KR20140107497A - 엔진 또는 체인 트랜스미션 장치에 사용하기 위한 슬라이딩 요소 - Google Patents

엔진 또는 체인 트랜스미션 장치에 사용하기 위한 슬라이딩 요소 Download PDF

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KR20140107497A
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쭈주안 왕
마이클 후베르투스 헬레나 뫼비쎈
로이 안톤 헨드리쿠스 빌헬무스 프로스트
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디에스엠 아이피 어셋츠 비.브이.
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Abstract

본 발명은, 체인과의 슬라이딩 접촉시 맞물리기 위한 슬라이딩 접촉 섹션을 포함하되, 상기 슬라이딩 접촉 섹션은, 매트릭스 중합체 및 그 안에 분산된 250 nm 이하의 두께를 갖는 소판 입자들을 포함하는 흑연 소판들을 포함하는 플라스틱 물질로 이루어진, 체인 트랜스미션 장치에 사용하기 위한 슬라이딩 요소에 관한 것이다. 본 발명은, 제 2 요소와의 슬라이딩 접촉시 맞물리는 슬라이딩 접촉 섹션을 포함하는 제 1 요소를 포함하는 엔진으로서, 적어도 상기 슬라이딩 접촉 섹션은, 이러한 얇은 흑연 소판을 포함하는 플라스틱 물질로 제조된, 엔진에 관한 것이다. 본 발명은, 체인 및 슬라이딩 요소를 포함하는 체인 트랜스미션 장치로서, 상기 슬라이딩 요소는, (i) 체인과의 슬라이딩 접촉시 맞물리는 슬라이딩 접촉 섹션, 및 (ii) 상기 슬라이딩 접촉 섹션을 보강 및 지지하는 주요 몸체를 포함하되, 상기 슬라이딩 접촉 섹션은 상기 플라스틱 물질로 이루어진, 체인 트랜스미션 장치에 관한 것이다.

Description

엔진 또는 체인 트랜스미션 장치에 사용하기 위한 슬라이딩 요소{SLIDING ELEMENT FOR USE IN AN ENGINE OR CHAIN TRANSMISSION APPARATUS}
본 발명은 슬라이딩 시스템, 더욱 구체적으로는 엔진, 트랜스미션 차동 장치 및 구동축 시스템을 포함하는 파워 트레인 구동 시스템과 같은 체인 트랜스미션 장치(chain transmission apparatus)에 사용하기 위한 슬라이딩 요소(sliding element)에 관한 것이다. 구체적으로, 엔진은 윤활화된 체인 구동 시스템을 포함하는 내연 엔진이다. 이러한 시스템에서, 슬라이딩 요소는 엔진의 실제 사용 동안 윤활화된 체인과 슬라이딩 접촉된다. 이들 슬라이딩 구성요소는 특히 체인 가이드(chain guide) 및 체인 텐셔너(chain tensioner)이다. 또한, 본 발명은 서로 슬라이딩 접촉에서 맞물린 2개의 요소들을 포함하는 엔진에 관한 것이다. 본원의 슬라이딩 요소들은 예컨대 기어 및 베어링 부품일 수 있다. 본 발명은 특히 윤활화된 슬라이딩 조건들 하에서 체인 및 상기 체인과의 슬라이딩 접촉시 맞물리는 슬라이딩 요소를 포함하는 체인 트랜스미션 장치에 관한 것이다.
체인 슬라이딩 시스템을 위한 슬라이딩 구성요소는 예컨대 하기 특허 또는 특허출원에 기재되어 있다.
US2002004433A는 체인 트랜스미션 장치에 사용되는 체인 가이드 부재를 기재하고 있다. 체인 가이드 부재는, 체인의 운행(travelling) 표면을 따라 연장되고 체인과 슬라이딩 접촉하게 되는 슬라이딩 접촉 섹션, 및 상기 체인의 운행 표면을 따라 상기 슬라이딩 접촉 섹션을 보강 및 지지하는 보강 주요 몸체(reinforcement main body)를 갖는다. 슬라이딩 접촉 섹션과 보강 주요 몸체 사이의 접합부 중 일부 또는 전부는 용융에 의해 접합된다.
US6524202B는 자동차 엔진의 타이밍 체인에 사용하기 위한 텐셔너를 기재한다. 텐셔너는 블레이드-형 텐셔너로서 지칭되며, 플라스틱 슈(shoe)와 기계적으로 인터록킹되는(interlock) 블레이드 스프링 요소를 갖는다. 슈는 강성의 충전된 나일론일 수 있으며, 당겨질 체인과 맞물린다. 슈의 대향 말단에 형성된 홈 내로 삽입되는 말단을 가짐으로써 스프링 요소는 플라스틱 슈에 인터록킹된다. 슈는 한쪽 말단에 고정된 금속 부슁(bushing)을 갖는다. 슈는 부슁을 통해 삽입된 금속 핀에 회전 가능하게 부착되며, 상기 핀은 베이스에 고정된다.
FR2736123A는, 일단 경화되면 함께 고정되도록, 2-성분 주입 공정에 의해 함께 몰딩되는 마찰방지 코팅과 주요 몸체로 이루어진 가이드 레일을 기재한다. 몸체를 형성하는 물질은 우선 몰드 내로 주입된 직후, 코팅 물질을 주입한다. 몸체를 형성하는 물질은 보강 첨가제를 갖는 플라스틱, 예컨대 유리 섬유로 보강된 폴리아마이드인 한편, 외부 코팅은 내마모성인 다른 플라스틱이다.
