CN104603248B - 电动动力转向装置用润滑脂组合物和电动动力转向装置 - Google Patents

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Abstract

提供电动动力转向装置用润滑脂组合物和电动动力转向装置二者。所述润滑脂组合物可长时期保持钢和树脂之间的滑动部的摩擦系数足够低，不易于从滑动部排出，不引起油膜不足，并因此可最小化粘滑的发生。一种电动动力转向装置用润滑脂组合物，其包括显示出0.75至0.95g/cm3的15℃下的密度的合成烃油、饱和脂族酰胺化合物、氮化硼、甘油脂肪酸偏酯和金属皂系增稠剂；和使用所述润滑脂组合物的电动动力转向装置。

Description

电动动力转向装置用润滑脂组合物和电动动力转向装置
技术领域
本发明涉及具有可减少粘滑的发生的电动动力转向装置(electric powersterring devices)用润滑脂组合物，并涉及电动动力转向装置。
背景技术
汽车动力转向装置广泛使用。大多数动力转向装置为液压的，借此提供转向力的液压泵不断由发动机的动力驱动。不管是否需要转向而施加的液压泵的恒定驱动造成燃料经济差。另一方面，电动动力转向使用电动机提供转向力，并且仅当转向车辆时驱动电动机。因此省燃料效果比液压动力转向装置的大很多。因为与液压动力转向相比，生产的转向力与电动动力转向的同样小，电动动力转向装置的使用局限于相对较小且较轻的车辆。然而，具有电动动力转向系统的车辆的数量由于较好的燃料效果而一直在增加。
电动动力转向的滑动部由钢制蜗杆(worm shaft)和具有树脂齿(resin teeth)的蜗轮(worm wheel)构成。所述树脂典型地使用尼龙(一种聚酰胺)。作为用于这种滑动部的润滑剂的润滑脂所需的一些性质包括改进传输效率的低摩擦特性，和较长时期稳定地维持低转矩的耐粘滑性(anti-stick-slip property)。
已提出将与各种蜡混合的多种润滑脂用作用于具有这种钢-树脂滑动部的电动动力转向装置的润滑剂。实例包括作为增稠剂和基础油与蒙坦蜡的混合物的润滑脂(专利文献1)，作为增稠剂和基础油与聚环氧乙烷系蜡的混合物的润滑脂(专利文献2)，和作为增稠剂和基础油与羧酸酰胺系蜡的混合物的润滑脂(专利文献3)。另一实例为固体润滑剂、或主要是聚四氟乙烯的润滑脂(专利文献4)。还有另一实例为与离子液体混合的润滑脂(专利文献5)。
这些润滑脂全部具有低摩擦系数或低转矩。然而问题是所述润滑脂趋于长时期使用后在摩擦下从滑动部逐渐排出，然后油膜最终分解并可能引起粘滑。粘滑可引起方向盘转向时的阻力，且可破坏在需要高输出如停车的情况下的转向感。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP-A-2002-371290
专利文献2：JP-A-2003-3185
专利文献3：JP-A-2008-208199
专利文献4：JP-A-2002-363589
专利文献5：JP-A-2007-191523
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的为提供一种电动动力转向装置用润滑脂组合物，所述电动动力转向装置用润滑脂组合物能长时期维持钢和树脂之间的滑动部的摩擦系数足够低，且借此该润滑脂不易于从滑动部排出，因此防止油膜的分解并减少粘滑的发生。本发明还意欲提供使用这种润滑脂组合物的电动动力转向装置。
用于解决问题的方案
本发明人进行广泛研究以解决上述问题，并发现通过使用饱和脂族酰胺化合物、氮化硼、甘油脂肪酸偏酯和金属皂系增稠剂可获得能长时期维持钢和树脂之间的滑动部的摩擦系数足够低，且借此该润滑脂不易于从滑动部排出，并因此防止油膜的分解并减少粘滑的发生的润滑脂组合物。
