JP2004217110A - Electric power steering device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
この発明は、電動パワーステアリング装置に関し、特にそのパワーアシスト部を構成する歯車減速機構に使用される歯車の潤滑性・耐摩耗性の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
車両用の電動パワーステアリング装置では、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ヤフトとの間に歯車減速機構が組み込まれている。歯車減速機構としては、平歯車その他の歯車を使用した歯車減速機構も知られているが、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、ウォームとウォームホイールとから構成される周知のウォーム歯車減速機構を使用するものが一般的である。
【0003】
このようなウォーム歯車減速機構(以下、単に減速ギアという)では、電動モータの回転軸に連結される駆動歯車であるウォームと、このウォームに噛み合うウォームホイールから構成されている。
【0004】
このような減速ギアでは、ウォームとウォームホイール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都合があるので、この対策として、従来は、ウォームを金属製とした場合は、ウォームホイールとして、金属製のハブ、即ち芯金の外周部に合成樹脂材からなるブランク円板を一体に形成し、このブランク円板の円周部に切削その他の手段で歯を形成して樹脂製の歯部が一体形成された合成樹脂製の歯部を備えたウォームホイールを使用し、歯打ち音や振動音等の不快音の発生を抑えていた。
【0005】
上記樹脂製の歯部の材料としては、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繊維補強材を配合した材料のほか、補強材を含有しない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等も使用されている。
【0006】
寸法安定性やコストを考慮した場合は、繊維補強材を含有しないMCナイロンが使用されるほか、繊維補強材として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等が使用される(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
また、電動パワーステアリング装置のウォーム歯車減速機構においては、ウォームとウォームホイールを収納するギアケースの中のウォーム軸を保持する2つの玉軸受間の内部空間に、ウォームとウォームホイールの噛合面を潤滑するためにグリースが充填されている。そして、金属製のウォームと樹脂歯のウォームホイールを使用する場合には、基油として鉱物油や耐熱性を考慮してポリαオレフィン油を使用したグリースが使用されている。
【0008】
また、ウォームの両端に配置されたウォーム軸を支承する玉軸受に予圧を掛けると共に、タイヤ側から微小なキックバック入力が入ってきたときに、ウォームを軸方向に動かすことによりモータが回転しないようにし、ハンドル側にキックバックのみの情報を伝えるように作用するゴム製のダンパーが取付けられているものもある。なお、ゴム製のダンパーに使用されるゴム材としては、永久歪みが小さいエチレンアクリルゴムに代表されるアクリルゴムが最も一般的に使用されている。
【0009】
【特許文献1】
特公平6−60674号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したグリースの基油である鉱物油やポリαオレフィン油は金属製の駆動歯車(例えばウォーム)に対する濡れ性は悪くはないが十分とは言えず、それによって樹脂製の従動歯車(例えばウォームホイール)の歯部分と金属製の駆動歯車の歯部分との間での潤滑状態は、十分に良好と言えるものではなかった。
【0011】
また、樹脂製の歯の耐摩耗性や機械的強度の向上のために、ガラス繊維やカーボン繊維を添加する場合、その添加された繊維によって金属製の駆動歯車が摩耗するという不都合があった。
【0012】
この結果、長期間の電動パワーステアリング装置の運転によって一時的な油膜切れが発生したり、徐々に金属製の駆動歯車の歯の摩耗が進行して、駆動歯車と従動歯車との噛合部分におけるバックラッシュ(ガタ)が増大する。そして、バックラッシュの増大により駆動歯車の円滑な作動が妨げられ、操舵感が悪化したり、歯打ち音や振動音等の不快音が発生することがあった。更に、摩耗が進行すると、場合によっては駆動歯車や従動歯車の歯が変形したり破損して、装置として機能しなくなってしまうこともあった。
【0013】
この発明は、上記課題を解決することを目的とするもので、歯車減速機構を構成する金属製の駆動歯車、歯の表面に硬質炭素系被膜を形成することにより歯の表面のグリースに対する濡れ性を改善し、良好な潤滑状態を維持すると共に金属製の駆動歯車の摩耗を防止し、耐摩耗性に優れ、信頼性の高い電動パワーステアリング装置を提供するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、請求項1の発明は、電動モータによる補助動力を歯車減速機構を介して車両のステアリング機構に伝達するように構成され、前記歯車減速機構は少なくとも1組の駆動歯車とこれに噛合する樹脂歯を有する従動歯車を備え、前記歯車減速機構の駆動歯車と従動歯車の間にグリースが介在する電動パワーステアリング装置において、少なくとも前記駆動歯車は歯部表面に硬質炭素系被膜が形成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置である。
