JP2012161893A - 減速ギヤの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型、安価で耐久性に優れた減速機構を提供すること。
【解決手段】例えば鉄製の母材３０の外周３０ａの軸方向Ｘ１の中央部に、周方向に沿って延びる例えば亜鉛製の環状の薄板からなる当て板３２を巻く〔図２（ａ）〕。母材３０と当て板３２とを一体鍛造することにより、歯溝３３内に歯面３４が形成された製造用中間体３５を得る〔図２（ｂ）〕。製造用中間体３５では、当て板３２が母材３０に食い込んでいる。製造用中間体３５を酸性溶液に浸漬することにより、当て板３２のみを溶解する。歯面３４の歯幅方向Ｗ１の中央部に凹部３６が形成された減速ギヤ３１を得る〔図２（ｃ）〕。
【選択図】図２

Description

本発明は、減速ギヤの製造方法に関するものである。

ウォームホイールを、冷間鍛造工程により形成された芯金と、芯金の外周に固定される合成樹脂製のギヤ部とで構成する電動パワーステアリング装置の減速機構が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００７−２５５５２４号公報

近年の電動パワーステアリング装置の高出力化に伴い、減速機構が大型化しており、車両へのレイアウトが非常に厳しくなってきている。特許文献１のように、ウォームホイールのギヤ部として樹脂を用いた場合、強度を満足するためにウォームホイールが大型になる傾向にある。また、高強度に耐え得る樹脂は高価であり、製造コストが高くなる。
そこで、金属ギヤを用いることが考えられる。しかしながら、円筒形のウォーム（例えば横断面歯形が台形であるＪＩＳ３形）と減速ギヤとしての鼓形のウォームホイール（横断面歯形がインボリュートである）とを噛み合わせた場合、両ギヤの接触線とウォームの滑り方向とのなす角度（交差角）が小さい領域において、潤滑油膜が切れ易いという問題がある。したがって、減速ギヤの前記領域において、摩耗や発熱を生じ、耐久性が悪くなるという問題がある。

そこで、本願発明者は、減速ギヤの歯面において、両ギヤの接触線とウォームの滑り方向との交差角が所定値以下の領域に、凹部を設け、当該凹部とウォームとの接触を避けることが好ましいと考えた。しかしながら、アンダーカットを回避しなければならないという制約があるため、減速ギヤを一方向から鍛造する方法では、凹部として所要の深さを確保できない。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、アンダーカットを含む凹部を容易に形成することができる金属製の減速ギヤの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、ウォーム（２０）と噛み合わせるための歯面（３４）を有し、その歯面の歯幅方向（Ｗ１）の少なくとも中央部にウォームホイール歯形を有する金属製の減速ギヤ（３１）を製造する、減速ギヤの製造方法であって、母材（３０）と、前記母材の外周（３０ａ）の軸方向（Ｘ１）中央部に沿わせて配置された当て板（３２）とを一体鍛造して、歯面（３４）を形成する工程と、前記当て板を溶解して、上記歯面の一部に凹部（３６）を形成する工程と、を備える減速ギヤの製造方法を提供する。

また、請求項２のように、前記当て板のイオン化傾向は、前記母材のイオン化傾向よりも高く、前記当て板の溶解には、酸性溶液が用いられる場合がある。
また、請求項３のように、前記当て板の延性は、前記母材の延性よりも低くされている場合がある。
また、前記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

請求項１の発明によれば、一体鍛造によって歯面を鍛造するときに、当て板が母材に食い込む。その食い込んだ当て板を溶解することにより、歯面に凹部を容易に形成することができる。すなわち、歯面の鍛造後に、通常の鍛造のみではアンダーカットとなる部位を含む凹部を、溶解により容易に形成することができる。減速ギヤは、ウォームホイールであってもよいし、例えば、歯幅方向の中央部に、ウォームホイール歯形を有し、残りの部分に、はすば歯形を有するギヤであってもよい。

