JP2022109431A - 歯付きプーリ - Google Patents

Abstract

【課題】歯付きプーリの歯を生産性の高い熱可塑性樹脂としながら、歯の精度を確保して重量の増加を抑制する。【解決手段】円筒状の芯金Ｂと、歯Ｔを含む樹脂部Ｃとからなる歯付きプーリＡである。芯金Ｂは、第１芯金１と、第１芯金１に対して径方向Ｌの隙間Ｇをあけるように第1芯金１よりも径方向Ｌの外方に位置し、第１芯金１と同心である第２芯金２とからなる。樹脂部Ｃは、熱可塑性樹脂であるとともに、第１芯金１と第２芯金２との間の隙間Ｇの樹脂、及び歯Ｔの樹脂を含む同一の部品である。芯金Ｂが第１芯金１及び第２芯金２であることから芯金Ｂを薄肉化できるので、歯付きプーリＡを軽量化できる。樹脂部Ｃが熱可塑性樹脂であるので、歯付きプーリＡの生産性が高くなる。第２芯金２により、それより径方向Ｌの外方に位置する樹脂部Ｃの肉厚を適正に設定できるので、歯Ｔの要求精度を確保しやすい。【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、歯付きベルトに噛み合う歯付きプーリに関する。

電動パワーステアリング装置の動力伝達機構として、駆動側歯付きプーリ、従動側歯付きプーリ、及び歯付きベルトからなるベルト伝動機構が用いられる（例えば、特許文献１のベルト伝動機構３０参照）。前記ベルト伝動機構は減速機であるため、前記従動側歯付きプーリのピッチ円直径は大きくなる。また、前記従動側歯付きプーリは、例えば有底円筒状である（例えば、特許文献１の図２及び図４の符号３２の部品を参照）。

前記歯付きプーリの材質は、強度及び精度の要求仕様を満たすために通常は鋼である。前記歯付きプーリは、例えば鋼材から削り出して製造される。

電動パワーステアリング装置の動力伝達機構に用いる歯付きプーリとして、軽量化のために、ハブベース（２）を鋼とし、歯（３）をフェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂としたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０２０－４４８５４号公報 独国特許出願公開第１０２００６０５９９４６号明細書

特許文献２のように、歯を熱硬化性樹脂とすると歯の精度は高くなる。しかしながら、歯を熱硬化性樹脂で射出成形する場合、成形サイクルが長くなるとともに、バリが出るため二次加工が必要になる。したがって生産性が低下する。

それに対して歯を熱可塑性樹脂とすれば生産性は向上する。しかしながら、樹脂部の肉厚を適切に設定（強度を保ちながら薄肉化）しないと、樹脂部の肉厚と全歯たけの厚みの差が大きくなり、収縮差も大きくなるので精度が悪化しやすい。例えば特許文献１の従動プーリ３２を熱可塑性樹脂と芯金で形成する場合、樹脂部の肉厚を適切に設定すると、芯金の外径を大きくする必要があり重量が増加する。

本発明は、歯付きプーリの歯を生産性の高い熱可塑性樹脂としながら、歯の精度を確保して重量の増加を抑制できる歯付きプーリを提供することを目的とする。

本発明に係る歯付きプーリは、前記課題解決のため、
円筒状の芯金と、歯を含む樹脂部とからなる歯付きプーリであって、
前記芯金は、
第１芯金と、
前記第１芯金に対して径方向の隙間をあけるように前記第１芯金よりも径方向の外方に位置し、前記第１芯金と同心である第２芯金と
からなり、
前記樹脂部は、
熱可塑性樹脂であるとともに、
前記第１芯金と前記第２芯金との間の前記隙間の樹脂、及び前記歯の樹脂を含む同一の部品である。

