WO2018109994A1 - トーショナルダンパ - Google Patents

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torsional damper
damper
rubber
tan
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輝 安藤
田部井 賢
勇人 片貝
宇朗 千葉
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株式会社フコク
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    • F16F15/12Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using elastic members or friction-damping members, e.g. between a rotating shaft and a gyratory mass mounted thereon
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    • C08L2207/32Properties characterising the ingredient of the composition containing low molecular weight liquid component
    • C08L2207/322Liquid component is processing oil

Definitions

  • the present invention relates to a torsional damper that is mounted on a rotating shaft such as a crankshaft or a camshaft of an engine such as a vehicle and absorbs torsional vibration of the rotating shaft.
  • a torsional damper that transmits rotation of a rotating shaft such as a crankshaft or a camshaft of an engine such as a vehicle to a driven device has a damper hub attached to the rotating shaft and an inertia ring arranged in a radial direction of the damper hub.
  • a rubber member is interposed in the gap between the outer peripheral surface of the damper hub and the inner peripheral surface of the inertia ring.
  • the rubber member mounted between the damper hub and the inertia ring reduces torsional vibration of the rotating shaft that occurs during traveling of the vehicle and the like, prevents damage to the rotating shaft, and reduces engine vibration noise and vibration. It is an important member that plays a role.
  • Patent Document 1 discloses a rubber member for a damper obtained by crosslinking a rubber composition containing ethylene / propylene rubber and having a loss coefficient (tan ⁇ ) at ⁇ 40 ° C. to 150 ° C. exceeding 0.35.
  • Patent Document 2 vulcanizes a rubber member whose main material is ethylene / propylene / diene rubber (EPDM) and whose temperature coefficient of loss factor is set within 15% per 50 ° C. temperature change.
  • EPDM ethylene / propylene / diene rubber
  • a bonded rubber damper device is disclosed.
  • Patent Document 3 discloses an EPDM composition for a torsional damper that is cross-linked to a hub and an inertia ring of a torsional damper and exhibits excellent heat resistance even in a high temperature atmosphere of about 120 ° C to 140 ° C.
  • JP 2007-009073 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-210832 Japanese Patent No. 4140415
  • An object of the present invention is to provide a torsional damper that suppresses a temperature rise of a rubber member and has improved durability.
  • the present invention is a torsional damper having a damper hub attached to a rotating shaft and rotating integrally with the rotating shaft, and an inertia ring attached to the damper hub via a rubber member, wherein the rubber member is The loss coefficient (tan ⁇ pi) when the surface temperature is 60 ⁇ 5 ° C. is 0.27 or more, and the torsional damper is continuously oscillated at the resonance point.
  • the maximum surface temperature (Tmax) of the rubber member at Tmax ⁇ ⁇ ln (tan ⁇ pi) + ⁇ ⁇ 100 (where ⁇ is a coefficient in the range of ⁇ 46.9 to ⁇ 60.4, and ⁇ is +9 Represents a coefficient in the range of .4 to +27.7).
  • FIG. 2 It is a perspective view which shows the torsional damper which is one embodiment of this invention. It is a partially broken perspective view of the torsional damper shown in FIG. It is a figure explaining the measuring method of the twist angle of the rubber member with which the torsional damper was mounted
  • FIG. 1 is a perspective view showing a torsional damper according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partially broken perspective view of the torsional damper shown in FIG.
  • the torsional damper 10 is attached to the tip of a crankshaft of an engine of a vehicle or the like, and is used to transmit the rotation of the crankshaft to a driven device such as an alternator or a power steering.
  • the damper hub 11, the inertia ring 12, and the annular rubber member 13 are provided.
  • the damper hub 11 has a disk portion 11a extending in the radial direction and a boss portion 11b integrally provided at the central portion in the radial direction.
  • the boss portion 11b is fastened to the tip of the crankshaft and is centered on the central axis C. Driven by rotation.
  • the damper hub 11 is made of cast iron such as FC250 and FCD450.
  • the inertia ring 12 is disposed radially outward of the damper hub 11, and a pulley groove 12a on which the belt is engaged is provided on the outer peripheral surface of the inertia ring 12 to constitute a power transmission pulley.
  • the inertia ring 12 is made of cast iron such as FC250.
  • the rubber member 13 mounted between the damper hub 11 and the inertia ring 12 is inserted into a gap between the outer peripheral surface coaxial with the central axis C of the damper hub 11 and the inner peripheral surface of the inertia ring 12 facing this outer peripheral surface.
  • the torsional vibration of the crankshaft generated during the traveling of the vehicle or the like is reduced to prevent breakage and to reduce the noise and vibration of the engine vibration.
  • the present inventors are concerned with the relationship between the heat generation amount of the rubber member 13 after the torsional damper is mounted and the loss coefficient (tan ⁇ pi) at 60 ° C.
  • the loss coefficient at 60 ° C. of the rubber member 13 after mounting the torsional damper is tan ⁇ pi
  • a torsional damper 100 is mounted on a jig 101 corresponding to an engine crankshaft as shown in FIG. 3, and two acceleration sensors 102 and 103 attached to the jig 101 and the torsional damper 100 are used.
  • the twist angle of the rubber member attached to the torsional damper 100 was measured.
  • the twist angles ( ⁇ ts) of a total of four types of rubber members mainly composed of EPDM are measured by the resonance point tracking method. did.
  • the results are shown in Table 1.
  • ⁇ Measurement conditions> Excitation amplitude: ⁇ 0.35 ⁇ 10 ⁇ 3 rad ( ⁇ 0.02 °) ⁇ Sweep speed: 100Hz / min
  • the loss coefficient (tan ⁇ pi) of the above-mentioned four types of rubber members is measured by the measurement method described in the examples described later, and the twist angle ( ⁇ ts) of the rubber member and the loss coefficient (tan ⁇ pi) at a rubber member surface temperature of 60 ° C.
