KR20140078740A

KR20140078740A - 내연 기관에 적합한 체인 텐션 가이드

Info

Publication number: KR20140078740A
Application number: KR1020147012909A
Authority: KR
Inventors: 신-이찌 나까가와; 부니찌 라이; 가오리 이와모또; 사또루 세끼구찌
Original assignee: 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-06-25
Also published as: JP2014530338A; CN103987996A; US20130095965A1; WO2013059077A1; JP6117807B2; EP2769121A1

Abstract

가이드 본체를 포함하는 체인 텐션 가이드로서, 가이드 본체는 체인 안내 면의 적어도 일부 상에 비-열가소성 폴리이미드로 제조된 층을 포함한다.

Description

내연 기관에 적합한 체인 텐션 가이드 {CHAIN TENSION GUIDE SUITABLE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은, 엔진과 같은 구동력 공급원으로부터 내연 기관의 캠샤프트(camshaft)와 같은 종동 부재로 토크를 전달하는 체인을 위한 체인 텐션 가이드에 관한 것으로, 체인 텐션 가이드는 소정의 아치(arch)를 따라 연장되며, 동시에 일부 가동 수단(activation means)에 의해 작동 체인에 대해 편의(bias)되도록 위치되어 체인의 적절한 장력이 유지되게 된다.

오버헤드 밸브 엔진에서 밸브 작동 시스템에 타이밍 체인 시스템(timing chain system)을 사용하여 밸브의 개폐를 위해 필요한 타이밍을 제공하는 것이 알려져 있다. 타이밍 체인 시스템은 (i) 구동력 공급원으로부터 출력 부재로 토크를 전달하는 체인, 및 (ii) 가이드 본체를 포함하는 체인 텐션 가이드를 가지며, 체인은 실질적으로 일정한 피치(pitch)로 배열된 관절식 링크(articulated link)에 의해 연결된다. 그러한 시스템은 체인 텐셔너(chain tensioner)(11), 텐션 가이드(12), 및 체인(13) - 도 1에 도시됨 - 을 포함하는 것으로 잘 알려져 있다.

체인의 경우, 자동차 엔진의 구동샤프트와 캠샤프트 사이에서 토크를 전달하기 위해 금속 체인이 주로 사용된다. 일반적으로, 3가지 유형의 체인이 이러한 엔진에 사용된다: 사일런트 체인(silent chain), 부시 체인(bushed chain), 및 롤러 체인(roller chain). 이들 중, 롤러 체인은 독립적으로 회전할 수 있는 롤러들을 갖기 때문에 뛰어난 전달 효율을 제공한다.

체인의 스타일에 관계없이, 체인의 측면을 제어하고 체인의 회전을 안정시키기 위한 메커니즘으로서 가이드 또는 레버(lever)로 불리는 다수의 부재와 함께 체인이 사용된다. 이것이 전술한 체인 텐션 가이드이다. 이러한 체인 텐션 가이드는 체인과 직접 접촉하는 표면을 가지며, 엔진 오일로 윤활된 체인은 이러한 접촉 표면을 따라 활주한다.

전술한 타이밍 체인 시스템에서, 체인 텐션 가이드는 작동 중 대부분의 시간 동안 한 가닥의 체인과 활주 가능하게 맞물리기 때문에, 그러한 가이드는 높은 온도 및 극도의 마찰을 겪을 수 있고, 이는 가이드 및 임의의 관련 타이밍 시스템이 고속으로 마모되게 한다. 장기간의 사용 후에, 타이밍 체인 시스템의 부품에 대한 마모는 체인 장력의 일정한 감소를 가져온다. 결과적으로, 체인 장력의 상당한 변동으로 인해 캠샤프트 타이밍이 오정렬될 수 있기 때문에 손상이 초래될 수 있다. 체인 텐션 가이드로부터의 에너지 손실은 전반적인 엔진 효율을 고려할 때 무시할 수 없는 다른 요인이다.

현재, 탁월한 내마모 특성을 갖는 지방족 나일론 수지, 예를 들어, 열가소성 수지인 나일론 66이 체인과 접촉하는 활주 표면을 위해 주로 사용된다. 그러나, 상기의 널리 사용되는 체인 가이드 (또는 레버)와는 달리, 호타(Hotta) 등 (일본 특허 출원 공개 제10-288249호)에 의해 개시된 것과 같은 내연 기관용 체인 텐션 가이드는 가이드가 체인의 롤러 부분을 지지해야만 하는 체인 접촉 표면에서 극도로 개량된 활주 특성을 필요로 하며, 상기한 지방족 나일론 수지를 사용하면 내구 시간(endurance time)이 극도로 짧다. 사실상, 이러한 활주 표면에 사용하기에 적합한 재료는 개시되어 있지 않다.

쿠리하라(Kurihara) 등 (일본 실용신안 출원 공개 제61-122445호)은 활주 롤러를 갖는 롤러 체인을 개시하지만, 링크를 체인 안쪽 및/또는 바깥쪽에 동시에 접촉시키는 경우 활주 환경은 덜 까다롭기는 하지만 마찰 손실을 감소시키는 효과가 제한된다.

