JP4946498B2 - 樹脂製プーリ - Google Patents

Description

本発明は、樹脂製プーリに関し、より詳しくは自動車に搭載される補機類の駆動用ベルトやその他のベルトのテンショナ用、或いはアイドラプーリ等として使用される樹脂製プーリに関する。

従来、自動車の補機類を駆動するベルトの案内用プーリとして、転がり軸受の外周に樹脂を一体成形してなる樹脂製プーリが採用されている。樹脂製プーリにおいては、ベルトを案内する外径部の成形精度、ベルト張力に耐える強度特性、連続負荷使用による耐熱性及び耐塩化カルシウム性等が要求されている。

そこで、このような成形精度、強度、耐熱性及び耐塩化カルシウム性を向上させる樹脂材料として、ガラス繊維を１５〜４０質量％程度充填した強化ナイロン６６、強化ナイロン６１０、強化ナイロン６１２、或いはポリフェニレンサルファイドとミネラルの複合材料や、ガラス繊維を４３重量％含有した６ナイロン、６６ナイロン、１１ナイロン、１２ナイロン等のポリアミド樹脂を使用した樹脂製プーリが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

本出願人も先に、強度、耐熱性及び耐塩化カルシウム性をバランス良く保持する、ナイロン６６・ナイロン６１２・ガラス繊維からなるポリアミド樹脂組成物製のプーリを提案している（特許文献３参照）。

また、このような樹脂組成物に含有されるガラス繊維は、直径１０〜１３μｍの円形断面のものが使用されている。

特許第３５０６７３５号公報 特許第２８３８０３７号公報 特開２０００−２３１７号公報

しかしながら、本出願人によるナイロン６６・ナイロン６１２・ガラス繊維からなるポリアミド樹脂組成物製プーリは、ガラス繊維強化ナイロン６６に比べて耐塩化カルシウム性に優れるものの、耐熱性に劣るナイロン６１２が海島構造で点在しているため耐熱性に若干劣り、また、耐塩化カルシウム性もナイロン６１２単独に比べて劣る。また、この海島構造に起因して機械的強度も若干低い。

また、円形断面のガラス繊維を用いているため、成形品外径部の成形精度が悪く、十分満足のいくものではなかった。特に、外径部の真円度が大きかったり、外径部表面に存在する凹凸が大きい等の不具合が生じ、それによってベルトを回転させた時に発生する音のレベルが大きくなり、使用上問題があった。

更に、樹脂製プーリは、悪路走行時にベルトとの間に砂塵が入り込むと、外径部表面に摩耗が発生して上述の凹凸が大きくなったり、更に摩耗が進行してプーリの外径が小さくなると、ベルトが外れてしまう虞があった。このような摩耗は、プーリ表面に存在する充填材以外の部分から摩耗が進行し、外径部表面の面荒れが起きることで始まると推定される。

本発明は、このような状況に着目してなされたものであり、強度、耐熱性及び耐塩化カルシウム性の更なる向上を図り、外径部の成形精度の高精度化と耐摩耗性向上を併せて達成した樹脂製プーリを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、転がり軸受と、該転がり軸受の周囲に前記転がり軸受と一体に形成された樹脂部とを備えた樹脂製プーリにおいて、前記樹脂部が、ポリアミド６６樹脂を６０〜８０質量％、ポリアミド１２樹脂を５〜１５質量％、ポリアミド６Ｔ／６Ｉを基本骨格とし、分子中に、６−アミノカプロン酸またはε−カプロラクタムから選ばれる炭素数６のモノマー単位と、１２−アミノドデカン酸またはラウロラクタムから選ばれる炭素数１２のモノマー単位とからなる脂肪族ポリアミド部分を含む非晶性の変性ポリアミド６Ｔ／６Ｉを１５〜２５質量％の割合で含む樹脂混合物４５〜８０質量と、異形断面のガラス繊維２０〜５５重量％とを含有するポリアミド樹脂組成物からなることを特徴とする樹脂製プーリを提供する。特に、前記ガラス繊維の長径部と短径部との比率が１．５〜５であることが好ましい。

