JP2017160920A - ウォームホイール - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製のギヤ歯を備えたウォームホイールにおいて、高出力のパワーを伝達でき、かつ相手側のウォームギヤの歯面損傷を抑制できるウォームホイールを提供する。【解決手段】ウォームギヤと噛み合って動力を伝達するためのウォームホイールは、金属製の芯金と、該芯金の径方向外側に設けられた樹脂製のベース部と、該ベース部のさらに径方向外側に設けられ、粒子状の補強材を含有した樹脂組成物から形成された、前記ウォームギヤと噛み合う樹脂製のギヤ歯部と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、ウォームギヤと噛み合って使用されるウォームホイールに関する。

自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置は、補助動力として電動モータを使用し、運転者の操舵力を補助するものである。前記電動パワーステアリング装置は、車両に搭載するため小型化の要求が高く、必然的に電動モータの小型化が要求される。しかし、電動モータを小型化した場合、当該電動モータでステアリングシャフトを直接駆動するためにはトルクが不十分であるため、電動モータとステアリングシャフトの間に減速ギヤ機構が組み込まれている。

かかる減速ギヤ機構としては、平歯車やその他の歯車を使用したものも知られているが、一組で大きな減速比が得られるなどの理由により、例えば、図６に示されるような特許文献1に開示された、ウォームギヤ１３１と、このウォームギヤ１３１に噛み合うウォームホイール１３２とから構成されるウォーム減速ギヤ機構１３０（以下、減速ギヤともいう。）が一般的に使用されている。ここで、ウォームギヤ１３１は電動モータ１１３の回転軸に連結される駆動ギヤであり、ウォームホイール１３２は従動ギヤである。

このような減速ギヤ１３０では、ウォームギヤ１３１とウォームホイール１３２の双方を金属製にすると、ステアリングホイール操作時や悪路走行時に、歯打ち音や振動などの不快音が発生するという問題が生じていた。

この対策として、従来は、ウォームギヤとウォームホイールの何れか一方を金属製、他方を樹脂製として、金属部品同士の衝突によって生ずる金属音の発生を回避した騒音対策を行っている。この場合、ギヤ同士の噛み合いによって発熱しやすい側であるウォームギヤを金属製として、たとえ高温になったとしても変形の影響が抑えられるようにしているのが一般的である。このウォームギヤと噛み合うウォームホイールは、ギヤ歯の部分を樹脂製とし、中心部は強度を確保するために金属製とされている。かかる樹脂製のギヤ歯を備えるウォームホイールを用いることにより、電動パワーステアリング装置の軽量化を図ることもできる。

近年２０００ｃｃを超えるクラスの自動車にまで電動ステアリング装置が適用されており、それに伴ってモータパワーの高出力化が求められ、地球環境保護の観点からは、電動パワーステアリング装置の軽量化も更に求められている。かかる高出力の伝達と軽量化に対応するために、ウォームホイールは、ギヤ歯の部分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、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などのベース樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維などの繊維状補強材を配合したものが広く使用されている（例えば特許文献２参照）。

特開２００１−８８７２１号公報 特開２００７−３３１６６２号公報 特公平６−６０６７４号公報

しかしながら、樹脂組成物に繊維状補強材を配合すると、炭素繊維やガラス繊維は一般的な鉄鋼材料よりも硬質なため、ウォームホイールのギヤ歯表面に存在するこれら補強材によって、相手側のウォームギヤの歯面を傷つけたり、磨耗させたりしてしまう虞もある。もしウォームギヤの歯面に損傷が生じたりすると、損傷度合いによっては、ギヤ同士の噛み合い時の摺動音が却って大きくなってしまったり、ガタが大きくなってガタ音が発生したりすることが懸念される。

このような事態を回避するために、特許文献３において、短繊維からなる補強材を配合した樹脂製の歯車において、短繊維が少なくとも歯面近傍においては、歯面に平行に配列される構成が提案されている。しかしながら、短繊維を特定の方向に配列させるように制御するには製造方法が限定されてしまい、製造コストが上昇してしまうという問題が出てくる。

