JP2013130211A - 電動パワーステアリング装置用減速ギア - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、ウォームホイールの樹脂部の強度や吸水寸法安定性の更なる向上を図る。
【解決手段】ポリアミド６を含むベース樹脂に繊維状強化材を配合してなり、かつ、２３℃における曲げたわみ量が３〜４ｍｍで、吸水寸法変化量が４０μｍ以下である繊維強化ポリアミド樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部と、金属製芯管とを一体化してなる従動歯車を備える電動パワーステアリング装置用減速ギア。
【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。

現在、車両用の電動パワーステアリング装置は、パワーアシスト部として取り付けられる電動モータの取り付け位置によってコラムタイプ電動パワーステアリング、ラックタイプ電動パワーステアリング等に分けられている。また、電動パワーステアリング装置は、大型車向けにはラックタイプ電動パワーステアリング、小型車向けにはピニオンタイプ電動パワーステアリングまたはコラムタイプ電動パワーステアリングというように、モータ出力の大きさによっても分けられている。

これら電動パワーステアリング装置では、電動モータに比較的高速回転、低トルクのものが使用されているため、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、平歯車やその他の歯車を使用した減速ギアも知られているが、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、ウォームとウォームホイールとから構成される減速ギアが一般的である。後者の減速ギアでは、電動モータの回転軸に連結される駆動歯車であるウォームと、ウォームに噛み合う従動歯車であるウォームホイールとから構成される。

このような減速ギアでは、ウォームホイールとウォーム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があった。近年は、車体自体の静音性が高まっていることから、特に小型車向けのピニオンタイプ電動パワーステアリングやコラムタイプ電動パワーステアリングでは、ハンドル操作時の静音性が求められている。とりわけ、コラムタイプ電動パワーステアリングでは、運転席に近い位置に配置されるため、より静音性が求められている。

そのため、ウォールを金属製とした場合、ウォームホイールに、金属製芯管に、合成樹脂からなり、外周面にギア歯を形成した樹脂部を一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。樹脂部には、例えば特許文献１に記載されているような耐疲労性、寸法安定性、製造コストを考慮してＭＣ（モノマーキャスト）ナイロンや、ガラス繊維を配合して強化したガラス繊維強化樹脂組成物が広く使用されている。また、コラムタイプ電動パワーステアリングでは、構造上、耐熱性や耐水性が強く要求されることが無かったため、ＭＣナイロンや、ガラス繊維を２０〜３０質量％配合したガラス繊維強化ポリアミド組成物が使用されてきた。

特公平６−６０７７４号公報

しかしながら、近年では電動パワーステアリング装置の更なる小型化及び高出力化の要求が強く、それに伴いウォームホイールの樹脂部の強度や、吸水による寸法変化を小さくすることが要求されている。また、車両の使用環境も広がっており、コラムタイプ電動パワーステアリングであってもより厳しい環境下に曝されるようになってきた。

このような状況に対し、ＭＣナイロンやガラス繊維強化ポリアミド組成物等の従来の樹脂部材料では強度不足が懸念される。また、更なる小型化に伴って吸水寸法変化の許容幅もより厳しくなり、これまでの許容幅であっても電動パワーステアリング装置が機能しなくなるおそれもある。そこで本発明では、ウォームホイールの樹脂部の強度や吸水寸法安定性の更なる向上を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の電動パワーステアリング装置用減速キアを提供する。
（１）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、
ポリアミド６を含むベース樹脂に繊維状強化材を配合してなり、かつ、２３℃における曲げたわみ量が３〜４ｍｍで、吸水寸法変化量が４０μｍ以下である繊維強化ポリアミド樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部と、金属製芯管とを一体化してなる従動歯車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。
（２）繊維強化ポリアミド樹脂組成物における繊維状強化繊維がガラス繊維であり、その含有量が３８〜４５質量％であることを特徴とする上記（１）記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
（３）ガラス繊維の繊維径が９〜１５μｍで、繊維長が１００〜９００μｍであることを特徴とする上記（２）記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。

