JP4665450B2 - 減速ギヤ - Google Patents
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Description
本発明は、電動式パワーステアリング等に用いられる減速ギヤに関し、特に、ウォームホイールの歯面の改良に関するものである。
従来、電動式パワーステアリング装置などの減速機構には、高速回転かつ低トルクである電動モータの回転力を、大きな減速比を得て、ステアリングシャフトに伝達することができる等の利点から、減速ギヤが用いられている。
しかし、減速ギヤでは、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具合を生じていた。
そこで、このような不具合を解消し、ギヤ歯の強度の向上を図った技術が、例えば、特許文献１および特許文献２に開示される。
特許文献１に開示される減速ギヤ（歯車）は、ウォームが金属で形成されるとともに、ウォームホイールが、強化繊維を含み、かつ、変性された合成樹脂で形成されたものである。この歯車では、合成樹脂を変性させて、材料自身の強度を高めることによって、補強材としての強化繊維の含有量を抑えるようになっている。
また、特許文献２に開示される減速ギヤ（歯車）は、ウォームホイールを形成する合成樹脂材にステアリン酸アルミニウムを０．１重量％〜０．３重量％添加することによって、そのウォームホイールの潤滑性の向上を図ったものである。
一般に、このような従来の減速ギヤでは、ウォームホイールの合成樹脂部は、ナイロン６、ナイロン６６、あるいはナイロン４６などを基材とし、その基材に強化繊維（ガラス繊維等）を添加することによって、合成樹脂の機械的性質を強化するとともに、ナイロンの吸水寸法変化を抑制するようになっている。
しかしながら、特許文献１および特許文献２の減速ギヤに用いられている合成樹脂は、未強化グレードより縦弾性係数が高く、弾性変形しづらいことから、ウォームと噛合するウォームホイールのギヤ歯の歯当たり面積が小さいまま、初期馴染み（ウォームからの伝達トルクと摩擦とが均衡するまでの間の歯当たりの増加）が完了してしまう。したがって、特許文献１および特許文献２の減速ギヤでは、未強化グレードより耐久許容伝達トルクを向上させることは困難であった。
また、特許文献１および特許文献２の減速ギヤはともに、ウォームと噛合するギヤ歯の噛合面の表層部に、強化繊維を有していた。これにより、ウォームとウォームホイールとの間で、潤滑油を介さない剛体接触（噛合面の表層部に含まれている強化繊維と金属製ウォームとの接触）が生じるため、高負荷域における作動抵抗が大きくなる。この結果、ウォームホイールと噛合するウォームに大きな摩耗が生じるため、疲労強度、耐摩耗性が低下し、ウォームの寿命を短縮してしまうという問題があった。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ウォームホイールのギヤ歯の噛合面における初期馴染み性を改善することによって、耐久許容伝達トルクの向上を図り、かつ、ウォームに生じる摩耗を低減することによって、ウォームの寿命の延長化を図った減速ギヤを提供することにある。
本発明の上記目的は、金属より形成されたウォームと、該ウォームと噛合するギヤ歯を有するウォームホイールとからなり、前記ウォームホイールのうち少なくとも前記ギヤ歯は、強化繊維を含有する合成樹脂より形成された減速ギヤであって、前記ギヤ歯の噛合面は、表層部の前記強化繊維の含有率が、内部の前記強化繊維の含有率より低くなるように加工されたことにより、達成される。
また、上記目的は、前記表層部の深さは、前記強化繊維の径以上であり、かつ、前記強化繊維の長さ以下であることにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、ダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ砥粒を電着させた加工用ウォームを、前記ギヤ歯に噛合させながら回転させることによって、前記表層部における前記強化繊維が除去されるように加工されたことにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、前記ギヤ歯の噛合面は、強酸で歯面を荒らして焼入れした加工用ウォームを、前記ギヤ歯に噛合させながら回転させることによって、前記表層部における前記強化繊維が除去されるように加工されたことにより、効果的に達成される。
また、上記目的は、前記ギヤ歯の噛合面は、窒化処理で歯面を荒らした加工用ウォームを、前記ギヤ歯に噛合させながら回転させることによって、前記表層部における前記強化繊維が除去されるように加工されたことにより、効果的に達成される。
さらに、上記目的は、前記ウォームおよび前記ウォームホイールは、電動式パワーステアリング装置の減速機構を構成することにより、効果的に達成される。
以上のように、本発明に係る減速ギヤによると、ウォームホイールのうち少なくともギヤ歯を、強化繊維を含有する合成樹脂より形成し、このギヤ歯の噛合面を、表層部の強化繊維の含有率が、内部の強化繊維の含有率より低くなるように加工成形することによって、噛合面の表層部の縦弾性係数が低減され、初期馴染みによる歯当たり面積が増大する。これにより、ギヤ歯の耐久性が向上し、耐久許容伝達トルクの向上を図ることができる。
