JP4406827B2

JP4406827B2 - 減速機とそれを用いた電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP4406827B2
Application number: JP2003366424A
Authority: JP
Inventors: 文明笠原; 良昌白井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP2005127481A

Description

本発明は、一方を樹脂、他方を金属にて形成した小歯車と大歯車とを備えた減速機と、かかる減速機を備えた電動パワーステアリング装置とに関するものである。

自動車用の電動パワーステアリング装置には減速機が用いられる。例えばコラム型ＥＰＳでは、電動モータの回転を、減速機において、ウォーム等の小歯車からウォームホイール等の大歯車に伝えることで減速するとともに出力を増幅したのち、コラムに付与することで、ステアリング操作をトルクアシストしている。近年、電動パワーステアリング装置においては、歯打ち音の低減による低騒音化や軽量化、摺動抵抗の低減等を考慮して、減速機の、小歯車と大歯車のうちの一方、より好ましくは大歯車を樹脂化することが一般化しつつある（特許文献１参照）。
特開２００２−５４６９５号公報（第０００２欄）

減速機には、ハンドル戻り性の向上や動力伝達効率の向上などを目的として低トルク化が求められる。また減速機の低トルク化を実現するためには、摩擦面としての、大歯車と小歯車の歯面間の潤滑に寄与するグリースや潤滑油などの潤滑剤組成物の役割が重要であり、できるだけ広い温度範囲で、摩擦の低減に安定した効果を発揮し得る潤滑剤組成物を用いることが必要である。

本発明の目的は、一方を樹脂、他方を金属にて形成した小歯車と大歯車とを備え、これまでよりも低トルク化された減速機と、かかる減速機を用いた、ハンドル戻り性や動力伝達効率に優れた電動パワーステアリング装置とを提供することにある。

上記課題を解決するための、本発明の減速機は、一方を樹脂、他方を金属にて形成した小歯車と大歯車とを備え、両歯車の噛み合い部分を含む領域に、基油とアミノ変性シリコーンオイルとを含み、前記アミノ変性シリコーンオイルの添加量が、総量中の０．１重量％以上、１８重量％以下である潤滑剤組成物を充てんしたことを特徴とするものである。
かかる構成では、潤滑剤組成物に前記所定量のアミノ変性シリコーンオイルを添加することによって、当該潤滑剤組成物の、一方を樹脂、他方を金属にて形成した大歯車および小歯車の歯面などへの付着性やぬれ性を向上して、摩擦面である大歯車と小歯車の歯面間の隙間に、潤滑剤組成物によって、広い温度範囲で、摩擦の低減に寄与する安定な油膜を常時、形成することができる。このため本発明によれば、歯面間での油切れによるトルクの上昇を防止して、一方を樹脂、他方を金属にて形成した小歯車と大歯車とを備えた減速機をこれまでよりもさらに低トルク化することが可能となる。

アミノ変性シリコーンオイルの添加量は、潤滑剤組成物の総量中の５重量％以上とするのが好ましい。また潤滑剤組成物の基油としては、合成炭化水素油を用いるのが好ましい。
また本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵補助用のモータの出力を、上記減速機を介して減速して舵取機構に伝えることを特徴としており、ハンドル戻り性や動力伝達効率をこれまでよりも向上できる点で好ましい。

以下に、本発明を詳細に説明する。
〈潤滑剤組成物〉
本発明の減速機において、一方を樹脂、他方を金属にて形成した小歯車と大歯車の噛み合い部分を含む領域に充てんする潤滑剤組成物は、前記のように基油とアミノ変性シリコーンオイルとを含むものである。

このうちアミノ変性シリコーンオイルとしては、シリコーンオイルの主鎖または側鎖にアミノ基を導入した種々の化合物がいずれも使用可能であるが、中でも特に、前述した潤滑剤組成物の、一方を樹脂、他方を金属にて形成した大歯車および小歯車の歯面などへの付着性やぬれ性を向上する効果を考慮すると、その動粘度（２５℃）が１０〜４０００ｍｍ^２／ｓ、比重（２５℃）が０．８〜１．２で、かつアミノ基の当量が１００〜１１０００ｇ／ｍｏｌであるものを用いるのが好ましい。