本発明は上述した状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、樹脂製のギヤ歯を備えたウォームホイールにおいて、高出力のパワーを伝達でき、かつ相手側のウォームギヤの歯面損傷を抑制できるウォームホイールを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るウォームホイールは、以下のように構成される。
（１）ウォームギヤと噛み合って動力を伝達するためのウォームホイールであって、
金属製の芯金と、
該芯金の径方向外側に設けられた樹脂製のベース部と、
該ベース部のさらに径方向外側に設けられ、粒子状の補強材を含有した樹脂組成物から形成された、前記ウォームギヤと噛み合う樹脂製のギヤ歯部と、
を有するウォームホイール。
（２）前記ベース部は、繊維状の補強材を含有した樹脂組成物から形成されている（１）記載のウォームホイール。

本発明によれば、ウォームホイールのギヤ歯部は、粒子状の補強材を含有した樹脂組成物から形成されていることにより、高出力の伝達が可能となるとともに、相手側のウォームギヤの歯面損傷を抑制できる。また樹脂製のベース部を設けたことにより、軽量化を図りつつ、芯金とギヤ歯部との間の結合状態を、自在に調整可能とすることができる。例えば、ベース部を繊維状の補強材を含有した樹脂組成物から形成すれば、ギヤ歯部を除いては金属製部材に匹敵する強度を有しつつ、軽量化も達成可能となる。

本発明が適用されるパワーステアリング装置の一例を示す概略構成図である。 減速ギヤ機構部分の部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係るウォームホイールがウォームギヤと噛合している状態を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るウォームホイールの製造方法の説明図である。 本発明の第２実施形態に係るウォームホイールの斜視図である。 従来のウォームホイールがウォームギヤと噛合している状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明が適用される電動パワーステアリング装置の一例を示す概略構成図である。電動パワーステアリング装置１０において、ステアリングシャフト１１は、上部ステアリングシャフト（以下「上部シャフト」ともいう。）１１ａと下部ステアリングシャフト（以下「下部シャフト」ともいう。）１１ｂとで構成されている。ステアリングシャフト１１はコラムハウジング１２の内部に軸芯回りに回転自在に支承されており、コラムハウジング１２は車室内部の所定位置に、その下部を車両前方に向けて傾斜した状態で固定されている。上部シャフト１１ａの上端には、ステアリングホイール（不図示）が固定されている。

運転者のステアリングホイール操作によって上部シャフト１１ａと下部シャフト１１ｂとに発生した操舵トルクは、トルクセンサ（不図示）によって検出され、検出された操舵トルク信号に基づいて電動モータ１３の出力が制御される。ステアリングシャフト１１は、ユニバーサルジョイント２５、２６を経てラック・ピニオン式運動変換機構２０に連結されている。

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、およびラック軸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２は図１に示した電動パワーステアリング装置１０の減速ギヤ機構３０を示す部分断面図である。又図３は、この減速ギヤ機構３０を構成するウォームギヤ３１とウォームホイール３２とを取り出して示す斜視図であり、本発明の第１実施形態に係るウォームホイール３２がウォームギヤ３１と噛み合っている状態を示したものである。

図２に示すように、ウォームギヤ３１は金属製とされ、その両端にウォーム軸３１ａ、３１ｂが一体に形成され、電動モータ１３に近い側のウォーム軸３１ｂが電動モータ１３の駆動軸１３ａにスプライン、あるいはセレーション結合することで、モータ１３の駆動軸１３ａと一体回転するようになっている。両ウォーム軸３１ａ、３１ｂは、軸受３５ａ、３５ｂによりギヤケース３６に回転自在に支承されている。

図３に詳細に示すように、ウォームホイール３２は、金属製の芯金３３と、芯金３３の径方向外側に設けられた樹脂製のベース部３４と、ベース部３４のさらに径方向外側に設けられ、粒子状の補強材を含有した樹脂組成物から形成された、前記ウォームギヤと噛み合う樹脂製のギヤ歯部３５と、を有する。

