JP2015094375A - 減速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の駆動力を、減速装置を介して利用する車載機器において、軽量かつ強度、剛性、寸法安定性に優れた減速装置を提供する。
【解決手段】金属材料製のウオーム軸装着部材１及びウオームホイール軸装着部材５と、樹脂材料製のカバー部８とで構成され、前記樹脂材料は、ベース樹脂としてポリアミド系樹脂或いはＰＰＳ樹脂を用い、強化材としてガラス繊維或いは炭素繊維、及び同フレーク材、添加材としてエラストマー、及び減粘材或いは非晶樹脂を含有することにより、線膨張係数が前記金属材料と略同一であるハウジングを構成要素とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載機器等において、電動機の駆動力を利用する場合に、電動機に接続される減速装置に関するものである。

近年、自動車の燃費向上のための軽量化はあらゆる車載機器・部品に求められており、金属材料からなる部品を樹脂材料に置き換えることにより軽量化を図ることは、一般的に行われる軽量化方策の一つである。

例えば、特許文献１には、電動パワーステアリング装置において、ボルト穴を有する金属製の芯金を樹脂材料でインサート成形することにより、減速機ギヤボックス及びコラムカバーを製造し、軽量化と小型化を図る方策が記載されている。その際、前記芯金の表面には接着剤を含有する接着剤層を備えており、前記芯金と前記樹脂材料が強固に接着されるため、ハウジングの寸法安定性が良好になると記載されている。

特開２０１３−１４４４９７号公報

上記特許文献に示された従来方策では、樹脂化に伴う樹脂部分同士のボルト結合による問題、樹脂部分と金属部分の結合強度の問題は改善されるが、金属材料と樹脂材料との線膨張係数の差に起因する、温度変化に対するハウジングそのものの変形及び減速機歯車芯間距離の寸法安定性の面で十分とはいえない。本発明の目的は、軽量かつ機械的強度及び温度変化に対する寸法安定性に優れた減速装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、ウオーム軸を支持する軸受を内部に装着するウオーム軸装着部及び、ウオームホイール軸を支持する軸受を内部に装着するウオームホイール軸装着部、及びカバー部から構成されるハウジングと前記ハウジング内に配置されたウオーム及びウオームホイールと、からなる減速装置であって、前記ウオーム軸装着部及び前記ウオームホイール軸装着部は金属材料、前記カバー部は樹脂材料からなり、前記樹脂材料は、ベース樹脂としてポリアミド系樹脂或いはＰＰＳ樹脂を用い、強化材としてガラス繊維或いは炭素繊維、及び同フレーク材、添加剤としてエラストマー、及び減粘剤或いは非晶樹脂を含有することにより、線膨張係数が前記金属材料と略同一であることである。

上記構成によれば、減速機のハウジングの大部分を樹脂材料で構成できるため、同一部分を金属材料で構成する場合に比べて大幅に軽量化することができる。また、樹脂材料であれば局所的応力により変形・劣化が懸念される、軸受装入部、ボルト締付部等は、金属材料による部材で構成されているため、その懸念が解消される。

なおかつ、前記樹脂材料は前記金属材料と略同一の線膨張係数としているため、温度変化によるハウジングの変形は、前記金属材料製ハウジングと比べて大きな差はなく、減速装置性能に直結する前記ウオーム軸及び前記ウオームホイール軸間の芯間距離に及ぼす影響を、樹脂材料のみを使用したハウジングと比べて、大幅に小さくすることができる。

更に、前記樹脂材料は、ベース樹脂材料の耐熱性に加えて、強化材により機械的強度を向上させ、前記樹脂材料の線膨張係数を前記金属材料と略同一にすると同時に、添加材により流動性・成形性を高めて、成形を容易・確実にすることができる。

上記の課題を解決するため、請求項２に係る発明の構成上の特徴は、前記ハウジングが、前記ウオーム軸装着部及び前記ウオームホイール軸装着部を前記樹脂材料でインサート成形することにより形成されたことである。上記構成によれば、各装着部の加工後にインサート成形することにより各装着部の加工が容易になることに加え、樹脂材料のインサート成形のみで最終形状を得ることができ、その後の加工が不要になるため、工程削減が可能になる。

