JP4370973B2

JP4370973B2 - 電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4370973B2
Application number: JP2004142376A
Authority: JP
Inventors: 豪村上
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: JP2005324585A

Description

本発明は、電動モータによる補助出力を、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には、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ャフトとの間に減速機構が組み込まれている。減速機構としては、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、図１に示されるような、電動モータ（図示せず）の回転軸に連結するウォーム12とウォーム12に噛み合うウォームホイール11とから構成される電動パワーステアリング装置用減速ギヤ20（以下、単に減速ギヤともいう）が使用されるのが一般的である。

このような減速ギヤ20では、ウォームホイール11とウォーム12の両方を金属製とすると、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具合が生じていた。そこで、ウォームホイール11として、金属製の芯管1の外周に、樹脂製で外周面にギヤ歯10を形成してなる樹脂部3を一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。

上記樹脂部3には、例えば、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を含有しないMCナイロン（モノマーキャストナイロン）、ガラス繊維を含有したポリアミド6、ポリアミド66等が使用されている（例えば、特許文献１参照。中でも、寸法安定性やコストを考慮して、ガラス繊維を含有したポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46等が主流となっている。

特公平6-60674号公報

一般に、減速歯車の耐久性は、作動トルクが伝達できなくなった時点、つまり、ギヤ歯が破損した時点であるが、この点においては、上記ガラス繊維で強化したポリアミド樹脂製ウォームホイールは実用上十分な性能を発揮する。ただし、実際の電動パワーステアリング装置では、破損よりかなり前の段階で、摩耗進行によってウォーム12とウォームホイール11との噛み合い部におけるバックラッシュ（ガタ）が増大し、騒音発生や伝達誤差の増大などの悪影響が生じる。このため、実際上の電動パワーステアリング用ウォームホイールの耐久性では、ギヤ歯の耐摩耗性が非常に重要視されることになる。

しかし、上記ガラス繊維で強化したポリアミド樹脂製ウォームホイールにおいても、特に長期にわたる摩耗耐久性の維持という点に関しては、十分な性能を備えているとはいえなかった。

本発明は、このような状況に艦みてなされたものであり、樹脂製のウォームホイールに求められる耐摩耗性、換言すれば、耐久性に優れ高信頼性を有する電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、ガラス繊維で強化したポリアミド樹脂製ウォームホイールの摩耗機構として、ガラス繊維強化樹脂では、構造的欠陥部とみなせるガラス繊維と樹脂との界面に応力集中が起こり易く、その界面強度が十分でない場合、この部分を起点として亀裂が発生し、更にこれが進行することで摩耗損傷が進展していくものと予測し、無水マレイン酸を含むコポリマーからなる結束剤及びアミノシラン系カップリング剤により表面処理されたガラス繊維を配合することで界面強度が増すことを知見した。

即ち、上記目的を達成するために、本発明は下記に示す伝導パワーステアリング装置を提供する。
（１）電動モータによる補助出力を、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、前記減速歯車機構が、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46から選ばれるポリアミド樹脂に、無水マレイン酸とビニルエステルとのコポリマーまたは無水マレイン酸とビニルエーテルとのコポリマーからなる結束剤及びN-β-(アミノエチル)γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-β-(アミノエチル)γ-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ-アミノプロピルトリエトキシシランから選ばれるアミノシラン系カップリング剤により表面処理されたガラス繊維を配合してなる樹脂組成物からなり、かつ外周面にギア歯が形成された樹脂部を有する従動歯車を備え、グリース潤滑されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
（２）無水マレイン酸とビニルエステルとのコポリマーが、無水マレイン酸と酢酸ビニルとのコポリマーであることを特徴とする上記（１）記載の電動パワーステアリング装置。
（３）無水マレイン酸とビニルエーテルとのコポリマーが、無水マレイン酸とビニルイソブチルエーテルとのコポリマーであることを特徴とする上記（１）記載の電動パワーステアリング装置。
（４）アミノシラン系カップリング剤がγ-アミノプロピルトリエトキシシランであることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
（５）アミノシラン系カップリング剤及び結束剤の付着率が、ガラス繊維全量に対しそれぞれ固形分表示で、結束剤が０．１〜２．０質量％、アミノシラン系カップリング剤が０．０１〜２．０質量％であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
（６）従動歯車が円筒ウォームギアであることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
（７）従動歯車が平歯車、はすば歯車、かさ歯車またはハイポイドギヤであることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。