芯金３３は例えば機械構造用炭素鋼製とされ、外周部にベース部３４と噛み合うためのスプラインが形成されている。

ベース部３４は、内周側は上記芯金３３と一体とされ、外周側は後述するギヤ歯部３５と一体とされている。内周側には上述した芯金３３のスプラインと対応するスプラインが設けられ、外周側にはギヤ歯部３５と係合するための突状の係合部３４ａが設けられている。

このベース部３４は、樹脂をベースに繊維状補強材を含有する樹脂組成物から形成されている。ベース樹脂としては、ポリアミド樹脂、もしくはポリアミド樹脂を主成分とするブレンドポリマーを用いる。尚、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、あるいはこれらの混合物等が挙げられる。また繊維状補強材としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の長繊維、短繊維を加えても良い。

ベース部３４のさらに径方向外側にはギヤ歯部３５が存在するために、これら繊維状補強材が、直接、相手側のウォームギヤのギヤ歯と接触することはない。従って、ウォームホイールに要求される特性に応じて、自由に補強材を選択することができる。また、繊維状補強材の配向方向に特に注意を払う必要もない。なお、ベース部は、コストや生産性を考慮して、繊維状補強材を含有しない、例えばＭＣナイロン（登録商標）を採用することもできる。

ギヤ歯部３５は、内周側は上記ベース部３４と一体とされ、外周側にはギヤ歯３５ａが形成されている。このギヤ歯部３５の内周側には、上述したベース部３４の突状の係合部３４ｂと係合する凹状の被係合部３５ｂが設けられ、係合部３４ｂと被係合部３５ｂとの係合により、ギヤ歯部３５とベース部３４の一体回転がより確実となっている。

このギヤ歯部３５は、樹脂をベースに粒子状補強材を含有する樹脂組成物から形成されている。ベース樹脂としては、ポリアミド樹脂、もしくはポリアミド樹脂を主成分とするブレンドポリマーを用いる。尚、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、あるいはこれらの混合物等が挙げられる。上述したベース部３４と熱膨張率を同程度に抑えるために、ギヤ歯部３５のベース樹脂は、ベース部３４と同一の種類の樹脂を用いるのが好ましい。

また、粒子状補強材としては、例えばアラミド粒子が挙げられる。かかるアラミド粒子の粒子径は粒径５μｍ〜２００μm、より好ましくは２０μm〜１００μmである。５μm以下の粒径では補強効果および寸法抑制効果が少なくなり好ましくない。また２００μm以上の粒径では成形精度の悪化が想定され、外径部に歯形状を有するギヤ歯部３５の成形やギヤ歯先といった細部までの分散が困難になり、耐摩耗性が悪化し好ましくない。

なお、本アラミド粒子の含有量は、全体の１０〜５０質量％、より好ましくは２０〜３５質量％である。配合量が１０質量％未満の場合は、機械的強度、および寸法変化の改善効果が少ない。補強剤の配合量が５０質量％を超えると力機械的強度が低下するため、好ましくない。

ベース部３４およびギヤ歯部３５のベース樹脂には、本発明の効果を損なわない範囲内で、各種添加剤を配合することができ、例えば可塑剤、酸化防止剤、熱安定剤、離形剤、流動性改良剤を適量配合してもよい。

図２にもどり、電動モータ１３の回転は、ウォームギヤ３１、ウォームホイール３２を経て、ウォームホイール３２の芯金３３と嵌合している下部ステアリングシャフト１１ｂに伝達される。

図４は、ウォームホイール３２の製造方法を説明する図である。まず、円環形状である金属製の芯金３３の外周面３３ａにスプラインを形成し、溶剤で脱脂した後、当該外周面３３ａに接着剤を塗布する。接着剤としては、シラン系カップリング剤などが使用される。

次に、図４（ａ）に示すように、射出成形機において、成形品の外周面に突状の係合部３４ｂを形成するための凹状部５１ｂが形成された金型５１に前記芯金３３を設置し、スプルー５３およびディスクゲート５４が装着された金型５２で型締めを施す。

次いで、樹脂組成物、例えばポリアミド樹脂組成物を充填し、一次成形品３２ｘを成形する。その後、金型を開いて、図４（ｂ）に示す、突状の係合部３４ｂを備えた1次成形品３２ｘを取り出す。