  • Table 2 is a plot of the relationship between.
  • the work per unit volume performed for one cycle of vibration by an external force is equal to the amount of heat (Q) per unit volume obtained by the system.
  • the amount of heat (Q) is expressed by the following formula (1).
  • Torsion angle of rubber member ( ⁇ ts) ⁇ ⁇ ln (tan ⁇ pi) + ⁇
  • the coefficient of ⁇ and ⁇ is the measurement error of rubber twist angle ( ⁇ 0.005 °) and the coefficient resulting from the measurement error ( ⁇ 0.005) of the loss coefficient (tan ⁇ pi).
  • the twist angle ( ⁇ ts) of the rubber member and the loss coefficient (tan ⁇ pi) at the surface temperature of 60 ° C. of the rubber member have a negative correlation. That is, a rubber member having a larger loss factor (tan ⁇ pi) at a surface temperature of 60 ° C. of the rubber member means that the shear strain ⁇ is smaller and the energy given to the torsional damper is smaller, and as a result, the above formula (4) From this, it can be estimated that the rubber member having a larger loss coefficient (tan ⁇ pi) has a smaller amount of heat (Q) and, as a result, the temperature rise becomes smaller.
  • the present inventors have investigated the relationship between the loss coefficient (tan ⁇ pi) at the surface temperature of the rubber member after mounting the torsional damper at 60 ° C. and the maximum surface temperature when the maximum surface temperature of the rubber member becomes a steady state. The following examination was conducted. ⁇ Relationship between loss factor (tan ⁇ pi) at surface temperature of rubber member 60 ° C. and maximum surface temperature (Tmax)>
  • the maximum surface temperature of the two typical rubber members having different loss factors (tan ⁇ pi) (the product of the present invention and the comparative example product shown in Table 1) is set to a non-maximum temperature. Measurements were made using a contact surface thermometer. The results are shown in Table 3.
  • the surface temperature of the rubber member reaches a steady state at least 30 minutes after the start of the test.
  • Table 4 shows plots of the loss coefficient (tan ⁇ pi) at a surface temperature of 60 ° C. and the loss coefficient (tan ⁇ ph) at 120 ° C. and the maximum temperature reached on the surface of the rubber member.
  • the surface temperature is measured by setting the torsional damper 100 directly on the high-frequency torsional vibration tester as shown in FIG. 7 and continuously tracking the resonance point that is the resonance frequency (resonance point tracking method). It measured with the non-contact surface thermometer on condition.
  • the resonance frequency is measured under the following measurement conditions using a resonance sweep method (natural frequency measurement) using a high-frequency torsional vibration tester.
  • the resonance frequency error (+0 Hz to ⁇ 30 Hz) is an error in which the resonance frequency fluctuates as the test time elapses.
  • the negative correlation between the loss factor (tan ⁇ pi) at the surface temperature of the rubber member and the maximum surface temperature of the rubber member is particularly good at the surface temperature of 60 ° C., and the loss coefficient (tan ⁇ pi) at the surface temperature of 60 ° C. ) And the maximum surface temperature (Tmax) of the rubber member, it was found that there is a relationship as shown in Equation (5).
  • the coefficients ⁇ and ⁇ in the equation (5) are coefficients obtained from a measurement error ⁇ 0.005 of the loss coefficient (tan ⁇ pi) and a surface temperature measurement error ⁇ 5 ° C.
  • the surface maximum temperature (Tmax) means the temperature rise of the rubber member + the environmental temperature (23 ° C. in the case of Table 4).
  • the upper limit temperature was set to 100 ° C.
  • the rubber member 13 of the present embodiment is obtained by vulcanizing and molding a rubber composition mainly composed of ethylene / propylene / diene ternary copolymer (EPDM) into a predetermined shape (cylindrical in this example). It is what was done.
  • EPDM ethylene / propylene / diene ternary copolymer
  • the polymer fraction of the EPDM is preferably 20% or more and 40% or less (see Table 6 of Examples described later).
  • DBP plasticizer: Dibutyl phthalate
  • the carbon black added to the rubber composition preferably has an iodine adsorption amount of 70 mg / g or more and 150 mg / g or less and a DBP oil absorption amount of 40 ml / 100 g or more and 120 ml / 100 g or less (see Table 5). ).
  • a rubber composition contains a peroxide, a co-crosslinking agent and the like as a vulcanizing agent.
  • a peroxide 1,1-bis (tert-butylperoxy) cyclohexane, 2,5-dimethyl-2,5-di (tert-butylperoxy) hexane, 2,5-dimethyl-2,5-di (tert-butylperoxy) hexyne-3, 2,5-dimethyl-2,5-di (benzoylperoxy) hexane, 1,3-di (2-tert-butylperoxyisopropyl) benzene, Di-tert-butyl peroxide, Dicumyl peroxide, N-butyl-4,4-di (tert-butylperoxy) valerate, tert-butyl cumyl peroxide, Etc.
  • Triallyl isocyanate Ethylene glycol dimethacrylate, Trimethylolpropane trimethacrylate, Triallyl cyanurate, Quinonedioxime, 1,2-polybutadiene, Etc. can be used.
  • the rubber composition contains known rubber additives (process oil (mineral oil), plasticizer, zinc white, zinc stearate, anti-aging agent, etc.).
  • process oil mineral oil
  • plasticizer plasticizer
  • zinc white zinc stearate
  • anti-aging agent anti-aging agent
  • the boss portion 11b of the damper hub 11 has a vertical direction as shown in FIG.
  • the damper hub 11 and the inertia ring 12 are arranged on a support base (not shown) so that the outer peripheral surface of the damper hub 11 and the inner peripheral surface of the inertia ring 12 are pressed using a press-fitting jig such as a press. It is manufactured by press-fitting the rubber member 13 into the gap portion 14. The part thus manufactured is called a press-fit type torsional damper.