【0015】
そして、前記駆動歯車及び従動歯車は、ウォーム及びウォームホイール、はすば歯車、平歯車、傘歯車、ハイポイドギアのいずれかである。
【0016】
また、前記硬質炭素系被膜は、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、金属含有DLC、または窒化炭素のいずれかを使用するとよい。
【0017】
そして、前記硬質炭素系被膜の膜厚は0.5〜10μm、好ましくは1〜5μmである。
【0018】
さらに、前記硬質炭素系被膜は、炭化水素ガスをプラズマで分解して成膜するプラズマCVD法、カーボンをターゲットとするスパッタリング法、カーボン材料をアーク放電により気化させて成膜する方法、炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、プラズマイオン注入法のいずれかにより形成される硬質炭素系被膜とするとよい。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【0020】
図1は、この発明を実施するに適した電動パワーステアリング装置10の構成の一例を説明する正面図で、コラム式の電動パワーステアリング装置である。図1において、11は舵輪軸、12は舵輪軸ハウジング、13は電動モータ、20はラック・ピニオン式運動変換機構を示す。
【0021】
舵輪軸11は、図1では図示されていないが、上部舵輪軸11aと下部舵輪軸11bとから構成され、舵輪軸11は舵輪軸ハウジング12の内部に軸心回りに回転自在に支承されており、舵輪軸ハウジング12は、車室内部の所定位置に下部を前方に向けて傾斜した状態に固定されている。また、上部舵輪軸11aの上端には、図示されていない舵輪が固定されている。
【0022】
さらに、上部舵輪軸11aと下部舵輪軸11bとは、図示されていないトーションバーにより結合されており、舵輪から上部舵輪軸11aを経て下部舵輪軸11bに伝達される操舵トルクが、トーションバーにより検出され、検出された操舵トルクに基づいて電動モータ13の出力が制御される。
【0023】
ラック・ピニオン式運動変換機構20は、長手方向を車両の左右方向として車両前部のエンジンルーム内にほぼ水平に配置され、軸方向に移動自在なラック軸21と、ラック軸21の軸心に対して斜めに支承されてラック軸21の歯部に噛合する歯部を備えたピニオンを含むピニオン軸22、及びラック軸21とピニオン軸22を支承する筒状のラック軸ケース23とから構成される。
【0024】
ピニオン軸22と下部舵輪軸11bの下部とは、2個の自在継手25及び26で連結されている。また、下部舵輪軸11bの中間部分には後述するウォーム歯車減速機構30が配置され、電動モータ13から下部舵輪軸11bに対して操舵補助力が供給されるように構成されている。
【0025】
図2は、上記した電動パワーステアリング装置10のウォーム歯車減速機構30の構成を示す部分断面図で、31はウォームホイール、32はウォームホイール31に噛合するウォーム、33はギアケースである。ウォーム32はその両端にウォーム軸32a、32bが一体に形成されており、ウォーム軸32a、32bはそれぞれギアケース33に装着された玉軸受34a、34bにより回転自在に支承されている。また、ウォーム軸32bは、電動モータ13の駆動軸13aにスプライン、或いはセレーション結合している。
【0026】
ウォームホイール31のハブ、即ち芯金42は下部舵輪軸11bに結合し、電動モータ13の回転はウォーム32、ウォームホイール31を経て下部舵輪軸11bに伝達される。
【0027】
図3は、この発明の実施の形態のウォーム歯車減速機構30のウォームホイール31の構成を示す斜視図で、ウォームホイール31は、金属製のハブ、即ち芯金42の外周面に、適宜クロスローレット加工を施すなどの加工を行い、その加工面に合成樹脂で一体形成した円筒形の樹脂部43を設けたもので、樹脂部43の外周面にギア歯44を形成して構成されている。一方、ウォーム32は従来のウォームと同じく金属製のものとする。
【0028】
ウォームホイール31の樹脂部43は、ベース樹脂として、耐久性を考慮してポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46等のポリアミド樹脂を使用する。これ等の樹脂は単独でも十分な耐久性を示し、ウォームホイール31に噛合する金属製のウォーム32の摩耗に対して有利に作用し、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すると、ギア歯44が摩耗したり破損することも予想されるので、信頼性を高めるために補強材を配合することが好ましい。
【0029】
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、前記し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。
【0030】
また、これ等の補強材は複数種類のものを組み合せて配合することができる。
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の補強材を配合することが好ましい。さらに、ウォームホイール31に噛合する金属製のウォーム32の損傷を考慮すると、ウィスカー状の補強材を繊維状の補強材と組み合わせて配合することが好ましい。これ等の補強材を組み合せて配合する場合の組み合せ比率は、繊維状補強材及びウィスカー状補強材の種類により異なり、衝撃強度やウォーム32の損傷を考慮して適宜選択するものとする。
【0031】
これ等の補強材は、樹脂全体の5〜40重量%、特に10〜30重量%の配合比率とすることが好ましい。補強材の配合比率が5重量%未満の場合は、機械的強度の改善が少なく好ましくない。また、補強材の配合比率が40重量%を越える場合は、ウォーム32を損傷し易くなり、ウォーム32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。
