JP2014162396A - 電動パワーステアリング装置及び減速ギア機構、並びに減速ギア機構用ギアの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウォームを傷付けず、摺動音の発生も少ない高強度有機繊維を用いつつ、その配合量を抑えて材料コストを下げるとともに、強度の増強を図ったウォームホイールを備え、静音性及び信頼性に優れた減速ギア機構、更にはこのような減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】本発明の電動パワーステアリング装置は、金属製芯管の外周に、樹脂組成物全量に対し、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ、引張弾性率が５０ＧＰａ以上である有機繊維材を１０〜２５質量％、モース硬度が４以下の針状充填材を５〜２０質量％含有する樹脂組成物からなりギア歯を形成した樹脂部を一体化したギアを備える減速ギア機構が組み込まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータの出力を減速して伝達する減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置に関する。また、本発明は、前記減速ギア機構及び該減速ギア機構用ギアの製造方法に関する。

自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置に用いられている減速機構として、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、図１に示すような、電動モータ（図示せず）の回転軸に連結するウォーム３２と、ウォーム３２に噛み合うウォームホイール３１とから構成される減速ギア３０が使用されるのが一般的である。

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３２の両方を金属製とすると、ハンドル操舵時に歯打ち音や振動音等の不快音が発生するため、金属製の芯管４２の外側に、樹脂組成物製で外周面にギア歯４４を形成した樹脂部４３を一体化させたウォームホイール３１を用いて騒音対策を行っている。

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、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のベース樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維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、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等も用いられている。しかし、耐疲労性、寸法安定性やコストを考慮して、近年では、繊維補強材を含有しないＭＣナイロンや、繊維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等が主流になっている（特許文献１参照）。

しかしながら、小型高出力な自動車に搭載するために電動パワーステアリング装置もコンパクトになってきており、それに伴いギア比を大きくとる必要が出てきている、その結果、ウォームホイール３１のギア歯４４と、ウォーム３２の歯との間の接触面圧が増大して大きな摺動音が発生することが問題になりつつある。

このような摺動音対策として、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリアミド等の合成樹脂に強化繊維材を配合した樹脂組成物をエラストマー変性して弾性率を低下させることも行われている（特許文献２参照）。しかし、このエラストマー変性された合成樹脂強化材は、弾性率の低下とともに、引張強度や曲げ強度、疲労強度等も低下しており、樹脂製のギア歯部分に連続して圧縮・引張・曲げ応力が加わる減速ギア３０の信頼性が低下する問題がある。また、繊維強化材も、一般的なウォーム材料である鉄系材料よりも硬質なガラス繊維や炭素繊維を用いており、ウォームの表面に摩耗が発生し、更に摺動音が大きくなることが想定される。ウォームの摩耗を抑えるために、ウォーム表面に硬質処理することも行われているが、コスト増を招く。更に、強化繊維材が剛質なため減衰特性が低く、樹脂組成物全体としても摺動音の低減には限度がある。

また、摺動音対策として本出願人も、鉄系材料に対して傷付性がなく、柔軟性を保持しつつ、高強度化が可能な一定強度以上の有機繊維で強化した樹脂組成物でウォームホイール３１の樹脂部４３を形成することにより、静音性を向上させることを提案している（特許文献３参照）。

特公平６−６０６７４号公報 特開平１０−１４１５７７号公報 特開２００９−２８０１６１号公報

本出願人による特許文献３では、高強度有機繊維としてアラミド繊維等が使用されているが、アラミド繊維等の高強度有機繊維は非常に高価であり、その配合量が増すのに伴って樹脂部４３のコストが増加する。しかも、相当量を配合しても、ガラス繊維や炭素繊維と同等の機械的強度を確保することは困難である。

そこで本発明は、ウォームを傷付けず、摺動音の発生も少ない高強度有機繊維を用いつつ、その配合量を抑えて材料コストを下げるとともに、強度の増強を図ったウォームホイールを備え、静音性及び信頼性に優れた減速ギア機構、更にはこのような減速ギア機構を備え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する。