  • the average compression rate of the rubber member 13 is in the range of 10% to 40%.
  • the average compression rate of the rubber member 13 is less than 10%, the slip torque of the torsional damper 10 does not become a desired value, and power is hardly transmitted to the belt.
  • an average compression ratio larger than 40% is not preferable because stress concentrates on the rubber member 13 to cause cracks in the rubber and deteriorate durability.
  • the average compression rate of the rubber member 13 is more preferably in the range of 10% to 30%. If the average compression rate is within this range, generation of rubber wear powder due to friction with the inertia ring 12 or the damper hub 11 can be suppressed particularly in the durability test, and good durability can be obtained. Furthermore, the press-fit property is improved, and stable dimensional accuracy can be realized.
  • the compression rate of the rubber member 13 is the compression rate in the radial direction of the torsional damper, and the radial compression rate is the compression of the thickness (t 0 ) before the rubber member 13 shown in FIG.
  • the thickness becomes (t 1 )
  • the radial compression ratio is expressed by Expression (6).
  • the gap portion between the damper hub 11 and the inertia ring 12 is not a constant interval as shown in FIG.
  • the rubber member 13 has a wide gap so that it can be easily inserted.
  • a convex protrusion may be provided to prevent the rubber member from coming off in the left-right direction (on the paper) of the rubber member press-fitted near the center of the inner periphery of the inertia ring and the center of the hub. ing.
  • the gap formed between the inner peripheral surface of the inertia ring and the outer peripheral surface of the hub is not constant. That is, as shown in FIG. 6, the gap distance is t1 to t5. Therefore, the compression rate of the rubber member is partially different.
  • the weighted average compression ratio of regions having different compression ratios as shown in Expression (7) is defined as the average compression ratio.
  • t 0 Thickness of rubber member before press-fitting
  • t n Thickness of rubber member at maximum gap interval when inserted (press-fitted) into different gaps
  • L 0 Torsional damper width
  • L n Torsional dampers The width direction length of each gap n: the number of regions having different compression ratios, and an integer from 1 to 5.
  • the rubber member 13 before the torsional damper is mounted has a ratio of the modulus (Mpa) at 300% elongation to the modulus (Mpa) at 50% elongation (300 % Modulus of elongation / 50% elongation modulus) is preferably 7.2 or more.
  • the ratio of the modulus at 300% elongation (Mpa) to the modulus at 50% elongation (Mpa) (modulus at 300% elongation / modulus at 50% elongation) is less than 7.2, an external force was applied. In some cases, the distortion of the rubber member increases, and the rubber member may be damaged during durability.
  • a damper rubber composition constituting a rubber member is injected into a gap between the damper hub 11 and the inertia ring 12 and heated.
  • vulcanization adhesion type torsional dampers Parts manufactured by the vulcanization adhesion method are called vulcanization adhesion type torsional dampers.
  • the vulcanization adhesion method it is easy to exhibit the original characteristics of the rubber member as compared with the press-fitting method, but it is easy to cause adhesion failure, and adjustment for increasing the adhesion force with the damper hub 11 and the inertia ring 12 is necessary. . Since the rubber member is compressed by the press-fitting method, the original characteristics of the damper rubber composition are sacrificed to some extent, but there is an advantage that adhesion failure does not occur in a simple process of press-fitting. (Example) Next, examples of the present invention will be described. ⁇ Manufacture of rubber members> (Damper rubber composition adjustment process)
  • the dough was wound around a 6-inch roll with a roll interval of 4 mm, and as a peroxide, 3.5 parts by weight of 2,5-dimethyl-2,5-di (tert-butylperoxy) hexane, and a co-crosslinking agent As described above, 2 parts by weight of trimethylolpropane trimethacrylate was kneaded, turned back and forth three times each, then rounded five times, and then formed into a sheet. (Damper rubber composition vulcanization process)
  • the above sheet is set in a mold, press vulcanized at 180 ° C. for 10 minutes to produce a rubber sheet having a thickness of 2 mm, and further heat-treated in a thermostatic bath at 150 ° C. for 6 hours. It was.
  • rubber members of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 6 were produced in the same manner as described above except that the composition ratio of the damper rubber composition was changed.
  • carbon black 1 in which the iodine adsorption amount and the DBP oil absorption amount are in the ranges indicated by the broken lines in Table 5 was used, and in Comparative Example 2, carbon black 2 was used.
  • Measuring instrument Ueshima Seisakusho Viscoelastic Analyzer YR-7130 Deformation method: Tensile frequency: 100Hz Amplitude: ⁇ 1% Preload: 480mN Test piece shape: Strip-shaped piece of 20 mm (grip interval) ⁇ 4 mm (width) ⁇ 2 mm (thickness) taken from a rubber member after vulcanization molding
  • An annular rubber member (see rubber member 13 in FIG. 5) was prepared using the rubber compositions of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, and an average compression ratio of 10 was formed in the gap between the hub and the inertia ring.
  • a torsional damper was manufactured by press-fitting at ⁇ 40%.
  • ⁇ (circle) indicates that the physical property value of the rubber member has changed (for example, modulus), and “ ⁇ (double circle) indicates that there is no abnormality in the appearance of the rubber part and the physical property value has not changed after a predetermined time. " As shown in Table 6, it was found that the torsional dampers of Examples 1 to 5 exhibited good durability with the temperature rise of the rubber member suppressed.
  • the torsional damper of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
  • the torsional damper of the present invention can be applied to reduce torsional vibrations not only in crankshafts of automobiles, construction machines, ships, but also in various rotating shafts such as engine camshafts.
  • the present invention can also be applied to a torsional damper having an inertia ring in which no pulley groove is formed, a torsional damper having a hub not provided with a boss portion, and the like.

