JP6266832B1

JP6266832B1 - 樹脂歯車

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Publication number: JP6266832B1
Application number: JP2017136318A
Authority: JP
Inventors: 泰正奥野
Original assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Current assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2037-07-12
Also published as: JP2018059621A

Abstract

【課題】耐衝撃性の優れる樹脂歯車を提供する。【解決手段】樹脂歯車１０は、外周に周方向に一定ピッチで歯部１３が配設された歯車本体１１を有する。歯車本体１１は、ポリアミドを主成分とするベース樹脂に、酸変性オレフィン系エラストマーが配合されていると共に、炭素繊維が分散して含まれた樹脂組成物で形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は樹脂歯車に関する。

電動パワーステアリング装置に組み込まれるウォーム歯車減速機構に用いられる樹脂歯車として、歯車本体がポリアミドをベース樹脂とする樹脂組成物で形成されたものが知られている。特許文献１には、変性ポリアミド６Ｔ、ポリアミド９Ｔ、ポリアミドＭＸＤ６等の芳香族ポリアミドにガラス繊維や炭素繊維等の補強材を配合した樹脂組成物で歯車本体が形成された樹脂歯車が開示されている。特許文献２には、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６等のポリアミドに補強材としてガラス繊維を配合した樹脂組成物で歯車本体が形成された樹脂歯車が開示されている。特許文献３には、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド６１２等のポリアミドにガラス繊維や炭素繊維等の補強材を配合した樹脂組成物で歯車本体が形成された樹脂歯車が開示されている。

特開２００７−１６８７１８号公報特許第４１８２９７８号公報特開２００３−１１８２８号公報

本発明の課題は、耐衝撃性が優れる樹脂歯車を提供することである。

本発明は、外周に周方向に一定ピッチで歯部が配設された歯車本体を有する樹脂歯車であって、前記歯車本体は、ポリアミドを主成分とするベース樹脂に、酸変性エチレン−オクテンコポリマーが配合されていると共に、炭素繊維が分散して含まれた樹脂組成物で形成されており、前記樹脂組成物における前記酸変性エチレン−オクテンコポリマーの含有量が前記炭素繊維の含有量よりも多く、且つ前記樹脂組成物における前記酸変性エチレン−オクテンコポリマーの含有量に対する前記炭素繊維の含有量の比が０．３７以上である。

本発明によれば、歯車本体を形成する樹脂組成物が、ポリアミドを主成分とするベース樹脂に、酸変性オレフィン系エラストマーが配合されていると共に、炭素繊維が分散して含まれていることにより、優れた耐衝撃性を得ることができる。

実施形態に係る樹脂歯車を示す斜視図である。

以下、実施形態について詳細に説明する。

図１は実施形態に係る樹脂歯車１０を示す。実施形態に係る樹脂歯車１０は、自動車の電動パワーステアリング装置に組み込まれるウォーム歯車減速機構の減速歯車として用いられる。

実施形態に係る樹脂歯車１０は、樹脂組成物で形成された歯車本体１１とその中心軸に一体に設けられた金属製の芯管１２とを有する。実施形態に係る樹脂歯車１０は、歯車本体１１の外周に周方向に一定ピッチで歯部が配設されており、この歯部がウォーム２０に噛合するように設けられる。

歯部本体１１を形成する樹脂組成物は、ポリアミドを主成分とするベース樹脂に、酸変性オレフィン系エラストマーが配合されていると共に、炭素繊維が分散して含まれている。実施形態に係る樹脂歯車１０によれば、このように歯車本体１１を形成する樹脂組成物が、ポリアミドを主成分とするベース樹脂に、酸変性オレフィン系エラストマーが配合されていると共に、炭素繊維が分散して含まれていることにより、優れた耐衝撃性を得ることができる。

