JP4182978B2 - 電動パワーステアリング装置及びそれに使用する樹脂歯車 - Google Patents

Description

この発明は、電動パワーステアリング装置、特に樹脂歯車をパワーアシスト部を構成する歯車減速機構に使用した電動パワーステアリング装置、及びそれに使用する動力伝達に適した樹脂歯車に関する。

車両用の電動パワーステアリング装置では、電動モータに比較的高回転、低トルクのものが使用されるため、電動モータとステアリングシヤフトとの間に歯車減速機構が組み込まれている。歯車減速機構としては、平歯車その他の歯車を使用した歯車減速機構も知られているが、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、ウォームとウォームホイールとから構成される周知のウォーム歯車減速機構を使用するものが一般的である。

このようなウォーム歯車減速機構（以下、単に減速ギアという）では、電動モータの回転軸に連結される駆動歯車であるウォームと、このウォームに噛み合うウォームホイールから構成されている。

このような減速ギアでは、ウォームとウォームホイールの両方を金属製にすると、ハンドル操作時に歯打ち音や振動音等の不快音が発生するという不都合があるので、この対策として、従来は、ウォームを金属製とした場合は、ウォームホイールとして、金属製のハブ、即ち芯金の外周部に合成樹脂材からなるブランク円板を一体に形成し、このブランク円板の円周部に切削その他の手段で歯を形成して樹脂製の歯部が一体形成された合成樹脂製の歯部を備えたウォームホイールを使用し、歯打ち音や振動音等の不快音の発生を抑えていた。

上記した樹脂ギアの樹脂部の材料としては、耐疲労性、寸法安定性や製造コストを考慮して、補強材を含有しないＭＣ（モノマーキャスト）ナイロン（登録商標）、ガラス繊維等の繊維補強材を配合したポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６などが使用されている。通常市販されているポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６などには直径１０μｍ或いは１３μｍ程度のガラス繊維が含有されている（特許文献１参照）。

また、電動パワーステアリング装置で使用されるウォーム減速機構では、２個の玉軸受でウォームが支承されているが、この２個の玉軸受の間の空間には、金属製のウォームと樹脂ギアであるウォームホイールの歯との間の潤滑用にグリースが充填されている。一般的には、基油として、鉱油や、耐熱性を考慮したポリα−オレフィン油を使用したグリースが使用される。

また、ウォームの両端に配置される玉軸受に予圧を掛けると共に、タイヤ側から微小なキックバックが入力されたときにウォームを軸方向に移動させてモータに回転力が作用しないようにし、ステアリングホイールにのみキックバックの情報を伝達するようにするゴム製のダンパーが取付けられているものがある。通常ゴム材としては、圧縮永久歪みが小さいエチレンアクリルゴムに代表されるアクリルゴムが最も一般的に用いられている。

しかしながら、最近は電動パワーステアリング装置が、軽自動車から排気量１０００ｃｃ乃至１５００ｃｃクラスのエンジンを搭載した自動車にまで使用されるようになり、電動パワーステアリング装置が高出力化され、それに伴って樹脂ギア部の接触面圧Ｐと周速度Ｖとの積であるＰＶ値が大きくなってきている。

これに伴い、従来使用されてきたポリα−オレフィン油を基油とするグリースでは、従動歯車（ウォームホイール）と駆動歯車（ウォーム）との間の潤滑状態が十分に良好であるとは言えなくなってきた。また、ＭＣ（モノマーキャスト）ナイロン（登録商標）や、通常市販されている直径１０μｍ或いは１３μｍ程度のガラス繊維が含有されているポリアミド樹脂では、高ＰＶ値での耐摩耗性が十分とは言えなかった。

この結果、高ＰＶ値での長期間の電動パワーステアリング装置の運転によって一時的な油膜切れが発生し、徐々に歯車の歯面の摩耗が進行して、従動歯車（ウォームホイール）と駆動歯車（ウォーム）との噛合部におけるバックラッシュが増大する可能性があった。それにより、操舵感覚が悪化したり、異音（歯打ち音）が発生することが予想され、また歯車の変形、場合によっては破損して電動パワーステアリング装置全体が機能しなくなるおそれもあった。

また、上記したポリアミド系樹脂は、耐疲労性に優れるものの、吸水性が高く、水分を吸収してウォームホイールのギアの歯部分が膨張し、製造初期にはウォームとウォームホイールとの間に存在していた隙間が無くなったり、更に膨張してウォームを圧迫する可能性があった。

このようにウォームホイールが膨張すると、ウォームとウォームホイールとの間の摩擦抵抗が大きくなってハンドル操作が重くなったり、ギア部の圧迫や摩擦抵抗の増大によりギア部が摩耗或いは破損して、電動パワーステアリング装置が機能しなくなってしまうという不都合が発生する。

特公平６−６０６７４号公報

この発明は、上記課題を解決することを目的とするもので、ギア部が摩耗或いは破損を防止し、且つ、従動歯車（ウォームホイール）と駆動歯車（ウォーム）との間に、高温作動時に有効な潤滑効果を発揮するワックスを含有するグリースを使用し、また、繊維補強材として従来よりも細いガラス繊維を含有するポリアミド系樹脂で樹脂部を構成することで吸水による寸法変化を抑制し、ギア部が摩耗或いは破損するおそれのない、動力伝達に適した樹脂歯車をパワーアシスト部を構成する歯車減速機構に使用した電動パワーステアリング装置と、それに使用する樹脂歯車を提供するものである。