本発明の電装パワーステアリング装置用減速ギアでは、ウォームホイールの樹脂部が、吸水による寸法変化量を４０μｍ以下に抑えられており、更に曲げたわみ量が３〜４ｍｍに規定されていることから、高温や低温に繰り返し曝されても弾性特性が良好に維持され。亀裂等の発生が抑えられて耐久性も高まる。また、ポリアミド６は、耐疲労性に優れるという利点もある。そのため、減速ギアの耐久性が増し、電動パワーステアリング装置の更なる小型化及び高出力化に大きく寄与する。

本発明の減速ギアの一例（円筒ウォームギア）を示す斜視図である。 本発明の減速ギアの他の例（平歯車）を示す斜視図である。 本発明の減速ギアの更に他の例（かさ歯車）を示す斜視図である。 本発明の減速ギアの更に他の例（ハイボイドギア）を示す斜視図である。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

本発明の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」という。）は、ウォームが金属製で、ウォームギアが金属製芯管に、外周面にギア歯を形成した樹脂部を一体化させている。ギア種類に制限はなく、従来から使用されているものを対象とすることができる。例えば図１に示す円筒ウォームギア、図２に示す平歯車、図３に示すかさ歯車、図４に示すハイボイドギアを例示することができる。何れの図においても、減速ギア２０は、金属製芯金１と、外周にギア歯１０が形成された樹脂部３とを一体化したウォームホイール１１と、金属製のウォーム１２とから構成されている。また、金属製芯金１と樹脂部３とは、接着剤層８により接合されていてよい。

本発明では、樹脂部３を、ポリアミド６を含むベース樹脂に繊維状強化材を配合した繊維強化ポリアミド樹脂組成物で形成する。ポリアミド６は、低吸水性で、耐疲労性や曲げ特性に優れる樹脂であり、ベース樹脂の主成分（即ち樹脂全量の５０質量％以上）とする。ポリアミド６以外の樹脂としては、ポリアミド４６やポリアミド６１０、ポリアミド６１２、ポリアミド１２、ポリアミド１１、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド６Ｉ６Ｔ、変性ポリアミド６Ｔ等の他のポリアミド樹脂が挙げられる。また、潤滑のためにグリースが使用されるが、グリースとの濡れ性を改善するために、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い。更には、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等のゴム状物質を配合してもよい。

また、ベース樹脂は、繊維状補強材を含有した状態で成形可能であるように、好ましくは生産性に優れる射出成形に適するように、数平均分子量で１３０００〜３００００であることが好ましく、より好ましくは成形性を考慮して１３０００〜２００００である。数平均分子量が３００００を超えると、繊維状補強材を含有した状態での溶融粘度が高くなりすぎて、歯車を精度よく成形することが困難になる。

更に、ベース樹脂には、成形時及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。

繊維状補強材としては、ガラス繊維が好ましい。また、繊維強化ポリアミド樹脂組成物におけるガラス繊維の含有量は、３８〜４５質量％が好ましく、４０〜４２質量％がより好ましい。本発明では、高温及び低温での弾性特性を考慮して、繊維強化ポリアミド樹脂組成物の２３℃における曲げたわみ量を３〜４ｍｍ、更に寸法安定性を考慮して吸水寸法変化量を４０μｍ以下とするが、ガラス繊維の含有量が３８質量％よりも少ない場合は補強効果が十分ではなく、曲げたわみ量が４ｍｍを超えてトルク効率が悪くなるとともに、吸水寸法変化量も４０μｍを超えてしまう。吸水寸法変化が大きくなると、ウォーム１２を圧迫して操舵性が悪化し、最悪の場合には操舵不能になる。一方、ガラス繊維の含有量が４５質量％を超える場合は硬質になりすぎて曲げたわみ量が３ｍｍ未満となり、弾性不足によち樹脂部３に亀裂が発生するようになる。また、歯打と音等の不快音が発生するようになる。