このような構成によれば、歯付きプーリの歯を含む部分を樹脂部としているので、歯付きプーリを軽量化できる。その上、歯付きプーリの円筒状の芯金が第１芯金及び第２芯金であることから芯金を薄肉化できるので、歯付きプーリを軽量化できる。その上さらに、前記樹脂部が熱可塑性樹脂であるので、歯付きプーリの生産性が高くなる。

その上、円筒状の芯金を、歯付きプーリの内径を形成する第１芯金と、第１芯金よりも径方向の外方に位置する第２芯金とにより構成している。したがって、前記第２芯金により、それより径方向の外方に位置する樹脂部の肉厚を適正に設定できるので、歯付きプーリの歯の要求精度を確保しやすい。

ここで、前記樹脂部における前記歯の歯底の内径側の肉厚Ｆ、及び前記歯の全歯たけＥは、Ｅ≦Ｆ≦３ｍｍの関係を満たすのが好ましい実施態様である。

このような構成によれば、歯付きプーリの重量の増加を抑制しながら歯の精度をより確保しやすくなる。

また、前記第１芯金は、軸方向の一端部に底板を有し、
前記底板に、複数の軸方向の取付け穴、及び、前記樹脂部が入り込む、複数の抜き穴を有するのがより好ましい実施態様である。

このような構成によれば、第１芯金の取付け穴から通したボルトにより、歯付きプーリを取り付ける部材に対して歯付きプーリを容易かつ確実に固定できる。その上、抜き穴により第１芯金を軽量化できるとともに、第１芯金の抜き穴に樹脂部が入り込んでいるので、歯を含む樹脂部と第１芯金とを周方向に回り止めをする機能も有する。

さらに、前記樹脂部は、軸方向の一端部に底板を有し、
前記樹脂部の底板に、前記第１芯金の底板の前記取付け穴を軸方向に露出させる切欠きを有するのが一層好ましい実施態様である。

このような構成によれば、樹脂部に設けた底板により、樹脂部の強度及び剛性が高くなる。その上、樹脂部の底板に切欠きを設けていることにより第１芯金の底板の取付け穴が軸方向に露出するので、歯付きプーリを取り付ける部材に対して歯付きプーリを取り付ける作業を行う際に樹脂部の底板が邪魔にならない。

さらにまた、前記樹脂部は、軸方向の一端部に、前記歯の歯先よりも径方向の外方へ突出する外向きフランジを有するのがより一層好ましい実施態様である。

このような構成によれば、前記外向きフランジにより、歯付きプーリに噛み合う歯付きベルトの軸方向への移動を規制することができる。

また、前記第１芯金は、軸方向の他端部に、前記樹脂部との周方向の回止め形状を有する外向きフランジを有するのがさらに一層好ましい実施態様である。

このような構成によれば、周方向の回止め形状を有する外向きフランジにより、第１芯金と樹脂部との周方向の回り止めを容易かつ確実に行うことができる。

本発明の歯付きプーリによれば、歯付きプーリの歯を生産性の高い熱可塑性樹脂としながら、歯の精度を確保して重量の増加を抑制できる。

本発明の実施の形態に係る歯付きプーリの一例を示す斜視図である。 前記歯付きプーリの部分断面斜視図である。 前記歯付きプーリの縦断面図である。 前記歯付きプーリの要部拡大縦断面図である。 第１芯金及び第２芯金の分解斜視図である。 前記歯付きプーリを軸方向から見た要部拡大端面図である。 可動側金型、並びに第１芯金及び第２芯金の分解縦断面図である。 可動側金型に第１芯金及び第２芯金をセットした状態を縦断面図である。 固定側金型からキャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を充填した状態を示す縦断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の実施の形態に係る歯付きプーリは、電動パワーステアリング装置の動力伝達機構に用いるものである。したがって、本発明の実施の形態に係る歯付きプーリには高い精度が要求される。

本明細書において、歯付きプーリの回転軸（図３Ａの符号Ｏ参照）の方向を「軸方向」、軸方向に直交する方向を「径方向」（図３Ａの矢印Ｌ参照）、軸方向を鉛直にした際に径方向に直交する水平方向を「周方向」という。