請求項１の発明は、電動モータによる補助動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において、前記減速歯車機構は、金属製芯金の外側に外周面にギア歯が形成された樹脂部が一体に構成された樹脂歯車である従動 歯車と、この従動歯車に噛合する駆動歯車とから構成され、少なくとも前記従動歯車と駆 動歯車との間にグリースが介在している減速歯車機構であって、前記樹脂歯車の樹脂部は、平均直径が６〜８μｍのガラス繊維を１０〜５０重量％含有するポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなり、前記グリースは、基油が鉱油、ポリα−オレフィン油、アルキルポリフェニルエーテルから選ばれる少なくとも一種を主成分とする基油とし、増ちょう剤、及び融点あるいは軟化点が７０〜１３０℃の範囲にある炭化水素系ワックスを３〜１０重量％の範囲で含む組成としたことを特徴とする電動パワーステアリング装置 である。

そして、前記炭化水素系ワックスは、ポリエチレンワックスである。

そして、前記樹脂歯車の樹脂部に含有されるガラス繊維の直径は、直径６μｍ〜８μｍの範囲にあるものとする。

そして、前記樹脂歯車の樹脂部に含有されるガラス繊維の繊維長は、１００μｍ〜９００μｍの範囲にあるものとする。

そして前記樹脂歯車の樹脂部は、ポリアミド６、ポリアミド６６、又はポリアミド４６ をベース樹脂とするものとする。

また、前記樹脂歯車の樹脂部は、前記ガラス繊維の一部が炭素繊維で置換された、ポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物から構成することもできる。

そして、前記従動歯車及び駆動歯車は、ウォームホイール、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギアである。

請求項８の発明は、動力伝達に適した樹脂歯車であって、前記樹脂歯車は、金属製芯金 の外側に外周面にギア歯が形成された樹脂部が一体に構成されており、前記樹脂部は、平 均直径が６〜８μｍのガラス繊維を１０〜５０重量％含有するポリアミド樹脂をベース樹 脂とする樹脂組成物からなることを特徴とする樹脂歯車である。

そして、前記金属製芯金と前記樹脂部との間に、片末端にエポキシ基あるいはアミノ基 のいずれかを有するシランカップリング剤からなる接着層を設ける。

そして、前記樹脂部に含有されるガラス繊維の直径は、直径６μｍ〜８μｍの範囲にあ るものとする。

そして、前記樹脂部に含有されるガラス繊維の繊維長は、１００μｍ〜９００μｍの範囲にあるものとする。

そして、前記樹脂部は、前記ガラス繊維の一部が炭素繊維で置換されたポリアミド樹脂 をベース樹脂とする樹脂組成物からなるものとする。

そして、前記樹脂歯車は、ウォームホイール、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギアのいずれにも適用することができる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。

［電動パワーステアリング装置の構成］
図１は、この発明に係るコラム式の電動パワーステアリング装置１０の構成を説明する正面図で、この発明による動力伝達に適した樹脂歯車を減速機構に使用したものである。図１において、１１は舵輪軸、１２は舵輪軸ハウジング、１３は電動モータ、２０はラック・ピニオン式運動変換機構を示す。

舵輪軸１１は、図１では図示されていないが、上部舵輪軸１１ａと下部舵輪軸１１ｂとから構成され、舵輪軸１１は舵輪軸ハウジング１２の内部に軸心回りに回転自在に支承されており、舵輪軸ハウジング１２は、車室内部の所定位置に下部を前方に向けて傾斜した状態に固定されている。また、上部舵輪軸１１ａの上端には、図示されていない舵輪が固定されている。

さらに、上部舵輪軸１１ａと下部舵輪軸１１ｂとは、図示されていないトーションバーにより結合されており、舵輪から上部舵輪軸１１ａを経て下部舵輪軸１１ｂに伝達される操舵トルクが、トーションバーにより検出され、検出された操舵トルクに基づいて電動モータ１３の出力が制御される。

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ほぼ水平に配置され、軸方向に移動自在なラック軸２１と、ラック軸２１の軸心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、及びラック軸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。

ピニオン軸２２と下部舵輪軸１１ｂの下部とは、２個の自在継手２５及び２６で連結されている。また、下部舵輪軸１１ｂの中間部分には後述するウォーム歯車減速機構３０が配置され、電動モータ１３から下部舵輪軸１１ｂに対して操舵補助力が供給されるように構成されている。

図２は、上記した電動パワーステアリング装置１０のウォーム歯車減速機構３０の構成を示す部分断面図で、３１はウォームホイール、３２はウォームホイール３１に噛合するウォーム、３３はギアケースである。ウォーム３２はその両端にウォーム軸３２ａ、３２ｂが一体に形成されており、ウォーム軸３２ａ、３２ｂはそれぞれギアケース３３に装着された玉軸受３４ａ、３４ｂにより回転自在に支承されている。また、ウォーム軸３２ｂは、電動モータ１３の駆動軸１３ａにスプライン、或いはセレーション結合している。