오늘날에는, 개인 차 및 다른 수송 수단의 에너지 소모, 특히 CO2 방출에 대해 관심이 크다. 환경 보호 관점에서 내연 엔진에서 연료 경제 또는 연료 소모에서의 개선이 요구된다. 더 낮은 CO2 방출을 시행하기 위하여, 정부에서는 과도한 CO2 방출에 대해 처벌을 확립하거나 또는 그렇게 하는 경향이 있어 왔다. 1300kg의 중량을 갖는 표준 차량의 경우 전형적인 수치로서 130g CO2/km의 한계가 설정되어 있고, 이 한계는 2012년부터 더 낮아질 것이다. 그러므로, 특히 환경을 더욱 지속 가능하게 하기 위하여 더욱 효율적인 차, 및 이러한 차 및 다른 수송 차량에 사용하기 위한 더욱 효율적인 엔진이 요구되고 있다.
많은 에너지를 소모하는 자동차의 주요 원인들 중 하나는 마찰로 인한 에너지 손실이다. 한 가지 중요한 마찰 구역은 체인 구동 시스템을 포함하는 엔진 내에 있으며, 여기서 슬라이딩 요소를 포함하는 구성요소들은 엔진의 실제 사용 동안 체인과 슬라이딩 접촉된다.
최근 수년간, 특히 점점 더 엄격한 환경에서 예컨대 더 높은 베어링 압력 및 더 높은 사용 온도 하에서 플라스틱 슬라이딩 물질이 사용되는 경우, 슬라이딩에 따른 소음을 감소시키고 중량을 가볍게 하며 슬라이딩 섹션에 윤활화를 제공하지 않는 관점에서, 베어링, 롤러, 기어 등과 같은 슬라이딩 부품의 특징을 개선하고자 하는 많은 연구가 이미 이루어져 왔다.
구체적으로, 체인 텐셔너의 슬라이딩 요소, 예컨대 자동차의 내연 엔진에 사용되는 체인 가이드 및 체인 텐셔너는 우수한 슬라이딩 특성, 140℃ 이상의 온도에서의 우수한 내열성, 및 우수한 내유성, 우수한 피로 및 우수한 충격 성질을 가질 것이 요구된다.
내열성, 내유성, 기계적 강도 및 내마모성에서의 우수한 성능 때문에, 흔히는 폴리아마이드 중합체가 슬라이딩 구성요소에 사용되며, 적어도 상기 슬라이딩 구성요소의 섹션은 제 2 요소와의 슬라이딩 접촉에서 맞물린다. 또하나 다른 고온 중합체, 예컨대 플루오로레진 및 PEEK가 사용된다.
슬라이딩 동안 슬라이딩 섹션 내의 중합체의 내마찰성을 개선하기 위하여, 흔히는 고체 윤활제가 첨가되거나, 또는 한 유형의 중합체가 다른 것으로 개질된다. 예를 들면, JP 2002/53761 A1 및 US 2007/0149329 A1은 플루오로레진으로 폴리아마이드의 개질, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌 및 그의 전자 빔 조사된 개질을 기재하고 있다. US 2007/0149329 A1의 고체 윤활제는 제조가 힘들고 복잡하다. PTFE는 또한 강성(stiffness) 및 크리프(creep) 성능을 저하시키며, 이는 또한 체인 가이드 및 텐셔너에 대해서도 중요한 것이다.
또한, 고체 윤활제로서 몰리브덴 다이설파이드, 보론 나이트라이드, 실레인 나이트라이드 또는 흑연과 같은 화합물을 첨가하는 것이 알려져 있다. 흑연이 고체 윤활제로서 언급되어 있는 문헌들로는 예컨대 [Van Beek, A., 2009, Advanced Engineering Design, Lifetime performance and reliability, ISBN 978-90-810406-1 -7, TU Delft, Chapter 8, p. 297] 및 [Bhushan, B. 2002, Introduction to Tribology, ISBN 978-0-471 -15893-6, John Wiley & Sons Inc, Chapter 5, p. 267]이 있다. 그러나, 이들 공개문헌들은 오일 윤활화된 조건들 하에서 이러한 고체 윤활제를 포함하는 물질의 성능에 대한 데이터를 제공하지 않는다.
이러한 고체 윤활제를 폴리아마이드에 첨가하면 일반적으로 물질의 강도 및 내충격성을 감소시킨다. 체인 가이드, 체인 텐셔너 등의 슈와 같은 부품의 경우, 우수한 내충격성 및 내피로성이 부품의 신뢰성 관점에서 중요한 문제이다. 더욱이, 본 발명자들에 의해, 이들 고체 윤활제의 첨가에 의해 마찰 개선은 제한적이며, 추가 개선을 위한 다른 해결책이 요구된다는 것을 밝혀냈다.
상기 수지 조성물의 내충격성을 개선하기 위한 수단으로서, JP 2005 89619 A1에 개시되어 있는 바와 같이, 유리 섬유 등과 같은 섬유 및 충전제, 또는 고무 등과 같은 연질 물질을 수지 조성물 중으로 첨가하는 것이 일반적이다. 그러나, 슬라이딩 동안 데브리스로서 수지 조성물로부터의 섬유는 표면에 머무르며, 이로 인해 연마제로서 작용한다. 이로 인해, 수지 조성물 자체에서의 마모가 생성된다. 연질 물질, 예컨대 고무 등이 첨가되는 경우, 내마창성이 증가하여서 고체 윤활제를 첨가함으로써 수득된 효과가 사라진다.