上記課題を解決するために、本発明は下記を提供する。
（１）電動モータの出力を減速して伝達する減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置の前記減速ギア機構において、
前記減速ギア機構は、金属製芯管の外周に、樹脂組成物からなりギア歯が形成された樹脂部を一体に形成したギアを備え、かつ、
前記樹脂組成物が、樹脂組成物全量に対し、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ、引張弾性率が５０ＧＰａ以上である有機繊維材を１０〜２５質量％、モース硬度が４以下の針状充填材を５〜２０質量％含有す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機構。
（２）前記ギアがウォームホイール、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギア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機構。
（３）電動モータの出力を減速して伝達する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、
前記減速ギア機構が、硬質化処理されていない金属製のウォームと、請求項１または２記載の樹脂組成物からなるウォームギアとから構成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
（４）電動モータの出力を減速して伝達する減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置の前記減速ギア機構のギアの製造方法において、
熱可塑性樹脂をペース樹脂とし、樹脂組成物全量に対し、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ、引張弾性率が５０ＧＰａ以上である有機繊維材を１０〜２５質量％、モース硬度が４以下の針状充填材を５〜２０質量％含有する樹脂組成物を調製する工程と、
前記樹脂組成物を、金属製芯管をコアにしてインサート成形して樹脂部を一体に成形する工程と、
前記樹脂部にギア歯を切削加工する工程と
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の減速ギア機構用ギアの製造方法。

本発明の減速ギア機構では、ウォームホイールの樹脂部を形成する樹脂組成物の繊維補強材が特定強度の有機繊維材であり、ウォームを傷付けることがなく、静音性も良好になる。しかも、有機繊維材とともに針状充填材を併用することにより、有機繊維材の配合量を減らすことができ、材料コストを低減させることもできる。

また、このような減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置も静音性に優れるとともに、高強度で信頼性の高いものとなる。

電動パワーステアリング装置用減速ギアの一例を示す斜視図である。 電動パワーステアリング装置の一例を示す概略図である。 図２に示す電動パワーステアリング装置の減速ギアを示す部分断面図である。 電動パワーステアリング装置の他の例（デュアルピニオン式）を示す概略図である。 ウォームホイールを製造する工程を説明するための図である。 ウォームホイールを製造する工程を説明するための図である。 ウォームホイールを製造する工程を説明するための図である。 減速ギアの他の例（平歯車）を示す斜視図である。 減速ギアの更に他の例（はすば歯車）を示す斜視図である。 減速ギアの更に他の例（かさ歯車）を示す斜視図である。 減速ギアの更に他の例（ハイポイドギア）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。

本発明では電動パワーステアリング装置には制限はなく、例えば図２に示す電動パワーステアリング装置を例示することができる。図示され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、その下部を前方に向けて傾斜した状態に固定されている。また、上部舵輪軸１１ａの上端には、図示されていない舵輪が固定されている。更に、上部舵輪軸１１ａと下部舵輪軸１１ｂとは、図示されていないトーションバーにより結合されており、舵輪から上部舵輪軸１１ａを経て下部舵輪軸１１ｂに伝達される操舵トルクがトーションバーに検出され、検出された操舵トルクに基づいてモータ１３の出力が制御される。モータ１３には減速ギア３０が連結しており、モータ１３の回転がウォーム及びウォームホイールを経て下部舵輪軸１１ｂに伝承される。

また、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、及びラック軸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に示す電動パワ−ステアリング装置１０の減速ギア３０を示す部分断面図であり、上記の樹脂部４３を有するウォームホイール３１と、ウォーム３２がギアケース３３に収納されている。また、ウォーム３２はその両端にウォーム軸３２ａ、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いる。ウォームホイール３１の芯管４２は下部舵輪軸１１ｂに結合し、電動モータ１３の回転はウォーム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。

更には、図４に示される電動パワーステアリング装置１００とすることもできる。図示されるように、この電動パワーステアリング装置１００では、ラック軸１０１と、ステアリング軸（図示せず）に連結する第１のピニオン１０５と、モータ１１０側の第２のピニオン１０６と、減速ギア１３０とを備えている。減速ギア１３０は、モータ１１０のシャフトに連結されたウォームとウォームホイールとから構成されており、第２のピニオン１０６がウォームホイールに固着されている。また、第２のピニオン１０６はラック軸１０６に噛み合っている。

本発明では、上記の減速ギア３０、１３０において、図１に示すような、金属製の芯管４２の外周に、後述する樹脂組成物からなり、その外周端面にギア歯４４を形成した樹脂部４３を一体化したウォームホイール３１を用いる。また、ウォーム３２には制限はなく、従来と同様に金属製とすることができる。

