JP2004218712A - Resin gear suitable for transmitting power - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
この発明は、動力伝達に適した樹脂歯車に関し、特に電動パワーステアリング装置のパワーアシスト部を構成する歯車減速機構等に使用される歯車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】
【特許文献1】
特公平6−60674号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した芯金の外周部に一体に形成した樹脂部を構成する合成樹脂材であ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、水分を吸収してウォームホイールのギアの歯部分が膨張し、製造初期にはウォームとウォームホイールとの間に存在していた隙間が無くなったり、更に膨張してウォームを圧迫する可能性があった。
【0009】
このようにウォームホイールが膨張すると、ウォームとウォームホイールとの間の摩擦抵抗が大きくなってハンドル操作が重くなったり、ギア部の圧迫や摩擦抵抗の増大によりギア部が摩耗或いは破損して、電動パワーステアリング装置が機能しなくなってしまうという不都合が発生する。
【0010】
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、予めポリアミド系樹脂で構成される樹脂部に吸水処理を施し、更なる吸水による寸法変化を抑制して、ギア部が摩耗或いは破損するおそれのない信頼性の高い電動パワーステアリング装置の歯車を提供するものである。
【0011】
【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、動力伝達に適した樹脂歯車であって、前記樹脂歯車は、吸水処理されたポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなる樹脂部を金属製ハブの外周に一体的に成形し、該樹脂部に噛合用の歯が形成された歯車であることを特徴とする動力伝達に適した樹脂歯車である。
【0012】
そして、前記吸水処理されたポリアミド樹脂は、吸水率が樹脂重量に対して2乃至5重量%になるように吸水処理されている。
【0013】
また、前記金属製ハブと樹脂部との間に、片末端にエポキシ基或いはアミノ基のいずれかを有するシランカップリング剤からなる接着層を設けるとよい。
【0014】
さらに、前記歯車は、ウォームホイール、はすば歯車、平歯車、傘歯車またはハイポイドギアのいずれであってもよい。
【0015】
そして、前記ポリアミド樹脂は、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46から選ばれる少なくとも一つのポリアミド樹脂とすることができる。
【0016】
また、前記歯車は、前記樹脂部を単独で吸水処理した後、前記金属製ハブに圧入して構成することができる。このとき、接合面にシランカップリング剤からなる接着層が形成された金属製ハブに、単独で吸水処理した樹脂部を圧入して構成するとよい。
【0017】
但し、シランカップリング剤からなる接着層を形成した場合には、金属製ハブに防錆処理を施し、前記樹脂部を圧入後に吸水処理を行ってもよい。
【0018】
【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。
【0019】
図1は、この発明の動力伝達に適した樹脂歯車を減速機構に適用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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
ウォームホイール31の樹脂部43は、耐疲労性に優れるポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46をベース樹脂とすることが好ましい。また、これらのベース樹脂に、他のポリアミド樹脂や、ウォームとウォームホイールとの間に一般的に使用される低極性基油からなるグリース基油への濡れ性を改善する酸無水物で変性されたポリオレフィン樹脂などの樹脂を組み合わせたり、耐衝撃性を改善するエチレンプロピレン非共役ジエンゴム(EPDM)等のゴム状物質を組み合わせてもよい。
【0028】
これらのベース樹脂は、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31の相手材である金属製のウォーム32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(GF)、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。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。