かかるアミノ変性シリコーンオイルの具体例としては、これに限定されないが例えば信越化学工業(株)製の品番ＫＦ−８５７、ＫＦ−８５８、ＫＦ−８５９などを挙げることができる。
アミノ変性シリコーンオイルの添加量は、潤滑剤組成物の総量中の０．１重量％以上、１８重量％以下である必要がある。添加量が０．１重量％未満では、アミノ変性シリコーンオイルを添加したことによる、潤滑剤組成物の、歯面などへの付着性やぬれ性を向上する効果が十分に得られないため、減速機を十分に低トルク化できない。

また添加量が１８重量％を超えても、添加量に見合う十分な低トルク化の効果が得られないだけでなく、過剰のアミノ変性シリコーンオイルが基油に溶けきらずに析出して、潤滑剤組成物の流動性を低下させる結果、摩擦面である大歯車と小歯車の歯面間の隙間に安定な油膜を形成できなくなって、却って減速機を低トルク化できない。またアミノ変性シリコーンオイルは微弱ながら樹脂への攻撃性を有しているため、潤滑剤組成物中に過剰に添加した場合には、樹脂製の歯車が、そのあらかじめ設定した寿命以前に急速に摩耗したり破損したりするおそれもある。

なお減速機を低トルク化する効果をさらに向上することを考慮すると、アミノ変性シリコーンオイルの添加量は、上記の範囲内でも特に５重量％以上であるのが好ましく、１０重量％以上であるのがさらに好ましい。

上記アミノ変性シリコーンオイルを添加する潤滑剤組成物は、液状の潤滑油と半固体状のグリースのいずれでも良い。このうち潤滑油は、任意の基油に所定量のアミノ変性シリコーンオイルを添加して構成される。基油としてはエステル系合成油、合成炭化水素油、ポリグリコール系合成油、シリコーン系合成油、ふっ素系合成油等の合成油や鉱油など、種々の基油を用いることができるが、特にポリαオレフィン油、ポリブテン油などの合成炭化水素油が好ましい。

合成炭化水素油は、エステル系合成油などに比べて樹脂への攻撃性が小さいため、樹脂製の歯車が早期に摩耗したり破損したりするのを防止する効果の点で優れているとともに、鉱油などに比べて広い温度範囲で安定した潤滑を維持できる上、ポリグリコール系合成油やシリコーン系合成油などに比べて潤滑性能に優れており、しかもふっ素系合成油に比べて安価であるという利点を有している。

基油の動粘度は５〜２００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）、とくに２０〜１００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）とするのが、減速機に使用する上で好ましい。また潤滑油には、必要に応じて固体潤滑剤（二硫化モリブデン、グラファイト、ＰＴＦＥ等）、リン系や硫黄系の極圧添加剤、トリブチルフェノール、メチルフェノール等の酸化防止剤、防錆剤、金属不活性剤、粘度指数向上剤、油性剤などを添加してもよい。

またグリースは、これも任意の基油に所定量のアミノ変性シリコーンオイルと、増ちょう剤とを添加して構成される。基油としては前述した種々の合成油や鉱油が使用可能であるが、やはり前記と同様の理由でポリαオレフィン油、ポリブテン油などの合成炭化水素油が好ましい。基油の動粘度は、やはり５〜２００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）、とくに２０〜１００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）とするのが、減速機に使用する上で好ましい。

また増ちょう剤としては、従来公知の種々の増ちょう剤（石けん系、非石けん系）が使用できる。さらにグリースには、やはり必要に応じて固体潤滑剤（二硫化モリブデン、グラファイト、ＰＴＦＥ等）、リン系や硫黄系の極圧添加剤、トリブチルフェノール、メチルフェノール等の酸化防止剤、防錆剤、金属不活性剤、粘度指数向上剤、油性剤などを添加してもよい。グリースのちょう度は、ＮＬＧＩ(National Lubricating Grease Institute)番号で表してＮｏ．３〜Ｎｏ．０００、とくにＮｏ．２〜Ｎｏ．００、日本工業規格ＪＩＳＫ２２２０５．３で規定した混和ちょう度で表して２２０〜４７５、とくに２６５〜４３０とするのが、減速機に使用する上で好ましい。