基于该发现制成本发明，如下所述。
(1)一种电动动力转向装置用润滑脂组合物，其包括；
具有0.75至0.95g/cm3的15℃下的密度的合成烃油，
饱和脂族酰胺化合物，
氮化硼，
甘油脂肪酸偏酯，和
金属皂系增稠剂。
(2)根据(1)的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述合成烃油为聚-α-烯烃，且含量为相对于所述润滑脂组合物的总量的50至95质量％。
(3)根据(1)的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述饱和脂族酰胺化合物的含量为相对于所述润滑脂组合物的总量的5至20质量％。
(4)根据(1)的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述氮化硼的含量为相对于所述润滑脂组合物的总量的0.2至5质量％。
(5)根据(1)的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述甘油脂肪酸偏酯的含量为相对于所述润滑脂组合物的总量的0.1至5质量％。
(6)根据(1)的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述金属皂系增稠剂的含量为相对于所述润滑脂组合物的总量的2至15质量％。
(7)一种电动动力转向装置，其由伴随着方向盘的转向操作使转向轮转向的转向机构、提供转向力给所述转向机构的电动机、和将所述电动机的转矩传输至所述转向机构的蜗轮蜗杆机构(worm gear)构成，其包括：
所述蜗轮蜗杆机构由树脂材料形成的蜗轮和金属材料形成的蜗杆构成，且
润滑脂组合物涂布至所述蜗轮和所述蜗杆的啮合面，
其中所述润滑脂组合物包含具有0.75至0.95g/cm3的15℃下的密度的合成烃油，饱和脂族酰胺化合物，氮化硼，甘油脂肪酸偏酯，和金属皂系增稠剂。
发明的效果
本发明的润滑脂组合物具有如下所述的显著效果。具有开裂性(cleavageproperties)的氮化硼减少钢-树脂滑动部的摩擦系数，且饱和脂族酰胺化合物和甘油脂肪酸偏酯被吸收至滑动面。因此，这些在长时期内维持钢-树脂滑动部的摩擦系数低，因为润滑脂不易于从滑动部排除而防止油膜的分解，并减少粘滑的发生。
附图说明
[图1]图1为表示电动动力转向的结构的说明图。
具体实施方式
[合成烃油]
本发明的合成烃油具有在0.75至0.95g/cm3的范围内的15℃下的密度。在密度超过该范围的情况下，氮化硼的分散性降低且所述合成烃油无法充分降低摩擦系数。优选地，所述合成烃油为具有0.8至0.9g/cm3的合成烯烃油。
所述合成烃油具有优选1至500mm2/s、更优选5至100mm2/s的40℃下的动力粘度(kinetic viscosity)。在40℃下的动力粘度超出1至500mm2/s的范围的情况下，其变得难以易于制备所需稠度(cone penetration)的润滑脂组合物。为了制备优良润滑性的润滑脂，优选所述烃油具有有90以上、特别是90至250的粘度指数，-10℃以下、特别是-15℃至-70℃的倾点，和150℃以上的闪点的物性。
所述合成烃油优选为具有优良的水解稳定性的那些。优选用作所述合成烃油的为，例如，聚烯烃(如聚-α-烯烃、聚丁烯、和两种以上的烯烃的共聚物)、烷基苯和烷基萘。考虑到可用性、成本、粘度特性、氧化稳定性和与系统构件的相容性，优选聚-α-烯烃。出于成本考虑，所述聚-α-烯烃进一步优选1-十二碳烯、1-癸烯等的聚合物。