【0030】
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、さらに、ウォーム32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%未満の場合には、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】
更に、ベース樹脂には、成形時及び使用時の熱による劣化を防止するために、ヨウ化物系熱安定化剤やアミン系酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加することが好ましい。
【0033】
ウォームホイール31の樹脂部43は、補強材を除いたほぼ樹脂成分のみの重量(これを100重量%とする)に対して、吸水処理により、水分が2〜5重量%になるように制御している。
【0034】
図4は、23℃、相対湿度60%及び80%の環境に放置した場合の、非強化のポリアミド6(PA6)、ポリアミド66(PA66)、ポリアミド46(PA46)の平衡水分量(飽和水分量)を示す図である。
【0035】
図4に示すように、平衡水分量は、相対湿度が高くなると大きくなる傾向にある。また、ポリアミドの平衡水分量は、分子構造中のアミド結合の比率に関係があり、アミド結合の多い順番になっている(PA46>PA6>PA66)。
【0036】
したがって、それに伴う寸法変化も、この順番に対応しており、ポリアミド46が最も大きいので、吸水処理による水分量も高めの3〜5重量%にすることが好ましい。
【0037】
吸水処理による水分量が2重量%未満の場合は、電動パワーステアリング装置の実使用時における吸水寸法変化を十分に相殺しきれず、膨潤による不具合を抑制するのが難しい。それに対して吸水処理による水分量が5重量%を越える場合は、膨潤による寸法変化を抑制する効果は高いことが予想されるが、実使用時に高温に晒された場合、逆に水分が抜けることも想定され、それによって寸法が小さくなり、伝達効率が低下する可能性もあり好ましくない。
【0038】
吸水処理としては、別体で成形した樹脂部(切削代を残した外径部に歯形状を有するものが好ましい)、あるいは芯金をコアにしたインサート成形樹脂部一体品を、水中あるいは高湿度に保った恒温恒湿槽中(例えば温度80℃、相対湿度90%)に放置する方法がある。
【0039】
樹脂部43の吸水処理を行う場合において芯金42と一体で吸水処理するときは、錆の発生を防止するために、露出した芯金42の表面へのグリースの塗布、脱離可能なマスキング剤の塗布、芯金42の表面への防錆メッキ処理等を行う必要がある。グリースの塗布や脱離可能なマスキング剤の塗布は、芯金42と樹脂部43との間に水分が入り込むのを防止して、継ぎ目より樹脂部43にかかるところまで行うとより好ましい。
【0040】
また、芯金42と一体で吸水処理を行うと、錆の他に、樹脂部との間に僅かな隙間が発生するが、この隙間が樹脂部43のギア歯44の耐久性に悪影響を及ぼすことも想定されるので、吸水処理は樹脂部43だけを単独で行う方法が好ましい。
【0041】
単独で吸水処理した樹脂部43は、芯金42に圧入(樹脂部43を恒温槽で加熱して膨張させた状態で圧入)した後、樹脂部43のギア歯44の切削加工を行う。
【0042】
樹脂部43を芯金42に圧入する前に、芯金42にシランカップリング剤を塗布し、圧入後高周波加熱を行なって、芯金42の外周部と樹脂部43の内周部との間に接着層を形成すると、更なる吸水による寸法変化を抑制することができ、より効果的である。高周波加熱を行なうと、芯金42の外周部に隣接する樹脂部43の内周部(界面)のみが溶融し、圧入によって発生した残留応力の除去を併せて行うこともできる。
【0043】
金属製のハブ、即ち芯金42の外周部にシランカップリング剤からなる接着層を形成する場合は、芯金42に防錆処理(例えばクロムメッキ)を施してからシランカップリング剤の接着層を形成し、ここに樹脂部43を圧入後に吸水処理を行ってもよい。
【0044】
高周波加熱時に、芯金42の温度を200℃〜450℃に加熱して行うと、接着力が強固になる。加熱雰囲気は、大気中でもよいが、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うと、樹脂等の酸化劣化が抑制でき、好ましい。
【0045】
シランカップリング剤は、その化学構造の一端に加水分解性基であるアルコキシ基を有しており、このアルコキシ基が加水分解して水酸基に変化し、この水酸基が金属表面の水酸基と脱水縮合を起こすことにより、金属との間で高い結合力を持つ共有結合を形成する。また、他端には有機官能基を有しており、この有機官能基がポリアミド樹脂の分子構造中のアミド結合と結合する。そして、これらの結合により芯金42と樹脂部43とが強固に結合される。
【0046】
