炉後硬化を伴わないエチレン−アクリル接合ピストン
自動式の変速機用のピストンは、鋼材から形成された円筒形部分、およびそれに接合したエラストマーを含む。エラストマーは、エチレンアクリルポリマー、充填剤およびヘキサメチレンジアミン硬化剤を含む。エラストマーは金属の円筒形部分に圧縮成形または射出成形される。成形ステップ中に、エラストマーは硬化させられ、自動式の変速機における使用に十分な架橋密度、強度および他の物性を達成する。したがって、ピストンは後硬化ステップなしで形成される。このピストンは、後硬化ステップで形成されたピストンより遅い摩耗速度およびより長い期待寿命をあたえる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願への相互参照
この出願は、２０１０年１月８日に提出された、米国暫定特許出願連続番号第６１／２９３３０７号に対する優先権を主張し、ここに引用により援用される。
【０００２】
発明の背景
１． 発明の分野
この発明は、自動式の変速機のピストンの金属材料に結合するのに好適なエラストマーおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２． 先行技術の説明
自動式の変速機のピストンは、典型的には、クラッチ、ギアシフト、ブレーキバンドを油圧で係合し作動させるよう、および他の機械的な動作を実行するよう、用いられる。自動式の変速機のピストンは、強度、信頼性、および長い耐用寿命を有さなければならず、なぜならば、そのようなピストンの故障は変速機全体の故障に至る場合があるからである。したがって、ピストンとピストンが沿って移動するシリンダまたはシャフトとの間において流体を封止するために、ゴムまたはエラストマーのリングが、ピストンの金属成分のまわりにしばしば配置される。エラストマー封止は、摩擦による摩耗に対して大きな抵抗をあたえて耐用寿命を改善し、ピストンの全体的な強度に寄与する。
【０００４】
優れた強度、信頼性および耐用寿命を有する既存の自動式の変速機のピストンは、フェデラル・モーグルのＵＮＩＰＩＳＴＯＮ(R)であり、それは単一ピースであり、接合され、封止される。単一ピース設計は、複数ピース設計と比較して、漏洩通路数がより少なく、信頼性が改善され、よりコンパクトな設計をあたえる。しかしながら、自動式の変速機のピストンを形成するプロセスはかなりの時間および製造コストを必要とする。プロセスは、典型的には、金属基部を形成するステップ、エラストマーを調製するステップ、エラストマーを金属基部に圧縮または射出成形するステップ、ピストンを炉後硬化させるステップ、およびさまざまな他のステップ含む。多数のプロセスステップ、時間および関連する製造コストは、信頼性のある自動式の変速機のピストンの製造を妨げる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
この発明の１つの局面は、自動式の変速機で用いられるピストンを提供し、それは、金属材料から形成された円筒形部分、および円筒形部分に結合したエラストマーを含む。エラストマーは、エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含む。エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含む。エラストマーは、一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すことによって硬化させられる。エラストマーは、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さずに硬化させられる。
【０００６】
この発明は、さらに、ピストンを形成する方法にも向けられる。この方法は、エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含むエラストマーをあたえることを含み、エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含む。次に、この方法は、金属材料から形成される円筒形部分にエラストマーを結合するステップを含む。結合ステップはエラストマーを硬化させるステップを含む。硬化ステップは一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すことを含む。ピストンは、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さずに形成される。
【０００７】
単一ピース接合ピストンは、エラストマーを円筒形部分に結合した後、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すステップを含む炉後硬化ステップなしで形成される。円筒形部分にエラストマーを結合するステップの間において、エラストマーの十分な架橋が起きて、たとえばギアシフトを作動させるために油圧でクラッチを係合するよう、自動式の変速機の用途におけるピストンの使用に好適な強度、耐熱性および他の物性をあたえる。炉後硬化ステップなしで形成されたエラストマーは、後硬化ステップで形成された比較例のエラストマーより遅い摩耗速度およびより長い期待寿命をあたえる。
【０００８】
ピストンを形成するこの方法は、後硬化ステップを必要とする単一ピース接合ピストンを形成する他の方法と比較して、製造コストを有意に節約する。この方法は、さらに後硬化ステップを含む方法と比較して、ＣＯ２排出および天然ガス消費における有意な低減を含む、低減された環境上のフットプリントをあたえる。
【０００９】
この発明の他の利点は、添付の図面に関して考慮されたとき、以下の詳細な記載を参照して一層よく理解され、容易に十分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施例のピストンの斜視図である。
【図２】線２−２に沿ってとられた図１のピストンの拡大した断片的な断面図である。
【図３】第２の実施例のピストンの斜視図である。
【図４】第２の実施例のピストンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明の詳細な記載
自動式の変速機のための例示的なピストン２０は、金属材料から形成された円筒形部分２２を含み、円筒形部分２２に結合されたエラストマー２４が、図１に示される。ピストン２０を製造する方法は後硬化ステップなしで円筒形部分２２にエラストマーを結合するステップを含む。
【００１２】
ピストン２０の円筒形部分２２は鋼１０１０のような金属材料から形成される。円筒形部分２２は、他の種類の鋼、アルミニウム、アルミニウム合金または他の金属材料からも形成することができる。図１に示されるように、ピストン２０の円筒形部分２２は、中央開口を包含するクラウン２６およびスカート２８を含むことができる。円筒形部分２２は、さらに、図３および図４に示されるように、円筒形リング３０、または自動式の変速機システムに対して好適な他の設計を含むことができる。円筒形部分２２は、典型的には、頂部表面、内側表面および外側表面を含む。
【００１３】
円筒形部分２２は、図１に示されるように、そこに形成された少なくとも１つの溝３２を含むことができる。それは、潤滑油または油圧油を所定の位置に向けるか、または他の目的のために用いることができる。円筒形部分２２の溝３２は、ピストン２０内へ、およびその周囲に沿って、軸方向に延在することができる。円筒形部分２２は、ピストン２０内に径方向に延在する溝３２の少なくとも１つの溝３２、またはピストン２０内に軸方向に延在し、ピストン２０の周囲に沿って互いから間隔を置かれた複数個の溝３２を含むことができる。円筒形部分２２は、さらに、そこに形成された少なくとも１つの削除部３４を含むことができる。たとえば、図４に示されるように、円筒形部分２２は、ピストン２０内に軸方向に延在し、ピストン２０の周囲に沿って互いから間隔を置かれた複数の削除部３４を含むことができる。図３に示されるように、削除部３４はさらにピストン２０内に径方向に延在することができる。
【００１４】
図２に示されるように、円筒形部分２２は、カルシウム修飾燐酸亜鉛化成被覆のような化成被覆３６で被覆されることができる。化成被覆は、いくらかの表面粗さをあたえ、金属円筒形部分２２の表面積を増加させる。図２に示されるように、有機シランカップリング剤のような接着剤３８を化成被覆に配置することができる。化成被覆は、金属の円筒形部分２２に接着剤を担持するのを支援し、エラストマーと金属の円筒形部分２２との間においていくらかの機械的な連結を可能にする。
【００１５】
エラストマーは、ピストン２０の円筒形部分２２に、典型的には円筒形部分２２の周囲に沿って、結合される。エラストマーは、円筒形部分２２上に、ならびに接着剤および化成被覆上に配置することができる。エラストマーは、円筒形部分２２の外側表面、内側表面、頂部表面またはすべての表面の部分に結合することができる。エラストマーは、典型的には、高圧、摩擦および摩耗を受ける位置に配置され、したがって、エラストマーの位置は、円筒形部分２２の設計およびピストン２０の特定の用途に依存して変化し得る。エラストマーはピストン２０に結合され、ピストン２０は後硬化ステップなしで形成される。それはさらに以下に論じられる。
【００１６】
エラストマーはエチレン−アクリルポリマーおよび硬化剤を含む。エラストマーは、さらに、典型的には、充填剤、いくつかの加工助剤および劣化防止剤を含む。エラストマーの各成分の（重量％）重量パーセントが測定されるのは、エラストマーが未硬化状態であるときであり、それは、エラストマーがピストン２０の金属の円筒形部分２２に結合される前、つまり圧縮成形、射出成形または接合の前である。
