JP2007191050A

JP2007191050A - 電動パワーステアリング装置用減速ギア

Info

Publication number: JP2007191050A
Application number: JP2006011263A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Yabe; 俊一矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】ウォームホイールに求められる寸法安定性を満足しつつ、耐摩耗性が向上すると共に高信頼性を有する電動パワーステアリング装置用減速ギアを提供する。
【解決手段】操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギア２０において、金属製芯管１の外周に、直径5〜9μmのガラス繊維を30重量%含有するポリフェニレンサルファイド樹脂組成物からなり、その外周面にギア歯１０が形成された樹脂部３をー体化してなる歯車１１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアに関する。

自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置には、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ャフトとの間に減速機構が組み込まれている。減速機構としては、一組で大きな減速比が得られる理由から、図1に示されるような、電動モータ（図示せず）の回転軸に連結するウォーム12と、ウォーム12に噛み合うウォームホイール11とから構成される電動パワーステアリング装置用減速ギア（以下、単に「減速ギア」ともいう）が使用されるのが一般的である。

このような減速ギア20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1の外周に、樹脂製で外周面にギア歯10を形成している樹脂部3をー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3には、例えば特許公報に記載されているような、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（以下、PPSとも称する。）等のべ一ス樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の機械的強度強化材を配合した材料の他、機械的強度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などの材料が提案されている。しかし、耐疲労性、寸法安定性、コスト等を考慮して、機械的強度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等が現在では主流になっている。ベース樹脂に含有されているガラス繊維は、平均直径で10〜13μmのものが用いられている。
特公平6-60674号公報

しかし、上記の脂肪族ポリアミド系材料は、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11のギア歯10が膨潤し、初期にウォーム12との間に存在していた隙間が無くなったり、更に膨潤するとウォーム12を圧迫する可能性もある。それによって、ギアの抵抗が大きくなって、結果としてハンドルが重くなったり、また圧迫によってギア部が摩耗や破損を起こし、装置全体として機能しなくなることも想定される。

また近年、大型車への電動パワーステアリング装置の適用が拡大しているが、それに伴い、電動モータの出力が大きくなり、結果として減速ギアに伝わる伝達トルクが大きくなる傾向が高い。しかしながら、省スペースの関係で、それほど外径を大きくすることができないため、実質的にはウォームホイール11の歯面に加わる面圧は高くなっている。

べ一ス樹脂として、上記公知例に開示のあったポリフェニレンサルファイド等を使用した場合、吸水寸法変化は小さいが、通常の繊維径のガラス繊維で補強されたものは、耐摩耗性がそれほど高くなく、上記説明したような高面圧化で使用した場合、歯面に摩耗が発生することが考えられた。

そこで本発明はこのような状況に着目してなされたものであり、ベース樹脂としてポリフェニレンサルファイド樹脂を用いることで、ウォームホイール11に求められる寸法安定性を満足しつつ、微細なガラス繊維を含有させることで耐摩耗性を向上させ、高信頼性を有する電動パワーステアリング装置用減速ギアを提供することを目的とする。

上記目的の、本発明は、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記減速ギアが、ポリフェニレンサルファイド樹脂をベース樹脂として平均直径5〜9μmのガラス繊維を含有する樹脂組成物からなる樹脂部を金属製芯管の外周に一体に設け、前記樹脂部の外周面にギア歯を形成して構成されるウォームホイールを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギアにより達成される。

本発明の1つの形態は、本発明の電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記樹脂組成物が、前記ガラス繊維を10〜50重量%含有することを特徴とする。

本発明の別の1つの形態は、本発明の電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記樹脂組成物が、耐衝撃性向上材を含有することを特徴とする。

本発明の他の1つの形態は、本発明の電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記耐衝撃性向上材が、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性スチレンブタジエンゴムの中から選ばれる少なくとも1つの加硫ゴム超微粒子であることを特徴とする。

本発明のさらに他の1つの形態は、本発明の電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記耐衝撃性向上材が、エチレンプロピレン非共役ジエンゴム、無水マレイン酸変性エチレンプロピレン非共役ジエンゴム、エチレン／アクリレート共重合体、アイオノマーから選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする。

本発明のさらに別の1つの形態は、本発明の電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記ウォームホイールが、円筒ウォームギア、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。

本発明によれば、ウォームホイールの樹脂部を、樹脂成分を低吸水で耐熱性に優れるポリフェニレンサルファイド樹脂とし、機械的強度強化材として直径5〜9μmのガラス繊維を10〜50重量%含有する樹脂組成物等で形成することで、耐久性を維持しつつ寸法安定性に優れた高信頼性電動パワーステアリング用減速ギアが得られる。また、更に耐衝撃性向上材を含有させることで、より靭性を上げて、信頼性を向上させることが可能である。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明の減速ギアは、金属製の芯管の外周に、樹脂製でその外周端面にギア歯を形成した樹脂部を一体化したウォームホイールを備える。このような構成自体は、図1に示したような、芯管1と樹脂部3とを一体化した従来のウォームホイール11と同様である。また、ウォーム12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。

