JP2004019820A - 電動パワーステアリング装置用減速ギア - Google Patents

Abstract

【課題】寸法安定性及び耐摩耗性に優れ、高信頼性の電動パワーステアリング用減速ギアを提供する。
【解決手段】操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、金属製芯管の外周に、ポリアミド樹脂組成物をラジカル発生剤と２個以上の炭素間二重結合を有する多官能モノマーとを用いて架橋してなる成形体からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体に設けてなるウォームホイールを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置には、電動モータに比較的高回転、低トルクのものが使用されるため、電動モータとステアリングシャフトとの間に減速機構が組み込まれている。減速機構としては、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、図６に示されるような、電動モータ（図示せず）の回転軸に連結するウォーム１２と、ウォーム１２に噛み合うウォームホイール１１とから構成される電動パワーステアリング装置用減速ギア２０（以下、単に「減速ギア」ともいう）が使用されるのが一般的である。
【０００３】
このような減速ギア２０では、ウォームホイール１１とウォーム１２の両方を金属製にすると、ハンドル操作時に歯打ち音や振動音等の不快音が発生するという不具合を生じていた。そこで、ウォームホイール１１に、金属製の芯管１の外周に、樹脂製で外周面にギア歯１０を形成してなる樹脂部３を一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。
【０００４】
上記樹脂部３には、例えば、特公平６−６０６７４号公報に記載されているような、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のベース樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の強化材を配合した材料の他、強化材を含有しないＭＣ（モノマーキャスト）ナイロン、ポリアミド６、ポリアミド６６等が使用されている。中でも、寸法安定性やコストを考慮して、強化材を含有しないＭＣナイロン、ガラス繊維を含有したポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６等が主流となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記樹脂部３を形成するポリアミド系樹脂は、耐疲労性に優れるものの、吸水性が高く、水分を吸収してギア歯１０が膨潤し、当初ウォーム１２との間に存在していた隙間が無くなったり、更に膨潤するとウォーム１２を圧迫するようになる。その結果、ギアの抵抗が大きくなり、ハンドルが重くなるという不具合を招いていた。また、長時間の使用により、ギア歯１０が摩耗してウォーム１２とウォームホイール１１との噛合い部におけるバックラッシュ（ガタ）が増大し、ウォーム１２の円滑な作動が妨げられ、操舵感が悪化したり、異音（歯打ち音）を発生することもあった。更には、ギア歯１０が変形したり、場合によっては破損して装置全体として機能しなくなることもあった。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ウォームホイールに求められる、特に寸法安定性及び耐摩耗性に優れ、高信頼性の電動パワーステアリング用減速ギアを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、金属製芯管の外周に、ポリアミド樹脂組成物をラジカル発生剤と２個以上の炭素間二重結合を有する多官能モノマーとを用いて架橋してなる成形体からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体に設けてなるウォームホイールを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギアにより達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
【０００９】
図１は本発明の減速ギアの一例を示す斜視図であるが、金属製の芯管１の外周に、樹脂製でその外周端面にギア歯を形成した樹脂部３を一体化したウォームホイールを備える。このような構成自体は、図６に示したような、芯管１と樹脂部３とを一体化した従来のウォームホイール１１と同様である。また、ウォーム１２には制限はなく、従来と同様に金属製とすることができる。
【００１０】
樹脂部３を形成するベース樹脂としては、ポリアミド６、ポリアミド６６及びポリアミド４６が好ましい。これらベース樹脂は、樹脂単独でも一定以上の耐久性を示し、ウォームホイール１１の相手材である金属製のウォーム１２の摩耗に対して有利に働き、減速ギアとして十分に機能する。しかしながら、より過酷な使用条件で使用されると、ギア歯１０が破損や摩耗することも想定されるため、信頼性をより高めるために、強化材を配合することが好ましい。
【００１１】
補強材としては、ガラス繊維、炭素繊維、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカー等が好ましく、上記に挙げたポリアミド樹脂との接着性を考慮してシランカップリング剤で表面処理したものが更に好ましい。また、これらの補強材は複数種を組み合わせて使用することができる。衝撃強度を考慮すると、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維状物を配合することが好ましく、更にウォ−ム１２の損傷を考慮するとウィスカー状物を繊維状物と組み合わせて配合することが好ましい。混合使用する場合の混合比は、繊維状物及びウィスカー状物の種類により異なり、衝撃強度やウォーム１２の損傷等を考慮して適宜選択される。
【００１２】
これらの補強材は、全体の５〜４０重量％、特に１０〜３０重量％の割合で配合することが好ましい。補強材の配合量が５重量％未満の場合には、機械的強度の改善が少なく好ましくない。補強材の配合量が４０重量％を超える場合には、ウォーム１２を損傷し易くなり、ウォーム１２の摩耗が促進されて減速ギアとしての耐久性が不足する可能性があり好ましくない。
【００１３】
また、樹脂部３は、このようなポリアミド樹脂組成物を、ラジカル発生剤と２個以上の炭素間二重結合を有する多官能モノマーとを用いて架橋して得られる。ラジカル発生剤としては、下記一般式式で表される１，２−ジフェニルエタン誘導体が好ましい。
【００１４】
【化１】