本発明の樹脂製プーリは、樹脂成分が、耐熱性や耐疲労性に優れるポリアミド６６樹脂と、低吸水性で耐塩化カルシウム性に優れるポリアミド１２樹脂とが、両樹脂を相溶化する非晶性の変性ポリアミド６Ｔ／６Ｉにより均質に混合されており、強度、耐熱性及び耐塩化カルシウム性が従来よりも優れる。更に、補強材に異形断面を有するガラス繊維を用いたことで、従来の円形断面のガラス繊維を用いた場合に比べて機械的強度が高く、耐摩耗性が向上し、更に外径円筒部の表面がより平滑となりベルト駆動時の音圧レベルが低くなる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して詳細に説明する。尚、図１は本発明にかかる樹脂製プーリの一実施形態を示す正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。

図１及び図２において、樹脂製プーリは、転がり軸受１と、転がり軸受１の周囲に転がり軸受１と一体的に形成された樹脂部２とから構成されている。樹脂部２は、転がり軸受１の外輪に固着された内径円筒部３と、ベルト案内面４を有する外径円筒部５と、外径円筒部５と内径円筒部３との間に形成された円板部６とを有し、更に、該円板部６には多数のリブ７が放射状に形成されている。また、内径円筒部３には所定ピッチ円で等間隔に多数のゲート８が形成されており、これらゲート８に溶融樹脂が流し込まれ、射出成形により樹脂製プーリの製造がなされる。

転がり軸受１は、図２に示すように、外輪外周部に樹脂部２の脱着を防止する凹溝９を有する接触ゴムシール付きの深溝玉軸受である。接触ゴムシール１０のゴム材質としては、ニトリルゴム、水素添加ニトリルゴム、アクリルゴム等を原料とし、それに各種充填材を配合したものを用いることができる。また、転がり軸受１中に充填されているグリースとしては、使用温度を考慮して、ポリαオレフィン油、アルキルジフェニルエーテル油等を基油とし、ジウレア等を増ちょう剤とし、添加剤として酸化防止剤、摩耗防止剤等を更に加えたものが主に使用されている。

樹脂部２は、特定のポリアミド系樹脂混合物を樹脂成分とし、補強材として異形断面を有するガラス繊維を配合した樹脂組成物からなる。樹脂成分は、耐熱性や耐疲労性に優れるポリアミド６６樹脂を主成分とする。ポリアミド６６樹脂の分子量は、射出成形性を考慮すると、数平均分子量で１３０００〜３００００、更に耐疲労性、高成形精度を考慮すると、好ましくは、数平均分子量で１８０００〜２５０００の範囲である。数平均分子量が１３０００未満の場合には、分子量が低すぎて、耐疲労性が低く、実用性がない。一方、数平均分子量が３００００を越える場合には耐疲労性は向上するものの、プーリに必要な衝撃強度等の機械的強度を達成するために異形断面を有するガラス繊維を規定量含有させると、成形時の溶融粘度が高くなり、射出成形により高精度でプーリを製造することが難しくなる。

また、樹脂成分には、吸水性を低下させて耐塩化カルシウム性を向上させるために、ポリアミド１２樹脂（ＰＡ１２）が配合される。参考のために、下記表１に、２３℃の水中に２４時間浸漬させたときの吸水率（ＡＳＴＭ Ｄ５７０）を示す。

更に、樹脂成分には、ポリアミド６６樹脂とポリアミド１２樹脂とを相溶させて均質化するために非晶性の変性ポリアミド６Ｔ／６Ｉを配合する。この非晶性変性ポリアミド６Ｔ／６Ｉは、ヘキサメチレンジアミンとテレフタル酸及びイソフタル酸との重縮合体であるポリアミド６Ｔ／６Ｉを基本骨格とし、更に分子中に脂肪族ポリアミド部分を形成したものである。また、脂肪族ポリアミド部分を形成するためのモノマーとして６−アミノカプロン酸またはε−カプロラクタムから選ばれる炭素数６のモノマーと、１２−アミノドデカン酸またはラウロラクタムから選ばれる炭素数１２のモノマーとを組み合わせて用いると、ポリアミド６６樹脂及びポリアミド１２樹脂と分子構造が類似し、相溶性がより向上する。

