JP2014162414A - 電動パワーステアリング装置用ギヤボックス及びそのカバー、並びに電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置に使用される樹脂製ハウジングにおいて、強度、剛性を維持しつつ、寸法安定性を向上し、軽量化したハウジングを提供する。
【解決手段】ハウジングは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも一つからなる連続繊維を１０〜７５質量％含有する熱硬化性樹脂或いは熱可塑性樹脂からなる連続繊維強化樹脂を芯材とし、その芯材に平均繊維長０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下、平均繊維径３〜３０μｍの長繊維を１０〜５０質量％含有する熱可塑性樹脂からなる長繊維強化樹脂をインサート成形する事により形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の減速機を収納するギヤボックス並びにそのカバーの改良に関する。

電動パワーステアリング装置は、自動車の運転者によってステアリングホイールを介してステアリング軸に操舵トルクが入力された場合に、前記操舵トルクを補助する補助トルクとして電動モータの出力を減速歯車機構を介してステアリング軸に伝達することで、運転者の操舵を補助する装置である。電動パワーステアリング装置の一例を図１に示す。
図１に示すようなラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置１００において、減速歯車機構３０を収納するギヤボックス３３は、従来よりアルミニウム合金等の金属により形成されている。
近年、自動車の省資源、省エネルギー、ＣＯ_２低減を目的とした低燃費化が要求される中で、電動パワーステアリング装置についても更なる軽量化が求められるようになってきた。
従来、金属によって形成されている電動パワーステアリング装置のギヤボックスの軽量化を図るには、従来の金属よりも比重の小さい、樹脂材料を用いることが考えられるが、樹脂材料は、耐衝撃性及びクリープ特性、剛性が金属材料に及ばない為、衝撃による破損や、ボルト締結部の変形及びクリープによるボルト緩み、等を生じるおそれがあり、形状や締結方法をそのままに材質のみを樹脂材料に置換しても、実用は非常に困難である。
上記問題に関する先行技術として、引用文献には、電動パワーステアリング装置における操舵状態検出センサを収納するセンサハウジングと減速機を収納するギヤハウジングから構成されるハウジングを樹脂材料で形成し、センサハウジングとギヤハウジングとをレーザ溶着により一体化させることにより、軽量化と、樹脂部品同士のボルト締結を廃する発明が記載されている。

特開２００９−２９８２４６号公報

しかしながら、上記引用文献に記載の発明においては、センサハウジングとギヤハウジングを全てポリアミド系樹脂材料、又は、強化繊維を充填した繊維強化ポリアミド系樹脂で形成しているため、寸法安定性が悪く、吸水による変形を生じる為、長期間の使用で品質が悪化するおそれがあるという課題があった。

本発明はそのような課題を解消する為になされたものであり、電動パワーステアリング装置の減速機ハウジングとそのカバーについて、強度と剛性を従来のアルミニウム合金製ハウジング及びカバーと同等以上とし、且つ、軽量化し、更に寸法安定性を向上することで、燃費の軽減に貢献し、耐久性の高い電動パワーステアリング装置用のギヤボックス及びそのカバーを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、運転者の操舵により回転するステアリング軸から前記運転者の操舵状況をセンサにより検出し、前記操舵状況の検出結果より電動モータを回転させ、前記電動モータの回転力を減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置の、前記センサと、前記減速歯車機構との少なくとも一方を格納するハウジングであって、
前記ハウジングは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも一つから構成される連続強化繊維を１０〜７５質量％含有する熱硬化性樹脂或いは熱可塑性樹脂からなる連続繊維強化樹脂を芯材とし、前記芯材に平均繊維長０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下、且つ、平均繊維径３〜３０μｍの強化繊維を１０〜５０質量％含有する熱可塑性樹脂をインサート成形する事により、形成されることを特徴としている。
また、本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用ハウジングであって、
前記連続繊維強化樹脂及び長繊維強化樹脂のマトリックスは、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、芳香族ＰＡに代表されるポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂の何れかであることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置用ハウジングであって、減速歯車機構の回転軸を支持する部材として、環状の金属製芯金がインサート成型によって内蔵されることを特徴としている。
また、本発明の請求項４に記載の発明は、運転者の操舵により回転するステアリング軸から前記運転者の操舵状況をセンサにより検出し、前記操舵状況の検出結果より電動モータを回転させ、前記電動モータの回転力を減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置であって、
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電動パワーステアリング装置用ハウジングが用いられていることを特徴としている。