【００１５】
式中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、水素原子、ハロゲン原子、炭素数１〜５のアルキル基、炭素数３〜１０のシクロアルキル基、フェニル基または炭素数１〜５のアルキル置換フェニル基であり、同一でも異なっていてもよい。また、Ｘ、Ｙは水素原子、ハロゲン原子、炭素数１〜３のアルキル基または炭素数１〜４のアルコキシを表す。中でも、下記に示す２，３−ジメチル−２，３−ジフェニルブタンがラジカル発生剤として特に好ましい。
【００１６】
【化２】

【００１７】
これらラジカル発生剤は架橋剤として機能し、２００℃以上の温度で炭素間結合が開裂してラジカルを発生する。ラジカル発生剤の添加量は、ポリアミド樹脂１００重量部に対して０．０１〜５重量部、好ましくは０．０５〜２重量部である。ラジカル発生剤が０．０１重量部未満では、ラジカルの発生量が少なすぎて架橋が殆ど進行しない。また、ラジカル発生剤が５重量部を超える場合には、架橋度の更なる増大がみられないとともに、未反応物や過剰のラジカルが残存して樹脂部３の物性低下を引き起こすおそれがある。
【００１８】
一方、分子中に２個以上の炭素間二重結合をする多官能モノマー（以下、「特定の多官能モノマー」という）は、架橋助剤として機能する。このような特定の多官能モノマーとしては、トリアリルイソシアヌレート、トリアリルシアヌレート、ジアリルフタレート、ジビニルベンゼン、ジイソプロペニルベンゼン、Ｎ，Ｎ´−ｍ−フェニレンビスマレイミド、ポリブタジエン等が挙げられ、これらは単独または２種以上組み合わせ使用される。中でも、トリアリルイソシアヌレート及びトリアリルシアヌレートが、上記のラジカル発生剤との間でより円滑に架橋反応を進めることから好ましい。
【００１９】
また、特定の多官能モノマーの添加量は、ポリアミド樹脂１００重量部に対して０．０１〜１０重量部、好ましくは０．０５〜５重量部である。特定の多官能モノマーが０．０１重量部未満では、絶対量が少なすぎて架橋が殆ど進行しない。また、特定の多官能モノマーが１０重量部を超える場合には、架橋度の更なる増大がみられないとともに、未反応物等が残存して樹脂部３の物性低下を引き起こす可能性が高くなる。
【００２０】
更に、特定の多官能モノマーとラジカル発生剤とは、特定の多官能モノマー：ラジカル発生剤＝６：１０〜５０：１の範囲で併用することが好ましい。特定の多官能モノマーが６：１０よりも少なくなると、架橋助剤としての作用が弱すぎて架橋反応の進行が遅くなる。一方、特定の多官能モノマーが５０：１よりも多くなると、特定の多官能モノマーに由来する未反応物が残存して樹脂部３の物性を低下させる可能性が高くなる。また、特定の多官能モノマーとラジカル発生剤とを等量で併用することが架橋を進行させる上で最も好ましい。
【００２１】
ポリアミド樹脂中における上記のラジカル発生剤と特定の多官能モノマーとによる架橋反応は、以下の機構によるものと考えられる。即ち、先ずラジカル発生剤の開裂により発生したラジカルが特定の多官能モノマーの炭素間二重結合に付加し、２次ラジカルを生じる。そして、この２次ラジカルが、ポリアミド樹脂のアミド結合の間に存在するメチレン水素を引き抜き、それにより発生したポリアミド樹脂の分子ラジカル同士が特定の多官能モノマーにより数箇所で結合され、架橋構造が構築される。
【００２２】
また、このようにラジカル発生剤及び特定の多官能モノマーがそれぞれ単独で架橋反応をあまり起こさないことは、製造上大きな利点になる。即ち、ラジカル発生剤を配合したポリアミド樹脂のペレットと、特定の多官能モノマーを配合したポリアミド樹脂のペレットとを別々に調製することにより、これらの保管が可能となり、実際の製造において、両ペレットを成形機に投入すれば樹脂部３の成形を即時開始することができる。これに対し、架橋剤として一般的な有機過酸化物は、単独でもポリアミド樹脂のアミド結合の間に存在するメチレン水素を引き抜いて架橋が進行するため、成形直前にポリアミド樹脂に有機過酸化物を添加して混練する必要があり、製造開始毎に成形原料の調製が必要になる。
【００２３】
本発明においてウォームホイール１１を製造する方法は制限されるものではないが、例えば図２〜図５に示す工程に従うことができる。尚、成形に先立ち、芯管１の外周面１ａには、ショットブラストやローレット加工、好ましくはローレット加工により粗面化処理を施しておくことが好ましい。ローレット加工のＶ字状溝の深さは０．２〜０．８ｍｍ、特に０．３〜０．７ｍｍが適当である。このＶ字状溝の深さが０．２ｍｍ未満では芯管１と樹脂部３との物理的接合性を向上させる効果が小さく、０．８ｍｍを超える場合は加工コストの上昇を招くだけでなく、溝が深すぎて溝内に完全にポリアミド樹脂が入り込めず、空気が溝内に残存して物理的接合性を低下させるおそれもある。