初めに、図1の斜視図を参照しながら説明する。ウォームホイール11は、芯金1と芯金1の外周に一体的に設けられた樹脂部3とで構成されている。そして、樹脂部3の外径面には、金属製等のウォーム12と噛み合う歯10が形成されている。

次に、平歯車25の構成を、図2の斜視図を参照しながら説明する。平歯車25は、芯金22と芯金22の外周に一体的に設けられた樹脂部23とで構成されている。そして、樹脂部23の外径面には、金属製等の平歯車26と噛み合う歯24が形成されている。

さらに、はすば歯車37の構成を、図3の斜視図を参照しながら説明する。はすば歯車37は、芯金42と芯金42の外周に一体的に設けられた樹脂部43とで構成されている。そして、樹脂部43の外径面には、金属製等のはすば歯車38と噛み合う歯44が形成されている。

次に、傘歯車39の構成を、図4の斜視図を参照しながら説明する。傘歯車39は、芯金42aと芯金42aの外周に一体的に設けられた樹脂部43aとで構成されている。そして、樹脂部43aの外径面には、金属製等の傘歯車40と噛み合う歯44aが形成されている。

その次に、ハイポイドギア50の構成を、図5の斜視図を参照しながら説明する。ハイポイドギア50は、芯金42bと芯金42bの外周に一体的に設けられた樹脂部43bとで構成されている。そして、樹脂部43bの外径面には、金属製等のハイポイドギア51と噛み合う歯44bが形成されている。

但し、樹脂部は、樹脂成分をポリフェニレンサルファイドとし、機械的強度強化材を平均直径5〜9μmのガラス繊維とした樹脂組成物で形成される。

本発明で使用できるポリフェニレンサルファイドは、より靭性の高い直鎖状のポリ−p−フェニレンサルファイドがより好適である。ポリ−p−フェニレンサルファイド（L-PPS）は、以下の表1に比較するように、従来の電動パワーステアリング装置用減速ギアで使用していたポリアミド樹脂に比べて吸水性が非常に低いので、吸水による寸法変化をほとんど考えなくて良い。

本発明の減速ギアの樹脂部で使用される樹脂組成物は、機械的強度強化材として平均直径5〜9μmのガラス繊維を10〜50重量%の範囲で含有する。このガラス繊維は、ベース樹脂であるポリフェニレンサルファイドヘの接着性を考慮して、片末端にエポキシ基やアミノ基などを有するシランカップリング剤やエポキシ基等を有する収束剤で表面処理したものが好ましい。この微細なガラス繊維は、従来の平均直径10〜13μmのものを同重量含有させた場合と比較すると、本数で4〜6倍と増加することで、ベース樹脂とカップリング剤等との作用点も増加しており、それによって、ベース樹脂のみの場合よりも機械的強度、疲労強度を向上させる効果を有している。微細なガラス繊維からなる機械的強度強化材は、全体の10〜50重量%が好ましく、更に好ましくは20〜30重量%である。添加量が10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。添加量が50重量%を越える場合は、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。

ポリフェニレンサルファイドは、耐熱性、耐薬品性には優れるものの、耐衝撃性が通常減速ギアで用いられているポリアミド等に比べて若干劣る。本発明で用いる樹脂組成物では、微細なガラス繊維を含有させることで、耐衝撃性は向上しているが、更に靭性を向上させるために、樹脂組成物中に耐衝撃性向上材を更に添加するとより好適である。

このポリフェニレンサルファイドの耐衝撃性向上材として添加するものとしては、加硫ゴム超微粒子を使用できる。具体的には、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性スチレンブタジエンゴムの中から選ばれる少なくとも一種類で、平均粒子径で30〜300nmの範囲に入る微細な微粒子である。平均粒子径で30nm未満の場合は、製造上コストがかかると共に、微細すぎて劣化しやすく好ましくない。平均粒子径で300nmを越える場合は、分散性が低下する共に、耐衝撃性の改善を均一に行うことが難しく好ましくない。上記説明した加硫ゴム超微粒子の中で、ペレット製造及び実際のギア成形時の劣化を考慮すると、アクリロニトリルブタジエンゴム（以下、ニトリルゴムとも称する。）、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジェンゴム、アクリルゴム、シリコンゴム、水素添加ニトリルゴム、カルボキシル変性水素添加ニトリルゴムが好適であり、更にその中でも、分子構造中に、カルボキシル基やエステル基などの極性基を有する、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、アクリルゴム、カルボキシル変性水素添加ニトリルゴムがポリフェニレンサルファイドと相互作用が高く、より好適である。これらの加硫ゴム超微粒子は、熱や酸素での劣化を防止して、4，4’−（α，α−ジメチルベンジル）ジフェニルアミン等のジフェニルアミン系老化防止剤、2−メルカプトベンズイミダゾール等の二次老化防止剤等を含有させたものとしてもよい。