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Abstract

トーショナルダンパの耐久性を向上させる。トーショナルダンパ10のダンパハブ11と慣性リング12との間に装着されるゴム部材13は、EPDMを主成分とするゴム組成物からなり、表面温度が60±5℃の時の損失係数(tanδpi)は0.27以上である。また、トーショナルダンパ10の共振点での連続加振時におけるゴム部材13の表面最高到達温度(Tmax)は、Tmax=α×ln(tanδpi)+β≦100(式中、αは-46.9~-60.4の範囲の係数を表し、βは+9.4~+27.7の範囲の係数を表す)を満たす。

Description

トーショナルダンパ
 本発明は、車両等のエンジンのクランクシャフトやカムシャフトなどの回転軸に装着されて該回転軸の捩じれ振動を吸収するトーショナルダンパに関する。
 車両等のエンジンのクランクシャフトやカムシャフトなどの回転軸の回転を被駆動機器に伝達するトーショナルダンパは、回転軸に取り付けられるダンパハブと、ダンパハブの径方向に配置される慣性リングとを有しており、ダンパハブの外周面と慣性リングの内周面との間隙部にはゴム部材が介在している。
 ダンパハブと慣性リングとの間に装着された上記ゴム部材は、車両等の走行中に発生する回転軸の捩じれ振動を低減させて回転軸の破損を防止し、エンジン振動の騒音や振動を低減する役割をする重要な部材である。
 特許文献1には、エチレン・プロピレンゴムを含むゴム組成物を架橋して得られ、-40℃~150℃における損失係数(tanδ)が0.35を超えるダンパ用ゴム部材が開示されている。
 特許文献2には、エチレン・プロピレン・ジエンゴム(EPDM)を主材料とし、損失係数の温度依存性が50℃の温度変化あたり15%以内の変化率となるように設定されたゴム部材を加硫接着したラバーダンパ装置が開示されている。
 特許文献3には、トーショナルダンパのハブと慣性リングとに架橋され、約120℃~140℃の高温雰囲気でも優れた耐熱性を示すトーショナルダンパ用EPDM組成物が開示されている。
特開2007-009073号公報 特開平11-210832号公報 特許第4140415号明細書
 トーショナルダンパの耐久性を向上させるためには、車両等のエンジン稼働時におけるゴム部材の温度上昇を抑制することが課題となるが、トーショナルダンパに適用される従来のゴム部材は、車両等のエンジン稼働時における温度上昇が大きく、これがトーショナルダンパの耐久性の向上を妨げる要因となっていた。
 本発明の目的は、ゴム部材の温度上昇を抑制し、耐久性の向上したトーショナルダンパを提供することにある。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
 本発明は、回転軸に取り付けられ、前記回転軸と一体的に回転するダンパハブと、前記ダンパハブにゴム部材を介して装着された慣性リングと、を有するトーショナルダンパであって、前記ゴム部材は、EPDMを主成分とするゴム組成物からなり、且つ表面温度が60±5℃の時の損失係数(tanδpi)が0.27以上であり、前記トーショナルダンパの共振点での連続加振時における前記ゴム部材の表面最高到達温度(Tmax)は、Tmax=α×ln(tanδpi)+β≦100(式中、αは-46.9~-60.4の範囲の係数を表し、βは+9.4~+27.7の範囲の係数を表す)を満たす。
 本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
 本発明によれば、ダンパハブと慣性リングとの間に装着されるゴム部材の温度上昇を抑制することができるので、耐久性の向上したトーショナルダンパを提供することができる。
本発明の一実施の形態であるトーショナルダンパを示す斜視図である。 図1に示すトーショナルダンパの一部破断斜視図である。 トーショナルダンパに装着されたゴム部材の捩じれ角度の測定方法を説明する図である。 図1に示すトーショナルダンパのゴム部材を構成するゴム組成物に含まれるカーボンブラックの量と損失係数(tanδi)との関係を示す図である。 図1に示すトーショナルダンパの組み立て方法を示す一部破断斜視図である。 図1に示すトーショナルダンパ要部拡大図(平均圧縮率説明図)である。 トーショナルダンパに装着されたゴム部材の表面温度の測定方法を示す図である。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の一実施の形態であるトーショナルダンパを示す斜視図であり、図2は、図1に示すトーショナルダンパの一部破断斜視図である。
 本実施の形態のトーショナルダンパ10は、車両等のエンジンのクランクシャフトの先端に装着され、当該クランクシャフトの回転をオルタネータやパワーステアリングなどの被駆動機器に伝達するために使用されるものであって、ダンパハブ11と、慣性リング12と、環状のゴム部材13とを備えている。
 ダンパハブ11は、径方向に伸びるディスク部11aと、その径方向中央部に一体に設けられたボス部11bとを有し、ボス部11bがクランクシャフトの先端に締結されて中心軸Cを中心に回転駆動される。ダンパハブ11は、FC250、FCD450などの鋳鉄からなる。
 慣性リング12は、ダンパハブ11の径方向外方に配置されており、その外周面にベルトが掛かるプーリ溝12aが設けられて動力伝達用のプーリを構成している。慣性リング12は、FC250などの鋳鉄からなる。
 ダンパハブ11と慣性リング12との間に装着されたゴム部材13は、ダンパハブ11の中心軸Cに同軸の外周面と、この外周面に対向する慣性リング12の内周面との間隙部に挿入され、車両等の走行中に発生するクランクシャフトの捩じれ振動を低減させて破損を防止し、エンジン振動の騒音や振動を低減する役割をする。
 本発明者らは、車両等のエンジン稼働時における上記ゴム部材13の温度上昇を抑制すべく、トーショナルダンパ装着後のゴム部材13の発熱量と60℃における損失係数(tanδpi)との関係について鋭意検討した結果、損失係数(tanδpi)の大きいゴム部材は、ゴム部材自体の発熱量が少ないという知見を得た。以下、その理由と実験結果について説明する。
 なお、以下では、トーショナルダンパ装着後のゴム部材13の60℃における損失係数をtanδpi、トーショナルダンパ装着後のゴム部材13の120℃における損失係数をtanδph、トーショナルダンパ装着前のゴム部材13の60℃における損失係数をtanδi、トーショナルダンパ装着前のゴム部材13の120℃における損失係数をtanδhとして記載する。