本発明によれば、ウィームホイールを構成する樹脂部に、無水マレイン酸を含むコポリマーからなる結束剤及びアミノシラン系カップリング剤により表面処理されたガラス繊維を配合することによりガラス繊維と樹脂との界面強度が増し、ウィームホイールの耐久性が向上し、長寿命の電動パワーステアリング装置が提供される。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の電動パワーステアリング装置に組み込まれる減速ギア20の一例を示す斜視図であるが、金属製の芯管1の外周に、樹脂製でその外周端面にギヤ歯を形成した樹脂部3を一体化したウォームホイール11を備える。このような構成自体は、従来のウォームホイール11と同様である。また、ウォーム12には制限はなく、従来と同様に金属製とすることができる。

樹脂部3を形成するベース樹脂としては、性能とコストとのバランスを考慮すると、ポリアミド6、ポリアミド66及びポリアミド46等が好ましい。これらのベース樹脂は、樹脂単独でも一定以上の性能を示し、ウォームホイール11の相手材である金属製のウォーム12の摩耗に対して有利に働き、減速ギヤとして機能することができる。しかしながら、より過酷な使用条件で長時間使用されると、ギヤ歯10の摩耗の進展に伴い、所望の機能が発揮されなくなることが十分想定される。このため、ウォームホイール用材料としては、長期にわたる耐摩耗性、換言すれば、耐久性の維持を可能とするような樹脂材料の適用が強く求められている。

そこで、本発明では、構造的欠陥部とみなされ、摩耗発生の起点となるガラス繊維と樹脂との界面の結合力をより強固なものへと改善することを目的として、上記ベース樹脂に、無水マレイン酸を一成分とするコポリマーからなる結束剤及びアミノシラン系カップリング剤により表面処理されたガラス繊維を配合する。その結果、樹脂部3の耐摩耗性は、従来ウォームホイール用材料として用いられている、通常の処理法により表面処理されたガラス繊維で強化されたポリアミド樹脂製のそれより良好なものとなる。

尚、一般に樹脂の強化材向けガラス繊維としては、ガラス中のアルカリイオン(Na⁺,K⁺)が他の一般的ガラスに比べて極めて少なく、電気絶縁性や耐候性に優れるという理由から、Eガラスが最も広く使用されており、本発明においてもこのＥガラスからなる繊維を好適に用いる。

以下、本発明において使用する結束剤及びシランカップリング剤について詳細に説明する。

一般に、ポリアミド樹脂のような熱可塑性樹脂をマトリックスとする繊維強化樹脂の場合には、結束剤は樹脂マトリックス中に溶融・拡散せず、ガラス繊維の表面に残留する。このため、本発明においては、カップリング剤として、結束剤との接着性に優れたアミノシラン系のカップリング剤が好適である。このアミノシラン系カップリング剤を用いてガラス繊維表面を処理することにより、ガラス繊維−カップリング剤−結束剤−樹脂マトリックスの４層構造が形成されることになる。本発明においてアミノシラン系カップリング剤は、N-β-(アミノエチル)γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-β-(アミノエチル)γ-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ-アミノプロピルトリエトキシシランから選ばれる。

繊維強化樹脂の物性は、結束剤とカップリング剤との組合せに大きく依存することが知られているが、本発明では、上記のアミノシラン系カップリング剤と、結束剤として無水マレイン酸を一成分とするコポリマーとを組合せることで、より強力なガラス繊維−カップリング剤−結束剤−樹脂マトリックスの４層構造が構築され、強固な界面構造が形成され、その結果ウォームホイール11の樹脂部3の摩耗耐久性が大きく改善される。

