JP2005214338A - 樹脂製ウォームホイールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】相手の金属ウオールの表面やウォームホイール自身が摩耗し難く、またボイドやヒケの発生が少なく、寸法精度の高い樹脂製ウォームホイールとその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】外周部に溝部６と歯部７を交互に設けたギア部８からなる樹脂製ウォームホイール１であり、金属製芯材２の周囲に補強繊維５を分散させた合成樹脂の補強層４を形成し、この補強層４の外周部に溝部６と歯部７を交互に有するギア部８を備え、そしてギア部８の表面に補強繊維を混入しない合成樹脂の表面層９を設けた構成からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は樹脂製ウォームホイールとその製造方法に係り、詳しくは高負荷および高温下でも充分な強度を有し、かつ表面に補強材を含有しない層を設けることによって相手の金属ウォームの表面やウォームホイール自身が摩耗し難く、またボイドやヒケの発生が少ない樹脂製ウォームホイールとその製造方法に関する。

自動車用電動パワーステアリングの減速機構として、金属をインサートした樹脂ギア（ウォームホイール）が用いられている。この製造法としては、ギアなどの部品１個分の薄い円筒形金型にやはり部品１個分の厚みの金属製芯材をセットし、金型と芯材のあいだにモノマー原料を注型し重合させることで芯材と樹脂を一体化するインサート成形によるものが特許文献１に開示され、また同様にインサート成形によるものであるが、モノマー原料の注型ではなく射出成形によって樹脂部分を成形するものが特許文献２に記載されている。

しかしながら、高温下におけるポリアミド樹脂の熱膨張、長時間の使用による応力緩和によってポリアミド樹脂部の抱き付き力は低下し、固定力はさらに弱くなってポリアミド樹脂部の破壊に至ることこともある。また、芯材をモールド内に配置してその周囲にポリアミド樹脂を注型して重合し、成形体を得てそれを所定サイズにカットすることによって芯材入りのポリアミド樹脂成形体を製造するという方法であると、芯材とポリアミド樹脂との間の接着力としては強固なものが得られ信頼性の高い部品とすることができるが、製造コストの面では不利な面があった。

一方、樹脂部分の成形方法を射出成形とすることでコスト的には有利になるが、使用する樹脂は機械的な強度不足や温度変化や吸水等の環境変化による寸法変化を避けるために、ガラス繊維等で補強することが多かった。しかし、補強材の硬度が高いために、相手金属ウォームの表面やウォームホイール自身が摩耗しやすいという問題や、ウォームホイールの樹脂層が厚いために、成形時に内部にボイドが入りやすく、また寸法精度が出にくいという問題が発生した。また、射出成形した場合、芯材とポリアミド樹脂との間の接着力の面では前記の注型成形のものと比べると低く、高負荷がかかったときに芯材と樹脂との間でズレが生じたりがたつきを発生したりするといった問題が考えられる。

特開平７−２３７２６６号公報 特開２０００−３３４７５０号公報

従って、本発明はこのような問題点を改善するもので、これに対処するものであり、特に相手の金属ウオールの表面やウォームホイール自身が摩耗し難く、またボイドやヒケの発生が少なく、寸法精度の高い樹脂製ウォームホイールとその製造方法を提供することを目的とする。

本願請求項１〜３記載の発明は、金属製芯材の周囲に合成樹脂を結合して一体化し、外周部に溝部と歯部を交互に設けたギア部からなる樹脂製ウォームホイールであり、該芯材の周囲に補強繊維を分散させた合成樹脂の補強層を形成し、該補強層の外周部に溝部と歯部を交互に有するギア部を備え、そして該ギア部の表面に補強繊維を混入しない合成樹脂の表面層を設けた樹脂製ウォームホイールにある。芯材の外周面には、シランカップリング剤が付着している場合や、ローレット加工が施されている場合を含む。

本願請求項４〜７記載の発明は、金属製芯材の周囲に合成樹脂を結合して一体化し、外周部に溝部と歯部を交互に設けたギア部からなる樹脂製ウォームホイールの製造方法であり、芯材を１回目の成形用金型内に設置して補強繊維を分散させた合成樹脂を射出成形して外周部がギア形状の補強層からなる中間成形体を成形し、該中間成形体を２回目の成形用金型内に設置して補強繊維を含有しない合成樹脂の表面層を形成した樹脂製ウォームホイールの製造方法にあり、芯材の外周面に予めシランカップリング剤を付着させる場合、芯材の側面にローレット加工を施す場合、そして中間成形体を成形した後、高周波誘導加熱によって芯材を加熱して補強層の残留応力を解消する場合を含む。