마에다(Maeda) (일본 특허 출원 공개 제2005-112871호)는 나일론 66 등의 열가소성 수지 매트릭스에 첨가된, 0.5 내지 20 부피%의 고체 윤활제, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 흑연 및 0.5 내지 25 부피%의 경질 성분, 예를 들어, 알루미나를 포함하는 활주 수지가 체인 텐션 가이드용 활주 수지 재료로서 높은 내마모성 및 감소된 마찰 손실을 제공함을 보고하고 있다. 본 발명자들은, 마에다의 공보에서 "열경화성 수지"가 기재되어 있음에도 불구하고, 나일론 66 수지가 전형적인 예로서 주어진 것이기 때문에, 그 개시 내용이 착오(error)를 포함할 수 있음에 주목한다.

오타(Ohta) 등 (일본 특허 출원 공개 제2007-177037호)은, 특정 표면 에너지 및 가시광 투과율 (600 ㎚)을 갖는 5 내지 40%의 불소수지를, 체인 시스템을 위해 사용되고 매트릭스 조성물을 포함하는 활주 부재에서 매트리스 수지로서 사용되는 열가소성 수지 (나일론 66 수지 등)에 첨가함으로써, 탁월한 마찰 특성 및 내마모성을 갖는 체인 텐션 가이드 등이 얻어짐을 보고하고 있다.

그러나, 이들 경우 모두는 널리 사용되는 활주 부재 재료인 나일론 66 등과 같은 열가소성 수지의 특성을 개선하기 위해 열가소성 수지에 첨가제를 첨가하는 것을 단순히 포함한다.

본 명세서에는 가이드 본체를 포함하는 체인 텐션 가이드가 개시되어 있는데, 가이드 본체는 가이드 본체 상에서의 체인의 각각의 이동 동안 체인이 체인 안내 면의 표면과 접촉하도록 체인을 가이드 본체의 종방향으로 활주 가능하게 안내하기 위한 체인 안내 면을 갖고, 가이드 본체는 체인 안내 면의 적어도 일부 상에 비-열가소성 폴리이미드로 제조된 층을 포함한다.

<도 1>
도 1은 체인과 체인 텐션 가이드 사이의 관계를 나타내는 타이밍 체인 시스템의 개략도.
<도 2>
도 2는 체인 텐션 가이드의 일 예의 사시도.
<도 3>
도 3은 체인 텐션 가이드의 종방향에 수직인 방향에 따른 체인 텐션 가이드의 두 가지 예의 단면도.
<도 4a>
도 4a는 단계적 로딩 시험(step loading test) 후 마찰 계수 및 총 마모 높이를 측정하기 위한 시험 장치의 측면도.
<도 4b>
도 4b는 단계적 로딩 시험 후 마찰 계수 및 총 마모 높이를 측정하기 위한 시험 장치의 리테이너 링(retainer ring) 상의 정합 재료 블록(mating material block)의 평면도.
<도 5a>
도 5a는 롤러 체인과 체인 텐션 가이드 사이의 실제 접촉 상태의 개략도.
<도 5b>
도 5b는 도 5a로부터 유도되는 접촉 모델을 도시한 도면.
<도 6>
도 6은 마찰 계수의 측정 원리를 명확히 하기 위한 개략도.
본 발명이 그 바람직한 실시 형태와 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명을 그러한 실시 형태로 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다. 반대로, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상과 범주 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 변형 및 균등물을 커버하고자 한다.

본 발명의 목적은 엔진 효율 및 연료 소비 성능을 개선하는 관점에서 마찰 손실을 감소시키는 새로운 체인 텐션 가이드를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 실질적으로 일정한 피치로 배열되며 내연 기관 상에서 서로 피봇 가능하게 연결되는 관절식 링크를 갖는 체인의 무단 동력 전달 요소(endless power transmission element)의 장력 조절을 위한 체인 텐션 가이드에 의해 달성되는데, 체인 텐션 가이드는 가이드 본체를 포함하며, 가이드 본체는 가이드 본체 상에서의 체인의 각각의 이동 동안 체인이 체인 안내 면의 표면과 접촉하도록 체인을 가이드 본체의 종방향으로 활주 가능하게 안내하기 위한 체인 안내 면을 갖고, 가이드 본체는 체인 안내 면의 적어도 일부 상에 비-열가소성 폴리이미드로 제조된 층을 포함한다.

본 발명의 체인 텐션 가이드는 체인 안내 면을 갖는 가이드 본체를 포함하며, 가이드 본체는 체인 안내 면의 적어도 일부 상에 비-열가소성 폴리이미드로 제조된 층을 포함한다.

본 발명에 따른 체인 텐션 가이드는 체인 텐션 레버를 또한 포함할 수 있으며, 임의의 주어진 체인 구동부에, 특히 내연 기관 내의 캠샤프트 구동부와 같은 고속 구동부에 사용될 수 있다.

본 발명은, 에너지 및 마찰 손실이 감소된, 내연 기관에 적합한 체인 텐션 가이드를 제공할 것이며 또한 엔진 효율 및 연료 소비 성능을 개선할 것이다.

