JP2007331662A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維状補強材を含有する樹脂組成物からなる樹脂製ウォーム減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置において、当該樹脂製ウォーム減速ギア機構の機械的強度、耐疲労性などを改善し、ギア歯の破損を抑制することのできる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】電動モータによる補助出力を、減速ギア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おいて、前記減速ギア機構はウォーム減速ギア機構であり、当該ウォーム減速ギアの従動ギアであるウォームホイールの少なくともギア歯部分で繊維状補強材を含有する樹脂部を備えており、当該繊維状補強材が少なくとも前記ギア歯の歯元近傍で歯丈方向に略平行にして配列される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動モータによる操舵用補助出力をステアリングシャフトに伝達するために樹脂製減速ギア機構を用いた電動パワーステアリング装置に関し、特に前記樹脂製減速ギア機構がウォーム減速ギア機構であ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、補助動力として電動モータを使用し、運転者の操舵力を補助するものである。前記電動パワーステアリング装置は車両に搭載するため小型化の要求が高く、必然的に電動モータの小型化が要求される。しかし、電動モータを小型化した場合、当該電動モータでステアリングシャフトを直接駆動するためにはトルクが不十分であるため、電動モータとステアリングシャフトの間に駆動伝達機構として減速ギア機構が組み込まれている。当該減速ギア機構としては、平歯車やその他の歯車を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などの理由により、例えば、図１に示されるようなウォームギア３２と、ウォームギア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減速ギア機構３０（以下、減速ギアとも記す。）が一般的に使用されている。ここで、ウォームギア３２は電動モータの回転軸に連結される駆動ギアであり、ウォームホイール３１は従動ギアである。

このような減速ギア３０では、ウォームホイール３１とウォームギア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などの不快音が発生するという問題が生じていた。

この対策として、従来は、ウォームギア３２を金属製とした場合には、ウォームホイール３１として、ギア歯４４を有して樹脂組成物で形成される樹脂部４３を金属製の芯管４２の外周に外嵌させ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、当該樹脂部４３を備えるウォームホイール３１を用いることにより、電動パワーステアリング装置の軽量化をも図ることもできる。

そして、前記樹脂部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）などのベース樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維状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なども用いられる。

さらには、寸法安定性とコストを考慮した場合は、繊維状補強材を含有しないＭＣナイロンが使用される他、繊維状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などが使用される（例えば、特許文献１参照）。
特公平６−６０６７４号公報

しかしながら、近年２０００ｃｃクラスの自動車にまで電動ステアリング装置が適応されており、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を見せており、樹脂部４３のギア歯４４に高荷重が加わるため、高い耐疲労性が求められるようになっている。また、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、耐疲労性などが大幅に異なり、例えばガラス繊維と垂直な方向における機械強度は、水平方向の機械的強度の比べ約７０％低下する。

また、従来のウォームホイール３１の成形工程では、図４あるいは図５に示すような芯管４２，１４２をコアとし、ディスク（フィルム）ゲートで射出成形（インサート成形）される工程が施される。

ここで、上述した図４および図５に示す従来の製造工程について具体的に説明する。図４に示す従来の製造工程では、まず、円環形状である金属製の芯管４２の外周面４２ａにクロスローレット加工を施し、溶剤で脱脂した後、当該外周面４２ａ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（溶媒としては水、アルコール、メチルセルソルブなどを適宜選択する。）などが使用される。次に、射出成形機において、外周面にギア歯形状が形成された金型５１に前記芯管４２を設置し、スプルー５３およびディスクゲート５４が装着された金型５２で型締めを施して、樹脂組成物、例えばポリアミド樹脂組成物を充填しギア歯４４を有した樹脂部４３を成形する。その後、不活性ガス雰囲気中などで誘導加熱（芯管部加熱温度：２００〜４５０℃）して熱処理を行うことで樹脂部４３と芯管４２を外周面４２ａにより結合する。成形後、余分なスプルー部材５６およびランナ部材５７を除去加工し、ウォームホイール３１を得る。
また、図５に示す工程では、図４で示した工程と同様であるが、芯管１４２の外周面１４２ａにスプライン歯が設けられているので、樹脂部４３と外周面１４２ａがスプライン嵌合されるように成形される。これにより、芯管１４２との樹脂部４３との結合性を向上させることができる。