【００１７】
エラストマーは、エチレン−アクリルポリマーを、エラストマーの総重量に基いて２５〜７５重量％、好ましくは３５〜６５重量％、より好ましくは、４０〜５０重量％の量で含む。
【００１８】
エチレン−アクリルポリマーはアクリル酸メチル（Ｃ４Ｈ６Ｏ２）、エチレンモノマー（Ｃ２Ｈ４）を含み得る。好ましくは、エチレン−アクリルポリマーはアクリル酸メチルおよびエチレンモノマーおよび硬化部位モノマーを含む。一実施例では、エチレン−アクリルポリマーは、アクリル酸メチル、エチレンモノマーおよび硬化部位モノマーのターポリマーとして称される。アクリル酸メチルは、エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて、４０〜７０重量％、４５〜６５重量％、または５０〜６０重量％の量で存在する。エチレンモノマーは、エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて、２０〜６０重量％、２５〜５５重量％、または３５〜５０重量％の量で存在する。硬化部位モノマーは、エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて、１０重量％、０．１〜８重量％、または０．５〜５重量％までの量で存在する。
【００１９】
エチレン−アクリルポリマーの硬化部位モノマーは好ましくは酸性である。一実施例では、硬化部位モノマーは以下の化学構造を有する：
【００２０】
【化１】
【００２１】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。
【００２２】
エラストマーは、充填剤を、典型的にはカーボンブラックを、エラストマーの総重量に基いて、２０〜約７０重量％、３０〜５０重量％、または３５〜４５重量％の量で含む。１つの好ましい実施例では、カーボンブラックはＡＳＴＭ ＤグレードＮ５５０規格を満たす。
【００２３】
エラストマーは、さらに、硬化剤を、エラストマーの総重量に基いて、少なくとも０．５重量％、または約０．５〜１０重量％、０．５〜５重量％、または０．５〜１重量％の量で含む。１つの好ましい実施例では、硬化剤はヘキサメチレンジアミン、またはカルバミン酸ヘキサメチレンジアミンである。代替的に、硬化剤は１つ以上の他の成分を含むことができる。硬化剤は架橋を促進するために用いられる。
【００２４】
エチレン−アクリルポリマー、カーボンブラックおよび硬化剤に加えて、好ましいエラストマーは、加工助剤、劣化防止剤、硬化促進剤および他の充填剤のような付加的な成分を含む。付加的な成分は、典型的には、エラストマーの総重量に基いて、約２５重量％まで、または１〜２０重量％、または５〜１５重量％の総量で存在する。
【００２５】
エラストマーの加工助剤は、典型的には、可塑剤を約１０重量％までの量で含む。一実施例では、エラストマーはエーテルエステル可塑剤を含む。しばしば用いられる他の加工助剤は、エラストマーの総重量に基いて、ステアリン酸を０．３〜２重量％の量で；ポリオキシエチレンオクタデシルエーテルリン酸塩を０．３〜１重量％の量で；１−オクタデカンアミンを０．３〜１重量％の量で；ソルビタンモノステアラートを２．５重量％までの量で；セバシン酸ビス（Ｎ−ブチル）を４重量％までの量で；および第三級アミン錯体を２．５重量％までの量で、含む。
【００２６】
エラストマーの好ましい劣化防止剤は、エラストマーの総重量に基いて２重量％までの量の、置換されたジフェニルアミン酸化防止剤である。好ましい充填剤は、カーボンブラックに加えて、エラストマーの総重量に基いて１５重量％までの量の、沈殿させられた水和された非晶質シリカである。エラストマーの好ましい硬化促進剤は、エラストマーの総重量に基いて約２．５重量％までの量のΝ，Ν’ジ−ｏ−トリグアニジンである。表１は、エラストマーの例示的な組成を含む。
【００２７】
【表１】
【００２８】
＊エラストマーの総重量に基く、円筒形部分２２に結合する前のエラストマーの重量％。
エラストマーは、エラストマーを円筒形部分２２に結合するステップ中において、後硬化ステップなしで硬化される。エラストマーは、一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すことによって硬化させられ、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さずに硬化させられる。
【００２９】
エラストマーがピストン２０に結合され硬化させられた後、エラストマーはアミド架橋を含む。アミド架橋は、圧縮成形中のような、エラストマーをピストン２０に結合するプロセス中に形成される。エラストマーは、典型的には、後硬化ステップ中に形成されるであろうイミド架橋をほとんどまたはまったく含まない。一実施例では、エラストマーは、エラストマーの架橋の総量に基いて５％未満、または１％未満のイミド架橋を含む。架橋の組成および量は、エラストマーを円筒形部分２２に結合し、エラストマーを周囲温度に冷却させた直後に判断される。架橋の組成および量は、ピストン２０が高温に晒される、自動車の変速機または他のエンジン用途でピストン２０を用いる前に測定される。架橋の組成および量が自動車の変速機でピストン２０を用いる前に測定されるのは、さらなる架橋再配列または形成がピストン２０の高温でのそのような使用中に生じるかもしれないからである。アミド架橋は、自動式の変速機の用途における使用に対して十分な架橋密度および強度をエラストマーにあたえる。エラストマーがピストン２０に結合されると架橋が生じるので、架橋の組成および密度は、エラストマーがピストン２０に結合された後、測定される。
【００３０】
エラストマーの架橋密度は溶剤膨潤試験によって判断することができる。そこではエラストマーの溶剤膨潤指数が測定される。溶剤膨潤試験はエラストマーのサンプルを溶剤に７２時間の間２５℃の温度で置くことを含む。エラストマーが金属の円筒形部分２２に結合された後、エラストマーのサンプルが得られる。溶剤膨潤指数は以下の等式：（吸収された溶剤の重量÷エラストマーサンプルの重量）×１００によって判断される。炉後硬化ステップなしでピストン２０に接合されたエラストマーの溶剤膨潤指数は、エラストマーの架橋密度が自動式の変速機の用途のような自動車用途における使用に対して十分であることを示す。付加的な後硬化ステップは、エラストマーの架橋密度に有意な増大をあたえない。
【００３１】
上に記載された組成を有するエラストマーを含むピストン２０には、さらに、自動式の変速機の用途のような自動車用途で用いるための、十分な引張り強さ、引張り係数および耐熱性がある。たとえば、ピストン２０を用いて、油圧でクラッチを係合して、ギアシフトを作動させることができる。
【００３２】
ピストン２０を形成する方法は、まず、エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含むエラストマーをあたえるステップを含む。エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含む。次に、この方法はピストン２０の円筒形部分２２にエラストマーを結合するステップを含む。自動式の変速機のエンジンにおけるエラストマーの使用に対する十分な量で架橋をあたえるために、結合は、少なくとも１００℃の熱で生じる。エラストマーは結合ステップ中に硬化される。十分な架橋および他の望ましい属性は結合ステップ中に達成される。したがって、この方法は、エラストマーが円筒形部分２２に結合された後、後硬化ステップを含まない。
【００３３】
ピストン２０を形成する方法の一例は、まず、バンバリーミキサのような内部ゴムミキサまたは開放型ロール機においてエラストマーを混合することを含む。この方法は、典型的にはバンバリーミキサを介する２つのパスを含む。ミキサを介する第１のパス中において、この方法はミキサを約２４ｒｐｍの速度に設定することを含む。この方法は、次いで、置換されたジフェニルアミン酸化防止剤、ステアリン酸、エーテルエステル可塑剤、１−オクタデカンアミンおよびソルビタンモノステアラートをミキサに追加しながら、約２４ｒｐｍで混合し続けて、第１の混合物を形成することを含む。
【００３４】
次に、エチレン−アクリルポリマーが、カーボンブラックと共に、第１の混合物に添加され、約２４ｒｐｍで混合される。エチレン−アクリルポリマーおよびカーボンブラックが混合物に添加された後、混合速度を下げて、約５分の間、または混合物が約１０５℃の温度に到達するまで、混合し続ける。次に、この方法は混合速度を増加させてミキサを一掃することを含む。
【００３５】
ミキサが一掃された後、この方法は、混合速度を下げて、温度が約１０５℃に到達するまで、混合し続けることを含む。次に、この方法は、約３６ｒｐｍに混合速度を増加させながら、第１の混合物に可塑剤およびシリカを添加することを含む。混合速度を約３６ｒｐｍに増加させた後、再び混合速度を下げて、約４５秒の間混合し続ける。次いで、第１の混合物はミキサからミル上に下げられるか落とされる。第１の混合物はシート状に延ばされ、ミキサを介する第２のパス用、およびさらなる処理用に、保存される。
【００３６】
