JP4769456B2 - ウレア系潤滑グリース組成物、転がり軸受けおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents
ウレア系潤滑グリース組成物、転がり軸受けおよび電動パワーステアリング装置 Download PDFInfo
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Description
しかしながら、現状の電動パワーステアリング装置は、油圧式のパワーステアリング装置と比較するとまだまだ、発生させる出力が弱いことから、電動モーターの能力を向上させると共に、個々の構成部品の摩擦をできるだけ下げて、モーターへの負担を極力軽減させることが重要である。
更に電動パワーステアリング装置は、特に寒冷地において、その低温起動性が非常に重視される。これは、油圧式のパワーステアリング装置の場合は、エンジンを暖機運転する際に、エンジンと直結した油圧ポンプの熱源が、作動油を熱媒体としてステアリング装置の各部を暖機する効果があるため、そこに使用される潤滑剤の低温特性は、一般的な性能で良かった。しかしながら、電動パワーステアリング装置の場合はエンジンからの直接的な熱源がないため、ステアリング装置は容易に暖機されない。
したがって、これらの部品に使用されるグリースは、低く安定した摩擦トルク特性を得られるものであることが必須である。
コラムアシスト式電動パワーステアリング装置とピニオンアシスト式電動パワーステアリング装置の減速機は、通常、金属製ウォームギヤと樹脂製ウォームホイールから構成されており、電動モータの動力をこれらのギヤを介してステアリングへ伝達し、パワーアシストを行っている。ギヤの接触部では、樹脂と金属とのすべり摩擦の形態を取り、潤滑剤はこの部位に塗布される。
特許文献1には、(a)増ちょう剤、(b)流動点が−40℃以下である基油、(c)有機モリブデン化合物、(d)メラミンシアヌレート、(e)ポリテトラフルオロエチレン、及び(f)二硫化モリブデンを含む自動車ステアリング用グリース組成物について記載されている。その自動車ステアリング用グリース組成物とは、特にラック・ピニオン部やピニオンアシストタイプ電動パワーステアリングのハイポイドギヤなどのギヤ噛み合い部において上述したグリース組成物が適切な潤滑性を発揮するグリース組成物に関するものであると開示されているが、そのグリース組成物の組成は本発明のグリース組成物とは全く異なる。
特許文献4には、基油と増ちょう剤とを含む潤滑グリース組成物であって、増ちょう剤として、Liステアレートと、Liヒドロキシステアレートとを併用した潤滑グリース組成物について記載され、電動式パワーステアリング装置の減速機などに使用されることが示されている。
特許文献3および特許文献4に記載されている電動パワーステアリング装置の減速機とその具体的な潤滑部位は、例えばポリアミド樹脂などの合成樹脂製のウォームホイールを用いた減速機であり、合成樹脂製のウォームホイールと金属製のウォームシャフトとの摺動部(摩擦面)における潤滑部位にて摩擦の低減に寄与する潤滑グリース組成物の役割が重要であると開示されているが、そのグリース組成物は本発明のグリース組成物とは全く異なる。
特許文献6には、基油と増ちょう剤とを含む潤滑グリース組成物であって、ポリエチレンオキサイド系ワックスを配合した潤滑グリース組成物について記載され、電動パワーステアリング装置の減速機などに使用されることが示されている。その電動パワーステアリング装置の減速機とその具体的な潤滑部位は、合成樹脂製のウォームホイールと金属製のウォームシャフトからなる減速機の摩擦面であるが、そのグリース組成物は本発明のグリース組成物とは全く異なる。
また、ラックアシスト式電動パワーステアリング装置として、特許文献7に開示されているものは電動モータをラック軸と同軸に配置したものであるが、電動モータがラック軸と同軸でなく平行に配置されたタイプ(例えば特許文献8)、電動モータとラック軸とが軸心を交差させるように配置されたタイプ(例えば特許文献9)もある。これらのタイプのものは、電動モータとボールねじ機構(ボールねじナット)とが歯車機構やベルト等の伝動手段で連結されている。
前記各電動パワーステアリング装置に用いられる「転がり軸受け」は、主に単列または複列の深溝玉軸受け(例えば特許文献10)である。
本発明の第1は、(a)増ちょう剤として平均分子量600〜700のアルキルジウレア化合物で、その全アルキル基の内25〜60モル%が不飽和成分であり、且つ、原料となる1級アミンの全アミン価が250〜350の範囲であるジウレア化合物、