また、請求項２の発明によれば、酸性溶液によって当て板のみを溶解することができるので、歯面に凹部を容易に形成することができる。母材として例えば鉄（例えばＳ２５Ｃ等の鉄鋼材料）を用いる場合に、当て板として、鉄よりもイオン化傾向の高い、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム等の金属を用いることが可能である。
また、請求項３の発明によれば、鍛造時に、当て板が母材に食い込み易くなるので、形状精度の優れた凹部を得ることができる。母材として、例えば鉄（例えばＳ２５Ｃ等の鉄鋼材料）を用いる場合に、当て板として、鉄よりも延性の低い、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、スズ、鉛等の金属を用いてもよい。母材として、例えば鉄（例えばＳ２５Ｃ等の鉄鋼材料）を用いる場合に、当て板として、鉄よりもイオン傾向が高く且つ鉄よりも延性の低い、アルミニウム、亜鉛等の金属を用いてもよい。

本発明の製造方法により製造された減速ギヤが適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施の形態の減速ギヤの製造方法において各工程を順次に示す概略図である。 母材および当て板を一体鍛造して形成された製造用中間体の要部の概略斜視図である。 製造用中間体の当て板のみを溶解して形成された減速ギヤの要部の概略斜視図である。 凹部を設けない場合の減速ギヤのウォームホイール歯形とウォームの噛み合い状態を示す参考図としての模式的断面図である。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は本発明の一実施の形態の製造方法により製造された減速ギヤ３１が適用された電動パワーステアリング装置１の模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、操舵部材としてのステアリングホイール２と、ステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を操舵する操舵機構４と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と操舵機構４とは、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して機械的に連結されている。

本実施の形態では、操舵補助機構５がステアリングシャフト６にアシスト力（操舵補助力）を与える例に則して説明する。しかしながら、本発明を、操舵補助機構５が後述するピニオン軸にアシスト力を与える構造に適用することも可能である。
ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された入力軸８と、中間軸７に連結された出力軸９とを含む。入力軸８と出力軸９とは、トーションバー１０を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。

ステアリングシャフト６の周囲に配置されたトルクセンサ１１は、入力軸８および出力軸９の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール２に入力された操舵トルクを検出する。トルクセンサ１１のトルク検出結果は、操舵補助のためのモータ制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit ：電子制御ユニット）１２に入力される。また、車速センサ９０からの車速検出結果がＥＣＵ１２に入力される。中間軸７は、ステアリングシャフト６と操舵機構４とを連結している。

操舵機構４は、ピニオン軸１３と、転舵軸としてのラック軸１４とを含むラックアンドピニオン機構からなる。ラック軸１４の各端部には、タイロッド１５およびナックルアーム（図示せず）を介して転舵輪３が連結されている。
ピニオン軸１３は、中間軸７に連結されている。ピニオン軸１３は、ステアリングホイール２の操舵に連動して回転するようになっている。ピニオン軸１３の先端（図１では下端）には、ピニオン１６が設けられている。

ラック軸１４は、自動車の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１４の軸方向の途中部には、前記ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。このピニオン１６およびラック１７によって、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。ラック軸１４を軸方向に移動させることで、転舵輪３を転舵することができる。

ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して、ピニオン軸１３に伝達される。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。
操舵補助機構５は、操舵補助用の電動モータ１８と、電動モータ１８の出力トルクを操舵機構４に伝達するための伝達機構としての減速機構１９とを含む。減速機構１９は、駆動ギヤとしてのウォーム２０と、このウォーム２０と噛み合う減速ギヤ３１とを含む。減速機構１９は、ギヤハウジング２１内に収容されている。ギヤハウジング２１内において、ウォーム２０と減速ギヤ３１との少なくとも噛み合い領域には、グリース等の潤滑剤が充填されており、ウォーム２０および減速ギヤ３１の歯面間には、潤滑剤が介在している。

ウォーム２０は、図示しない継手を介して電動モータ１８の回転軸（図示せず）に連結されている。ウォーム２０は、電動モータ１８によって回転駆動される。また、減速ギヤ３１は、ステアリングシャフト６とは一体回転可能に連結されている。
電動モータ１８がウォーム２０を回転駆動すると、ウォーム２０によって減速ギヤ３１が回転駆動され、減速ギヤ３１およびステアリングシャフト６が一体回転する。そして、ステアリングシャフト６の回転は、中間軸７を介してピニオン軸１３に伝達される。ピニオン軸１３の回転は、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。すなわち、電動モータ１８によってウォーム２０を回転駆動することで、転舵輪３が転舵されるようになっている。