ミキサを介する第２のパスは、ミキサを再び約２４ｒｐｍの速度に設定すること、およびミキサを介する第１のパスからの第１の混合物の半分を約２４ｒｐｍで混合することを含む。次いで、この方法は、Ν，Ν’ジ−ｏ−トリグアニジンおよびカルバミン酸ヘキサメチレンジアミンを第１の混合物に添加して第２の混合物を形成することを含む。Ν，Ν’ジ−ｏ−トリグアニジンおよびカルバミン酸ヘキサメチレンジアミンが添加された後、第１のパスからの第１の混合物の他の半分が、ミキサに追加される。次いで、この方法は、混合速度を下げながら第１の混合物および第２の混合物をともに約３０秒間混合して最終混合物を形成することを含む。エラストマーの最終混合物は下げられるかミキサから外へ落とされ、シート状に延ばされ、さらなる処理のために未加硫または未硬化状態で保存される。代替的に、エラストマーを形成する方法は、上に記載されたものとは異なるステップ、付加的なステップ、または数が少ないステップを含む。
【００３７】
エラストマーは様々な方法によってピストン２０に結合されてもよいが、典型的には、圧縮成形または射出成形プロセスによって結合される。未硬化エラストマーは、まず適切な品質のためにエラストマーを試験することによって圧縮または射出成形プロセスのために調製される。各成分の重量％はこの時に測定される。圧縮成形については、この方法は、エラストマーを好適なサイズおよび形状の数片に切断することを含む。切断は、端部に回転ナイフ刃を備えた押出成形機、または他の好適な方法によって実行される。エラストマーのバッチが押出成形機に充填される。エラストマーのチューブが押し出される。そして、押出成形機の端部の回転ナイフが、エラストマーを圧縮成形のためのリング状の前成形物に切断する。代替的に、エラストマーは射出成形のために粒状体または帯状体に切断される。
【００３８】
ピストン２０の円筒形部分２２は、エラストマーの調製と平行して、圧縮または射出成形プロセスのために準備され、様々な方法によって準備されてもよい。たとえば、円筒形部分２２は、鋼１０１０のような帯鋼のコイルにスタンピングすることによって形成される。次に、スタンピングされた鋼の円筒形部分２２は、カルシウム修飾燐酸亜鉛化成被覆のような化成被覆で被覆される。上に述べられるように、化成被覆はいくらかの表面粗さをあたえ、鋼円筒形部分２２の表面積を増加させる。次に、有機シランカップリング剤のような接着剤が化成被覆上に塗布される。上に述べられるように、化成被覆は、金属の円筒形部分２２に接着剤を担持するのを支援し、エラストマーと金属の円筒形部分２２との間においていくらかの機械的な連結を可能にする。
【００３９】
エラストマーおよび金属材料から形成された円筒形部分２２が準備された後、この方法は、典型的には、少なくとも１００℃、または少なくとも１５０℃、または少なくとも１８０℃の温度で、圧縮または射出成形などによって、エラストマーを円筒形部分２２に結合するステップを含み、エラストマーがピストン２０に結合された後、硬化ステップを伴わない。
【００４０】
圧縮成形については、円筒形部分２２に結合されたエラストマーは、圧縮成形プレスに置かれる。円筒形部分２２は開いた型に置かれる。そして、未硬化エラストマー調製物は、型において円筒形部分２２上に置かれる。円筒形部分２２上のエラストマーの位置は、円筒形部分２２の寸法および自動式の変速機におけるピストン２０の意図した用途に依って変動してもよい。次に、この方法は、成形プレスを閉じて、円筒形部分２２およびエラストマーを、少なくとも１００℃、少なくとも１５０℃、または少なくとも１８０℃の温度および高圧に晒すことを含む。例示的方法では、円筒形部分２２およびエラストマーは、成形プレスにおいて約１９０℃に到達する温度に晒される。エラストマーは成形プレスにおいて加硫または硬化を完成するが、それは、十分な時間が経過し、十分に高い温度に到達した後、起こる。エラストマーが硬化した後、成形プレスが開かれる。成形プレスを閉じてから開くまでに経過した時間は典型的には２〜５分であるが、それは、成形プレスの温度、エラストマーの特定のバッチの化学反応速度、ならびに成形されているエラストマーおよび円筒形部分２２の厚みに依存して、それより長くも短くもあり得る。エラストマーは、硬化または加硫が圧縮型において起こるときに、円筒形部分２２に化学的に結合される。加硫が起こった後、成形プレスは開かれ、接合したピストン２０は、さらなる処理のために成形プレスから除去されて冷却される。
【００４１】
代替的に、圧縮成形プロセスの代りに、この方法は、エラストマーを円筒形部分２２に結合するための射出成形プロセスを含むことができる。この場合、円筒形部分は射出成形機の型に置かれる。エラストマーは粒状体に形成される。エラストマー粒状体は射出成形機のホッパ内に供給され、型内に押込められ、型において円筒形部分に結合される。エラストマーは冷却し、円筒形部分に硬化し、次いで、さらなる処理のために型から取除かれる。
【００４２】
上に述べたように、エラストマーは結合ステップ中に硬化し、十分な架橋、強度ならびに他の望ましい物理的および化学的属性を達成する。硬化ステップは一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーおよび円筒形部分を連続的に晒すことを含む。結合ステップの後、自動車用途においてはピストン２０を用いる前に、ピストン２０は、１００℃未満、好ましくは２０℃未満の温度で維持される。この方法は、エラストマーが円筒形部分に結合された後、エンジン用途においてピストン２０を用いる前に、後硬化ステップまたは第２の硬化ステップを含まない。ピストン２０は、典型的にはエラストマーおよび円筒形部分を第２の期間の間少なくとも１００℃の温度に晒すことを含むであろう後硬化ステップを受けない。
【００４３】
上に述べたように、エラストマーの架橋は、実質的に結合ステップ中に完成する。それは、自動式の変速機のような自動車用途において使用に対する十分な強度および他の物性をエラストマーにあたえる。結合ステップ中に、エチレン−アクリルポリマーのアクリル酸メチル、エチレンおよび硬化部位モノマーは、ヘキサメチレンジアミンのような硬化剤と反応して、エラストマーにおいてアミド架橋をあたえる。一実施例では、ヘキサメチレンジアミンが硬化剤として用いられると、以下の機序１が結合ステップ中に起きてアミド架橋を形成する。
【００４４】
【化２】
【００４５】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。エラストマーおよび金属材料から形成された円筒形部分２２が準備された後、この方法は、典型的には、少なくとも１００℃、または少なくとも１５０℃、または少なくとも１８０℃の温度で、圧縮または射出成形などによって、エラストマーを円筒形部分２２に結合するステップを含み、エラストマーがピストン２０に結合された後、硬化ステップを伴わない。
【００４６】
ポリマー鎖間のアミド架橋が結合ステップ中に形成されるとき、十分な架橋密度が達成される。エラストマーを形成するプロセスは、架橋を、後硬化ステップ無しで、エラストマーの潜在的な引張り強さの約７０〜９０％、典型的には８０％をあたえるのに十分な量で含む。後硬化ステップのない、エラストマーの潜在的な引張り強さの強度。後硬化ステップのないエラストマーの強度は自動式の変速機における使用に対して十分である。後硬化ステップ中にあたえることができる付加的な強度は必要ではない。たとえば、後硬化ステップなしで形成されたエラストマーは、１３ＭＰａの引張り強さを有するかもしれず、後硬化ステップで達成することができるかもしれない潜在的な引張り強さは１５．６ＭＰａである。
【００４７】
上に記載された成形プロセスの１つによるように、エラストマーを円筒形部分に結合した後、エラストマーは所望形状にトリミングされる。たとえば、ピストン２０は、円筒形部分を通りすぎて延在する、唇状部のようなエラストマーの部分を有してもよく、それは円筒形部分の縁部と整列するようトリミングされる。エラストマーの唇状部をトリミングするために、典型的にはトリミングセルが用いられる。エラストマーをトリミングした後、ピン、ばねおよび逆止め弁のようなさらなる金具類が、ピストン２０の用途によって、ピストン２０に追加されてもよい。さらなる金具類がある場合には、それを追加した後、ピストン２０は顧客への出荷のために梱包される。
【００４８】
先行技術において開示されるように、接合したピストンを形成する方法は、典型的には、金属ピストンにゴムを結合するか成形した後に炉後硬化ステップを含む。上に示唆されるように、後硬化は、典型的には、結合ステップ中に起こる硬化に加えて第２の硬化ステップを含むだろう。後硬化ステップは、典型的には、エラストマーがピストン２０に結合された後、炉または他の熱源の存在下で起こる。後硬化は、典型的には、炉で、少なくとも１００℃または少なくとも１５０℃、典型的には約１８０℃の温度において、数時間の間、典型的には約４時間行われる。
【００４９】
しかしながら、この発明のピストン２０は炉後硬化ステップなしで形成される。この方法は、エラストマーが円筒形部分に結合された後、意図的にあたえられた熱源によって硬化することを含まない。この発明の方法は典型的には円筒形部分にエラストマーを結合した後に周囲温度でピストン２０を維持することを含む。エラストマーの任意の後硬化またはさらなる硬化が結合ステップの後およびピストン２０が自動車用途において用いられる前に起こる場合、その硬化は、周囲温度、または１００℃未満、好ましくは４０℃未満の温度で起こる。
【実施例１】
【００５０】
実験１
表１のエラストマーのある物性を試験するために実験が行われた。試験された物性は、典型的には自動式の変速機の金属ピストン２０に接合したエラストマーに関連する物性だった。そのような属性はしばしば自動車産業規格を満たさなければならない。試験、手順および対応する試験結果は表２にリスト化される。
【００５１】
【表２】
【００５２】
実験１の試験結果は、後硬化ステップなしで形成されたエラストマーが自動式の変速機における使用に対して好適であることを示す。