(1) 체인 텐션 가이드

본 발명의 체인 텐션 가이드는, 실질적으로 일정한 피치로 배열되며 내연 기관 상에서 서로 피봇 가능하게 연결되는 관절식 링크를 갖는 체인의 무단 동력 전달 요소의 장력 조절을 위한 것이다.

도 1은, 자동차 내연 기관을 구동하는 데 사용되는, 체인(13), 체인 텐셔너(11) 및 체인 가이드(12)의 구조의 일 예를 나타낸다. 각각의 연결된 체인 시스템에 대해 하나의 체인 텐셔너 및 하나 또는 다수의 체인 가이드 (도 1에서는 2개)가 통상 사용되어 체인 구동을 안정시키고 불량한 장력으로 인한 기대 수명 손실 및 소음을 제어한다.

본 발명의 체인 텐션 가이드는 모든 이러한 체인 텐셔너 및 체인 가이드를 포함하지만, 선택적인 응용이 또한 가능하다.

도 1의 체인은 롤러 체인이며, 이 롤러 체인은 내측 및 외측 링크와는 독립적으로 회전하는 다수의 롤러를 포함한다.

롤러 체인의 스팬(span)은, 구동 스프로킷(sprocket)을 포함하는 내연 기관의 동력 전달 시스템의 스프로킷 주위로 연장하여 체인과 스프로킷 사이의 구동 또는 종동 연결을 제공한다. 통상적인 방식으로, 체인은 구동/종동 샤프트 및/또는 아이들러 샤프트 (도시되지 않음) 상의 다른 스프로킷 주위로 루프 형태로 지나가서, 하나의 샤프트로부터 다른 샤프트로 토크가 전달된다.

내연 기관을 위한 통상적인 동력 전달 시스템에서, 체인 텐션 가이드는 한 가닥의 체인과 활주 가능하게 맞물린다.

도 2는 체인 텐션 가이드의 형상을 예시하기 위한 실례(sample)인 체인 텐션 가이드(21)의 형상을 나타낸다. 체인 텐션 가이드(21)는 현재 대량 생산되는 형상을 갖는 것이다.

본 발명의 체인 텐션 가이드는 사일런트 체인, 부시 체인 또는 롤러 체인에 적용될 수 있다.

(2) 가이드 본체

본 발명의 체인 텐션 가이드에는 가이드 본체가 구비된다. 가이드 본체는 체인 안내 면을 가지며, 체인 안내 면은 가이드 본체 상에서의 체인의 각각의 이동 동안 체인이 체인 안내 면의 표면과 접촉하도록 체인을 가이드 본체의 종방향으로 활주 가능하게 안내하기 위한 것이다.

하기 (3)에 기재된 비-열가소성 폴리이미드의 층이 이러한 체인 안내 면의 적어도 일부 상에 제공된다. 비-열가소성 폴리이미드의 낮은 마찰 특성 및 높은 내마모성 때문에, 내연 기관의 체인 텐션 가이드에서조차 에너지 손실이 충분히 감소될 수 있어서, 증가된 엔진 효율 및 연료 절감을 가져온다.

가이드 본체(31)에는 보통 (예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이) 전반적으로 가이드의 형상을 유지하기 위한 홀딩 부분(홀더)(33)과, 체인 안내 면을 제공하는 층인 활주 부분(체인을 위한 통로를 형성하는 부분을 의미함)(32)이 구비된다. 활주 하중이 낮은 경우에는 홀딩 부분(33)과 활주 부분(32)용으로 동일한 재료가 또한 사용될 수 있다. 그러나, 대부분의 경우에는, 홀딩 부분(33)과 활주 부분(32)용으로 상이한 재료가 사용되며, 열팽창으로 인해 일어나는 치수 변화 때문에, 활주 부분(32)은 바람직하게는 홀딩 부분(33)에 비해 다소 움직일 수 있어서 선팽창 계수의 차이로 인한 변형(strain)을 흡수할 수 있는 형상을 갖는다. 더 구체적으로, 활주 부분(32)은 바람직하게는 홀딩 부분(33) 내에 형성된 채널 내에 매립되어, 예를 들어, 선팽창 계수의 차이에 가장 영향을 받는 종방향으로 활주 부분이 어느 정도 자유롭게 움직일 수 있게 한다.

탁월한 피로 특성을 갖는 다이 캐스트 또는 기타 금속 또는 유리섬유 강화 나일론 수지가 홀딩 부분(33)의 재료로서 사용될 수 있다.

활주 부분(32)은 전적으로 비-열가소성 폴리이미드의 층으로 이루어질 수 있으나, 체인과 접촉하는 그러한 부분 상에서만 비-열가소성 폴리이미드의 층(34)을 갖는다면 일반적으로는 기능할 것이다. 이러한 구조에 의해 비용이 크게 감소될 수 있다. 사출성형 가능한 열가소성 수지, 예를 들어, 나일론 66 또는 다른 비강화 지방족 나일론 수지가 비-열가소성 중합체의 층(34)을 제외한 활주 부분용으로 통상 사용될 수 있다.

활주 부분(32)의 체인 안내 면은 도 3a에 도시된 바와 같이 체인 구동 방향에 수직인 방향에서 편평할 수 있지만, 또한 중앙에 볼록한 부분 (종방향으로 연장하는 체인 활주 레일)을 가질 수 있거나 또는 도 3b에 도시된 바와 같이 단지 이러한 볼록한 부분의 단부만이 체인의 체인 롤러 부분과 접촉하도록 구성될 수 있다.

