JP2009041683A - 樹脂製ウォームホイール - Google Patents

Abstract

【課題】強度を十分に確保するとともに高い寸法精度を備え、かつ相手部材のウォームの耐摩耗処理を不要とする。
【解決手段】繊維強化樹脂よりなり歯芯部30と内歯底部31とを有する内歯部３と、強化材を含まない樹脂よりなり歯芯部30を被覆する被覆歯部40と内歯底部31を被覆する外歯底部41とからなる外歯部４と、からなり、外歯底部41の表面からの歯芯部30の歯高さ（ｈ）を外歯底部41の表面からの被覆歯部40の歯高さ（Ｈ）の10〜40％とした。
歯芯部30と被覆歯部40との肉厚のバランスが最適となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の減速機構などに用いられる樹脂製のウォームホイールに関する。

自動車の電動パワーステアリング装置は、運転者によるステアリングホイールの操舵トルクを検出するトルクセンサと、操舵補助用の電動モータと、電動モータの回転を減速して操舵軸に伝達する減速機構と、を備え、トルクセンサの検出信号に基づいて電動モータの駆動を制御することで、操舵をアシストするものである。

上記減速機構としては、電動モータの回転軸に連結された駆動ギヤとしてのウォームと、操舵軸に嵌着された従動ギヤとしてのウォームホイールとからなるものが広く用いられ、この減速機構では、ウォームとウォームホイールとの噛合により電動モータの回転を減速して操舵軸に伝達している。

ところで車体の軽量化の観点から、用いられている各種歯車類は金属製から樹脂製に変更される傾向にある。上記した減速機構も例外ではなく、ウォーム及びウォームホイールの樹脂化が進められている。しかしながら金属に比べて強度の低い樹脂では耐久性に難点がある。特にウォームホイールのウォーム歯は歯すじ方向が軸方向に対して傾斜しているため、ウォームとの噛合時に歯側面に大きな応力が作用し、ウォーム歯の根元部分の強度が重要である。

ウォームホイールを樹脂から形成するとともにウォーム歯の強度を高める手段として、歯厚を厚くしたり、ガラス繊維などを混合して強度を高めたりすることが考えられる。しかしながら歯厚を厚くすると、必要な歯数を確保するためにはウォームホイールの直径が大きくなり大型となるため、電動パワーステアリング装置の減速機構に用いる場合にはスペース面での問題が生じたり、成形時の収縮によって寸法精度が悪化したりする場合がある。またガラス繊維などを混合した場合には、相手部材であるウォームの摩耗を防止するために焼き入れ処理などを行う必要があり、コストアップとなるという不具合がある。

そこで特開2001−304379号公報には、本体部と歯形部とを有する樹脂製歯車が記載され、本体部を強化繊維を含む強化樹脂から形成し、歯形部を強化繊維を含まない樹脂から形成したことが記載されている。またこの歯車をウォームホイールに施用することも記載されている。この歯車によれば、本体部で強度を高めることができ、歯形部で寸法精度を確保し騒音を防止することができる。

また特開2004−052791号公報には、上記公報と同様に本体部と歯形部とからなる歯車において、歯形部を形成する樹脂として本体部を形成する強化樹脂より高融点の樹脂を用いることが記載されている。この技術によれば、本体部と歯形部との接合強度もしくは溶着強度が向上する。しかしこの公報には、ウォームホイールに関する記載がない。
特開2001−304379号公報 特開2004−052791号公報

しかしながら特許文献１に記載の構造をウォームホイールに適用した場合には、必ずしも強度が向上するわけではなかった。また歯先の寸法精度が低い場合があり、歯先から強化繊維が表出してウォームが摩耗するという不具合が発生する場合もあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ウォームホイールとしての強度を十分に確保するとともに高い寸法精度を備え、かつ相手部材のウォームの耐摩耗処理を不要とすることを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の樹脂製ウォームホイールの特徴は、外周部に複数の単歯が列設された歯部をもつ樹脂製のウォームホイールであって、
歯部は、強化材を含む強化樹脂よりなり単歯の芯部を構成する歯芯部と隣接する歯芯部どうしの間の内歯底部とを有する内歯部と、内歯部の外周表面に一体的に被覆され強化材を含まない樹脂よりなり歯芯部の表面を被覆する被覆歯部と内歯底部を被覆する外歯底部とからなる外歯部と、からなり、
外歯底部の表面からの歯芯部の歯高さ（ｈ）が外歯底部の表面からの被覆歯部の歯高さ（Ｈ）の10〜40％であることにある。

本発明の樹脂製ウォームホイールによれば、それぞれの単歯の内部には必要十分な高さの歯芯部が形成されているので、単歯は十分な強度を有している。さらに単歯の表面には必要十分な厚さの被覆歯部が被覆されているので、歯先から強化材が表出するような不具合が未然に防止され、相手部材のウォームの耐摩耗処理を不要とすることができる。また歯芯部及び被覆歯部それぞれの肉厚が不要に厚くなることがないので、歯芯部及び被覆歯部の成形時の収縮量が少なくなり寸法精度が悪化することもない。

