JP4647239B2 - トロコイド式ポンプのアウターロータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、トロコイド式ポンプのアウターロータなどに使用される樹脂製の摺動部品およびその製造方法に関する。

例えば、自動車のオイルポンプには、図４に示すような、内歯５１，５１・・・が形成された歯形状の貫通孔５２を有する円筒状のアウターロータ５３と、外表面に外歯５４，５４・・・が形成されて歯形状になっており、回転可能なインナーロータ５５とを具備し、それぞれの歯形が噛み合うトロコイド式ポンプ５０が使用されている。近年、このトロコイド式ポンプは、軽量化を目的として樹脂製のものが普及している。トロコイド式ポンプに使用される樹脂としては、油温（１２０℃程度）での強度および耐摩耗性が求められることから、通常、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やポリイミド（ＰＩ）などのスーパーエンジニアリングプラスチックが挙げられる（非特許文献１参照）。
従来、樹脂製トロコイド式ポンプのアウターロータを製造するには、樹脂を押出成形または射出成形して丸棒材を作製し、その丸棒材の外周および端面を加工し、さらに歯形状の貫通孔を形成する歯形加工を施していた。
「ＰＥＥＫ技術レポート」、ビクトレックス・エムシー株式会社発行、創刊準備号、２００３年１月３１日、ｐ．２

ところが、ＰＥＥＫやＰＩなどのスーパーエンジニアリングプラスチックは加工性が乏しい上に、トロコイド式ポンプのアウターロータの形状は複雑かつコーナ部の曲率半径が小さいため、加工に時間を要し、歩留まりが低かった。さらに、スーパーエンジニアリングプラスチックは高価な材料であるために、樹脂製のトロコイド式ポンプのアウターロータは高コストになった。
そこで、コストを低くするために、貫通孔も射出成形により形成して歯形加工を省くことが考えられている。しかし、歯形状の貫通孔が形成されたアウターロータは厚肉の部分を有するため、射出成形した場合にはヒケやその他の変形が発生しやすかった。その結果、射出成形により得たアウターロータは寸法精度が低くなることがあった。特に、線膨張係数が大きいＰＥＥＫを用いた場合にはその傾向が顕著であった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、寸法精度に優れる上に、低コストである樹脂製の摺動部品およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のトロコイド式ポンプのアウターロータの製造方法は、第１の樹脂を射出成形して、外表面に軸線方向に沿って溝が複数形成された樹脂製のアウターロータ本体を得る第１の工程と、そのアウターロータ本体の存在下、その外側に第２の樹脂を射出成形して、前記溝の内部に第２の樹脂が入り込んだ外周部を形成する第２の工程とを有し、前記アウターロータ本体の溝が、インナーロータとの摺動面近傍にまで達する深さの溝であることを特徴とする。
このようなトロコイド式ポンプのアウターロータの製造方法では、アウターロータ本体の肉厚が薄くなり、樹脂の温度・圧力を均一にできる上に、溝により収縮を緩衝できる。そのため、ヒケやその他の変形を防止でき、寸法精度を高くできる。しかも、射出成形でアウターロータ本体の歯形を成形するから、歯形加工を省略でき、低コストである。
本発明のトロコイド式ポンプのアウターロータの製造方法においては、第１の樹脂が炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトンであることが好ましい。第１の樹脂が炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトンであれば引張強度および剛性が高くなる。
本発明のトロコイド式ポンプのアウターロータ、外表面に軸線方向に沿って溝が複数形成された樹脂製のアウターロータ本体と、該アウターロータ本体の外側に設けられ、前記アウターロータ本体の存在下で前記溝内に樹脂の一部が充填されて形成された樹脂製の外周部とを具備し、前記アウターロータ本体の溝が、インナーロータとの摺動面近傍にまで達する深さのものであることを特徴とする。