이러한 경우에, 한 가지 가능성은 단지 종방향으로 연장하는 체인 활주 레일만을 비-열가소성 폴리이미드의 층으로서 구성하는 것이다. 종방향으로 연장하는 체인 활주 레일은, 타이밍 체인 시스템의 각각의 부품의 열팽창으로 인한 치수 변동을 조절하도록 적어도 어느 정도 종방향으로 움직일 수 있다. 특히, 체인 구동부를 따르는 것보다는 자유롭게 회전하는 롤러를 갖는 롤러 체인에 의해 구동되는 엔진의 경우에, 롤러 체인의 단지 다수의 연속 롤러 부분과 동시에 접촉하는 종방향으로 연장하는 체인 활주 레일을 갖는 것이 바람직하다. 종방향으로 연장하는 체인 활주 레일은 체인 롤러와 접촉하기 위한 만곡부를 갖는 형상을 가질 수 있지만, 이러한 만곡부는 특별히 제한되지 않는다. 종방향으로 연장하는 체인 활주 레일의 길이는 다수의 체인 롤러와 동시에 접촉해야만 한다는 사실을 제외하고는 특별히 제한되지 않는다.

도 3a 및 도 3b는 각각 활주 부분(32) 상에 비-열가소성 폴리이미드로 형성된 층(34)을 갖는 다른 예를 도시한다.

활주 부분의 비-열가소성 폴리이미드와 본체 부분의 열가소성 수지를 동시에 성형하는 것은 통상 어렵기 때문에, 제조 방법은 비-열가소성 폴리이미드 부분 및 열가소성 수지 부분의 개별적인 성형과 함께 필요에 따라 기계 마무리(machine finishing)를 수반할 수 있다. 이러한 경우에, 두 부분은 스냅 결합(snap fitting)에 의해 일체화되거나, 나사로 체결되거나, 또는 접착제로 접착될 수 있다. 비-열가소성 폴리이미드의 유리 전이 온도 또는 열 변형 온도가 열가소성 수지의 성형 온도보다 높은 경우, 이들은 성형된 비-열가소성 폴리이미드 부재가 사출 주형 내에 고정된 상태로 열가소성 수지의 인서트 성형(insert molding)에 의해 또한 일체화될 수 있다. 비-열가소성 폴리이미드 자체를 성형하기 위한 원료는 보통 적합한 형태, 예를 들어, 분말 형태이기 때문에, 압축 성형 및 주형 내부에서의 베이킹에 의해, 또는 높은 열 및 압력의 동시 적용에 의해 성형될 수 있고, 장비 및 조건에 따라 압출 성형이 또한 가능하다.

(3) 비-열가소성 폴리이미드

비-열가소성 폴리이미드는 2차원 선형 분자 구조를 갖지만 열 용융 특성을 갖지 않는 폴리이미드이다.

본 명세서에서 열 용융 특성이란, 온도가 Tg, 또는 Tm을 초과하여 상승함에 따라 유체로 되고, 온도가 떨어짐에 따라 다시 응고되는 가역적 특성을 의미하며; 비-열가소성 폴리이미드는 열 용융되지 않는데, 명확한 Tg 또는 Tm을 나타내지 않기 때문이거나, 또는 Tg, 또는 Tm이 너무 높아서 재료가 이러한 온도 이하에서 현저한 열분해를 나타내기 때문이다.

폴리이미드 수지는 비-열가소성 폴리이미드, 열가소성 폴리이미드 및 열경화성 폴리이미드를 포함한다.

열가소성 폴리이미드와 마찬가지로, 비-열가소성 폴리이미드는 2차원 선형 분자 구조를 갖지만, 열 용융 열가소성 폴리이미드 (열가소성 폴리이미드 (TPI), 폴리아미드이미드 (PAI), 폴리에테르이미드 (PEI) 등)와는 다르게, 열 용융 특성을 갖지는 않는다. 더욱 구체적으로, 비-열가소성 폴리이미드는, 280℃ 초과, 바람직하게는 350℃ 초과, 및 더욱 바람직하게는 400℃ 초과의 유리 전이 온도를 가지며, 적어도 400℃까지의 온도에서는 식별가능한 유리 전이 온도를 갖지 않는 폴리이미드 성분을 기술하는 데 사용된다. (다른 한편, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 열가소성 폴리이미드는 280℃ 이하, 바람직하게는 250℃ 미만의 유리 전이 온도를 갖는 폴리이미드 성분을 기술하는 데 사용된다.)

열경화성 폴리이미드, 예를 들어, 폴리아미노 비스말레이미드 (PABM) 등은, 수지 분자의 말단에 불포화 기를 가지며 3차원 네트워크 구조를 부여하는 부가 반응 또는 라디칼 반응에 의해 가교결합된다는 점에서 화학 구조에 의해 비-열경화성 폴리이미드와 구별된다.