ベース樹脂の主成分のポリアミドとしては、例えば、ポリアミド６、ポリアミド４６、ポリアミド６６、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２などの脂肪族ポリアミド；ポリアミド６Ｔ、ポリアミド９Ｔ、ポリアミド１０Ｔ、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド６Ｔ１１、ポリアミド１０Ｔ１１、ポリアミド６６Ｔ、ポリアミド６１６Ｔなどの芳香族ポリアミドや半芳香族ポリアミド；変性ポリアミド６Ｔのようなこれらの変性物が挙げられる。ポリアミドは、これらのうちの１種又は２種以上を用いることが好ましい。吸水性が低く寸法安定性が高いという観点からは、芳香族ポリアミドを用いることが好ましく、ポリアミド９Ｔやポリアミド１０Ｔを用いることがより好ましい。

ベース樹脂におけるポリアミドの含有量は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上、最も好ましくは１００質量％である。なお、ベース樹脂に含めることができるその他のベース樹脂種としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂等が挙げられる。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物におけるベース樹脂の含有量（Ａ）は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは６０質量％以上９５質量％以下、より好ましくは７０質量％以上９０質量％以下である。

酸変性オレフィン系エラストマーとしては、例えば、酸変性エチレン−プロピレンコポリマー、酸変性エチレン−ブテンコポリマー、酸変性エチレン−ヘキセンコポリマー、酸変性エチレン−オクテンコポリマーなどの酸変性エチレン−α−オレフィンコポリマーや酸変性エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー等が挙げられる。また、酸変性オレフィン系エラストマーとしては、例えば、無水マレイン酸変性オレフィン系エラストマー、マレイン酸変性オレフィン系エラストマー、無水イタコン酸変性オレフィン系エラストマー、イタコン酸変性オレフィン系エラストマー、フマル酸変性オレフィン系エラストマー、メタクリル酸変性オレフィン系エラストマー、アクリル酸変性オレフィン系エラストマー等が挙げられる。酸変性オレフィン系エラストマーとしては、これらの組み合わせが挙げられる。酸変性オレフィン系エラストマーは、これらのうちの１種又は２種以上を用いることが好ましい。オレフィン系エラストマーは、優れた耐衝撃性を得る観点から、酸変性エチレン−α−オレフィンコポリマーを用いることが好ましく、酸変性エチレン−オクテンコポリマーを用いることがより好ましい。酸変性オレフィン系エラストマーは、優れた耐衝撃性を得る観点から、無水マレイン酸変性オレフィン系エラストマーであることが好ましい。従って、酸変性オレフィン系エラストマーは、優れた耐衝撃性を得る観点から、無水マレイン酸変性エチレン−α−オレフィンコポリマーを用いることが好ましく、無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマーを用いることがより好ましい。

酸変性オレフィン系エラストマーのＪＩＳＫ７２１０-２０１４に基づいて１９０℃及び２．１６ｋｇの条件で測定されるＭＦＲ（メルトフローレート）は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは３ｇ／ｍｉｎ以上、より好ましくは６ｇ／ｍｉｎ以上であり、また、好ましくは２３ｇ／ｍｉｎ以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物における酸変性オレフィン系エラストマーの含有量（Ｂ）は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは５．０質量％以上４０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上３０質量％以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物におけるベース樹脂の含有量（Ａ）に対する酸変性オレフィン系エラストマーの含有量（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは０．０５以上０．６７以下、より好ましくは０．１１以上０．４３以下である。

炭素繊維としては、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長法炭素繊維（ＶＧＣＦ）、カーボンナノファイバ（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ワイヤーカップ、ワイヤーウォール等が挙げられる。炭素繊維は、これらのうちの１種又は２種以上を用いることが好ましい。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物に含まれる炭素繊維の繊維長は、折損されて例えば２００μｍ以上３００μｍ以下であるが、配合前の炭素繊維の繊維長は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは２．０ｍｍ以上１０ｍｍ以下、より好ましくは４．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下である。炭素繊維がカーボンナノファイバやカーボンナノチューブの場合、その長さは、好ましくは５．０μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。