US2002004433A US6524202B FR2736123A JP 2002/53761 A1 US 2007/0149329 A1 JP 2005 89619 A1
Van Beek, A., 2009, Advanced Engineering Design, Lifetime performance and reliability, ISBN 978-90-810406-1 -7, TU Delft, Chapter 8, p. 297 Bhushan, B. 2002, Introduction to Tribology, ISBN 978-0-471 -15893-6, John Wiley & Sons Inc, Chapter 5, p. 267
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 슬라이딩 특성을 나타내는 오일 윤활화된 슬라이딩 시스템에 특히 사용하기 위한 슬라이딩 요소를 제공하는 것이다. 추가 목적은, 수송 차량, 및 그 안에 사용될 수 있는 파워 트레인 구동 시스템 또는 엔진을 그의 에너지 소모에서 더욱 효율적이도록 제조하는 것이다.
이 목적은, (a) 매트릭스 중합체 및 그 안에 분산된 (b) 250 nm 이하의 두께를 갖는 소판(platelet) 입자들을 포함하는 흑연 소판들을 포함하는 플라스틱 물질로 주로 제조된 슬라이딩 접촉 섹션으로 이루어진 또는 이를 포함하는 본 발명에 따른 슬라이딩 요소로 달성되었다.
본원에서, 슬라이딩 접촉 섹션은 체인과 같은 다른 요소와의 슬라이딩 접촉시 맞물리도록 의도된 또는 맞물리는 슬라이딩 요소의 섹션이다.
적어도 슬라이딩 섹션이 매트릭스 중합체 중에 분산된 이러한 낮은 두께의 소판 입자들을 포함하는 흑연 소판들을 갖는 플라스틱 물질로 제조되거나 또는 주로 이것으로 제조되는 본 발명에 따른 슬라이딩 요소의 효과는, 승온에서 윤활화된 조건들 하에서 슬라이딩 요소에 대해 측정된 마찰 계수(coefficient of friction)(CoF)가 감소될 뿐만 아니라, 얇은 흑연 소판들 대신에 다른 고체 윤활제를 포함하는 상응 시스템의 것보다 낮다는 것이다. 더욱 구체적으로는, 성능은 예컨대 고체 윤활제로서 사용되는 PTFE 등급, 레귤라(regular) 흑연, 몰리브데늄 설파이드보다 우수하다.
도 1은 마찰 시험에 사용되는 원통형으로 대칭인 플라스틱 컵의 단면도이다.
도 2는 마찰 시험 설비의 개략도이다.
소판은, 한 편으로는 입자의 두께와 다른 편으로는 다른 2개의 치수(입자의 길이 및 폭) 사이에 큰 차이를 갖는 입자인 것으로 이해된다. 소판에 대한 치수에서의 이 불일치는 입자의 길이(L) 대 입자의 두께(T)의 비율에 의해 한정되는 종횡비(L/T)로 나타낼 수 있다. 본원에 사용되는 소판의 종횡비는 10 이상이다.
흑연 소판에 포함되는 개별 소판 입자들의 두께는 광범위하게 변할 수 있으며, 10 nm 이하로 작을 수 있으며, 흑연 소판의 실제 부분이 250 nm 이하의 두께를 갖는 한, 일부의 소판 입자는 250 nm 이상의 두께를 가질 수 있다. 적합하게는, 조성물 중의 흑연 소판은 250 nm 이하의 두께를 갖는 소판 입자의 50 중량% 이상, 바람직하게는 75 중량% 이상으로 이루어진다. 중량%(wt%)는 본원에서 흑연 소판의 총 중량을 기준으로 한다.
적합하게는, 흑연 소판은 200 nm 이하, 바람직하게는 150 nm 이하, 또는 심지어는 100 nm 이하, 적합하게는 약 80 nm 이하 또는 심지어는 50 nm 이하의 수평균 두께를 갖는 소판 입자들로 이루어진다.
두께(T)는 소판 입자의 3개의 치수들 중 가장 작다. 다른 2개는 길이(L) 및 폭(W)이다. 소판의 두께(T), 길이(L) 및 종횡비(L/T)는 전자 현미경에 의해 결정될 수 있다. 전자 현미경에 의해 측정되는 소판 입자의 길이는, 본원에서, 전자 현미경으로 측정할 때, 전자 현미경 화면 상에서 가시적인 2개의 가장 극한 지점들에 대해 계산된 거리인 것으로 이해된다. 분명하게 하기 위하여, 전자 현미경에 의해 결정되는 소판 입자의 길이는 입자의 최고 긴 치수인 것이 요구되지 않음을 주지하는 데, 이는 전자 현미경이 오직 2차원 화면을 제공하기 때문이다. 또한, 소판 입자는 편평한 구조를 가질 필요가 없음을 주지한다. 매우 작은 두께로 인해, 이들은 구부러지거나, 굴곡되거나 또는 파형화되거나, 또는 물론 달리 변형될 수 있다.
소판 입자는 또한 광범위하게 변하는 길이(L)를 가질 수 있다. 길이는 예컨대 약 1 μm 이하로부터 약 50 μm 이상까지일 수 있다. 바람직하게는, 소판은 5 μm 이상, 예컨대 10 μm 이상, 더욱 특히는 20 μm 이상의 수평균 길이를 갖는다.
흑연 소판은 작은 두께와 큰 길이로 인해 전형적으로는 큰 종횡비(L/T)를 가질 것이다. 수평균 종횡비는 25 초과, 예컨대 50 이상, 또는 심지어는 100 이상일 수 있다.