また、ギヤ歯の噛合面の表層部における強化繊維の含有率を低減することによって、強化繊維との剛体接触が要因となっているウォームの摩耗を軽減することができる。これにより、ウォームの疲労強度を向上させ、ウォームの寿命を延長することができ、かつ、ウォームの硬度を下げても、従来のものと同じ耐久回数を得ることができる。この結果、所望のウォームの硬度を得るために行なわれていた熱処理の硬さ管理幅を低い方に広げることができるので、製造コストおよび労力を軽減することができる。
また、ダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ砥粒を電着させた加工用ウォーム、強酸で歯面を荒らして焼入れした加工用ウォーム、あるいは長時間の窒化処理で歯面を荒らした加工用ウォームを、前記ギヤ歯に噛合させながら回転させて、表層部の深さが強化繊維の径以上かつ強化繊維の長さ以下になるように、噛合面を加工するようにした。これにより、この表層部の表面に対して様々な方向で埋まっている強化繊維を除去することができる。この結果、必要以上に強化繊維を除去することなく、噛合面における縦方向の弾性を容易に低減することができる。
さらに、本減速ギヤを電動式パワーステアリング装置の減速機構に用いることによって、減速機構の寿命を短縮することなく、ステアリングシャフトに大きな操舵補助力を付与することができる。この結果、電動式パワーステアリング装置を、軽自動車のみならず、中、大型車にも採用することができる。
以下、図面を参照にしながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る減速ギヤの斜視図である。同図において、減速ギヤ１は、金属製のウォーム２と、該ウォーム２に噛合するギヤ歯３を有するウォームホイール４とから構成されている。
ウォームホイール４は、外周面にギヤ歯３を形成してなる樹脂部５と、金属製の芯金６とを一体化させたものである。樹脂部５は、強化繊維を含有する合成樹脂より形成されている。このような合成樹脂としては、例えば、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン４６等のナイロン（ポリアミド）系樹脂、フェノール系樹脂、あるいはポリアセタール系樹脂などを基材にして、強化繊維で機械的性質を強化したものが好ましい。
また、強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカー等が好ましい。これらの強化繊維は、単一で使用してもよいし、数種類を組み合わせて使用してもよい。合成樹脂の基材および強化繊維の種類、あるいは、基材と強化繊維との混合比などは、目的に応じて適宜選択される。
なお、本実施形態では、芯金６の外周面からギヤ歯３の歯端までに亘る樹脂部５を合成樹脂より形成したが、これに限定されず、例えば、ウォームホイール４の全体を合成樹脂より形成してもよいし、また、ギヤ歯３が形成されているウォームホイール２の外周部のみを合成樹脂より形成してもよい。
図２は、ギヤ歯を切削、または研削して噛合面を形成した状態を示し、図３は、噛合面を加工して強化繊維を除去した状態を示す。図２において、ギヤ歯３の歯面には、ウォーム２に噛合するための噛合面７が形成されている。この噛合面７は、切削、または研削によって形成された直後の状態では、表面に強化繊維８を有している。この強化繊維８は、合成樹脂の機械的性質を強化するために必要なものであるが、噛合面７に限っては、上述したように、ウォーム２に対する初期馴染み性の悪化、あるいは作動抵抗の増大の要因となってしまう。
そこで、本実施形態では、噛合面７の強化繊維８を除去するために、噛合面７を加工し、図４に示すように、強化繊維８の含有率が内部９より低くなっている表層部１０を成形する。この表層部１０は、その深さｄが強化繊維８の径以上かつ強化繊維８の長さ以下になるように加工されている。これにより、この表層部１０の表面に対して様々な方向で埋まっている強化繊維８を除去することができるので、必要以上に強化繊維８を除去することなく、噛合面７における縦方向（図４左右方向）の弾性を容易に低減することができる。
また、この噛合面７を加工するための工具として、例えば、天然ダイヤモンド砥粒を電着させた加工用ウォームを用いることができる。この加工用ウォームは、ニッケルメッキ浴にダイヤモンド砥粒を撹拌させると、電解メッキをする際にダイヤモンド砥粒を抱き込みながら皮膜が形成されることを利用して、ウォーム２と同型のウォームに、粒度が６００前後である天然ダイヤモンド砥粒を電着させたものである。この天然ダイヤモンド砥粒を電着させた加工用ウォームを、ギヤ歯３の噛合面７に噛合わせながら回転させることによって、噛合面７が削られる。この際、ギヤ歯３を形成する合成樹脂層に含まれている強化繊維８は、弾性変形しないため、加工用ウォームに電着された天然ダイヤモンド砥粒に当たると、合成樹脂層から掘り起こされて剥離する。一方、基材である合成樹脂は、弾性変形するため、剥離することなく噛合面７に残ったままとなる。この結果、噛合面７には、図４に示すように、強化繊維８の含有率が内部９より低くなっている表層部１０が形成される。
なお、本実施形態では、加工用ウォームに電着させる砥粒として、天然ダイヤモンドを用いたが、本発明はこれに限定されず、例えば、合成ダイヤモンド、あるいは金属皮膜合成ダイヤモンドなどのダイヤモンド砥粒を用いてもよい。また、電着させる砥粒として、立方晶窒化ホウ素、あるいは金属皮膜立方晶窒化ホウ素などのＣＢＮ砥粒を用いてもよい。