【実施例２】
【００５３】
実験２
第２の実験を行って、後硬化ステップなしで形成した表１のエラストマーのある物性を、後硬化ステップで形成された比較例のエラストマーの物性と比較した。
【００５４】
実験２は圧縮型において表１のエラストマーをピストン２０に結合することを含んだ。ピストン２０に表１のエラストマーを結合するステップの間において、機序１が起こってエラストマーのアミド架橋を形成する。
【００５５】
【化３】
【００５６】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。次いで、表１のエラストマーは後硬化ステップなしで試験された。
【００５７】
実験２は、さらに、圧縮型においてピストンに比較例のエラストマーを結合することを含んだ。その点において、比較例のエラストマーは、アミド架橋を含む発明の表１と同じ組成を有した。しかしながら、圧縮型の後、比較例のエラストマーは後硬化ステップを受けた。ピストンに結合された比較例のエラストマーは、約１８０℃の温度で硬化炉に置かれ、４時間の間その温度で維持された。
【００５８】
後硬化ステップ中に、アミド架橋は、以下の機序２に従うイミド架橋にゆっくり再配列され：
【００５９】
【化４】
【００６０】
ここで、各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。後硬化させられた比較例のエラストマーは、次いで、試験できる状態となった。
【００６１】
後硬化ステップの後、後硬化させられたエラストマーの引張り強さ、引張り係数、トルク、溶解力指数、摩耗速度および期待寿命が、上に記載された試験手順に従って試験された。表３は、後硬化ステップなしで形成されたエラストマーの物性と後硬化ステップで形成された比較例のエラストマーの物性との間の比較を含む。
【００６２】
【表３】
【００６３】
実験２の溶剤膨潤指数およびトルク試験結果は、エラストマーの架橋密度は、後硬化ステップ中に有意には増加しないことを示す。トルク試験は、エラストマーが後硬化ステップ中に１４％の増大を経験するに過ぎないことを示す。実験２は、エラストマー引張り強さの８０％および引張り係数の６７％は、圧縮成形のような結合ステップ中に達成されることも示す。後硬化ステップなしで達成された架橋密度、引張り強さ、および引張り係数は、自動式の変速機の用途における使用に対して十分なエラストマーをあたえる。
【００６４】
期待寿命試験は、５９０ｐｓｉの圧力で拡張継続期間エンジン試験を用いて行われた。高圧ストローカを用いて故障までのサイクル数を判断した。表１のエラストマーは故障までに１，７１１サイクルに到達した。一方、比較例のエラストマーは故障までにわずか２３８サイクルしか到達しなかった。したがって、実験３は、表１のエラストマーが比較例のエラストマーの期待寿命より約７倍大きな期待寿命を有することを示した。いくつかの摩耗速度試験も行われ、表１のエラストマーは比較例のエラストマーよりも摩耗が約７〜４９％少ないことを示した。
【００６５】
明らかに、この発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能であり、この発明の範囲内にありながら具体的に記載された通り以外に実施されてもよい。
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願への相互参照
この出願は、２０１０年１月８日に提出された、米国暫定特許出願連続番号第６１／２９３３０７号に対する優先権を主張し、ここに引用により援用される。
【０００２】
発明の背景
１． 発明の分野
この発明は、自動式の変速機のピストンの金属材料に結合するのに好適なエラストマーおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２． 先行技術の説明
自動式の変速機のピストンは、典型的には、クラッチ、ギアシフト、ブレーキバンドを油圧で係合し作動させるよう、および他の機械的な動作を実行するよう、用いられる。自動式の変速機のピストンは、強度、信頼性、および長い耐用寿命を有さなければならず、なぜならば、そのようなピストンの故障は変速機全体の故障に至る場合があるからである。したがって、ピストンとピストンが沿って移動するシリンダまたはシャフトとの間において流体を封止するために、ゴムまたはエラストマーのリングが、ピストンの金属成分のまわりにしばしば配置される。エラストマー封止は、摩擦による摩耗に対して大きな抵抗をあたえて耐用寿命を改善し、ピストンの全体的な強度に寄与する。
【０００４】
優れた強度、信頼性および耐用寿命を有する既存の自動式の変速機のピストンは、フェデラル・モーグルのＵＮＩＰＩＳＴＯＮ(R)であり、それは単一ピースであり、接合され、封止される。単一ピース設計は、複数ピース設計と比較して、漏洩通路数がより少なく、信頼性が改善され、よりコンパクトな設計をあたえる。しかしながら、自動式の変速機のピストンを形成するプロセスはかなりの時間および製造コストを必要とする。プロセスは、典型的には、金属基部を形成するステップ、エラストマーを調製するステップ、エラストマーを金属基部に圧縮または射出成形するステップ、ピストンを炉後硬化させるステップ、およびさまざまな他のステップ含む。多数のプロセスステップ、時間および関連する製造コストは、信頼性のある自動式の変速機のピストンの製造を妨げる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
この発明の１つの局面は、自動式の変速機で用いられるピストンを提供し、それは、金属材料から形成された円筒形部分、および円筒形部分に結合したエラストマーを含む。エラストマーは、エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含む。エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含む。エラストマーは、一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すことによって硬化させられる。エラストマーは、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さずに硬化させられる。
【０００６】
この発明は、さらに、ピストンを形成する方法にも向けられる。この方法は、エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含むエラストマーをあたえることを含み、エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含む。次に、この方法は、金属材料から形成される円筒形部分にエラストマーを結合するステップを含む。結合ステップはエラストマーを硬化させるステップを含む。硬化ステップは一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すことを含む。ピストンは、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さずに形成される。
【０００７】
単一ピース接合ピストンは、エラストマーを円筒形部分に結合した後、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すステップを含む炉後硬化ステップなしで形成される。円筒形部分にエラストマーを結合するステップの間において、エラストマーの十分な架橋が起きて、たとえばギアシフトを作動させるために油圧でクラッチを係合するよう、自動式の変速機の用途におけるピストンの使用に好適な強度、耐熱性および他の物性をあたえる。炉後硬化ステップなしで形成されたエラストマーは、後硬化ステップで形成された比較例のエラストマーより遅い摩耗速度およびより長い期待寿命をあたえる。
【０００８】
ピストンを形成するこの方法は、後硬化ステップを必要とする単一ピース接合ピストンを形成する他の方法と比較して、製造コストを有意に節約する。この方法は、さらに後硬化ステップを含む方法と比較して、ＣＯ２排出および天然ガス消費における有意な低減を含む、低減された環境上のフットプリントをあたえる。
【０００９】
この発明の他の利点は、添付の図面に関して考慮されたとき、以下の詳細な記載を参照して一層よく理解され、容易に十分に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施例のピストンの斜視図である。
【図２】線２−２に沿ってとられた図１のピストンの拡大した断片的な断面図である。
【図３】第２の実施例のピストンの斜視図である。
【図４】第２の実施例のピストンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
発明の詳細な記載
自動式の変速機のための例示的なピストン２０は、金属材料から形成された円筒形部分２２を含み、円筒形部分２２に結合されたエラストマー２４が、図１に示される。ピストン２０を製造する方法は後硬化ステップなしで円筒形部分２２にエラストマーを結合するステップを含む。
【００１２】
ピストン２０の円筒形部分２２は鋼１０１０のような金属材料から形成される。円筒形部分２２は、他の種類の鋼、アルミニウム、アルミニウム合金または他の金属材料からも形成することができる。図１に示されるように、ピストン２０の円筒形部分２２は、中央開口を包含するクラウン２６およびスカート２８を含むことができる。円筒形部分２２は、さらに、図３および図４に示されるように、円筒形リング３０、または自動式の変速機システムに対して好適な他の設計を含むことができる。円筒形部分２２は、典型的には、頂部表面、内側表面および外側表面を含む。