【0032】
ウォーム32には特に制限がなく、従来と同様に金属製とすることができる。
ウォーム32の歯部表面には硬質炭素系被膜(図示せず)が形成され、グリースに対する濡れ性が改善されている。また、歯部表面は硬質炭素系被膜で被覆されているため繊維強化された樹脂歯との噛み合わせにおいても、ウォーム32の歯部表面の摩耗が抑制されて、バックラッシュが生じることがなく、長期間に亘って安定して作動する。
【0033】
硬質炭素系被膜は、特に制限を受けるものではなく、いわゆるダイヤモンドライクカーボン(DLC)、金属含有DLC、窒化炭素など炭素系硬質被膜であれば特に制限されるものではない。
【0034】
また、硬質炭素系被膜の形成方法としては、炭化水素ガスをプラズマで分解して成膜するプラズマCVD法、カーボンをターゲットとするスパッタリング法、カーボン材料をアーク放電により気化させて成膜する方法、炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、プラズマイオン注入法等の公知の形成方法を利用することができる。
【0035】
硬質炭素系被膜の膜厚は0.5〜10μm、好ましくは1〜5μmが望ましい。さらに、硬質炭素系被膜の成膜時間やガス圧のコントロール等の点からは、膜厚を1〜3μmとすることが望ましい。膜厚が0.5μmより薄い場合は、部分的に樹脂表面が露出し、グリースに対する濡れ性の改善が不十分となって好ましくない。一方、膜厚が10μmより厚くなると、硬質炭素系被膜の内部応力が増大して自己破壊が発生しやすくなり、結果的にグリースに対する濡れ性の改善効果が長続きせず、好ましくない。
【0036】
次に、樹脂製ウォームホイールの歯部分と炭素系硬質被膜を被覆したウォームの歯部分との潤滑状態を良好に保つグリースについて説明する。
【0037】
この発明に使用されるグリースは、鉱物油、ポリαオレフィン油、アルキルポリフェニルエーテル等の炭化水素系化合物を基油とし、アミンとイソシアネートからなるウレア化合物、Li石けん、Liコンプレックス石けん、Ba石けん、Baコンプレックス石けん等を増ちょう剤として用いることができる。
【0038】
これ等の炭化水素系化合物の基油は、鋼などの金属材料に対する濡れ性が十分とはいえず、さらには、繊維強化した樹脂製ウォームホイールの歯部の繊維によりウォーム表面が摩耗し、それによって、長期間の使用によって油膜切れが徐々に発生するようになって歯部分の摩耗が進行し、それによってバックラッシュが徐々に増大して電動パワーステアリング装置の機能が低下する原因の1つとされていた。
【0039】
これに対し、金属製ウォームの歯部分の表面に硬質炭素系被膜を形成することにより、歯部分の最も外側の表面に炭素(C)と水素(H)のみで構成される極性の低い緻密な膜が存在するようになる。この膜の存在により比較的極性の低いグリースの基油の濡れ性が大幅に改善され、歯部分に安定した油膜が形成されるので、長期間の使用によってもウォームホイールの樹脂製の歯部分の摩耗が少なく、バックラッシュの発生が少なく、耐久性と信頼性に優れた電動パワーステアリング装置とすることができる。
【0040】
さらに、このグリースには、脂肪酸などの油性剤や、アミン系やフェノール系などの酸化防止剤、Caスルホネートなどの防錆剤、MoDTCなどの極圧添加剤などを添加したものであってもよい。
【0041】
次に、ウォーム試験体の製作、濡れ性の測定、及び耐久性の評価について説明する。
【0042】
(1)ウォーム試験体の製作
スチール鋼(SC材)の素材から切削加工により仕上げたウォーム試験体を脱脂洗浄した後、神戸製鋼(株)製のアンバランスドマグネトロンスパッタ装置に設定し、DLCの被膜を形成した。
【0043】
(2)硬質炭素系被膜の形成
ウォーム試験体(実施例)への被膜形成行程は、アルゴンによるイオンボンバード後、DLCの密着性を強化するために、Cr(クローム)、W(タングステン)、C(カーボン)からなる厚み0.5〜1.0μmの中間層を形成し、その上に厚み1.0〜1.5μmのカーボン層(C又はC−Hからなる)を形成し、全被膜の厚みが2μmの炭素系硬質被膜(DLC)を形成した。
【0044】
(3)グリース基油での濡れ性の測定
グリース基油での濡れ性の測定には、上記したウォーム試験体に代えてウォームと同じスチール鋼(SC材)の素材で作成した直径30mmの円板試験片により行った。まず、上記した円板試験片を脱脂洗浄した後、実施例と、3種類の比較例を作成した。
【0045】
実施例は、前記円板試験片を前記ウォーム試験体と同一のアンバランスドマグネトロンスパッタ装置に設定し、前記したDLCの被膜形成条件と同じ条件で、全被膜の厚みが2μmの炭素系硬質被膜(DLC)を形成したものである。
【0046】
比較例1は炭素系硬質被膜(DLC)を形成しないもの、比較例2は前記したDLCの被膜形成条件と同じ条件であるが全被膜の厚みが0.2μmの炭素系硬質被膜(DLC)を形成したもの、比較例3は前記したDLCの被膜形成条件と同じ条件であるが全被膜の厚みが10μmの炭素系硬質被膜(DLC)を形成したものである。
【0047】
上記実施例、比較例1、比較例2及び比較例3について、グリースの基油として使用しているポリαオレフィン油(100℃で8mm2 /s)を1滴たらして3秒後の動的接触角を測定した。測定装置は、GBX社製DIGIDROPを使用し、室温で測定した。
【0048】
図4のA欄は3秒後の接触角の測定結果を示すもので、実施例(硬質炭素系被膜を形成したもの)では接触角が16度、比較例1では接触角が30度、比較例2では接触角が23度、比較例3では接触角が16度であった。実施例では基油の接触角が比較例1に比較して小さく、濡れ性に優れていることが分かる。膜厚が薄い比較例2は、膜厚が厚い実施例(硬質炭素系被膜を形成したもの)や比較例3に比較して基油の接触角が若干大きく、濡れ性の改善効果が小さいことが分かる。