本発明によれば、電動パワーステアリング装置用のハウジングについて、従来のアルミ合金製ハウジングと同等以上の強度、剛性、及び耐衝撃性を維持しつつ、軽量化が可能であり、低燃費に貢献する電動パワーステアリング装置用ハウジングを提供することが可能である。

本発明に記載の電動パワーステアリング装置の一構成例を示す図である。 図１の電動パワーステアリング装置の歯車減速機構の構成を示す部分断面図である。 図２の歯車減速機構の別方向断面を示す部分断面図である。

以下に、本発明の実施形態を、図を基に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置１００の一例を示すものである。運転者の操舵入力は、ステアリングホイール１０を介してステアリング軸１１に伝えられる。ステアリング軸１１は、図示しないトーションバーで連結された上部軸１１ａと下部軸１１ｂとで構成されており、略筒状のステアリングコラム１２の内部に、軸心を中心に回転自在に支持されている。ステアリングコラム１２は下部を車両の前方に向けて傾斜させた姿勢で、車室内部の所定位置に固定されている。ステアリング下部軸１１ｂには、操舵トルクを補助するための補助トルクを下部軸１１ｂに供給する操舵補助機構が連結されており、この操舵補助機構は、下部軸１１ｂに連結された例えばウォームギヤで構成される歯車減速機構３０と、補助トルクを出力し歯車減速機構３０に供給する電動モータ１３と、を備えている。

ここで、減速歯車機構３０の構成を、図２、図３を基に説明する。減速歯車機構３０は、下部軸１１ｂの外周に嵌合されたウォームホイール３１と、ウォームホイール３１と噛み合うウォーム３２とを備えている。ウォーム３２の両端にはウォーム軸３２ａ，３２ｂが一体的に形成されており、これらウォーム軸３２ａ，３２ｂはそれぞれ、ギヤボックス３３に圧入固定された転がり軸受３４ａ，３４ｂによって回転自在に支持されている。また、ギヤボックス３３には、例えばボルト締結等の手段により電動モータ１３が取り付けられており、この電動モータ１３の駆動軸１３ａとウォーム軸３２ｂとが、例えばスプライン結合又はセレーション結合している。

ウォームホイール３１は下部軸１１ｂと連結しているので、電動モータ１３の回転（補助トルク）が、ウォーム３２及びウォームホイール３１を介して減速されつつ下部軸１１ｂに伝達されることとなる。
運転者によってステアリングホイール１０に操舵トルク（回転力）が入力されると、ステアリング軸１１が回転するが、この操舵トルクはトーションバーにより検出される。そして、検出された操舵トルクに基づいて、電動モータ１３の出力（操舵を補助する回転力）が制御される。電動モータ１３の出力（補助トルク）は減速歯車機構３０により減速されつつ、ステアリング軸１１の下部軸１１ｂに供給され、前記操舵トルクと合わされる。そして、このステアリング軸１１の回転に伴ってピニオン２２が回転し、このピニオン２２の回転が図１のラックアンドピニオン機構２０によってラック２１の左右方向のスライド運動に変換され、転舵輪が駆動されて自動車が操舵される。

ここで、ギヤボックス３３について、図２、図３参照しながらさらに詳細に説明する。前述したように、ハウジング部材３３Ａ及びカバー部材３３Ｂはいずれも、金属製のスリーブ３８と、連続繊維強化樹脂製の芯材３６Ａ、３６Ｂをインサートとした長繊維強化樹脂材料のインサート成形によって製造されたものであり、スリーブ３８の表面の一部が長繊維強化樹脂で覆われている。

歯車減速機構３０は、ステアリングコラム１２に連続して設けられたギヤボックス３３に収容されている。詳述すると、略筒状のハウジング３３Ａの内部に歯車減速機構３０が収容され、ハウジング３３Ａの開口部がカバー３３Ｂによって覆われている。そして、ハウジング３３Ａとカバー３３Ｂとは、ボルト３３Ｃによって締結され一体化されている。
ハウジング３３Ａは、図３に示すように減速歯車の回転軸を支持する軸受３５ａ、３５ｂと、軸受の外径と嵌合する金属製のスリーブ３８と、連続繊維強化樹脂からなる芯材３６Ａ、３６Ｂと、長繊維強化樹脂からなるボルト締結部３７から構成される。ハウジング３３Ａ、カバー３３Ｂは、スリーブ３８の外径面に、長繊維強化樹脂をインサート成形した、軸受支持部３３１と、連続繊維強化樹脂からなる芯材３６Ａ、３６Ｂを、インサートとして用いて長繊維強化樹脂でインサート成形し、ボルト締結部３７を前記軸受支持部３３１と、芯材３６Ａ、３６Ｂとを一体化して成型することで得られる。