ウォームホイール３１のハブ、即ち芯金４２は下部舵輪軸１１ｂに結合し、電動モータ１３の回転はウォーム３２、ウォームホイール３１を経て下部舵輪軸１１ｂに伝達される。

図３は、この発明の実施の形態のウォーム歯車減速機構３０のウォームホイール３１及びウォーム３２の構成を示す斜視図で、ウォームホイール３１は、金属製のハブ、即ち芯金４２の外周面に、適宜クロスローレット加工を施すなどの加工を行い、その加工面に直径５〜９μｍの範囲のガラス繊維を１０〜５０重量％含有するポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなり、その外周端面にギア歯４４を形成し樹脂部４３を一体形成して構成されている。

一方、ウォーム３２は従来のウォームと同じく金属製のものとする。このウォーム３２は、必要に応じて熱処理や窒化処理等を実施して表面硬度を高め、ウォームホイール３１に含まれるガラス繊維に対する耐摩耗性を向上させてもよい。また、ウォームホイール３１との摺動によって発生する摺動音を考慮すると、表面粗さＲａが０．０２〜０．２μｍ、より好ましくは０．０２〜０．０６μｍの範囲にすると摺動音の低減が達成できる。表面粗さＲａが０．０２μｍ未満は加工が困難でコストを高めるので実用的でない。表面粗さＲａ＝０．０２〜０．０６μｍを達成する方法としては、研磨処理後、バレル処理を行う方法が実用的である。

［ウォームホイールの材料］
ウォームホイール３１の樹脂部４３は、耐疲労性に優れるポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６をベース樹脂とすることが好ましい。ポリアミド樹脂の分子量は、ガラス繊維含有状態で射出成形できる範囲、具体的には数平均分子量で１３０００〜２８０００、より好ましくは、耐疲労性、成形性を考慮すると、数平均分子量で１８０００〜２６０００の範囲である。

数平均分子量が１３０００未満の場合は分子量が低すぎて耐疲労性が悪く、実用性が低い。それに対して数平均分子量が２８０００を越える場合は、ガラス繊維の実用的な含有量１５〜３５重量％を含ませると、溶融粘度が高くなりすぎ、樹脂歯車を精度良く射出成形で製造することが難しくなり、好ましくない。

また、これらのベース樹脂に、他のポリアミド樹脂や、ウォームとウォームホイールとの間に一般的に使用される低極性基油からなるグリース基油への濡れ性を改善する酸無水物で変性されたポリオレフィン樹脂などの樹脂を組み合わせたり、耐衝撃性を改善するエチレンプロピレン非共役ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴム状物質を組み合わせてもよい。

これらのベース樹脂は、樹脂単独でも一定以上の耐久性を示し、ウォームホイール３１の相手材である金属製のウォーム３２の摩耗に対して有利に働き、減速ギアとして十分に機能する。しかしながら、より過酷な使用条件で使用されるとギア歯４４が摩耗したり破損することも予想されるので、信頼性を高めるために補強材を配合することが好ましい。

補強材としては、直径が５〜９μｍの範囲、より好ましくは６〜８μｍの範囲に入るガラス繊維を使用するものとし、ベース樹脂であるポリアミド樹脂との接着性を考慮して、片端末にエポキシ基やアミノ基などを有するシランカップリング剤で表面処理するものとする。

ガラス繊維の表面に結合されたシランカップリング剤は、片端末に存在するエポキシ基やアミノ基などの官能基がポリアミド樹脂のアミド結合に作用し、ガラス繊維の補強効果を向上させると共に、吸水による寸法変化を抑制する効果もある。

つまり、ポリアミド樹脂中に同じ重量含有率でガラス繊維を含有させた場合、従来の直径１０〜１３μｍのものよりも、より細い直径５〜９μｍのものを使用する方が、アミド結合に作用するガラス繊維の本数が増加し、それにより、引張強度などの機械的強度、曲げ疲労強度などの耐疲労性が向上するほか、吸水による寸法変化を抑制する効果が大きくなる。

但し、直径が５μｍ未満のガラス繊維を使用すると、耐衝撃強度などの機械的強度が低下する傾向があると共に、製造コストが高くなって実用性が低くなり、好ましくない。

また、ガラス繊維の繊維長は、１００〜９００μｍの範囲、より好ましくは３００〜６００μｍの範囲である。繊維長が１００μｍ未満の場合は、短かすぎて補強効果及び吸水による寸法変化の抑制効果が少なく、好ましくない。また、繊維長が９００μｍを越える場合は、補強効果及び寸法変化の抑制効果が向上するものの、樹脂部成形工程での繊維の破損や、配向性の低下による成形精度の悪化が想定されるようになり、外径部に歯形状を有する樹脂部の成形が困難になり、好ましくない。

ガラス繊維の含有量は、樹脂全体の１０〜５０重量％、より好ましくは１５〜３５重量％である。ガラス繊維の配合比率が１０重量％未満の場合には、機械的強度及び吸水による寸法変化の抑制効果が少なく、好ましくない。また、ガラス繊維の配合比率が５０重量％を越える場合は、ウォーム３２を損傷し易くなり、ウォーム３２の摩耗が促進されて減速ギアとしての耐久性が不足する可能性があり、好ましくない。