单独或作为两种以上的混合物的所述烃油可用于所述合成烃油。当使用多于一种的烃油的混合物时，单个未混合的烃油的物性可能落在前述范围之外，只要这些作为油混合物满足上述物性即可。因此不一定需要单个烃油满足前述物性。然而，优选地，单个烃油的物性落在前述范围内。
烃油的含量优选50至95质量％，特别优选60至85质量％，相对于所述润滑脂组合物的总量。当烃油的含量落在50至95质量％的范围之外时，其变得难以易于制备所需稠度的润滑脂组合物。
[饱和脂族酰胺化合物]
本发明的饱和脂族酰胺化合物为具有至少一个酰胺基团(-NH-CO-)的化合物，且可为具有一个酰胺基团的化合物(单酰胺)、或具有两个酰胺基团的化合物(双酰胺)。最优选饱和脂族双酰胺，这是因为它们优良的耐热性，和它们即使在相对小量下减少滑动部的摩擦阻力的能力。
饱和脂族单酰胺为饱和脂族单胺和饱和脂族单羧酸的酰胺化合物。饱和脂族双酰胺可为饱和脂族二胺和饱和脂族单羧酸的酰胺化合物，或饱和脂族二羧酸和饱和脂族单胺的酰胺化合物。
优选使用具有100℃至170℃的熔点、和298至876的分子量的饱和脂族酰胺化合物。
分别地，所述饱和脂族单酰胺由以下通式(1)表示，且所述饱和脂族双酰胺分别由以下通式(2)和(3)表示。
R1-CO-NH-R2...(1)
R3-CO-NH-A1-NH-CO-R4...(2)
R5-NH-CO-A2-CO-NH-R6...(3)
式中，R1、R2、R3、R4、R5、和R6各自独立地表示5至25个碳原子的饱和脂族烃基。在通式(1)的情况下，R2可表示氢原子。A1和A2表示1至10个碳原子的二价饱和脂族烃基，特别优选1至4个碳原子的二价饱和链烃基。
具体地，饱和脂族单酰胺的优选实例包括月桂酰胺、棕榈酰胺、硬脂酰胺、和山萮酰胺。
具体地，由式(2)表示的饱和脂族双酰胺的优选实例包括亚乙基双硬脂酰胺、亚乙基双异硬脂酰胺、亚甲基双月桂酰胺。由式(3)表示的饱和脂族双酰胺的优选实例包括N,N’-双十八烷基癸二酰胺(N,N'-bisstearyl sebacamide)。
优选的双酰胺为其中在式(2)和(3)中的R1和R2独立地为12至20个碳原子的饱和链烃基的酰胺化合物。
所述酰胺化合物可单独使用或其两种以上以任意比组合使用。所述酰胺化合物的含量优选5至20质量％，相对于所述润滑脂组合物的总量。
当在所述合成烃油的存在下加热熔融时，所述酰胺化合物转变为其中油保留在所述酰胺化合物的三维网络结构中的状态。当所述酰胺化合物简单地分散并混合在润滑脂中时，这进一步降低钢-树脂滑动部的摩擦系数。
[氮化硼]
用于本发明的氮化硼可为广泛用作固体润滑剂的任何六方晶系的常压相(h-BN)粉末。这些可根据预期用途适当选择适合粒径之后使用。粒径优选1至10μm。
氮化硼含量优选0.2至5质量％，相对于所述润滑脂组合物的总量。
[甘油脂肪酸偏酯]
用于本发明的甘油脂肪酸偏酯为由脂肪酸和甘油合成，并具有甘油的一个或两个羟基被脂肪酸酯化的单酯或二酯化合物。甘油脂肪酸偏酯优选为单酯。不优选三酯化合物，这是因为它们形成薄膜的效力低，并因此在摩擦减少效果上比偏酯小。
本发明中，优选脂肪酸残基具有12至25个碳原子。所述单酯由以下通式(4)或(5)表示。所述二酯由式(6)或(7)表示。
R7-COO-CH2-CH(OH)-CH2OH...(4)
HO-CH2-CH(OCO-R8)-CH2OH...(5)
R9-COO-CH2-CH(OCO-R10)-CH2OH...(6)
R11-COO-CH2-CH(OH)-CH2-OCO-R12...(7)
式(4)至(7)中，R7、R8、R9、R10、R11和R12各自独立地表示12至25个碳原子的饱和或不饱和的链烃基，且烃基中的一些氢原子可取代有羟基。