上記の課題を解決するため、請求項３に係る発明の構成上の特徴は、前記ウオーム軸装着部及び前記ウオームホイール軸装着部は、同一金属材料により成形・連結され一体化していることである。上記構成によれば、前記ウオーム軸及び前記ウオームホイール軸の芯間距離が金属材料部分の連結構造で定まり、インサート成形等により樹脂材料部分に埋設する際に、前記ウオーム軸装着部及び前記ウオームホイール軸装着部の相対的な位置決めのための、特別な工程や作業が不要であり、ハウジングのインサート成形を容易にすることができる。

上記の課題を解決するため、請求項４に係る発明の構成上の特徴は、前記金属材料及び前記樹脂材料が、接合面においてアンカー接合されていることである。上記構成によれば、接合面の強度が向上して分離・離脱が発生し難くなるとともに、ハウジング全体の剛性も向上する。従って、温度変化や静的、動的な力の作用によるハウジング全体の変形やそれらに対する強度を向上させることができる。

上記の課題を解決するため、請求項５に係る発明の構成上の特徴は、前記金属材料において、前記樹脂材料との接合面に穴径２０μｍから１００μｍの凹凸が形成されていることである。上記構成によれば、接合面に前記樹脂材料がインサートされる際、形成された穴に前記樹脂材料及び前記強化材が流入し、その後固体化することにより、アンカー効果をより効果的に実現することができる。

上記のように構成した発明によれば、軽量かつ機械的強度及び温度変化に対する寸法安定性に優れた減速装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における樹脂材料を使用したハウジングの概略図である。 本発明の第１の実施形態における減速機のウオーム軸方向断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるウオーム及びウオームホイールの構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態におけるハウジングの樹脂材料部分と金属材料部分との接合部断面の概念図である。 本発明の第２の実施形態における樹脂材料を使用したハウジングの概略図である。

本発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施形態における減速装置のハウジングを示す概略図である。ハウジングは、後述するウオーム軸１２を支持し、アルミ系金属材料からなるウオーム軸装着部１と、後述するウオームホイール軸１５を支持し、アルミ系金属材料からなるウオームホイール軸装着部５と、ウオーム軸装着部１及びウオームホイール軸装着部５以外の部分を覆い、樹脂材料からなるカバー部８とを有する。

ウオーム軸装着部１は、アルミ系金属材料からなり、ウオーム軸１２の両側を支持する軸受２０ａ、２０ｂがそれぞれ内部に装入される２個の環状の軸受装入部２ａ、２ｂが、第１連結部４により連結された形状をしている。また、軸受装入部２ａは、その外縁部に複数のフランジ９を有し、フランジ９にはボルト穴３が配置されている。この構成によれば、減速機及び電動機の両ハウジングを連結する際に、金属部分同士のボルト締結による結合が可能である。上記構成により、樹脂材料であれば局所的応力により変形・劣化が懸念される、軸受装入部、ボルト締付部等は、金属材料による部材で構成されているため、その懸念が解消される。

ウオームホイール軸装着部５は、アルミ系金属材料からなり、ウオームホイール軸１５の一方の側を支持する軸受を装入する環状部分で、軸受装入部６の外縁部に複数のフランジ１０を有し、フランジ１０にはボルト穴７が配置されている。この構成によれば、前記ウオームホイール軸１５の他方の側を支持する軸受が装着されるコラム側のハウジングと金属部分同士のボルト締結により結合が可能である。上記構成により、樹脂材料であれば局所的応力により変形・劣化が懸念される、軸受装入部、ボルト締付部等は、金属材料による部材で構成されているため、その懸念が解消される。

カバー部８は、前記ハウジングにおいてウオーム軸装着部１及びウオームホイール軸装着部５以外の部分を占める部分で、樹脂材料から成り、ウオーム軸装着部１及びウオームホイール軸装着部５を金型にインサートした状態で、金型に樹脂材料をインサートして成形される。上記構成によれば、減速機のハウジングの大部分を樹脂材料で構成できるため、同一部分を金属材料で構成する場合に比べて大幅に軽量化することができる。

ウオーム軸装着部１及びウオームホイール軸装着部５は、主にダイキャスト法により成形される。ウオームホイール軸装着部５は、プレスにより成形することもできる。ウオーム軸装着部１及びウオームホイール軸装着部５は、その相対位置を、ウオーム軸１２と前記ウオームホイール軸１５との芯間距離が所定の長さになるよう保持した状態で、樹脂材料のインサートにより成形されるカバー部と一体化され、前記ハウジングが形成される。