炭素繊維の繊維径は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは３μｍ以上１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上８μｍ以下である。炭素繊維がカーボンナノファイバやカーボンナノチューブの場合、その径は、好ましくは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物における炭素繊維の含有量（Ｃ）は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは５．０質量％以上３０質量％以下、より好ましくは１０質量％以上２０質量％以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物におけるベース樹脂の含有量（Ａ）に対する炭素繊維の含有量（Ｃ）の比（Ｃ／Ａ）は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは０．０６０以上０．７１以下、より好ましくは０．１２以上０．３６以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物における酸変性オレフィン系エラストマーの含有量（Ｂ）は炭素繊維の含有量（Ｃ）よりも多いことが好ましい。歯車本体１１を形成する樹脂組成物における酸変性オレフィン系エラストマーの含有量（Ｂ）に対する炭素繊維の含有量（Ｃ）の比（Ｃ／Ｂ）は、優れた耐衝撃性を得る観点から、好ましくは０．１３以上８．６以下、より好ましくは０．３７以上２．５以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物には、耐衝撃性を損なわない範囲で、その他の樹脂配合剤等が配合されていてもよい。なお、装置内部を損傷させる虞があることから、ガラス繊維は配合されていないことが好ましい。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物のシャルピー衝撃強度（ノッチ付、２３℃）は、好ましくは６．０ｋＪ／ｍ^２以上、より好ましくは８．０ｋＪ／ｍ^２以上である。このシャルピー衝撃強度はＩＳＯ１７９／１ｅＡに準拠して測定される。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物の２３℃での引張破壊応力は、好ましくは６０．０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下、より好ましくは７０．０ＭＰａ以上１１０ＭＰａ以下である。１２０℃での引張破壊応力は、好ましくは１５．０ＭＰａ以上５５．０ＭＰａ以下、より好ましくは２５．０ＭＰａ以上４５．０ＭＰａ以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物の２３℃での引張破壊ひずみは、好ましくは４．０％以上２０％以下、より好ましくは６．０％以上１５％以下である。１２０℃での引張破壊ひずみは、好ましくは６．０％以上３０％以下、より好ましくは８．０％以上２０％以下である。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物の２３℃での引張弾性率は、好ましくは２．０ＧＰａ以上５．０ＧＰａ以下、より好ましくは２．５ＧＰａ以上４．０ＧＰａ以下である。１２０℃での引張弾性率は、好ましくは１．０ＧＰａ以上４．５ＧＰａ以下、より好ましくは１．５ＧＰａ以上４．０ＧＰａ以下である。

これらの引張破壊応力、引張破壊ひずみ、及び引張弾性率は、ＪＩＳＫ７１６１に準拠して、チャック間距離１１５ｍｍ及び引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎとして測定される。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物の樹脂流動方向に対して直交する方向の線膨張率は、好ましくは１４０ｐｐｍ／Ｋ以下、より好ましくは１３０ｐｐｍ／Ｋ以下である。この線膨張率はＪＩＳＫ７１９７に準拠して測定される。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物で形成した短冊状成形体の長さ方向の吸水寸法変化は、好ましくは０．４０％以下、より好ましくは０．２０％以下である。幅方向の吸水寸法変化は、好ましくは１．０％以下、より好ましくは０．２５％以下である。厚さ方向の吸水寸法変化は、好ましくは１．５％以下、より好ましくは０．３５％以下である。これらの吸水寸法変化は、短冊状成形体を温度８５℃、湿度８５％の雰囲気の恒温恒湿槽に１週間放置前後の寸法変化率として求められる。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物の吸水率は、好ましくは５．０％以下、より好ましくは１．５％以下である。この吸水率は、短冊状成形体を温度８５℃、湿度８５％の雰囲気の恒温恒湿槽に１週間放置前後の質量変化率として求められる。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物の比摩耗量は、好ましくは８．００ｍｍ^３／Ｎ・ｍ以下、より好ましくは６．００ｍｍ^３／Ｎ・ｍ以下である。歯車本体１１を形成する樹脂組成物の動摩擦係数は、好ましくは０．１０〜０．８０、より好ましくは０．１０〜０．３０である。これらの比摩耗量及び動摩擦係数は、ＪＩＳＫ７２１８−１９８６に基づいて筒状の試験片を作成し、鈴木式摩擦摩耗試験機を用い、２５℃の温度雰囲気下、相手材を十点表面粗さＲｚ２．８μｍのＳ４５Ｃ、面圧力を１．２ＭＰａ、すべり速度１００ｍｍ／ｓｅｃ、試験時間２４時間、及び潤滑剤なしの条件で摩擦摩耗試験を実施した結果から求められる。