본 발명의 체인 텐션 가이드에 사용되는 비-열가소성 폴리이미드는 일반적으로 마찰 계수가 낮고 내마모성이 높지만, 특히, 체인 텐션 가이드 상에서의 활주 속도 이상의 실제 구동 조건 하에서 마찰 계수가 낮고 하중 크기 변화가 거의 없는 것을 특징으로 한다.

폴리이미드는 중합체 골격의 주쇄를 따라 선형 또는 헤테로사이클릭 단위로서 특징적인 -CO-NR-CO- 기를 함유한다. 예를 들어, 폴리이미드는, 단량체, 예를 들어, 유기 테트라카르복실산, 또는 상응하는 무수물 또는 이의 에스테르 유도체와 지방족 또는 방향족 다이아민의 반응으로부터 얻을 수 있다.

비-열가소성 폴리이미드는, 방향족 테트라카르복실산 또는 이의 유도체와 방향족 다이아민 또는 방향족 다이아이소시아네이트를 용액 중합하여 폴리암산 유도체를 형성하고 이어서 폴리암산 유도체를 고온에서 결정화 및 탈수소화에 의해 이미드화시키는 방식으로, 선형으로 중합된 폴리이미드로서 합성될 수 있다.

폴리이미드를 제조하는 데 사용되는 폴리이미드 전구체는, 폴리이미드 전구체가 가열되거나, 또는 화학적으로 처리될 때 상응하는 폴리이미드로 되는 유기 중합체이다. 그렇게 얻어지는 폴리이미드의 특정 실시 형태에서, 그의 중합체 사슬의 반복 단위 중 약 60 몰% 내지 100 몰％, 바람직하게는 약 70 몰％ 이상, 더욱 바람직하게는 약 80 몰％ 이상이, 예를 들어, 하기 화학식으로 표시된 바와 같은 폴리이미드 구조를 갖는다:

상기 식에서, R₁은 탄소 원자수 6의 벤제노이드-불포화 고리를 1 내지 5개 갖는 4가 방향족 라디칼이고, 4개의 카르보닐 기는 R₁ 라디칼의 벤젠 고리에 있는 상이한 탄소 원자에 직접 결합되고, 각 카르보닐 기의 쌍은 R₁ 라디칼의 벤젠 고리에 있는 인접한 탄소 원자에 결합되고; R₂는 탄소 원자의 벤제노이드-불포화 고리를 1 내지 5개 갖는 2가 방향족 라디칼이고, 2개의 아미노 기는 R₂ 라디칼의 벤젠 고리에 있는 상이한 탄소 원자에 직접 결합된다.

바람직한 폴리이미드 전구체는 방향족이고, 이미드화되는 경우, 방향족 화합물의 벤젠 고리가 이미드 기에 직접 결합된 폴리이미드를 제공한다. 특히 바람직한 폴리이미드 전구체에는, 예를 들어, 하기 일반 화학식으로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리암산이 포함되며, 여기서, 폴리암산은 둘 이상의 반복 단위의 공중합체 또는 단일중합체일 수 있다:

상기 식에서, R₃은 탄소 원자수 6의 벤제노이드-불포화 고리를 1 내지 5개 갖는 4가 방향족 라디칼이고, 4개의 카르보닐 기는 R₃ 라디칼의 벤젠 고리에 있는 상이한 탄소 원자에 직접 결합되고, 각 카르보닐 기의 쌍은 R₃ 라디칼의 벤젠 고리에 있는 인접한 탄소 원자에 결합되고; R₄는 탄소 원자의 벤제노이드-불포화 고리를 1 내지 5개 갖는 2가 방향족 라디칼이고, 2개의 아미노 기는 R₄ 라디칼의 벤젠 고리에 있는 상이한 탄소 원자에 직접 결합된다.

상기 일반 화학식으로 표시되는 반복 단위를 갖는 폴리암산의 전형적인 예는 파이로멜리트산 2무수물 ("PMDA")과 다이아미노다이페닐 에테르 ("ODA") 및 3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실산 2무수물 ("BPDA")과 ODA로부터 얻어지는 것들이다. 폐환을 거치면, 전자는 폴리(4,4'-옥시다이페닐렌파이로멜리트이미드)로 되고 후자는 폴리(4,4'-옥시다이페닐렌-3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복시이미드)로 된다.

전술한 폴리(4,4'-옥시다이페닐렌 파이로멜리트이미드) [중합체 용융점 또는 유리 전이 온도 (Tg) > 400℃] 외에, 비-열가소성 폴리이미드의 다른 예에는, 바이페닐 2무수물 (BPDA)이 PMDA를 대신하는 폴리(BPDA-ODA) (유피몰(Upimol™), Tg = 285℃, 우베 인더스트리즈 리미티드(Ube Industries Ltd.)), 및 추가로 p-페닐렌다이아민 (PPD)이 ODA를 대신하는 폴리(BPDA-PPD) (유피몰™, Tg > 400℃, 우베 인더스트리즈 리미티드) 뿐만 아니라, 비대칭 BPDA가 BPDA의 일부를 대신하는 개선된 제품 (유피몰 SA™, 우베 인더스트리즈 리미티드) 등이 포함된다. 유피몰™ 폴리이미드의 특성은 우베의 브로셔에 나타나있다.