본원에서 기록된 바와 같은 값들은 샘플 물질의 전자 현미경 화면에 의해 결정되며, 여기서 수평균은 화면의 대표적인 선택으로부터 25개의 입자들에 대해 계산된다. 수평균 종횡비는 개별 입자들의 종횡비의 평균으로부터 결정된다.
작은 두께를 갖는 소판들로 이루어진 흑연은 예컨대 여러 종류의 팽윤(expansion) 공정들에 의해 천연 흑연으로부터 수득 가능한 흑연 등급들이며, 따라서 상기 등급들은 팽윤된 흑연으로서 흔히 지칭된다.
본 발명에 따른 슬라이딩 요소에 대한 바람직한 실시양태에서, 플라스틱 조성물의 제조에 사용된 흑연은, ASTM D3037에 따른 방법에 의해 결정시 10 m2/g 이상의 BET 비표면적, 및 ISO 8486(ed. 1996)에 따라 레이져 회절에 의해 결정시 50 μm 이상의 D50(v, 0.5)을 특징으로 하는 입자 크기 분포를 갖는 팽윤된 흑연이다.
이러한 성질들을 갖는 적합한 팽윤된 흑연으로는 예컨대 TIMCAL Graphite & Carbon(스위스)로부터의 Timrex BNB 90, 및 SGL Carbon GmbH(독일)로부터의 Ecophit 350 및 1200이 있다.
본 발명에 따른 슬라이딩 요소에서, 흑연 소판(구성성분(b))은 광범위하게 변하는 양으로 존재할 수 있으며, CoF에서의 개선을 여전히 제공한다. 적합하게는, 흑연 소판은 0.1 내지 20 중량%의 양으로 존재한다. 바람직하게는, 흑연 소판은 플라스틱 물질의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 15 중량%의 양으로 존재한다. 적합한 양의 예는 약 1 중량%, 약 2 중량%, 약 4 중량%, 약 6 중량%, 약 8 중량% 및 약 10 중량%이다. 본원에서, 중량%(wt%)는 플라스틱 물질의 총 중량을 기준으로 한다.
본 발명에 따른 슬라이딩 요소에 사용된 매트릭스 중합체(성분 (a))는 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리아릴렌 설파이드(PPS), 폴리아릴렌 옥사이드(PPO), 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드 및 폴리옥시메틸렌(POM), 및 이들의 임의의 공중합체로 이루어진 중합체들의 군으로부터 선택된 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 폴리아마이드 이미드(PAI)는 이러한 공중합체의 일례를 구성한다. 매트릭스 중합체는 적합하게는 상기 중합체들 중 2개 이상의 혼합물을 포함한다. 바람직하게는, 매트릭스 중합체는 폴리아마이드 및/또는 PEEK, 더욱 바람직하게는 폴리아마이드를 포함한다. 적합한 열가소성 폴리아마이드의 예로는 반결정질 폴리아마이드, 예컨대 폴리아마이드 6, 폴리아마이드 6,6, 폴리아마이드 4,10, 폴리아마이드 4,8 및 폴리아마이드 4,6, 및 이들의 코폴리아마이드가 있다.
대안적으로, 매트릭스 중합체는 열경화성 중합체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 열경화성 중합체는 열경화성 폴리에스테르 수지 또는 열경화성 에폭시 수지, 또는 이들의 조합일 수 있다. 열경화성 폴리에스테르 수지는 예컨대 열경화성 불포화 폴리에스테르 수지로부터 제조될 수 있다.
앞서 언급된 이들 열가소성 및 열경화성 중합체들과 조합하여, 매트릭스 중합체는 앞서 언급된 중합체들 중에 블렌딩 또는 분산될 수 있는 다른 중합체 구성성분들을 포함할 수 있다. 이러한 추가의 중합체 구성성분의 예로는 고무 및 엘라스토머, 뿐만 아니라 플루오로레진이 있다. 고무 또는 엘라스토머는 예컨대 충격 성질들을 개선시키는 데 사용될 수 있다. 플루오로레진은 예컨대 추가의 고체 윤활제로서 사용될 수 있다. 이들 열가소성 및 열경화성 중합체들 중에 블렌딩 또는 분산될 수 있는 이러한 추가의 중합체 구성성분은, 전형적으로는 열가소성 및 열경화성 중합체들의 모듈러스, 더욱 특히는 고온 모듈러스가 실현되지 않거나 또는 단지 제한된 정도로 실현되도록 제한된 양으로 사용된다. 적합하게는, 양은 예컨대 0.01 내지 20 중량%의 범위로 제한된다. 실제적으로, 일단 사용되면, 양은 1 내지 15 중량%, 또는 심지어는 2 내지 10 중량%로 제한된다. 특정 실시양태에서, 플루오로레진 PTFE가 사용되고 예컨대 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 5 내지 15 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 본원에서, 다른 중합체 구성성분의 중량%는 매트릭스 중합체의 총 중량을 기준으로 하며, 이는 플라스틱 물질에 포함되는 추가 중합체 구성성분들 및 열가소성 및 열경화성 중합체들 모두 또는 그 중 임의의 것을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 매트릭스 중합체는 열가소성 폴리아마이드 및/또는 폴리에테르에테르케톤 80 내지 100 중량% 및 다른 중합체 0 내지 20 중량%로 이루어지며, 여기서 중량%는 매트릭스 중합체의 총 중량을 기준으로 한다.
본 발명에 따른 슬라이딩 요소 내의 슬라이딩 접촉 섹션은 매트릭스 중합체 및 흑연 소판 이외에 다른 구성성분들로 주로 제조되고, 바람직하게는 이들로 이루어지며, 이들을 포함할 수 있다.