【0049】
(4)耐久性の評価
図1及び図2に示すウォーム歯車減速機構30のギアケース33内部のウォーム32を、前記した炭素系硬質被膜(DLC)が歯部表面に形成されたウォーム試験体(実施例)のほか、硬質炭素系被膜を形成してないもの(比較例1)、膜厚0.2μmの硬質炭素系被膜を形成したもの(比較例2)、膜厚20μmの硬質炭素系被膜を形成したもの(比較例3)に順次交換して装着し、以下説明する回数の操舵を実行し、耐久性の評価をした。
【0050】
まず、ウォーム表面及びウォームホイールの樹脂部の外周面の表面に、ポリαオレフィン油(100℃で8mm2 /s)を基油とし、ジウレア化合物を増ちょう剤とするベースグリース(増ちょう剤量:13重量%)に、更に酸化防止剤を処方したグリースを充填して評価した。なお、グリースには酸化防止剤として、4,4′−ジオクチルジフェニルアミンを2重量%、防錆剤として中性カルシウムスルホネートを0.5重量%添加した。
【0051】
耐久性試験は、雰囲気温度を80℃に制御して10万回の操舵を行い、ウォームホイールの摩耗が初期状態から40μm以下を合格とし、1万回毎に摩耗量の測定と硬質炭素系被膜の外観観察を行った。
【0052】
図4のB欄は耐久性試験の結果を示すもので、実施例(膜厚2.0μmの硬質炭素系被膜を有する)は、グリース基油である低極性のポリαオレフィン油に対する濡れ性が良く、安定した油膜が形成されて、10万回の操舵によっても摩耗は殆ど発生しなかった。
【0053】
それに対し、比較例1(硬質炭素系被膜を形成してないもの)は濡れ性が良くなく徐々に摩耗が進行し、3万回の操舵で摩耗量が許容限界値40μmを越えてしまった。
【0054】
また、比較例2(膜厚0.2μmの硬質炭素系被膜を有する)は、比較例1に比較して濡れ性が改善され、摩耗の発生は少なかったが、膜厚が薄すぎるために改善効果が安定せず、5万回の操舵で摩耗量が許容限界値40μmを越えてしまった。
【0055】
比較例3(膜厚0.2μmの硬質炭素系被膜を有する)は、改善効果は十分であったが、膜厚が厚すぎて内部応力が高くなり、2万回の操舵で硬質炭素系被膜に亀裂が発生してしまった。
【0056】
以上、説明した実施の形態は、この発明をコラム式の電動パワーステアリング装置のウォーム歯車減速機構の金属製ウォームとこれに噛合する樹脂歯を備えたウォームホイールに適用した例であるが、この発明は上記したコラム式の電動パワーステアリング装置のウォーム歯車減速機構への適用に限られるものではなく、その他の電動パワーステアリング装置で、金属製歯車とこれに噛合する樹脂歯を備えた歯車から構成される各種の歯車減速機構にも適用できることは言うまでもない。
【0057】
また、その他の一般の歯車機構、例えば、ウォーム及びウォームホイールのほか、周知のはすば歯車、平歯車、傘歯車、ハイポイドギアなどから構成される金属製歯車とこれに噛合する樹脂歯を備えた歯車から構成される歯車機構にも適用できることは言うまでもない。なお、上に例示した、はすば歯車、平歯車、傘歯車、ハイポイドギアなどは周知の構成のものであるから、ここでは図示を省略した。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明は電動パワーステアリング装置の歯車減速機構を構成する、少くとも金属製の駆動歯車とこれに噛合する樹脂歯を有する従動歯車を備えた歯車機構において、金属製の駆動歯車の歯の表面に硬質炭素系被膜を形成することにより、鉱物油、ポリαオレフィン油、アルキルポリフェニルエーテル等の比較的極性の低い油に対する濡れ性を改善したものである。そして、それ等の材料、即ち、鉱物油、ポリαオレフィン油、アルキルポリフェニルエーテル等の比較的極性の低い油を基油とするグリースを、金属製歯車とこれに噛合する樹脂歯を備えた歯車との間を充填することにより、歯車の耐摩耗製の向上及び濡れ性の改善による歯車間の潤滑性を向上させることができ、従来よりも長寿命で信頼性の高い電動パワーステアリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明を実施するに適した電動パワーステアリング装置の構成の一例を説明する正面図。
【図2】図1に示す電動パワーステアリング装置のウォーム歯車減速機構の構成を示す部分断面図。
【図3】ウォーム歯車減速機構のウォームホイールの構成を示す斜視図。
【図4】ウォームの濡れ性の測定及び耐久性試験の結果を示す図。
【符号の説明】
10 電動パワーステアリング装置
11 舵輪軸
11a 上部舵輪軸
11b 下部舵輪軸
12 舵輪軸ハウジング
13 電動モータ
13a 駆動軸
20 ラック・ピニオン式運動変換機構
21 ラック軸
22 ピニオン軸
23 ラック軸ケース
25、26 自在継手
30 ウォーム歯車減速機構
31 ウォームホイール
32 ウォーム
32a、32b ウォーム軸
33 ギアケース
34a、34b 玉軸受
42 ハブ(芯金)
43 樹脂部
44 ギア歯[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric power steering device, and more particularly to an improvement in lubricity and wear resistance of a gear used in a gear reduction mechanism constituting a power assist unit.
[0002]
[Prior art]