【００１３】
円筒形部分２２は、図１に示されるように、そこに形成された少なくとも１つの溝３２を含むことができる。それは、潤滑油または油圧油を所定の位置に向けるか、または他の目的のために用いることができる。円筒形部分２２の溝３２は、ピストン２０内へ、およびその周囲に沿って、軸方向に延在することができる。円筒形部分２２は、ピストン２０内に径方向に延在する溝３２の少なくとも１つの溝３２、またはピストン２０内に軸方向に延在し、ピストン２０の周囲に沿って互いから間隔を置かれた複数個の溝３２を含むことができる。円筒形部分２２は、さらに、そこに形成された少なくとも１つの削除部３４を含むことができる。たとえば、図４に示されるように、円筒形部分２２は、ピストン２０内に軸方向に延在し、ピストン２０の周囲に沿って互いから間隔を置かれた複数の削除部３４を含むことができる。図３に示されるように、削除部３４はさらにピストン２０内に径方向に延在することができる。
【００１４】
図２に示されるように、円筒形部分２２は、カルシウム修飾燐酸亜鉛化成被覆のような化成被覆３６で被覆されることができる。化成被覆は、いくらかの表面粗さをあたえ、金属円筒形部分２２の表面積を増加させる。図２に示されるように、有機シランカップリング剤のような接着剤３８を化成被覆に配置することができる。化成被覆は、金属の円筒形部分２２に接着剤を担持するのを支援し、エラストマーと金属の円筒形部分２２との間においていくらかの機械的な連結を可能にする。
【００１５】
エラストマーは、ピストン２０の円筒形部分２２に、典型的には円筒形部分２２の周囲に沿って、結合される。エラストマーは、円筒形部分２２上に、ならびに接着剤および化成被覆上に配置することができる。エラストマーは、円筒形部分２２の外側表面、内側表面、頂部表面またはすべての表面の部分に結合することができる。エラストマーは、典型的には、高圧、摩擦および摩耗を受ける位置に配置され、したがって、エラストマーの位置は、円筒形部分２２の設計およびピストン２０の特定の用途に依存して変化し得る。エラストマーはピストン２０に結合され、ピストン２０は後硬化ステップなしで形成される。それはさらに以下に論じられる。
【００１６】
エラストマーはエチレン−アクリルポリマーおよび硬化剤を含む。エラストマーは、さらに、典型的には、充填剤、いくつかの加工助剤および劣化防止剤を含む。エラストマーの各成分の（重量％）重量パーセントが測定されるのは、エラストマーが未硬化状態であるときであり、それは、エラストマーがピストン２０の金属の円筒形部分２２に結合される前、つまり圧縮成形、射出成形または接合の前である。
【００１７】
エラストマーは、エチレン−アクリルポリマーを、エラストマーの総重量に基いて２５〜７５重量％、好ましくは３５〜６５重量％、より好ましくは、４０〜５０重量％の量で含む。
【００１８】
エチレン−アクリルポリマーはアクリル酸メチル（Ｃ４Ｈ６Ｏ２）、エチレンモノマー（Ｃ２Ｈ４）を含み得る。好ましくは、エチレン−アクリルポリマーはアクリル酸メチルおよびエチレンモノマーおよび硬化部位モノマーを含む。一実施例では、エチレン−アクリルポリマーは、アクリル酸メチル、エチレンモノマーおよび硬化部位モノマーのターポリマーとして称される。アクリル酸メチルは、エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて、４０〜７０重量％、４５〜６５重量％、または５０〜６０重量％の量で存在する。エチレンモノマーは、エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて、２０〜６０重量％、２５〜５５重量％、または３５〜５０重量％の量で存在する。硬化部位モノマーは、エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて、１０重量％、０．１〜８重量％、または０．５〜５重量％までの量で存在する。
【００１９】
エチレン−アクリルポリマーの硬化部位モノマーは好ましくは酸性である。一実施例では、硬化部位モノマーは以下の化学構造を有する：
【００２０】
【化１】
【００２１】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。
【００２２】
エラストマーは、充填剤を、典型的にはカーボンブラックを、エラストマーの総重量に基いて、２０〜約７０重量％、３０〜５０重量％、または３５〜４５重量％の量で含む。１つの好ましい実施例では、カーボンブラックはＡＳＴＭ ＤグレードＮ５５０規格を満たす。
【００２３】
エラストマーは、さらに、硬化剤を、エラストマーの総重量に基いて、少なくとも０．５重量％、または約０．５〜１０重量％、０．５〜５重量％、または０．５〜１重量％の量で含む。１つの好ましい実施例では、硬化剤はヘキサメチレンジアミン、またはカルバミン酸ヘキサメチレンジアミンである。代替的に、硬化剤は１つ以上の他の成分を含むことができる。硬化剤は架橋を促進するために用いられる。
【００２４】
エチレン−アクリルポリマー、カーボンブラックおよび硬化剤に加えて、好ましいエラストマーは、加工助剤、劣化防止剤、硬化促進剤および他の充填剤のような付加的な成分を含む。付加的な成分は、典型的には、エラストマーの総重量に基いて、約２５重量％まで、または１〜２０重量％、または５〜１５重量％の総量で存在する。
【００２５】
エラストマーの加工助剤は、典型的には、可塑剤を約１０重量％までの量で含む。一実施例では、エラストマーはエーテルエステル可塑剤を含む。しばしば用いられる他の加工助剤は、エラストマーの総重量に基いて、ステアリン酸を０．３〜２重量％の量で；ポリオキシエチレンオクタデシルエーテルリン酸塩を０．３〜１重量％の量で；１−オクタデカンアミンを０．３〜１重量％の量で；ソルビタンモノステアラートを２．５重量％までの量で；セバシン酸ビス（Ｎ−ブチル）を４重量％までの量で；および第三級アミン錯体を２．５重量％までの量で、含む。
【００２６】
エラストマーの好ましい劣化防止剤は、エラストマーの総重量に基いて２重量％までの量の、置換されたジフェニルアミン酸化防止剤である。好ましい充填剤は、カーボンブラックに加えて、エラストマーの総重量に基いて１５重量％までの量の、沈殿させられた水和された非晶質シリカである。エラストマーの好ましい硬化促進剤は、エラストマーの総重量に基いて約２．５重量％までの量のΝ，Ν’ジ−ｏ−トリグアニジンである。表１は、エラストマーの例示的な組成を含む。
【００２７】
【表１】
【００２８】
＊エラストマーの総重量に基く、円筒形部分２２に結合する前のエラストマーの重量％。
エラストマーは、エラストマーを円筒形部分２２に結合するステップ中において、後硬化ステップなしで硬化される。エラストマーは、一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すことによって硬化させられ、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さずに硬化させられる。
【００２９】
エラストマーがピストン２０に結合され硬化させられた後、エラストマーはアミド架橋を含む。アミド架橋は、圧縮成形中のような、エラストマーをピストン２０に結合するプロセス中に形成される。エラストマーは、典型的には、後硬化ステップ中に形成されるであろうイミド架橋をほとんどまたはまったく含まない。一実施例では、エラストマーは、エラストマーの架橋の総量に基いて５％未満、または１％未満のイミド架橋を含む。架橋の組成および量は、エラストマーを円筒形部分２２に結合し、エラストマーを周囲温度に冷却させた直後に判断される。架橋の組成および量は、ピストン２０が高温に晒される、自動車の変速機または他のエンジン用途でピストン２０を用いる前に測定される。架橋の組成および量が自動車の変速機でピストン２０を用いる前に測定されるのは、さらなる架橋再配列または形成がピストン２０の高温でのそのような使用中に生じるかもしれないからである。アミド架橋は、自動式の変速機の用途における使用に対して十分な架橋密度および強度をエラストマーにあたえる。エラストマーがピストン２０に結合されると架橋が生じるので、架橋の組成および密度は、エラストマーがピストン２０に結合された後、測定される。
【００３０】
エラストマーの架橋密度は溶剤膨潤試験によって判断することができる。そこではエラストマーの溶剤膨潤指数が測定される。溶剤膨潤試験はエラストマーのサンプルを溶剤に７２時間の間２５℃の温度で置くことを含む。エラストマーが金属の円筒形部分２２に結合された後、エラストマーのサンプルが得られる。溶剤膨潤指数は以下の等式：（吸収された溶剤の重量÷エラストマーサンプルの重量）×１００によって判断される。炉後硬化ステップなしでピストン２０に接合されたエラストマーの溶剤膨潤指数は、エラストマーの架橋密度が自動式の変速機の用途のような自動車用途における使用に対して十分であることを示す。付加的な後硬化ステップは、エラストマーの架橋密度に有意な増大をあたえない。
【００３１】
上に記載された組成を有するエラストマーを含むピストン２０には、さらに、自動式の変速機の用途のような自動車用途で用いるための、十分な引張り強さ、引張り係数および耐熱性がある。たとえば、ピストン２０を用いて、油圧でクラッチを係合して、ギアシフトを作動させることができる。
【００３２】
