JP2012046168A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】減速機にウォームギヤを使用する電動パワーステアリング装置において、ウォームホイールの歯面付近の外観品質や強度を維持しつつ異音の発生を抑制する。
【解決手段】操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、金属製ウォームと、このウォームに噛み合うウォームホイール成形品は、ウォームホイール１０の歯部を発泡性を有する第１合成樹脂材料で発泡成形された第１成形部ＰＢ１と、発泡性を有しない第２合成樹脂材料により、前記第１成形部ＰＢ１と一体的に成形された第２成形部ＰＳ１とを有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、操舵捕助力発生用電動アクチュエータの回転をウォームとウォームホイールを介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置に関する。

従来、自動車においては、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転をウォームとウォームホイールを介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置が用いられ、そのウォームホイールを合成樹脂材製とすることで軽量化および低騒音化が図られている。

最近の環境対応およびコスト低減の要求から、軽量化や小型化が求められる背景があり、そのために樹脂材にはさらに高強度化や耐熱性、耐摩耗性の要求がある。
先行技術文献１では、軽量化のため樹脂材料の強度を維持して衝撃吸収性を向上するため、発泡技術を利用されている。一般的に発泡すると、強度が低下するため、密度や気泡の大きさの管理が重要となる。また、先行技術文献２では、低騒音化のため、樹脂材を発泡させた合成樹脂材製ウォームホイールが開示されている。

特開２００９−１５５３６６号公報 特開２０１０−１５１２８８号公報

しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような問題が存在する。発泡材料で形成された成形品は、多孔質であるため、曲げ強度や衝撃強度、ヒンジ部の強度、歯車の場合は歯元強度等が１０〜５０％程度低下するという問題が生じる。また発泡材料のみで歯車を成形した場合には歯形表面の面粗度も良好ではなく、強度不足も懸念される。

特に、合成樹脂材製ウォームホイールは、軽量化や小型化による使用条件の過酷化しており、大型車での実用では荷重が大きくなるためウォームとウォームホイール特に噛み合う歯面で高温になり、歯面付近の高温時のクリープや摩耗により寸法変化が大きくなりやすくそのため起こるバックラッシ増加による異音の発生防止および耐久性向上がますます必要となっている。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、歯面付近の外観品質や強度を維持しつつ異音の発生を抑制できる電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、金属製ウォームと、この駆動ウォームに噛み合う従動ウォームホイールとを有する減速ギヤ機構を介して車輪を左右に転舵させる操舵機構の電動パワーステアリングにおいて、そのウォームホイール成形品は、ウォームホイールの樹脂部を発泡性を有する第１合成樹脂材で発泡成形された第１成形部と、未発泡性を有する第２合成樹脂材により、前記第１成形部と一体的にソリッド成形された第２成形部とを有することを要旨としている。

即ち、歯面で発生した振動音を発泡部で吸収抑制し、異音防止できるとともに、発泡により軽量化したウォームホイールができる。更に、発泡成形によりウォームホイールを軽量かでき、電動パワーステアリング装置全体を軽量化できる。

請求項２に記載の発明は、第２成形部は、外部に露出され、ギヤとしての機能部に設けられ、前記第1成形部を外囲して設けられることを要旨としている。即ち、合成樹脂成形品に要求される歯面付近の外観品質や強度を確保でき、耐摩耗性や、疲労性に優れ耐久性の良いウォームホイールができる。

請求項３に記載の発明は、前記第２成形部は高粘度のポリアミド樹脂の未発泡材で、前記第１成形部は発泡したポリアミド樹脂で、発泡倍率は１．５〜２とし、１〜５０μｍの独立気泡径とすることを要旨としている。

即ち、合成樹脂成形品に要求される強度を確保でき、耐摩耗性や、疲労性に優れ耐久性の良いウォームホイールができる。材料自身の引っ張り強度や曲げ強度等の初期強度は、通常粘度の合成樹脂とかわりないが、歯元強度が高くなり、粘度が高くなっても成形性が優れると共に長寿命化を図れる。
また、発泡倍率を１．５〜２とし、１〜５０μｍの独立気泡径としており、そのため、強度が低下せず、また、超臨界状態により、溶融樹脂の溶解性が高く気泡の結合が発生しにくく、異常欠陥が発生しにくく、さらに衝撃による振動減衰のみの効果が得られ、ウォームホイールの強度が低下せず、軽量のウォームホイールができる。