次いで、図４（ｃ）に示すように、余分なスプルー部材５６およびランナ部材５７を除去加工し、芯金３３とベース部３４からなるプリウォームホイール３２ｙを得る。

次いで、プリウォームホイール３２ｙの外周面に接着剤を塗布した後、図４（ｄ）に示すように、プリウォームホイール３２ｙを、外周面にギヤ歯３５ａを形成するための歯６１ｂが形成された金型６１に設置し、スプルー６３およびディスクゲート６４が装着された金型６２で型締めを施す。なお、プリウォームホイール３２ｙを金型６１に設置するときには、突状の係合部３４ｂと成形後に形成されるギヤ歯３５ａとの周方向における位相が一致するように配置する。

次いで、樹脂組成物、例えば補強材としてアラミド粒子を含有したポリアミド樹脂組成物を充填し、ギヤ歯３５ａを有した２次成形品３２ｚを成形する。その後、金型を開いて、図４（ｅ）に示す、２次成形品３２ｚを取り出す。

次いで、図４（ｆ）に示すように、余分なスプルー部材６６およびランナ部材６７を除去加工し、芯金３３とベース部３４とギヤ歯部３５とからなるウォームホイール３２を得る。

次に作動について説明する。

運転者がステアリングホイールを操作するときに、トルクセンサからの操舵トルク信号に応じて、操舵力を補助するために電動モータからの補助動力が用いられる。このとき、電動モータからの補助動力は、ウォームギヤ３１、ウォームホイール３２を経由して、下部ステアリングシャフト１１ｂに伝達される。

本実施形態のウォームホイール３２においては、ウォームギヤ３１と噛み合うギヤ歯３５ａは、補強材としてアラミド粒子を含有する樹脂組成物で形成されているため、ギヤ歯３５ａの変形が抑えられるとともに、相手側のウォームギヤ３１の歯面損傷を防ぐことができる。また、ベース部３４は繊維状補強材を含有する樹脂組成物で形成されていることにより、高出力化したモータパワーを芯金３３へ、更にはステアリングシャフトへ確実に伝達することができる。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態を示す図である。第１実施形態と同一部分については同一符号、又は類似する符号を付して詳細な説明は省略する。本実施形態に係るウォームホイール７２も芯金３３と、ベース部７４と、ギヤ歯部７５とを備えるが、ベース部７４とギヤ歯部７５との係合態様が第１実施形態と異なる。

ギヤ歯部７５の内周側には頭部が拡大しているフック部７５ｂが複数個形成されており、これに対応して、ベース部７４の外周側には、かかるフック部７５ｂと係合する被係合凹部７４ｂが形成されている。かかるフック部７５ｂと被係合凹部７４ｂとの係合により、一体化されたとき、ギヤ歯部７５はベース部７４に対して周方向及び径方向共に所定位置に確実に位置決めされることが可能となる。

本実施形態においても、ギヤ歯７５ａの変形が抑えられるとともに、相手側のウォームギヤ３１の歯面損傷を防ぐことができ、また、高出力化したモータパワーを芯金３３へ、更にはステアリングシャフトへ確実に伝達することができるという、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の様態は上記実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。例えば、歯打ち音を低減させる要求が強い場合は、ベース部にはクッション性のあるゴム材料を含有させることができる。また粒子状の補強材は、アラミド粒子に限定されることなく、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子やシリコン粒子を用いると、潤滑性が向上し，作動時のトルクを低減することができる。

３１ ウォームギヤ
３２、７２ ウォームホイール
３３ 芯金
３４、７４ ベース部
３５、７５ ギヤ歯部

Claims (2)

1. ウォームギヤと噛み合って動力を伝達するためのウォームホイールであって、
   金属製の芯金と、
   該芯金の径方向外側に設けられた樹脂製のベース部と、
   該ベース部のさらに径方向外側に設けられ、粒子状の補強材を含有した樹脂組成物から形成された、前記ウォームギヤと噛み合う樹脂製のギヤ歯部と、
   を有するウォームホイール。
2. 前記ベース部は、繊維状の補強材を含有した樹脂組成物から形成されている請求項１記載のウォームホイール。

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