上記構成によれば、各装着部の加工後にインサート成形することにより各装着部の加工が容易になることに加え、樹脂材料のインサート成形のみで最終形状を得ることができ、その後の加工が不要になるため、工程削減が可能になる。

図２は、組立状態での減速機のウオーム軸方向断面図である。ウオーム軸装着部１、ウオームホイール軸装着部５及びカバー部８からなる前記ハウジングが、ウオーム１３とウオームホイール１６を内蔵している。ウオーム軸１２は、ウオーム軸装着部１の軸受装入部２ａ、２ｂに装着された軸受２０ａ、２０ｂで両側を支えられている。ウオームホイール軸１５の軸受は、ウオームホイール軸装着部５の軸受装入部６に装着されている。ウオーム１３及び前記ウオームホイール１６は所定の芯間距離を保持した状態で噛み合っている。

図３は、本発明の第１の実施形態におけるハウジング内に配置されるウオーム軸１２とウオームホイール軸１５の構成・位置関係を示す概略図である。ウオーム軸１２は、金属材料からなり、ウオーム軸１２の両側に軸受装着面１４ａ、１４ｂを有し、そこに装着される軸受２０ａ、２０ｂにより支持される。

ウオームホイール軸１５は、ウオームホイール１６の両側に軸受装着面１７ａ、１７ｂを有し、そこに装着される軸受により支持される。ウオームホイール１６は、外周に歯を形成された半径方向外径側の樹脂材料部分１８と、ウオームホイール軸１５と一体化した半径方向軸心側の金属材料部分１９とから構成されている。

ウオーム１３とウオームホイール１６は直交した状態で噛み合っている。両歯車の噛み合い状態は両歯車軸の芯間距離でほぼ決まり、芯間距離の変化が噛み合い状態に及ぼす影響は極めて大きい。芯間距離が増加すればウオーム１３とウオームホイール１６の間のバックラッシュが大きくなり、伝達効率が低下するほか、歯打ち音が発生し、ステアリング異音の原因となる。逆に芯間距離が減少すれば、摩擦による伝達ロスにより、回転トルクが増大し、円滑な回転及びトルク伝達が阻害される。

図４は、ハウジングの金属材料部分と樹脂材料部分との接合部を示す概念図である。ウオーム軸装着部１及びウオームホイール軸装着部５は、接合面の粗面化による穴２３の形成後、樹脂材料でインサート成形される。強化材であるガラス繊維２５及びフレーク材２６を含む樹脂材料が前記穴２３の中に流入して固体化するため、金属部接合面２２と樹脂部接合面２４の間にいわゆるアンカー効果が生まれる。
上記構成によれば、接合面の強度が向上して分離・離脱が発生し難くなるとともに、ハウジング全体の剛性も向上する。従って、温度変化や静的、動的な力の作用によるハウジング全体の変形やそれらに対する強度を向上させることができる。

インサート成形前に粗面化される、金属部接合面２２には、穴径２０μｍから１００μｍの穴２３が多数形成される。穴径が２０μｍ以下では前記穴２３内に細径のガラス繊維２５（径５〜８μｍ）が多くは入り込めず、十分な接合強度が発現しない。また、１００μｍ以上の前記穴２３の形成は、粗面化の処理時間が増大するため、好ましくない。粗面化の方法としては、レーザー加工、化学エッチング、ブラスト処理などが利用できる。中でもレーザー加工が穴形状の制御、生産性の面から望ましい。

前記樹脂材料は、ベース樹脂として結晶化速度が遅く耐熱性を有するポリアミド系樹脂（例えば芳香族ナイロン樹脂）或いはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂を用いる。強化材として、ガラス繊維或いは炭素繊維等の強化繊維（径：５〜８μｍ）、及びガラス或いは炭素のフレーク材（サイズ：１０〜１００μｍ）を合わせて３０〜７０％充填する。ガラス繊維或いは炭素繊維等が３０％未満だと樹脂材料の線膨張係数がアルミ系金属材料に比べて大きく、温度変化によるハウジングの寸法変化が大きくなるほか、両材料が分離・脱落するなど十分な接合強度が得られない。また、７０％以上だと樹脂粘度が増大し穴の奥まで樹脂が流入せず、十分なアンカー効果が得られない。