本発明の摺動部品およびその製造方法によれば、寸法精度を高くできる上に、低コストである。

本発明の摺動部品およびその製造方法の一実施形態例について説明する。
図１に、本実施形態例の摺動部品を示す。本実施形態例の摺動部品１は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製の摺動部品本体１０と、その外側に形成されたポリイミド（ＰＩ）製の外周部２０とを具備するトロコイド式ポンプのアウターロータである。
摺動部品本体１０には、内歯１１が５つ形成された歯形状の表面を有する貫通孔１２が形成されている。この貫通孔１２の歯形の形状は、インナーロータの歯形に対応した形状になっており、貫通孔１２の表面は、インナーロータの外表面が摺動する摺動面になる。
また、摺動部品本体１０の外表面には、貫通孔１２の形成方向と平行で、深さが摺動面近傍にまで達する溝１３，１３・・・が多数形成されている（図２参照）。

外周部２０は摺動部品本体１０の外側に設けられたものである。後述するように、外周部２０は摺動部品本体１０の存在下、その外側から樹脂を射出成形することで設けられる。その場合、摺動部品本体１０の溝１３の内部にも樹脂が充填されるから、摺動部品本体１０の外周面の外側だけが外周部２０になるのではなく、摺動部品本体１０の溝１３の内部にも外周部２０が形成される。つまり、外周部２０は、その一部が摺動部品本体１０の溝１３の内部に入り込んだ構造になっている。

摺動部品本体１０および外周部２０をなす樹脂は、ガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維を含むことが好ましく、強化繊維の中でも炭素繊維が好ましい。樹脂が強化繊維を含めば、引張強度や剛性が高くなり、例えば、炭素繊維を３０体積％含有する場合には引張強度が約２．５倍向上する。ただし、強化繊維の含有量が多くなりすぎると脆くなるので強化繊維の含有量は５０質量％以下であることが好ましい。

次に、摺動部品の製造方法について説明する。
まず、摺動部品本体１０を成形するための第１の金型を用意する。ここで、第１の金型は、内部が円筒状のキャビティになっている金型本体と、金型本体のキャビティの略中心に配置され、外表面に外歯が形成されて歯形状になっている第１のインサートと、金型本体の内表面から第１のインサートの近傍に向かって多数配置され、高さが第１のインサートと略同等の第２のインサートと、第１のインサートおよび第２のインサート上に配置された天板とを具備するものである。
そして、第１の工程にて、この金型を取り付けた射出成形機により第１の樹脂であるＰＥＥＫを射出成形して、歯形状の貫通孔を有し、貫通孔と平行の溝が外表面に多数形成されたＰＥＥＫ製の摺動部品本体１０（図２参照）を作製する。

次いで、摺動部品本体１０より大きく、摺動部品１の形状に相当するキャビティを有する第２の金型を用意し、これを射出成形機に取り付ける。そして、第２の工程にて、図３に示すように、第２の金型３０の内部に摺動部品本体１０を配置し、摺動部品本体１０上に天板３１を載せた後、第２の樹脂であるＰＩを射出成形して、摺動部品本体１０の外側に外周部を成形して摺動部品を得る。この際、ＰＩは摺動部品本体１０の外周面の外側のみならず、外表面側から摺動部品本体１０の溝１３の内部にも充填されるので、摺動部品本体１０の溝１３の内部にも外周部が形成される（図１参照）。
次いで、得られた摺動部品１を第２の金型から取り出した後、仕上げ工程にて、ゲート部を旋盤加工で切除し、外周面および端面を旋盤加工して最終的な摺動部品１を得る。