以下に、ハウジング３３Ａに使用される樹脂組成物及び金属について説明する。なお、カバー３３Ｂについても同様の構成により形成される。
軸受支持部３３１のスリーブ３８の材質は特に限定されるものではないが、例えばＷＳ５３Ｃ等の機械構造用炭素鋼やＳＵＪ２等の軸受鋼、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４１０等のステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金等の軽金属を使用することができる。特に、軽量化の観点から、アルミニウム合金、マグネシウム合金が好適である。なお、スリーブ３８の外形面は、樹脂材料との密着性を高めるために、粗面化することが好ましい。粗面化の方法は特に限定されるものではないが、ショットブラストや化学エッチングが好適である。
また、スリーブ３８の外形面には接着剤を含有する接着剤層を設けておくことが好ましい。そうすることにより、インサート成型時に、スリーブ３８と樹脂材料とがより強固に接着され、ハウジング３３Ａとしての寸法安定性が良好なものとなる。

次に、接着剤層について説明する。接着剤層は単層でも差し支えないが、複数の接着剤層を積層してなるものでもよい。複数の接着剤層を積層する場合には、スリーブ３８の表面上に形成する下層には、フェノール樹脂とエポキシ樹脂の少なくとも一方を含有する接着剤を用いることが好ましい。また、接着剤の代わりに、プライマーとしてカップリング剤を用いてもよい。そして、下層の上側に積層される上層には、フェノール樹脂を含有する接着剤を用いることが好ましい。

ポリアミド樹脂とフェノール樹脂は相溶性が良好であるため、樹脂材料の樹脂成分としてポリアミド樹脂を用いた場合には、接着剤層の上層にフェノール樹脂系接着剤を用いると、スリーブ３８と樹脂材料とがフェノール樹脂系接着剤によって非常に強固に接着される。よって、スリーブ３８の表面を粗面化しなくても、十分に強固な接着力が得られる。ただし、スリーブ３８の表面を粗面化した方が、接着力がより高くなることは勿論である。

下層に使用する接着剤に含有されるフェノール樹脂は、具体的にはレゾール型フェノール樹脂が好ましく、フェノール類とホルムアルデヒドとを塩基性触媒の存在下で反応させることによって得られる。
また、下層に使用する接着剤に含有されるエポキシ樹脂は、具体的にはグリシジル型のものが好ましく、エピクロロヒドリンと活性水素化合物とから得られる。この活性水素化合物としては、フェノール誘導体類，グリコール類，有機酸類，アミン類等があげられるが、接着剤としての保存安定性やコスト面を考慮するとフェノール誘導体が好適である。なお、下層に使用する接着剤の具体例としては、ロードファーイースト社製のＸＰＪ−６０があげられる。

さらに、接着剤の代わりにプライマーとして使用するカップリング剤の種類は、特に限定されるものではないが、シラン系，クロム系，チタネート系，アルミネート系のカップリング剤が好ましい。ただし、現在はシラン系カップリング剤が主流である。シラン系カップリング剤は、金属製のスリーブ３３１ａと結合するシラノール基を分子の一端に有し、樹脂材料（又は上層）と結合可能な有機官能基を分子の他端に有している。

本発明においては、各種樹脂材料に対する反応性の高さから、シラン系カップリング剤の中でもアミノシラン系カップリング剤が特に好適である。アミノシラン系カップリング剤としては、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシランが好適である。なお、アミノシラン系カップリング剤の具体例としては、信越シリコーン株式会社製のＫＢＰ−４０やＫＢＰ−４３があげられる。

下層を形成する際には、イソプロピルアルコール，メチルエチルケトン，メチルイソブチルケトン等の有機溶剤、又はこれらの混合溶剤に、前記接着剤を０．５〜２０質量％の濃度になるように溶解させた有機溶剤溶液を用いることができる。また、接着剤の代わりにカップリング剤を用いる場合には、０．１〜２．０質量％の濃度になるように、前記カップリング剤を水，アルコール，又は水とアルコールの混合溶剤で希釈して用いることができる。