【００２４】
更に、吸水による寸法変化の防止と、樹脂部３との接合性を一層向上させるために、図２に示すように、芯金１の外周面１ａに接着層８を設けることも好ましい。接着層８を形成する材料は、芯管１である金属と、樹脂部３となるポリアミド樹脂との双方に対して結合を生じることが必要であり、ここでは、アミノ基あるいはエポキシ基を分子中に有し、かつ加水分解で水酸基に変化するアルコキシ基を有するシランカップリング剤が好適である。このようなシランカップリング剤は、アルコキシ基が加水分解して生成する水酸基が金属表面と脱水縮合を起こして、金属との間で高い結合力を持つ共有結合を形成するとともに、アミノ基やエポキシ基がポリアミド樹脂のアミド結合と結合し、これらの結合により芯管１と樹脂部３とが強固に接合される。
【００２５】
上記のシランカップリング剤として、具体的には、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン等を挙げることができる。中でもエポキシ基を有するγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが、ポリアミド樹脂中のアミド結合への反応性が高いことから好ましい。尚、シランカップリング剤の塗布方法としては、これらを溶解した溶液（溶媒：アルコール等）に芯管１を浸漬し、溶媒を乾燥除去する方法が簡便である。また、この接着層形成用溶液の濃度は３〜１０重量％が適当である。
【００２６】
そして、図３に示すように、上記の芯管１をスプルー４及びディスクゲート５とともに金型に装着し、射出成形機等を用いてインサート成形を行い、芯管１と樹脂部３とを一体に成形する。このとき、射出成形機には、それぞれ予め調製しておいたラジカル発生剤を配合したポリアミド樹脂のペレットと、特定の多官能モノマーを配合したポリアミド樹脂のペレットと成形機に投入する。
【００２７】
成形後、芯管１と樹脂部３との接着性を高めるために熱処理を行うことが好ましい。加熱温度としては、２００〜３５０℃が適当である。熱処理の手段としては、短時間で効率良く温度が上昇する誘導加熱（高周波あるいは低周波）が最も好ましい。この誘導加熱によると、芯管１及び、芯管１の外周面−接着層８−樹脂部３の内周面が一様に効果的に加熱され、より強固な結合が可能になる。また、短時間で済むため、樹脂部３や接着層８を形成する材料の劣化が最小限に抑えられる。誘導加熱に際し、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うことにより、材料の劣化をより抑えることができるようになる。
【００２８】
上記により、図４に示すように、芯管１の外周に接着層を介して樹脂部３が接合されたウォームホイールブランク材７が得られる。
【００２９】
そして、図５に示すように、ウォームホイールブランク材７の樹脂部３の外周面３ａに切削加工により所定形状のギア歯１０を形成することにより、ウォームホイール１１が得られる。
【００３０】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
深さ０．５ｍｍのローレット加工を施し、脱脂した外径４５ｍｍ、幅１３ｍｍのＳ４５Ｃ製の芯管を用意した。また、ガラス繊維を３０重量％含有するポリアミド６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン１０１５ＧＵ６」；銅系添加剤含有）１００重量部に対しラジカル発生剤（日本油脂（株）製「ノフマーＢＣ９０」；２，３−ジメチル−２．３−ジフェニルブタン）を１重量部配合した第１のペレットと、同ポリアミド１００重量部に対し多官能モノマー（日本化成（株）製「タイク」；トリアリルイソシアヌレート）を１重量部配合した第２のペレットとを用意した。
【００３２】
そして、芯管をコアとし、射出成形機に第１のペレットと第２のペレットとを等量比で投入し、樹脂温度２４０℃にてインサート成形を行って外径６０ｍｍ、幅１３ｍｍの芯管−樹脂部の一体成形体を得た。そして、この一体成形体をアルゴンガス中で２００℃にて１時間加熱処理を行い、室温まで冷却してウォームホイールブランク材を得た。次いで、樹脂部の外周を切削加工してギア歯を形成し、ウォームホイール試験体を作製した。
【００３３】
（実施例２）
ローレット加工を施した芯管を、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」）の１０重量％メタノール溶液に浸漬して接着層を形成した以外は、実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を作製した。尚、接着を行うために、ウォームホイールブランク材の状態で３５０℃（芯金温度）で１０秒間、誘導加熱を行った。