以上説明した繊維径５〜９μｍのガラス繊維は、吸水による寸法変化を抑制するほか、従来の繊維径１０〜１３μｍのガラス繊維に比べて、同じ配合量（重量％）で実質のガラス繊維の本数が増加する。そのため、ガラス繊維の本数が増加した分だけ荷重を受けることが可能になり、高面圧で使用しても樹脂歯部分に摩耗が発生しにくくなる。それによって、ギアのコンパクト化による高面圧使用条件にも対応が可能となる。

なお、補強材としてのガラス繊維の一部を炭素繊維などの繊維状物、或いはチタン酸カリウムウィスカーなどのウィスカー状物に置き換えてもよく、また着色剤などを加えてもよい。

更に、添加剤として樹脂に、成形時及び使用時の熱による劣化を防止するために、ヨウ化物系熱安定剤やアミン系酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加することが好ましい。

また、ベース樹脂であるポリアミド樹脂の吸水による寸法変化をさらに抑制するために、芯金外周部と樹脂部内周部との間に接着層を設けるとさらに効果的である。接着層を形成するには、一例として、芯金外周部にシランカップリング剤を塗布してから樹脂部を加熱圧入し、その後高周波加熱を行う方法がある。

高周波加熱を行うと、強固な接着層が形成されると同時に、芯金外周部に隣接する樹脂部内周部（界面）のみが溶融し、圧入によって発生した残留応力の除去を併せて行うこともできる。高周波加熱時の芯金部分の温度は、２００〜４５０℃で行うと接着力が強固になる。加熱雰囲気は大気中でもよいが、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うと樹脂等の酸化劣化が抑制され、好適である。

接着に使用されるシランカップリング剤は、その化学構造の一端に加水分解性基であるアルコキシ基を有しており、このアルコキシ基が加水分解して水酸基に変化し、この水酸基が金属表面の水酸基と脱水縮合を起こすことにより、金属との間で高い結合力を持つ共有結合を形成する。また、他端には有機官能基を有しており、この有機官能基がポリアミド樹脂の分子構造中のアミド結合と結合する。そして、これらの結合により芯金４２と樹脂部４３とが強固に結合される。

なお、有機官能基としては、アミノ基、エポキシ基が好適であり、このような有機官能基を有するシランカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β（３、４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。特に、有機官能基としてエポキシ基をもつものは、アミド結合との反応性が高く、より好ましい。

接着層を芯金４２の外周部とより強固に結合させるためには、芯金４２の外周面に表面水酸基を増やすのがよいが、このためには酸素プラズマ等による表面処理を施すと、更に好適である。

また、接着力の増加を含めて、芯金４２と樹脂部４３との密着性の向上と芯金４２との境界部の滑り抜け防止を目的にして、芯金４２の外周面には、予めショットブラストやローレット加工等を施しておいてもよく、特にローレット加工が好ましい。ローレット加工のＶ字状の溝の深さは０．２〜０．８ｍｍ、特に０．３〜０．７ｍｍが適当である。

［グリース］
次に、樹脂製ウォームホイールの歯部分と金属製ウォームの歯部分との潤滑状態を良好に保つグリースについて説明する。

本発明に使用されるグリースは、増ちょう剤と基油とを主成分とし、更に高面圧下の樹脂製ウォームホイールとウォームとの潤滑を良好に維持する融点あるいは軟化点が７０〜１３０℃の範囲にあるワックスを添加した構成である。基油は、鉱油、ポリα−オレフィン油、アルキルポリフェニルエーテルから選ばれる少なくとも一つであり、増ちょう剤は、アミンとイソシアネートからなるウレア化合物、Ｌｉ石けん、Ｌｉコンプレックス石けん、Ｂａ石けん、Ｂａコンプレックス石けん等である。これらの増ちょう剤の中で、ポリアミドに構造が類似のウレア結合を有するウレア化合物が、ポリアミド樹脂への吸着性に優れ、特に好ましい。

融点あるいは軟化点が７０〜１３０℃の範囲にあるワックスは、常温では固体で微粒子の状態で分散しており、樹脂製ウォームホイールとウォームとが摺接して温度が上昇すると、その噛合部分で高粘度の液体となる。この高粘度の液体は、温度上昇により低粘度化する基油に相溶して液体自体（基油＋ワックスの相溶物）の粘度を上昇させて全体として噛合部分から液体の排出を防止すると共に、相溶しないで一部残った状態でも噛合部分に残存し、高面圧下でも良好な潤滑状態を維持する。

これらのワックスの具体例としては、モンタン酸エステルワックス、モンタン酸エステル部分けん化ワックス等のエステル系ワックス、ポリエチレンワックス等の炭化水素系ワックス、ステアロアミド、ラウリルアミド、ベヘンアミド等の脂肪酸アミド等を使用することができ、この中では上記説明した基油への相溶性が高い炭化水素系ワックスが最も好ましい。これらのワックスの添加量は、グリース組成中に３〜１０重量％、より好ましくは４〜８重量％である。添加量が３重量％未満の場合、作動時の液体自体の相溶による粘度上昇が十分といえず、潤滑状態の改善が十分に行われず、好ましくない。添加量が１０重量％を越えると、グリースのちょう度が低下すると共に、相溶時の粘度上昇が高過ぎて、ギアの作動時のトルクが上昇し、結果として作動性が悪くなり好ましくない。