しかしながら、図４および図５に示した従来のウォームホイール３１の製造工程では、繊維状補強材であるガラス繊維が、ディスクゲートに近い樹脂部４３の端面部および反対端面部と、前記減速ギア３０の歯先部分でランダムに配向してしまうため、その間部分で前記減速ギア３０の径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しまう。このため、従来のウォームホイール３１の樹脂部４３では、部位によりガラス繊維の配向方向が異なってしまう。したがって、部位によって機械的強度、耐疲労性が異なり、特性が不均一になってしまうため、信頼性に問題があった。特に、ギア歯４４では入力荷重に対する最弱部が歯元であることから、今後益々入力荷重が高まることが予想される中、歯元の繊維状補強材の配向が問題となっていた。

本発明は上述した状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、繊維状補強材を含有する樹脂組成物からなる樹脂製ウォーム減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置において、当該樹脂製ウォーム減速ギア機構の機械的強度、耐疲労性などを改善し、ギア歯の破損を抑制することのできる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、電動モータによる補助出力を、減速ギア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おいて、前記減速ギア機構はウォーム減速ギア機構であり、当該ウォーム減速ギア機構の従動ギアであるウォームホイールの少なくともギア歯部分で繊維状補強材を含有する樹脂部を備えており、当該繊維状補強材が少なくとも前記ギア歯の歯元近傍で歯丈方向に略平行にして配列されることを特徴とする電動パワーステアリング装置を提供する。

本発明によれば、電動モータによる補助出力を、減速ギア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おいて、前記減速ギア機構はウォーム減速ギア機構であり、当該ウォーム減速ギア機構の従動ギアであるウォームホイールの少なくともギア歯部分で繊維状補強材を含有する樹脂部を備えており、当該繊維状補強材が少なくとも前記ギア歯の歯元近傍で歯丈方向に略平行にして配列されるので、歯丈方向に対し剛性が高くなり、高荷重が加わった場合でもギア歯の破損を抑制することができる。したがって、本発明のウォーム減速ギアを用いた電動パワーステアリング装置は、従来サイズと同等で高出力化を図ることができ、また同等の出力を得る場合にはさらなる小型化が実現できる。

（第１実施形態）
本発明に係る一実施形態に関して図に従って説明する。なお、前述の図１と図４と図５とに示した従来構造と同様な部分の構成については図１と図４と図５と同符号で示し、またその説明は省略もしくは簡略化する。

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。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、その下部を車両前方に向けて傾斜した状態で固定されている。また、上部舵輪軸１１ａの上端は、図示しない舵輪が固定されている。さらに、操舵者の舵輪操作によって上部舵輪軸１１ａと下部舵輪軸１１ｂとに発生した操舵トルクは、図示しないトーションバーに検出され、検出された操舵トルク信号に基づいて電動モータ１３の出力が制御される。
舵輪軸１１は、ユニバーサルジョイント２５，２６を経てピニオンラック式運動変換機構２０に結合されている。

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、およびラック軸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に示した電動パワーステアリング装置１０の減速ギア機構を示す部分断面図であり、減速ギア３０が組み込まれている。当該減速ギア３０では、ポリアミド樹脂組成物からなる樹脂部４３と金属製からなる芯管２４２を有するウォームホイール３１と、ウォームギア３２がギアケース３３に収納されている。また、ウォームギア３２はその両端にウォーム軸３２ａ、ウォーム軸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おり、軸受３４ａ，３４ｂにより回転自在に支承されている。ウォームホイール３１の芯管２４２は下部舵輪軸１１ｂに結合し、電動モータ１３の回転は、電動モータ１３のウォームギア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。

そして、前記減速ギア３０は、金属製の芯管２４２の外周端面に樹脂部４３が形成されており、当該樹脂部４３の外周端面にギア歯４４が形成されて一体化されたウォームホイール３１を備えている。なお、ウォームギア３２は樹脂製に限らず、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など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される。ポリアミド樹脂の分子量は、ガラス繊維を含有した状態で射出成形できる範囲、すなわち数平均分子量で１３０００〜３００００が好ましく、耐疲労性や成形性など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を超える場合には、ガラス繊維を規定量含有した状態での溶融粘度が高すぎてしまい、精度よく射出成形することが困難となる。

