JP2005240940A

JP2005240940A - 樹脂歯車

Info

Publication number: JP2005240940A
Application number: JP2004053410A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Yabe; 俊一矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】ガラス繊維を含有する樹脂組成物からなる樹脂歯車における機械的強度、吸水寸法変化、耐疲労性等を改善し、ギア歯の摩耗や破損を防止する。
【解決手段】金属製芯管の外周に、ガラス繊維を１０〜４０質量％及びテトラポット状酸化亜鉛ウィスカを３〜２０質量％の割合で含有するポリアミド樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体化してなることを特徴とする樹脂歯車。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属製芯金の外周に、樹脂組成物からなり外周面にギア歯が形成された樹脂部を一体に形成した樹脂歯車に関する。

例えば、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速回転、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使用したものも知られているが、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、図１に示されるような、ウォーム３２と、ウォーム３２に噛み合うウォームホイール３１とから構成されるウォーム歯車減速機構３０（以下、単に「減速ギア」ともいう）を使用するのが一般的である。ここで、ウォーム３２は電動モータの回転軸に連結される駆動歯車であり、ウォームホイール３１は従動歯車である。

このような減速ギア３０では、ウォームホイール３１とウォーム３２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。その対策として、従来は、ウォーム３２を金属製とした場合は、ウォームホイール３１として、金属製の芯管４２の外周に、樹脂組成物製で外周面にギア歯４４を形成してなる樹脂部４３を一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。また、このような樹脂部４３を備えるウォームホイール３１を用いることで、電動パワーステアリング装置の軽量化を図ることもできる。

上記樹脂部４３を形成する樹脂組成物としては、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ものが広く使用されている。また、補強材を含有しないＭＣ（モノマーキャスト）ナイロン（登録商標）、ポリアミド６、ポリアミド６６等も用いられている。

更に、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他、繊維補強材としてガラス繊維を含有するポリアミド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）。

特公平６−６０６７４号公報

しかしながら、今日では２０００ｃｃクラスの自動車にまで電動ステアリング装置が適用されており、それに伴ってモータパワーの高出力化とギアの小径化の要求が高まり、樹脂部４３のギア歯４４に高面圧が加わるようになってきている。その結果、繊維補強材を含有しないＭＣナイロンや、ガラス繊維を含有するポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６では耐疲労性や耐磨耗性等が不十分で、ギア歯４４の摩耗・破損等に起因する不具合が起こりやすくなってきている。

具体的に説明すると、ガラス繊維を含有するポリアミドは、ガラス繊維の配向方向によって機械的強度、吸水寸法変化、耐疲労性等が大幅に異なり、例えばガラス繊維と垂直な方向における機械的強度は、水平方向の機械的強度に比べて約７０％に低下する。ウォームホイール３１の作製では、芯管４２をコアとし、フィルム（ディスク）ゲートで射出成形（インサート成形）されるが、このときガラス繊維は、ゲートに近い端面部及び反対側端面部ではランダムに配向し、その間の部分では外周の厚み方向に対して略平行に配向するものと、ランダムに配向するものとが混在している。そのため、樹脂部４３では、部位によりガラス繊維の配向が異なり、機械的強度、吸水寸法変化、耐疲労性等も異なる。特に、吸水寸法変化は、外周の厚み方向に対して水平方向に大きく膨潤する。このように、従来のウォームホイール３１では、樹脂部４３がガラス繊維で補強されていても、ギア歯４４の局部的な摩耗、破損が起こりやすく、今後益々面圧が高まることが予測される中、改善が求められている。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ガラス繊維を含有する樹脂組成物からなる樹脂歯車における機械的強度、吸水寸法変化、耐疲労性等を改善し、ギア歯の摩耗や破損を防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、金属製芯管の外周に、ガラス繊維を１０〜４０質量％及びテトラポット状酸化亜鉛ウィスカを３〜２０質量％の割合で含有するポリアミド樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体化してなることを特徴とする樹脂歯車を提供する。

本発明の樹脂歯車は、ガラス繊維とともにテトラポット状酸化亜鉛ウィスカが配合されていることによりガラス繊維の異方性が緩和され、機械的強度、吸水寸法変化、耐疲労性等が均質化されており、寸歩安定性に優れ、高面圧が加わった場合でもギア歯の摩耗や破損を抑制することができる。従って、本発明の樹脂歯車を適用することにより、例えば信頼性の高い電動パワーステアリング装置が得られる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明において、樹脂歯車の種類には制限がなく、ここでは再び図１に示すような減速ギア３０を例示して説明する。図示される減速ギア３０は、金属製の芯管４２の外周に、後述する樹脂組成物からなり、その外周端面にギア歯４４を形成した樹脂部４３を一体化したウォームホイール３１を備える。また、ウォーム３２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。