電動モータ１８は、三相ブラシレスモータからなり、モータ制御装置としてのＥＣＵ１２によって制御される。ＥＣＵ１２は、トルクセンサ１１からのトルク検出結果、車速センサ９０からの車速検出結果等に基づいて電動モータ１８を制御する。具体的には、ＥＣＵ１２では、トルクと目標アシスト量との関係を車速毎に記憶したマップを用いて目標アシスト量を決定し、電動モータ１８の発生するアシスト力を目標アシスト量に近づけるように制御する。

次いで、図２（ａ）〜（ｃ）は、減速ギヤの製造工程を順次に示す概略図であり、図３は減速ギヤの製造用中間体の要部の概略斜視図であり、図４は、製造された減速ギヤの要図の概略斜視図である。本発明の製造方法が適用される減速ギヤ３１は、ウォーム２０と噛み合わせるためのウォームホイール歯形を歯面の歯幅方向Ｗ１の少なくとも中央部に有する金属製の減速ギヤである。

本実施の形態では、減速ギヤ３１がウォームホイールである場合に則して説明するが、これに限らず、例えば、歯面の歯幅方向の中央部に、ウォームホイール歯形が形成され、残りの部分に、はすば歯形が形成された減速ギヤを製造する場合に、本発明の減速ギヤの製造方法を適用することもできる。
まず、図２（ａ）に示すように、円柱形状（中心孔を有していてもよい）をなす母材３０の外周３０ａに、周方向に沿って延びる環状の薄板からなる当て板３２を巻く。当て板３２は、母材３０の軸方向Ｘ１の中央部に巻かれる。

次いで、当て板３２が巻かれた母材３０を当て板３２とともに一体鍛造し、図２（ｂ）および図３に示すように、歯溝３３内に歯面３４が形成された製造用中間体３５を得る。その製造用中間体３５では、図３に示すように、一体鍛造によって、当て板３２が母材３０に食い込んだ状態となる。
次いで、製造用中間体３５を酸性溶液に浸漬することにより、図２（ｃ）に示すように、母材３０をそのままにして、母材３０に食い込んだ当て板３２のみを溶解する。これにより、図４に示すように、歯面３４の歯幅方向Ｗ１の中央部に凹部３６が形成された減速ギヤ３１を得る。凹部３６は、減速ギヤ３１の歯先面３７、歯面３４および歯底面３８に跨がるように連続して延びる溝Ｇの一部をなしている。

歯面３４からの凹部３６の深さとしては、例えば２０〜３０μｍ程度が好ましいので、当て板３２としては、薄板が用いられる。薄板であれば溶解もし易い。
当て板３２のみを酸性溶液によって溶解するために、当て板３２のイオン化傾向は、母材３０のイオン化傾向よりも高くされている。例えば、母材３０として例えば鉄（例えばＳ２５Ｃ等の鉄鋼材料）を用いる場合に、当て板３２として、鉄よりもイオン化傾向の高い、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム等の金属を用いることが可能である。

一体に鍛造するときに、当て板３２が母材３０に食い込み易くするためには、母材３０として、鉄（例えばＳ２５Ｃ等の鉄鋼材料）を用いる場合に、当て板３２として、鉄よりも延性の低い、ニッケル、銅、アルミニウム、亜鉛、スズ、鉛等の金属を用いることが好ましい。
また、母材３０として、鉄（例えばＳ２５Ｃ等の鉄鋼材料）を用いる場合に、当て板３２として、鉄よりもイオン傾向が高く且つ鉄よりも延性の低い、アルミニウム、亜鉛等の金属を用いることが好ましい。

本実施の形態によれば、一体鍛造によって歯面３４を鍛造するときに、当て板３２が母材３０に食い込む。その食い込んだ当て板３２を溶解することにより、歯面３４に凹部３６を容易に形成することができる。すなわち、歯面３４の鍛造後に、通常の鍛造のみではアンダーカットとなる部位を含む凹部３６を、溶解により容易に形成することができる。したがって、一方向からの鍛造であっても、最終形状として、十分な深さを有する凹部３６を形成することが可能となる。

また、当て板３２として、母材３０のイオン化傾向よりも高いイオン化傾向を有する材料を用いることにより、、酸性溶液を用いて、当て板３２のみを溶解して、凹部３６を容易に形成することができる。
また、当て板３２として、母材３０の延性よりも低い延性を有する材料を用いることにより、一体鍛造のときに、当て板３２が母材３０に食い込み易くなる。したがって、形状精度の優れた凹部３６を得ることができる。