樹脂成分の組成は、強度、耐熱性及び耐塩化カルシウム性をバランス良く発現するために、ポリアミド６６樹脂を６０〜８０質量％、非晶性変性ポリアミド６Ｔ／６Ｉ樹脂を１５〜２５質量％、ポリアミド１２樹脂を５〜１５質量％の割合とする。ポリアミド６６樹脂が６０質量％未満では、相対的にポリアミド１２樹脂の含有量が増すことができるため耐塩化カルシウム性を向上させることができるものの、耐熱性及び耐疲労性が低下して好ましくない。一方、ポリアミド６６樹脂が８０質量％を超えると、相対的にポリアミド１２樹脂の含有量が減ることになり目的とする耐塩化カルシウム性が得られない。また、樹脂成分は、樹脂組成物全量の４５〜８０質量％である。

また、樹脂成分には、耐衝撃性を改善するエチレンプロピレン非共役ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴム状物質を配合してもよい。

一方、異形断面を有するガラス繊維は、その断面形状が円形でなければよく、例えばまゆ形、楕円、長円等の断面形状を有するガラス繊維を用いることができる。好ましくは、異形比（長径部と短径部との比率）が１．５〜５であるガラス繊維であり、２〜４であるガラス繊維がより好ましい。異形比が１．５未満では機械的強度の向上等の効果が少なく、異形比が５を越えると扁平すぎて安定して製造するのが難しくなる。また、短径部は５〜１２μｍであることが好ましい。短径部が５μｍ未満では細すぎて製造時に破断、破損するため、低コストで安定した品質を保つのが難しく、実用性が低い。一方、短径部が１２μｍを越える場合は、異形比を考慮すると繊維が太すぎ、樹脂中での分散性に劣るようになり、強度ムラが発生するおそれがある。

また、異形断面を有するガラス繊維は、上記樹脂との接着性を考慮して、片末端にエポキシ基やアミノ基等を有するシランカプッリング剤、あるいはエポキシ系、ウレタン系、アクリル系等のサイジング剤で表面処理したものを用いることが好ましい。シランカップシング剤やサイジング剤は、ベース樹脂の種類に応じて選択され、例えば、エポキシ基やアミノ基等を有するシランカップリング剤は、エポキシ基やアミノ基がポリアミド樹脂のアミド結合に作用して補強効果を向上させる。

異形断面を有するガラス繊維の含有量は、樹脂組成物全量の２０〜５５質量％であり、好ましくは２５〜５０質量％である。含有量が２０質量％未満では補強効果が少なく、５５質量％を越える場合は、射出成形に適した流動性が得られないばかりでなく、外径円筒部５や断面部に存在するリブ７を精度良く成形するのが難しくなる。

本発明で用いる異形断面を有するガラス繊維は、従来の円形断面のガラス繊維に比べて折れ難く、ベース樹脂と混練し、射出成形した時に円形断面のガラス繊維に比べて長い状態で樹脂中に分散する。そのため、同一含有量で比較すると、円形断面のガラス繊維に比べて、引張強さや衝撃強さ等の機械的強度を高める効果に優れる。また、異形断面を有するガラス繊維は、成形時に外径円筒部５の外表面と平行に面をなすように配向するため、ベルトとの摺動による摩耗も少なくなる。更に、繊維の長さ方向の補強効果に加えて短径部方向にも若干の補強効果が現われるため、プーリ全体に満遍なく補強効果が発現し、吸水による寸法変化を抑える効果も高まり、外径円筒部５の真円度が高くなり、表面の凹凸も小さくなる。

尚、異形断面を有するガラス繊維は、得られる樹脂製プーリにおいて、３００〜９００μｍの繊維長を有することが好ましく、３５０〜６００μｍの繊維長であることがより好ましい。繊維長が３００μｍ未満では、補強効果及び寸法安定効果が少なく、好ましくない。一方、ベース樹脂との混練、射出成形を行う過程で９００μｍを越えるような長い繊維状態を維持するのは困難であり、繊維長の上限は製造工程に由来して設定した値である。このような繊維長とするには、混練条件や成形条件を調整すればよい。