In an electric power steering apparatus for a vehicle, since a relatively high-speed and low-torque electric motor is used, a gear reduction mechanism is incorporated between the electric motor and the steering shaft. As a gear reduction mechanism, a gear reduction mechanism using spur gears or other gears is also known, but a known worm composed of a worm and a worm wheel is used because a large reduction ratio can be obtained in one set. It is common to use a gear reduction mechanism.
[0003]
Such a worm gear reduction mechanism (hereinafter simply referred to as a reduction gear) includes a worm which is a drive gear connected to a rotating shaft of an electric motor, and a worm wheel which meshes with the worm.
[0004]
In such a reduction gear, if both the worm and the worm wheel are made of metal, there is an inconvenience that unpleasant noise such as rattling noise and vibration sound is generated at the time of operating the steering wheel. When made of metal, a blank disk made of a synthetic resin material is integrally formed on the outer periphery of a metal hub, that is, a metal core, as a worm wheel, and cutting and other means are performed on the circumference of the blank disk. The use of a worm wheel having synthetic resin teeth in which resin teeth are integrally formed with the teeth formed by using a worm wheel suppresses generation of unpleasant noise such as rattling noise and vibration noise.
[0005]
As a material of the resin tooth portion, a fiber reinforcing material such as glass fiber or carbon fiber is mixed with a base resin such as polyamide 6, polyamide 66, polyacetal, polyetheretherketone (PEEK), or polyphenylene sulfide (PPS). In addition to the above-mentioned materials, MC (monomer cast) nylon, polyamide 6, polyamide 66 and the like which do not contain a reinforcing material are also used.
[0006]
In consideration of dimensional stability and cost, MC nylon not containing a fiber reinforcing material is used, and polyamide 6, polyamide 66, polyamide 46, or the like containing glass fiber is used as the fiber reinforcing material (for example, Patent Document 1).
[0007]
In the worm gear reduction mechanism of the electric power steering device, the meshing surface of the worm and the worm wheel is lubricated in the internal space between the two ball bearings that hold the worm shaft in the gear case that houses the worm and the worm wheel. Is filled with grease. When a worm made of metal and a worm wheel with resin teeth are used, grease using mineral oil or poly-α-olefin oil in consideration of heat resistance is used as a base oil.