具体的に説明すると、無水マレイン酸を一成分とするコポリマーと、アミノシラン系カップリング剤との組合せによれば、樹脂溶融過程において、無水マレイン酸成分がアミノシラン系カップリング剤のアミノ基、並びにポリアミド樹脂のアミノ基あるいはアミド基の双方と反応して、従来の結合剤（例えば、エポキシ樹脂やウレタン樹脂等）を用いた場合と比べて数多くの強固な共有結合が形成される。その結果、ガラス繊維表層には、繊維強化ポリアミド樹脂の諸物性、特に摩耗耐久性の向上に寄与する強固な共有結合性ネットワーク構造が形成され、ガラス繊維／樹脂の界面強度がより大きくなる。

尚、結束剤としては、無水マレイン酸とビニルエステルとのコポリマーまたは無水マレイン酸とビニルエーテルとのコポリマーが用いられ、特に、無水マレイン酸と酢酸ビニルのコポリマー、無水マレイン酸とビニルイソブチルエーテルとのコポリマーが好ましい。

ガラス繊維の表面処理方法としては、上記のアミノシラン系カップリング剤及び結束剤を適当な溶媒に溶解した表面処理液にガラス繊維を浸漬し、必要により加熱して乾燥させればよい。あるいは、ガラス繊維に表面処理液を噴霧、塗布し、必要により加熱して乾燥させてもよい。その際、アミノシラン系カップリング剤及び結束剤の付着率は、ガラス繊維全量に対しそれぞれ固形分表示で、結束剤０．１〜２．０質量%、好ましくは０．３〜１．５質量%、アミノシラン系カップリング剤０．０１〜２．０質量%、好ましくは０．０５〜１．０質量%である。結束剤が０．１質量%より少ない、あるいはアミノシラン系カップリング剤が０．０１質量%より少ないと、繊維強化ポリアミド樹脂の諸物性を向上させる効果に乏しく好ましくない。また、結束剤が２．０質量%より多く、あるいはアミノシラン系カップリング剤が２．０質量%より多くなっても、繊維強化ポリアミド樹脂の諸物性の向上効果がほとんど増大せず、経済的でなく好ましくない。このような付着量となるように、表面処理液の濃度等を調整する。

また、上記の表面処理液には、必要に応じて、潤滑剤や静電気防止剤等の様々な成分を添加することができる。

樹脂部3を形成するには、上記のベース樹脂と表面処理されたガラス繊維、更に必要に応じて、ゼオライト、カオリン、マイカ、クレー、タルク、アルミナ、シリカ等の非繊維状無機充填剤、顔料、染料、酸化防止剤、熱安定剤及び帯電防止剤等とを、ベース樹脂の溶融温度以上の温度で混練し、得られた溶融混練物を、芯管を配置した金型に充填して硬化させればよい。溶融混練時に、上記した共有結合が形成される。

そして、従来と同様にして樹脂部3の外周面にギヤ歯10を形成してウォームホイール11が得られる。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより制限されるものではない。

［表面処理効果の試験片評価］
表１に示すように、結束剤として、無使用、エポキシ樹脂、無水マレイン酸と酢酸ビニルとのコポリマーの3種と、アミノシラン系カップリング剤として、無使用、γ-アミノプロピルトリエトキシシランの2種とを組合せて、合計６種類の表面処理液を調製した。尚、エポキシ樹脂、無水マレイン酸と酢酸ビニルとのコポリマーの含有量を固形分換算で６．０質量％で同一とした。また、γ-アミノプロピルトリエトキシシランの濃度を固形分換算で０．３質量％とした。そして、各表面処理液にEガラス繊維を浸漬して乾燥し、表面処理を施した。次いで、各ガラス繊維をナイロン66に同一量配合して溶融混合物とし、これを所定の金型に充填して成形して試験片とした。

得られた試験片について、ASTM D-638に準拠して各々の引張強さを測定した。結果を表1に示すが、無水マレイン酸と酢酸ビニルとのコポリマーと、γ-アミノプロピルトリエトキシシランとの組合せが最も高い引張強さを示すことが確認された。