ガラス繊維の繊維径は９〜１５μｍ、繊維長は１００〜９００μｍであることが好ましい。このような繊維径及び繊維長のガラス繊維を用いることで、補強効果がより高まる。

また、ガラス繊維は、ベース樹脂との密着性を高めるために、シランカップリング剤等により表面処理することも好ましい。

更に、ガラス繊維の一部を炭素繊維等の他の繊維状物、チタン酸カリウムウィスカー等のウォスカー状物で代替してもよい。

ウォームホイール１１を製造する方法は制限されるものではなく、例えば次の工程を行う。先ず、金属製芯金１の外周面にクロスローレット加工を施し、溶剤で脱脂した後、この金属製芯管１の外周面に接着剤層８を形成する。次いで、スプルー及びディスクゲートを装着した金型に配置し、射出成形機により繊維補強ポリアミド樹脂組成物を充填して樹脂部３を成形する。その後、不活性ガス雰囲気中等で誘導加熱（芯管部加熱温度：２００〜４５０℃）して熱処理を行う。そして、樹脂部３の外周面に、切削加工により所定形状のギア歯１０を形成してウォームホイール１１が得られる。

尚、潤滑のために使用されるグリースには制限はないが、例えば鉱油やポリαオレフィン、アルキルジフェニルエーテルを基油とし、金属石けんやウレア化合物を増ちょう剤とし、軟化点が７０〜１３０℃の炭化水素系ワックス等を添加したグリースを使用することができる。

以下に試験例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試行例１）
平均直径１０μｍ（直径９〜１１μｍの範囲のガラス繊維が含まれる）で、平均繊維長さ６００μｍのガラス繊維を３５重量％含有するポリアミド６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン」、銅系添加剤含有）を用い、下記に示す（１）曲げたわみ試験用の矩形試験片（厚さ３ｍｍ）を成形した。

また、溝深さ０．５ｍｍのローレット加工を施し、脱脂した外径６５ｍｍ、幅１６ｍｍのＳ４５Ｃ製の芯管をコアとし、上記と同じ平均直径１０μｍのガラス繊維を３５重量％含有するポリアミド６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン」、銅系添加剤含有）をインサート成形した。得られた成形品の樹脂部は、切削代を残したはすば形状を有し、内径６４ｍｍ、外径８３ｍｍ、幅１５．５ｍｍであった。そして、樹脂部の歯を更に切削加工し、最終的にウォームホイール形状に仕上げ、ウォームホイール試験体を得た。

（試行例２）
ガラス繊維含有量を４０質量％にした以外は試行例１と同様にして、矩形試験片及びウォームホイール試験体を作製した。

（試行例３）
ガラス繊維含有量を４８質量％にした以外は試行例１と同様にして、矩形試験片及びウォームホイール試験体を作製した。

（試行例４）
平均直径１０μｍ（直径９〜１１μｍの範囲のガラス繊維が含まれる）で、平均繊維長６００μｍのガラス繊維を３５重量％含有するポリアミド６６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン６６」、銅系添加剤含有）を用いた以外は試行例１と同様にして、矩形試験片及びウォームホイール試験体を作製した。