＜歯付きプーリ＞
図１の斜視図、図２の部分断面斜視図、並びに、図３Ａの縦断面図、及び図３Ｂの要部拡大縦断面図に示すように、本発明の実施の形態に係る歯付きプーリＡは、円筒状の芯金Ｂと、歯Ｔを含む樹脂部Ｃとからなる。歯付きプーリＡの歯Ｔを含む部分を樹脂部Ｃとしているので、歯付きプーリＡを軽量化できる。歯付きプーリＡの歯Ｔには、図示しない歯付きベルトの歯が噛み合う。本実施の形態に係る歯付きプーリＡの歯Ｔは、はすばである。

＜芯金＞
図２の部分断面斜視図、図３Ａの縦断面図、及び図３Ｂの要部拡大縦断面図、並びに図４の分解斜視図に示すように、芯金Ｂは、薄肉の第１芯金１及び第２芯金２からなる二重構造を有する。第１芯金１の内周面１Ｂは露出しており、内周面１Ｂは、図示しない電動パワーステアリング装置の動力伝達機構のボールねじのナット部材の外周面に取り付けられて、ボールねじのナットに対する歯付きプーリＡの径方向の位置決めに用いられる。第１芯金１及び第２芯金２は、冷延鋼板、熱延鋼板、高張力鋼板などをプレス加工したものが使用される。

第２芯金２は、第１芯金１に対して径方向の隙間Ｇ（図３Ｂ）をあけるように第１芯金１よりも径方向Ｌの外方に位置し、第１芯金１と同心（同軸）である。すなわち、隙間Ｇは、第１芯金１の外周面１Ａと第２芯金２の内周面２Ｂとの間である。

第１芯金１は、軸方向の一端部に底板３を有する。底板３に、複数の軸方向の取付け穴（本実施の形態では周方向等分の４個の丸穴）３Ａ、及び、樹脂部Ｃが入り込む、複数の抜き穴（本実施の形態では周方向等分の４個の周方向の長穴）３Ｂを有する。

第１芯金１の取付け穴３Ａから通したボルトにより、歯付きプーリＡを取り付ける部材に対して歯付きプーリＡを容易かつ確実に固定できる。その上、第１芯金１の抜き穴３Ｂにより有底円筒状である第１芯金１を軽量化できる。その上さらに、図８の縦断面図に示すように抜き穴３Ｂに樹脂部Ｃが入り込んでいるので、歯Ｔを含む樹脂部Ｃと第１芯金１とを周方向に回り止めをする機能も有する。

第１芯金１は、軸方向の他端部に、外向きフランジ１Ｃ（図２、図３Ｂ、図４）を有する。第１芯金１に外向きフランジ１Ｃを設けることにより、第１芯金１の剛性が向上するとともに、樹脂部Ｃに対する第１芯金１の軸方向の抜け止めをすることができる。

外向きフランジ１Ｃは、樹脂部Ｃとの周方向の回止め形状Ｈを有する。回止め形状Ｈは、例えば、外向きフランジ１Ｃの外周面を多角形状としたものである。それにより、第１芯金１と樹脂部Ｃとの周方向の回り止めを容易かつ確実に行うことができる。

第２芯金２は、軸方向の一端部に、外向きフランジ２Ｃ（図２、図３Ｂ、図４）を有する。第２芯金２に外向きフランジ２Ｃを設けることにより、第２芯金２の剛性が向上するとともに、樹脂部Ｃに対する第２芯金２の軸方向の抜け止めをすることができる。

