JP2006027464A

JP2006027464A - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2006027464A
Application number: JP2004210200A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Miyajima; 裕俊宮島
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】樹脂製のウォームホイールを備え、グリース潤滑される電動パワーステアリング装置の耐久寿命を向上させる。
【解決手段】電動モータによる補助出力を、減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置であって、前記減速歯車機構の従動歯車が、金属製芯管の外周に、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設けてなり、かつ、駆動歯車が、金属製で、歯面の前記従動歯車のギア歯と接触する位置に形成された凹部にポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とからなる潤滑剤含有ポリマーを充填してなり、グリース潤滑される電動パワーステアリング装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動モータによる補助出力を、減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置に関し、特に金属製芯管の外周に、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従動歯車を備え、グリース潤滑される電動パワーステアリング装置に関する。

自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置は、例えば図１及び図２に示すように構成される。図示されるように、中空のステアリングコラム５０にステアリングシャフト７０が挿通され、ハウジング１２０に収納された転がり軸受９０、９１により回転自在に支承されている。ステアリングシャフト７０は中空軸であり、トーションバー８０が収容されている。また、出力軸６０側において、ステアリングシャフト７０の外周面にウォームホイール１１が設けてあり、このウォームホイール１１にウォーム１２が噛合してある。これらウォームホイール１１とウォーム１２とで構成される減速機構は、電動モータに連結し、ハウジング１２０に収納される。ここで、ウォーム１２は電動モータ１００の回転軸に連結しており、駆動歯車に相当し、一方ウォームホイール１１は従動歯車に相当する。

また、ウォーム１２は、一対の玉軸受等の転がり軸受１１０で支持されて電動モータ１００と連結しており、ハウジング１２０の一対の転がり軸受１１０の間の空間には、通常、ウォーム１２とウォームホイール１１との両ギア歯間の潤滑のためにグリースが充填されている。更に、転がり軸受１１０に予圧をかけるとともに、タイヤ側からの微小なキックバック入力が入ってきたときに、ウォーム１２を軸方向に動かして電動モータ１００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ために、転がり軸受１１０のウォーム側にゴム製のダンパー１３０を取り付けている。

上記減速機構では、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、金属製の芯管の外周に、樹脂製で外周面にギア歯を形成してなる樹脂部とを一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。

上記樹脂部には、例えば、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（例えば、特許文献１参照）。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。

特公平６−６０６７４号公報

しかし、近年、電動パワーステアリング装置では、大型車への適用、あるいは車内の居住空間確保を目的とした装置小型化に対応するために、減速機構のウォームとウォームホイールとの接触面圧の増大が避けられなくなってきており、上記したガラス繊維で強化したポリアミド樹脂製ウォームホイールを用いて、更にグリース潤滑するだけでは十分な耐久寿命長が得られなくなりつつある。

本発明は、このような状況に艦みてなされたものであり、樹脂製のウォームホイールを備え、グリース潤滑される電動パワーステアリング装置の耐久寿命を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記に示す伝導パワーステアリング装置を提供する。
（１）電動モータによる補助出力を、減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置であって、
前記減速歯車機構の従動歯車が、金属製芯管の外周に、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設けてなり、かつ、
駆動歯車が、金属製で、歯面の前記従動歯車のギア歯と接触する位置に形成された凹部にポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とからなる潤滑剤含有ポリマーを充填してなり、
グリース潤滑されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
（２）前記駆動歯車の凹部の開口面積が、該駆動歯車と前記従動歯車との最大接触面積に対し２０〜７０％であることを特徴とする上記（１）に記載の電動パワーステアリング装置。

本発明によれば、グリース潤滑に加え、駆動歯車の歯面に凹部を設けて潤滑剤含有ポリマーを充填することにより、駆動歯車と従動歯車との接触部分に常に油膜が形成され、減速機構の耐久性が大幅に向上し、長寿命の電動パワーステアリング装置が提供される。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

本発明において、電装パワーステアリング装置自体の構成には制限がなく、例えば図１及び図２に示す電動パワーステアリング装置を例示することができる。そして、本発明においては、図３及び図４（図３の部分拡大図）に示すように、減速機構２０を従動歯車であるウォームホイール１１と、駆動歯車であるウォーム１２とを以下のように構成する。