本願発明の樹脂製ウォームホイールでは、芯材の周囲に補強繊維を分散させた合成樹脂の補強層の表面に補強繊維を混入しない合成樹脂の表面層を設けることにより、金属と摺動しても、表面から突き出た補強繊維によって金属表面が削られることもなく、また折れた補強繊維が摺動界面に存在することもないために表面層の異常摩耗も発生しなくなる。

また、樹脂製ウォームホイールの製造方法では、２段階に分けて成形するために、１回あたりの肉厚が減少する分、内部にはボイドが発生しにくい。しかも、肉厚成形品では樹脂の固化時の収縮によりヒケが発生し易いが、最終形状に仕上げる段階では薄肉成形であるためにヒケの発生が少なく、寸法精度も向上する。

以下に添付図面を参照して本実施を説明する。図１は本発明の樹脂製ウォームホイールの平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

本発明の樹脂製ウォームホイール１は、例えば図１及び図２に示すような円盤体であり、中央部に貫通孔３を有するとともに、例えばローレット加工を施した金属製芯材２の周囲に補強繊維５を分散させた合成樹脂の補強層４を形成し、該補強層４の外周部に溝部６と歯部７を交互に有するギア部８を備え、そして該ギア部８の表面に補強繊維を混入しない合成樹脂の表面層９を有している。この表面層９の厚みは０．５〜５ｍｍ程度であり、０．５ｍｍ未満であると表面層９の成形時に樹脂が全体に行き渡らずにショートショットになり易い。一方、５ｍｍを越えると、ギア部８の補強効果がなくなる。

そして、このような樹脂製ウォームホイール１する方法としては、まず芯材を１回目の成形用金型内に設置して補強繊維を分散させた合成樹脂を射出成形して補強層４を形成して、該補強層４の外周部に溝部６と歯部７を交互に有するギア部７を設ける。更に、例えば高周波誘導加熱によって金属製の芯材２を加熱して補強層４と芯材２との接触領域を一度溶融して、樹脂中の残留応力を開放してから再び冷却固化する。

その後、芯材２に付着した補強層４の表面に例えばプライマーを塗布した中間成形品を、別の２回目の成形用金型内に設置して補強繊維を含有しない合成樹脂を射出成形して所定厚みの表面層８を形成する。２回目の成形用金型は１回目の成形用金型より容積が大きい。

上記補強層４は、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン４６等のポリアミド樹脂、ポリエステル繊維等の合成樹脂にガラス繊維、炭素繊維等の補強繊維を含有したものであり、合成樹脂１００質量部に対して補強繊維５〜４０質量部を添加する。

表面層８は、上記補強層４と同じくナイロン６、ナイロン６６、ナイロン４６等のポリアミド樹脂、ポリエステル繊維等の合成樹脂であって、同質のものが接着性をよくするためにも好ましいが、両樹脂が接着一体化すれば、他種の樹脂でもよい。

芯材は金属製であり、特に限定されるものではないが、例えば、銅、鉄、アルミニウムやこれらの合金を挙げることができる。

芯材２の外周面１０にローレット加工を施すことによって、補強層４が芯材２の外周部に機械的にロックされるため、補強層４が芯材２から容易に抜けたり回転するのを阻止する。他にも芯材２の形態としてはこれに限られることなく、ネジ切り加工を施したものや、一定間隔で軸方向および回転方向の溝を設けたものなど凹凸を設けたものなら同様の効果を発揮することができる。

また、芯材２を型内にセットして射出成形するインサート成形する際、芯材２は補強層４の成形に先立って、表面にシランカップリング剤を付着させておいてもよい。このシランカップリング剤を付着させておくことによって芯材２と補強層４の接着力を上げることができ、また高周波誘導加熱によって外周部の残留応力を開放するとともにシランカップリング剤による接着力を高めることもでき、それらの相乗効果によってより接着強度をきわめて高いものとし耐久性の高い芯材入りポリアミド樹脂成形体とすることができる。