这种甘油脂肪酸偏酯的具体优选实例包括饱和甘油单脂肪酸酯和饱和甘油二脂肪酸酯，如甘油单月桂酸酯、甘油二月桂酸酯、甘油单棕榈酸酯、甘油二棕榈酸酯、甘油单硬脂酸酯、甘油二硬脂酸酯、甘油单山萮酸酯、甘油二山萮酸酯、甘油单羟基硬脂酸酯和甘油二羟基硬脂酸酯；和不饱和甘油单脂肪酸酯和不饱和甘油二脂肪酸酯，如甘油单油酸酯、甘油二油酸酯、甘油单芥酸酯(glycerol monoerucate)和甘油二芥酸酯(glyceroldierucate)。
所述甘油脂肪酸偏酯可单独使用或其两种以上以任意比组合使用。甘油脂肪酸偏酯的含量优选0.1至5质量％，相对于所述润滑脂组合物的总量。
[金属皂系增稠剂]
金属皂系增稠剂为基于羧酸金属盐的增稠剂，且所述羧酸可为具有羟基等的羧酸衍生物。
所述羧酸可为脂族羧酸如硬脂酸和壬二酸，或芳族羧酸如对苯二甲酸。优选地，所述羧酸为一价或二价脂族羧酸，特别是6至20个碳原子的脂族羧酸。更优选地，可使用12至20个碳原子的一价脂族羧酸、和6至14个碳原子的二价脂族羧酸。特别优选包含一个羟基的一价脂族羧酸。
所述金属可为碱金属如锂和钠；碱土金属如钙；或两性金属如铝。优选地，所述金属为碱金属，特别是锂。
增稠剂可以金属皂的形式混合，或可通过分别混合羧酸和金属源(如金属盐、和金属盐氢氧化物等)并在生产润滑脂时使这些组分反应以制备金属皂增稠剂。
所述羧酸金属盐可单独使用或作为其两种以上的混合物使用。例如，特别优选12-羟基硬脂酸锂和壬二酸锂的混合物。
可以任何含量添加所述金属皂系增稠剂，只要获得所需稠度即可。例如，金属皂系增稠剂的含量优选2至15质量％，相对于所述润滑脂组合物的总量。
[其它添加剂]
除上述组分外，可按需将添加剂适当地添加至本发明的润滑脂组合物中。这类添加剂的实例包括一般的润滑剂和润滑脂用添加剂，如清洁剂、分散剂、抗磨剂、粘度指数改进剂、抗氧化剂、极压剂、防锈剂和缓蚀剂。
[制备方法]
本发明的润滑脂组合物可通过使用一般润滑脂制造方法来生产。然而，优选混合饱和脂族酰胺化合物，然后在等于或高于饱和脂族酰胺化合物的熔点的温度下一次加热混合物。
具体地，所述方法可包括：在等于或高于酰胺化合物的温度下加热饱和脂族酰胺化合物和合成烃油，冷却混合物，然后将混合物与包含氮化硼、增稠剂和合成烃油的一般的润滑脂物理混合。可选地，可在等于或高于酰胺化合物的熔点的温度下，加热包含增稠剂的所有组分的混合物然后冷却以制备所述润滑脂组合物。
[润滑对象]
本发明的润滑脂组合物可优选用于包括树脂制滑动构件和金属制滑动构件的电动动力转向装置的润滑。
如图1所示，此类电动动力转向由生成辅助力的电动机1、放大电动机的转矩的减速机2、将方向盘3的转向转矩和转角通过减速机的转矩传输的小齿轮4，和将小齿轮4的转向转矩转换为直线运动以生成轮胎5的转向力的齿条(rack gear)6构成。
来自方向盘3的转向力施加至输入轴7，且转矩传感器8检测设置在输入轴7和小齿轮4之间的扭力杆上的扭力。随着转向力的检测和转向时机的检测，在来自控制器9的计算电流值的控制下电动机生成所需辅助转矩。
减速机2用于放大电动机的辅助转矩，并由具有金属齿轮如铬钼铸钢(例如，SCM415)和碳钢(例如，S45C)的蜗杆10，和包括金属芯和齿状树脂齿轮(例如包含30％玻璃的尼龙6和尼龙66)的蜗轮11构成。
当减速比为约18且由电动机生成的最大辅助转矩为约5Nm时，在蜗轮处生成约90Nm转矩。由于与蜗杆的特性相关的原因，齿面的滑动速度和表面压力大。因此在正常最大转向速度为700°/s的条件下，滑动速度为约3m/s，且在最大辅助转矩下齿面压力为约60MPa。
在这些条件下，齿面处的静摩擦增加，且当不再维持所需润滑性时动摩擦和静摩擦之间的差增加，并趋于在起动时引起阻力。这称作粘滑，是一种与通过方向盘的阻力感知和差转向感相关的问题。施加润滑脂以减少粘滑。实施例
1.合成烃油
(a)聚-α-烯烃(Durasyn 170，INEOS Ltd.)