このポリフェニレンサルファイドの耐衝撃性向上材として混入させるものとしては、その他エチレンプロピレン非共役ジエンゴム（EPDM）、無水マレイン酸変性エチレンプロピレン非共役ジエンゴム、エチレン／アクリレート共重合体、アイオノマー等も使用可能である。これらの化合物はペレット状であり、ポリフェニレンサルファイド、機械的強度強化材などと混合して押出機でペレット化する際に、流動化し、樹脂組成物中にミクロ分散される。

加硫ゴム超微粒子、EPDM等からなる耐衝撃性向上材の添加量は、樹脂組成物全量中で、5〜35重量%、より好ましくは10〜30重量%である。添加量が5重量%未満の場合は、少なすぎて耐衝撃性の改善効果が少なく好ましくない。添加量が35重量%を越える場合は、耐衝撃性は向上するものの、樹脂成分が少なくなることで引張強度等が低下するため実用性が低くなる。

ウォームホイールを製造する方法は制限されるものではなく、例えば以下に示す工程に従うことができる。図6に示すような金属製芯管1の外周面1aにクロスローレット加工を施し、溶剤等で脱脂した後、この芯管1をスプルー4及びディスクゲート5を装着した金型に配置し、射出成形機により上記の樹脂組成物を充填して樹脂部3を成形する（図7）。この樹脂部3は、外周部にヘリカルギア形状（図示しない）を有しており、スプルー4とディスクゲート5を切除後、さらに切削加工（ホブ加工）により、外周部はウォームホイール形状へと仕上げられる。

（実施例と比較例）
樹脂ギアの樹脂組成物の組成を表2に、減速ギアの構造を図1に示す。

［ウォームホイール試験体の作製］
表2に示すポリフェニレンサルファイド、機械的強度強化材及び耐衝撃性向上材を配合して樹脂組成物（樹脂ペレット）を調製した。クロスローレット加工を施し、脱脂した外径45mm、幅13mmの材質S45C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、射出成形機を用いて樹脂組成物からなる成形材料を充填して、外径60mm、幅13mmの外周部にヘリカルギア歯を有するものを作成した。その後、ホブカッターを用いた切削加工で、ギア歯の仕上げを行い、ウォームホイール試験体を作成した。

［寸法安定性の評価］
各試験体を、下記条件Iまたは条件IIの下に放置し、所定時間経過後にギア外径寸法の変化量を測定した。何れの条件においても、変化量が40μm以下を合格「○」、40μmを越えるものを不合格「×」として表3に示す。

・条件I：60℃、90%RH、70hr
・条件II：80℃、90%RH、300hr

［耐久性評価］
各試験体を実際の自動車減速ギアに組み込み、下記条件Iまたは条件IIにて操舵操作を繰返し行った。何れの条件においても、10万回の操舵に耐えることができた減速ギアを合格「○」、10万回の操舵に耐えることができなかった減速ギアを不合格「×」として表3に示す。

・条件I：30℃、50%RH
・条件II：50℃、90%RH

実施例1、2が全ての試験で合格なのに対し、従来の高吸水のポリアミド樹脂からなる比較例1は、高温、高湿度の過酷な条件では、寸法安定性が悪いために、それに伴って耐久性も持たなくなっている。また、通常の13μmのGFで強化されたPPSからなる比較例2は、寸法安定性は問題ないものの、耐久性に問題があった。

本発明の減速ギアは、例えば、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好適である。

本発明の減速ギアの一例を示す斜視図である。平歯車の構成を示す斜視図。はすば歯車の構成を示す斜視図。傘歯車の構成を示す斜視図。ハイポイドギアの構成を示す斜視図。ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、金属製芯管の断面図。ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、成形用金型の断面図。

符号の説明

1 金属製の芯管
3 樹脂部
10 ギア歯
11 ウォームホイール
12 ウォーム
20 減速ギア

Claims

操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、前記減速ギアが、ポリフェニレンサルファイド樹脂をベース樹脂として平均直径5〜9μmのガラス繊維を含有する樹脂組成物からなる樹脂部を金属製芯管の外周に一体に設け、前記樹脂部の外周面にギア歯を形成して構成されるウォームホイールを備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギア。
前記樹脂組成物が、前記ガラス繊維を10〜50重量%含有す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用減速ギア。
前記樹脂組成物が、耐衝撃性向上材を含有することを特徴とする、請求項1又は2のいずれか1項記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
前記耐衝撃性向上材が、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性アクリロニトリルブタジエンゴム、シリコンゴム、クロロプレンゴム、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム、カルボキシル変性スチレンブタジエンゴムの中から選ばれる少なくとも1つの加硫ゴム超微粒子であることを特徴とする、請求項3記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
前記耐衝撃性向上材が、エチレンプロピレン非共役ジエンゴム、無水マレイン酸変性エチレンプロピレン非共役ジエンゴム、エチレン／アクリレート共重合体、アイオノマーから選ばれる少なくとも1つであることを特徴とする、請求項3記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
前記ウォームホイールが、円筒ウォームギア、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1〜5のいずれか1項記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。