なお、有機官能基としては、アミノ基、エポキシ基が好適であり、このような有機官能基を有するシランカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β(3、4−エポキシシクロヘキシル)エチ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エトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。特に、有機官能基としてエポキシ基をもつものは、アミド結合との反応性が高く、より好ましい。
【0047】
接着層を芯金42の外周部とより強固に結合させるためには、芯金42の外周面に表面水酸基を増やすのがよいが、このためには酸素プラズマ等による表面処理を施すと、更に好適である。
【0048】
また、接着力の増加を含めて、芯金42と樹脂部43との密着性の向上と芯金42との境界部の滑り抜け防止を目的にして、芯金42の外周面には、予めショットブラストやローレット加工等を施しておいてもよく、特にローレット加工が好ましい。ローレット加工のV字状の溝の深さは0.2〜0.8mm、特に0.3〜0.7mmが適当である。
【0049】
以上、本発明の実施の形態として、円筒ウォームギアのウォームホイールを例示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、歯車形状として、図6に示す平歯車、図7に示すはすば歯車、図8に示す傘歯車、図9に示すハイポイドギア等が可能である。
【0050】
次に、ウォームホイールの複数の実施例及び複数の比較例について、寸法安定性、及び耐久性についての評価結果を説明する。
【0051】
(実施例1)
芯金:溝の深さ0.5mmのローレット加工を施した外径65mm、幅16mmのスチール鋼(材料記号S45C)。脱脂処理の後、接着層形成を目的としてエポキシ基を有するシランカップリング剤であるγ−グリシドキシプロピルメトキシシラン(日本ユニカー(株)製「A−187」)の10重量%メタノール溶液に浸漬後、大気中で乾燥してシランカップリング剤の被膜を形成した。
【0052】
樹脂部:使用樹脂はポリアミド66(GF30重量%含有、宇部興産(株)製UBEナイロン2020GU6、Cu系添加剤含有)。外径部に切削代を残したはすば形状を有し、内径64mm、外径83mm、幅15.5mmの寸法の樹脂部を別体で射出成形で製作し、これを温度80℃、相対湿度90%の恒温恒湿槽に入れ、吸水処理を行なった(吸水量:全重量に対して1.54重量%、樹脂重量に対して2.2重量%)。
【0053】
高周波融着:吸水処理を行なった樹脂部を、温度140℃で20分加熱し、樹脂部を膨張させてから芯金に圧入した。その後、芯金温度が350℃に上昇するまでアルゴンガス中で高周波加熱して芯金に樹脂部を融着(接着)し、水中に入れて急冷した。その後、樹脂部に歯を切削加工し、最終的にウォームホイールに仕上げた。最終加工後の樹脂部の水分量は加熱により多少減少し、樹脂重量に対して2.0重量%であった。
【0054】
(実施例2)
実施例1と殆ど同じであり、使用樹脂を以下のものに変更した。
【0055】
使用樹脂:ポリアミド6(GF30重量%含有、宇部興産(株)製UBEナイロン1015GU6、Cu系添加剤含有)。高周波融着も実施。最終加工後の樹脂部の水分量は樹脂重量に対して2.5重量%。
【0056】
(実施例3)
実施例1と殆ど同じであり、使用樹脂を以下のものに変更した。
【0057】
使用樹脂:ポリアミド46(非強化、DSM JSRエンジニアリングプラスチックス(株)製スタニールTW341、熱安定剤含有)。高周波融着も同様に実施した。最終加工後の樹脂部の水分量は樹脂重量に対して4.5重量%。
【0058】
(実施例4)
実施例1とほぼ同じ(使用樹脂、水分量も同じ)。相違点は、シランカップリング剤の塗布なし。高周波加熱を実施し、圧入による残留応力を除去。
【0059】
(実施例5)
実施例3とほぼ同じ(使用樹脂、水分量も同じ)。相違点は、シランカップリング剤の塗布なし。高周波加熱を実施し、圧入による残留応力を除去。
【0060】
(比較例1)
実施例1と同じ芯金を使用し、芯金をコアにして樹脂部を射出成形機でインサート成形。使用樹脂:実施例1と同じ。最終加工後の樹脂部の水分量:樹脂重量に対して0.2重量%(大気中で放置)。
【0061】
(比較例2)
実施例1と同じ芯金を使用し、芯金をコアにして樹脂部を射出成形機でインサート成形。使用樹脂:実施例2と同じ。最終加工後の樹脂部の水分量:樹脂重量に対して0.2重量%(大気中で放置)。
【0062】
(比較例3)
実施例1と同じ芯金を使用し、芯金をコアにして樹脂部を射出成形機でインサート成形。使用樹脂:実施例3と同じ。最終加工後の樹脂部の水分量:樹脂重量に対して0.3重量%(大気中で放置)。
【0063】
(比較例4)
実施例1と殆ど同じであり、吸水処理、高周波融着も同様に実施した。最終加工後の樹脂部の水分量は樹脂重量に対して1.0重量%。