(b)流動点が−40℃以下の合成炭化水素油を主成分とする基油であり、前記合成炭化水素油を混合あるいは単独で用いた基油の−40℃の動粘度が6,000mm2/sec以下のグリース基油、
(c)添加剤として、油溶解性有機モリブデン錯体、ジチオカルバミン酸の油溶解性有機亜鉛化合物、ジチオリン酸の油溶解性有機亜鉛化合物および硫酸ナトリウム、硫化ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウムから選ばれる少なくとも1種の無機硫黄化合物の混合物からなり、
(1)(a)成分が全体量の5〜15重量%、
(2)(b)成分の内合成炭化水素油である成分が80重量%以上、
(3)(c)成分が全体量の1〜7重量%、
であることを特徴とするウレア系潤滑グリース組成物に関する。
本発明の第2は、請求項1記載のウレア系潤滑グリース組成物を潤滑剤として用いたことを特徴とする転がり軸受けに関する。
本発明の第3は、前記転がり軸受けが、ボールの転がりを利用した玉軸受けであることを特徴とする請求項2記載の転がり軸受けに関する。
本発明の第4は、請求項1記載のウレア系潤滑グリース組成物を潤滑剤として用いたことを特徴とする電動パワーステアリング装置に関する。
本発明の第5は、前記潤滑剤を、転がり軸受けに用いたことを特徴とする請求項4記載の電動パワーステアリング装置に関する。
本発明の第6は、前記転がり軸受けが、ボールの転がりを利用した玉軸受けであることを特徴とする請求項5記載の電動パワーステアリング装置に関する。
また、全アルキル基の内、不飽和成分が25モル%未満の場合は、本電動パワーステアリング装置において適正な油性効果が得られず、安定したトルク特性が十分に得られない。60モル%を越える場合は、本電動パワーステアリング装置において十分な耐熱性を確保するのが難しくなり寿命の低下が予想される。更に、1級アミンの全アミン価が250〜350を外れる場合は、本電動パワーステアリング装置において最適なグリースの介入と、適正な油性効果ならびに十分な耐熱性を得ることが難しくなり、安定したトルク特性が十分に得られなくなったり寿命の低下が予想される。
また、本グリース組成物に用いる基油は、これら合成炭化水素油を主成分に用いるが、合成炭化水素油の特徴としては、流動点が低く、低温においても流動性を保つことができること、また、酸化安定性が良好で、また粘度温度特性が優れているため(VIが高い)、高温においても粘度の低下が少なく安定した油膜が維持できること、ならびに、合成ゴムや合成樹脂などの部材に対して膨潤などの悪影響を及ぼさない、等の優れた特徴がある。
本ステアリング装置において本グリース組成物に用いる基油の一部に鉱油や、エステル系合成油、ポリグリコール系合成油、シリコーン系合成油、またはフッ素系合成油などを用いることは可能であるが、主成分として用いるには適さない。かかる基油の主成分に鉱油を用いた場合は、低温性や耐熱性が不足し、エステル系合成油は合成ゴムや合成樹脂を膨潤させたり硬度を低下させたりする悪影響が懸念され、ポリグリコール系合成油は耐熱性あるいは潤滑性が合成炭化水素油ほど得られない。
また、シリコーン系合成油は耐熱性には優れるが満足する潤滑性が得難く、フッ素系合成油は、耐熱性は非常に優れるものの増ちょう剤との親和性が乏しく、また極めて高価なものとなる。
なお、(b)における主成分とは、潤滑油の流動点が−40℃以下の合成炭化水素油が80重量%以上を含有することをいう。
本発明において(a)成分が全体量の5重量%未満の場合は、グリースは軟らかくなりすぎて漏洩などの心配があり、15重量%よりも多い場合は硬くなりすぎて、流動抵抗が増すことからトルクの上昇が懸念される。また、(b)成分の内合成炭化水素油である成分が80重量%未満の場合は常温から低温までの安定した低いトルクが得られない。
(c)成分は、全体量の1〜7重量%、好ましくは1.5〜6重量%、より好ましくは2〜5重量%である。
(c)成分が全体量の1重量%未満の場合はステアリング装置として所定の耐久寿命が得られず、7重量%よりも多いと、コストが嵩むだけで、顕著な効果は得られない。
一般的に、グリースの低温起動性を特に重視する場合は、グリースに使用する潤滑油の動粘度は往々にして薄い基油を用いるが、基油粘度が薄くなればなるほど、摺動面では境界潤滑になり易く、油膜切れの発生頻度が多くなり、機械寿命は短くなる。