ウォーム１２は金属製であり、歯部１３に凹部１４を形成し、この凹部１４に潤滑剤含有ポリマー１５を充填して構成される。ここで、凹部１４は、ウォーム１２とウォームホイール１１とが噛合うときに、ウォームホイール１１のギア歯１０と接触する位置に形成する必要がある。また、凹部１４の形状には制限がなく、図示されるようなリング状の他、円弧、線分、格子状、あるいは多数の点を散在させてもよい。但し、凹部１４の開口面積が、ウォーム１２とウォームホイール１１との最大接触面積に対して２０〜７０％となることが好ましい。潤滑剤含有ポリマー１５は、潤滑油とポリオレフィン系ポリマーとからなり、潤滑油を徐々に放出する材料であり、凹部１４の開口面積が２０％未満では潤滑油の放出量が十分ではなく、摩耗低減効果による耐久性の向上が十分に得られないおそれがある。一方、凹部１４の開口面積が７０％を越えると、相対的に歯部１３の金属面が少なくなり、ウォームホイール１１との接触荷重を十分に受容できなくなるとともに、潤滑剤含有ポリマー１５に接触荷重が加わり、潤滑剤含有ポリマー１５が破損するおそれがある。このような凹部１４の開口面積比とするには、凹部１４の形状や寸法、形成位置、数等をウォームホイール１１のギア歯１０との接触面積に応じて調整すればよい。

潤滑剤含有ポリマー１５を形成するポリオレフィン形ポリマーとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン等の基本的に同じ化学構造を有するものである。また、これらポリオレフィン系ポリマーは平均分子量が異なっており、通常、１×１０³〜５×１０⁶の範囲に及んでいる。本発明では、平均分子量１×１０³〜１×１０⁶という比較的低分子量のものと、１×１０⁶〜５×１０⁶という比較的高分子量のものとを、単独もしくは混合して用いる。また、潤滑剤含有ポリマー１５の機械的強度を向上させるために、以下のような熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を配合してもよい。

熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂等を使用できる。また、熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等を使用できる。これらは、それぞれ単独でも、適宜組み合わせてもよい。更に、ポリオレフィン系ポリマーとの均一化のために、相溶化剤を添加してもよい。

また、潤滑剤含有ポリマー１５を形成する潤滑油は、上記のポリマーと親和性を有することが好ましく、例えば、ポリ−αオレフィン油のようなパラフィン系炭化水素油、ナフテン系炭化水素油、鉱油、ジアルキルジフェニルエーテル油のようなエーテル油、フタル酸エステル・トリメリット酸エステル、ポリオールエステル、ジエステルのようなエステル油等が好適である。また、必要に応じて、潤滑油に予め酸化防止剤、錆止め剤、摩耗防止剤、泡消し剤、極圧剤等の添加剤を加えてもよい。これら潤滑油は、潤滑剤含有ポリマー全量の１０〜８０質量％である。潤滑油量が１０質量％未満では、潤滑油の放出量が少なすぎ、また早期に枯渇するようになる。また、潤滑油量が８０質量％を越える場合は、相対的にポリオレフィン系ポリマーが少なすぎて、必要な硬さや機械的強度が得られない。

潤滑剤含有ポリマー１５を凹部１４に充填するには、上記のポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とを加熱溶融して混合し、溶融液を凹部１４に充填し、冷却して固化させればよい。

一方、ウォームホイール１１は、金属製の芯管１の外周に、ポリアミド樹脂組成物からなり、その外周端面にギア歯１０を形成した樹脂部３を一体化したものである。この一体化には、接着剤８を用いてもよく、接着剤８として例えば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化合物を用いることができる。

樹脂部３を形成するポリアミド樹脂としては、吸水性や耐疲労性の観点から、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２、ポリアミド１２、ポリアミド１１、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド６Ｉ６Ｔ、変性ポリアミド６Ｔ等が好適に挙げられるが、中でもポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６が耐疲労性に優れ好ましい。また、これらポリアミド樹脂は、ポリアミド樹脂と相溶性を有する他の樹脂と混合してもよい。例えば、無水マレイン酸等の酸で変性したポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−α−オレフィンコポリマー、プロピレン−α−オレフィンコポリマー等）が挙げられる。