また、基油には、ポリアミド樹脂への濡れ性を改善させるために、ジエステル油、ポリオールエステル油、芳香族エステル油等を添加してもよい。具体的にはジエステル油としては、ジオクチルアジペート（ＤＯＡ）、ジイソブチルアジペート（ＤＩＢＡ）、ジブチルアジペート（ＤＢＡ）、ジオクチルアゼレート（ＤＯＺ）、ジブチルセバケート（ＤＢＳ）、ジオクチルセバケート（ＤＯＳ）等を挙げることができる。

ポリオールエステル油としては、Ｃ₄ 〜Ｃ₁₈のアルキル鎖が誘導されたペンタエリスリトールエステル油、ジペンタエリスリトールエステル油、トリペンタエリスリトールエステル油、ネオペンチル型ジオールエステル油、トリメチロールプロパンエステル油等を挙げることができる。

また、芳香族エステル油としては、トリオクチルトリメリテート（ＴＯＴＭ）、トリデシルトリメリテート、テトラオクチルピロメリテート等を挙げることができる。

これらのエステル系基油は、それぞれ単独で、あるいは混合してグリース組成物全量に対して１〜２０重量％の範囲、更に好ましくは２〜１０重量％の範囲で添加される。添加量が１重量％未満では濡れ性の改善効果が十分に得られず、一方２０重量％を越える量を添加しても濡れ性の改善に大きな効果が得られなくなると共に、エステル化合物の絶対量が増えることで、ウォームの軸方向移動を許容するゴム製のダンパーなど他の部品に膨潤等の悪影響を及ぼすことも想定される。

更に、このグリースには、酸化安定剤や防錆性等を向上させるために他の添加物を加えることもできる。例えば、アミン系やフェノール系の酸化防止剤、Ｃａスルホネート等の防錆剤、ＭｏＤＴＣ等の極圧添加剤などである。

以上、本発明の実施の形態では、電動パワーステアリング装置の歯車減速機構としてウォーム歯車減速機構を例示し、またそこに使用される歯車として樹脂歯車であるウォームホイールを例として、その樹脂歯車の材料や使用するグリースなどを説明したが、樹脂歯車はウォームホイールに限られるものではなく、種々の変更が可能である。例えば歯車形状として、図４に示す平歯車、図５示すはすば歯車、図６に示すかさ歯車、図７に示すハイポイドギア等が可能である。

［ウォームホイールの寸法安定性、耐久性、耐摩耗性試験と評価結果］
次に、ウォームホイールの寸法安定性、耐久性、耐摩耗性試験と評価結果について説明する。

Ａ．第１の試験と評価結果
第１の試験では、ウォームホイールの複数の実施例及び比較例について、耐久性、及び耐摩耗性についての試験を行い、評価した。なお、本発明は、以下説明する実施例及び比較例により何等制限されるものではない。

ａ．樹脂ギア部
（１）構成１
芯金：溝の深さ０．５ｍｍのローレット加工を施した外径６５ｍｍ、幅１６ｍｍのスチール鋼（材料記号Ｓ４５Ｃ）
樹脂：ポリアミド６（直径６μｍのガラス繊維（ＧＦ）を３０重量％含有、宇部興産（株）製ＵＢＥナイロン（登録商標）、ヨウ化銅系熱安定剤含有）、直径６μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね６μｍのガラス繊維のことであり、直径で５〜７μｍの範囲のガラス繊維が含まれる
樹脂部成形：芯金をコアにしてインサート成形
成形時樹脂部外径形状：切削代を残したはすば形状を有し、内径６４ｍｍ、外径８３ｍｍ、幅１５．５ｍｍ
成形後、樹脂部の歯を更に切削加工し、最終的にウォームホイール形状に仕上げた。

（２）構成２
樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径８μｍのものを使用、その他は実施例１と同じ。ここで、直径８μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね８μｍのガラス繊維のことで、直径で７〜９μｍの範囲のガラス繊維が含まれる。

（３）構成３
芯金：溝の深さ０．５ｍｍのローレット加工を施した外径６５ｍｍ、幅１６ｍｍのスチール鋼（材料記号Ｓ４５Ｃ）。脱脂してから、接着層形成を目的として、エポキシ基を有するシランカップリング剤であるγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」の１０重量％メタノール溶液に浸漬後、大気中で乾燥して芯金表面にシランカップリング剤の被膜を形成した
樹脂：ポリアミド６（直径６μｍのガラス繊維（ＧＦ）を３０重量％含有、宇部興産（株）製ＵＢＥナイロン（登録商標）、ヨウ化銅系熱安定剤含有）
樹脂部成形：芯金と別体に成形
成形時樹脂部外径形状：切削代を残したはすば形状を有し、内径６４ｍｍ、外径８３ｍｍ、幅１５．５ｍｍ
高周波融着：吸水処理を行なった樹脂部を、温度１４０℃で２０分加熱し、樹脂部を膨張させてから芯金に圧入した。その後、芯金温度が３５０℃に上昇するまでアルゴンガス中で高周波加熱して芯金に樹脂部を融着（接着）し、水中に入れて急冷した。その後、樹脂部に歯を切削加工し、最終的にウォームホイールに仕上げた。

（４）構成４（比較例１）
構成１と殆ど同じであるが、樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径１０μｍのものを使用。ここで、直径１０μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね１０μｍのガラス繊維のことであり、直径で９〜１１μｍの範囲のガラス繊維が含まれる。

