金属かプラスチックか？ オーニングの経年劣化を左右する、あの1つの支柱の接合部

オーニングには、開閉のたびに必ず作動する接続部が1つあります。それは、支持脚とフロントバーが接合する部分です。オーニングの他のどの部分も、これほど頻繁に回転したり、回転中に荷重を受けたりすることはありません。.

答えを出す前に、まず質問を整理しておく価値があります。回転する接合部には必ず隙間が必要であり、そうでなければ回転しません。では、その隙間は長年の使用でどうなってしまうのでしょうか？ アルミニウムを保護するのは粉体塗装ですが、ある表面が別の表面と摩擦しながら回転する場所にそれを施すと、どうなるのでしょうか？データシート上ではナイロンの方が強度が高い素材ですが、なぜこの用途には不向きなのでしょうか？そして、顧客の目に触れることのない部品に、なぜ日本の素材ブランドの名前が付けられているのでしょうか？

これは、オーニングが実際にどのような点で評価されるかについて解説する連載の第1回です。.

関節の位置と機能

この部品は、サポートレッグとフロントバーをつなぐ回転式接続部であり、その位置に関しては2つの点が重要です。 オーニングが閉まっているときは、ハウジング内に完全に収められ、目にも留まらず、日光も当たらない状態になります。これは、車両がほとんどの時間を過ごす状態です。オーニングが開いているときは、オーニングの生地の真下に位置し、その手前にはフロントバーのアルミニウム製ハウジングがあります。.

どちらの状態でも、そこに直射日光が当たることはほとんどありません。この事実一つだけで、自動車のプラスチック部品について人々が抱く一般的な認識のほとんどが覆されます。そして、以下の議論が「風化」ではなく、「摩耗」「熱」「湿気」についてである理由は、まさにここにあります。.

なぜこの接合部は金属ではなくプラスチックなのか

回転ジョイントには遊びが必要だ。遊びがなければ回転しないからだ。これは加工精度の問題というよりは力学の問題であるため、本当のポイントは「嵌合がどれほどきついのか」ではなく、「その隙間の両側にどのような材料が配置されているか」ということになる。.

もしこの部品がコーティングされたアルミニウム製だった場合、2つのことが起こることになります。 粉体塗装は耐食性や外観を向上させるための仕上げであり、耐摩耗性を目的とした表面処理ではないため、コーティングが摩耗して剥がれてしまいます。ある面が別の面に対して回転する際に、コーティングは少しずつ削られ、最終的には下地のアルミニウムが露出することになります。そのコーティングの厚さ自体が嵌合の一部を構成しているため、一度剥がれてしまうとクリアランスが広がり、接合部が緩んでしまいます。.

2つ目の問題は騒音です。金属同士が、必然的に生じる隙間を挟んで接触するため、車両が路面の凹凸を通過するたびに2つの金属面がぶつかり合います。これは、車両の回転機構に関して最もよく寄せられる苦情であり、エンドユーザーが真っ先に気づく点でもあります。.

その位置にエンジニアリングプラスチックを使用すれば、この2つの問題の両方を解消できます。相手となる鋼製部品との摩耗はほぼゼロに近く、摩擦係数は経時変化しても安定しており、さらに減衰性があるため、路面の振動を伝達するのではなく吸収します。これは、自動車のドアヒンジやシートアジャスターにプラスチックが採用されているのと同じ原理です。 この位置において、プラスチックは金属に比べて性能が劣るわけではなく、むしろ両者の中ではより信頼性の高い素材です。しかし、どのプラスチックを選ぶかが最大の課題であり、実際には「どのプラスチックが機能するか」と「5年後も機能し続けているか」という2つの問いになります。.

プラスチックとエンジニアリングプラスチックの違い

多くの人が「プラスチック」と言うとき、通常はABSやそれに類する素材、つまり筐体、パネル、トリムなどに使用される素材群を指しています。POM（ポリオキシメチレン、またはアセタルとも呼ばれる）は、これとは別の分類に属します。その主な工業用途は、まさにこの種の用途、すなわち、動きながら荷重を支える歯車、ベアリング、スライド、回転部品などです。.

ABSは、負荷がかかった状態で繰り返し回転する部品には適しておらず、この状態ではすぐに摩耗や変形が生じます。POMは原材料としてABSよりもかなり高価ですが、この部品の機能にはそのコストが不可欠なのです。.