[0008]
In addition, a preload is applied to the ball bearings that support the worm shafts disposed at both ends of the worm, and the motor is prevented from rotating by moving the worm in the axial direction when a minute kickback input comes in from the tire side. In some cases, a rubber damper that acts to transmit only kickback information is attached to the handle side. In addition, as a rubber material used for a rubber damper, acrylic rubber represented by ethylene acrylic rubber having a small permanent set is most commonly used.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 6-60674
[Problems to be solved by the invention]
However, mineral oil and poly-α-olefin oil, which are base oils of the above-mentioned grease, have good wettability to a metal drive gear (for example, a worm), but they are not sufficient, so that a resin driven gear (for example, The lubrication state between the tooth portion of the worm wheel) and the tooth portion of the metal drive gear was not sufficiently satisfactory.
[0011]
In addition, when glass fibers or carbon fibers are added to improve the wear resistance and mechanical strength of resin teeth, there is a disadvantage that the metal fibers are worn by the added fibers.
[0012]
As a result, a temporary oil film shortage occurs due to the operation of the electric power steering device for a long period of time, and the wear of the teeth of the metal drive gear gradually progresses, and the backlash at the meshing portion between the drive gear and the driven gear is increased. Rush (play) increases. In addition, the smooth operation of the drive gear is hindered by the increase of the backlash, and the steering feeling is deteriorated, and unpleasant noise such as rattling noise and vibration noise may be generated. Further, as the wear progresses, the teeth of the drive gear and the driven gear may be deformed or damaged, and may not function as a device.
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to form a metal drive gear constituting a gear reduction mechanism, and to form a hard carbon-based coating on a tooth surface to thereby make the surface of the tooth wettable to grease. The present invention is to provide an electric power steering device which is excellent in abrasion resistance and high in reliability while maintaining good lubrication and preventing wear of a metal drive gear.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above-mentioned problem, and the invention of claim 1 is configured to transmit auxiliary power by an electric motor to a steering mechanism of a vehicle via a gear reduction mechanism, and the gear reduction mechanism includes at least one set. An electric power steering apparatus comprising: a driven gear having a driving gear and a driven gear having resin teeth meshing with the driving gear; wherein grease is interposed between the driving gear and the driven gear of the gear reduction mechanism. An electric power steering device, wherein a carbon-based coating is formed.
[0015]
The drive gear and the driven gear are any of a worm and a worm wheel, a helical gear, a spur gear, a bevel gear, and a hypoid gear.
[0016]
In addition, the hard carbon-based coating may use any of diamond-like carbon (DLC), metal-containing DLC, and carbon nitride.
[0017]
The thickness of the hard carbon-based coating is 0.5 to 10 μm, preferably 1 to 5 μm.
[0018]
Further, the hard carbon-based film is formed by plasma CVD method in which a hydrocarbon gas is decomposed by plasma, sputtering method using carbon as a target, method in which carbon material is vaporized by arc discharge, film method in which hydrocarbon ion is formed. It is preferable to use a hard carbon-based coating formed by any one of an ion beam evaporation method using a method and a plasma ion implantation method.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0020]
FIG. 1 is a front view illustrating an example of a configuration of an electric
[0021]
Although not shown in FIG. 1, the
[0022]
Further, the upper
[0023]
The rack and pinion type
[0024]
The
[0025]
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the worm
[0026]
The hub of the
[0027]
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the
[0028]
The
[0029]
As the reinforcing material, glass fiber, carbon fiber, potassium titanate whisker, aluminum borate whisker, and the like are preferable, and those subjected to a surface treatment with a silane coupling agent in consideration of the adhesiveness to the polyamide resin described above are more preferable.
[0030]
Further, these reinforcing materials can be compounded by combining a plurality of types.
Considering the impact strength, it is preferable to add a fibrous reinforcing material such as glass fiber or carbon fiber. Further, considering the damage of the
[0031]
It is preferable that these reinforcing materials have a compounding ratio of 5 to 40% by weight, particularly 10 to 30% by weight of the whole resin. If the compounding ratio of the reinforcing material is less than 5% by weight, the mechanical strength is not improved, which is not preferable. On the other hand, if the compounding ratio of the reinforcing material exceeds 40% by weight, the
[0032]
The
A hard carbon-based coating (not shown) is formed on the tooth surface of the
[0033]
The hard carbon-based coating is not particularly limited, and is not particularly limited as long as it is a carbon-based hard coating such as diamond-like carbon (DLC), metal-containing DLC, and carbon nitride.
[0034]
Examples of the method for forming the hard carbon-based coating include a plasma CVD method in which a hydrocarbon gas is decomposed by plasma to form a film, a sputtering method using carbon as a target, a method in which a carbon material is vaporized by arc discharge, and a method in which a film is formed by arc discharge. Known formation methods such as an ion beam evaporation method using a hydrocarbon ion and a plasma ion implantation method can be used.