（５）構成５（比較例２）
構成１と殆ど同じであるが、樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径１３μｍのものを使用。ここで、直径１３μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね１３μｍのガラス繊維のことであり、直径で１２〜１４μｍの範囲のガラス繊維が含まれる。

ｂ．グリースの調製
図８は、グリースに配合する添加剤の種類と配合量を説明する図で、グリースにはポリα−オレフィン油（１００℃で８ｍｍ² /s）を基油とし、脂肪族ジウレア化合物を増ちょう剤とするベースグリース（増ちょう剤量：１３重量％）に図８に示す各種添加剤（ワックス、酸化防止剤、防錆剤）を配合して、ちょう度番号Ｎｏ．２の、組成Ａ、組成Ｂ、組成Ｃの３種類のグリースを調製した。

ワックス：ポリエチレンワックス（三井化学（株）社製 三井ハイワックス３２０Ｐ（分子量３０００、軟化点１１４℃））
酸化防止剤：４，４′−ジオクチルジフェニルアミン（精工化学（株）社製ノンフレックスＯＤ−ＲＨ）
防錆剤：中性カルシウムスルホネート（（株）松村石油研究所製モレスコアンバーＳＣ４５Ｎ（鉱油含有量５４％））。

ｃ．試験装置における樹脂ギア及びグリースの組み合わせ
試験装置には、上記した樹脂ギアの構成１〜構成５と、上記したグリースの組成Ａ、組成Ｂ、組成Ｃを、以下に示す組み合わせにより設定した。
（実施例１） 樹脂ギア：構成１ グリース：組成Ａ
（実施例２） 樹脂ギア：構成２ グリース：組成Ａ
（実施例３） 樹脂ギア：構成３ グリース：組成Ａ
（比較例１） 樹脂ギア：構成４ グリース：組成Ａ
（比較例２） 樹脂ギア：構成５ グリース：組成Ａ
（比較例３） 樹脂ギア：構成１ グリース：組成Ｂ
（比較例４） 樹脂ギア：構成１ グリース：組成Ｃ
（比較例５） 樹脂ギア：構成５ グリース：組成Ｂ。

ｄ．耐摩耗性についての試験方法と評価結果
実際の電動パワーステアリング装置におけるウォーム（金属製）とウォームホイール（樹脂ギア）との潤滑状態をシュミレートするため、実施例１、２と比較例１〜５で使用した樹脂材料と同じ材料で板状試験片を作成し、この試験片を、直径６．３５ｍｍの鋼製ボール（ＳＵＪ２）を、１２０度間隔で３個配したボールオンディスク試験装置の回転する鋼製ボール（ボール頂点の接触部周速１ｍ／秒）に接触させ、耐摩耗性を評価した。雰囲気温度８０℃に設定し、試験片とボールとの間にグリース（組成Ａ、組成Ｂ、組成Ｃ）を介在させた状態で、荷重を２ｋｇから０．５ｋｇづつ増加させながら、各荷重の下で８時間連続回転させて試験片の摩耗状態を観察した。摩耗試験結果を図９に示す。

図９から明らかなように、補強材として従来よりも細いガラス繊維を混入した樹脂ギアと、ワックスが規定量含有されたグリースとの組み合わせたとき、高荷重で実質高面圧で使用しても摩耗の発生が認められず、耐摩耗性が向上したことが分かる。

ｅ．耐久性についての試験方法と評価結果
耐久性の試験は、上記実施例１乃至３と比較例１〜５を実際の電動パワーステアリング装置に組み込みグリースを充填し（ウォームホイールの樹脂部分の外周面、及びウォームの表面にグリースを万遍なく塗布）、環境条件１では雰囲気温度を８０℃、相対湿度を３０％に設定し、環境条件２では雰囲気温度を８０℃、相対湿度を７０％に設定し、１０万回の操舵を行い、ウォームホイールの摩耗量が初期値から４０μｍ以下を合格とした。なお、摩耗量は１万回の操舵ごとに測定した。また、吸水による寸法変化により、樹脂ギアとウォームとの間の間隔が減少し、作動性（作動トルク）が２０％以上増加したものを不合格とした。耐久性試験結果を図１０に示す。

環境条件１では、図９に示す摩耗が発生しない最大荷重の傾向と、摩耗量が基準を越える耐久回数の傾向とがほぼ一致している。吸水寸法変化の影響が大きくなる環境条件２では、高周波融着による接着を組み合わせた実施例３のみが１０万回の操舵に耐えて合格と判定され、実施例１及び２では摩耗量は基準を越えなかったが、吸水による寸法変化により作動性が悪化して不合格と判定された。

Ｂ．第２の試験と評価結果
第２の試験では、以下に示すウォームホイールの複数の実施例及び比較例について、寸法安定性、耐久性及び耐摩耗性についての試験を行い評価した。なお、本発明は、以下の実施例及び比較例により何等制限されるものではない。

ａ．実施例及び比較例の構成
（実施例１１）
芯金：溝の深さ０．５ｍｍのローレット加工を施した外径６５ｍｍ、幅１６ｍｍのスチール鋼（材料記号Ｓ４５Ｃ）
樹脂：ポリアミド６に、直径６μｍのガラス繊維（ＧＦ）を３０重量％含有、宇部興産（株）製ＵＢＥナイロン（登録商標）、ヨウ化銅系熱安定剤含有）
直径６μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね６μｍのガラス繊維のことであり、直径で５〜７μｍの範囲のガラス繊維が含まれる
樹脂部成形：芯金をコアにしてインサート成形
成形時樹脂部外径形状：切削代を残したはすば形状を有し、内径６４ｍｍ、外径８３ｍｍ、幅１５．５ｍｍ
成形後、樹脂部の歯を更に切削加工し、最終的にウォームホイール形状に仕上げた。