【0064】
(比較例5)
実施例3と殆ど同じであり、吸水処理、高周波融着も同様に実施した。最終加工後の樹脂部の水分量は樹脂重量に対して1.0重量%。
【0065】
(比較例6)
実施例3と殆ど同じであり、吸水処理、高周波融着も同様に実施した。最終加工後の樹脂部の水分量は樹脂重量に対して7.0重量%。
【0066】
図5は上記した実施例1乃至4及び比較例1乃至6についての、寸法安定性及び耐久性の評価結果を説明する図である。
【0067】
まず、寸法安定性については、上記実施例1乃至4及び比較例1乃至6について、以下の環境条件A及びBの下に放置し、70時間及び300時間経過後のギアの外径寸法の変化量を測定した。いずれの条件においても、変化量が40μm以下を合格として「O」で表示、40μmを越えるものを不合格として「X」で表示した。
【0068】
条件A:温度60℃、相対湿度90%
条件B:温度80℃、相対湿度90%
また、耐久性については、上記実施例1乃至4及び比較例1乃至6を、実際の電動パワーステアリング装置に組み込み、以下の環境条件C、D、E、Fにて操舵操作を繰り返して耐久性を判定した。いずれの条件においても、10万回の操舵操作に耐えることができたギアを合格として「O」で表示、10万回の操舵操作に耐えられなかったギアを不合格として「X」で表示、10万回の操舵操作に耐えることができたが効率が10%以上低下したギアを効率低下として「Δ」として示した。
【0069】
条件C:温度30℃、相対湿度50%
条件D:温度50℃、相対湿度90%
条件E:温度80℃、相対湿度50%
条件F:温度80℃、相対湿度90%
図5に示すように、芯金42の外周部と樹脂部43の内周部との間に接着層を設け、水分調整を行った実施例1〜3は、最も寸法安定性に優れ、それに伴って高温度高湿度の過酷な環境の下でも耐久性に優れていることが分かった。
【0070】
水分調整のみを行った実施例4、5は寸法安定性がやや劣り、高湿度環境ではより高温になるほど寸法の変化が大きくなり、耐久性が低下した。また、水分量が5%を越えている比較例6は、吸水による寸法変化は相殺され、問題はないものの、高温度低湿度で使用すると水分量が低下し、寸法収縮により効率が低下することが分かった。
【0071】
以上説明した実施の形態は、この発明の動力伝達に適した樹脂歯車を電動パワーステアリング装置の減速機構に適用した例で説明したが、この発明に係る歯車は、電動パワーステアリング装置の減速機構ばかりでなく、用途にかかわりなく歯車機構一般に適用できることは言うまでもない。
【0072】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明は、動力伝達に適した樹脂歯車であって、歯車の樹脂部をポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物で構成し、吸水率が樹脂重量に対して2乃至5重量%になるように吸水処理したものであるから、ポリアミド樹脂の優れた耐疲労性などの耐久性を維持しつつ、吸水による寸法変化を抑制し、寸法安定性に優れた信頼性の高い動力伝達に適した樹脂歯車を提供することができる。
【0073】
また、歯車の金属製ハブと樹脂部との間に、片末端にエポキシ基或いはアミノ基のいずれかを有するシランカップリング剤からなる接着層を設けることにより、更なる吸水による寸法変化を抑制することができる。これにより、吸水による寸法変化のために使用が困難であった、最も耐疲労性に優れた非強化ポリアミド46樹脂の使用も可能になるなど、従来の樹脂歯車からは得られない顕著な作用効果を奏するものである。
【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】23℃、相対湿度60%及び80%の環境に放置した場合の、非強化のポリアミド6(PA6)、ポリアミド66(PA66)、ポリアミド46(PA46)の平衡水分量(飽和水分量)を示す図。
【図5】実施例1乃至4及び比較例1乃至6についての、寸法安定性及び耐久性の評価結果を説明する図。
【図6】本発明が適用可能な歯車の例示としての平歯車の外観を示す図。
【図7】本発明が適用可能な歯車の例示としてのはすば歯車の外観を示す図。
【図8】本発明が適用可能な歯車の例示としての傘歯車の外観を示す図。
【図9】本発明が適用可能な歯車の例示としてのハイポイドギアの外観を示す図。
【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 a resin gear suitable for power transmission, and more particularly to a gear used for a gear reduction mechanism or the like constituting a power assist unit of an electric power steering device.