[0035]
The thickness of the hard carbon-based coating is preferably 0.5 to 10 μm, and more preferably 1 to 5 μm. Further, from the viewpoint of controlling the film forming time and gas pressure of the hard carbon-based film, the film thickness is desirably 1 to 3 μm. If the film thickness is smaller than 0.5 μm, the resin surface is partially exposed, and the wettability to grease is not sufficiently improved, which is not preferable. On the other hand, when the film thickness is more than 10 μm, the internal stress of the hard carbon-based coating increases, and self-destruction is apt to occur. As a result, the effect of improving the wettability to grease is not long, which is not preferable.
[0036]
Next, a description will be given of grease for maintaining a good lubrication state between the teeth of the resin worm wheel and the teeth of the worm coated with the carbon-based hard coating.
[0037]
The grease used in the present invention is a mineral oil, a polyalphaolefin oil, a hydrocarbon-based compound such as an alkyl polyphenyl ether as a base oil, a urea compound composed of an amine and an isocyanate, Li soap, Li complex soap, Ba soap, Ba complex soap or the like can be used as a thickener.
[0038]
These hydrocarbon-based base oils do not have sufficient wettability to metal materials such as steel, and furthermore, the worm surface is worn by the fibers of the teeth of a fiber-reinforced resin worm wheel, which may cause As a result, oil film breakage gradually occurs due to long-term use, and wear of the tooth portion progresses, whereby backlash gradually increases, which is one of the causes of a decrease in the function of the electric power steering device. I was
[0039]
On the other hand, by forming a hard carbon-based coating on the surface of the tooth portion of the metal worm, a low-polarity dense structure composed of only carbon (C) and hydrogen (H) is formed on the outermost surface of the tooth portion. A membrane will be present. Due to the presence of this film, the wettability of the base oil of relatively low-polarity grease is greatly improved, and a stable oil film is formed on the teeth. An electric power steering apparatus with less wear, less occurrence of backlash, and excellent durability and reliability can be provided.
[0040]
Further, the grease may be added with an oil agent such as a fatty acid, an antioxidant such as an amine or phenol, an antirust agent such as Ca sulfonate, an extreme pressure additive such as MoDTC, and the like. .
[0041]
Next, fabrication of a worm specimen, measurement of wettability, and evaluation of durability will be described.
[0042]
(1) Fabrication of worm specimen A worm specimen finished by cutting from a steel (SC) material was degreased and cleaned, and then set in an unbalanced magnetron sputtering apparatus manufactured by Kobe Steel Co., Ltd. A coating was formed.
[0043]
(2) Formation of Hard Carbon-Based Coating After the ion bombardment with argon, the coating process on the worm specimen (Example) was carried out in order to enhance the adhesion of DLC, such as Cr (chrome), W (tungsten), (Carbon) An intermediate layer having a thickness of 0.5 to 1.0 μm is formed, and a carbon layer (comprising C or CH) having a thickness of 1.0 to 1.5 μm is formed thereon. A carbon-based hard coating (DLC) having a thickness of 2 μm was formed.
[0044]
(3) Measurement of wettability with grease base oil For measurement of wettability with grease base oil, a circle having a diameter of 30 mm made of the same steel steel (SC material) as the worm was used in place of the worm test piece described above. The test was performed using a plate test piece. First, after the above-mentioned disc test piece was degreased and washed, an example and three kinds of comparative examples were prepared.
[0045]
In the embodiment, the disk test piece was set in the same unbalanced magnetron sputtering apparatus as the worm test piece, and the carbon-based hard coating having a total coating thickness of 2 μm was formed under the same conditions as the DLC coating formation conditions described above. (DLC).
[0046]
In Comparative Example 1, a carbon-based hard coating (DLC) having no carbon-based hard coating (DLC) was formed. In Comparative Example 2, a carbon-based hard coating (DLC) having the same conditions as the above-described DLC coating, but having a total coating thickness of 0.2 μm was used. In Comparative Example 3, a carbon-based hard coating (DLC) was formed under the same conditions as the above-described DLC coating, but with a total coating thickness of 10 μm.
[0047]
With respect to the above Examples, Comparative Examples 1, 2 and 3, a drop of the poly-α-olefin oil (8 mm 2 / s at 100 ° C.) used as a base oil of grease was applied after 3 seconds. The contact angle was measured. The measurement was performed at room temperature using DIGIDROP manufactured by GBX.
[0048]
Column A in FIG. 4 shows the measurement result of the contact angle after 3 seconds. The contact angle was 16 degrees in the example (the one in which the hard carbon-based coating was formed), and the contact angle was 30 degrees in Comparative Example 1. In Example 2, the contact angle was 23 degrees, and in Comparative Example 3, the contact angle was 16 degrees. In the examples, the contact angle of the base oil is smaller than that of the comparative example 1, which indicates that the wettability is excellent. The comparative example 2 having a small film thickness has a slightly larger base oil contact angle and a small effect of improving the wettability as compared with the example having a large film thickness (in which a hard carbon-based coating is formed) and the comparative example 3. I understand.