（試行例５）
ガラス繊維含有量を４０質量％にした以外は試行例４と同様にして、矩形試験片及びウォームホイール試験体を作製した。

（試行例６）
ガラス繊維含有量を４８質量％にした以外は試行例４と同様にして、矩形試験片及びウォームホイール試験体を作製した。

そして、作製した矩形試験片及びウォームホイール試験体を用いて下記（１）曲げたわみ試験、（２）寸法安定性試験、（３）耐久性試験及び（４）熱衝撃試験を行った。結果を表１に示す。
（１）曲げたわみ試験
ＡＳＴＭ法Ｄ７９０（２３℃、スパン間距離５０ｍｍ）にて曲げたわみ量を測定した。
（２）寸法安定性試験
ウォームホイール試験体を、下記条件Ａまたは条件Ｂの下に放置し、７０時間、３００時間または５００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を超えるものを不合格「×」とした。
・条件Ａ：６０℃、９０％ＲＨ
・条件Ｂ：８０℃、９０％ＲＨ
（３）耐久性試験
ウォームホイール試験体を実際の自動車減速ギアに組み込み、操舵操作を繰り返し行った。そして、所定操舵回数毎に摩耗量を測定し、１０万回の操舵操作を行っても規定の摩耗量以下の場合に合格とした。
（４）熱衝撃試験
ウォームホイール試験体を５個、熱衝撃試験機に入れ、１２０℃で３０分保持及び−４０℃で３０分保持を１サイクルとする熱負荷を与え、５０サイクル毎に芯管と樹脂部との境界を観察して亀裂の発生の有無を確認した。

表１に示すように、（１）曲げたわみ試験及び（４）熱衝撃試験から、試行例１、２、４、５では曲げたみ量が３ｍｍ以上で、熱衝撃試験でも５００サイクルで芯管と樹脂部との境界に亀裂の発生も見られず、良好な弾性特性が得られている。これに対してガラス繊維含有量が４８質量％である試行例３、６は、曲げたわみ量が３ｍｍ未満であり、熱衝撃試験でも４００サイクルで亀裂が生じていることから、弾性特性に劣っている。このことから、弾性特性を有効に発現させるには、曲げたわみ量を３ｍｍ以上にする必要があることがわかる。

また、（２）寸法安定性試験から、ガラス繊維含有量が増すほど吸水寸法変化量が抑制される傾向にあり、試行例１、４のようにガラス繊維含有量が３５質量％では、長時間経過後の吸水寸法変化量が４０μｍを越えるようになり、寸法安定性に劣っている。一方、試行例２、３、４、５のようにガラス繊維含有量が４０質量％以上になると吸水寸法変化量を長期にわたり４０μｍ以下に抑えることができるようになる。このことから、ウォームギアとしての機能を低下させることのない吸水寸法変化量に抑えるには、ガラス繊維含有量が３５質量％では不十分であることがわかる。また、試行例１、３のように、曲げたわみ量が４μｍを超えると、吸水寸法変化量も多くなることがわかる。

また、（３）耐久性試験から、試行例２と試行例５は、ガラス繊維含有量が４０質量％で同じであるが、ベース樹脂がポリアミド６である試行例２の方が、ベース樹脂がポリアミド６６である試行例５よりも耐久性に優れている。試行例３と試行例６との比較からも同様のことが言える。このことから、ベース樹脂として、ポリアミド６６よりもポリアミド６を用いる方が耐久性に優れることがわかる。

以上のことから、ペース樹脂にポリアミド６を用い、曲げたわみ量が３〜４ｍｍで、吸水寸法変化量が４０μｍ以下のときに、耐熱衝撃性及び耐久性に優れるようになることがわかる。また、ガラス繊維の含有量が４０質量％のときに、曲げたわみ量、吸水寸法変化量、耐衝撃性及び耐久性を最もバランスよく満足することがわかる。

１ 金属製芯管
３ 樹脂部
８ 接着剤層
１０ ギア歯
１１ ウォームホイール
１２ ウォーム
２０ 減速ギア

Claims (3)

1. 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、
   ポリアミド６を含むベース樹脂に繊維状強化材を配合してなり、かつ、２３℃における曲げたわみ量が３〜４ｍｍで、吸水寸法変化量が４０μｍ以下である繊維強化ポリアミド樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部と、金属製芯管とを一体化してなる従動歯車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。
2. 繊維強化ポリアミド樹脂組成物における繊維状強化繊維がガラス繊維であり、その含有量が３８〜４５質量％であ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。
3. ガラス繊維の繊維径が９〜１５μｍで、繊維長が１００〜９００μｍであることを特徴とする請求項２記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。

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