적합하게, 플라스틱 물질은 무기 충전제, 섬유 보강제 및 다른 첨가제들로부터 선택된 하나 이상의 다른 구성성분을 포함한다.
무기 충전제 및/또는 섬유 보강제의 경우, 기계적 성질들, 예컨대 인장 강도 및 모듈러스를 개선시키는 무기 물질이 사용될 수 있다. 이들 물질들 중 다수가 플라스틱 물질의 마모 성질들에 대해 부정적인 효과를 가질 수 있기 때문에, 이들의 양은 사용되면 바람직하게는 제한되게 유지되어야 한다. 섬유 보강제의 예로는 유리섬유 및 탄소섬유가 있다. 이들 중 탄소섬유가 바람직한데, 이는 이들이 때로는 심지어 낮은 마찰 성질들을 개선시키기 때문이다.
적합하게는, 조성물 중의 무기 충전제 및 섬유 보강제의 총량은 예컨대 0.01 내지 20 중량%의 범위로 존재한다. 바람직하게는, 양은 1 내지 15 중량%, 또는 더욱 특히는 2 내지 10 중량%의 범위로 존재한다. 본원에서, 중량%는 중합체 조성물의 총 중량을 기준으로 한다.
바람직한 실시양태에서, 무기 충전제는 과립성 또는 미립자성 고체 무기 윤활제이다. 고체 무기 윤활제는 적합하게는 몰리브데늄 다이설파이드, 천연 또는 합성 흑연, 보론 나이트라이드 및 실레인 나이트라이드, 및 이들의 임의의 혼합물들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함한다. 용어 천연 또는 합성 흑연은 본원에서 상기 흑연이 본 발명에서 주요 고체 윤활제로서 사용된 흑연 소판들과는 다른 것으로 이해된다. 적합하게는, 천연 또는 합성 흑연은 구형(spherical), 반구형 또는 구체형(globular) 입자, 또는 심지어는 10 미만의 종횡비(L/T)를 갖는 플레이크형 입자를 갖는다. 이러한 천연 또는 합성 흑연의 두께는 일반적으로 250 nm 초과이지만, 이들은 비록 전형적으로는 10 미만의 종횡비(L/T)를 가질지라도 더 작은 입자를 포함할 수 있다. 고체 무기 윤활제 입자는 예컨대 0.01 내지 10 중량%의 양으로 존재할 수 있으며, 더 많은 양도 또한 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 고체 윤활제가 사용되면, 양은 0.1 내지 7.5 중량%, 또는 심지어는 1 내지 5 중량%의 범위로 제한된다.
조성물은 또한 다른 첨가제들을 포함할 수 있다. 이들 첨가제는 부수적 첨가제들로부터 선택될 수 있으며, 일반적으로는 요소의 활주(glide)를 위해 플라스틱 물질들 중에 사용된다. 이러한 다른 첨가제들은 전형적으로는 제한된 양, 예컨대 0.01 내지 10 중량%의 양으로 사용된다. 적합하게는, 사용되면, 양은 0.1 내지 7.5 중량%, 또는 심지어는 1 내지 5 중량%의 범위로 제한된다.
상기 본원에서 무기 충전제, 섬유 보강제 및 다른 첨가제에 대하여 언급되는 중량%(wt%)는 달리 명시되지 않는다면 모두가 플라스틱 물질의 총 중량을 기준으로 한다.
바람직한 실시양태에서, 플라스틱 물질은 (a) 매트릭스 중합체; (b) 흑연 소판 0.1 내지 20 중량%; (c) 무기 충전제 및/또는 보강 섬유 0 내지 20 중량%, 및/또는 (d) 다른 첨가제 0 내지 10 중량%로 이루어지며, 여기서 (b), (c) (d)의 중량%는 플라스틱 물질의 총 중량을 기준으로 한다.
본 발명에 따른 슬라이딩 요소에서의 슬라이딩 접촉 섹션은, 슬라이딩 요소를 기준으로 슬라이딩 움직임으로 움직일 수 있고 슬라이딩 접촉 섹션이 낮은 마찰 특성들을 가져야 하는 이유를 갖는, 체인 또는 다른 제 2 요소와의 슬라이딩 접촉에서 맞물리는 또는 맞물리도록 의도된 슬라이딩 요소의 섹션이다.
슬라이딩 요소는 전형적으로 슬라이딩 접촉 섹션을 지지하고 선택적으로는 슬라이딩 접촉 섹션을 보강하며 전체적으로 슬라이딩 요소에 강직성 및 강성을 제공하도록 의도된 주요 몸체를 갖는다. 주요 몸체는 일반적으로 상기 주요 몸체가 베이스에 고정될 수 있는 부분을 가질 것이다. 상기 고정 부분은 예컨대 부슁을 포함할 수 있으며, 이로 인해 상기 주요 몸체는 상기 부슁을 통해 삽입된 금속 핀에 회전 가능하게 부착될 수 있고, 상기 핀은 베이스에 고정된다.
슬라이딩 접촉 섹션 및 주요 몸체는 하나의 그리고 동일한 물질로 제조될 수 있지만, 슬라이딩 접촉 섹션이 주요 요건으로서 낮은 마찰 특성들을 갖는 반면, 주요 몸체는 기계적 강도, 강직성 및 강성을 제공해야 하기 때문에, 이들 성질들은 다른 것에 대한 성질들 중 하나를 상충시키지 않으면서 조합하기 어렵고, 상기 슬라이딩 접촉 섹션 및 주요 몸체는 여러 물질로 적합하게 제조된다.