樹脂部４３を形成する樹脂組成物のベース樹脂には、一定以上の耐熱性を有する熱可塑性樹脂を用いる。また、ギア歯に要求される耐疲労性を満足するために、結晶性樹脂が好適である。具体的には、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）等が好適である。ポリアミド樹脂としては、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６等の脂肪族ポリアミド樹脂の他、吸水による寸法変化を優先する場合は、より低吸水性の芳香族ポリアミド樹脂が好適である。尚、芳香族ポリアミド樹脂としては、ポリアミド６Ｔ／６Ｉ等の変性ポリアミド６Ｔ、ポリアミドＭＤＸ６，ポリアミド９Ｔ、ポリアミド４Ｔ等が挙げられる。また、ペース樹脂は、これらの樹脂の混合物であってもよい。

ベース樹脂には、繊維補強材として、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ、引張弾性率が５０ＧＰａ以上である有機繊維材を配合する。このような引張強度及び引張弾性率を満足する有機繊維としては、表１に示すように、パラ系アラミド繊維、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール（またはポリパラフェニレンベンゾビスオキサザール）繊維（ＰＢＯ繊維）、ポリアリレート繊維が挙げられる。尚、パラ系アラミド繊維としては、ポリパラフェニレンテレフタラミドと、ジアミンとを共重合させて延伸性を向上させたコポリパラフェニレン−３，４´−オキシジフェニレンテレフタラミド等が挙げられる。また、ポリアリレート繊維は二価フェノールと芳香族ジカルボン酸との重縮合物である全芳香族ポリエステル繊維のことである。

有機繊維材は補強効果に優れるとともに、鉄系材料よりも柔らかいためウォーム３２を傷付けることもない。また、減衰特性にも優れており、ウォーム３２との摺動音の低減にも効果がある。更には、ガラス繊維を用いた場合に比べて軽量にもなる。

また、有機繊維材は、平均繊維径で６〜２１μｍであることが好ましく、８〜１５μｍであることがより好ましい。平均繊維径が６μｍ未満では、繊維が細すぎて１本当たりの強度が低いため安定した製造が困難となり、大幅なコストアップとなり実用的ではない。一方、平均繊維径が２１μｍを超えると、１本当たりの強度は増すものの、同じ配合量でも本数が減るため、樹脂部全体としての均一な強化が困難になる。

有機繊維材は、樹脂部中でできるだけ長い方が強度的に有利になる。生産性から樹脂組成物を射出成形して樹脂部４３を形成するが、成形に用いるペレットは、有機繊維材は１ｍｍ程度の短繊維（チョップドストランド）がランダムに分散した短繊維ペレット（ペレット長：約３ｍｍ）よりも、有機繊維材がペレットに対して平行に配向している長繊維ペレット（ペレット長：７〜１１ｍｍ程度）の方が、樹脂部中で長い繊維の状態で存在することが可能であるため好ましい。

また、有機繊維材は、ペース樹脂との接着性を向上させるために、ウレタン樹脂やエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂等のサイジング剤で表面処理されていることが好ましい。

更に、有機繊維材の一部に代えて、鉄への傷付性が無く強度が低いものの、耐熱性に優れる高耐熱性有機繊維を配合することもできる。具体的には、メタ系アラミド繊維やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維、ポリイミド（ＰＩ）繊維等を、有機繊維材全量の５〜２５質量％代替することができる。

尚、引張強度が２ＧＰａ以上で、引張弾性率が５０ＧＰａ以上である有機繊維として超高分子慮ポリエチレン繊維やＰＡＮ系炭素繊維があるが、超高分子量ポリエチレン繊維は融点が１４０℃程度であり、使用時に軟化することが想定される。また、ＰＡＮ系炭素繊維は、鉄系材料への傷付性があるとともに、繊維自体が剛直であるために減衰特性に劣る。

但し、上記の有機繊維材は高価であるため、その配合量を樹脂組成物全量の１０〜２５質量％、好ましくは１０〜２０質量％に抑えるとともに、モース硬度が４以下の針状充填材を配合する。有機繊維材の配合量が５質量％未満では、針状充填材を併用したとしても十分な強度が得られず、２５質量％を超えると強度的には有利となるがコスト面では不利となる。