＜樹脂部＞
図２の部分断面斜視図、並びに、図３Ａの縦断面図、及び図３Ｂの要部拡大縦断面図に示すように、樹脂部Ｃは、第１芯金１と第２芯金２との間の前記隙間Ｇの樹脂、及び歯Ｔを含む同一の部品である。つまり、樹脂部Ｃは前記隙間Ｇにある樹脂と、複数の歯Ｔを外周に備えて略円筒形をなす歯部とを含んで、一体に形成されている。樹脂部Ｃの材質は、例えば、ＰＢＴ、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、ＰＰＳ、又はＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂材料であり、その中でも、耐熱性、機械的特性、難燃性及び寸法安定性等の点で優れるＰＰＳに、強化材としてガラス繊維を数十重量％配合したものであるのが好ましい実施態様である。

樹脂部Ｃは、軸方向の一端部に、歯Ｔの歯先よりも径方向Ｌの外方へ突出する外向きフランジＪを有する。また、樹脂部Ｃの軸方向の他端部の嵌合凸部Ｓに、合成樹脂製である外向きフランジＫの嵌合凹部Ｒを嵌合させ、樹脂部Ｃに対する外向きフランジＫの軸方向及び径方向の位置決めを行った状態で、例えば超音波溶着により、外向きフランジＫを樹脂部Ｃに取り付ける。したがって、歯付きプーリＡは両フランジ型であり、歯付きプーリＡに噛み合う歯付きベルトの軸方向への移動を規制することができる。

樹脂部Ｃは、軸方向の一端部に底板Ｍを有し、底板Ｍに、第１芯金１の底板３の取付け穴３Ａを軸方向に露出させる切欠きＮを有する。樹脂部Ｃに設けた底板Ｍにより、樹脂部Ｃの強度及び剛性が高くなる。その上、樹脂部Ｃの底板Ｍに切欠きＮを設けていることにより第１芯金１の底板３の取付け穴３Ａが軸方向に露出するので、歯付きプーリＡを取り付ける部材に対して歯付きプーリＡを取り付ける作業を行う際に樹脂部Ｃの底板Ｍが邪魔にならない。

＜芯金を二重構造にすることによる作用効果＞
歯付きプーリＡの円筒状の芯金Ｂが第１芯金１及び第２芯金２であることから芯金を薄肉化できるので、歯付きプーリＡを軽量化できる。その上、樹脂部Ｃが熱可塑性樹脂であるので、歯付きプーリＡの生産性が高くなる。

その上さらに、円筒状の芯金Ｂを、歯付きプーリＡの内径を形成する第１芯金１と、第１芯金１よりも径方向の外方に位置する第２芯金２とにより構成している。したがって、第２芯金２により、それより径方向の外方に位置する樹脂部Ｃの肉厚を適正に設定できるので、歯付きプーリＡの歯Ｔの要求精度を確保しやすい。また、第１芯金１の内径により、ボールねじのナットに対する歯付きプーリＡの径方向の位置決めを精度よく行えると同時に、第１芯金１と第２芯金２を薄肉として両芯金の間の隙間Ｇは樹脂で埋めているので、第1芯金１を厚肉化してその外径を第２芯金２の外径と同じ直径まで拡大する場合に比べて軽量化できる。

＜第２芯金よりも径方向の外方の樹脂部の肉厚、全歯たけとの関係＞
図５の要部拡大端面図に示すように、樹脂部Ｃにおける歯Ｔの歯底円Ｄと第２芯金２の外周面２Ａとの径方向Ｌの距離、すなわち樹脂部Ｃにおける歯Ｔの歯底の内径側の肉厚Ｆ、及び歯Ｔの全歯たけＥは、Ｅ≦Ｆ≦３ｍｍの関係を満たす。

樹脂部Ｃにおける歯Ｔの歯底の内径側の肉厚Ｆ、及び歯Ｔの全歯たけＥを、Ｅ≦Ｆ≦３ｍｍとすることにより、歯付きプーリＡの重量の増加を抑制しながら歯Ｔの精度をより確保しやすくなる。