図５は、凹部３６を設けない場合のウォームホイール歯形を有する歯面３４を有する減速ギヤ３１’とウォーム２０との噛み合い状態を示す参考図としての模式的断面図である。図５では、歯面３４の歯形形状であるウォームホイール歯形とこれに噛み合うウォームとの接触線ＣＬが実線で示されている。また、ウォーム２０の滑り方向Ｓ１が、ウォーム２０の中心軸線を中心とする同心円として一点鎖線で示されている。

図５において、接触線ＣＬと滑り方向Ｓ１とのなす角度Ｂが、閾値Ｂ１以下（Ｂ≦Ｂ１。閾値Ｂ１は、５〜１０°の範囲内の値、例えば１０°に設定される。）となる領域Ｅ１では、潤滑剤による油膜の形成が困難である。
したがって、凹部３６は、領域Ｅ１を含むように形成されることが好ましい。これにより、凹部３６とウォーム２０との噛み合いが回避される。また、凹部３６を除く噛み合い領域では、接触線ＣＬとウォーム２０の滑り方向Ｓ１とのなす角度Ｂが閾値Ｂ１を超えた値（Ｂ≧Ｂ１）となるので、歯面３４全体として油膜切れを生じ難く、円滑な潤滑を確保することができる。したがって、長期にわたって摩耗を抑制して耐久性を格段に向上することができる。

また、図４を参照して、歯面３４のうち凹部３６を除く領域では、歯幅方向Ｗ１に関して凹部３６に近づくほど、図５に示す、接触線ＣＬと滑り方向Ｓ１とのなす角度Ｂが小さくなって油膜切れを生じ易くなる傾向にある。逆に言うと、最も油膜切れを生じ易い領域（図４において、歯幅方向Ｗ１に関する凹部３６の縁部３６ａ，３６ｂおよびその近傍の領域に相当）の最も近くに、潤滑剤が溜まる凹部３６が存在する。したがって、最も油膜切れを生じ易い領域に対して効果的な潤滑が行えるので、全体としての潤滑効果が高い。しかも、歯面３４において凹部３６へは、いわゆる、くさび効果（回転に伴って狭い隙間へ潤滑剤が吸い込まれる現象）によって、潤滑剤が送られ来る傾向にあるので、凹部３６に潤滑剤を潤沢に保持しておくことができる。この点からも、潤滑効果を高くすることができる。

閾値Ｂ１は、図示していないが、ウォームホイール歯形形状にウォームに相当する円筒を線接触させ、その円筒を閾値Ｂ１に相当する角度だけ傾斜させて滑らせたときに、ウォームホイール歯形形状における油膜の形成状況を実験的に求めることにより、好ましい値に決定される。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、母材３０に巻くときの当て板３２は、周方向に対して交互の逆向きに傾斜するジグザグ状を呈していてもよい。その場合、凹部３６の位置を領域Ｅ１により整合させることができる点で好ましい。その他、請求項記載の範囲内で種々の変更を施すことができる。

１…電動パワーステアリング装置、４…操舵機構、５…操舵補助機構、６…ステアリングシャフト、１８…電動モータ、１９…減速機構、２０…ウォーム、３０…母材、３０ａ…外周、３１…減速ギヤ、３２…当て板、３３…歯溝、３４…歯面、３５…製造用中間体、３６…凹部、３６ａ，３６ｂ…縁部、３７…歯先面、３８…歯底面、Ｂ…角度、Ｂ１…閾値、ＣＬ…接触線、Ｓ１…滑り方向、Ｘ１…軸方向、Ｗ１…歯幅方向

Claims (3)

1. ウォームと噛み合わせるための歯面を有し、その歯面の歯幅方向の少なくとも中央部にウォームホイール歯形を有する金属製の減速ギヤを製造する、減速ギヤの製造方法であって、
   母材と、前記母材の外周の軸方向中央部に沿わせて配置された当て板とを一体鍛造して、歯面を形成する工程と、
   前記当て板を溶解して、上記歯面の一部に凹部を形成する工程と、を備える減速ギヤの製造方法。
2. 請求項１において、前記当て板のイオン化傾向は、前記母材のイオン化傾向よりも高く、前記当て板の溶解には、酸性溶液が用いられる減速ギヤの製造方法。
3. 請求項１または２において、前記当て板の延性は、前記母材の延性よりも低くされている減速ギヤの製造方法。

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