（実施例１２）
樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径７μｍのものを使用、その他は実施例１１と同じ。ここで、直径７μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね７μｍのガラス繊維のことで、直径で６〜８μｍの範囲のガラス繊維が含まれる。

（実施例１３）
芯金：溝の深さ０．５ｍｍのローレット加工を施した外径６５ｍｍ、幅１６ｍｍのスチール鋼（材料記号Ｓ４５Ｃ）。脱脂してから、接着層形成を目的として、エポキシ基を有するシランカップリング剤であるγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」の１０重量％メタノール溶液に浸漬後、大気中で乾燥して芯金表面にシランカップリング剤の被膜を形成した
樹脂：ポリアミド６に、直径６μｍのガラス繊維（ＧＦ）を３０重量％含有、宇部興産（株）製ＵＢＥナイロン（登録商標）、ヨウ化銅系熱安定剤含有）
直径６μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね６μｍのガラス繊維のことであり、直径で５〜７μｍの範囲のガラス繊維が含まれる
樹脂部成形：芯金と別体に成形
成形時樹脂部外径形状：切削代を残したはすば形状を有し、内径６４ｍｍ、外径８３ｍｍ、幅１５．５ｍｍ
高周波融着：吸水処理を行なった樹脂部を、温度１４０℃で２０分加熱し、樹脂部を膨張させてから芯金に圧入した。その後、芯金温度が３５０℃に上昇するまでアルゴンガス中で高周波加熱して芯金に樹脂部を融着（接着）し、水中に入れて急冷した。その後、樹脂部に歯を切削加工し、最終的にウォームホイールに仕上げた。

（比較例１１）
実施例１１と殆ど同じであるが、樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径１０μｍのものを使用。ここで、直径１０μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね１０μｍのガラス繊維のことであり、直径で９〜１１μｍの範囲のガラス繊維が含まれる。

（比較例１２）
実施例１１と殆ど同じであるが、樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径１３μｍのものを使用。ここで、直径１３μｍのガラス繊維とは、平均直径が概ね１３μｍのガラス繊維のことであり、直径で１２〜１４μｍの範囲のガラス繊維が含まれる。

ｂ．寸法安定性、耐久性、及び耐摩耗性についての試験と評価結果
図１１は寸法安定性と耐久性の試験結果を示す図、図１２は摩耗試験結果を示す図である。まず、試験の方法を説明する。

ｂ−１．寸法安定性の試験
寸法安定性の試験は、上記実施例１１乃至１３、並びに比較例１１及び１２について、以下の環境条件Ａ及びＢの下に放置し、７０時間、３００時間及び５００時間経過後のギアの外径寸法の変化量を測定した。試験結果は、いずれの条件においても変化量が４０μｍ以下を合格として「Ｏ」で表示、４０μｍを越えるものを不合格として「Ｘ」で表示した。
条件Ａ：温度６０℃、相対湿度９０％
条件Ｂ：温度８０℃、相対湿度９０％。

ｂ−２．耐久性の試験
耐久性の試験は、上記実施例１１乃至１３、並びに比較例１１及び１２のウォームホイールを実際の電動パワーステアリング装置に組み込み、以下の環境条件Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの下で操舵操作を繰り返して耐久性を試験した。試験結果は、いずれの条件においても１０万回の操舵操作に耐えることができたギアを合格として「Ｏ」で表示し、１０万回の操舵操作に耐えられなかったギアを不合格として「Ｘ」で表示した
条件Ｃ：温度３０℃、相対湿度５０％
条件Ｄ：温度５０℃、相対湿度９０％
条件Ｅ：温度８０℃、相対湿度５０％
条件Ｆ：温度８０℃、相対湿度９０％
図１１に示す寸法安定性と耐久性の試験結果から明らかなように、樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径６〜７μｍのものを使用することにより、樹脂の吸水による寸法変化が抑制されることが確認された。また、それに併せて、高温度高湿度の過酷な環境の下でも、耐久性に優れていることが分かった。

ｂ−３．耐摩耗性の試験
耐摩耗性の試験は、上記実施例１１及び１２、並びに比較例１１及び１２のウォームホイールの樹脂材料と同じ樹脂材料で板状の試験片を形成し、この試験片とＳＵＪ製ボール（１２０°等角度で３個配置、試験片を回転、ボール部頂点の接触部周囲速度１ｍ／秒）を使用したボール・オン・ディスク試験により行った。

接触面圧Ｐmax を１５０〜２００メガ・パスカル（ＭＰａ）の範囲で設定、雰囲気温度を８０℃として、試験片とボールとのグリース（基油：ポリα−オレイン油、増ちょう剤：脂肪族ウレア）を介在させた状態で８時間回転させ、試験片の摩耗状態を観察した。

図１２に示す摩耗試験結果から明らかなように、樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径６〜７μｍのものを使用することにより、接触面圧が高い状態で使用しても、摩耗が発生せず、耐摩耗性に優れていることが分かった。