また、異形断面を有するガラス繊維の一部を、炭素繊維等の他の繊維状補強材、あるいはチタン酸カリウムウィスカー等のウィスカー状補強材で代替してもよい。

樹脂組成物には、更に着色剤等を添加してもよい。また、放熱性を向上させるために、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導性充填材、具体的には、アルミナ、マグネシア、窒化アルミニウム、炭化珪素、ベリリア、グラファイト等を更に添加してもよい。更に、外径円筒部５の凹凸を更に減少させたり、外径円筒部５の耐摩耗性を更に向上させるために、粒子状充填材、具体的には、炭酸カルシウム、クレー、タルク、シリカ、ウォラストナイト等を添加してもよい。粒子状充填材としては、上記説明した高熱伝導性充填材も粒子状であれば、同様の効果を有する。また、成形時及び使用時の熱による劣化を防止するために、樹脂材料にヨウ化物系熱安定剤やアミン系酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加することが好ましい。

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（実施例１）
ポリアミド６６樹脂（ＰＡ６６；宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン２０２０Ｕ」、銅系熱安定剤含有、数平均分子量２００００）を７２質量％（樹脂組成物全量の４６．８質量％）、変性ポリアミド６Ｔ／６Ｉ（変性ＰＡ６Ｔ／６Ｉ；（株）エムスケミージャパン製「グリボリーＧ２１」）を２０質量％（樹脂組成物全量の１３質量％）、ポリアミド１２（ＰＡ１２；宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン３０１４Ｕ」、ヒンダードフェノール系酸化防止剤含有、数平均分子量１４０００）を８質量％（樹脂組成物全量の５．２質量％）となるように混合してなる樹脂成分６５質量％と、異形断面を有するガラス繊維（長円断面ガラス繊維（日東紡績（株）製「CSG3PA-820」、異形比４、短径７μｍ、ウレタン系サイジング剤処理）３５質量％とを混練して樹脂組成物を調製した。

（比較例１）
樹脂組成物として、ガラス繊維含有ポリアミド６６（ＰＡ６６；宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン２０２０ＧＵ６」、数平均分子量２００００、ヨウ化銅系添加剤含有、直径１３μｍのシランカップリング剤処理したガラス繊維を３０質量％含有）を用意した。尚、直径１３μｍのガラス繊維とは、平均直径が１３μｍで、直径が１２〜１４μｍのものである。

（比較例２）
ガラス繊維含有ポリアミド６６（ＰＡ６６；デュポン（株）製「ザイテル７０Ｇ３３ＨＳ１Ｌ」、直径１３μｍのシランカップリング剤処理したガラス繊維３３質量％含有、耐熱仕様）を５０質量％（樹脂組成物全量の３８．５質量％）と、ガラス繊維含有ポリアミド６１２（ＰＡ６１２；デュポン（株）製「ザイテル７７Ｇ３３Ｌ」、直径１３μｍのシランカップリング剤処理したガラス繊維３３質量％含有）を５０質量％（樹脂組成物全量の３８．５質量％）とを混合して樹脂組成物を調製した。尚、直径１３μｍのガラス繊維とは、平均直径が１３μｍで、直径が１２〜１４μｍのものである。

上記で調製した樹脂組成物について、下記の（１）耐塩化カルシウム性評価、（２）機械的強度評価、（３）外径円筒部成形精度評価及び（４）外径円筒部耐摩耗性評価を行った。それぞれの結果を表２に示す。

（１）耐塩化カルシウム性評価
樹脂組成物を、外輪外周部に凹溝を有する接触ゴムシール付き深溝玉軸受（６２０３ＤＤＬ１８）をコアにして、軸受の外輪と金型との間に形成される空間部にインサート成形（射出成形）を行い、樹脂製プーリを得た。そして、作製した樹脂成プーリを、８０℃の熱水に２時間浸漬して吸水させた後、塩化カルシウム５０％水溶液に５分間浸漬した。次いで、樹脂製プーリをラジアル荷重１５０ｋｇｆかけた状態で恒温恒湿槽に入れ、２０℃から１１０℃まで３０分かけて昇温した後、１１０℃で２時間保持し、その後３０分かけて２０℃まで降温し、２０℃で１時間保持した。このような温度サイクルを繰り返し、２サイクル毎に樹脂製プーリを塩化カルシウム５０％水溶液に５分間浸漬した。このような温度・塩化カルシウム水溶液浸漬サイクルを１０回繰り返し後、光学顕微鏡にて樹脂製プーリの表面を観察し、クラックが発生しているか確認した。