これらポリアミド樹脂、またはポリアミド樹脂と他の樹脂との混合樹脂は、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。

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プッ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。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耐久性が不足する可能性があり好ましくない。

更に、ポリアミド樹脂組成物には、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されていてもよい。

樹脂部３を形成するには、上記のベース樹脂と補強材、必要に応じて酸化防止剤や熱安定化剤、更には充填材等を、ベース樹脂の溶融温度以上の温度で混練し、得られた溶融混練物を、芯管１を配置した金型に充填して硬化させればよい。そして、切削加工により、樹脂部３の外周面にギア歯１０を形成してウォームホイール１１が得られる。

また、図示されるように、このウォームホイール１１にも、適所に凹部を形成し、そこへ上記の絢滑剤含有ポリマー１５を充填してもよい。これにより、ウォーム１２にのみ潤滑剤含有ポリマー１５を充填した場合よりも、耐久性が向上する。

上記の如く概略構成される電動パワーステアリング装置では更に、従来と同様に、ハウジング１２０の一対の転がり軸受１１０の間の空間に、ウォーム１２とウォームホイール１１との間の潤滑のためのグリースが充填される。グリースには制限が無く、従来から使用されている各種グリースを使用できる。

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制限されるものではない。

クロス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、スプルー及びディスクゲートを装着した金型に配置し、ガラス繊維を３０質量％含有するポリアミド６６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン２０２０ＧＵ６」、銅系添加剤含有）を射出成形して外径６０ｍｍ、幅１３ｍｍのウォームホイールブランク材とし、次いで樹脂部の外周を切削加工してギア歯を形成して図３に示すウォームホイール（但し、潤滑剤含有ポリマー充填無し）を作製した。

また、ウォームとして、Ｓ４５Ｃ材にパルソナイト処理を施して表面硬度を高めたものを利用し、歯部にリング状の凹部を形成し、ポリエチレンにポリαオレフィンを７０質量％の割合で混合してなる潤滑剤含有ポリマーを充填したものと、凹部を有しないものとを用意した。尚、凹部の形成位置を調整して、ウォームホイールのギア歯との接触面積に対する凹部の開口面積比が１０〜９０％となるようにした。

そして、作製したウォームホイール及びウォームを、実際の自動車の電動パワーステアリング装置に組み込み、ウォームホイールのギア歯及びウォームの歯部にウレア系グリースを満遍なく塗布し、雰囲気温度１２０℃にて操蛇を繰り返し、１５万回操蛇後にウォームホイールのギア歯の摩耗量を測定した。凹部を形成せず、潤滑剤含有ポリマーを充填しないウォームを用いた場合の摩耗量を１とする相対値にて、結果を図５に示す。

図５より、ウォームの歯部に潤滑剤含有ポリマーを充填することにより、摩耗量を減じて耐久性を向上できることが判る。特に、凹部の開口面積比が２０〜７０％の範囲で摩耗量が少なくなっており、より好ましいと言える。

電動パワーステアリング装置の一例を示す一部断面構成図である。図１のＡＡ断面図であり、電動モータと減速機構との連結部周辺を示す概略構成図である。ウォームホイール及びウォームの一例を示す斜視図である。図３の部分拡大図である。実施例で得られた、駆動歯車の凹部の開口面積比と摩耗量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１芯管
３樹脂部
８接着剤
１０ギア歯
１１ウォームホイール
１２ウォーム
１３歯部
１４凹部
１５潤滑剤含有ポリマー
５０ステリングコラム
７０ステアリングシャフト
８０トーションバー
９０軸受
９１軸受
１００電動モータ
１１０転がり軸受
１２０ハウジング
１３０ダンパー

Claims

電動モータによる補助出力を、減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置であって、
前記減速歯車機構の従動歯車が、金属製芯管の外周に、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設けてなり、かつ、
駆動歯車が、金属製で、歯面の前記従動歯車のギア歯と接触する位置に形成された凹部にポリオレフィン系ポリマーと潤滑油とからなる潤滑剤含有ポリマーを充填してなり、
グリース潤滑されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記駆動歯車の凹部の開口面積が、該駆動歯車と前記従動歯車との最大接触面積に対し２０〜７０％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。