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等のポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物で形成する。ポリアミド樹脂の分子量は、ガラス繊維やテトラポット状酸化亜鉛ウィスカ等を含有した状態で射出成形できる範囲、具体的には数平均分子量で１３０００〜３００００が好ましく、耐疲労性や成形性等を考慮すると数平均分子量で１８０００〜２６０００がより好ましい。ポリアミド樹脂の数平均分子量が１３０００未満では、分子量が低すぎて耐疲労性が悪く、実用性が低い。これに対して数平均分子量が３００００を越える場合は、ガラス繊維やテトラポット状酸化亜鉛ウィスカを規定量含有した状態での溶融粘度が高すぎ、精度よく射出成形で製造することが困難になる。

上記のポリアミド樹脂はそれぞれ単独で使用することもできるが、適宜組み合わせることもでき、更に他のポリアミド樹脂と混合してもよい。例えば、吸水寸法変化を抑えるために、低吸水性のポリアミド樹脂を配合してもよい。また、減速ギア３０では一般に、ウォーム３２とウォームホイール３１との間には低極性の基油からなるグリースが適用されるが、この低極性基油との濡れ性を回線するために、酸無水物で変性されたポリオレフィン樹脂を配合してもよく、更に耐衝撃性を改善するためにエチレンプロピレン非共役ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴムを配合してもよい。

ポリアミド樹脂には、補強材としてガラス繊維及びテトラポット状酸化亜鉛が添加される。ガラス繊維は、同一重量比で多数のガラス繊維を配合できることから、繊維径の細いものを使用することが好ましく、具体的には平均繊維径で５〜１３μｍのものが好ましく、平均繊維径が６〜８μｍのものがより好ましい。平均繊維径で５μｍ未満のガラス繊維は、耐衝撃強度等の機械的強度が十分に得られないとともに、製造コストが高くなる。また、ガラス繊維は、ポリアミド樹脂との接着性を考慮して、片末端にエポキシ基やアミノ基等を有するシランカプッリング剤で表面処理したものを用いることが更に好ましい。このようなシランカップリング剤は、分散剤としても作用し、エポキシ基やアミノ基等の官能基がポリアミド樹脂のアミド結合に作用して補強効果を向上させる。

テトラポット状酸化亜鉛ウィスカは、４つの結晶軸が互いに略等角度で４方向に延出して略テトラポット状の結晶構造を有する。そして、このテトラポット状酸化亜鉛ウィスカがガラス繊維の繊維間に入り込み、ガラス繊維とともに複雑な３次元網目構造を形成し、ガラス繊維の異方性を緩和する。その結果、樹脂部４３の機械的強度や耐磨耗性が高まり、吸水寸法変化、特に外周方向への吸水寸法変化が低減する。また、テトラポット状酸化亜鉛ウィスカも、ポリアミド樹脂との接着性を考慮して、片末端にエポキシ基やアミノ基等を有するシランカプッリング剤で表面処理したものを用いることが好ましい。

ガラス繊維及びテトラポット状酸化亜鉛ウィスカの含有量は、ポリアミド樹脂組成物全量に対して、ガラス繊維が１０〜４０質量％、好ましくは１５〜３０質量％であり、テトラポット状酸化亜鉛ウィスカが３〜２０質量％、好ましくは５〜１５質量％である。ガラス繊維が１０質量％未満では補強効果が十分ではなく、４０質量％を越えるとウォーム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３０としての耐久性が不足する可能性がある。テトラポット状酸化亜鉛ウィスカが３質量％未満ではガラス繊維の異方性の改善効果が少なく、２０質量％を越えるとガラス繊維との合計含有量が多すぎで成形性等に悪影響を及ぼす。

尚、ガラス繊維の一部を炭素繊維等の他の繊維状補強材で代替してもよく、更にはテトラポット状酸化亜鉛ウィスカの一部をチタン酸カリウムウィスカやホウ酸アルミニウムウィスカ等の他のウィスカで代替してもよい。また、カーボンブラックやベンガラ等の着色剤等を添加してもよい。

更に、ポリアミド樹脂には、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。

ウォームホイール３１を製造する方法は制限されるものではなく、例えば以下の工程に従うことができる。先ず、金属製の芯金４２の外周面にクロスローレット加工を施し、溶剤で脱脂した後、この芯管４２の外周面に接着剤を塗布する。接着剤としては、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤またはトリアジンチオール系化合物を溶解した溶液（溶媒：水、アルコール、メチルセルソルブ等を適宜選択）が適当である。次いで、この芯管４２をスプルー及びディスクゲートを装着した金型に配置し、射出成形機により上記のポリアミド樹脂組成物を充填して樹脂部４３を成形する。その後、不活性ガス雰囲気中等で誘導加熱（芯管部加熱温度：２００〜４５０℃）して熱処理を行う。そして、樹脂部４３の外周に切削加工によりギア歯４４を形成する。

上記の減速ギア３０は、例えば電動パワーステアリング装置の減速機構に使用される。図２は電動パワーステアリング装置の一例を示す概略構成図であるが、図示される電動パワーステアリング装置１０において、舵輪軸１１は、上部舵輪軸１１ａと下部舵輪軸１１ｂとで構成され、舵輪軸１１は舵輪軸ハウジング１２の内部に軸芯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、その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。更に、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に伝達される操蛇トルクがトーションバーに検出され、検出された操蛇トルクに基づいて電動モータ１３の出力が制御される。