〈減速機および電動パワーステアリング装置〉
図１は、本発明の一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の概略断面図である。また図２は、図１のII−II線に沿う断面図である。
図１を参照して、この例の電動パワーステアリング装置では、ステアリングホイール１を取り付けている入力軸としての第１の操舵軸２と、ラックアンドピニオン機構等の舵取機構（図示せず）に連結される出力軸としての第２の操舵軸３とがトーションバー４を介して同軸的に連結されている。

第１および第２の操舵軸２、３を支持するハウジング５は、例えばアルミニウム合金からなり、車体（図示せず）に取り付けられている。ハウジング５は、互いに嵌め合わされるセンサハウジング６とギヤハウジング７により構成されている。具体的には、ギヤハウジング７は筒状をなし、その上端の環状縁部７ａがセンサハウジング６の下端外周の環状段部６ａに嵌め合わされている。ギヤハウジング７は減速機構としてのウォームギヤ機構８を収容し、センサハウジング６はトルクセンサ９および制御基板１０等を収容している。ギヤハウジング７にウォームギヤ機構８を収容することで減速機５０が構成されている。

ウォームギヤ機構８は、第２の操舵軸３の軸方向中間部に一体回転可能でかつ軸方向移動を規制されたウォームホイール１２と、このウォームホイール１２と噛み合い、かつ電動モータＭの回転軸３２に、スプライン継手３３を介して連結されるウォーム軸１１（図２参照）とを備える。
このうちウォームホイール１２は、第２の操舵軸３に一体回転可能に結合される環状の芯金１２ａと、芯金１２ａの周囲を取り囲んで外周面部に歯を形成する樹脂部材１２ｂとを備えている。芯金１２ａは、例えば樹脂部材１２ｂの樹脂成形時に金型内にインサートされる。そしてこのインサートした状態での樹脂成形によって、芯金１２ａと樹脂部材１２ｂとが結合、一体化される。

樹脂部材１２ｂを形成する樹脂としては、減速機の歯車用として従来公知の種々の樹脂を使用することができる。かかる樹脂としては、例えばＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、ＰＡ１２、ＰＡ１１、ＰＡ６１２、ＰＡ６１０、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＭＣ（モノマーキャスティング）ナイロンなどのポリアミド樹脂や、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）などを挙げることができる。

第２の操舵軸３は、ウォームホイール１２を軸方向の上下に挟んで配置される第１および第２の転がり軸受１３、１４により回転自在に支持されている。
第１の転がり軸受１３の外輪１５は、センサハウジング６の下端の筒状突起６ｂ内に設けられた軸受保持孔１６に嵌め入れられて保持されている。また外輪１５の上端面は環状の段部１７に当接しており、センサハウジング６に対する軸方向上方への移動が規制されている。

一方、第１の転がり軸受１３の内輪１８は、第２の操舵軸３に締まりばめにより嵌め合わされている。また内輪１８の下端面は、ウォームホイール１２の芯金１２ａの上端面に当接している。
第２の転がり軸受１４の外輪１９は、ギヤハウジング７の軸受保持孔２０に嵌め入れられて保持されている。また外輪１９の下端面は、環状の段部２１に当接し、ギヤハウジング７に対する軸方向下方への移動が規制されている。

一方、第２の転がり軸受１４の内輪２２は、第２の操舵軸３に一体回転可能で、かつ軸方向の相対移動を規制されて取り付けられている。また内輪２２は、第２の操舵軸３の段部２３と、第２の操舵軸３のねじ部に締め込まれるナット２４との間に挟持されている。
トーションバー４は、第１および第２の操舵軸２、３を貫通している。トーションバー４の上端４ａは、連結ピン２５により第１の操舵軸２と一体回転可能に連結され、下端４ｂは、連結ピン２６により第２の操舵軸３と一体回転可能に連結されている。第２の操舵軸３の下端は、図示しない中間軸を介して、前記のようにラックアンドピニオン機構等の舵取機構に連結されている。