[0049]
(4) Evaluation of Durability The
[0050]
First, a base grease (thickener amount) containing poly-α-olefin oil (8 mm 2 / s at 100 ° C.) as a base oil and a diurea compound as a thickener is provided on the worm surface and the outer peripheral surface of the resin portion of the worm wheel. : 13% by weight) and filled with a grease further formulated with an antioxidant, and evaluated. To the grease, 2,4% by weight of 4,4'-dioctyldiphenylamine was added as an antioxidant, and 0.5% by weight of neutral calcium sulfonate was added as a rust preventive.
[0051]
In the durability test, the atmosphere temperature was controlled to 80 ° C, steering was performed 100,000 times, and the wear of the worm wheel passed 40 μm or less from the initial state. Was observed.
[0052]
Column B in FIG. 4 shows the results of the durability test. In Examples (having a hard carbon-based coating having a thickness of 2.0 μm), the wettability with respect to a low-polarity polyalphaolefin oil as a grease base oil was obtained. A good and stable oil film was formed, and almost no wear occurred even after 100,000 steering operations.
[0053]
On the other hand, in Comparative Example 1 (with no hard carbon-based coating), the wettability was not good and wear gradually progressed, and the wear amount exceeded the allowable limit of 40 μm after 30,000 steering operations.
[0054]
In Comparative Example 2 (having a hard carbon-based coating having a thickness of 0.2 μm), the wettability was improved and the occurrence of abrasion was small as compared with Comparative Example 1, but the film thickness was too thin to improve. The effect was not stabilized, and the amount of wear exceeded the allowable limit of 40 μm after 50,000 steering operations.
[0055]
Comparative Example 3 (having a hard carbon-based coating having a thickness of 0.2 μm) had a sufficient improvement effect, but the thickness was too large and the internal stress was high, and the hard carbon-based coating was obtained after 20,000 steering operations. Has cracked.
[0056]
The embodiment described above is an example in which the present invention is applied to a metal worm of a worm gear reduction mechanism of a column-type electric power steering device and a worm wheel provided with resin teeth meshing with the metal worm. Is not limited to the application of the above-mentioned column type electric power steering device to the worm gear reduction mechanism, but is another electric power steering device, which is composed of a metal gear and a gear having resin teeth meshing therewith. Needless to say, the present invention can be applied to various gear reduction mechanisms.
[0057]
In addition to other general gear mechanisms, for example, a worm and a worm wheel, a well-known helical gear, a spur gear, a bevel gear, a metal gear composed of a hypoid gear, and the like, and a resin gear meshing therewith. It goes without saying that the present invention can also be applied to a gear mechanism composed of gears. The helical gears, spur gears, bevel gears, hypoid gears, and the like exemplified above have a well-known configuration, and are not illustrated here.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, the present invention relates to a gear mechanism including at least a metal drive gear and a driven gear having resin teeth meshing with the metal drive gear, which constitutes a gear reduction mechanism of an electric power steering apparatus. By forming a hard carbon-based coating on the surface of the teeth, the wettability to relatively low-polarity oils such as mineral oil, poly-α-olefin oil, and alkyl polyphenyl ether is improved. A grease based on such a material, that is, a relatively low-polarity oil such as a mineral oil, a poly-α-olefin oil, or an alkyl polyphenyl ether, was provided with a metal gear and resin teeth meshing with the metal gear. By filling the space between the gears, it is possible to improve the wear resistance of the gears and improve the lubricity between the gears by improving the wettability. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view illustrating an example of a configuration of an electric power steering device suitable for carrying out the present invention.
FIG. 2 is a partial sectional view showing a configuration of a worm gear reduction mechanism of the electric power steering device shown in FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a worm wheel of the worm gear reduction mechanism.
FIG. 4 is a view showing the results of measurement of a worm wettability and a durability test.
[Explanation of symbols]
43
Claims (5)
少なくとも前記駆動歯車は歯部表面に硬質炭素系被膜が形成されていること
を特徴とする電動パワーステアリング装置。The auxiliary power by the electric motor is configured to be transmitted to a steering mechanism of the vehicle via a gear reduction mechanism, the gear reduction mechanism includes at least one set of drive gears and a driven gear having resin teeth meshing with the drive gears, In an electric power steering device in which grease is interposed between a driving gear and a driven gear of a gear reduction mechanism,
An electric power steering apparatus, wherein at least the drive gear has a hard carbon-based coating formed on a tooth surface.
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