JP2014234862A - 樹脂歯車用芯金及び樹脂歯車用複合部材 - Google Patents

Abstract

【課題】強度を確保しつつ十分な軽量化及び小型化を図れる樹脂歯車用芯金と、その芯金を用いた樹脂歯車用複合部材と、を提供する。【解決手段】ボス部１２と外周面に凹凸形状１３が設けられたリング部１４とが連結部を介して同軸に設けられ、外周面にはギヤ歯２２を有する樹脂外周材２１が接合され、ボス部１２にシャフトＳが嵌合されて使用される樹脂歯車用芯金１０であって、ボス部１２及びリング部１４が、軸方向に環帯状に延びて板状の連結部１６における内周部及び外周部の同じ側に配置され、ボス部１２と連結部１６とリング部１４とが一体に連続した材料からなり、ボス部１２が連結部１６及びリング部１４よりも厚く形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂外周材をリング部の外周面に接合する共に、シャフトをボス部に嵌合して使用される樹脂歯車用芯金と、この樹脂歯車用芯金に樹脂外周材が溶着された樹脂歯車用複合部材とに関する。

従来より、樹脂外周材を芯金の外周面に接合した樹脂歯車が多用されている。
例えば下記特許文献１、２等には、パワーステアリング装置のウオームホイールとして、金属製の芯金の外周面に樹脂外周材が接合され、この樹脂外周材にギヤ歯が設けられたものが記載されている。
このようなウオームホイールでは、樹脂を用いることで軽量化が図られると共にギヤの噛み合い音が防止されている。

芯金は、シャフトが嵌合されるボス部と、樹脂外周材が接合されるリング部と、ボス部とリング部とを連結する連結部とで構成されている。ボス部に嵌合されるシャフトには、ステアリングホイールの操蛇力が伝達され、また路面の反力が伝達されるため、ボス部とシャフトとの間の十分な接合強度が要求される。

このような芯金は、特許文献１では円盤状の金属素材を鍛造加工により深皿状に成形し、ボス部に軸孔を形成すると共にリング部に外周凹凸部を形成することで製造されている。
また特許文献２では、切削、鍛造、板金プレス等の手法のうち、板金プレスを用いて板材を成形することでコストを抑えて芯金が製造されている。

特開２００１−１４１０３３号公報 特開２０１１−１０６５７５号公報

しかしながら、特許文献１では、鍛造により芯金を深皿形状に製造するため、厚肉にして強度を確保しつつ軽量化できるものの、芯金の軸方向の形状が大きかった。軸方向の形状を小型化するために、ボス部とリング部とを内外に重ねて配置するとすれば、十分な強度を確保できるように厚肉の材料を用いるため、プレス圧を十分に高くすることが必要となり、設備を大型化する必要が生じ、製造が容易でない。

特許文献２では、板金プレスにより芯金を製造するため、薄肉の板材を用いれば、ボス部とリング部とを内外に重ねて容易に配置でき、小型化して軽量化できるものの、強度が低下してシャフトを十分な強度で嵌合できない。一方、厚肉の板材を用いれば、強度を確保できるものの、芯金の重量が大きくなり、またプレス圧を大きくすることで設備を大型化する必要が生じて、製造が容易でない。

そこで、本発明では、強度を確保しつつ十分な軽量化及び小型化を図れる製造容易な樹脂歯車用芯金を提供すること、またそのような芯金を用いた樹脂歯車用複合部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の樹脂歯車用芯金は、ボス部と外周面に凹凸形状が設けられたリング部とが連結部を介して同軸に設けられ、外周面に樹脂外周材を接合すると共にボス部にシャフトを嵌合して使用する樹脂歯車用芯金であって、ボス部及びリング部が、上記軸方向に環帯状に延びて板状の連結部における内周部及び外周部の同じ側に配置され、ボス部と連結部とリング部とが一体に連続した材料からなり、ボス部が連結部及びリング部よりも厚く形成されている。
この樹脂歯車用芯金は、パワーステアリング装置の樹脂歯車用芯金として特に好適に用いることができる。

この樹脂歯車用芯金では、ボス部の厚みがリング部の最大厚みの１．１倍以上１．３倍以下であるのが好適である。
またこの樹脂歯車用芯金では、ボス部と連結部との間、及び連結部とリング部との間に、連続したメタルフローを有するのが好適である。

本発明の樹脂歯車用複合部材は、上述のような樹脂歯車用芯金と、樹脂歯車用芯金のリング部の外周面に溶着された樹脂外周材とを備え、樹脂外周材にギヤ歯を形成して使用されるものである。