실시예에 사용되는 폴리(BPDA-co(PPD; MPD))가 또한 비-열가소성 중합체의 카테고리에 속한다.

구조적으로 말해서, 본 발명의 비-열가소성 폴리이미드는, 협의의 폴리이미드인, 전방향족(wholly aromatic) 폴리이미드를 포함하며, 이러한 전방향족 폴리이미드는 바람직하게는 비-열가소성 폴리이미드이다. 본 명세서에서 전방향족 폴리이미드는, 방향족 고리에 직접 결합된 이미드 기를 가지며 방향족 탄소를 전혀 함유하지 않거나 또는 탄소가 존재하는 경우 탄소에 직접 결합된 수소를 전혀 갖지 않는 방향족 폴리이미드이다.

다른 한편, 비-열가소성 폴리이미드 중에는, 본 기술 분야에 그 자체로 공지되어 있는, 방향족 다이아민 및/또는 방향족 다이아이소시아네이트로 구성될 수 있는 폴리이미드계 중합체가 있다. p-페닐렌다이아민 (PPD), m-페닐렌다이아민 (MPD), 4,4'-옥시다이아닐린 (ODA), 4,4'-메틸렌다이아미넨 (MDA)이 바람직하다.

방향족 테트라카르복실산 성분으로서는, 언급된 방향족 테트라카르복실산, 이의 산 무수물, 이의 염, 및 이의 에스테르가 있을 수 있다. 방향족 테트라카르복실산 2무수물이 바람직하며, 파이로멜리트산 2무수물 (PMDA), 3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실산 2무수물 (BPDA) 또는 3,3',4,4'-벤조페논 테트라카르복실산 2무수물 (BTDA)이 특히 바람직하다.

그러한 폴리이미드는 이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E. I. du Pont de Nemours and Company)로부터 상표명 베스펠(Vespel)(등록상표) 폴리이미드로, 우베 인더스트리즈 리미티드로부터 상표명 유피몰(등록상표) 또는 UIP의 BPDA계 폴리이미드로, 그리고 에이치피 폴리머 게엠베하(HP Polymer GmbH)로부터 BTDA계 폴리이미드 수지 등급 No.P84로 입수가능하다.

방향족 다이아민인 4,4'-옥시다이아닐린과 방향족 테트라카르복실산 2무수물인 파이로멜리트산 2무수물로 구성될 수 있는 폴리이미드계 중합체 중에서는, 전방향족 폴리이미드인 폴리-4,4'-옥시다이페닐렌파이로멜리트산 아미드 [폴리(PMDA-co-ODA)]가 바람직하다. 폴리-4,4'-옥시다이페닐렌파이로멜리트산 아미드는 고속 및 저속 작동 환경 둘 모두에서 낮은 마찰 계수 및 높은 내마모성을 나타내며, 또한 고속 및 저속 작동 환경 둘 모두에서 하중 크기와 상관없이 안정한 낮은 마찰 특성 및 높은 내마모성 특성을 갖는다.

본 발명의 개시 내용은 하기 실시예에 의해 추가로 예시된다:

실시예

단계적 로딩 및 속도 시험을 수행하였고, 다양한 재료의 마찰 계수 및 내마모성을 측정하였다.

(1) 장치

스러스트(thrust) 타입 마모 및 마찰 시험기

도 4a 및 도 4b는, "플라스틱의 활주 내마모성에 대한 시험 방법"(Testing Methods for Sliding Wear Resistance of Plastics)이라는 제목의 JIS (일본 산업 표준) K7218에 따라 설계 및 제작되며 그러한 조건 하에서 다양한 시험 시편의 마모 및 마찰 계수를 측정하는 데 사용되는 마모 및 마찰 시험기를 나타내는 개략도이다.

더욱 구체적으로, 하기 시험 방법은 본 명세서 전반에서 사용된 마찰 계수 및 마모를 측정하는 데 사용될 수 있는 방법을 설명하며, 이를 하기 실시예에 사용하였다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 본 발명에 따른 시험기를 사용하여 마모 시험을 수행하였다. 장비는 JIS K7218에 기재되어 있다.

체인 텐션 가이드의 모델로서의 각각의 시험 시편(41)을, 중합체 조성에 따라 기계 가공 또는 사출 성형에 의해, 외경이 약 25.6 ㎜이고 높이가 약 15 ㎜이고 벽 두께가 약 2.8 ㎜인 원통 또는 중공 형태로 제조하였다.

롤러 체인의 모델로서의 정합 재료 블록 (실린더 형상, 길이: 50 ㎜; 직경: 15 ㎜)은 S45C 탄소강으로 만들어지며, 도 4b에 도시된 바와 같이 반경 방향으로의 임의의 인접한 쌍이 만나는 각도가 120도가 되는 방식으로 3개의 그러한 정합 재료 블록을 리테이너 링의 반경 방향을 따라 강성 프레임에 의해 리테이너 링(43) 상에 장착하였고, 각각의 정합 재료 블록은 리테이너 링(43) 상에 각각의 반경 방향을 따라 10 ㎜의 내경과 60 ㎜의 외경 사이에 위치하였다.