[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]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 6-60674
[Problems to be solved by the invention]
However, although the polyamide resin, which is a synthetic resin material constituting the resin portion integrally formed on the outer peripheral portion of the core metal, has excellent fatigue resistance, it has high water absorption, absorbs moisture, and has a worm wheel gear. The tooth portion of the worm may expand, and the gap existing between the worm and the worm wheel in the early stage of manufacture may be lost, or the worm may be further expanded to compress the worm.
[0009]
When the worm wheel expands in this manner, the frictional resistance between the worm and the worm wheel increases and the steering operation becomes heavy, and the gear portion wears or breaks due to the compression of the gear portion and the increase in the frictional resistance. There is a disadvantage that the power steering device does not function.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem. The resin portion made of a polyamide resin is subjected to a water-absorbing treatment in advance to suppress a dimensional change due to further water absorption, and the gear portion is worn or damaged. An object of the present invention is to provide a gear of an electric power steering device having high reliability which is not likely to be caused.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problems, and the invention of claim 1 is a resin gear suitable for power transmission, wherein the resin gear is made of a resin composition containing a water-absorbed polyamide resin as a base resin. A resin gear suitable for power transmission, characterized in that the resin part is formed integrally with the outer periphery of a metal hub, and the resin part is a gear in which meshing teeth are formed.
[0012]
The water-absorbed polyamide resin is water-absorbed so that the water absorption is 2 to 5% by weight based on the weight of the resin.
[0013]
Further, an adhesive layer made of a silane coupling agent having either an epoxy group or an amino group at one end may be provided between the metal hub and the resin portion.
[0014]
Further, the gear may be a worm wheel, a helical gear, a spur gear, a bevel gear, or a hypoid gear.
[0015]
The polyamide resin may be at least one polyamide resin selected from polyamide 6, polyamide 66, and polyamide 46.
[0016]
Further, the gear can be configured by press-fitting the resin portion alone into the metal hub after water absorption treatment. At this time, it is preferable to press-fit the resin portion which has been subjected to the water absorption treatment alone into a metal hub having an adhesive layer made of a silane coupling agent formed on the joining surface.
[0017]
However, when an adhesive layer made of a silane coupling agent is formed, a rust-proof treatment may be applied to the metal hub, and a water-absorbing treatment may be performed after press-fitting the resin portion.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0019]
FIG. 1 is a front view illustrating an example of a configuration of an electric
[0020]
Although not shown in FIG. 1, the
[0021]
Further, the upper
[0022]
The rack and pinion type
[0023]
The
[0024]
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the worm
[0025]
The hub of the
[0026]
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the
[0027]
The
[0028]
These base resins alone exhibit a certain level of durability even when used alone, work favorably against abrasion of the
[0029]
As the reinforcing material, glass fiber (GF), carbon fiber, potassium titanate whisker, aluminum borate whisker and the like are preferable, and those which have been surface-treated with a silane coupling agent in consideration of the adhesiveness with the polyamide resin described above are further used. preferable. In addition, these reinforcing materials can be used in combination of a plurality of types.
[0030]
In consideration of impact strength, it is preferable to mix a fibrous material such as glass fiber or carbon fiber, and further, in consideration of damage to 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]
Furthermore, in order to prevent deterioration due to heat during molding and use, it is preferable to add an iodide-based heat stabilizer and an amine-based antioxidant to the base resin alone or in combination.
[0033]
The
[0034]
FIG. 4 shows the equilibrium water content (saturated water content) of unreinforced polyamide 6 (PA6), polyamide 66 (PA66), and polyamide 46 (PA46) when left in an environment at 23 ° C. and a relative humidity of 60% and 80%. FIG.
[0035]
As shown in FIG. 4, the equilibrium water content tends to increase as the relative humidity increases. Further, the equilibrium water content of the polyamide is related to the ratio of amide bonds in the molecular structure, and the order of amide bonds is large (PA46>PA6> PA66).