前記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、さら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、一般にウォームギア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、さら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）などのゴムを配合してもよい。

ポリアミド樹脂には、ガラス繊維が添加される。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、さらに平均繊維径が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、耐衝撃強度など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ってしまう。
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などを有するシランカップリング剤で表面処理したものを用いることがさらに好ましい。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などの官能基がポリアミド樹脂のアミノ結合に作用して補強効果を向上させることができる。

ガラス繊維の含有量は、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％、さらに好ましくは１５〜３０質量％であることが望ましい。ガラス繊維が１０質量％未満では補強効果が十分でなく、４０質量％を超えるとウォームギア３２を損傷しやすくなり、ウォームギア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場合がある。

なお、ガラス繊維の一部を炭素繊維などの他の繊維状補強材で代替しても構わない。さらにポリアミド樹脂には、成形時およ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。

図６は、本発明に係る樹脂部４３を示す図である。樹脂部４３は、ガラス繊維５０が添加されたポリアミド樹脂により成形され、また外周面にギア歯４４が形成される。当該ギア歯４４にはガラス繊維５０が含有されており、当該ガラス繊維５０は、当該ギア歯の歯元近傍で歯丈方向に略平行して配向されている。

ここで、本発明に係るウォームホイール３１の代表的製造方法を、図９、図１０に従って詳細に説明する。なお、本発明に係る製造方法はこれにより何ら制限を受けるものではなく、適宜様々な製造方法が適用できる。

図９は、本実施形態に係る芯管２４２の径方向断面図である。芯管２４２には、軸方向中間位置で外周面２４２ａと内周面２４２ｂとに凹溝が設けられ、当該外周面２４２ａの凹溝と当該内周面２４２ｂの凹溝とを径方向で接続するように中抜部４５が複数設けられた構造を有している。これにより、前記芯管２４２内にポリアミド樹脂組成体のための流路（ランナ）が設けられ、前記芯管２４２の中を通って前記ポリアミド樹脂組成体が射出される。また、芯管２４２は、軸方向の一方の面において内径部に円筒部が形成されている。

射出成形機において、前記芯管２４２を金型５１に設置し、スプルー５３およびディスクゲート５４が装着された金型５２で型締めを施して、前記ポリアミド樹脂組成物を充填して樹脂部４３を成形する。前記金型５１の外周面には予めギア歯形状が加工されており、成形後、樹脂部４３の外周面にギア歯４４が形成される。また、前記芯管２４２内に設けられた前記流路を介して、樹脂部４３の軸方向中間位置から前記ポリアミド樹脂組成物が射出されるので、その結果、前記樹脂部４３において、ガラス繊維５０が歯元近傍で歯丈方向に略平行にして配向される。
また、前記芯管２４２の外径部には円筒部が形成されているので、成形後、前記樹脂部４３が前記芯管２４２の外周に覆い被さるように勘合される。さらに外周面２４２ａにスプライン歯が設けられているので、前記芯管２４２から前記樹脂部４３が容易に分離することがない。
成形後、余分なスプルー部材５６およびランナ部材５７を除去加工し、ウォームホイール３１が得られる。

なお、芯管２４２に設ける中抜部は、ポリアミド樹脂組成体のための流路（ランナ）として前記外周面２４２ａの凹溝と前記内周面２４２ｂの凹溝とを接続できればよく、例えば、ギア歯４４の数だけ中抜部４５を複数設けてもよい。また、前記芯管２４２は複数の部品の組み合わせにより製造されていてもよいし、鋳造などの一体成形でも構わない。

したがって、本実施形態によれば、ギア歯４４部分で繊維状補強材を含有する樹脂部４３を備えており、当該繊維状補強材が少なくとも前記減速ギアの歯元近傍で歯丈方向に略平行にして配列されるので、歯丈方向に対し剛性が高くなり、機械的強度、耐疲労性などを改善して、ギア歯４４の破損を抑制することができる。