連結ピン２５は、第１の操舵軸２と同軸に配置される第３の操舵軸２７を、第１の操舵軸２と一体回転可能に連結している。第３の操舵軸２７はステアリングコラムを構成するチューブ２８内を貫通している。
第１の操舵軸２の上部は、例えば針状ころ軸受からなる第３の転がり軸受２９を介してセンサハウジング６に回転自在に支持されている。第１の操舵軸２の下部の縮径部３０と第２の操舵軸３の上部の孔３１とは、第１および第２の操舵軸２、３の相対回転を所定の範囲に規制するように、回転方向に所定の遊びを設けて嵌め合わされている。

次いで図２を参照して、ウォーム軸１１は、ギヤハウジング７により保持される第４および第５の転がり軸受３４、３５によりそれぞれ回転自在に支持されている。
第４および第５の転がり軸受３４、３５の内輪３６、３７は、ウォーム軸１１の対応するくびれ部に嵌合されている。また外輪３８、３９は、ギヤハウジング７の軸受保持孔４０、４１にそれぞれ保持されている。

ギヤハウジング７は、ウォーム軸１１の周面の一部に対して径方向に対向する部分７ｂを含んでいる。
また、ウォーム軸１１の一端部１１ａを支持する第４の転がり軸受３４の外輪３８は、ギヤハウジング７の段部４２に当接して位置決めされている。一方、内輪３６は、ウォーム軸１１の位置決め段部４３に当接することによって他端部１１ｂ側への移動が規制されている。

またウォーム軸１１の他端部１１ｂ（継手側端部）の近傍を支持する第５の転がり軸受３５の内輪３７は、ウォーム軸１１の位置決め段部４４に当接することによって一端部１１ａ側への移動が規制されている。また外輪３９は、予圧調整用のねじ部材４５により、第４の転がり軸受３４側へ付勢されている。ねじ部材４５は、ギヤハウジング７に形成されるねじ孔４６にねじ込まれることにより、一対の転がり軸受３４、３５に予圧を付与すると共に、ウォーム軸１１を軸方向に位置決めしている。４７は、予圧調整後のねじ部材４５を止定するため、当該ねじ部材４５に係合されるロックナットである。

ギヤハウジング７内において、ウォーム軸１１とウォームホイール１２の噛み合い部分Ａを少なくとも含む領域には、先に述べたアミノ変性シリコーンオイルを含む潤滑剤組成物を充てんする。すなわち潤滑剤組成物は、噛み合い部分Ａのみに充てんしても良いし、噛み合い部分Ａとウォーム軸１１の周縁全体に充てんしても良いし、ギヤハウジング７内全体に充てんしても良い。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば本発明の減速機の構成を、電動パワーステアリング装置以外の装置用の減速機に適用することができる等、本発明の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で、種々の変更を施すことができる。

以下に本発明を、実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
実施例１
基油としてのポリαオレフィン油〔動粘度４７．１ｍｍ^２／ｓ（４０℃）〕に、アミノ変性シリコーンオイル〔動粘度（２５℃）：６０ｍｍ^２／ｓ、比重（２５℃）：０．９６、アミノ基の当量：６０００ｇ／ｍｏｌ、信越化学工業(株)製の品番ＫＦ−８５９〕を添加して実施例１の潤滑油を構成した。上記化合物の添加量は、潤滑油の総量中の５重量％とした。

比較例１
実施例１で使用したのと同じポリαオレフィン油を、上記化合物を添加せずに単独で、比較例１の潤滑油とした。
上記実施例１、比較例１の潤滑油の潤滑性能を、図３に示すピン・オン・ディスク型摩擦試験機を用いて評価した。図の装置は、それぞれ潤滑性能を評価したい２種の材料にて形成した上部ピンＰＮと下部プレートＰＬとを、図中に白矢印で示すように上部ピンＰＮに荷重をかけて当接させた状態で、回転軸ＡＸを中心として下部プレートＰＬを図中に実線の矢印で示す方向に回転させた際に、上部ピンＰＮに、図中に黒矢印で示す方向に加わる荷重を、ロードセルなどを用いて測定して、その測定結果から摩擦係数を求めるものである。