したがって本発明の樹脂製ウォームホイールを電動パワーステアリング装置の減速機構に用い、ステアリングの左右旋回の繰り返し耐久試験を行った場合には、単層構造の歯部からなる樹脂製ウォームホイールを用いた場合に比べて耐久寿命が数倍〜数 100倍に延び、耐久性が格段に向上する。したがって耐久性が従来と同一となるようにした場合には歯数を削減することが可能となり、小型化によって省スペースとすることが可能となる。

ウォームホイールは、ウォームと噛合してウォームの回転の軸方向と交差する方向に回転軸を変換する。これによってウォームホイールの回転は、ウォームの回転より減速されたものとなる。このウォームホイールは、歯すじ方向がウォームホイールの軸方向に対して傾斜し、歯側面及び歯底面がウォームに沿う曲面となっているものと定義される。

本発明のウォームホイールは、内歯部と外歯部とからなり、外周部に複数の単歯が列設された歯部を有している。内歯部は強化材を含む強化樹脂よりなり、単歯の芯部を構成する歯芯部と隣接する歯芯部を連結する内歯底部とが外周表面に交互に列設されている。

強化材としては、各種の無機粉末、ガラス繊維、セラミック繊維、金属粉末などが例示される。また強化樹脂としては各種熱可塑性樹脂を用いることができるが、ポリアミドが好ましく、PA66が特に好適である。強化樹脂中の強化材の含有量は、少しでも含まれればそれなりの効果が得られるが、25〜35重量％の範囲で含有することが望ましい。強化材の含有量がこの範囲より少ないと歯芯部の強度が十分でなく、その結果、単歯の強度が不十分となる。また強化材の含有量がこの範囲より多くなると、歯芯部の靱性が低下するため単歯の強度が不十分となる。

外歯部は強化材を含まない樹脂から形成され、内歯部の表面に一体的に被覆されている。すなわち外歯部は、歯芯部の表面を被覆する被覆歯部と内歯底部を被覆する外歯底部とを有している。外歯部を構成する樹脂は、内歯部と溶着可能な樹脂を用いることができるが、内歯部の樹脂種と同一種のものが望ましく、内歯部がPA66と強化材とから形成されている場合には、強化材を含まないPA66から形成することが望ましい。

被覆歯部の歯側面における肉厚は、 1.5mm〜２mmの間となるように設定することが望ましい。被覆歯部の肉厚が 1.5mmより薄いと樹脂流れ不良が発生する場合がある。また２mmより厚くなると、成形時の収縮によって寸法精度が低下する。被覆歯部の歯先面の肉厚は、歯側面の肉厚に比べて制約が少ないので、歯芯部の高さによって決まる値とすればよい。

本発明の最大の特徴は、図３に示す外歯底部の表面からの歯芯部の歯高さ（ｈ）が外歯底部の表面からの被覆歯部の歯高さ（Ｈ）の10〜40％であることにある。歯芯部の歯高さ（ｈ）が被覆歯部の歯高さ（Ｈ）の10％未満では、単歯の強度が不十分となり耐久性が低下する。また歯芯部の歯高さ（ｈ）が被覆歯部の歯高さ（Ｈ）の40％を超えると、歯側面における被覆歯部の肉厚を確保した場合には歯芯部の肉厚の確保が困難となり、強度が低下するようになる。

なお外歯底部の表面からの被覆歯部の歯高さ（Ｈ）が２mm〜６mmである形状のウォームホイールの場合に、上記数値範囲を適用することが望ましい。

本発明のウォームホイールを製造するには、先ず射出成形によって強化材を含む強化樹脂から内歯部を成形する。このとき、内周部に金属インサートを用い、その外周に内歯部を形成することが望ましい。次に金型を交換し、射出成形によって内歯部の外周表面に外歯部を成形する。

なおウォームホイールは、歯底がウォームの外周形状に沿う円弧形状であり、かつ歯側面が円弧形状の曲面であるために、アンダーカットとなって成形型からの離型が困難である。この問題を回避するには、外歯部をアンダーカットとならないハス歯形状で大きめに成形し、その後に機械加工で所定の形状とする方法がある。また場合によっては、実開平04−049254号公報に記載のように、歯部の歯幅の片側半分の歯底を軸方向と平行に形成する方法などを用いることができる。

以下、実施例と比較例により本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
図１及び図２に示す本実施例のウォームホイールは、孔あき円板形状をなす金属製の嵌着部材１と、嵌着部材１の外周周縁部に一体に形成された樹脂製の歯部２とからなる。歯部２は、繊維強化樹脂製の内歯部３と、内歯部３の表面に一体的に被覆形成された強化材を含まない外歯部４と、からなる。このウォームホイールは、嵌着部材１を金型内に配置した状態で先ず内歯部３を成形し、次いで外歯部４を成形するインサート射出成形によって製造されている。