[0036]
Accordingly, the dimensional change accompanying this also corresponds to this order, and since the polyamide 46 is the largest, it is preferable to increase the water content by the water absorption treatment to 3 to 5% by weight.
[0037]
If the water content by the water absorption process is less than 2% by weight, the change in water absorption dimensions during actual use of the electric power steering device cannot be sufficiently offset, and it is difficult to suppress the problem due to swelling. On the other hand, when the water content by water absorption exceeds 5% by weight, the effect of suppressing dimensional change due to swelling is expected to be high, but when exposed to high temperatures during actual use, water is conversely released. It is also conceivable that the size may be reduced and the transmission efficiency may be reduced.
[0038]
As the water absorption treatment, a resin part molded separately (preferably having a tooth shape on the outer diameter part with a cutting allowance) or an insert molded resin part integrated with a metal core as a core is subjected to water or high humidity. In a constant temperature and humidity chamber (for example, a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 90%).
[0039]
In the case where the water absorption treatment is performed on the
[0040]
In addition, if the water absorption treatment is performed integrally with the cored
[0041]
After the
[0042]
Before press-fitting the
[0043]
When an adhesive layer made of a silane coupling agent is formed on the outer periphery of the metal hub, that is, the
[0044]
At the time of high frequency heating, if the temperature of the cored
[0045]
The silane coupling agent has, at one end of its chemical structure, an alkoxy group that is a hydrolyzable group.The alkoxy group is hydrolyzed and changes to a hydroxyl group, and this hydroxyl group undergoes dehydration condensation with a hydroxyl group on the metal surface. This causes a covalent bond with a high bonding force to be formed with the metal. The other end has an organic functional group, and this organic functional group bonds to an amide bond in the molecular structure of the polyamide resin. And the
[0046]
In addition, as an organic functional group, an amino group and an epoxy group are preferable, and as such a silane coupling agent having an organic functional group, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, β (3,4-epoxy Cyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane, N-β- (aminoethyl) -γ-aminopropyltriethoxysilane, γ-ureidopropyltriethoxysilane, and the like. In particular, those having an epoxy group as an organic functional group have high reactivity with an amide bond, and are more preferable.
[0047]
In order to more firmly bond the adhesive layer to the outer peripheral portion of the cored
[0048]
In addition, in order to improve the adhesion between the
[0049]
As described above, the worm wheel of the cylindrical worm gear has been described as an embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made. For example, the spur gear shown in FIG. 6, the helical gear shown in FIG. 7, the bevel gear shown in FIG. 8, the hypoid gear shown in FIG.
[0050]
Next, evaluation results of dimensional stability and durability of a plurality of examples and a plurality of comparative examples of the worm wheel will be described.
[0051]
(Example 1)
Core metal: steel steel (material symbol: S45C) with a knurled groove depth of 0.5 mm and an outer diameter of 65 mm and a width of 16 mm. After the degreasing treatment, it is immersed in a 10% by weight methanol solution of γ-glycidoxypropylmethoxysilane (“A-187” manufactured by Nippon Unicar Co., Ltd.), which is a silane coupling agent having an epoxy group, for the purpose of forming an adhesive layer. Then, it dried in air | atmosphere and formed the film of the silane coupling agent.
[0052]
Resin part: Polyamide 66 (containing 30% by weight of GF, UBE nylon 2020GU6 manufactured by Ube Industries, Ltd., containing Cu-based additive) as resin used. It has a helical shape with a cutting margin left in the outer diameter part, and a resin part having dimensions of 64 mm in inner diameter, 83 mm in outer diameter, and 15.5 mm in width is separately manufactured by injection molding, and is manufactured at a temperature of 80 ° C. The sample was placed in a thermo-hygrostat at a humidity of 90% and subjected to water absorption treatment (water absorption: 1.54% by weight based on the total weight, 2.2% by weight based on the resin weight).
[0053]
High-frequency fusion: The resin part subjected to the water absorption treatment was heated at a temperature of 140 ° C. for 20 minutes to expand the resin part and then press-fit the core part. Thereafter, high-frequency heating was performed in an argon gas until the core metal temperature rose to 350 ° C., and the resin portion was fused (adhered) to the core metal, and was rapidly cooled by being put in water. Thereafter, the resin portion was cut with teeth, and finally finished into a worm wheel. The water content of the resin portion after the final processing was slightly reduced by heating, and was 2.0% by weight based on the resin weight.
