下の手順にしたがって、所定割合の炭素繊維、フェノール樹脂粉末、分散剤、離型剤、及び着色材からなる樹脂系材を金属芯金に被覆したブロック試験片を作製した。
以上のようにして、樹脂系材被覆ブロック試験片を作製した。
実施例1において、混合粉末の調製に用いたダイアリードK233QE(41.8%)を、炭素高含有ラジアル構造炭素繊維(商品名:ダイアリードK233HG(メソフェーズピッチ系炭素繊維)、三菱化学産資(株)製;炭素含有率:99.9%以上、伸び度:0.3%、熱伝達率:540W/m・K、密度:2.2g/cm3、繊維径:11μm、黒鉛結晶構造:繊維軸方向配向のラジアル構造チョップドファイバー)44.1%(30体積%)に代え、さらにカシュー変性フェノール樹脂の粉末の量を56.7%から54.4%(68体積%)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、樹脂系材被覆ブロック試験片を作製した。
実施例1において、混合粉末の調製に用いたダイアリードK233QE(41.8%)を、炭素低含有オニオン構造炭素繊維(商品名:トレカ T010−6(PAN系炭素繊維)、東レ(株)製;熱伝達率:10.5W/m・K、密度:1.76g/cm3、繊維径:7μm、黒鉛結晶構造:繊維軸方向配向のオニオン構造カットファイバー)38.7%(30体積%)に代え、さらにカシュー変性フェノール樹脂の粉末の量を56.7%から59.8%(68体積%)に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、樹脂系材被覆ブロック試験片を作製した。
比較用の樹脂系材被覆ブロック試験片として、スティールベルト材(湿式CVTベルト用金属材;比較例1)、樹脂系ベルト材(乾式CVTベルト用樹脂材;比較例2)を用意した。
実施例1において、混合粉末の調製に炭素高含有ラジアル構造炭素繊維(ダイアリードK233QE)を用いず、かつカシュー変性フェノール樹脂の粉末の量を56.7%から98.5%に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、比較用の樹脂系材被覆ブロック試験片を作製した。
実施例1において、混合粉末の調製に用いた炭素高含有ラジアル構造炭素繊維(ダイアリードK233QE)又はその量(41.8%)を、下記表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、比較用の樹脂系材被覆ブロック試験片を作製した。
前記実施例及び比較例の樹脂系材被覆ブロック試験片の各々について、摩擦特性及び耐摩耗性の評価を以下に示す方法にしたがって行なった。評価結果は図9、図10に示す。
−1.評価方法−
各実施例及び比較例のブロック試験片を用いて、ブロック・オン・リング型摩擦摩耗試験を実施した。試験方法の概略を図8に示す。試験は,ASTM D2714−94に準じ、リング試験片を100mlの潤滑油に浸潰した条件において実施し、12分間のなじみ運転を行なった後、下記表3に示す条件にて摩擦係数(μ)を測定した。摩擦係数(μ)については、すべり速度を設定した後、1分間経過した時点での値を測定した。潤滑油には、市販のベルトCVT用フルード トヨタキャッスルオート−フルードTCを用いた。相手リングには、FALEX Type S−10試片(材質:SAE4620浸炭材、外周直径:φ35mm,幅8.15mm)を用いた。
2.1 摩擦係数(μ)
実施例1〜2及び比較例1〜8のブロック試験片のすべり速度500mm/sにおける摩擦係数(μ)を図9に示す。ここで、比較例1の湿式CVTベルト用金属材の摩擦係数(μ)が基準となる。
図9に示すように、所定量のメソフェーズピッチ系の炭素繊維を配合した実施例では、従来の湿式CVTベルト用金属材(比較例1)に比べ、高い摩擦係数(μ)を示した。特に、黒鉛結晶構造がラジアル構造をとっている炭素繊維を用いた実施例1〜2は、大幅に高い摩擦係数(μ)を示し、黒鉛結晶構造がオニオン構造の炭素繊維を用いた比較例8に比べて大きい摩擦係数(μ)を示した。