歯車本体１１を形成する樹脂組成物は、例えば二軸混練機のホッパにベース樹脂、酸変性オレフィン系エラストマー、及び炭素繊維を投入し、シリンダ内で加熱してベース樹脂及び酸変性オレフィン系エラストマーを溶融させると共に炭素繊維と混練し、それを押し出してペレット状に加工することにより調製することができる。実施形態に係る樹脂歯車１０は、射出成型機のホッパにそのペレットを投入し、シリンダ内で加熱して溶融させると共に混練し、それを金型に射出する射出成型により製造することができる。

なお、上記実施形態に係る樹脂歯車１０は、自動車の電動パワーステアリング装置に組み込まれるウォーム歯車減速機構のウォーム２０に噛合するものとしたが、特にこれに限定されるものではなく、別の歯車と噛合する用途で用いられてもよく、また、歯付ベルトと噛合する用途で用いられてもよい。

（樹脂材料）
実施例１〜４及び比較例１〜６の樹脂材料を準備した。それぞれの構成は表１にも示す。

＜実施例１＞
ポリアミド９Ｔ（ジェネスタＮ１０００Ａクラレ社製）を７２質量％、酸変性オレフィン系エラストマーの無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマー（SCONA TSPOE 1002 GBLL BYK社製、ＭＦＲ（１９０℃，２１．６ｋｇ）：６〜２３ｇ／１０ｍｉｎ）を１８質量％、及びＰＡＮ系炭素繊維（ＨＴＣ６０５東邦テナックス社製繊維長６ｍｍ、繊維径７μｍ）を１０質量％含有する樹脂組成物を実施例１とした。実施例１の樹脂組成物は、ポリアミド９ＴにＰＡＮ系炭素繊維を予め混練したものに酸変性オレフィン系エラストマーの無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマーを加えて更に混練することにより調製した。

＜実施例２＞
ポリアミド９Ｔを７２質量％、酸変性オレフィン系エラストマーの無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマーを１８質量％、ＰＡＮ系炭素繊維を５．０質量％、及びカーボンナノチューブ（K-Nanos-100T Kumho Petrochemical社製、長さ１０〜５０μｍ、径１０〜１５ｎｍ）を５．０質量％含有する樹脂組成物を実施例２とした。実施例２の樹脂組成物は、ポリアミド９ＴにＰＡＮ系炭素繊維を予め混練したものと、酸変性オレフィン系エラストマーの無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマーに予めカーボンナノチューブを混練したものとを作製し、それらを混練することにより調製した。

＜実施例３＞
ポリアミド９Ｔに代えてポリアミド１０Ｔ（Xecot XN500 ユニチカ社製）を用いたことを除いて実施例１と同一構成の樹脂組成物を実施例３とした。

＜実施例４＞
ポリアミド９Ｔ、酸変性オレフィン系エラストマーの無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマー、及びＰＡＮ系炭素繊維の含有量を、それぞれ６８質量％、２３質量％、及び９質量％としたことを除いて実施例１と同一構成の樹脂組成物を実施例４とした。

＜比較例１＞
ポリアミド６６（アミラン CM3006 東レ社製）を比較例１とした。

＜比較例２＞
ガラス繊維強化ポリアミド６６（アミランCM3001G30 東レ社製、ガラス繊維含有量３０質量％、ガラス繊維直径１０μｍ）を比較例２とした。

＜比較例３＞
ポリアミド９Ｔを比較例３とした。

＜比較例４＞
炭素繊維強化ポリアミド６６（トレカ 3101T-10V 東レ社製、炭素繊維含有量１０質量％）を比較例４とした。

＜比較例５＞
ポリアミド６６を９２質量％、及びカーボンナノチューブ（NC7000 nanocyl社製 MWCNT）を８．０質量％含有する樹脂組成物を比較例５とした。

＜比較例６＞
ポリアミド６６を９０質量％、及び酸変性オレフィン系エラストマーの無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマーを１０質量％含有する樹脂組成物を比較例６とした。