そして、接着剤の有機溶剤溶液又はカップリング剤の希釈液を、浸漬、噴霧、塗付（刷毛塗り）等の方法によりスリーブ３８の表面に配して、厚さ０．５〜５μｍの膜状とし、室温下で乾燥した後に、例えば１５０〜２５０℃で５〜３０分間乾燥・硬化させると、下層がスリーブ３３１ａに焼き付けられる。
一方、上層に使用する接着剤としては、レゾール型フェノール樹脂を主成分とする接着剤組成物を、５〜４０質量％の固形分濃度で有機溶剤に溶解させた有機溶剤溶液を用いることが好ましい。レゾール型フェノール樹脂を主成分とする接着剤組成物としては、例えば、ロードファーイースト社製のＴＳ１６７７−１３や、東洋化学研究所製のメタロックＮ−１５、メタロックＮ−２３（若干量のエポキシ樹脂を含有する）があげられる。

そして、この有機溶剤溶液を、浸漬、噴霧、塗付（刷毛塗り）等の方法によりスリーブ３８の表面に配して、厚さ０．５〜５μｍの膜状とし、室温下で乾燥した後に、例えば１００〜１５０℃で数分〜３０分間乾燥・硬化させると、インサート成形時の高温高圧の溶融樹脂によって流失されない程度の半硬化状態で、上層がスリーブ３８に焼き付けられる。そして、インサート成形時の溶融樹脂からの熱、さらには、それに引き続く二次加熱（例えば、１５０℃で２時間の熱処理）によって、上層が完全に硬化する。

軸受支持部３３１及びボルト締結部３７を形成する長繊維強化樹脂に用いられる樹脂組成物は、ＰＡ６，ＰＡ６６，ＰＡ４６，芳香族ＰＡに代表されるポリアミド樹脂，ポリフェニレンサルファイド樹脂，ポリエーテルエーテルケトン樹脂，熱可塑性ポリイミド樹脂或いはフェノール樹脂，エポキシ樹脂，熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂があげられるが、樹脂組成物の耐衝撃性を考慮すると、数平均分子量が１５０００〜３００００、より好ましくは２００００〜２８０００の範囲の熱可塑性樹脂を用いるのが好ましい。

長繊維強化樹脂に用いられる強化繊維は、特に限定されるものではないが、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、が好適である。これらの強化繊維は１種を単独で用いても良いし、２種以上を併用しても良い。前期強化繊維の樹脂材料への含有量は、１０〜７５質量％が好ましい。含有量が１０質量％未満であると、長繊維強化樹脂の機械的強度及び寸法安定性が不充分となるおそれがある。一方、７５質量％を越えると、長繊維強化樹脂の靭性や耐冷熱衝撃性が不充分となるおそれがあり好ましくない。
前記強化繊維の平均繊維長は０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上４ｍｍであることがより好ましい。平均繊維長が０．５ｍｍ未満であると、ハウジング３３Ａ及びカバー３３Ｂの耐衝撃性や寸法安定性が不充分となるおそれがある。一方、平均繊維長が５ｍｍを超えると、成型過程において繊維が折損し、ハウジング３３Ａ及びカバー３３Ｂの耐衝撃性や寸法安定性が不充分となるおそれがあり好ましくない。
長繊維強化樹脂に用いられる強化繊維の平均繊維径は３μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、５μｍ以上２０μｍ以下がより好ましい。平均繊維径が３μｍ未満であると、樹脂材料と混合した際に繊維間の凝集が起こり、強化繊維の分散が不均一となるおそれがある。一方、平均繊維径が３０μｍを越えると、射出成型の際に繊維の配向や分散に問題が生じるおそれがあるため好ましくない。