請求項４に記載の発明は、前記ウォームホイールは金属製スリーブに一体化され、金属製スリーブが挿入された状態の成形型内に発泡性を有する合成樹脂材が注入されることにより成形され、金属製スリーブにおけるウォームホイールとの接合部に、ウォームホイールの歯列が沿う円と同心の歯列が形成され、ウォームホイールを構成する合成樹脂材が、金属製スリーブに形成された歯の間の凹部内に充填されることを要旨としている。

即ち、ウォームホイールと金属製スリーブとの軸中心の相対変位が阻止されウォームホイールの強度を維持できると共にウォームの駆動する力を正確に伝達できる。また、歯面の振動は発泡性を有する第1成形部で減衰吸収して金属製スリーブへ伝達しにくいため、低騒音化できる。また、第１成形部が直接金属部と接触しているため第1成形部の収縮によりインサートする金属スリーブ外周部の特に端部に発生しやすい局部的な応力集中を減少できるため、応力集中で発生しやすい疲労への影響が減少でき、耐久性が向上できる。

請求項５に記載の発明は、成形品金型形状としてはフィルムゲートで、ゲートの肉厚は２．５ｍｍ以上、フィルム直径は５０ｍｍ以下で成形されることを要旨としている。
即ち、この金型形状であれば溶融した樹脂の粘度が大きい際にせん断による自己発熱による分解を低減できるとともに、成形圧力をあげずに金型充填性を向上できるため、充填不良、ボイド等の成形不良を発生しにくく、製品の品質を確保できる。

外観品質や強度を維持しつつ軽量化と共に異音の発生を抑制できる合成樹脂成形品及びその合成樹脂成形品を使用した電動パワーステアリング装置を提供できる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成を示す断面図 図１のＡ−Ａの断面図 本発明の実施形態のウォームホイールの成形型の構成説明図 ウォームホイールの断面図であり、（a）は図３のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は図４のＣ−Ｃ断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１に示す電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２の操舵により発生する操舵トルクを、ステアリングシャフト３によりピニオン４に伝達することで、ピニオン４に噛み合うラック５を移動させ、そのラック５の動きをタイロッドやナックルアーム等（図示省略）を介して車輪６に伝達することで舵角を変化させる。

そのステアリングシャフト３により伝達される操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するため、操舵トルクを検出するトルクセンサー７と、その検出された操舵トルクに応じて駆動されるモータ（電動アクチュエータ）８と、モータ８により駆動される駆動シャフト５０の外周に設けられる金属製ウォーム９と、ウォーム９に噛み合うと共にステアリングシャフト３に取り付けられるウォームホイール１０とが設けられている。そのモータ８の回転をウォーム９およびウォームホイール１０を介してステアリングシャフト３から車輪６に伝達することで操舵補助力を付与できる。図２に示すように、ハウジング２１に取り付けられるモータ８により駆動される駆動シャフト５０は、そのハウジング２１により、軸受６２，６３を介して支持される。

ステアリングシャフト３は、ステアリングホイール２に連結される第１シャフト３ａと、この第１シャフト３ａにピン２２により連結される筒状の第２シャフト３ｂと、この第2シャフト３ｂの外周にブッシュ２５を介して相対回転可能に嵌め合わされる筒状の第３シャフト３ｃとに分割されている。各シャフト３ａ、３ｂ、３ｃの中心に沿って弾性部材としてトーションバー２３が挿入されている。そのトーションバー２３の一端は第１シャフト３ａと第２シャフト３ｂとに前記ピン２２により連結され、他端はピン２４により第３シャフト３ｃに連結されている。これにより、その第２シャフト３ｂと第３シャフト３ｃとは操舵トルクに応じて弾性的に相対回転可能とされている。