40℃下的动力粘度：68mm2/s
15℃下的密度：0.83g/cm3
粘度指数：133
倾点：-45℃
闪点：250℃
将胺系抗氧化剂添加至聚-α-烯烃中。
2.酰胺化合物
(1)脂族酰胺
(a)亚乙基双硬脂酰胺(特级试剂)
(b)硬脂酸单酰胺(特级试剂)
3.氮化硼
平均粒径：2μm(HP-P1，Mizushima Ferroalloy Co.,Ltd.)
使用激光衍射法测量平均粒径。
4.甘油脂肪酸偏酯
(1)甘油单油酸酯(特级试剂)
(2)甘油单硬脂酸酯(特级试剂)
5.金属皂系增稠剂
(1)12-羟基硬脂酸锂(表中为"硬脂酸锂")
(2)12-羟基硬脂酸锂和壬二酸锂的复合物(2:1的混合物；表中为"混合锂皂)
[制备方法]
将各组分以表1所示的量(质量％)装至容器中，在150℃(等于或高于酰胺化合物的熔点)下加热，使用磁搅拌器搅拌，然后冷却至室温。将混合物使用辊(使用三辊)进行加压分散处理，从而制备润滑脂组合物。
[实验室评价方法]
按以下所示的方式在实验室内评价润滑脂的属性和性能。根据JIS K2220测量分别表示硬度和耐热性的润滑脂的处理后稠度(worked penetration)和滴点。
在通过使用球和盘的往复运动摩擦试验机进行的试验中评价润滑脂的摩擦特性。
作为电动动力转向的钢-树脂滑动部的模型，具有1/4-英寸直径的SUJ-2球和尼龙6板[N6(NC)，Toyo Plastic Precision Co.,Ltd.]分别用作金属滑动构件和树脂制滑动构件。在2,000gf的试验负荷、10mm/s的滑动速度和20mm的振幅的条件下，将润滑脂涂布至盘上，根据由滑动生成的摩擦系数和摩擦力波形来评价是否存在粘滑(当单向滑动的摩擦力不恒定时判断存在粘滑)。较低摩擦系数改进动力转向装置的传输效率，且较稳定的摩擦力波形改进耐粘滑性。
评价结果如表1所示。
[实验室评价结果]
烃油与酰胺化合物、氮化硼和甘油脂肪酸偏酯的混合物具有相对低的摩擦系数、和高耐粘滑性。然而，由于缺乏增稠剂而使在135℃下滴点低(比较例1)。
烃油与锂皂、氮化硼和甘油脂肪酸偏酯的混合物具有250℃的高滴点；然而，摩擦系数高，耐粘滑性低，且润滑性不充分(比较例2)。基础油与锂皂和酰胺化合物的混合物具有230℃的高滴点，和略低的摩擦系数，但润滑性不充分(比较例3)。
烃油与锂皂、氮化硼、甘油脂肪酸偏酯和饱和脂族酰胺化合物的混合物具有低摩擦系数和高耐粘滑性，然而维持200℃以上的高滴点(实施例1至6)。
[实际评价方法]
实施例4和比较例1和3的润滑脂组合物进行工作耐久性试验，其中将润滑脂涂布至电动动力转向装置的钢制蜗杆和齿状树脂蜗轮上。SCM 415、和具有30％玻璃纤维的尼龙分别用作钢制蜗杆和齿状树脂蜗轮的材料。
根据向蜗杆的输入转矩和从蜗轮的输出转矩来判断效率。为了评价，在不同的温度条件和不同的负荷转矩条件下测定"平均效率"。
在最大输出负荷的条件下进行工作耐久性试验，并通过测定100,000转之后有无粘滑来评价。
评价结果如表2所示。
[实际评价结果]
在烃油与酰胺化合物、氮化硼和甘油脂肪酸偏酯的混合物中，且在烃油与锂皂和酰胺化合物的混合物中，齿轮平均效率高，但耐粘滑性差，且润滑性不充分(比较例1和3)。
烃油与锂皂、氮化硼、甘油脂肪酸偏酯和脂族酰胺的混合物改进齿轮平均效率和针对耐粘滑性的润滑性(实施例4)。
[表1]
[表2]
本发明的润滑脂组合物有用于具有树脂滑动构件和金属滑动构件的电动动力转向装置的滑动部的润滑。
附图标记说明
1 电动机
2 减速机
3 方向盘
4 小齿轮
5 轮胎
6 齿条