これに対し、繊維を配合していない比較例3では、耐摩耗性が確保できていないため、異常摩耗を起こし、測定不可能であった。また、繊維配合量を0.5体積%とした比較例4〜5では、繊維量が少ないために耐摩耗性が確保できず、異常摩耗を起こし、測定不可能であった。繊維量を70体積%とした比較例6〜7では、繊維量が多すぎて樹脂量が少なくなり、混練ができず、試験片を作製できなかった。
以上から、樹脂系材に配合して高μ化効果の得られる炭素繊維の配合量は、1〜60体積%の範囲であることが分かる。
実施例1〜2及び比較例1〜2及び比較例8のブロック試験片の摩擦係数(μ)とすべり速度(V)との関係(μ−V特性;増速に伴なう低μ化を負勾配,増速に伴なう高μ化を正勾配)を図10に示す。図10では、ベルト式CVTにおいて、μ−V特性の負勾配の傾きが小さいことは、スクラッチノイズの発生が生じにくく望ましいとされ、更には、無勾配もしくは正勾配が望ましい。
また、黒鉛結晶構造がラジアル構造をとっている炭素繊維を用いた実施例1〜2の摩擦係数(μ)は、全速度域において従来の湿式CVTベルト用金属材(比較例1)に比べて高く、更には、黒鉛結晶構造がオニオン構造の炭素繊維を用いた比較例8よりも高い摩擦係数(μ)が得られた。黒鉛結晶構造がオニオン構造の炭素繊維を用いた比較例8は、高速のすべり速度域において従来の湿式CVTベルト用金属材より高い摩擦係数(μ)を示した。
21・・・駆動側プーリ
22・・・従動側プーリ
210,220・・・対向面
211・・・プーリ側接触面
3・・・ベルト
31・・・フープ
32・・・ブロック
320・・・基体
321・・・樹脂部(摺動材料からなる樹脂部)
322・・・突部
323・・・係合溝
324・・・ブロック側接触面
Claims (9)
- 湿式無段変速機に用いられる摺動材料であって、
母材となる樹脂と、黒鉛結晶構造を含み、前記黒鉛結晶構造の黒鉛層の積層構造が繊維軸方向からみて繊維軸から繊維周縁方向に形成されたオニオン構造に構成されていないメソフェーズピッチ系炭素繊維とを含み、前記メソフェーズピッチ系炭素繊維の含有割合が1体積%以上60体積%以下である摺動材料。 - 前記メソフェーズピッチ系炭素繊維の繊維軸方向からみた少なくとも繊維周縁は、前記黒鉛結晶構造の黒鉛層の積層構造が繊維軸方向からみて繊維軸を中心に繊維周縁方向に放射状に形成されたラジアル構造を有することを特徴とする請求項1に記載の摺動材料。
- 前記メソフェーズピッチ系炭素繊維は、紡糸の際に平板状の縮合多環芳香族炭化水素の高分子をその平板面の面方向が繊維軸方向に向くように配向させて得られたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の摺動材料。
- 前記メソフェーズピッチ系炭素繊維は、熱伝達率が20W/m・K以上であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の摺動材料。
- 前記メソフェーズピッチ系炭素繊維は、伸び率が1.5%以下であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の摺動材料。
- 前記メソフェーズピッチ系炭素繊維は、密度が1.76kg/m3以上であって、炭素含有割合が99%以上であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の摺動材料。
- 前記樹脂が、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の摺動材料。
- 前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とする請求項7に記載の摺動材料。
- 基体及び、該基体の、プーリのプーリ側接触面と接触する接触面の少なくとも一部に設けられた請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の摺動材料を有し、プーリのプーリ側接触面との接触により動力伝達を行なう複数のブロックと、
前記ブロックを支持する無端形状のフープと、
を備えた湿式無段変速機用ベルト。
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