第２シャフト３ｂは、ハウジング２１に圧入されたステアリングコラム３０によりブッシュ３１を介して支持される。第３シャフト３ｃは、ハウジング２１により軸受２６，２７を介して支持される。その第３シャフト３ｃの外周に嵌め合わされる金属製スリーブ１１の外周に、合成樹脂製の歯部１２が一体化されている。なお、金属製スリーブ１１は第３シャフト３ｃに圧入されたり、あるいはキー等を介して固定されてもよい。また、過大なトルクが作用した場合にウォームホイール１０とステアリングシャフト３とが相対回転するように、トルクリミッター機構が金属製スリーブ１１と第３シャフト３ｃとの間に設けられてもよい。

トルクセンサー７は、第２シャフト３ｂに固定される磁性材製の第１検出リング３６と、第３シャフト３ｃに固定される磁性材製の第２検出リング３７と、両検出リング３６，３７の対向間を覆う検出コイル３３とを有する。第１検出リング３６の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３６ａと、第２検出リング３７の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３７ａとの対向面積が、第２シャフト３ｂと第3シャフト３ｃの操舵トルクに応じた弾性的な相対回転に応じて変化し、その変化に対応して、検出コイル３３の発生磁束に対する磁気抵抗が変化することから、検出コイル３３の出力に基づき操舵トルクが検出できる。このトルクセンサー７は公知の構成のものを用いることができる。その検出された操舵トルクに対応した信号に応じて上記モータ８が駆動され、このモータ８の回転はウォーム９、ウォームホイール１０を介してステアリングシャフト３に伝達される。

モータ８の回転の減速ギヤであるウォームホイール１０は心金としての金属製スリーブ１１と該金属製スリーブ１１を外囲する歯部１２から構成され、射出成形工程を経て成形されている。歯部１２は合成樹脂材料から形成され、その相対粘度は６０００Ｐａｓ
以上７０００Ｐａｓ以下とされている。その合成樹脂材料は、本実施形態ではＰＡ（ポリアミド）６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、ＰＡ１２、ＰＡ１１、ＰＰＡ（ポリパラバン酸）１１、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ６・６Ｔ等のナイロン系合成樹脂材料とされる。その合成樹脂材料の相対粘度が大きくなると、射出成形時に成形型のキャビテイ内に射出されにくくなり、成形性が低下する。そのため本実施形態では図3に示すように、ウォームホイール１０の成形型９０のゲート９０aはフィルムゲートとされている。これにより、合成樹脂材料の相対粘度が大きくても、キャビテイ９０ｂ内に合成樹脂材料を均一に充填できるようにしている。なお、キャビテイ９０ｂ内に合成樹脂材料を均一に充填できるようにするためにゲート９０aの肉厚ｔは２．５ｍｍ以上とするのが好ましく、ランナー９０ｃの長さＬは短い程に好ましいが金型剛性を確保する必要があることから４０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とするのが好ましく、ランナー９０ｃの入口径Ｄ１は材料の流動抵抗低減のために４ｍｍ以上とすると共に合成樹脂材料射出ノズルの径（通常３ｍｍ）との段差による抵抗低減のために６ｍｍ以下とするのが好ましく、そのランナー９０ｃの出口径Ｄ２は合成樹脂材料の流動抵抗低減のために１３ｍｍ以上として、最大径はゲート９０aの直径に等しくしてもよい。本実施形態では、成形型９０に上記金属製スリーブ１１を挿入した状態で射出成形を行うことでウォームホイール１０を金属製スリーブ１１に一体化し、その成形後にゲート９０ａやランナー９０ｃに充填された合成樹脂材料の除去やウォームホイール１０の歯部１２の仕上げ等を機械加工により行ってもよい。

上記構成によれば、モータ８の回転を伝達するウォームホイール１０の歯部１２を合成樹脂材料とすることで軽量化および低騒音化を図ることができ、且つ、その合成樹脂材の相対粘度を６０００Ｐａｓ以上とすることで歯部１２の歯元強度を向上でき、７０００Ｐａｓ以下とすることで成形性を確保できる。その合成樹脂材料はナイロン系合成樹脂材料であるので初期強度が高く、吸水や熱劣化による強度低下を防止でき、また、成形性に優れると共に長寿命化も図れる。そのウォームホイール１０を合成樹脂材料から射出成形することで成形コストを低減できる。