ピストン２０を形成する方法は、まず、エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含むエラストマーをあたえるステップを含む。エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含む。次に、この方法はピストン２０の円筒形部分２２にエラストマーを結合するステップを含む。自動式の変速機のエンジンにおけるエラストマーの使用に対する十分な量で架橋をあたえるために、結合は、少なくとも１００℃の熱で生じる。エラストマーは結合ステップ中に硬化される。十分な架橋および他の望ましい属性は結合ステップ中に達成される。したがって、この方法は、エラストマーが円筒形部分２２に結合された後、後硬化ステップを含まない。
【００３３】
ピストン２０を形成する方法の一例は、まず、バンバリーミキサのような内部ゴムミキサまたは開放型ロール機においてエラストマーを混合することを含む。この方法は、典型的にはバンバリーミキサを介する２つのパスを含む。ミキサを介する第１のパス中において、この方法はミキサを約２４ｒｐｍの速度に設定することを含む。この方法は、次いで、置換されたジフェニルアミン酸化防止剤、ステアリン酸、エーテルエステル可塑剤、１−オクタデカンアミンおよびソルビタンモノステアラートをミキサに追加しながら、約２４ｒｐｍで混合し続けて、第１の混合物を形成することを含む。
【００３４】
次に、エチレン−アクリルポリマーが、カーボンブラックと共に、第１の混合物に添加され、約２４ｒｐｍで混合される。エチレン−アクリルポリマーおよびカーボンブラックが混合物に添加された後、混合速度を下げて、約５分の間、または混合物が約１０５℃の温度に到達するまで、混合し続ける。次に、この方法は混合速度を増加させてミキサを一掃することを含む。
【００３５】
ミキサが一掃された後、この方法は、混合速度を下げて、温度が約１０５℃に到達するまで、混合し続けることを含む。次に、この方法は、約３６ｒｐｍに混合速度を増加させながら、第１の混合物に可塑剤およびシリカを添加することを含む。混合速度を約３６ｒｐｍに増加させた後、再び混合速度を下げて、約４５秒の間混合し続ける。次いで、第１の混合物はミキサからミル上に下げられるか落とされる。第１の混合物はシート状に延ばされ、ミキサを介する第２のパス用、およびさらなる処理用に、保存される。
【００３６】
ミキサを介する第２のパスは、ミキサを再び約２４ｒｐｍの速度に設定すること、およびミキサを介する第１のパスからの第１の混合物の半分を約２４ｒｐｍで混合することを含む。次いで、この方法は、Ν，Ν’ジ−ｏ−トリグアニジンおよびカルバミン酸ヘキサメチレンジアミンを第１の混合物に添加して第２の混合物を形成することを含む。Ν，Ν’ジ−ｏ−トリグアニジンおよびカルバミン酸ヘキサメチレンジアミンが添加された後、第１のパスからの第１の混合物の他の半分が、ミキサに追加される。次いで、この方法は、混合速度を下げながら第１の混合物および第２の混合物をともに約３０秒間混合して最終混合物を形成することを含む。エラストマーの最終混合物は下げられるかミキサから外へ落とされ、シート状に延ばされ、さらなる処理のために未加硫または未硬化状態で保存される。代替的に、エラストマーを形成する方法は、上に記載されたものとは異なるステップ、付加的なステップ、または数が少ないステップを含む。
【００３７】
エラストマーは様々な方法によってピストン２０に結合されてもよいが、典型的には、圧縮成形または射出成形プロセスによって結合される。未硬化エラストマーは、まず適切な品質のためにエラストマーを試験することによって圧縮または射出成形プロセスのために調製される。各成分の重量％はこの時に測定される。圧縮成形については、この方法は、エラストマーを好適なサイズおよび形状の数片に切断することを含む。切断は、端部に回転ナイフ刃を備えた押出成形機、または他の好適な方法によって実行される。エラストマーのバッチが押出成形機に充填される。エラストマーのチューブが押し出される。そして、押出成形機の端部の回転ナイフが、エラストマーを圧縮成形のためのリング状の前成形物に切断する。代替的に、エラストマーは射出成形のために粒状体または帯状体に切断される。
【００３８】
ピストン２０の円筒形部分２２は、エラストマーの調製と平行して、圧縮または射出成形プロセスのために準備され、様々な方法によって準備されてもよい。たとえば、円筒形部分２２は、鋼１０１０のような帯鋼のコイルにスタンピングすることによって形成される。次に、スタンピングされた鋼の円筒形部分２２は、カルシウム修飾燐酸亜鉛化成被覆のような化成被覆で被覆される。上に述べられるように、化成被覆はいくらかの表面粗さをあたえ、鋼円筒形部分２２の表面積を増加させる。次に、有機シランカップリング剤のような接着剤が化成被覆上に塗布される。上に述べられるように、化成被覆は、金属の円筒形部分２２に接着剤を担持するのを支援し、エラストマーと金属の円筒形部分２２との間においていくらかの機械的な連結を可能にする。
【００３９】
エラストマーおよび金属材料から形成された円筒形部分２２が準備された後、この方法は、典型的には、少なくとも１００℃、または少なくとも１５０℃、または少なくとも１８０℃の温度で、圧縮または射出成形などによって、エラストマーを円筒形部分２２に結合するステップを含み、エラストマーがピストン２０に結合された後、硬化ステップを伴わない。
【００４０】
圧縮成形については、円筒形部分２２に結合されたエラストマーは、圧縮成形プレスに置かれる。円筒形部分２２は開いた型に置かれる。そして、未硬化エラストマー調製物は、型において円筒形部分２２上に置かれる。円筒形部分２２上のエラストマーの位置は、円筒形部分２２の寸法および自動式の変速機におけるピストン２０の意図した用途に依って変動してもよい。次に、この方法は、成形プレスを閉じて、円筒形部分２２およびエラストマーを、少なくとも１００℃、少なくとも１５０℃、または少なくとも１８０℃の温度および高圧に晒すことを含む。例示的方法では、円筒形部分２２およびエラストマーは、成形プレスにおいて約１９０℃に到達する温度に晒される。エラストマーは成形プレスにおいて加硫または硬化を完成するが、それは、十分な時間が経過し、十分に高い温度に到達した後、起こる。エラストマーが硬化した後、成形プレスが開かれる。成形プレスを閉じてから開くまでに経過した時間は典型的には２〜５分であるが、それは、成形プレスの温度、エラストマーの特定のバッチの化学反応速度、ならびに成形されているエラストマーおよび円筒形部分２２の厚みに依存して、それより長くも短くもあり得る。エラストマーは、硬化または加硫が圧縮型において起こるときに、円筒形部分２２に化学的に結合される。加硫が起こった後、成形プレスは開かれ、接合したピストン２０は、さらなる処理のために成形プレスから除去されて冷却される。
【００４１】
代替的に、圧縮成形プロセスの代りに、この方法は、エラストマーを円筒形部分２２に結合するための射出成形プロセスを含むことができる。この場合、円筒形部分は射出成形機の型に置かれる。エラストマーは粒状体に形成される。エラストマー粒状体は射出成形機のホッパ内に供給され、型内に押込められ、型において円筒形部分に結合される。エラストマーは冷却し、円筒形部分に硬化し、次いで、さらなる処理のために型から取除かれる。
【００４２】
上に述べたように、エラストマーは結合ステップ中に硬化し、十分な架橋、強度ならびに他の望ましい物理的および化学的属性を達成する。硬化ステップは一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーおよび円筒形部分を連続的に晒すことを含む。結合ステップの後、自動車用途においてはピストン２０を用いる前に、ピストン２０は、１００℃未満、好ましくは２０℃未満の温度で維持される。この方法は、エラストマーが円筒形部分に結合された後、エンジン用途においてピストン２０を用いる前に、後硬化ステップまたは第２の硬化ステップを含まない。ピストン２０は、典型的にはエラストマーおよび円筒形部分を第２の期間の間少なくとも１００℃の温度に晒すことを含むであろう後硬化ステップを受けない。
【００４３】
上に述べたように、エラストマーの架橋は、実質的に結合ステップ中に完成する。それは、自動式の変速機のような自動車用途において使用に対する十分な強度および他の物性をエラストマーにあたえる。結合ステップ中に、エチレン−アクリルポリマーのアクリル酸メチル、エチレンおよび硬化部位モノマーは、ヘキサメチレンジアミンのような硬化剤と反応して、エラストマーにおいてアミド架橋をあたえる。一実施例では、ヘキサメチレンジアミンが硬化剤として用いられると、以下の機序１が結合ステップ中に起きてアミド架橋を形成する。
【００４４】
【化２】
【００４５】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。エラストマーおよび金属材料から形成された円筒形部分２２が準備された後、この方法は、典型的には、少なくとも１００℃、または少なくとも１５０℃、または少なくとも１８０℃の温度で、圧縮または射出成形などによって、エラストマーを円筒形部分２２に結合するステップを含み、エラストマーがピストン２０に結合された後、硬化ステップを伴わない。
【００４６】
ポリマー鎖間のアミド架橋が結合ステップ中に形成されるとき、十分な架橋密度が達成される。エラストマーを形成するプロセスは、架橋を、後硬化ステップ無しで、エラストマーの潜在的な引張り強さの約７０〜９０％、典型的には８０％をあたえるのに十分な量で含む。後硬化ステップのない、エラストマーの潜在的な引張り強さの強度。後硬化ステップのないエラストマーの強度は自動式の変速機における使用に対して十分である。後硬化ステップ中にあたえることができる付加的な強度は必要ではない。たとえば、後硬化ステップなしで形成されたエラストマーは、１３ＭＰａの引張り強さを有するかもしれず、後硬化ステップで達成することができるかもしれない潜在的な引張り強さは１５．６ＭＰａである。