[0054]
(Example 2)
It was almost the same as Example 1, except that the resin used was changed to the following.
[0055]
Resin used: Polyamide 6 (containing 30% by weight of GF, UBE nylon 1015GU6 manufactured by Ube Industries, Ltd., containing Cu-based additive). High frequency welding is also performed. The water content of the resin part after the final processing is 2.5% by weight based on the resin weight.
[0056]
(Example 3)
It was almost the same as Example 1, except that the resin used was changed to the following.
[0057]
Resin used: Polyamide 46 (unreinforced, DSM JSR Engineering Plastics Co., Ltd. Stanyl TW341, containing heat stabilizer). High-frequency fusion was performed in the same manner. The water content of the resin part after the final processing was 4.5% by weight based on the resin weight.
[0058]
(Example 4)
Approximately the same as Example 1 (the same resin and water content are used). The difference is that no silane coupling agent was applied. Implements high-frequency heating to remove residual stress due to press fitting.
[0059]
(Example 5)
Approximately the same as Example 3 (the same resin and water content are used). The difference is that no silane coupling agent was applied. Implements high-frequency heating to remove residual stress due to press fitting.
[0060]
(Comparative Example 1)
The same core metal as in Example 1 was used, and the resin part was insert-molded with an injection molding machine using the core metal as a core. Resin used: Same as in Example 1. Moisture content of resin part after final processing: 0.2% by weight based on resin weight (left in air).
[0061]
(Comparative Example 2)
The same core metal as in Example 1 was used, and the resin part was insert-molded with an injection molding machine using the core metal as a core. Resin used: Same as in Example 2. Moisture content of resin part after final processing: 0.2% by weight based on resin weight (left in air).
[0062]
(Comparative Example 3)
The same core metal as in Example 1 was used, and the resin part was insert-molded with an injection molding machine using the core metal as a core. Resin used: Same as in Example 3. Moisture content of resin part after final processing: 0.3% by weight based on resin weight (left in air).
[0063]
(Comparative Example 4)
It is almost the same as Example 1, and the water absorption treatment and the high frequency fusion were also performed in the same manner. The water content of the resin part after the final processing was 1.0% by weight based on the resin weight.
[0064]
(Comparative Example 5)
It is almost the same as Example 3, and the water absorption treatment and the high frequency fusion were also performed in the same manner. The water content of the resin part after the final processing was 1.0% by weight based on the resin weight.
[0065]
(Comparative Example 6)
It is almost the same as Example 3, and the water absorption treatment and the high frequency fusion were also performed in the same manner. The water content of the resin portion after the final processing was 7.0% by weight based on the resin weight.
[0066]
FIG. 5 is a diagram for explaining the evaluation results of the dimensional stability and the durability of the above-described Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6.
[0067]
First, regarding the dimensional stability, the above Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 were left under the following environmental conditions A and B, and the change in the outer diameter of the gear after 70 hours and 300 hours passed. The amount was measured. Under any of the conditions, a change amount of 40 μm or less was indicated as “O” as a pass, and a change amount exceeding 40 μm was indicated as “X” as a reject.
[0068]
Condition A:
Condition B:
Regarding durability, the above Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6 were incorporated into an actual electric power steering apparatus, and the steering operation was repeated under the following environmental conditions C, D, E, and F to endurance. Was determined. Under any of the conditions, a gear that could withstand 100,000 steering operations was displayed as “O” as a pass, and a gear that could not withstand 100,000 steering operations was displayed as “X” as a reject, Gears that could withstand 100,000 steering operations but reduced efficiency by 10% or more were indicated as “Δ” as efficiency reduction.
[0069]
Condition C:
Condition D: temperature 50 ° C., relative humidity 90%
Condition E:
Condition F:
As shown in FIG. 5, Examples 1 to 3 in which an adhesive layer was provided between the outer peripheral portion of the cored
[0070]
In Examples 4 and 5 in which only moisture adjustment was performed, the dimensional stability was slightly inferior, and in a high-humidity environment, the higher the temperature was, the larger the change in the dimensions was, and the lower the durability was. In Comparative Example 6 in which the water content exceeds 5%, the dimensional change due to water absorption is offset and there is no problem. However, when used at high temperature and low humidity, the water content decreases, and the efficiency decreases due to dimensional shrinkage. I understood.