また、噛合面７を加工するための工具として、強酸で歯面を荒らして焼入れした加工用ウォーム、あるいは、長時間の窒化処理で歯面を荒らした加工用ウォームを用いても、上述したダイヤモンド砥粒を電着させた加工用ウォームと同様の作用効果を得ることができる。
以上のように、本実施形態では、ギヤ歯３の噛合面７を加工することによって、噛合面７に、強化繊維８の含有率が内部９より低くなっている表層部１０を成形した。これにより、噛合面７の表層部１０における縦弾性係数が低減され、初期馴染み性を向上する（ウォーム２からの伝達トルクと摩擦とが均衡するまでの間の歯当たり面積を増大する）ことができる。この結果、ギヤ歯３の耐久性が著しく向上し、耐久許容伝達トルクの向上を図ることができる。
また、噛合面７の表層部１０に含まれている強化繊維８を除去することによって、強化繊維８との剛体接触が要因となっているウォーム２の摩耗を軽減することができる。これにより、ウォーム２の疲労強度を向上することができるので、ウォーム２の寿命を延長することができ、かつ、ウォーム２の硬度を低下しても、従来のものと同じ耐久回数を得ることができる。
以下に、上述したように構成された減速ギヤを適用した実施例を挙げて、本発明をさらに説明するが、本発明は、これにより制限されるものではない。なお、上述した減速ギヤと同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
図５は、減速ギヤを適用した電動式パワーステアリング装置の減速機構の断面図である。同図において、減速機構１１は、操舵補助用の電動モータ１２の回転を、電動モータ１２の回転軸１３に連結されたウォーム２と、該ウォーム２に噛合されたウォームホイール４とを介して減速し、ウォームホイール４の芯金６に圧入固定されたステアリングシャフト１４に伝達するようになっている。
本実施例では、減速機構１１に上述した減速ギヤを用いることによって、電動モータ１２による操舵補助力をステアリングシャフト１４に伝達することができる耐久許容伝達トルクの向上を図ることができる。この結果、操舵補助力の観点から軽自動車への採用が主流であった電動式パワーステアリング装置を、大きな操舵補助力が要求される中型車、大型車等にも採用することができる。
また、操舵補助力を増大することによって、手動による操舵力が軽減され、快適な操舵感を得ることができる。
なお、本実施例において、減速ギヤは、電動式パワーステアリング装置の減速機構に用いられたが、これに限定されず、多種多様な装置の減速機構に用いることができ、これらの減速機構においても、本発明を好適に実施することができる。
以上、本発明を具体的に説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
１ 減速ギヤ
２ ウォーム
３ ギヤ歯
４ ウォームホイール
７ 噛合面
８ 強化繊維
９ 内部
１０ 表層部
１１ 減速機構
ｄ 表層部の深さ
２ ウォーム
３ ギヤ歯
４ ウォームホイール
７ 噛合面
８ 強化繊維
９ 内部
１０ 表層部
１１ 減速機構
ｄ 表層部の深さ
Claims (4)
- 金属より形成されたウォームと、
該ウォームと噛合するギヤ歯を有するウォームホイールと
からなり、前記ウォームホイールのうち少なくとも前記ギヤ歯は、強化繊維を含有する合成樹脂より形成された減速ギヤであって、
前記ギヤ歯の噛合面は、表層部の前記強化繊維の含有率が、内部の前記強化繊維の含有率より低くなるように加工され、かつ、
前記ギヤ歯の噛合面は、ダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ砥粒を電着させた加工用ウォームを、前記ギヤ歯に噛合させながら回転させることによって、前記表層部における前記強化繊維が除去されるように加工されたことを特徴とする減速ギヤ。 - 金属より形成されたウォームと、
該ウォームと噛合するギヤ歯を有するウォームホイールと
からなり、前記ウォームホイールのうち少なくとも前記ギヤ歯は、強化繊維を含有する合成樹脂より形成された減速ギヤであって、
前記ギヤ歯の噛合面は、表層部の前記強化繊維の含有率が、内部の前記強化繊維の含有率より低くなるように加工され、かつ、
前記ギヤ歯の噛合面は、強酸で歯面を荒らして焼入れした加工用ウォームを、前記ギヤ歯に噛合させながら回転させることによって、前記表層部における前記強化繊維が除去されるように加工されたことを特徴とする減速ギヤ。 - 金属より形成されたウォームと、
該ウォームと噛合するギヤ歯を有するウォームホイールと
からなり、前記ウォームホイールのうち少なくとも前記ギヤ歯は、強化繊維を含有する合成樹脂より形成された減速ギヤであって、
前記ギヤ歯の噛合面は、表層部の前記強化繊維の含有率が、内部の前記強化繊維の含有率より低くなるように加工され、かつ、
前記ギヤ歯の噛合面は、窒化処理で歯面を荒らした加工用ウォームを、前記ギヤ歯に噛合させながら回転させることによって、前記表層部における前記強化繊維が除去されるように加工されたことを特徴とする減速ギヤ。 - 前記ウォーム及び前記ウォームホイールは、電動式パワーステアリング装置の減速機構を構成する請求項１乃至３の何れかに記載の減速ギヤ。
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