적합하게는, 슬라이딩 접촉 섹션 및 주요 몸체는 여러 물질로 제조된다. 예를 들면, 주요 몸체는 플라스틱 물질 또는 금속, 바람직하게는 플라스틱 물질, 더욱 바람직하게는 섬유 보강된 플라스틱 물질로 제조된다.
슬라이딩 접촉 섹션 및 주요 몸체가 여러 물질로 제조되는 경우, 슬라이딩 접촉 섹션 및 주요 몸체는 공지된 수단에 의해 일체형 슬라이딩 요소로 조합될 수 있다.
예를 들면, 슬라이딩 접촉 섹션은 주요 몸체 위에 표면 층을 구성한다. 슬라이딩 요소는 주요 몸체에 걸쳐 오버몰딩될 수 있고, 주요 몸체와 기계적으로 인터록킹된다.
주요 몸체가 제 2 플라스틱 물질로 제조되면, 슬라이딩 접촉 섹션과 보강 주요 몸체 사이의 접합 부분 모두 또는 일부는 용융, 예컨대 바이브레이션 웰딩(vibration welding)에 의해 접합될 수 있다. 달리 대안적으로는, 슬라이딩 접촉 섹션을 위한 플라스틱 물질 및 제 2 플라스틱 물질은 2K 몰딩 또는 2-성분 몰딩으로서도 공지되어 있는 2-성분 주입 공정에 의해 함께 일체적으로 몰딩되어서, 이들은 일단 세팅되면 함께 고정된다. 몸체를 형성하는 물질은 우선 몰드 내에 주입되고, 이어서 곧바로 플라스틱 물질이 주입되어 코팅 또는 표면 층을 형성한다.
바람직하게는, 주요 몸체가 제 2 플라스틱 물질로 제조되는 경우, 슬라이딩 접촉 섹션은 주요 몸체와 일체적으로 몰딩된다.
체인 가이드뿐만 아니라 체인 텐셔너에 사용될 수 있는 대안적인 실시양태에서, 슬라이딩 접촉 섹션은 주요 몸체와 기계적으로 인터록킹된 슬라이딩 블레이드에 포함될 수 있다. 주요 몸체와의 인터록킹은 예컨대 주요 몸체의 대향 단부들에서 형성된 그루부들 내에 삽입된 단부들을 갖는 슬라이딩 블레이드에 의해 달성될 수 있다. 슬라이딩 블레이드는 슬라이딩 접촉 섹션이 제조되는 플라스틱 물질로 이루어질 수 있거나, 또는 플라스틱 물질과 상이한 제 2 물질로 제조된 베이스 부분을 포함할 수 있으며, 슬라이딩 접촉 섹션은 베이스 부분 위에 표면 층을 구성한다. 슬라이딩 접촉 섹션 및 베이스 부분이 여러 물질로 제조되는 경우, 슬라이딩 접촉 섹션 및 베이스 부분은 슬라이딩 접촉 섹션 및 주요 몸체에 대해 앞서 기재된 동일한 방법들에 의해 일체적 슬라이딩 블레이드 내로 조합될 수 있다.
베이스 부분은 상이한 물질로부터 제조된다면 바람직하게는 플라스틱 물질, 더욱 바람직하게는 섬유 보강된 플라스틱 물질로 제조된다. 베이스 부분이 제 2 플라스틱 물질로 제조되는 경우, 슬라이딩 접촉 섹션은 바람직하게는 베이스 부분과 일체적으로 몰딩된다.
본 발명에 따른 슬라이딩 요소는 적합하게는 체인 가이드 또는 체인 텐셔너이다. 본 발명에 따른 슬라이딩 요소는 또한 기어 또는 베어링의 일부분일 수 있다.
본 발명은 또한 제 2 요소와의 슬라이딩 접촉에서 맞물린 섹션을 포함하는 제 1 요소를 포함하는 엔진에 관한 것이다. 제 2 요소와의 슬라이딩 접촉에서 맞물린 섹션은 본원에서 슬라이딩 접촉 섹션으로서 지칭된다. 본원에서, 제 1 요소는 슬라이딩 요소이며, 여기서 적어도 슬라이딩 접촉 섹션은 매트릭스 중합체 및 상기 매트릭스 중합체에 분산된 250 nm 이하의 두께를 갖는 소판 입자들을 포함하는 흑연 소판들을 포함하는 플라스틱 물질, 또는 상기 본원에서 기재된 바와 같은 이의 임의의 바람직한 실시양태로 제조되거나 또는 적어도 이들로 주로 제조된다. 적합하게는, 제 1 요소, 즉 슬라이딩 요소는 기어 또는 베어링의 일부분이다.
본 발명은 또한 체인 및 상기 체인과의 슬라이딩 접촉시 맞물리는 슬라이딩 요소를 포함하는 체인 트랜스미션 장치에 관한 것이며, 여기서 슬라이딩 접촉 섹션은 매트릭스 중합체 및 상기 매트릭스 중합체에 분산된 250 nm 이하의 두께를 갖는 소판 입자들을 포함하는 흑연 소판들을 포함하는 플라스틱 물질, 또는 상기 본원에서 기재된 바와 같은 이의 임의의 바람직한 실시양태로 제조되거나 또는 적어도 이들로 주로 제조된다. 체인 트랜스미션 장치 내의 슬라이딩 요소는 적합하게는 체인 가이드 또는 체인 텐셔너이다. 체인 트랜스미션 장치는 적합하게는 체인 구동 타이밍 시스템이다. 바람직한 실시양태에서, 체인 트랜스미션 장치는 오일 윤활화된 슬라이딩 시스템이다.