なお、上記長繊維強化樹脂には、酸化防止剤、光安定剤、帯電防止剤、可塑剤、無機または有機難燃剤、その他補強剤、等を必要に応じて適宜添加してもよい。

芯材３３２は、一方向或いは織物繊維から成るプリプレグを板状に積層する事により形成する。プリプレグは、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂を２２〜５０質量％、より好ましくは２５〜４０質量％含有している。熱硬化性樹脂の量が２２質量％を下回ると、繊維間に樹脂が行き渡らず、プリプレグ同士の接着性が低下すると共に、ボイドが発生しやすくなり、５０質量％を超えると、繊維の数が減少するため、プリプレグの強度や剛性が低下する。プリプレグに使用される繊維は、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも一つを一方向に配向した一方向プリプレグや、上記繊維の何れかを織り込んだ織物プリプレグを用いることができる。特に、炭素繊維については、直径５〜１５μｍの範囲にあり、引張り強度が３〜８．５ＧＰａ、引張り弾性率が２００〜８００ＧＰａ、伸度が１．０〜２．２％の範囲に入るものが望ましい。
プリプレグを積層した後に１３０℃で２時間保持する事により樹脂を硬化させ、切削加工により不要な部分を除去することにより芯材３６Ａを得る。あるいは、プリプレグを裁断や打ち抜き等により所定の形状とした後に積層し、１３０℃で２時間保持する事により樹脂を硬化させ、芯材３６Ａを得る。

本発明による実施例及び比較例を以下に詳述するが、本発明はこれに限定されるものではない。
アルミ合金製のスリーブ３８をインサートとして、長繊維強化樹脂でインサート成形し、軸受支持部３３１を形成した。また、一方向炭素繊維、熱硬化性樹脂量２５質量％のプリプレグを所定の形状に裁断して積層し、１３０℃で２時間保持して芯材３６Ａを形成した。そして、軸受支持部３３１と、芯材３６Ａとをインサートとして長繊維強化樹脂をインサート成形し、軸受支持部３３１と、芯材３６Ａを一体化させ、さらにボルト締結部３７を形成したハウジング３３Ａを形成した。
これを実施例とし、ダイキャスト成型により作成したアルミ合金製ハウジングを比較例として、剛性と質量の比較を行った。結果を表１に示す。

表1に示すように、実施例によるハウジング３３Ａは、従来のアルミ合金製ハウジングと同等の剛性を有しつつ、大幅に軽量化することができる。

１０ ステアリングホイール
１１ ステアリング軸
１１ａ （ステアリング軸）上部軸
１１ｂ （ステアリング軸）下部軸
１２ ステアリングコラム
１３ 電動モータ
１３ａ （電動モータ）駆動軸
２０ ラックアンドピニオン機構
２１ ラック
２２ ピニオン
３０ 減速歯車機構
３１ ウォームホイール
３２ ウォーム
３２ａ ウォーム軸
３２ｂ ウォーム軸
３３ ギヤボックス
３３Ａ ハウジング部材
３３Ｂ カバー部材
３３Ｃ ボルト
３４ａ 転がり軸受
３４ｂ 転がり軸受
３５ａ 転がり軸受
３５ｂ 転がり軸受
３６Ａ 芯材
３６Ｂ 芯材
３７Ａ ボルト締結部
３７Ｂ ボルト締結部
３８ スリーブ
１００ 電動パワーステアリング装置
３３１ 軸受支持部

Claims (4)

1. 運転者の操舵により回転するステアリング軸から前記運転者の操舵状況をセンサにより検出し、前記操舵状況の検出結果より電動モータを回転させ、前記電動モータの回転力を減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置の、前記センサと、前記減速歯車機構との少なくとも一方を格納するハウジングであって、前記ハウジングは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の少なくとも一つから構成される連続強化繊維を１０〜７５％含有する熱硬化性樹脂或いは熱可塑性樹脂からなる連続繊維強化樹脂を芯材とし、前記芯材に平均繊維長０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下、且つ、平均繊維径３〜３０μｍの強化繊維を１０〜５０質量％含有する熱可塑性樹脂をインサート成形する事により、形成されることを特徴とする電動パワーステアリング装置用ハウジング。
2. 請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用ハウジングであって、前記連続繊維強化樹脂のマトリックスは、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、芳香族ＰＡに代表されるポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂の何れかであることを特徴とする電動パワーステアリング装置用ハウジング。
3. 請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置用ハウジングであって、減速歯車機構の回転軸を支持する部材として、環状の金属製芯金がインサート成型によって内蔵されることを特徴とする電動パワーステアリング装置用ハウジング。
4. 運転者の操舵により回転するステアリング軸から前記運転者の操舵状況をセンサにより検出し、前記操舵状況の検出結果より電動モータを回転させ、前記電動モータの回転力を減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置であって、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電動パワーステアリング装置用ハウジングが用いら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。

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