以上説明した実施形態例では、外表面に溝が形成された摺動部品本体を射出成形により製造した後、その摺動部品本体存在下、その外側からＰＩを射出成形し、外周部を設けて、摺動部品と外周部とを具備する摺動部品を得る。この製造方法では、摺動部品本体に溝を形成するので、肉厚が薄くなり、樹脂の温度・圧力を均一にできる上に、溝により収縮を緩衝できる。そのため、線膨張係数の大きいＰＥＥＫ製であってもヒケやその他の変形を防止でき、寸法精度を高くできる。そして、その寸法精度の高い摺動部品本体の外側に、成形性に優れ、ヒケやその他の変形が生じにくいＰＩで外周部を射出成形により設けることにより、寸法精度に優れた摺動部品を得ることができる。しかも、射出成形で摺動部品本体の歯形を形成し、歯形加工を省略するから、低コストである。
また、摺動部品本体は耐摩耗性に優れたＰＥＥＫ製であるので、インナーロータが摺動する摺動面の摩耗を抑制できる。さらに、ＰＩは１２０℃以上の高温強度に優れるから、耐摩耗性と強度とがともに優れた摺動部品を得ることができる。

なお、本発明の摺動部品は、上述した実施形態例に限定されない。例えば、上述した実施形態例では、摺動部品本体がＰＥＥＫからなり、外周部がＰＩからなっていたが、本発明はその組み合わせに限定されず、以下の樹脂から適宜選択して組み合わせればよい。使用できる樹脂としては、例えば、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリ四フッ化エチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステルなどが挙げられる。これらの中でも、耐摩耗性および耐熱性に優れていることから、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンオキシド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリ四フッ化エチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾールが好ましい。
また、摺動部品をなす第１の樹脂と外周部をなす第２の樹脂は同じものであってもよい。しかし、上述した実施形態例のように、第１の樹脂には耐摩耗性に優れた樹脂を用い、第２の樹脂には成形性に優れた樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂の組み合わせにより、寸法精度をより高めることができる。
さらに、上述した樹脂は２種類以上混合して使用しても構わない。

（実施例）
実施例の摺動部品は、図１に示すような、炭素繊維を３０体積％含むＰＥＥＫ（ビクトレックス・エムシー株式会社製、ＰＥＥＫ４５０ＣＡ３０）製の摺動部品本体１０と、摺動部本体１０の外側に設けられ、炭素繊維を３０質量％含むＰＩ（三井化学株式会社製、オーラムＪＣＮ３０３０）製の外周部２０とを具備するトロコイド式ポンプのアウターロータである。
このアウターロータは以下のようにして製造した。まず、第１の金型を射出成形機に取り付け、その射出成形機によりＰＥＥＫを射出成形した。ここで、第１の金型としては、内部が円筒状のキャビティになっている金型本体と、金型本体のキャビティの略中心に配置され、外表面に外歯が形成されて歯形状になっている第１のインサートと、第１のインサートの近傍から外側に向かって多数配置され、高さが第１のインサートと略同等である第２のインサートと、第１のインサートおよび第２のインサート上に配置された天板とを具備するものを用いた。また、射出成形時の射出圧力を１８０ＭＰａ、金型温度を１９０℃、射出時間を８秒、保持時間を４０秒とした。このような条件で射出成形することにより、図２に示すような、歯形状の貫通孔１２と外表面に溝１３とが形成されたＰＥＥＫ製の摺動部品本体１０を作製した。

次いで、アウターロータの形状に相当するキャビティを有する第２の金型を用意し、これを射出成形機に取り付けた。そして、図３に示すように、その金型３０の内部に摺動部品本体１０を配置し、摺動部品本体１０上に天板３１を載せた後、ＰＩを射出成形した。その際、射出圧力を１８０ＭＰａ、金型温度を２２０℃、射出時間を８秒、保持時間を４０秒とした。このようにして、摺動部品本体の外側に外周部を成形して、図１に示すようなアウターロータ１０を得た。
次いで、得られたアウターロータを第２の金型から取り出した後、ゲート部を旋盤加工で切除し、最後に、外周面および端面を旋盤加工して最終的なアウターロータを得た。
このアウターロータは、摺動面を有する摺動部品本体がＰＥＥＫ製であるから、摺動面の耐摩耗性が高い。また、ＰＥＥＫを射出成形して摺動部品本体を得た後、その摺動部本体の存在下でＰＩを射出成形し、外周部を設けて得たものであるから、ヒケやその他の変形が防止されており、寸法精度が高い（歯形精度；±５０μｍ）。さらに、射出成形で歯形を形成し、歯形加工を省略したので低コストである。