【００３４】
（比較例１）
Ｓ４５Ｃ製の芯管にローレット加工を施すことなく金型に装着し、射出成形機を用いてガラス繊維を３０重量％含有するポリアミド６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン１０１５ＧＵ６」；銅系添加剤含有）をインサート成形し、加熱処理することなく、ウォームホイールブランク材を得た。次いで、樹脂部の外周を切削加工してギア歯を形成し、ウォームホイール試験体を作製した。
【００３５】
［寸法安定性の評価］
各試験体を、下記条件Ｉまたは条件ＩＩの下に放置し、所定時間経過後にギア外径寸法の変化量を測定した。何れの条件においても、変化量が４０μｍ以下を合格「○」、４０μｍを超えるものを不合格「×」として表１に記載した。
・条件Ｉ：６０℃、９０％ＲＨ、７０時間
・条件ＩＩ：８０℃、９０％ＲＨ、３００時間
【００３６】
［耐久性の評価］
各試験体を実際の自動車減速ギアに組み込み、下記条件Ｉまたは条件ＩＩにて操舵操作を繰り返し行った。何れの条件においても、表記の操舵回数に耐えることができた減速ギアを合格「○」、耐えることができなかった減速ギアを不合格「×」として表１に記載した。
・条件Ｉ　：３０℃、５０％ＲＨ、１０万回操舵
・条件ＩＩ　：３０℃、５０％ＲＨ、３０万回操舵
・条件ＩＩＩ　：５０℃、９０％ＲＨ、１０万回操舵
・条件ＩＶ　：５０℃、９０％ＲＨ、２０万回操舵
・条件Ｖ　：５０℃、９０％ＲＨ、３０万回操舵
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１に示すように、本発明に従う実施例１、２の各試験体は、過酷な条件下でも寸法安定性が高く、耐久性も優れている。特に、接着層を備える実施例２の試験体は、実施例１の試験体に比べて更に寸法安定性が高く、耐久性も一層向上している。これに対し、比較例１の試験体は、温度、湿度が過酷になると寸法安定性が悪くなり、それに伴って耐久性も低下している。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、樹脂部を、ポリアミド樹脂組成物をラジカル発生剤と２個以上の炭素間二重結合を有する多官能モノマーとを用いて架橋してなる成形体としたことにより、寸法安定性及び耐久性に優れる電動パワーステアリング用減速ギアが得られる。また、架橋手段として加熱架橋を用いていることから、電子線照射架橋のように樹脂部の表面と内部とで架橋状態に差が無く、高信頼性の架橋状態が得られ、品質も安定したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の減速ギアの一例を示す斜視図である。
【図２】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、芯管の断面図である。
【図３】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、成形金型の断面図である。
【図４】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、得られたウォームホイールブランク材の斜視図である。
【図５】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、得られたウォームホイールの斜視図である。
【図６】従来の減速ギアの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１　芯管
３　樹脂部
４　スプルー
５　ディスクゲート
８　接着層
１０　ギア歯
１１　ウォームホイール
１２　ウォーム
２０　減速ギア
３０　側面部

Claims (2)

1. 操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、金属製芯管の外周に、ポリアミド樹脂組成物をラジカル発生剤と２個以上の炭素間二重結合を有する多官能モノマーとを用いて架橋してなる成形体からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体に設けてなるウォームホイールを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギア。
2. ラジカル発生剤が２，３−ジメチル−２，３−ジフェニルブタンであり、多官能モノマーがトリアリルイソシアヌレートまたはトリアリルシアヌレートの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。

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