【００４７】
上に記載された成形プロセスの１つによるように、エラストマーを円筒形部分に結合した後、エラストマーは所望形状にトリミングされる。たとえば、ピストン２０は、円筒形部分を通りすぎて延在する、唇状部のようなエラストマーの部分を有してもよく、それは円筒形部分の縁部と整列するようトリミングされる。エラストマーの唇状部をトリミングするために、典型的にはトリミングセルが用いられる。エラストマーをトリミングした後、ピン、ばねおよび逆止め弁のようなさらなる金具類が、ピストン２０の用途によって、ピストン２０に追加されてもよい。さらなる金具類がある場合には、それを追加した後、ピストン２０は顧客への出荷のために梱包される。
【００４８】
先行技術において開示されるように、接合したピストンを形成する方法は、典型的には、金属ピストンにゴムを結合するか成形した後に炉後硬化ステップを含む。上に示唆されるように、後硬化は、典型的には、結合ステップ中に起こる硬化に加えて第２の硬化ステップを含むだろう。後硬化ステップは、典型的には、エラストマーがピストン２０に結合された後、炉または他の熱源の存在下で起こる。後硬化は、典型的には、炉で、少なくとも１００℃または少なくとも１５０℃、典型的には約１８０℃の温度において、数時間の間、典型的には約４時間行われる。
【００４９】
しかしながら、この発明のピストン２０は炉後硬化ステップなしで形成される。この方法は、エラストマーが円筒形部分に結合された後、意図的にあたえられた熱源によって硬化することを含まない。この発明の方法は典型的には円筒形部分にエラストマーを結合した後に周囲温度でピストン２０を維持することを含む。エラストマーの任意の後硬化またはさらなる硬化が結合ステップの後およびピストン２０が自動車用途において用いられる前に起こる場合、その硬化は、周囲温度、または１００℃未満、好ましくは４０℃未満の温度で起こる。
【実施例１】
【００５０】
実験１
表１のエラストマーのある物性を試験するために実験が行われた。試験された物性は、典型的には自動式の変速機の金属ピストン２０に接合したエラストマーに関連する物性だった。そのような属性はしばしば自動車産業規格を満たさなければならない。試験、手順および対応する試験結果は表２にリスト化される。
【００５１】
【表２】
【００５２】
実験１の試験結果は、後硬化ステップなしで形成されたエラストマーが自動式の変速機における使用に対して好適であることを示す。
【実施例２】
【００５３】
実験２
第２の実験を行って、後硬化ステップなしで形成した表１のエラストマーのある物性を、後硬化ステップで形成された比較例のエラストマーの物性と比較した。
【００５４】
実験２は圧縮型において表１のエラストマーをピストン２０に結合することを含んだ。ピストン２０に表１のエラストマーを結合するステップの間において、機序１が起こってエラストマーのアミド架橋を形成する。
【００５５】
【化３】
【００５６】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。次いで、表１のエラストマーは後硬化ステップなしで試験された。
【００５７】
実験２は、さらに、圧縮型においてピストンに比較例のエラストマーを結合することを含んだ。その点において、比較例のエラストマーは、アミド架橋を含む発明の表１と同じ組成を有した。しかしながら、圧縮型の後、比較例のエラストマーは後硬化ステップを受けた。ピストンに結合された比較例のエラストマーは、約１８０℃の温度で硬化炉に置かれ、４時間の間その温度で維持された。
【００５８】
後硬化ステップ中に、アミド架橋は、以下の機序２に従うイミド架橋にゆっくり再配列され：
【００５９】
【化４】
【００６０】
ここで、各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される。後硬化させられた比較例のエラストマーは、次いで、試験できる状態となった。
【００６１】
後硬化ステップの後、後硬化させられたエラストマーの引張り強さ、引張り係数、トルク、溶解力指数、摩耗速度および期待寿命が、上に記載された試験手順に従って試験された。表３は、後硬化ステップなしで形成されたエラストマーの物性と後硬化ステップで形成された比較例のエラストマーの物性との間の比較を含む。
【００６２】
【表３】
【００６３】
実験２の溶剤膨潤指数およびトルク試験結果は、エラストマーの架橋密度は、後硬化ステップ中に有意には増加しないことを示す。トルク試験は、エラストマーが後硬化ステップ中に１４％の増大を経験するに過ぎないことを示す。実験２は、エラストマー引張り強さの８０％および引張り係数の６７％は、圧縮成形のような結合ステップ中に達成されることも示す。後硬化ステップなしで達成された架橋密度、引張り強さ、および引張り係数は、自動式の変速機の用途における使用に対して十分なエラストマーをあたえる。
【００６４】
期待寿命試験は、５９０ｐｓｉの圧力で拡張継続期間エンジン試験を用いて行われた。高圧ストローカを用いて故障までのサイクル数を判断した。表１のエラストマーは故障までに１，７１１サイクルに到達した。一方、比較例のエラストマーは故障までにわずか２３８サイクルしか到達しなかった。したがって、実験３は、表１のエラストマーが比較例のエラストマーの期待寿命より約７倍大きな期待寿命を有することを示した。いくつかの摩耗速度試験も行われ、表１のエラストマーは比較例のエラストマーよりも摩耗が約７〜４９％少ないことを示した。
【００６５】
明らかに、この発明の多くの修正および変形が上記の教示に照らして可能であり、この発明の範囲内にありながら具体的に記載された通り以外に実施されてもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動式の変速機で用いられるピストンであって：
金属材料から形成された円筒形部分と、
前記円筒形部分に結合されたエラストマーとを含み、
前記エラストマーは前記エラストマーの総重量に基いて２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーを含み、
前記エチレンアクリルポリマーは、前記エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含み、
前記エラストマーは前記エラストマーの総重量に基いて少なくとも０．５重量％の量で硬化剤を含み、
前記エラストマーは、一期間の間少なくとも１００℃の温度に前記エラストマーを連続的に晒すことによって硬化させられ、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度に前記エラストマーを連続的に晒さずに硬化させられる、ピストン。
【請求項２】
前記エラストマーが前記円筒形部分に結合された後、前記ピストンは後硬化ステップなしで形成される、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記エラストマーはアミド架橋を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
前記エラストマーは、エラストマーの架橋の総量に基いて、０〜５％の量でイミド架橋を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記エチレン−アクリルポリマーは、前記エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて１０重量％までの量で硬化部位モノマーを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記エチレン−アクリルポリマーの前記硬化部位モノマーは以下の化学構造を有し、
【化１】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される、請求項５に記載のピストン。
【請求項７】
前記硬化剤はヘキサメチレンジアミンを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項８】
前記エチレンアクリルポリマーは、前記エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、前記アクリル酸メチルを５０〜６０重量％の量で、前記エチレンモノマーを３５〜５０重量％の量で、および硬化部位モノマーを酸性で０．５〜５重量％の量で含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項９】
前記エラストマーは一期間の間少なくとも１００℃で硬化させられる、請求項１に記載のピストン。
【請求項１０】
前記エラストマーは前記円筒形部分に結合される一方で硬化させられる、請求項１に記載のピストン。
【請求項１１】
前記エラストマーは、前記エラストマーの潜在的な引張り強さの７０〜９０％の引張り強さを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１２】
前記円筒形部分上に置かれる化成被覆と、前記化成被覆上に置かれる接着剤と、前記接着剤上に置かれる前記エラストマーとを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１３】