（比較例）
実施例における第２の金型を用意し、その金型の内部に摺動部品本体を配置せずに、外周面に外歯が形成されて歯形状になっているインサートを配置し、ＰＥＥＫを射出成形（射出圧力；１８０ＭＰａ、金型温度；１９０℃、射出時間；８秒、保持時間；４０秒）してアウターロータを得た。このアウターロータは厚肉の部分でヒケが発生したので寸法精度が低かった（歯形精度；数百μｍ程度）。

（参考例１）炭素繊維含有量について
ＰＥＥＫに含まれる炭素繊維量により物性は変化する。表１には、炭素繊維含有量が異なるＰＥＥＫの引張強度、曲げ強度、曲げ弾性率、線膨張係数、比重の測定結果を示す。
表１に示すように、炭素繊維含有量が多くなる程、引張強度、曲げ強度、曲げ弾性率、比重は大きくなり、線膨張係数は小さくなる。したがって、炭素繊維の含有量の高いＰＥＥＫを用いれば、摺動部品の引張強度、曲げ強度、曲げ弾性率、比重を大きくでき、さらに、寸法精度をより高くできる。すなわち、炭素繊維を多く含むＰＥＥＫを用いた摺動部品は寸法精度がより高いものになり、しかも引張強度、曲げ強度、曲げ弾性率が大きくなる。また、炭素繊維を含有させることで、比重増加を抑えることができる。

（参考例２）耐摩耗性について
ＰＥＥＫおよびＰＩの耐摩耗性について調べた。具体的には、ＰＥＥＫまたはＰＩを射出成形してアウターロータを作製し、このアウターロータをトロコイド式ポンプに装着し、マグネシウム合金製インナーロータを回転させて摩耗量を測定した。その際の条件としては、回転数；８０００ｒｐｍ、温度；１２０℃、時間；６時間、オイル吐出圧；０．２ＭＰａとした。
その結果、ＰＥＥＫ製アウターロータの最大摩耗量は２５μｍ、ＰＩ製アウターロータの最大摩耗量は７５μｍであった。よって、摺動面を有する摺動部品本体をＰＥＥＫで形成すれば耐摩耗性に優れた摺動部品を得ることができる。

本発明に係る摺動部品の一実施形態例を示す斜視図である。 図１の摺動部品を構成する摺動部品本体を示す斜視図である。 第２の工程を模式的に示す図である。 トロコイド式ポンプの一例を示す図である。

符号の説明

１ 摺動部品
１０ 摺動部品本体
１３ 溝
２０ 外周部

Claims (3)

1. 第１の樹脂を射出成形して、外表面に軸線方向に沿って溝が複数形成された樹脂製のアウターロータ本体を得る第１の工程と、
   そのアウターロータ本体の存在下、その外側に第２の樹脂を射出成形して、前記溝の内部に第２の樹脂が入り込んだ外周部を形成する第２の工程とを有し、
   前記アウターロータ本体の溝が、インナーロータとの摺動面近傍にまで達する深さの溝であることを特徴とするトロコイド式ポンプのアウターロータの製造方法。
2. 第１の樹脂が炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトンであることを特徴とする請求項１に記載のトロコイド式ポンプのアウターロータの製造方法。
3. 外表面に軸線方向に沿って溝が複数形成された樹脂製のアウターロータ本体と、該アウターロータ本体の外側に設けられ、前記アウターロータ本体の存在下で前記溝内に樹脂の一部が充填されて形成された樹脂製の外周部とを具備し、前記アウターロータ本体の溝が、インナーロータとの摺動面近傍にまで達する深さのものであることを特徴とするトロコイド式ポンプのアウターロータ。

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