４以下のモース硬度は、鉄のモース硬度よりも低いため、針状充填材がウォーム３２を傷付けることがない。そのため、ウォーム３２は、熱処理等の硬質化処理が不要となり、低コスト化が可能になる。このようなモース硬度を満足する針状充填材としては、表２に示すように、チタン酸カリウムウィスカー、酸化亜鉛ウィスカー（テトラポット状）、塩基性硫酸マグネシウム、炭酸カルシウムウィスカー等が挙げられる。

また、針状充填材は、有機繊維よりも細いもの、具体的には平均繊維径が０．２〜３．０μｍのものが好ましい。樹脂中で有機繊維間に針状充填材が入り込んで補強され、機械的強度が向上する。

また、針状充填材は、ペース樹脂との接着性を向上させるために、シランカップリング剤で表面処理されていることが好ましい。

針状充填材の配合量は、樹脂組成物全量の５〜２０質量％、好ましくは５〜１５質量％である。針状充填材の配合量が５質量％未満では、有機繊維材を上記の配合量に減量したときの補強効果が十分ではない。また、２０質量％を超えると有機繊維材との合計量が多くなりすぎて成形時の流動性が悪くなり、樹脂部４３を均一に精度良く成形することが困難になる。

ベース樹脂には、本発明の効果を損なわない範囲内で、有機繊維財および針状充填材の他にも各種添加剤を配合することができる。中でも、樹脂の熱劣化を防止するために、アミン系酸化防止剤やフェノール系酸化防止剤、ヨウ化銅−ヨウ化カリウム系熱安定剤等が好ましく、特にアミン系酸化防止剤及びヨウ化銅−ヨウ化カリウム系熱安定剤は耐熱性の向上効果が大きいため好ましい。

ウォームホイール３１を製造するには、先ず、図５に示すように、金属製芯管４２の外周面４２ａにショットブラスト処理やローレット加工等により粗面化し、溶剤等で脱脂する。この粗面化処理は、ローレット加工が好ましく、Ｖ字状溝の深さは０．２〜０．８ｍｍ、特に０．３〜０．７ｍｍとすることが適当である。また、外周面４３ａに接着剤を塗布してもよい。次いで、図６に示すように、芯管４２をスプルー５４及びディスクゲート５５を装着した金型に配置し、射出成形機により上記の樹脂組成物を充填して樹脂部４３を成形する。そのため、ベース樹脂は、有機繊維材や針状充填材、添加剤を含んだ状態で射出成形できるような適度の流動性を有するように、分子量を調整することが好ましい。次いで、スプルー５４とディスクゲート５５を切除し、図７に示すような外周に樹脂部４３が形成されたブランク材６７を得る。そして、ブランク材６７の樹脂部４３の外周面４３ａに切削加工によりギア歯４４を形成する。

本発明では減速ギア３０の種類として、図１に示す他にも図８に示すような平歯車、図９に示すようなはすば歯車、図１０に示すようなかさ歯車、図１１に示すようなハイポイドギア等が可能であり、何れも金属製の芯管の外周に、外周面にギア歯が形成された上記樹脂部を一体化した構成からなる。

以下に実施例及び比較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。

（実施例１）
外径６５ｍｍ、幅１６ｍｍのＳ４５Ｃ製の芯管に、溝の深さ０．５ｍｍのローレット加工を施し、脱脂した。この芯管を射出成形金型に入れ、パラ系アラミド繊維（帝人（株）製「テクノーラ チョップドファイバーＴ−３２２ＥＨ」；サイジング処理されたポリパラフェニレンテレフタラミド繊維、繊維径８μｍ、平均繊維長３ｍｍ）を１５質量％、チタン酸カリウムウィスカー（大塚化学製「ティスモＤ−１０２」；エポキシ系シランカップリング処理品、平均繊維径０．３〜０．６μｍ、平均繊維長１０〜２０μｍ）を１０質量％含有させたポリアミド６６樹脂組成物のペレットを用いて射出成形し、スプルー及びディスクゲートを切除して内径６９ｍｍ、外径８５ｍｍ、幅１７ｍｍのブランク材を作製した。そして、切削加工によりブランク材の外周面にギア歯を形成してウォームホイール試験体を得た。

（実施例２）
パラ系アラミド繊維の配合量を２０質量％、チタン酸カリウムウィスカーの配合量を５質量％に変更した以外は、実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を得た。