内歯部３は、ガラス繊維を30体積％含有するPA66から形成され、図３に拡大して示すように歯芯部30と内歯底部31とを有している。また外歯部４はガラス繊維を含まないPA66から形成され、歯芯部30を被覆する被覆歯部40と内歯底部31を被覆する外歯底部41とを有している。

このウォームホイールの具体的な寸法を表１に示す。

（実施例２）
本実施例のウォームホイールを図４に示す。このウォームホイールは、ｈ／Ｈ＝ 0.1としたこと以外は実施例１と同様である。

（比較例１）
内歯部３と外歯部４とを、共にガラス繊維を含まないPA66から形成したこと以外は実施例１と同様である。

（比較例２）
内歯部３と外歯部４とを、共にガラス繊維を30体積％含むPA66から形成したこと以外は実施例１と同様である。

＜試験例１＞
各実施例及び各比較例のウォームホイールをそれぞれ電動パワーステアリング装置の減速機構に適用し、20MPa 〜70MPa の荷重を負荷させながら、ステアリングの左右旋回の繰り返し耐久試験に相当する試験を行って破壊するまでの回数を測定した。結果を図５に示す。

図５より、実施例１及び実施例２のウォームホイールは、ガラス繊維を含まない樹脂から歯部を形成した比較例１のウォームホイールに比べて耐久寿命が数 100倍に延び、耐久性に優れることがわかる。また実施例２より実施例１が耐久性に優れるが、これは歯芯部30の高さが高いことによるものと考えられる。しかし実施例どうしの差は小さく、ｈ／Ｈの値が 0.1〜 0.4の範囲であれば問題無いことがわかる。

なお繊維強化樹脂から歯部を形成した比較例２は、当然ながら最も耐久性に優れているが、相手部材であるウォームの摩耗を防止するために焼き入れ処理などを行う必要があり、また歯部を一度に成形した場合には収縮が大きく寸法精度に劣る。さらに使用時の摩擦によって異音が発生するという問題もある。

また実施例１のウォームホイールにおいて、直径を小さくして歯数を少なくしても耐久性を比較例１以上とすることが可能である。このようにすれば、小型化によって省スペースとすることが可能となる。

＜試験例２＞
実施例１及び実施例２と同様にして、ｈ／Ｈの値が種々異なるウォームホイールを製造した。Ｈの値は実施例と同一とし、ｈのみを変化させた。それらの単歯に対して歯の回転方向に５Nmの力で押圧し、その時の歯元の歪み量をそれぞれ測定した。歪み量が0.065mmを超えないことが良品の条件である。結果を図６に示す。

図６より、ｈ／Ｈが 0.1以上であれば歪み量は規定範囲内にあることが明らかである。なお単歯は先端ほど肉厚が薄くなる形状であるから、ｈ／Ｈが 0.4を超えた場合には、歯芯部30の肉厚を確保しようとすると歯側面における被覆歯部40の肉厚が薄くなって規定値を満たさなくなる。かといって被覆歯部40の肉厚を規定値とすると歯芯部30の肉厚が薄くなり過ぎて強度が低下する。したがってｈ／Ｈは 0.4以下であることが必要である。

本発明の一実施例に係るウォームホイールの斜視図である。 本発明の一実施例に係るウォームホイールの断面図である。 本発明の一実施例に係るウォームホイールの歯部の拡大断面図である。 本発明の第２実施例に係るウォームホイールの歯部の拡大断面図である。 作用する応力と破壊するまでの回数との関係を示すグラフである。 本発明の一実施例に係るウォームホイールにおいて、ｈ／Ｈの値と歪み量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１：嵌着部材 ２：歯部
３：内歯部 ４：外歯部
30：歯芯部 31：内歯底部
40：被覆歯部 41：外歯底部

Claims (3)

1. 外周部に複数の単歯が列設された樹脂製の歯部をもつ樹脂製のウォームホイールであって、
   該歯部は、強化材を含む強化樹脂よりなり該単歯の芯部を構成する歯芯部と隣接する該歯芯部どうしの間の内歯底部とを有する内歯部と、該内歯部の外周表面に一体的に被覆され強化材を含まない樹脂よりなり該歯芯部の表面を被覆する被覆歯部と該内歯底部を被覆する外歯底部とからなる外歯部と、からなり、
   該外歯底部の表面からの該歯芯部の歯高さ（ｈ）が該外歯底部の表面からの該被覆歯部の歯高さ（Ｈ）の10〜40％であることを特徴とする樹脂製ウォームホイール。
2. 前記外歯底部の表面からの前記被覆歯部の歯高さ（Ｈ）は２mm〜６mmである請求項１に記載の樹脂製ウォームホイール。
3. 前記内歯部はガラス繊維強化ポリアミドからなり、前記外歯部はポリアミドからなる請求項１に記載の樹脂製ウォームホイール。

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