（試験方法）
＜シャルピー衝撃強度＞
実施例１〜４及び比較例１〜６のそれぞれについて、ノッチ付きの試験片を射出成形し、ＩＳＯ１７９／１ｅＡに準拠してシャルピー衝撃強度（ノッチ付、２３℃）を測定した。

＜引張特性＞
実施例１〜４及び比較例１〜６のそれぞれについて、ダンベル状の試験片を射出成形し、ＪＩＳＫ７１６１に準拠して、チャック間距離１１５ｍｍ及び引張速度１０ｍｍ／ｍｉｎとして２３℃及び１２０℃での引張破壊応力、引張破壊ひずみ、及び引張弾性率を測定した。

＜寸法安定性＞
実施例１〜４及び比較例１〜６のそれぞれについて、短冊状の試験片（長さ６３ｍｍ、幅１２ｍｍ、及び厚さ６ｍｍ）を射出成形し、ＪＩＳＫ７１９７に準拠して樹脂流動方向に対して直交する方向の線膨張率を測定した。また、短冊状の試験片を温度８５℃、湿度８５％の雰囲気の恒温恒湿槽に１週間放置し、その前後の寸法変化率を吸水寸法変化として求めた。また、吸水前後の質量変化から吸水率を求めた。

＜摺動特性＞
実施例１〜４及び比較例１〜６のそれぞれについて、ＪＩＳＫ７２１８−１９８６に基づいて筒状の試験片を射出成形し、鈴木式摩擦摩耗試験機を用い、２５℃の温度雰囲気下、相手材を十点表面粗さＲｚ２．８μｍのＳ４５Ｃ、面圧力を１．２ＭＰａ、すべり速度１００ｍｍ／ｓｅｃ、試験時間２４時間、及び潤滑剤なしの条件で摩擦摩耗試験を実施し、その結果から比摩耗量及び動摩擦係数を求めた。

（試験結果）
試験結果を表２に示す。

表２の結果によれば、ポリアミド９Ｔ又はポリアミド１０Ｔ、酸変性オレフィン系エラストマー、及び炭素繊維を含む実施例１〜４では、高い耐衝撃性を得ることができることが分かる。

一方、比較例１及び３〜６では、高い耐衝撃性を得ることができないことが分かる。なお、比較例２では高い耐衝撃性を得ることができるが、相手材の比摩耗量が大きいため周辺部を損傷させる危険性が懸念される。

本発明は樹脂歯車の技術分野について有用である。

１０樹脂歯車
１１歯車本体
１２芯管
２０ウォーム

Claims

外周に周方向に一定ピッチで歯部が配設された歯車本体を有する樹脂歯車であって、
前記歯車本体は、ポリアミドを主成分とするベース樹脂に、酸変性エチレン−オクテンコポリマーが配合されていると共に、炭素繊維が分散して含まれた樹脂組成物で形成されており、
前記樹脂組成物における前記酸変性エチレン−オクテンコポリマーの含有量が前記炭素繊維の含有量よりも多く、且つ前記樹脂組成物における前記酸変性エチレン−オクテンコポリマーの含有量に対する前記炭素繊維の含有量の比が０．３７以上である樹脂歯車。
請求項１に記載された樹脂歯車において、
前記酸変性エチレン−オクテンコポリマーが無水マレイン酸変性エチレン−オクテンコポリマーである樹脂歯車。
請求項１又は２に記載された樹脂歯車において、
前記樹脂組成物のシャルピー衝撃強度（ノッチ付、２３℃）が８．０ｋＪ／ｍ^２以上である樹脂歯車。
請求項１乃至３のいずれかに記載された樹脂歯車において、
前記ポリアミドが半芳香族ポリアミドを含む樹脂歯車。
請求項１乃至４のいずれかに記載された樹脂歯車において、
前記炭素繊維がＰＡＮ系炭素繊維を含む樹脂歯車。
請求項５に記載された樹脂歯車において、
前記炭素繊維がカーボンナノチューブを更に含む樹脂歯車。
請求項１乃至６のいずれかに記載された樹脂歯車において、
前記樹脂組成物における前記ベース樹脂の含有量に対する前記炭素繊維の含有量の比が０．１２以上０．３６以下である樹脂歯車。