[0071]
In the embodiment described above, an example is described in which the resin gear suitable for power transmission of the present invention is applied to the speed reduction mechanism of the electric power steering device. However, the gear according to the present invention is only the speed reduction mechanism of the electric power steering device. However, it goes without saying that the present invention can be applied to gear mechanisms in general regardless of the application.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, the present invention relates to a resin gear suitable for power transmission, wherein the resin portion of the gear is made of a resin composition containing a polyamide resin as a base resin, and the water absorption is 2 to 5 with respect to the weight of the resin. % By weight so that the polyamide resin maintains excellent durability such as fatigue resistance, suppresses dimensional changes due to water absorption, and has high dimensional stability and high reliability. A resin gear suitable for transmission can be provided.
[0073]
Further, by providing an adhesive layer made of a silane coupling agent having either an epoxy group or an amino group at one end between the metal hub and the resin portion of the gear, dimensional change due to further water absorption is suppressed. be able to. This makes it difficult to use due to dimensional changes due to water absorption, and also allows the use of non-reinforced polyamide 46 resin, which is the most excellent in fatigue resistance. Is played.
[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 shows the equilibrium water content (saturated water content) of unreinforced polyamide 6 (PA6), polyamide 66 (PA66), and polyamide 46 (PA46) when left in an environment of 23 ° C. and a relative humidity of 60% and 80%. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating evaluation results of dimensional stability and durability of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6.
FIG. 6 is a view showing the appearance of a spur gear as an example of a gear to which the present invention can be applied.
FIG. 7 is a view showing the appearance of a helical gear as an example of a gear to which the present invention can be applied.
FIG. 8 is a view showing the appearance of a bevel gear as an example of a gear to which the present invention can be applied.
FIG. 9 is a diagram showing the appearance of a hypoid gear as an example of a gear to which the present invention can be applied.
[Explanation of symbols]
43
Claims (7)
前記樹脂歯車は、吸水処理されたポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなる樹脂部を金属製ハブの外周に一体的に成形し、該樹脂部に噛合用の歯が形成された歯車であること
を特徴とする動力伝達に適した樹脂歯車。A resin gear suitable for power transmission,
The resin gear is a gear in which a resin portion made of a resin composition having a polyamide resin subjected to water absorption treatment as a base resin is integrally formed on an outer periphery of a metal hub, and teeth for meshing are formed on the resin portion. A resin gear suitable for power transmission characterized by the following.
を特徴とする請求項1記載の動力伝達に適した樹脂歯車。The resin gear suitable for power transmission according to claim 1, wherein the water-absorbed polyamide resin is water-absorbed so that the water absorption is 2 to 5% by weight based on the weight of the resin.
を特徴とする請求項1記載の動力伝達に適した樹脂歯車。The power transmission according to claim 1, wherein an adhesive layer made of a silane coupling agent having either an epoxy group or an amino group at one end is provided between the metal hub and the resin portion. Resin gears.
を特徴とする請求項1記載の動力伝達に適した樹脂歯車。The resin gear according to claim 1, wherein the gear is a worm wheel, a helical gear, a spur gear, a bevel gear, or a hypoid gear.
を特徴とする請求項1記載の動力伝達に適した樹脂歯車。The resin gear suitable for power transmission according to claim 1, wherein the gear is configured by subjecting the resin portion to water absorption treatment alone and then press-fitting the resin portion into the metal hub.
を特徴とする請求項1記載の動力伝達に適した樹脂歯車。2. The gear according to claim 1, wherein the gear portion is configured by press-fitting the resin portion that has been independently subjected to water absorption treatment into the metal hub having an adhesive layer made of a silane coupling agent formed on a joint surface. 3. Resin gear suitable for power transmission.
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TWI643755B (en) * | 2014-09-30 | 2018-12-11 | 日商積水化成品工業股份有限公司 | Method for manufacturing resin foam sheet and method for manufacturing resin foam product |
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- 2003-01-14 JP JP2003005903A patent/JP4352706B2/en not_active Expired - Lifetime
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