本発明のウォームホイール１０の歯部１２の組成物はポリアミド組成物である。
歯部１２の組成物のポリアミドは少なくとも1種の熱可塑性ポリアミドである。ポリアミドは、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマーまたはより高次のポリマーであってもよい。２つ以上のポリアミドのブレンドを用いてもよい。適するポリアミドは、ジカルボン酸またはジカルボン酸誘導体とジアミンの縮合生成物および／またはアミノカルボン酸および／またはラクタムの開環重合生成物であることが可能である。適するジカルボン酸には、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、イソフタール酸およびテレフタール酸が挙げられる。適するジアミンには、テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、2−メチルペンタメチレンジアミン、２−メチルオクタメチレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、ビス（ｐ−アミノシクロヘキシル）メタン、ｍ−キシリレンジアミンおよびｐ−キシリレンジアミンが挙げられる。適するアミノカルボン酸は１１−アミノドデカン酸である。適するラクタムには、カプロラクタムおよびラウロラクタムが挙げられる。

本発明のウォームホイール１０の歯部１２の組成物は、難燃剤、潤滑剤、離型剤、染料および顔料、酸化防止剤および無機充填剤などの他の添加剤をさらに含んでもよい。

本発明のウォームホイール１０の歯部１２の組成物は、ブレンドが一体的全体を形成するように高分子成分のすべてがよく分散され、非高分子原料のすべてが高分子マトリックスに分散され、高分子マトリックスによって結合されている溶融混合されたブレンドである。本発明の高分子成分および非高分子原料を組み合わせるために、いかなる溶融混合方法を用いてもよい。

本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、ウォームホイール１０の歯部１２の材料としてナイロン系以外のＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）等の熱可塑性合成樹脂材料を用いてもよい。また、ウォームホイール１０の歯部１２の材料である合成樹脂材料に強化繊維が充填されてもよい。強化繊維の充填により、その合成樹脂材料の吸水や熱による寸法変化を防止して寸法安定性を向上できる。その強化繊維としては、一般的なガラス繊維があるがその他に、ウォームホイールに噛み合うウォームの摩耗を防止する上でチタン酸カリウムウィスカーやアラミド繊維等とする場合もある。

（実施例）
ウォームホイール１０の歯部１２の材料として、ＧＦ強化ポリアミド材を使用してシャフトニーダ内で溶融ブレンドし、押し出し、固化し、ペレットに切断した。

発泡剤としては、炭酸アンモニウムや無反応の窒素ガス等の無機系発泡剤や、ベンゼンスルホヒドラジン系、アゾカルボン酸系、ジアゾアセトアミド系、ニトロソ化合物系等の有機系発泡剤が用いられる。上記無機系発泡剤は、ベースレジンとなる合成樹脂材料を溶融状態で金型内に充填後に加圧して吹き込むことにより、連続泡として気泡が生じる（発泡する）ものであり、本発明とは異なる。また、上記有機系発泡剤は、ベースレジンに対して所定量を練り込み、型入れした後に圧縮や加熱を行うことにより、発泡剤を分解してガス（ここでは窒素ガス）を生じさせ、独立泡として気泡が生じる（発泡する）ものであり、強度低下の恐れが少なく強度を要求される機能部材には適している。さらに、本発明のベースレジンの合成樹脂材料中に超臨界状態にした窒素ガスや炭酸ガスを溶け込ませ、金型内で発泡させる構成とする場合、さらに均質な発泡が可能であり、強度低下のない成形が可能である。

超臨界流体による発泡は、超臨界状態により、溶融樹脂の溶解性が高く気泡の結合が発生しにくく、発泡倍率は１．５〜２とし、１〜５０μｍの独立気泡径とすることが容易であり、そのため、強度が低下せず、異常欠陥が発生しにくい。本発明の吸音体では、前記発泡層の発泡倍率は、１．２〜５倍であることが好ましく、より好ましくは１．５〜２倍である。発泡倍率が１．２倍未満の場合は吸音性能が低下して、５倍を超えると吸音体の強度が低下して、例えば、使用時に耐久性が低下して破損する場合がある。また本発明の発泡成形品は、耐疲労特性を有する耐衝撃性の高い熱可塑性樹脂組成物でなるが、その高い耐衝撃性を十分に反映させるためには、発泡成形品中の発泡粒子の平均気泡径が、０．１〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。また、発泡成形品は、高い疲労性をより高める目的で、発泡成形品中の、発泡粒子の平均気泡径を、１〜５００μｍの範囲とすることが好ましく、さらには１〜５０μｍの範囲とすることがより好ましい。