＜インサート成形＞
図６～図８の縦断面図を参照して歯付きプーリＡのインサート成形について説明する。図６～図８において、回転軸Ｏ（図６）の上側は取付け穴３Ａを含む断面を示しており、回転軸Ｏ（図６）の下側は抜き孔３Ｂを含む断面を示している。

（インサート品セット工程）
図６及び図７に示すように、射出成形用金型ＩＭを開いた状態で、射出成形用金型ＩＭの可動側金型４に、インサート品である第１芯金１及び第２芯金２をセットして射出成形用金型ＩＭ内に配置する。

（射出成形工程）
図８に示すように射出成形用金型ＩＭを閉じて型締めした状態で、溶融した熱可塑性樹脂材料Ｐを固定側金型５のスプルー６から注入する。溶融した熱可塑性樹脂材料Ｐは、ランナー７を通ってゲート８から固定側金型５及び可動側金型４間のキャビティ９内に充填される。ゲート８は、例えば４点である。

（成形品取出し工程）
溶融した熱可塑性樹脂材料Ｐを冷却・固化させた後、図８に示すパーティングライン１０から可動側金型４を開き、図示しないエジェクタピンにより突き出すことにより成形品である歯付きプーリＡを取り出す。歯付きプーリＡには、図１における４箇所の窪み部Ｑの中央にゲート跡がある。

＜歯付きプーリの歯の成形収縮量及び円筒度の評価＞
（比較例）
実施例に対する比較例１及び比較例２の歯付きプーリは、第１芯金及び第２芯金からなる二重構造ではない従来構造の芯金であり、芯金の肉厚は３ｍｍである。図５の端面図に示す樹脂部Ｃにおける歯Ｔの歯底の内径側の肉厚（以下、「歯底内径側肉厚」という）Ｆに相当する樹脂部の肉厚は、比較例１が３．６８ｍｍ、比較例２が１．６３ｍｍである。

（実施例）
実施例の歯付きプーリは、本発明の実施の態様のように第１芯金及び第２芯金からなる二重構造を有する芯金であり、比較例１及び２に対して、第１芯金の肉厚は約半分、第２芯金の肉厚は約１／３である。なお、実施例の歯付きプーリは、比較例１の歯付きプーリに対して約２０％軽量化できている。

（評価方法）
樹脂部の材質は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）に、強化材としてガラス繊維を数十重量％配合したものとした。比較例１及び２については実測及び解析を行い、実施例については解析を行い、歯の収縮量及び円筒度を評価した。前記解析は、プラスチック射出成形用のシミュレーションソフトウェアであるＭＯＬＤＦＬＯＷ（登録商標）を用いて行った。

（実測値と解析値との比較）
比較例１及び２における歯の収縮量の実測値と解析値とを比較すると、後述する評価結果のように実測値と解析値の傾向は良く一致している。円筒度についても、後述する評価結果のように実測値と解析値は近い値である。したがって、解析の精度が高いことが分かる。

（評価結果）
歯の収縮量における以下の「取付側」は、例えば図３Ａの歯付きプーリＡにより説明すると、歯Ｔの左端部である。

比較例１と比較例２を比較すると、歯底内径側肉厚が薄い比較例２の方が、歯の収縮量が小さく、円筒度が良い。例えば、歯の収縮量の「取付側」の最大値で比較すると、比較例１に対して比較例２の方が、約６４％（実測値）、約６０％（解析値）であり、比較例１よりも歯底内径側肉厚が薄い比較例２の方が収縮量が小さい。また、円筒度は、比較例１に対して比較例２の方が、約３９％（実測値）、約４２％（解析値）であり、比較例１よりも歯底内径側肉厚が薄い比較例２の方が円筒度が良い。