本発明の樹脂歯車用芯金によれば、ボス部及びリング部が、軸方向に環帯状に延び板状の連結部を介して一体に連続した材料からなり、ボス部が連結部及びリング部よりも厚く形成されているので、ボス部とリング部と連結部とのそれぞれに局部的に過剰な薄肉部分がなく、各部の強度を確保できる。しかも、ボス部と連結部との間の連結部分及び連結部とリング部との間の連結部分に境界がなく、連続しているため、各部間の連結強度を確保できる。またボス部とリング部と連結部とが一体に連続した材料から形成されていても、ボス部が連結部及びリング部よりも厚く形成されているため、シャフトに嵌合されるボス部の強度を確実に確保することが可能である。
そのため、ボス部、連結部、リング部、ボス部と連結部との間の連結部分、及び連結部とリング部との間の連結部分のそれぞれの強度を確保できることで、各部をできるだけ薄肉化させて、強度を確保しつつ十分な軽量化を図ることが可能である。

また環帯状のボス部及びリング部が、板状の連結部の内周部及び外周部の同じ側に連結されているため、軸方向の全長を小型化できることに加え、ボス部を連結部及びリング部よりも厚くすることで薄肉化が図られているため、板材を金型で厚み方向に加圧することで製造でき、製造が容易である。

その結果、強度を確保しつつ十分な軽量化及び小型化を図れる製造容易な樹脂歯車用芯金を提供することが可能であり、またこの樹脂歯車用芯金を用いた樹脂歯車用複合部材を提供することが可能である。

本発明の実施形態の樹脂歯車用芯金及び複合部材を示す断面図である。 本発明の実施形態の樹脂歯車用芯金及び複合部材を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。この実施形態では、パワーステアリング装置のウオームホイールに用いる樹脂歯車用の金属製芯金及び複合部材の例を用いて説明する。

この実施形態の複合部材２０は、図１及び図２に示すように、樹脂歯車用芯金１０と、この樹脂歯車用芯金１０に溶着して接合された樹脂外周材２１と、を備えている。
この複合部材２０は、ステアリングホイールからの操舵力やタイヤに受ける路面からの反力が伝達されるシャフトＳがボス部１２に嵌合されると共に、樹脂外周材２１の外周面にギヤ歯２２を設け、このギヤ歯２２にモータ等の駆動装置により回転するウオームＷを螺合させた状態で装着され、ウオームＷの回転力をシャフトＳに伝達するために使用するものである。

樹脂歯車用芯金１０は金属材料からなり、ボス部１２とボス部１２の径方向外側に離間して配置されるリング部１４とが連結部１６を介して同軸に設けられている。ここではボス部１２及びリング部１４が軸方向の同じ側に一体的に連続して形成されることで、連続部１６が形成されており、ボス部１２とリング部１４との間には、軸方向の一方側に開口した中空部１８が形成されている。これより径方向断面形状が略Ｕ字状となっている。

この樹脂歯車用芯金１０では、各部の大きさは特に限定されるものではないが、例えば軸方向の全長がボス部１２の軸方向の長さの２倍以下、特に１．５倍以下とすることで、樹脂歯車用芯金１０の軸方向の大きさを小型化できる。
特に限定されるものではないが、例えばリング部１４の最大径がボス部１２の外径の２倍〜５倍であって、リング部１４の最大径がボス部１２の厚みの１０倍〜２０倍としてもよい。

樹脂歯車用芯金１０のボス部１２は、軸方向に延びる環帯状の形状に形成されている。環帯状の形状は、厚みが略一定で略一定の断面形状が軸方向に連続した略円筒形状となっている。
ボス部１２の内側には、シャフトＳが挿入される貫通孔１１が形成されている。このボス部１２の厚みは、シャフトＳを嵌合して固定するために十分な強度を得られることが必要であり、少なくとも連結部１６の厚み及びリング部１４の厚みよりも厚くしている。

樹脂歯車用芯金１０のリング部１４は、軸方向に延びる環帯状の形状に形成されている。ここでは外周面の全周に凹凸形状１３が設けられ、軸方向の両端側に凹凸のない平滑部１７が全周に連続して設けられている。

リング部１４における環帯状の形状は、ボス部と同様であるが、凹凸形状１３が設けられているため、最大厚みが全周で略一定となることで環帯状の輪郭形状となっている。

リング部１４の凹凸形状１３は、樹脂外周材が確実に樹脂歯車用芯金１０に固定される大きさ及び形状に形成されている。この実施形態では、軸方向に延びる複数の筋状の凸部又は凹部が周方向に略一定間隔で全周に並設されている。各凸部又は凹部の形状は適宜設定することができ、例えば周方向に交互に逆勾配の傾斜面が繰り返される波形乃至ジグザグ形状としてもよい。