 <ゴム部材の損失係数(tanδpi)と捩じれ角度(θts)との関係について>
 まず、図3に示すようなエンジンのクランクシャフトに相当する治具101にトーショナルダンパ100を装着し、治具101とトーショナルダンパ100とに取り付けた2個の加速度センサー102、103を用いてトーショナルダンパ100に装着されたゴム部材の捩じれ角度を測定した。トーショナルダンパ100のゴム部材には、本発明のゴム部材と比較例のゴム部材を使用し、共振点追跡法によりEPDMを主成分とする合計4種類のゴム部材の捩じれ角度(θts)を測定した。結果を表1に示す。
 <測定条件>
・加振振幅:±0.35×10-3rad(±0.02°)
・スイープ速度:100Hz/min
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 
 また、後述する実施例に記載の測定方法により上述の4種類のゴム部材の損失係数(tanδpi)を測定し、ゴム部材の捩じれ角度(θts)とゴム部材表面温度60℃における損失係数(tanδpi)との関係をプロットしたものが表2である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 
 一般に、ゴム部材のような内部減衰の大きな粘弾性体に振動エネルギーを与えると、このエネルギーの一部は弾性エネルギーとして蓄えられ、残りのエネルギーは、振動の減衰によって熱となり、粘弾性体の温度を上昇させる。
 ここで、外力が振動の1サイクルに対して行った単位体積あたりの仕事は、系が得た単位体積あたりの熱量(Q)に等しいことが知られている。このとき、熱量(Q)は、以下の式(1)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 
(式中、τ(t)は外力としての剪断力、Aは剪断面積、hは剪断厚み、uは粘弾性体の変位をそれぞれ表す)
 上記式(1)中のdu(t)を剪断歪dγ(t)を用いて表すと、次の式(2)が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 
(式中、G”(ω、T)は損失剪断弾性率、γは剪断歪、ωは角周波数、Tは温度をそれぞれ表す)
 また、一般的に、損失係数(tanδ)は次の式(3)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 
(式中、G’(ω、T)は剪断弾性率を表す)
 従って、上記の式(2)と式(3)とから、最終的に熱量(Q)は、次の式(4)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 
(式中、fは周波数、γは剪断歪をそれぞれ表す)
 表2に示すように、トーショナルダンパ装着後のゴム部材の捩じれ角度(θts)は、ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)が大きくなるにつれて小さくなってゆくことがわかる。特に、表2からわかるように、ゴム部材の捻じれ角度とゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)との間には明白な負の相関が認められ、以下の式で示されることがわかった。
   ゴム部材の捩じれ角度(θts)=α×ln(tanδpi)+β
 但し、α=-0.239~-0.245の範囲の係数
    β=-0.0653~-0.0753の範囲の係数
 αおよびβの係数は、ゴム捩じれ角度の測定誤差(±0.005°)及び損失係数(tanδpi)の測定誤差(±0.005)から生じる係数である。
 このように、ゴム部材の捩じれ角度(θts)とゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)が負の相関を有する。すなわち、ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)の大きなゴム部材ほど剪断歪γが小さく、トーショナルダンパに与えられるエネルギーが小さくなることを意味し、その結果、上記の式(4)から、損失係数(tanδpi)が大きなゴム部材ほど熱量(Q)が小さくなり、結果として温度上昇が小さくなることが推定できる。
 そこで、本発明者らは、トーショナルダンパ装着後のゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)とゴム部材の表面最高温度が定常状態になった時の表面到達最高温度との関係について、以下のような検討を行った。
 <ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)と表面到達最高温度(Tmax)との関係について>
 後述する実施例に記載の共振点追跡法を用い、異なる損失係数(tanδpi)を有する代表的な2種類のゴム部材(表1に示す本発明品および比較例品)の表面最高到達温度を非接触表面温度計を用いて測定した。結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 
 表3からわかるように、ゴム部材の表面温度は、少なくとも試験開始から30分経過した時点で定常状態となる。
 さらに、ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)および120℃における損失係数(tanδph)と表面到達最高温度との関係をプロットしたものを表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 
 なお、表面温度測定は、図7に示すように高周波捩じれ振動試験機に直接トーショナルダンパ100をセットし、共振周波数である共振点を連続的に追跡しながら(共振点追跡法)、下記の条件で非接触表面温度計により測定した。
 <測定条件>
・加振振幅:±0.05°
・共振周波数:400Hz(+0Hz~-30Hz)
ここで、共振周波数は、高周波捩じれ振動試験機による共振スイープ法(固有振動数測定)を用い、以下の測定条件にて測定したものである。また、共振周波数の誤差(+0Hz~-30Hz)は、試験時間の経過とともに共振周波数が変動する誤差である。
 <測定条件>
・加振振幅:±0.85×10-3rad(±0.05°)
・スイープ速度:100Hz/min