시험 시편(41)을 칭량한 후에, 시험 시편을 회전가능한 샤프트(48) 상에 장착하였다. 이어서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 시험 시편이 리테이너 링(43) 상에 고정된 정합 재료 블록(42)과 맞대어 있도록 3개의 정합 재료 블록(42)을 갖는 리테이너 링(43)을 시험 시편 상에 장착하는 한편, 선택된 시험 압력을 사용하여 정합 재료 블록을 샤프트(49) 및 리테이너 링(43)을 통해 시험 시편(41)에 맞대어 로딩하고 회전가능한 샤프트(48)를 원하는 속도로 회전시켰다. 오일 시일(oil seal)(47)을 갖는 오일 조(45) 내의 엔진 오일(44)을 사용하여 오일 조 내의 윤활유(캐슬 오일(Castle Oil) 0W-20)(44)를 정합 표면들 사이에 사용하였다.

샤프트(49)의 회전을 방지하도록 정합 재료 블록(42)을 갖는 리테이너 링(43)과 연결된 샤프트(49)를 통해 마찰력을 연속적으로 기록하였다. 따라서, 부분(50)은 비회전 부분을 구성하는 반면, 부분(51)은 회전 부분을 구성한다.

도 4a의 지점(40)은 시험 시편과 정합 재료 블록(42)의 접촉 지점이다.

(2) 측정 조건

시험 시편에 대한 조건 1 내지 조건 16이 표 1에 요약되어 있다.

하나의 시험 시편에 대해 조건 1 내지 조건 16 하에서 차례대로 측정하였다. 총 측정 시간은 80분이었다.

회전가능한 샤프트(48) 및 시험 시편(41)의 1,200 rpm의 일정한 회전 속도 하에, 온도가 120℃인 엔진 오일(44) (캐슬 OW-20)로 채워진 오일 조(45) 내에서 정합 재료(42)를 회전하는 시험 시편(41)에 맞대어 누르는 한편, 하중이 23 N으로부터 200 N까지 증가되도록 정합 재료(42)에 각각의 특정 하중 23 N, 50 N, 100 N 또는 200 N (스러스트 하중)을 5분 동안 단계적인 방식으로 적용하였다 (총 20분). 이러한 공정은 표 1의 조건 1 내지 조건 4에 상응한다.

회전가능한 샤프트(48) 및 시험 시편(41)의 회전 속도를 2,400 rpm (표 1의 조건 5 내지 조건 8), 4,000 rpm (조건 9 내지 조건 12) 및 이어서 6,400 rpm (조건 13 내지 조건 16)까지 단계적인 방식으로 증가시킨 것을 제외하고는 동일한 조건을 갖는 표 1의 조건 1 내지 조건 4에서 사용된 동일한 샘플로 유사한 공정을 반복하였다.

도 4a 및 도 4b에 설명된 시험기는 실제 체인 텐션 가이드에 가까운 상황을 시뮬레이팅한다.

실제 접촉 상태에서, 체인(51)은 체인 텐션 가이드(52) 상을 활주한다 (도 5a). 도 5a의 지점(53)은 가이드(52)와 체인(51)의 접촉 지점이다.

이러한 조건은 정합 재료 블록(501)과 시험 시편(502)에 의해 시뮬레이팅될 수 있는데, 이때 정합 재료 블록이 시험 시편(502) 상에서 상대적으로 활주하거나 (도 5b), 또는 동등하게는 시험 시편(502)이 정합 재료 블록(501) 상에서 상대적으로 활주한다. 도 5b의 지점(503)은 시험 시편(502)과 정합 재료 블록(501)의 접촉 지점이다.

시험 시편(41)은 회전 장치에 의해 5.2 m/sec 또는 8.4 m/sec으로 제어되는 일정한 속도로 정합 재료 블록(42)의 표면 상에서 회전하였다. 다시 말해, 마찰력 F를 측정할 수 있도록, 정합 재료 블록(42)을 정지된 채로 유지하면서 시험 시편(41)을 4000 rpm 또는 6400 rpm의 일정한 속도로 회전시켰다.

체인이 엔진 속도에 비례하는 속도로 체인 가이드와 접촉하여 활주하는 밸브 작동 시스템을 더욱 근사적으로 시뮬레이팅하기 위하여, 시험 시편이 정합 재료 블록과 활주 가능하게 접촉한 상태에서의 시험기의 회전 속도는 4,000 rpm보다 컸다.

(3) 시험 시편

재료:

구매가능한 비-열가소성 폴리이미드

폴리(PMDA-ODA), Tg > 400℃

폴리(BPDA-PPD), Tg > 400℃

폴리[BPDA-(PPD;MPD] c, Tg = 340℃

비교용 열가소성 중합체

일본 소재의 미츠이-듀폰 플루오로케미칼스 컴퍼니 리미티드(Mitsui-DuPont Fluorochemicals Co., Ltd.)로부터 구매가능한 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) (예를 들어, 테플론(TEFLON)(등록상표)

미국 델라웨어주 소재의 이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니로부터 일반 상표명 지텔(ZYTEL)(등록상표)로 구매가능한 폴리아미드 (PA)

PMDA = 파이로멜리트산 2무수물

ODA = 4,4'-옥시다이아닐린

BPDA = 바이페닐테트라카르복실산 2무수물

PPD = p-페닐렌다이아민

MPD = 3-메틸펜탄-1,5-다이올

PTFE = 폴리테트라플루오로에틸렌

PA = 폴리아미드

(4) 결과

(4-1) 120℃의 온도에서의 마찰 계수

마찰 계수 (Cf)는 하기 식으로 정의한다:

Cf = P x r/F x l

(상기 식에서, P (N)는 표 2에 나타낸 바와 같은 23 N 내지 200 N 범위의 스러스트 하중이고,

r (㎜)은 정합 재료 블록이 시험 시편과 활주 가능하게 접촉하는 활주 부분과 회전축 사이의 반경이고,

F (N)는 마찰력이고,

l (㎜)은 마찰력 검출 아암(arm) 길이이다.