［表面処理効果のウォームホイール試験体評価］
（実施例１）
無水マレイン酸と酢酸ビニルとのコポリマーを固形分換算で６．０質量％と、γ-アミノプロピルトリエトキシシランを固形分換算で０．３質量％とを含む表面処理液にEガラス繊維を浸漬し、乾燥して表面処理を施した。そして、このガラス繊維と、ナイロン66とを溶融混練して成形材料とし、予めクロスローレット加工を施し、脱脂した外径45mm、幅13mmのS45C製の芯管を配置し、スプルー及びディスクゲートを装着した金型中に射出成形して外径60mm、幅13mmのウォームホイールブランク材とし、次いで樹脂部の外周を切削加工してギヤ歯を形成してウォームホイール試験体を作製した。

（比較例１）
結束剤としてエポキシ樹脂を用いた以外は実施例１と同様にして、ウォームホイール試験体を作製した。

（比較例２）
一切の表面処理を施していないEガラス繊維を用いた以外は実施例１と同様にして、ウォームホイール試験体を作製した。

作製した実施例１、比較例１および比較例２のウォームホイール試験体を、実際の自動車の電動パワーステアリング装置に組み込み耐久性を評価した。試験は、雰囲気温度を80℃にコントロールして操蛇を繰り返し、操蛇回数１万回毎にウォームホイール試験体の摩耗量を測定した。ウォームホイール試験体の摩耗量が初期値に対して40μmを越えた時点で試験を中止した。結果を表２に示す。

表２に示すように、無水マレイン酸を一成分とするコポリマーからなる結束材と、アミノシラン系カップリング剤とにより表面処理したガラス繊維で強化された実施例１のウォームホイール試験体は、10万回操舵後も摩耗が少なく、問題なく作動した。それに対して、結束剤としてエポキシ樹脂を用いた比較例１のウォームホイール試験体は、6.5万回で、表面処理をしていないガラス繊維を用いた比較例２のウォームホイール試験体は、3万回で摩耗量が40μmをオーバーした。

以上、本発明に関して円筒ウォームギアから構成される減速ギヤ20を例示して説明してきたが、本発明はこれに限られるものではなく、他の形式にも適用できることはいうまでもない。例えば、図２に示す平歯車、図３に示すはすば歯車、図４に示すかさ歯車、図５に示すハイポイドギヤ等から構成される減速ギアに適用することができる。

本発明の減速ギヤの一例を示す斜視図である。平歯車の一例を示す斜視図である。はすば歯車の一例を示す斜視図である。かさ歯車の一例を示す斜視図である。ハイポイドギヤの一例を示す斜視図である。

符号の説明

1 芯管
3 樹脂部
8 接着剤
10 ギヤ歯
11 ウォームホイール
12 ウォーム
20 減速ギヤ

Claims

電動モータによる補助出力を、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、
前記減速歯車機構が、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46から選ばれるポリアミド樹脂に、無水マレイン酸とビニルエステルとのコポリマーまたは無水マレイン酸とビニルエーテルとのコポリマーからなる結束剤及びN-β-(アミノエチル)γ-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-β-(アミノエチル)γ-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ-アミノプロピルトリエトキシシランから選ばれるアミノシラン系カップリング剤により表面処理されたガラス繊維を配合してなる樹脂組成物からなり、かつ外周面にギア歯が形成された樹脂部を有する従動歯車を備え、グリース潤滑されることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
無水マレイン酸とビニルエステルとのコポリマーが、無水マレイン酸と酢酸ビニルとのコポリマーであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
無水マレイン酸とビニルエーテルとのコポリマーが、無水マレイン酸とビニルイソブチルエーテルとのコポリマーであることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング装置。
アミノシラン系カップリング剤がγ-アミノプロピルトリエトキシシランであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
アミノシラン系カップリング剤及び結束剤の付着率が、ガラス繊維全量に対しそれぞれ固形分表示で、結束剤が０．１〜２．０質量％、アミノシラン系カップリング剤が０．０１〜２．０質量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
従動歯車が円筒ウォームギアであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。
従動歯車が平歯車、はすば歯車、かさ歯車またはハイポイドギヤであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置。