（比較例１）
樹脂組成物として、ガラス繊維を２５質量％の割合で含有するポリアミド６６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン２０２０ＧＵ５」；銅系熱安定剤添加）を用いた以外は、実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を得た。

（比較例２）
樹脂組成物として、パラ系アラミド繊維のみを１５質量％の割合で含有するポリアミド６６を用いた以外は、実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を得た。

（比較例３）
パラ系アラミド繊維の配合量を２０質量％とした以外は、比較例２と同様にしてウォームホイール試験体を得た。

（比較例４）
樹脂組成物として、シランカップリング剤で表面処理したチタン酸カリウムウィスカーのみを３０質量％の割合で含有するポリアミド６６（大塚化学（株）製「ポチコンＯＮＮ３０ＢＬ」）を用いた以外は、実施例１と同様にしてウォームホイール試験体を得た。尚、この「ポチコンＯＮＮ３０ＢＬ」に含まれるチタン酸カリウムウィスカーは、実施例１で用いたチタン酸カリウムウィスカー「ティスモＤ−１０２」と同等品である。

そして、ウォームホイール試験体を電動パワーステアリング装置（但し、ウォームは鉄系で硬質化処理せず）の実機に組み込み、無音響室に入れ、発生する騒音を指向性マイクで録音し、ＦＦＴ解析を実施した。その際、回転数は２７０ｄｅｇ／ｓにて、５００〜１０００Ｈｚの周波数帯での平均騒音レベル（ＰＯＡ）を測定した。結果を表３に示す。

また、各樹脂組成物を用いて曲げ弾性率用、引張強度用及びシャルビー衝撃用の試験片を作製し、曲げ弾性率、引張強度及びシャルビー衝撃強さを測定した。結果を表３に示す。

実施例のようにパラ系アラミド繊維とチタン酸カリウムウィスカーとを併用することにより、比較例２〜４のようにパラ系アラミド繊維のみを配合した場合に比べて、機械的強度に優れるとともに摺動音も低下している。これは、細いチタン酸カリウムウィスカーがパラ系アラミド繊維間に入り込み、より補強された結果であると考えられる。また、パラ系アラミド繊維及びチタン酸カリウムウィスカーは共に鉄よりもモース硬度が低いため、ウォームに傷も発生していなかった。

一方、比較例１のようにガラス繊維を用いると、機械的強度が高まるものの静音性に劣り、ウォームに傷が生じていた。比較例２、３のようにパラ系アラミド繊維のみを配合した場合は、実施例に比べて機械的強度が低くなっており、摺動音も若干高くなっている。比較例４から、チタン酸カリウムウィスカーが摺動音の低下に効果があることがわかるが、パラ系アラミド繊維に比べると減衰特性に劣るため、比較例２、３よりも摺動音の低下の度合が小さくなっている。

３０ 減速ギア
３１ ウォームホイール
３２ ウォーム
４２ 芯管
４３ 樹脂部
４４ ギア歯

Claims (4)

1. 電動モータの出力を減速して伝達する減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置の前記減速ギア機構において、
   前記減速ギア機構は、金属製芯管の外周に、樹脂組成物からなりギア歯が形成された樹脂部を一体に形成したギアを備え、かつ、
   前記樹脂組成物が、樹脂組成物全量に対し、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ、引張弾性率が５０ＧＰａ以上である有機繊維材を１０〜２５質量％、モース硬度が４以下の針状充填材を５〜２０質量％含有す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機構。
2. 前記ギアがウォームホイール、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギア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機構。
3. 電動モータの出力を減速して伝達する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、
   前記減速ギア機構が、硬質化処理されていない金属製のウォームと、請求項１または２記載の樹脂組成物からなるウォームギアとから構成されていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
4. 電動モータの出力を減速して伝達する減速ギア機構を備える電動パワーステアリング装置の前記減速ギア機構のギアの製造方法において、
   熱可塑性樹脂をペース樹脂とし、樹脂組成物全量に対し、引張強度が２ＧＰａ以上で、かつ、引張弾性率が５０ＧＰａ以上である有機繊維材を１０〜２５質量％、モース硬度が４以下の針状充填材を５〜２０質量％含有する樹脂組成物を調製する工程と、
   前記樹脂組成物を、金属製芯管をコアにしてインサート成形して樹脂部を一体に成形する工程と、
   前記樹脂部にギア歯を切削加工する工程と
   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の減速ギア機構用ギアの製造方法。

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