シランカップリング剤としては、２−（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、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリエトキシシランなどのエポキシシラン化合物。また、Ｎ−２（アミノエチル）３−（アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−トリエトキシシリル−Ｎ−（１，３−ジメチル−ブチリデン）プロピルアミン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシランなどのアミノシラン化合物が挙げられる。

上記シランカップリング剤を芯材２に付着させる場合は、溶液状で刷毛などを用いて塗布する方法、スプレーを使って吹き付け塗布する方法、容器内にいれて芯材を浸す方法などによって付着させる。芯材のポリアミド樹脂と接触する部分のみに付着させても良いが全体に付着しても差し支えない。

次に、本発明を具体的な実施例により更に詳細に説明する。

実施例１
外径６０ｍｍ、厚み２０ｍｍの金属製の芯材を、エタノールで０．５％の濃度の希釈した３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン溶液に浸漬し、自然乾燥させた。これを１回目の成形用金型内に設置し、通常の条件でガラス繊維を３０％含有したナイロン６６を芯材の側面を被覆するように射出成形し、外周部に溝部と歯部を交互に有するギア部を設ける中間成形品を得た。中間成形品の最外径は７７ｍｍ、厚みは２０ｍｍとした。

中間成形品を２回目の成形用金型に設置し、補強繊維を含まないナイロン６６を外周部に成形し、厚さ１．５ｍｍの表面層を形成して樹脂製ウォームホイールを作製した。ウォームホイールの最外径は８０ｍ、厚みは２０ｍｍであり、補強層にはボイドがなく、またギア部にもヒケが発生していなかった。

比較例１
実施例１と同様の外径６０ｍｍ、厚み２０ｍｍの金属製の芯材を、エタノールで０．５％の濃度の希釈した３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン溶液に浸漬し、自然乾燥させた。この接着処理済み芯材を２回目の成形用金型に設置し、実施例１と同様の条件でガラス繊維を３０％含有したナイロン６６を芯材の側面を被覆するように射出成形し、最外径８０ｍ、厚み２０ｍｍのウォームホイールを成形した。補強層にはボイド（径１〜２ｍｍの白化部）が見られ、またギア部にもヒケ（深さ約０．２ｍｍ）が発生していた。

本発明では、自動車用電動パワーステアリングの減速機構として使用される金属をインサートした樹脂製ウォームホイールに好適である。

本発明の樹脂製ウォームホイールの平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１ 樹脂製ウォームホイール
２ 芯材
３ 貫通孔
４ 補強層
５ 補強繊維
６ 溝部
７ 歯部
８ ギア部
９ 表面層

Claims (7)

1. 金属製芯材の周囲に合成樹脂を結合して一体化し、外周部に溝部と歯部を交互に設けたギア部からなる樹脂製ウォームホイールであり、該芯材の周囲に補強繊維を分散させた合成樹脂の補強層を形成し、該補強層の外周部に溝部と歯部を交互に有するギア部を備え、そして該ギア部の表面に補強繊維を混入しない合成樹脂の表面層を設けたことを特徴とする樹脂製ウォームホイール。
2. 芯材の外周面には、シランカップリング剤が付着している請求項１記載の樹脂製ウォームホイール。
3. 芯材の外周面には、ローレット加工が施されている請求項１記載の樹脂製ウォームホイール。
4. 金属製芯材の周囲に合成樹脂を結合して一体化し、外周部に溝部と歯部を交互に設けたギア部からなる樹脂製ウォームホイールの製造方法であり、芯材を１回目の成形用金型内に設置して補強繊維を分散させた合成樹脂を射出成形して補強層とともに該補強層の外周部に溝部と歯部を交互に有するギア部を有する中間成形体を成形し、該中間成形体を２回目の成形用金型内に設置して補強繊維を含有しない合成樹脂の表面層を形成したことを特徴とする樹脂製ウォームホイールの製造方法。
5. 芯材の外周面に、予めシランカップリング剤を付着させた請求項４記載の樹脂製ウォームホイールの製造方法。
6. 芯材の外周面には、ローレット加工が施されている請求項４記載の樹脂製ウォームホイールの製造方法。
7. 中間成形体を成形した後、高周波誘導加熱によって芯材を加熱して補強層と芯材とを接合する請求項４〜６の何れかに記載の樹脂製ウォームホイールの製造方法。
   
   

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