リング部１４は、ボス部１２に比べて大きくて強度が要求されないため、ボス部１２の厚みより薄肉でよい。そのため、ボス部１２の厚みがリング部１４の最大厚みの１．１倍以上２倍以下、特に１．３倍以下となるようにするのが好適である。

ボス部１２の厚みがリング部１４の最大厚みに対して過剰に薄いと、リング部１４を軽量化のために十分に薄肉に形成した際、ボス部１２にシャフトＳを嵌合した際の嵌合強度が不足したり、耐久性が不足したりする場合がある。一方、ボス部１２の厚みがリング部１４の最大厚みに対して過剰に厚いと、樹脂外周材の強度に比べてリング部１４の強度が過剰となり、軽量化を十分に図れない場合がある。

樹脂歯車用芯金１０の連結部１６は、板状に形成されており、内周部がボス部１２と連結し、外周部がリング部１４と連結している。板状とは厚みが略一定に形成されていればよい。連結部１６は平板、即ち円板状であっても曲面板状であってもよい。リング部１４と連結部１６との連結部分、及び連結部１６とボス部との連結部分はそれぞれ曲率半径の小さい湾曲形状となっている。

板状の連結部１６の厚みはボス部１２より薄く形成され、リング部１４の最大厚みと同じであってもよく、異なっていてもよい。ボス部１２の厚みは、連結部１６の最大厚みの１．１倍以上２倍以下、特に１．３倍以下となるようにするのが好適である。

連結部１６の径方向の幅、即ちボス部１２の外周面とリング部１４の内周面との間の間隔は、ボス部１２の厚みより大きくしてもよい。この間隔を広く設けることで、ボス部１２及びリング部１４の厚みを抑えて軽量化を図ることができる。

この樹脂歯車用芯金１０では、ボス部１２と連結部１６とリング部１４とが一体に連続した金属材料からなる。少なくともボス部１２と連結部１６との間の連結部分、及び連結部１６とリング部１４との間の連結部分が全長にわたり物理的に切断された部位がないことが望ましい。特に、ボス部１２と連結部１６との間の少なくとも一部、及び連結部１６とリング部１４との間の少なくとも一部に、それぞれ連続したメタルフローが形成されていることが望ましい。

このような樹脂歯車用芯金１０を製造するには、例えば金属の板材を軸方向に加圧することで絞り形状体を成形する絞り工程と、絞り工程より高い圧力で絞り形状体を軸方向に加圧することで、絞り形状体の厚みを変化させる鍛造工程と、を備えた製造方法を採用してもよい。

金属の板材としては、例えば中心孔を有する円板状の板材を用いることができる。金属材料としては特に限定されず、熱間圧延軟鋼板（ＳＰＨＣ）等を用いてもよいが、リン酸皮膜処理等を施した材料を用いるのが好適である。

絞り工程では、例えば板材を径方向中間の位置と外周側の位置及び内周側の位置とを軸方向に沿って相対加圧して絞り加工を施してもよい。これにより、外周側と内周側とを、中間位置に対して軸方向の同じ側となるように変形させ、略Ｕ字状の断面が環状に連続して、軸方向の一端側が閉塞すると共に他端側が開口した絞り形状体を作製する。

鍛造工程では、絞り形状体を樹脂歯車用芯金１０に対応した金型で軸方向に絞り加工より高い圧力で加圧することで鍛造加工を施し、各部の厚み及び形状を調整する。この調整と同時に、又はその後の鍛造工程で凹凸形状１３をリング部１４の外周に設けてもよい。鍛造工程では、各部を板材より薄くしてもよく、リング部１４及び連結部１６の一方又は双方を板材より薄くしてもよく、ボス部１２を板材より厚くしてもよい。
この鍛造加工は、絞り形状体が樹脂歯車用芯金１０に近似しているため容易に加工できる。
最後に、適宜仕上加工を施すことで、樹脂歯車用芯金１０を製造する。

このような樹脂歯車用芯金１０を用いて複合部材２０を製造するには、例えば内周面及び外周面が断面円形を有する円筒状の樹脂外周材２１を準備し、樹脂歯車用芯金１０のリング部１４に嵌合させ、凹凸形状１３の頂部を樹脂外周材２１の内周面に接触させた状態で、樹脂歯車用芯金１０を誘導加熱してもよい。これにより、樹脂外周材２１の内周面を溶融させ、凹凸形状１３を樹脂外周材２１に完全に埋設させた状態でリング部１４に溶着できる。
得られた複合部材２０に対して、その後樹脂外周材２１の外周面に所望のギヤ歯２２を形成し、ボス部１２にシャフトを嵌合させ、ウオームホイールとしての使用に供することができる。