この例では、金属製のウォームと樹脂製のウォームホイールとの組み合わせにおける潤滑油の潤滑性能を評価すべく、上部ピンＰＮを、一般的なウォームの形成材料である軸受鋼ＳＵＪ２にて、下部プレートＰＬに当接させる先端を半径５ｍｍの球面に形成し、下部プレートＰＬを、一般的なウォームホイールの形成材料であるＭＣナイロンにて形成した。上部ピンＰＮの、下部プレートＰＬに当接させる先端は中心線平均粗さＲａ＝０．２μｍに仕上げた。また下部プレートＰＬの、上部ピンＰＮを当接させる表面は中心線平均粗さＲａ＝０．２μｍに仕上げた。

そして下部プレートＰＬ上に実施例１、または比較例１の潤滑油を塗布した状態で、温度２５℃で、上部ピンＰＮに９．８Ｎの荷重をかけながら、当該上部ピンＰＮと下部プレートＰＬとの滑り速度が１ｍｍ／秒となるように下部プレートＰＬを回転させながら、図中に黒矢印で示す方向に加わる荷重を、ロードセルを用いて測定して摩擦係数を求めた。
結果を表１に示す。なお表では、比較例１における摩擦係数を１としたときの、摩擦係数の相対値を示している。

表より、アミノ変性シリコーンオイルを添加することによって摩擦係数をおよそ２９．８％低減して、潤滑油の潤滑性能を向上できることがわかった。
実施例２〜５、比較例２、３
基油としてのポリαオレフィン油〔動粘度４８．０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）〕に、ウレア系増ちょう剤と、実施例１で使用したのと同じアミノ変性シリコーンオイルとを添加して実施例２〜５、比較例２、３のグリースを構成した。上記化合物の添加量は、グリースの総量中の１重量％（実施例２）、５重量％（実施例３）、１０重量％（実施例４）、１５重量％（実施例５）、２０重量％（比較例２）および２５重量％（比較例３）とした。

比較例４
上記化合物を添加しなかったこと以外は実施例２〜５、比較例２、３と同様にして、比較例２のグリースを得た。
上記実施例２〜５、比較例２〜４のグリースの潤滑性能を、前記と同じピン・オン・ディスク型摩擦試験機を用いて評価した。

結果を表２、図４に示す。なお表および図では、比較例４における摩擦係数を１としたときの、摩擦係数の相対値を示している。また表には、各グリースの混和ちょう度も併記した。

表および図より、アミノ変性シリコーンオイルを１８重量％以下の範囲で添加することによって摩擦係数を低減して、グリースの潤滑性能を向上できることがわかった。

本発明の、一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の概略断面図である。図１のII−II線に沿う断面図である。本発明の実施例において、潤滑剤組成物の潤滑性能を評価するために用いたピン・オン・ディスク型摩擦試験機の概要を説明する斜視図である。本発明の実施例、比較例で製造したグリースにおける、アミノ変性シリコーンオイルの添加量と、摩擦係数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１ウォーム軸（小歯車）
１２ウォームホイール（大歯車）
５０減速機
Ｍ電動モータ

Claims

一方を樹脂、他方を金属にて形成した小歯車と大歯車とを備え、両歯車の噛み合い部分を含む領域に、基油とアミノ変性シリコーンオイルとを含み、前記アミノ変性シリコーンオイルの添加量が、総量中の０．１重量％以上、１８重量％以下である潤滑剤組成物を充てんしたことを特徴とする減速機。
アミノ変性シリコーンオイルの添加量を、潤滑剤組成物の総量中の５重量％以上とした潤滑剤組成物を充てんした請求項１記載の減速機。
基油として、合成炭化水素油を用いた潤滑剤組成物を充てんした請求項１記載の減速機。
操舵補助用の電動モータの出力を、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の減速機を介して減速して舵取機構に伝えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。