엔진 내, 뿐만 아니라 체인 트랜스미션 장치 내의 상기 슬라이딩 요소에 포함된 플라스틱 물질은 적합하게는 상기 매트릭스 중합체 내에 분산된 흑연 소판을 포함하는 상기 플라스틱 물질들 중 임의의 것, 및 상기 본원에서 기재된 바와 같은 이의 임의의 바람직한 실시양태이다. 또한, 슬라이딩 요소는 적합하게는 본 발명에 따른 슬라이딩 요소 및 상기 본원에서 기재된 바와 같은 이의 임의의 바람직한 또는 대안적 실시양태이다. 예를 들면, 슬라이딩 요소는 적합하게는 여러 물질로 제조된 슬라이딩 접촉 섹션을 보강 및 지지하는 주요 몸체를 포함한다.
하기 실시예들 및 비교 실험들로 본 발명을 추가로 설명한다.
물질
PA-46 폴리아마이드 46 중합체(ex DSM, 네덜란드): Mw = 48000, 점도 수(포름산 중 1 중량%, 23℃) = 215; Tmelt = 295℃.
EG-1 Ecophit GFG 350, 315 내지 385 μm의 D50을 갖는 팽윤된 흑연(ex SGL Carbon GmbH, 독일).
EG-2 Ecophit GFG 1200, 1000 내지 1400 μm의 D50을 갖는 팽윤된 흑연, BET 약 25 m2/g(ex SGL Carbon GmbH, 독일).
흑연 TIMREX SFG150, Timcal Graphite & Carbon(스위스)으로부터의 레귤러 흑연
MoS2 RM70E MoS2 마스터배치(masterbatch), 70 wt.% inside PA6; 제조업자; Polyvel Inc.
PTFE Dyneon PA5953, 8 μm 평균 입자 크기를 갖는 PTFE(ex Dyneon GmbH, 독일)
방법
배합
Berstorff ZE25-48D 동시-회전 2축 압출기 내에서 폴리아마이드-46 및 다양한 충전제로부터 플라스틱 조성물들을 제조하였다. 압출기의 온도 설정은 압출기의 출구에서의 용융 온도가 전형적으로 320℃이도록 하였다. 조성은 표 1에 열거한다.
사출 성형
사출 성형된 시험 부품을 제조하는 데 사용되는 이후 본원에 기록되는 폴리아마이드 조성물들을, 하기 조건을 가함으로써, 사용 전에 미리 건조시켰다: 질소 스트림을 통과시키면서, 조성물들을 0.02 MPa의 진공 하에서 80℃까지 가열하고 이 온도 및 압력에서 24시간 동안 유지시켰다. 미리 건조된 물질을, 마찰 시험에 사용된 컵에 제공되는 캐버티를 갖는 몰드를 사용하는 사출 성형기 상에서 사출 성형시켰다. 실린더 벽의 온도는 315℃, 즉 폴리아마이드의 융점보다 30℃ 더 높게 설정하고, 몰드의 온도는 140℃로 설정하였다. 이렇게 수득된 컵을 냉각시키고, 무수 조건 하 실온에서 저장한 후, 마찰 시험에 사용하였다.
마찰 시험에 사용된 플라스틱 컵
도 2에 도시된 설비(set-up)를 사용하여, 도 1에 도시된 원통형으로 대칭인 플라스틱 컵으로 마찰 시험을 수행하였다.
도 1은, 마찰 시험에 사용되는 원통형으로 대칭인 플라스틱 컵(1)의 중심 축을 통한 단면도를 도시한다. 컵은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 24 mm의 내부 직경, 27.5 mm의 외부 직경 및 5 mm의 높이를 갖는다. 컵은 (27.5 + 24)/4 = 12.875 mm의 평균(mean) 반경을 갖는다.
마찰 시험에 사용된 컵을 전술된 바와 같이 각 플라스틱 물질로부터 사출 성형시켰다.
마찰 시험
마찰 시험 설비는 도 2에 도시되어 있다. 플라스틱 컵(1)을 시험기(도시되지 않음)의 상부 시편 홀더(holder)(2)에 설치한다. 스틸 대향 표면(steel counter surface)으로서 사용되는 SKF WS 81104 샤프트 와셔(shaft washer)(3)를 하부 시편 홀더(40)에 장착한다. 와셔는 20 mm의 내부 직경, 35 mm의 외부 직경 및 2.75 mm의 높이를 갖는다. 이는 Rockwell-C 스케일(scale) 상에서 60의 경도(60 HRc) 및 2 μm의 평균 표면 조도(Ra)를 갖는다. 접촉 표면 0.5 mm 아래에 구멍(5)을 기계 가공하여서 온도 로깅(logging)을 위한 열전쌍을 장착한다. 채널(6)을 통해 가열 오일(쉘 헬릭스 슈퍼 미네랄 모터 오일(Shell Helix Super Mineral Motor Oil) 15W-40)을 순환시킨다. 와셔와 컵 사이의 접촉 표면 0.5 mm 아래에 위치되도록 와셔에 열전쌍을 제공하였다. 오일(6)을 사용하여 열전쌍에 의해 측정되는 접촉 온도를 140℃로 유지한다. 와셔와 컵의 하부 부분을 시험 오일(7)(캐스트롤 마그나테그 프로페셔널(Castrol Magnatec Professional) A1 5W-30)에 침지시킨다.