この材料に経年変化が実際にどのような影響を与えるのか

プラスチック部品は経年劣化により脆くなるという評判がありますが、これを安易に否定するのではなく、疑問を抱くのは当然のことです。しかし、脆化の最も一般的な原因は、このケースには当てはまりません。 経年劣化により硬化・ひび割れを起こすプラスチックは、通常、可塑剤を失うことが原因です。多くの素材は、時間の経過とともに蒸発したり移行したりする添加剤によって柔軟性を保っていますが、それがなくなると素材は硬くなり、ひび割れを起こしやすくなります。これは、古い車両で見られる劣化したシールや脆くなったPVC配管に起こっている現象です。.

POMは本質的に靭性が高く、可塑剤を含んでいません。その靭性は、経時変化によって失われる可能性のある添加剤によるものではなく、分子構造に由来しているため、経時劣化による影響は一切ありません。 さらに、長年にわたり重要な特性が3つあります。第一に、高結晶性のエンジニアリングプラスチックであるため、機械的特性が安定しており、変動がありません。第二に、吸水率が極めて低いため、天候による特性の変化が生じません。第三に、自己潤滑性があるため、性能低下の原因となる潤滑剤の損失が発生しません。.

自動車業界では、この素材について数十年にわたり試験を重ねてきました。POMは、シートベルトのリトラクター、ウィンドウレギュレーター、シート調整機構などに採用されており、これらの部品の耐用年数は車両の寿命と同等であることが求められています。もしこの種の素材が数年で脆化してしまうようなものであれば、そこでは使用されていないでしょう。 塩分を多く含む沿岸の空気もこの素材を侵食することはなく、アセタール共重合体は、日よけを洗浄する際に使用される薬剤に対しても耐性を示します。.

理論上はより強度が高いナイロンを使わないのはなぜでしょうか

そうなると、有力な選択肢は1つしか残らず、それが最も頻繁に提案されているものです。ナイロンもエンジニアリングプラスチックの一種であり、スペックシート上の数値だけを見れば、引張強度、融点、コストのいずれの点でもアセタールを上回っています。ここで重要なキーワードは 乾燥した. これらの数値はすべて、金型から取り出されたばかりの棒材で測定されたものであり、実際に使用されている部品がそのような状態のままであることはありません。.

ナイロンは吸湿性があります。一度取り付けられると、空気中の水分を継続的に吸収し、数週間から数ヶ月かけて平衡状態に達します。アセタールはほとんど水分を吸収しないため、公表されている数値がそのまま実用上の数値となります。.

未充填グレードの一般的な公表値。個々のグレードによって異なります。.

ここから3つの点が導き出されますが、これらは知っておく価値があります。経処理されたナイロン部品は、仕様で定められた弾性率の半分以上を失っており、この接合部のブラケットには曲げ荷重がかかります。リブが設けられているのは、まさにその理由からです。 鋼材との摩擦は湿度によって変化します。これが、毎回同じように開くオーニングと、3月よりも8月の方が重く感じるオーニングとの違いです。 そして、その有名な靭性は実は「見せかけ」に過ぎないことが判明しています。ナイロンがアセタールよりも靭性が高いのは、部品が新品で、水分を吸収し、適度な温度にある場合に限られますが、苦情が寄せられる際には、そのような状態であることは決してありません。.

ナイロンを候補から除外した理由は、これら3つのいずれでもない。これらはいずれも元に戻る現象であり、部品を乾燥させれば元の状態に戻る。その後に続く2つの現象はそう簡単には元に戻らないが、そのうちの1つ目は、オーニングを実際に使用する前の段階で生じる問題である。.

その部品は、最終的にどこにたどり着こうとも、完成したことになる

ナイロンは成形する前に乾燥させる必要があるため、ナイロン製の部品は乾燥した状態で工場を出荷されます。最終検査で測定されるすべての項目は、その状態で行われます。つまり、その部品が二度と戻ることのない唯一の状態での測定となるのです。.

梱包された瞬間から、周囲の空気から湿気を吸収し始めますが、その空気は私たちが普段吸っているものとは異なります。同じ品番の製品でも、北国の冬に暖房の効いた室内で過ごす場合もあれば、日本やクイーンズランドの海岸沿いの夏を過ごす場合もあり、その間のあらゆる環境下で使用されます。それぞれの環境が製品を異なる平衡状態へと導き、その結果、硬さ、強靭さ、そして手触りもそれぞれ異なってきます。 当社を出荷してから数ヶ月が経ちましたが、何の問題も発生していません。.