前記円筒形部分は周囲を呈し、前記円筒形部分内およびその前記周囲に沿って軸方向に延在する少なくとも１つの溝を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１４】
前記円筒形部分は、前記円筒形部分内に径方向に延在する複数個の削除部を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１５】
前記エラストマーは、前記エチレンアクリルポリマーを３５〜６５重量％の量で、前記硬化剤を０．５〜５重量％の量で含み、前記硬化剤は、ヘキサメチレンジアミンを含み、前記エラストマーはさらに、３０〜５０重量％の量の充填剤、およびアミド架橋を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１６】
自動式の変速機で用いられるピストンを形成する方法であって：
エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含むエラストマーをあたえるステップを含み、エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含み、前記方法はさらに、
金属材料から形成された円筒形部分にエラストマーを結合するステップを含み、
前記結合するステップはエラストマーを硬化させるステップを含み、前記硬化させるステップは、一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すこと、および第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さないことを含む、方法。
【請求項１７】
前記結合するステップの後に後硬化ステップを含まない、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記硬化するステップは前記エラストマーにおいてアミド架橋を形成するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記エラストマーを硬化させるステップは、エラストマーの架橋の総量に基いて０〜５％の量でイミド架橋を形成するステップ含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記硬化させるステップは一期間の間少なくとも１００℃の温度にある、請求項１６に記載の方法。
【請求項１】
自動式の変速機で用いられるピストンであって：
金属材料から形成された円筒形部分と、
前記円筒形部分に結合されたエラストマーとを含み、
前記エラストマーは前記エラストマーの総重量に基いて２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーを含み、
前記エチレンアクリルポリマーは、前記エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含み、
前記エラストマーは前記エラストマーの総重量に基いて少なくとも０．５重量％の量で硬化剤を含み、
前記エラストマーは、一期間の間少なくとも１００℃の温度に前記エラストマーを連続的に晒すことによって硬化させられ、第２の期間の間少なくとも１００℃の温度に前記エラストマーを連続的に晒さずに硬化させられる、ピストン。
【請求項２】
前記エラストマーが前記円筒形部分に結合された後、前記ピストンは後硬化ステップなしで形成される、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記エラストマーはアミド架橋を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項４】
前記エラストマーは、エラストマーの架橋の総量に基いて、０〜５％の量でイミド架橋を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項５】
前記エチレン−アクリルポリマーは、前記エチレン−アクリルポリマーの総重量に基いて１０重量％までの量で硬化部位モノマーを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項６】
前記エチレン−アクリルポリマーの前記硬化部位モノマーは以下の化学構造を有し、
【化１】
ここで、Ｘ、ＹおよびＺは、１〜１，０００，０００の範囲の整数から独立して選択され；各Ｒは、水素または任意の長さの炭化水素鎖を含む群から独立して選択される、請求項５に記載のピストン。
【請求項７】
前記硬化剤はヘキサメチレンジアミンを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項８】
前記エチレンアクリルポリマーは、前記エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、前記アクリル酸メチルを５０〜６０重量％の量で、前記エチレンモノマーを３５〜５０重量％の量で、および硬化部位モノマーを酸性で０．５〜５重量％の量で含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項９】
前記エラストマーは一期間の間少なくとも１００℃で硬化させられる、請求項１に記載のピストン。
【請求項１０】
前記エラストマーは前記円筒形部分に結合される一方で硬化させられる、請求項１に記載のピストン。
【請求項１１】
前記エラストマーは、前記エラストマーの潜在的な引張り強さの７０〜９０％の引張り強さを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１２】
前記円筒形部分上に置かれる化成被覆と、前記化成被覆上に置かれる接着剤と、前記接着剤上に置かれる前記エラストマーとを含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１３】
前記円筒形部分は周囲を呈し、前記円筒形部分内およびその前記周囲に沿って軸方向に延在する少なくとも１つの溝を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１４】
前記円筒形部分は、前記円筒形部分内に径方向に延在する複数個の削除部を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１５】
前記エラストマーは、前記エチレンアクリルポリマーを３５〜６５重量％の量で、前記硬化剤を０．５〜５重量％の量で含み、前記硬化剤は、ヘキサメチレンジアミンを含み、前記エラストマーはさらに、３０〜５０重量％の量の充填剤、およびアミド架橋を含む、請求項１に記載のピストン。
【請求項１６】
自動式の変速機で用いられるピストンを形成する方法であって：
エラストマーの総重量に基いて、２５〜７５重量％の量のエチレン−アクリルポリマーおよび少なくとも０．５重量％の量の硬化剤を含むエラストマーをあたえるステップを含み、エチレンアクリルポリマーは、エチレンアクリルポリマーの総重量に基いて、アクリル酸メチルを４０〜７０重量％の量で、およびエチレンモノマーを２０〜６０重量％の量で含み、前記方法はさらに、
金属材料から形成された円筒形部分にエラストマーを結合するステップを含み、
前記結合するステップはエラストマーを硬化させるステップを含み、前記硬化させるステップは、一期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒すこと、および第２の期間の間少なくとも１００℃の温度にエラストマーを連続的に晒さないことを含む、方法。
【請求項１７】
前記結合するステップの後に後硬化ステップを含まない、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記硬化するステップは前記エラストマーにおいてアミド架橋を形成するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記エラストマーを硬化させるステップは、エラストマーの架橋の総量に基いて０〜５％の量でイミド架橋を形成するステップ含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記硬化させるステップは一期間の間少なくとも１００℃の温度にある、請求項１６に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１３−５１６５８８（Ｐ２０１３−５１６５８８Ａ）
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４８１４４（Ｐ２０１２−５４８１４４）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２０４８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８５１７３
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５９９０５８３７２）フェデラル−モーグル コーポレイション (234)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２０４８０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８５１７３
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５９９０５８３７２）フェデラル−モーグル コーポレイション (234)
【Ｆターム（参考）】
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