접촉 정상 압력을 하부 시편 홀더(4) 상에 힘(F)에 의해 가한다. 정상 접촉 압력은 1MPa이었다. 상부 시편 홀더(2)는 접촉 표면에서의 1 m/s의 슬라이딩 속도에 상응하는 742 rpm의 각 속도로 회전한다. 이 슬라이딩 속도는 컵 벽의 중심에 대해 계산된 슬라이딩 속도이며, 이는 또한 벽 두께에 걸쳐 계산된 평균 슬라이딩 속도에 상응한다. 마찰 토크(torque)(T)는 로드 셀(load cell)(8)에 의해 측정한다. 마찰 계수는 비율 T/(R*F)로부터 계산하며, 여기서 T는 마찰로부터 생성된 측정된 커플(couple)이고, F는 컵 상의 정상 힘이고, R은 컵의 평균 반경이다. 시험 결과는 표 1에 제시한다.
실시예 I 내지 IV 및 비교 실험 A 내지 F에 대한 조성 및 시험 결과
실험 충전제 양(중량%) 1 MPa에서의 COF
실시예 I EG-1 10 0,062
실시예 II EG-1 5 0,057
실시예 III EG-1 2 0,038
실시예 IV EG-2 5 0,068
비교 실험 A - 0 0,100
비교 실험 B 흑연 5 0,110
비교 실험 C MoS2 1 0,090
비교 실험 D MoS2 2 0,090
비교 실험 E PTFE 12.5 0,090
이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예들은 비-충전된 물질과 비교시 마찰 계수에서의 유의적 감소를 나타낸다. 이는 유사 농도들에서 사용된 다른 고체 윤활제와 대조되는 것이며, 모든 마찰 계수 값들은 비-충전된 물질의 것과 견줄만한 값들을 나타냈다.

Claims (14)

  1. 체인과의 슬라이딩 접촉시 맞물리기 위한 슬라이딩 접촉 섹션을 포함하되,
    상기 슬라이딩 접촉 섹션은, (a) 매트릭스 중합체 및 그 안에 분산된 (b) 250 nm 이하의 두께를 갖는 소판 입자들을 포함하는 흑연 소판들을 포함하는 플라스틱 물질로 주로 제조된,
    체인 트랜스미션 장치에 사용하기 위한 슬라이딩 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흑연 소판이 200 nm 이하의 수평균 두께 및/또는 5 μm 이상의 수평균 길이를 갖는 소판 입자들로 이루어진, 슬라이딩 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    플라스틱 조성물의 제조에,
    ASTM D3037에 따른 방법에 의해 결정시 10 m2/g 이상의 BET 비표면적, 및
    레이저 회절에 의해 결정시 50 μm 이상의 D50(v, 0.5)를 특징으로 하는 입자 크기 분포
    를 갖는 팽윤된 흑연이 사용된,
    슬라이딩 요소.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    흑연 소판(b)이 플라스틱 물질의 총 중량을 기준으로 0.10 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 15 중량%의 총량으로 존재하는, 슬라이딩 요소.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매트릭스 중합체가, 폴리아마이드, 폴리에스테르, 폴리아릴렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리이미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리옥시메틸렌 및 폴리에테르이미드, 및 이들의 임의의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 열가소성 중합체를 포함하는, 슬라이딩 요소.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 물질이, 상기 매트릭스 중합체(a) 및 상기 흑연 소판(b) 이외에, 플라스틱 물질의 총 중량을 기준으로, (c) 무기 충전제 및/또는 보강 섬유 0 내지 20 중량%, 및/또는 (d) 다른 첨가제 0 내지 10 중량%를 포함하는, 슬라이딩 요소.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스틱 물질과 상이한 제 2 물질로 제조된, 상기 슬라이딩 접촉 섹션을 지지하는 주요 몸체를 포함하는, 슬라이딩 요소.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 접촉 섹션이, 상기 주요 몸체 위에서, 또는 상기 주요 몸체와 기계적으로 인터록킹된 슬라이딩 블레이드의 베이스 부분 위에서, 표면 층을 구성하는, 슬라이딩 요소.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 요소가 체인 가이드(guide) 또는 체인 텐셔너(tensioner)인, 슬라이딩 요소.
  10. 제 2 요소와의 슬라이딩 접촉시 맞물리는 슬라이딩 접촉 섹션을 포함하는 제 1 요소를 포함하는 엔진으로서,
    적어도 상기 슬라이딩 접촉 섹션은, (a) 매트릭스 중합체를 포함하는 플라스틱 물질 및 (b) 상기 매트릭스 중합체 내에 분산된, 250 nm 이하의 두께를 갖는 소판 입자들을 포함하는 흑연 소판들로 제조된, 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 플라스틱 물질이 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 플라스틱 물질인, 엔진.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 요소가 체인 가이드, 체인 텐셔너, 기어 또는 베어링의 일부분인 엔진.
  13. 체인 및 슬라이딩 요소를 포함하는 체인 트랜스미션 장치로서,
    상기 슬라이딩 요소는 (i) 체인과의 슬라이딩 접촉시 맞물리는 슬라이딩 접촉 섹션, 및 (ii) 상기 슬라이딩 접촉 섹션을 보강 및 지지하는 주요 몸체를 포함하되,
    상기 슬라이딩 접촉 섹션은 (a) 매트릭스 중합체 및 상기 매트릭스 중합체 중에 분산된 (b) 250 nm 이하의 층 두께를 갖는 소판 입자들을 포함하는 흑연 소판들을 포함하는 플라스틱 물질로 이루어진,
    체인 트랜스미션 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 요소가 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 슬라이딩 요소이고,
    상기 체인 트랜스미션 장치가 오일 윤활화된 슬라이딩 시스템인,
    체인 트랜스미션 장치.
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