（第２実施形態）
上述したウォームホイール３１の別の製造方法について図１１に従って説明する。
芯管３４２は、内径部の軸方向両側に円筒部が設けられるとともに、外径部の軸方向一方に円筒部が設けられている。
射出成形において、前記芯管３４２は、後に形成される樹脂部４３の軸方向中間位置からオフセットされた位置で、前記外径部の円筒部が金型５１側になるように前記金型５１に設置される。これにより、前記芯管３４２の中を通らず、樹脂部４３の軸方向中間位置から前記ポリアミド樹脂組成体が射出可能となる。
成形後は、スプルー部材５６およびランナ部材５７を除去加工し、ギア歯４４の底部をバックアップする補助芯管４６を嵌合する。なお、それ以外の態様については、第１実施形態と同様である。

したがって、本実施形態によれば、芯管に流路を設ける必要がないため、芯管の製造コストを抑制することができる。なお、本実施形態における射出成形は、ランナを芯管３４２の径方向で放射線状に設けて実施する射出成形でも、あるいはディスクゲートによる射出成形でも構わない。

（第３実施形態）
さらに、ウォームホイール３１の別の製造方法について図１２に従って説明する。
従来の射出成形では、上述した図４に示す方法が施されるが、この場合には、樹脂部４３の軸方向端部から樹脂組成物が流れ込むため、歯元付近ではガラス繊維５０の配向方向がランダムな状態となりやすい。したがって、第３実施形態では、特開２００３−３４３６９６などに記載されている通り、予め樹脂部４３のみを金型５１，５２を用いて当該樹脂部４３の軸方向中間位置からポリアミド樹脂組成物を射出することによりドーナツ状のブランクとして成形し、接着層である外周面４４２ａを成形した芯管４４２を当該樹脂部４３に圧入した後、前記誘電過熱により当該樹脂部４３と当該芯管４４２とを結合させる。これにより、ウォームホイール３１の歯元近傍ではガラス繊維５０の配向が歯状方向に略平行にして配列することができる。
したがって、本実施形態によれば、芯管の形状を簡素なものとしながら射出成形することができるので、さらに芯管の製造コストを抑制することができる。なお、本実施形態における射出成形は、ランナを芯管４４２の径方向で放射線状に設けて実施する射出成形でも、あるいはディスクゲートによる射出成形でも構わない。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の様態はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。

さらに、歯丈方向長さが十分出ない場合など、ギア歯４４緒元によっては歯元近傍にてガラス繊維５０がランダムな状態となる場合がある。その場合、図７に示すように、予め歯先部に樹脂組成物の逃げ部６１を金型に設け、ガラス繊維５０がランダムな状態となる領域を歯元近傍から遠ざけるようにする。これにより、歯元近傍では歯丈方向に略平行にガラス繊維５０が配向する。その後、予め設けた樹脂組成物である前記逃げ部６１を除去加工する。前記逃げ部６１は、歯元近傍で歯丈方向に略平行にガラス繊維５０が配向する方法であれば、その形状は問わない。例えば、歯先部全体ではなく、図８のような突起形状６２でも構わない。

減速ギアの一例（ウォーム減速ギア）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。 減速ギア機構部分の部分断面図である。 従来の製造工程を示す図である。 別の従来の製造工程を示す図である。 減速ギアの歯元における繊維の流れを示す図である。 繊維の流れを整えるために逃げを設けた一例を示す図である。 繊維の流れを整えるために逃げを設けた別の例を示す図である。 第１実施形態に係る芯管の径方向断面図である。 第１実施形態に係る減速ギアの製造工程示す図である。 第２実施形態に係る減速ギアの製造工程示す図である。 第３実施形態に係る減速ギアの製造工程示す図である。

符号の説明

１１ 操舵軸
１２ 操舵軸ハウジング
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 ウォームギア
４２ 芯管
４３ 樹脂部
４４ ギア歯
４５ 中抜部
４６ 補助芯管
５０ ガラス繊維
５１，５２ 金型
５３ スプルー
５４ ディスクゲート
５６ スプルー部材
５７ ランナ部材
６１ 逃げ部
６２ 突起形状

Claims (1)

1. 電動モータによる補助出力を、減速ギア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おいて、
   前記減速ギア機構はウォーム減速ギア機構であり、
   当該ウォーム減速ギア機構の従動ギアであるウォームホイールの少なくともギア歯部分で繊維状補強材を含有する樹脂部を備えており、
   当該繊維状補強材が少なくとも前記ギア歯の歯元近傍で歯丈方向に略平行にして配列されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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