メーカーにとって、これが厄介な点なのです。ナイロン製部品は、その動作条件の半分が顧客の使用環境によって決まるため、製造工場側ではその性能を完全に検証することができないのです。 ここで試験を行っても、それは数あるケースのうちの1つを検証したに過ぎず、販売代理店にとっては、クレームの発生率に地域的な傾向が現れます。アセタールは膨張率がほぼゼロであるため、最終検査に合格した部品こそが、当社が出荷するあらゆる市場において、顧客の手元に届く部品となるのです。.

それらはすべて依然として「一貫性」の範囲内であり、一貫性であれば設計上対応可能です。しかし、その先にあるものはそうはいきません。.

元に戻らない唯一の老化の道

これが理由であり、それ以外の比較事項はこれに比べて二次的なものです。.

ナイロンの分子骨格はアミド結合によって結びつけられていますが、このアミド結合は熱と水が同時に作用することで切断されます。これは、前述の吸湿現象とは異なります。吸湿は物理的な現象であり、元に戻ります。これに対し、これは化学的な現象です。鎖が切断され、分子量が低下し、元に戻ることはありません。 一度この状態になった部品は、その後どのような天候にさらされようと、また季節がどれほど乾燥していようと、取り付けられた当初の部品に比べて、永久に強度が低下したままとなります。.

夏場の密閉されたハウジングは、反応に必要なあらゆる条件を同時に満たしています。すなわち、密閉された空間に熱が蓄積し、夜間に冷却されるにつれて結露が発生し、湿気を排出する換気がほとんどないという状態です。これは、ポリアミドを意図的に経年劣化させるために、わざわざ作り出すであろう環境の描写に近いものです。.

アセタールの骨格は —CH₂—O— である。. そのどこにも加水分解可能な結合は存在しない, 、したがって、その材料にとってはそのような経路は存在しない――ゆっくりとでも、いずれはでも、暑い気候下でも、一切ない。.

この要素がどれほど重要なのか、はっきりさせておく価値があります。剛性、摩擦、耐候性といった要素は、材料の性能に関する議論であり、有能な設計者であれば、リブを追加したり、クリアランスを確保したり、異なるグレードの材料を指定したりするなど、これらはいずれも解決策を見出すことができます。 一方、加水分解は性能に関する議論ではありません。それは、承認した部品が5年後も依然としてその部品であるかどうかという問題であり、そもそも存在しない結合について設計上の回避策を講じることは不可能です。.

誰も見ていない部分、まるで誰かが見ているかのように指定されている

アセタールの中でも、まだ選択すべき点がありました。アセタールにはホモポリマーとコポリマーの2つの形態があり、ホモポリマーの方が強度がおおよそ10％高くなっています。また、アルカリや熱水、持続的な熱への耐性が低く、さらに前述した加水分解に対しても弱いという特徴があります。.

オーニングは水や洗剤で洗浄されるため、夏場はハウジング内部に熱がこもります。こうした条件下では、ホモポリマーには問題が生じますが、コポリマーには生じないため、長年の使用において重要な安定性を確保するために、強度の面では多少の妥協を受け入れました。.

このグレード自体は、日本のダイセル株式会社が製造するアセタール共重合体「DURACON®」であり、1964年から生産が開始されており、セレーネーズやBASFと並ぶ、世界で最も歴史のあるアセタールブランドの一つです。 そのコストは、国内の汎用POMよりもかなり高く、ABSとは比べ物にならないほど高い。.

これは内部部品です。顧客の目に触れることは決してなく、この業界のどの仕様書にも記載されていません。そのような場所に日本のトップクラスのエンジニアリングプラスチックを採用することは、当社がどこでコスト削減を行わないかを示す、最も明確なメッセージなのです。.

素材の選択は、その役割にふさわしいものでなければならない

回転ジョイント、荷重支持用プロファイル、そして風雨にさらされる生地――これらはそれぞれ異なる課題に対応するものであり、それぞれが独自の観点から検討されるべきである。.

この原則には両面があり、アセタールに対して不利に働く点について言及しておく価値がある。直射日光の下では順位が逆転する。アセタールは「ジッパー式」の劣化メカニズムによって劣化するが、これは安定剤によって遅らせることはできても、一度始まってしまえば阻止することはできない。一方、ナイロンの光酸化は効果的に阻止することができる。 屋外に設置される金具類――固定用バックル、グラウンドペグ、ファブリッククランプなど――には、UV安定化処理が施された黒色のポリアミドが適しており、アセタールは不適切です。同じ製品ラインでも、意図的に両方が使用されています。.

ここで説明する接合部は、オーニングの中で最も酷使されながらも、最も目につかない部分です。だからこそ、ここで詳しく説明する価値があるのです。.