以上説明した実施例１１乃至１３では、ガラス繊維（ＧＦ）として直径６〜７μｍのものを使用したが、直径５〜９μｍのガラス繊維を使用しても略同様の結果が得られ、寸法安定性、耐久性、及び耐摩耗性に優れていることが確認された。したがって、この発明では、樹脂歯車を形成する樹脂に混合するガラス繊維（ＧＦ）として直径５〜９μｍのものを最適の寸法とする。

以上説明した実施の形態で説明した電動パワーステアリング装置の歯車減速機構に使用した樹脂歯車は、電動パワーステアリング装置の歯車減速機構ばかりでなく、用途にかかわりなく歯車機構一般に適用できることは言うまでもない。

この発明の電動パワーステアリング装置及びそれに使用する樹脂歯車は、車両用の電動パワーステアリング装置に使用するとき、歯打ち音や振動等の不快音の発生を抑えた耐久性に優れた信頼性の高い電動パワーステアリング装置を構成することができるほか、その樹脂歯車は電動パワーステアリング装置以外の歯車機構一般にも適用することができる。

この発明の電動パワーステアリング装置の構成を説明する正面図。 図１に示す電動パワーステアリング装置のウォーム歯車減速機構の構成を説明する部分断面図。 ウォーム歯車減速機構のウォームとウォームホイールの構成を示す斜視図。 平歯車の外観を示す斜視図。 はすば歯車の外観を示す斜視図。 かさ歯車の外観を示す斜視図。 ハイポイドギアの外観を示す斜視図。 グリースに配合する添加剤の種類と配合量を説明する図。 第１の試験における摩耗試験結果を説明する図。 第１の試験における耐久性試験結果を説明する図。 第２の試験における寸法安定性と耐久性試験結果を説明する図。 第２の試験における摩耗試験結果を説明する図。

符号の説明

１１ 舵輪軸
１１ａ 上部舵輪軸
１１ｂ 下部舵輪軸
１２ 舵輪軸ハウジング
１３ 電動モータ
１３ａ 駆動軸
２０ ラック・ピニオン式運動変換機構
２１ ラック軸
２２ ピニオン軸
２３ ラック軸ケース
２５、２６ 自在継手
３０ ウォーム歯車減速機構
３１ ウォームホイール
３２ ウォーム
３２ａ、３２ｂ ウォーム軸
３３ ギアケース
３４ａ、３４ｂ 玉軸受
４２ 芯金
４３ 樹脂部
４４ ギア歯

Claims (13)

1. 電動モータによる補助動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において、
   前記減速歯車機構は、金属製芯金の外側に外周面にギア歯が形成された樹脂部が一体に構成された樹脂歯車である従動歯車と、この従動歯車に噛合する駆動歯車とから構成され、少なくとも前記従動歯車と駆動歯車との間にグリースが介在している減速歯車機構であって、
   前記樹脂歯車の樹脂部は、平均直径が６〜８μｍのガラス繊維を１０〜５０重量％含有するポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなり、
   前記グリースは、基油が鉱油、ポリα−オレフィン油、アルキルポリフェニルエーテルから選ばれる少なくとも一種を主成分とする基油とし、増ちょう剤、及び融点あるいは軟化点が７０〜１３０℃の範囲にある炭化水素系ワックスを３〜１０重量％の範囲で含む組成としたこと
   を特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記炭化水素系ワックスは、ポリエチレンワックスであること
   を特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 前記樹脂歯車の樹脂部に含有されるガラス繊維の直径は、直径６μｍ〜８μｍの範囲にあること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記樹脂歯車の樹脂部に含有されるガラス繊維の繊維長は、１００μｍ〜９００μｍの範囲にあること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
5. 前記樹脂歯車の樹脂部は、ポリアミド６、ポリアミド６６、又はポリアミド４６をベース樹脂とすること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
6. 前記樹脂歯車の樹脂部は、前記ガラス繊維の一部が炭素繊維で置換されたポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
7. 前記従動歯車及び駆動歯車は、ウォームホイール、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギアであること
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電動パワーステアリング装置。
8. 動力伝達に適した樹脂歯車であって、
   前記樹脂歯車は、金属製芯金の外側に外周面にギア歯が形成された樹脂部が一体に構成されており、
   前記樹脂部は、平均直径が６〜８μｍのガラス繊維を１０〜５０重量％含有するポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなること
   を特徴とする樹脂歯車。
9. 前記金属製芯金と前記樹脂部との間に、片末端にエポキシ基あるいはアミノ基のいずれかを有するシランカップリング剤からなる接着層を設けたこと
   を特徴とする請求項８に記載の樹脂歯車。
10. 前記樹脂部に含有されるガラス繊維の直径は、直径６μｍ〜８μｍの範囲にあること
    を特徴とする請求項８又は９に記載の樹脂歯車。
11. 前記樹脂部に含有されるガラス繊維の繊維長は、１００μｍ〜９００μｍの範囲にあること
    を特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の樹脂歯車。
12. 前記樹脂部は、前記ガラス繊維の一部が炭素繊維で置換されたポリアミド樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物からなること
    を特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の樹脂歯車。
13. 前記樹脂歯車は、ウォームホイール、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギアであること
    を特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載の樹脂歯車。

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