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略水平に配置され、軸方向に移動自在なラック軸２１と、ラック軸２１の軸芯に対して斜めに支承されてラック軸２１のは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。

図３は図２に示す電動パワ−ステアリング装置１０の減速機構を示す部分断面図であり、上記した減速ギア３０が組み込まれている。この減速ギア３０では、上記のポリアミド樹脂組成物からなる樹脂部４３を有するウォームホイール３１と、ウォーム３２がギアケース３３に収納されている。また、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は電動モータ１３の駆動軸１３ａにスプライン、あるいはセレーション結合している。ウォームホイール３１の芯管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に伝承される。

また、上記の減速ギア３０は、その他にも図４に示す平歯車、図５に示すはすば歯車、図６に示すかさ歯車、図７に示すハイポイドギア等が可能であり、何れも金属製芯管の外周に、上記のポリアミド樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体化して構成される。

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。

（実施例１）
ポリアミド６６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン」、数平均分子量２６０００、ヨウ化銅系添加剤含有）に、アミノ基を有するシランカップイング剤で処理した平均繊維径６μｍ（繊維径５〜７ｍｍの範囲のものを含む）のガラス繊維を２５質量％（ポリアミド樹脂組成物全量に対する量；以下同様）、アミノ基を有するシランカップイング剤で処理したテトラポット状酸化亜鉛ウィスカ（松下アムテック（株）製「パナテトラ」、グレードはＷＺ−０５１１）を全量の５質量％配合してポリアミド樹脂組成物を調製した。このポリアミド樹脂組成物を、溝の深さ０．５ｍｍのローレット加工を施した外径６５ｍｍ、幅１６ｍｍのＳ４５Ｃ製の芯管をコアとしてインサート成形し、内径６４ｍｍ、外径８４ｍｍ、幅１５．５ｍｍのブランク材とし、更にその外周にギア歯を切削加工して図１に示すようなウォームホイールを作製した。作製したウォームホイールについて、下記に示す（１）寸法安定性評価及び（２）耐久性評価を行った。

（実施例２）
ガラス繊維の配合量を２０質量％、テトラポット状酸化亜鉛ウィスカの配合量を１０質量％とした以外は、実施例１と同様にしてウォームホイールを作製した。作製したウォームホイールについて、下記に示す（１）寸法安定性評価及び（２）耐久性評価を行った。

（比較例１）
ガラス繊維の配合量を３０質量％とし、テトラポット状酸化亜鉛ウィスカを配合しないこと以外は、実施例１と同様にしてウォームホイールを作製した。作製したウォームホイールについて、下記に示す（１）寸法安定性評価及び（２）耐久性評価を行った。

（１）寸法安定性評価
下記の環境条件Ａまたは環境条件Ｂに作製したウォームホイールを放置し、３００時間、６００時間及び１０００時間経過後のギア外径寸法の変化量を測定した。結果を表１に示すが、何れの環境条件においても、変化量が４０μｍ以下を合格として「○」で表示し、４０μｍを越えるものを不合格として「×」で表示した。
環境条件Ａ：６０℃、９０％ＲＨ
環境条件Ｂ：８０℃、９０％ＲＨ

（２）耐久性評価
下記の環境条件Ｃ〜Ｆで操蛇操作を繰り返した。尚、ウォームは金属製とし、ウォームとウォームホイール間には、ポリα−オレフィンを基油とし、脂肪族ウレアを増ちょう剤とするグリースを充填した。結果を表１に示すが、何れの環境条件においても１０万回の操蛇操作に耐え得るときを合格として「○」で表示し、１０万回の操蛇操作に耐えられないときを不合格とし「×」で表示した。
環境条件Ｃ：３０℃、５０％ＲＨ
環境条件Ｄ：８０℃、５０％ＲＨ
環境条件Ｅ：５０℃、９０％ＲＨ
環境条件Ｆ：８０℃、９０％ＲＨ

表１に示すように、ガラス繊維とテトラポット状酸化亜鉛ウィスカとを配合したポリアミド樹脂組成物で樹脂部を形成することにより、吸水による寸法変化も少なく過酷な条件下でも優れた耐久性が得られる。

減速ギアの一例（円筒ウォームギア）を示す斜視図である。パワーステアリング装置の一例を示す概略構成図である。減速機構部分の部分断面図である。減速ギアの他の例（平歯車）を示す斜視図である。減速ギアの更に他の例（はすば歯車）を示す斜視図である。減速ギアの更に他の例（かさ歯車）を示す斜視図である。減速ギアの更に他の例（ハイボイドギア）を示す斜視図である。

符号の説明

１１舵輪軸
１２舵輪軸ハウジング
１３電動モータ
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
３０減速ギア
３１ウォームホイール
３２ウォーム
４２芯管
４３樹脂部
４４ギア歯

Claims

金属製芯管の外周に、ガラス繊維を１０〜４０質量％及びテトラポット状酸化亜鉛ウィスカを３〜２０質量％の割合で含有するポリアミド樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体化してなることを特徴とする樹脂歯車。
ウォームホイール、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギアであることを特徴とする請求項１記載の樹脂歯車。