強化繊維は、その充填により線膨張係数の異方性が発現するが、これを低減するため強化繊維と同一材料のフレーク材を合わせて充填する。強化繊維及びフレーク材の比率は、重量比１：１が望ましい。 強化材としては、ウイスカー或いはアルミ粉末等も利用可能である。添加材として、接合強度を向上させるため、例えばオレフィン系エラストマーを１０〜３０％添加する。１０％未満だと接合強度向上効果なく、３０％以上だと耐熱性低下の原因となる。

また、良好な流動性を得るためには、流動性指数ＭＦＲは５０ｇ/min-1以上が必要であり、そのために減粘材として、例えばポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ樹脂）を１〜２％程度添加することが望ましい。更に、固化速度低減のため、非晶樹脂例えば非晶ポリアミド樹脂を１〜２％程度添加するのが望ましい。溶融後の結晶化温度を低下させて射出時の溶融時間を長くすることで、樹脂材料が凹凸の奥まで入り込むことが可能となる。

上記の構成とすれば、前記樹脂材料は前記金属材料と略同一の線膨張係数としているため、温度変化によるハウジングの変形は、前記金属材料製ハウジングと比べて大きな差はなく、減速装置性能に直結するウオーム軸１２及びウオームホイール軸１５間の芯間距離に及ぼす影響を、樹脂材料のみを使用したハウジングと比べて、大幅に小さくすることができる。

更に、前記樹脂材料は、ベース樹脂材料の耐熱性に加えて、強化材により機械的強度を向上させ、前記樹脂材料の線膨張係数を前記金属材料と略同一にすると同時に、添加材により流動性・成形性を高めて、成形を容易・確実にすることができる。

次に、本実施形態による減速装置が、温度変化を受けた場合の作用効果を説明する。

一般に、車載機器は温度変化の大きい環境で装着・使用される。特にエンジンルーム内では１００℃を超える場合もある。環境温度が大きく変化すれば、車載機器の温度も大きく変化する。材料はそれぞれ固有の線膨張係数を持ち、環境温度の変化に伴ってそれぞれの線膨張係数に従って寸法変化を起こす。

複数の材料を使用する機器では、それぞれ異なる線膨張係数により、不均一な寸法変化が生じる。金属材料と樹脂材料の組合せによるハウジングの場合、温度上昇により通常線膨張係数が大きい樹脂材料部分が、線膨張係数が小さい金属材料部分に比べて膨張し、ハウジングが歪むため、当初、ウオーム１３とウオームホイール１６が適正な芯間距離で組み立てられた減速機においても、温度上昇後は芯間距離が拡大する。そのため、ウオーム１３とウオームホイール１６が離間し、噛み合い状態が悪化する。

しかし、本発明の構成によれば、樹脂材料部分の線膨張係数が金属材料部分の線膨張係数と略同一のため、不均一な膨張は発生せずハウジングの歪みは小さい。そのため、ウオーム１３とウオームホイール１６の噛み合い状態もあまり悪化せず、減速装置は安定した作動が可能である。

上記のように、本発明の第１の実施形態に従えば、軽量かつ機械的強度及び温度変化に対する寸法安定性に優れた減速装置を提供することができる。

図５は本発明の第２の実施形態を示す概略図である。ウオーム軸装着部３０とウオームホイール軸装着部３５は第２連結部３９で連結され、これらはアルミ系金属材料で一体成形されている。ウオーム軸装着部３０は、アルミ系金属材料からなり、２個の環状の軸受装入部３２ａ、３２ｂが第１連結部３４により連結された形状をしている。

軸受装入部３２ａ、３２ｂは、ウオーム軸１２の両側を支持する軸受をそれぞれ内部に挿入できるよう環状を成し、第１連結部３４で連結されている。軸受装入部３２ａは、外縁部に複数のフランジ４０を有し、フランジ４０にはボルト穴３３が設けられている。減速機及び電動機の両ハウジングの間で金属部分同士のボルト締結が可能となっている。