도 6은 상기 식에서의 이들 기호를 나타낸다.

표 2 및 표 3에 나타난 바와 같이, 폴리(PMDA-ODA), 폴리(BPDA-PPD) 및 폴리[BPDA-(PPD;MPD)]와 같은 비-열가소성 폴리이미드는 일반적으로 하기와 같이 더 높은 회전 속도에서 이점을 갖는다:

(i) 더 낮은 회전 속도 (2400 rpm 이하)에서보다 더 높은 회전 속도 (4000 rpm 이상)에서 마찰 계수가 훨씬 더 낮다. 비-열가소성 폴리이미드는 일반적으로 낮은 마찰 계수를 갖는다는 사실에 의해, 속도가 증가함에 따라 마찰 계수가 감소하는 경우에, 특히, 회전 속도가 4000 rpm 이상인 범위에서 비-열가소성 폴리이미드를 사용하는 경우에, 마찰 계수를 더 낮추는 것이 가능하다.

(ii) 더 높은 회전 속도 (4000 rpm 이상)에서의 비-열가소성 중합체의 마찰 계수는, 동일한 회전 속도에서의 폴리아미드의 마찰 계수에 비하여, 23 N 내지 200 N의 하중에 의해 그다지 변화되지 않는다.

더욱이, 폴리(PMDA-ODA)가 모든 조건에서 항상 가장 낮고 가장 안정한 마찰을 나타낸다.

(5-2) 120℃의 온도에서 단계적 로딩 시험 후의 총 마모 높이

각각의 시험 시편의 총 마모 높이는 원래의 높이와 시험 후 높이 사이의 각각의 시험 시편의 높이 차이에 상응한다.

중량 손실은 단계적 로딩 시험 동안 시험 시편의 중량의 손실이다.

시편 4 [폴리(BPDA-PPD)] 및 시편 2 [폴리[BPDA-(PPD;MPD)]는 시편 5, PA에 비견되는 총 마모 높이를 나타낸다.

더욱이, 시편 1 [폴리(PMDA-ODA)]은 임의의 다른 재료보다 훨씬 더 적은 마모를 나타낸다.

널리 공지되고 인지된 바와 같이, 차량의 구동 및 전달 시스템에서 발생되는 마찰은 연료 소비를 증가시키며 엔진 효율에 악영향을 준다. 시스템에서의 그러한 주목할 만한 마찰 감소는 연료 소비를 개선한다.

Claims

가이드 본체를 포함하며, 가이드 본체는 가이드 본체 상에서의 체인의 각각의 이동 동안 체인이 체인 안내 면의 표면과 접촉하도록 체인을 가이드 본체의 종방향으로 활주 가능하게 안내하기 위한 체인 안내 면을 갖고, 가이드 본체는 체인 안내 면의 적어도 일부 상에 비-열가소성 폴리이미드로 제조된 층을 포함하는, 체인 텐션 가이드(chain tension guide).
제1항에 있어서, 가이드 본체의 전체가 비-열가소성 폴리이미드를 포함하는, 체인 텐션 가이드.
제1항에 있어서, 비-열가소성 폴리이미드는 전방향족(wholly aromatic) 폴리이미드인, 체인 텐션 가이드.
제1항에 있어서, 비-열가소성 폴리이미드는 다이아민 및 2무수물로부터 유도되는 폴리이미드계 중합체 (PI)를 포함하는, 체인 텐션 가이드.
제4항에 있어서, 다이아민은 4,4'-옥시다이아닐린이고 2무수물은 파이로멜리트산 2무수물인, 체인 텐션 가이드.
제5항에 있어서, 비-열가소성 폴리이미드는 폴리-4,4'-옥시다이페닐렌파이로멜리트산 아미드인, 체인 텐션 가이드.
제1항에 있어서, 비-열가소성 폴리이미드는 폴리(파이로멜리트산 2무수물-옥시다이아닐린), 폴리(3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실산 2무수물-p-페닐렌다이아민), 및 폴리[3,3',4,4'-바이페닐테트라카르복실산 2무수물-(p-페닐렌다이아민, m-페닐렌다이아민)으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 체인 텐션 가이드.
제1항에 있어서, 실질적으로 일정한 피치(pitch)로 배열되며 내연 기관 상에서 서로 피봇 가능하게 연결되는 관절식 링크(articulated link)를 갖는 체인의 무단 동력 전달 요소(endless power transmission element)의 장력 조절을 위한 것인, 체인 텐션 가이드.