そして、この合成樹脂成形品は、例えば、第1成形部ＰＢ１に応じたキャビテイを有する金型及び第１合成樹脂材料を用いた上述の発泡成形で成形・固化した後に、第２成形部ＰＳ１に応じたキャビテイを有する金型に、第1成形部ＰＢ１を装着し、その後、第２合成樹脂を用いてインサート成形により一体成形することができる。なお、インサート成形の他に、第１成形部ＰＢ１を成形した金型の中、例えば固定型のみを第２成形部ＰＳ１に応じた金型に交換（変更）し、第１成形部ＰＢ１が未排出（未突き出し）状態の移動型との間で第２合成樹脂材料を用いた2色成形を行ってもよい。

図４に発泡成形したウォームホイールの断面図を示す。
図４は、第１成形部ＰＢ１をインサート成形で成形した後、第２合成樹脂を用いて一体成形している。このため、第１成形発泡部により、振動や音を吸収できるので、異音が低減でき、さらに、金属スリーブ１１への伝達が起こりにくいため、ステアリングシャフト３およびステアリングコラム３０への伝達を防止できる。

さらに、上記の合成樹脂成形品においては、多孔質性の第1成形部ＰＢ１を含んでいるため、同等の機械的性質を確保する場合、使用する樹脂の削減及び軽量化を図ることが可能になる。また、発泡成形をおこなうことにより、ベースレジンの量が減ることから冷却／保圧工程を短縮することができ、サイクルタイムを短くすることが可能になるとともに、内部残留応力の減少による寸法精度向上や、インサート成形における異常な局部的残留応力発生の問題の解決に寄与改善できる。さらに、低圧での成形が可能になることから、成形機における型締め力を低下させることができ、結果として、より多数個の同時成形が可能になる。

また、本実施形態では、一次成形で発泡成形を行い、二次成形で一体成形を行っているため、一次成形で成形された第１成形部ＰＢ１の孔に、二次成形時の第２合成樹脂材料が食い込んでアンカー効果を奏するため、密着力を容易に向上させることが可能になる。さらに、本実施形態では、第１合成樹脂材料と第２合成樹脂材料とのベースレジンが同一材料もしくは共通の共重合体で構成されているため、用いる材料の種類を削減できるとともに、リサイクルも容易となりコストダウンを実現することができる。

６ 車輪
８ モータ
９ 金属製ウォーム
１０ ウォームホイール
１１ 金属製スリーブ
ＰＢ１ 第１成形部
ＰＳ１ 第２成形部

Claims (5)

1. 操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、金属製ウォームと、この金属製ウォームに噛み合うウォームホイールとを有する減速ギヤ機構を介して車輪に伝達する電動パワーステアリングにおいて、前記ウォームホイールは、心金としての金属製スリーブと該金属製スリーブを外囲する合成樹脂材料製の歯部からなり、該歯部は第１合成樹脂材料で発泡成形された第１成形部と、発泡性を有しない第２合成樹脂材料により、前記第１成形部と一体的に成形された第２成形部から成ることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記第２成形部は、外部に露出され、ギヤとしての機能する歯部であり、前記第１成形部を外囲して設けられ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。
3. 前記第２成形部はポリアミド樹脂の未発泡材で、前記第１成形部は発泡したポリアミド樹脂で、発泡倍率は１．５〜２とし、１〜５０μｍの独立気泡径とすることを特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記ウォームホイールは金属製スリーブに一体化され、その金属製スリーブが挿入された状態の成形型内に発泡性を有する合成樹脂材料が注入されることにより成形され、その金属製スリーブにおけるそのウォームホイールとの接合部に、そのウォームホイールの歯列が沿う円と同心の歯列が形成され、そのウォームホイールを構成する合成樹脂材料が、その金属製スリーブに形成された歯の間の凹部内に充填されることを特徴とする請求項１から３に記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記成形金型はフィルムゲートで、ゲートの肉厚は２．５ｍｍ以上、フィルム直径は５０ｍｍ以下で成形される請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。