以上のような樹脂歯車用芯金１０及び複合部材によれば、軸方向に延びる環帯状のボス部１２及びリング部１４が板状の連結部１６を介して一体に連続した材料からなり、ボス部１２が連結部１６及びリング部１４よりも厚く形成されている。これにより、ボス部１２とリング部１４と連結部１６とのそれぞれに局部的に過剰な薄肉部分が無く、各部の強度を確保できる。しかも、ボス部１２と連結部１６との間及び連結部１６とリング部１４との間に境界がないため、各部間の連結強度を確保できる。

また、ボス部１２とリング部１４と連結部１６とが一体に連続した材料から形成されていても、ボス部１２が連結部１６及びリング部１４よりも厚く形成されているため、シャフトＳが嵌合されるボス部１２の強度を容易に確保することが可能である。そのため、各部をできるだけ薄肉化させ、強度を確保しつつ十分な軽量化を図ることが可能である。

また環帯状のボス部１２及びリング部１４が、板状の連結部１６の内周部及び外周部の同じ側に連結されているので、軸方向の全長を小型化できる。しかもボス部を連結部及びリング部よりも厚くすることで薄肉化が図られているため、板材を使用して容易に加工を施すことができる。

この実施形態の樹脂歯車用芯金１０では、ボス部１２の外周面及び内周面と、リング部１４の内周面、外周面及び凹凸形状１３とが、それぞれ軸方向に沿って設けられ、しかもボス部１２及びリング部１４が連結部１６の内周部及び外周部に連結され、両者が連結部１６に対して軸方向の同じ側に配置されているので、例えばプレス装置により板材を軸方向に加圧することで、樹脂歯車用芯金１０を容易に製造することが可能である。

上記実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。例えば上記では樹脂歯車としてパワーステアリング装置のウオームホイールの場合について説明したが、他の歯車であっても本発明を適用可能である。
樹脂歯車用芯金１０のリング部１４の外周面に円環状の樹脂外周材２１を嵌合させ、樹脂歯車用芯金１０を誘導加熱して樹脂外周材２１をリング部１４に溶着した例を説明したが、他の方法により樹脂外周材２１をリング部１４の外周面に接合することができる。例えば樹脂歯車用芯金１０の外周面に溶融樹脂を射出成形して樹脂外周材２１を形成してもよい。
また樹脂歯車用芯金１０の各部の形状も変更可能であり、例えば上記では、樹脂歯車用芯金１０の連結部１６を板状に形成したが、ボス部１２とリング部１４とを連結できる加工可能な形状であれば板状でなくてもよい。

Ｓ シャフト
Ｗ ウオーム
１０ 樹脂歯車用芯金
１１ 貫通孔
１２ ボス部
１３ 凹凸形状
１４ リング部
１６ 連結部
１７ 平滑部
１８ 中空部
２０ 複合部材
２１ 樹脂外周材
２２ ギヤ歯

Claims (5)

1. ボス部と、外周面に凹凸形状が設けられたリング部と、が連結部を介して同軸に設けられ、上記外周面に樹脂外周材を接合すると共に上記ボス部にシャフトを嵌合して使用する樹脂歯車用芯金であって、
   上記ボス部及び上記リング部が、上記軸方向に環帯状に延びて板状の上記連結部における内周部及び外周部の同じ側に配置され、
   上記ボス部と上記連結部と上記リング部とが一体に連続した材料からなり、上記ボス部が上記連結部及び上記リング部よりも厚く形成されている、樹脂歯車用芯金。
2. ボス部と、外周面に凹凸形状が設けられたリング部と、が連結部を介して同軸に設けられ、上記外周面に樹脂外周材を接合すると共に上記ボス部に操蛇力が伝達されるシャフトを嵌合して使用するパワーステアリング装置の樹脂歯車用芯金であって、
   上記ボス部及び上記リング部が、上記軸方向に環帯状に延びて板状の上記連結部における内周部及び外周部の同じ側に配置され、
   上記ボス部と上記連結部と上記リング部とが一体に連続した材料からなり、上記ボス部が上記連結部及び上記リング部よりも厚く形成されている、パワーステアリング装置の樹脂歯車用芯金。
3. 前記ボス部の厚みは、上記リング部の最大厚みの１．１倍以上１．３倍以下である、請求項１又は２に記載の樹脂歯車用芯金。
4. 前記ボス部と前記連結部との間、及び該連結部と前記リング部との間に連続したメタルフローを有する、請求項１乃至３の何れかに記載の樹脂歯車用芯金。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の樹脂歯車用芯金と、該樹脂歯車用芯金のリング部の外周面に溶着された樹脂外周材とを備え、該樹脂外周材にギヤ歯を形成して使用される、樹脂歯車用複合部材。

Images