 ところで、一般的にトーショナルダンパの共振周波数(fn)は、
        fn=(1/2π)×(k/Id)1/2
(ここで、k:ばね定数、Id:慣性質量)で表せる)。
 従って、共振周波数は、ばね定数であるゴム部材およびダンパの慣性質量により種々の値をとり得るが、本測定で用いたトーショナルダンパの共振周波数は400Hzであった。
 この結果、表4に示すように、ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)とゴム部材の表面最高到達温度との間には、良好な負の相関関係が見られ、ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)が大きくなるにつれて、ゴム部材の表面到達最高到達温度が低くなってゆくことが判明した。このことは、ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)が大きくなるほど、剪断歪γ(≒捻じれ角度)が小さくなるために、トーショナルダンパに与えられるエネルギーが小さくなり、その結果、上記の(4)式から熱量(Q)が小さくなるために、結果として温度上昇が小さくなるという仮説を検証することができた。
 また、ゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)とゴム部材の表面最高到達温度との負の相関関係は、表面温度60℃において特に良好であり、表面温度60℃における損失係数(tanδpi)とゴム部材の表面最高到達温度(Tmax)との間には、式(5)のような関係のあることがわかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 
(式中、αは-46.9~-60.4の範囲の係数を表し、βは+9.4~+27.7の範囲の係数を表す)
 なお、式(5)中の係数α、βは、損失係数(tanδpi)の測定誤差±0.005、表面温度測定誤差±5℃から得られる係数である。また、表面最高到達温度(Tmax)とは、ゴム部材の温度上昇+環境温度(表4の場合は23℃)を意味する。
 一方、ゴム部材の表面温度120℃における損失係数(tanδph)と表面最高到達温度(Tmax)との間には良好な相関が得られない。これは、EPDMゴム組成物の特性、例えば高温時の損失係数改善のために添加する添加剤により、EPDMのゴム架橋密度が変化してしまうために、高温側(ここでは120℃)の損失係数(tanδph)とゴム部材の表面最高到達温度との良好な相関が得られなかったと考えられる。
 なお、ゴム部材の表面温度が100℃よりも大きくなると、ゴム部材を構成するゴム組成物の材料物性(例えば、引張強さ、モジュラスなど)が低下し、耐久性が悪化する。そのため、上限温度を100℃とした。
 次に、本実施の形態のゴム部材13の構成について詳述する。
 本実施の形態のゴム部材13は、エチレン・プロピレン・ジエン三元コポリマー(EPDM)を主成分とするゴム組成物を常法により所定形状(本例では円筒形)に加硫成形することによって得られたものである。
 また、上記ゴム組成物に添加されるカーボンブラック量とトーショナルダンパ装着前のゴム部材単体の損失係数(tanδi)との間には相関関係があり、図4に示すように、カーボンブラック量の増加に比例して損失係数(tanδi)も大きくなる。従って、上記ゴム組成物にはEPDM100重量部に対してカーボンブラック100重量部以上を添加することが好ましい。
 さらに、上記ゴム組成物にはプロセスオイル50重量部以上が添加され、上記EPDMのポリマー分率は、20%以上40%以下であることが好ましい(後述する実施例の表6参照)。
 また、耐久性の観点から、上記ゴム組成物にはEPDM100重量部に対してカーボンブラック140重量部以上、プロセスオイル70重量部以上をそれぞれ添加することがより好ましい(後述する実施例の表6参照)。
 さらに、ゴム組成物に添加されるカーボンブラックの粒径とゴム部材の60℃における損失係数(tanδi)との間にも相関関係があり、カーボンブラックの粒径が小さいほど、損失係数(tanδi)が大きくなる。
 換言すると、カーボンブラックのヨウ素吸着量が多いほど、カーボンブラックの粒径が小さくなり、ゴム部材の60℃における損失係数(tanδi)が大きくなる。また、DBP(可塑剤:フタル酸ジブチル(Dibutyl phthalate))吸油量が多いほど、カーボンブラックのストラクチャーが大きくなり、導電性が向上するため、ゴム部材をトーショナルダンパに装着したときに、トーショナルダンパの帯電を防止できると同時に、耐久性を向上させることができる。
 具体的には、ゴム組成物に添加されるカーボンブラックは、ヨウ素吸着量が70mg/g以上150mg/g以下、DBP吸油量が40ml/100g以上120ml/100g以下であるものが好ましい(表5参照)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 
 ところで、ゴム組成物には、カーボンブラックに加え、加硫剤として、過酸化物、共架橋剤などが含有される。
 過酸化物としては、
  1,1-ビス(tert-ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、
  2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルペルオキシ)ヘキサン、
  2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルペルオキシ)ヘキシン-3、
  2,5-ジメチル-2,5-ジ(ベンゾイルペルオキシ)ヘキサン、
  1,3-ジ(2-tert-ブチルペルオキシイソプロピル)ベンゼン、
  ジtert-ブチルペルオキシド、
  ジクミルペルオキシド、
  N-ブチル-4,4-ジ(tert-ブチルペルオキシ)バレレート、
  tert-ブチルクミルペルオキシド、
などを用いることができる。
 共架橋剤としては、
  トリアリルイソシアネート、
  エチレングリコールジメタクリレート、
  トリメチロールプロパントリメタクリレート、
  トリアリルシアヌレート、
  キノンジオキシム、
 1,2-ポリブタジエン、
などを用いることができる。
 また、ゴム組成物には、上記した成分の他、周知のゴム添加剤(プロセスオイル(鉱物油)、可塑剤、亜鉛華、ステアリン酸亜鉛、老化防止剤など)が含有される。