（２）機械的強度評価
樹脂組成物から試験片を成形し、ＡＳＴＭ Ｄ−７９０に準拠して曲げ強度を測定した。

（３）外径円筒部成形精度評価
同様にして成形した樹脂製プーリについて、外径円筒部の中間高さでの凹凸量を測定した。

（４）外径円筒部耐摩耗性評価
図３は、本耐摩耗性試験で使用した耐摩耗性試験機４２の構成を示す模式図である。耐摩耗性試験機４２は、駆動モータ（図示せず）に繋がった駆動輪４４と従動輪４６とを備える。駆動輪４４と従動輪４６にはベルト４８が架け渡されて連結されている。そして、駆動輪４４と従動輪４６間には、試験対象となる樹脂製プーリ１１がベルト案内面３１をベルト４８と接触させながら取り付け可能としている。尚、この樹脂製プーリ１１の転がり軸受には、下向きに９８０Ｎの荷重が掛けられており、この荷重によって樹脂製プーリ１１のベルト案内面３１がベルト４８に押し付けられている。そして、駆動輪４４が回転するとベルト４８を介して従動輪４６が回転駆動され、ベルト４８に押し付けられたベルト案内面３１が回転される。また、耐摩耗性試験機４２において、恒温槽５０中の雰囲気は１２０℃に維持されており、更にこの雰囲気中には、関東ローム粉ＪＩＳ＃８が空間容積で０．０２％の条件を満足するようにファンによって漂わせてある。この恒温槽５０中の雰囲気は、自動車の補機類に使用される樹脂製プーリが悪路走行中にあることを再現したものである。

そして、同様にして成形した樹脂製プーリを耐摩耗性試験機４２に取り付け、８０００ｍｉｎ^−１で回転させた。１００時間回転させた後、耐摩耗性試験機４２を停止させて、樹脂製プーリを室温まで冷却し、樹脂製プーリ１１のベルト案内面３１の半径方向摩耗量を、基準位置（軸方向中央部）で測定した。摩耗量を表２に示す。

表２から明らかなように、本発明に従う実施例１の樹脂組成物からなる樹脂プーリは、樹脂成分に由来して強度、耐熱性及び耐カルシウム性に優れるとともに、異形断面を有するガラス繊維を用いることにより、異方性の低下と外径円筒部５の表面と平行にガラス繊維が配向することにより、外径部凹凸量の低下、耐摩耗性の向上が図られている。

尚、本実施形態では、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更、改良等が可能である。上記実施形態では、外周円筒部がフラット形状の樹脂製プーリについて説明してきたが、図４に示すような外周円筒部５がＶリブ状の樹脂製プーリや、転がり軸受と別体で成形される構成の樹脂製プーリについても適用可能である。

本発明にかかる樹脂製プーリの一実施形態を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 耐摩耗性を調べるための試験機の概略図である。 本発明の実施形態の変形例にかかる樹脂製プーリの断面図である。

符号の説明

１ 転がり軸受
２ 樹脂部
３ 内径円筒部
４ ベルト案内面
５ 外径円筒部

Claims (2)

1. 転がり軸受と、該転がり軸受の周囲に前記転がり軸受と一体に形成された樹脂部とを備えた樹脂製プーリにおいて、前記樹脂部が、ポリアミド６６樹脂を６０〜８０質量％、ポリアミド１２樹脂を５〜１５質量％、ポリアミド６Ｔ／６Ｉを基本骨格とし、分子中に、６−アミノカプロン酸またはε−カプロラクタムから選ばれる炭素数６のモノマー単位と、１２−アミノドデカン酸またはラウロラクタムから選ばれる炭素数１２のモノマー単位とからなる脂肪族ポリアミド部分を含む非晶性の変性ポリアミド６Ｔ／６Ｉを１５〜２５質量％の割合で含む樹脂混合物４５〜８０質量と、異形断面のガラス繊維２０〜５５重量％とを含有するポリアミド樹脂組成物からなることを特徴とする樹脂製プーリ。
2. 前記ガラス繊維の長径部と短径部との比率が１．５〜５であることを特徴とする請求項１記載の樹脂製プーリ。

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