7 输入轴
8 转矩传感器
9 控制器
10 蜗杆
11 蜗轮

Claims (7)

1.一种电动动力转向装置用润滑脂组合物，其包括；
具有0.75至0.95g/cm3的15℃下的密度的合成烃油，
饱和脂族酰胺化合物，
氮化硼，
甘油脂肪酸偏酯，和
仅由金属皂系增稠剂组成的增稠剂，
饱和脂族酰胺化合物为以下通式(1)～(3)，
R1-CO-NH-R2...(1)
R3-CO-NH-A1-NH-CO-R4...(2)
R5-NH-CO-A2-CO-NH-R6...(3)
式中，R1、R2、R3、R4、R5和R6各自独立地为5至25个碳原子的脂族烃基，此外，在通式(1)的情况下，包括R2为氢原子的情况，A1和A2为1至10个碳原子的二价饱和脂族烃基，
相对于润滑脂组合物的总量，合成烃油的含量为50至95质量％，饱和脂族酰胺化合物的含量为5至20质量％，氮化硼的含量为0.2至5质量％，甘油脂肪酸偏酯的含量为0.1至5质量％，金属皂系增稠剂的含量为2至15质量％。
2.根据权利要求1所述的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述合成烃油为聚-α-烯烃。
3.根据权利要求1所述的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述饱和脂族酰胺化合物为月桂酰胺、棕榈酰胺、硬脂酰胺、山萮酰胺、亚乙基双硬脂酰胺、亚乙基双异硬脂酰胺、亚甲基双月桂酰胺、和N,N’-双十八烷基癸二酰胺的至少一种。
4.根据权利要求1所述的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述氮化硼为六方晶系的常压相粉末，粒径为1至10μm。
5.根据权利要求1所述的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中所述甘油脂肪酸偏酯为单酯，脂肪酸残基具有12至25个碳原子。
6.根据权利要求1所述的电动动力转向装置用润滑脂组合物，其中还含有添加剂，所述添加剂包含选自由清洁剂、分散剂、抗磨剂、粘度指数改进剂、抗氧化剂、极压剂、防锈剂和缓蚀剂组成的组中的至少一种。
7.一种电动动力转向装置，其由伴随着方向盘的转向操作使转向轮转向的转向机构、提供转向力给所述转向机构的电动机、和将所述电动机的转矩传输至所述转向机构的蜗轮蜗杆机构构成，
所述蜗轮蜗杆机构由树脂材料形成的蜗轮和金属材料形成的蜗杆构成，且
润滑脂组合物涂布至所述蜗轮和所述蜗杆的啮合面，
其中所述润滑脂组合物包含具有0.75至0.95g/cm3的15℃下的密度的合成烃油、饱和脂族酰胺化合物、氮化硼、甘油脂肪酸偏酯和仅由金属皂系增稠剂组成的增稠剂，
饱和脂族酰胺化合物为以下通式(1)～(3)，
R1-CO-NH-R2...(1)
R3-CO-NH-A1-NH-CO-R4...(2)
R5-NH-CO-A2-CO-NH-R6...(3)
式中，R1、R2、R3、R4、R5和R6各自独立地为5至25个碳原子的脂族烃基，此外，在通式(1)的情况下，包括R2为氢原子的情况，A1和A2为1至10个碳原子的二价饱和脂族烃基，
相对于润滑脂组合物的总量，合成烃油的含量为50至95质量％，饱和脂族酰胺化合物的含量为5至20质量％，氮化硼的含量为0.2至5质量％，甘油脂肪酸偏酯的含量为0.1至5质量％，金属皂系增稠剂的含量为2至15质量％。
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