以上の結果（円筒度）より、熱可塑性樹脂の歯底内径側肉厚（図５のＦに相当する樹脂部の肉厚）が３ｍｍを超えると、その部分の収縮量のばらつきが大きくなることで、歯の精度が低下する。全歯たけ（Ｅ）より樹脂部の肉厚（Ｆ）が小さいと、歯付きプーリの歯に入力される歯付きベルトからの力を適切に受けることができず、樹脂部（歯底部）が破壊されることが懸念される。Ｅ≦Ｆ≦３ｍｍの関係を満たすことにより、樹脂部の肉厚（Ｆ）と全歯たけ（Ｅ）との厚みの差が大きくならず、収縮差も大きくならないので精度が確保しやすい。

実施例は、比較例２と同様の歯の収縮量及び円筒度を有する。薄肉の第１芯金及び第２芯金２からなる二重構造を有する実施例では、第２芯金よりも外方に位置する樹脂部の歯底内径側肉厚（Ｆ）を適正に設定することが容易であるので歯付きプーリの歯の要求精度を確保しやすく、第１芯金及び第２芯金を薄肉にすること等により、軽量化を図りやすい。

以上の実施の形態の記載はすべて例示であり、これに制限されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく種々の改良及び変更を施すことができる。

１ 第１芯金
１Ａ 外周面
１Ｂ 内周面
１Ｃ 外向きフランジ
２ 第２芯金
２Ａ 外周面
２Ｂ 内周面
２Ｃ 外向きフランジ
３ 底板
３Ａ 取付け穴
３Ｂ 抜き孔
４ 可動側金型
５ 固定側金型
６ スプルー
７ ランナー
８ ゲート
９ キャビティ
１０ パーティングライン
Ａ 歯付きプーリ
Ｂ 芯金
Ｃ 樹脂部
Ｄ 歯底円
Ｅ 全歯たけ
Ｆ 樹脂部の肉厚
Ｇ 隙間
Ｈ 回止め形状
ＩＭ 射出成形用金型
Ｊ 外向きフランジ
Ｋ 外向きフランジ
Ｌ 径方向
Ｍ 底板
Ｎ 切欠き
Ｏ 回転軸
Ｐ 溶融した熱可塑性樹脂材料
Ｑ 窪み部
Ｒ 嵌合凹部
Ｓ 嵌合凸部
Ｔ 歯

Claims (6)

1. 円筒状の芯金と、歯を含む樹脂部とからなる歯付きプーリであって、
   前記芯金は、
   第１芯金と、
   前記第１芯金に対して径方向の隙間をあけるように前記第１芯金よりも径方向の外方に位置し、前記第１芯金と同心である第２芯金と
   からなり、
   前記樹脂部は、
   熱可塑性樹脂であるとともに、
   前記第１芯金と前記第２芯金との間の前記隙間の樹脂、及び前記歯の樹脂を含む同一の部品である、
   歯付きプーリ。
2. 前記樹脂部における前記歯の歯底の内径側の肉厚Ｆ、及び前記歯の全歯たけＥは、
   Ｅ≦Ｆ≦３ｍｍ
   の関係を満たす、
   請求項１に記載の歯付きプーリ。
3. 前記第１芯金は、軸方向の一端部に底板を有し、
   前記底板に、複数の軸方向の取付け穴、及び、前記樹脂部が入り込む、複数の抜き穴を有する、
   請求項１又は２に記載の歯付きプーリ。
4. 前記樹脂部は、軸方向の一端部に底板を有し、
   前記樹脂部の底板に、前記第１芯金の底板の前記取付け穴を軸方向に露出させる切欠きを有する、
   請求項３に記載の歯付きプーリ。
5. 前記樹脂部は、
   軸方向の一端部に、前記歯の歯先よりも径方向の外方へ突出する外向きフランジを有する、
   請求項１～４の何れか１項に記載の歯付きプーリ。
6. 前記第１芯金は、
   軸方向の他端部に、前記樹脂部との周方向の回止め形状を有する外向きフランジを有する、
   請求項１～５の何れか１項に記載の歯付きプーリ。

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