 本実施の形態のトーショナルダンパ10は、上記のようなゴム組成物を加硫成形して環状のゴム部材13を作製した後、図5に示すように、ダンパハブ11のボス部11bが鉛直方向となるようにダンパハブ11と慣性リング12とを支持台(図示せず)上に配置した状態で、プレスなどの圧入治具を用いてダンパハブ11の外周面と慣性リング12の内周面との間隙部14にゴム部材13を圧入することによって製造される。このようにして製造された部品を圧入タイプトーショナルダンパという。
 ダンパハブ11と慣性リング12との間隙部14にゴム部材13を圧入する際は、ゴム部材13の平均圧縮率が10%~40%の範囲になるような圧入とすることが好ましい。ゴム部材13の平均圧縮率が10%未満の場合は、トーショナルダンパ10のスリップトルクが所望の値とならず、ベルトに動力が伝わり難くなる。また、40%より大きな平均圧縮率では、ゴム部材13に応力集中することでゴムに亀裂が発生し、耐久性が劣化してしまうため好ましくない。
 さらに、ゴム部材13の平均圧縮率は、10%~30%の範囲がより好ましい。平均圧縮率がこの範囲内であれば、特に、耐久試験において、慣性リング12あるいはダンパハブ11との摩擦によるゴム摩耗粉の発生を抑えることができ、良好な耐久性が得られる。さらに圧入性が良好となり、安定した寸法精度を実現できる。
 ここで、ゴム部材13の圧縮率とは、トーショナルダンパの半径方向の圧縮率であり、半径方向圧縮率とは、図5のゴム部材13の装着前の厚み(t)が装着によって圧縮されて厚みが(t1)になることであり、半径方向圧縮率は、式(6)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 
 ところで、ゴム部材13をダンパハブ11と慣性リング12に挿入する際に、図6に示すようにダンパハブ11と慣性リング12との隙間部は一定の間隔でなく、ゴム部材13の圧入方向入口部分は、ゴム部材13を挿入し易いように広めの隙間部を有している。
 また、トーショナルダンパの種類によっては、慣性リング内周の中央部、ハブ中央部付近に圧入したゴム部材の左右方向(紙面上)にゴム部材の抜けを防止するために凸状の突起を設けている。
 このように、トーショナルダンパにゴム部材を圧入した場合には、慣性リング内周面とハブ外周面とで形成される隙間部は一定ではない。すなわち、図6のようにt1~t5のような空隙距離を有する。そのため、ゴム部材の圧縮率は部分的に異なる圧縮率となっている。
 そこで、式(7)で示すような圧縮率が異なる領域の加重平均した圧縮率を平均圧縮率とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 
  ただし、t:圧入前のゴム部材の厚み
      t:異なる空隙部へ挿入(圧入)した時の最大空隙間隔部分の
ゴム部材の厚み
      L:トーショナルダンパの幅
      L:トーショナルダンパ各種空隙部のそれぞれの幅方向長さ
      n:圧縮率が異なる領域の数であり、1から5までの整数。
 なお、t1、t5は傾斜を有する開口部分(L1、L5)の中心位置(L1/2、L5/2)での空隙距離である。
 また、L5が傾斜部を有せず開口していない場合に、t5=t4であれば、n=4となる。さらに、中央部の凸部がない場合もあり、その場合に、t2~t4までが同じ空隙距離であればn=3となる。
 このように、隙間部間隔が同じ領域はn=1とカウントし、隙間間隔が異なる領域があればnが漸次増えて行き、任意隙間間隔によりnは最大5までを採ることができる。
 また、トーショナルダンパ10の耐久性を向上させる観点から、トーショナルダンパ装着前のゴム部材13は、300%伸長時のモジュラス(Mpa)と50%伸長時のモジュラス(Mpa)との比(300%伸長時モジュラス/50%伸長時モジュラス)を7.2以上とすることが望ましい。300%伸長時のモジュラス(Mpa)と50%伸長時のモジュラス(Mpa)との比(300%伸長時モジュラス/50%伸長時モジュラス)比が7.2より小さい場合には、外力を加えたときのゴム部材の歪が大きくなり、耐久時にゴム部材が破損したりする場合がある。
 本実施の形態のトーショナルダンパ10の製造方法としては、上記した圧入法の他、ゴム部材を構成するダンパゴム組成物をダンパハブ11と慣性リング12との間隙部に注入して加熱する加硫接着法がある。加硫接着法により製造された部品を加硫接着タイプトーショナルダンパという。
 加硫接着法によれば、圧入法に比べてゴム部材の本来の特性を発揮し易いが、接着不良を引き起こし易く、ダンパハブ11や慣性リング12との接着力を高めるための調整が必要となる。圧入法ではゴム部材が圧縮されるので、ダンパゴム組成物本来の特性が多少犠牲になるが、圧入という簡易な工程で接着不良が生じない利点がある。
 (実施例)
 次に、本発明の実施例について説明する。
 <ゴム部材の製造>
 (ダンパゴム組成物の調整工程)
 まず、3.5リットルのバンバリーミキサーにEPDM100重量部を投入し、回転数40rpmで1分間素練りした後、カーボンブラック100重量部、プロセスオイル50重量部、亜鉛華5重量部、ステアリン酸亜鉛1重量部、老化防止剤2重量部を投入して2分間混練し、さらに1分間混練した後、混練物をバンバリーミキサーから排出した。続いて、排出した混練物をロール間隔5mmとした12インチロールに巻き付けてシート状に成形し、成形した生地を室温にて12時間以上放置した。
 次に、上記の生地をロール間隔4mmとして6インチロールに巻き付けて過酸化物として、2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルペルオキシ)ヘキサン3.5重量部、および共架橋剤としてトリメチロールプロパントリメタクリレート2重量部を練り込み、切り返しを左右3回ずつ行い、続いて丸め通しを5回行った後、シート状に成形した。
 (ダンパゴム組成物の加硫工程)
 次に、上記のシートを金型にセットし、180℃にて10分間のプレス加硫を行って2mm厚のゴムシートを作製し、さらに150℃の恒温槽にて6時間の加熱処理を行った。
 また、ダンパゴム組成物の組成比を変えた以外は上記と同様の方法で表6に示す実施例2~実施例5および比較例1、2のゴム部材を作製した。ただし、実施例1~実施例5では、ヨウ素吸着量およびDBP吸油量が表5の破線で示す範囲にあるカーボンブラック1を使用し、比較例2ではカーボンブラック2を使用した。
 <ゴム部材の評価>