ウオームホイール軸装着部３５は、ウオームホイール軸１５の一方の側を支持する軸受を装入する軸受装入部３６を内側に持ち、外縁部には複数のフランジ４１を有し、フランジ４１にはボルト穴３７が設けられている。ボルト穴３７により、ウオームホイール軸１５の他方の側を支持する軸受が装着される相手側ハウジングと金属材料部分同士のボルト結合ができる。第２連結部３９は、ウオーム軸装着部３０とウオームホイール軸装着部３５とが所定の芯間距離を保持するように相対位置を定めて結合されている。

ウオーム軸装着部３０、ウオームホイール軸装着部３５及び第２連結部３９は、一般的にはアルミダイキャストで一体成形されるが、それに限定されるわけではなく、様々な方法が可能である。

ウオーム軸装着部３０、ウオームホイール軸装着部３５及び第２連結部３９は、第１の実施形態と同様の方法により、樹脂材料との接合面を粗面化され、穴２３が多数形成される。その後前記樹脂材料でインサート成形されて、ウオーム軸装着部３０、ウオームホイール軸装着部３５、第２連結部３９及び樹脂成形されたカバー部８とで、ハウジングが形成される。

本実施形態においては、ウオーム軸１２とウオームホイール軸１５とが所定の芯間距離を保持する位置関係で、ウオーム軸装着部３０及びウオームホイール軸装着部３５が、第２連結部３９により一体化されているため、樹脂材料によるインサート成形時に、ウオーム軸装着部３０及びウオームホイール軸装着部３５部分の位置関係を定めるための特別な工程、作業が不要であり、ハウジングのインサート成形を容易にすることができる。

成形後のハウジング特性は、ウオーム軸装着部３０及びウオームホイール軸装着部３５に加えて、第２連結部３９が付加されるため金属部分が増加して、第１の実施形態よりも軽量化の効果が若干減少するが、それ以外の強度、剛性、寸法安定性等の特性については、第１の実施形態以上の特性を得ることができる。

１：ウオーム軸装着部、 ２ａ、２ｂ：軸受装入部、 ３：ボルト穴、
４：第１連結部、 ５：ウオームホイール軸装着部、 ６：軸受装入部
７：ボルト穴、 ８：カバー部、 ９：フランジ、 １０：フランジ、
１２：ウオーム軸、 １３：ウオーム、 １４ａ、１４ｂ：軸受装着面、
１５：ウオームホイール軸、 １６：ウオームホイール、 １７ｂ：軸受装着面、
１８：ウオームホイール樹脂部、 １９：ウオームホイール金属部、
２０ａ、２０ｂ：軸受、 ２１：エンドキャップ、 ２２：金属部接合面、 ２３：穴、２４：樹脂部接合面、 ２５：強化繊維、 ２６：フレーク材、
３０：ウオーム軸装着部、 ３２ａ、３２ｂ：軸受装入部、 ３３：ボルト穴、
３４：第１連結部、 ３５：ウオームホイール軸装着部、 ３６：軸受装入部、
３７：ボルト穴、 ３８：カバー部、 ３９：第２連結部、 ４０：フランジ、
４１：フランジ

Claims (5)

1. ハウジング内に配置されたウオーム及びウオームホイールと、ウオーム軸を支持する軸受を内部に装着するウオーム軸装着部及び、ウオームホイール軸を支持する軸受を内部に装着するウオームホイール軸装着部、及びカバー部から構成される前記ハウジングとからなる減速装置であって、
   前記ウオーム軸装着部及び前記ウオームホイール軸装着部は金属材料、カバー部は樹脂材料からなり、前記樹脂材料は、ベース樹脂としてポリアミド系樹脂或いはＰＰＳ樹脂を用い、強化材としてガラス繊維或いは炭素繊維、及び同フレーク材、添加剤としてエラストマー、及び減粘剤或いは非晶樹脂を含有することにより、線膨張係数が前記金属材料と略同一であること、を特徴とする減速装置。
2. 前記ハウジングが、前記ウオーム軸装着部及び前記ウオームホイール軸装着部を前記樹脂材料でインサート成形することにより形成されたことを特徴とする請求項１に記載の減速装置。
3. 前記ウオーム軸装着部及び前記ウオームホイール軸装着部は、同一金属材料により連結され、一体化していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の減速装置。
4. 前記金属材料及び前記樹脂材料が、接合面においてアンカー接合されていることを特徴とする請求項３に記載の減速装置。
5. 前記金属材料において、前記樹脂材料との接合面に、穴径２０μｍから１００μｍの凹凸が形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の減速装置。

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