 1.下記条件によりJIS K6394に基づいて実施例1~実施例5および比較例2のゴム部材の60℃における損失係数(tanδi)、120℃における損失係数(tanδh)および損失係数比(tanδh/tanδi)をそれぞれ測定した。結果を表6に示す。
 測定器:上島製作所製 粘弾性アナライザYR-7130
 変形方法:引張
 周波数:100Hz
 振幅:±1%
 プレロード:480mN
 試験片形状:加硫成形後のゴム部材から採取した
20mm(つかみ間隔)×4mm(幅)×2mm(厚さ)の短冊形状片
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
 
 2.JIS K6253に基づいてデュロメータAを使用し、1秒以内に読み取る方式で実施例1~実施例5および比較例2のゴム部材の硬さを測定した。結果を表6に示す。
 3.JIS K6251に基づいて実施例1~実施例5および比較例2のゴム部材の引張強さ(Mpa)、伸び(%)およびモジュラス(300%伸長時のモジュラス、50%伸長時のモジュラスおよびそれらの比)を測定した。結果を表6に示す。
 <圧入タイプトーショナルダンパの評価>
 1.実施例1~実施例5および比較例1、2のゴム組成物を用いて環状のゴム部材(図5のゴム部材13参照)を作製し、ハブと慣性リングとの間隙部に平均圧縮率10~40%で圧入してトーショナルダンパを製造した。
 次に、トーショナルダンパ(実施例1~実施例5、比較例1、2)に装着されたゴム部材の表面温度60℃における損失係数(tanδpi)、ゴム部材の表面温度120℃における損失係数(tanδph)および損失係数比(tanδph/tanδpi)を高周波振動試験機による共振スイープ法(固有振動数測定)で測定した。
 <測定条件>
・ゴム温度:60±5℃、120±5℃
・加振振幅:±1.7×10-3rad(±0.1°)
・スイープ速度:100Hz/min
 1.また、トーショナルダンパ(実施例1~実施例5、比較例1、2)の共振点での連続加振時(既述の共振点追跡法)における各ゴム部材の表面最高到達温度を非接触表面温度計により測定し、同時に同法により所定時間経過後の耐久性の評価を行った。結果を表6に示す。なお、表6の耐久性については、所定時間経過前にゴムの破損のあったものを「×(バツ)」と、所定時間経過後ではゴム部の外観に異常はないが、所定時間以上でゴム部材の物性値変化(例えばモジュラス)したものを「○(丸)」と、所定時間経過後にゴム部の外観に異常がなく、物性値の変化もなかったものを「◎(2重丸)」とした。
 表6に示すように、実施例1~実施例5のトーショナルダンパは、ゴム部材の温度上昇が抑制され、良好な耐久性を示すことがわかった。
 以上、本発明のトーショナルダンパについて詳述したが、本発明は前記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明のトーショナルダンパは、自動車、建設機械、船舶等のクランクシャフトのみならず、エンジンのカムシャフトなどの種々の回転軸における捩じれ振動を低減するために適用することができ、外周面にプーリ溝が形成されていないタイプの慣性リングを有するトーショナルダンパや、ボス部を備えていないハブを有するトーショナルダンパなどにも適用することができる。
10  トーショナルダンパ
11  ダンパハブ
11a ディスク部
11b ボス部
12  慣性リング
12a プーリ溝
13  ゴム部材
14  間隙部
100 トーショナルダンパ
101 治具
102、103 加速度センサー

Claims (6)

  1.  回転軸に取り付けられ、前記回転軸と一体的に回転するダンパハブと、
     前記ダンパハブにゴム部材を介して装着された慣性リングと、
     を有するトーショナルダンパであって、
     前記ゴム部材は、EPDMを主成分とするゴム組成物からなり、
     前記ダンパハブと前記慣性リングとの間に装着された前記ゴム部材は、表面温度が60±5℃の時の損失係数(tanδpi)が0.27以上であり、
     前記トーショナルダンパの共振点での連続加振時における前記ゴム部材の表面最高到達温度(Tmax)は、以下の式
           Tmax=α×ln(tanδpi)+β≦100
    (式中、αは-46.9~-60.4の範囲の係数を表し、βは+9.4~+27.7の範囲の係数を表す)
    を満たす、トーショナルダンパ。
  2.  請求項1記載のトーショナルダンパにおいて、
     前記トーショナルダンパ装着前の前記ゴム部材の60℃における損失係数(tanδi)が0.33以上である、トーショナルダンパ。
  3.  請求項1または2記載のトーショナルダンパにおいて、
     前記ゴム部材は、前記ゴム組成物を加硫成形したものであり、
     前記ゴム組成物には、前記EPDM100重量部に対してカーボンブラック100重量部以上、プロセスオイル50重量部以上がそれぞれ添加され、
     前記EPDMのポリマー分率は、20%以上40%以下である、トーショナルダンパ。
  4.  請求項3記載のトーショナルダンパにおいて、
     前記ゴム組成物に添加された前記カーボンブラックは、ヨウ素吸着量が70mg/g以上150mg/g以下であり、DBP吸油量が40ml/100g以上120ml/100g以下である、トーショナルダンパ。
  5.  請求項1乃至3記載のトーショナルダンパにおいて、
      前記ゴム部材は、300%伸長時のモジュラスと50%伸長時のモジュラスとの比が7.2以上である、トーショナルダンパ。
  6.  請求項1、2、3または5のいずれか一項に記載のトーショナルダンパにおいて、
     前記ゴム部材は、前記ダンパハブと前記慣性リングとの間に、以下の式で示される半径方向の平均圧縮率で圧入されている、トーショナルダンパ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     
     ただし、 t:圧入前のゴム部材の厚み
          t:異なる空隙部へ挿入(圧入)した時のゴム部材の厚み
          L:トーショナルダンパの幅
          L:トーショナルダンパ各種空隙部のそれぞれの幅方向長さ
          n:圧縮率が異なる領域の数であり、1から5までの整数。
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