本発明においても、グリースの基油粘度は−40℃の動粘度が6,000mm2/sec以下であり、一般的なグリース基油と較べると薄い部類である。しかしながら、本発明の(a)成分である特定のジウレア化合物と、(c)成分である、油溶解性有機モリブデン錯体、ジチオカルバミン酸の油溶解性有機亜鉛化合物、ジチオリン酸の油溶解性有機亜鉛化合物および無機硫黄化合物からなる混合物を含有せしめたことで油膜切れの懸念を払拭したばかりか、更なる寿命の延長を図ることができ、まさに画期的な発明である。
表1に示す配合割合にて密閉式グリース試作装置に基油とジイソシアネートとを張り込み、攪拌しながら60℃まで加熱し、各種アミンと基油を混合溶解した原料をホッパーより加え反応させた。反応を完結させるために更に攪拌しながら170℃まで加熱し30分間保持後、80℃まで冷却し表1に示す配合割合にて添加剤を添加し、更に酸化防止剤として、オクチルジフェニルアミンをそれぞれ1.0%外割にて添加した。約60℃まで放冷後、三本ロールで処理してグリースを得た。
表2に示す配合割合にて密閉式グリース試作装置に基油とジイソシアネートとを張り込み、攪拌しながら60℃まで加熱し、各種アミンと基油を混合溶解した原料をホッパーより加え反応させた。反応を完結させるために更に攪拌しながら170℃まで加熱し30分間保持後、80℃まで冷却し表2に示す配合割合にて添加剤を添加し、更に酸化防止剤として、オクチルジフェニルアミンをそれぞれ1.0%外割にて添加した。約60℃まで放冷後、三本ロールで処理してグリースを得た。
比較例4
表2に示す比較例4は、従来の電動パワーステアリング装置に多く使用されているリチウム系合成油グリースである。
アミンBは、炭素数18の飽和アルキル基を主体(90%以上)とする平均分子量270の直鎖状一級アミン(工業用ステアリルアミン)。
アミンCは、炭素数18の不飽和アルキル基が約50%ならびに炭素数18から炭素数14の飽和もしくは不飽和アルキル基を含有する平均分子量255の直鎖状一級アミン(工業用牛脂アミン)。
アミンDは、炭素数18の不飽和アルキル基を主体(70%以上)とする平均分子量260の直鎖状一級アミン(工業用オレイルアミン)。
実施例及び比較例に示す鉱油の40℃の動粘度は、101.5mm2/sで流動点は−15℃であり、合成炭化水素油A(CASNo.68037−01−4)の40℃の動粘度は、14.94mm2/sで流動点は−67.7℃、−40℃の動粘度は、3,300mm2/sである。また、合成炭化水素油B(CASNo.68037−01−4)の40℃の動粘度は、396.2mm2/sで流動点は−36℃である。
添加剤Aは、有機モリブテン錯体で特公平5−66435号公報に記載されている油溶解性有機モリブテン化合物、
添加剤Bは、油溶解性の1級Zn−DTP(プライマリーZnジチオホスフェート)、
添加剤Cは、油溶解性のZn−DTC(Znジチオカーバメート)、
添加剤Dは、チオ硫酸ナトリウムを示す。
ちょう度:JIS K2220
滴点 :JIS K2220
離油度 :JIS K2220B法で温度100℃、24時間の条件下で実施した。
(1)本発明のウレアグリースは、広い温度範囲で低く安定したトルク特性を示し、特に低温において著しく良好なトルク特性を示した。
(2)本発明のウレアグリースは、潤滑界面において充分な潤滑ができ、トルクのバラツキが少なく、高温での寿命も非常に長い。
本発明を適用する電動パワーステアリング装置としては、例えば特開2003−335249号公報に記載されたようなものがある。このものの構成は同公報に記載されたとおりであり、主たる構成として、同公報の図2に示されるように、車輪に連結されたラックシャフト15、このラックシャフト15を包囲するように配置された電動モータ30、前記ラックシャフト15の外周面に設けられたボールねじ溝15Bおよび前記電動モータ30のモータシャフト32の一端に装着されたボールねじナット38からなるボールねじ機構37を備えている。この構成において、ボールねじ機構37ならびに前記モータシャフト32の両端を支持するベアリング33および34が「転がり軸受け」に相当し、特にベアリング33、34が「ボールの転がりを利用した玉軸受け」に相当する。
この電動パワーステアリング装置の転がり軸受けに前記実施例、比較例のグリースを潤滑剤として用いた試料を用意し、これら試料の性能比較を次の試験方法に従って行った。
低温域においてグリースの粘度が上昇すると、前記転がり軸受けにかかるプレロードが上昇し、操舵フィーリングを損ねる(ハンドルが重くなり、特に、いわゆる「ハンドル戻り」性が悪化する)ことがある。そこで、この試験においては、約−40℃から約50℃の温度域での前記プレロードを測定した。なお、ここでいう温度は、電動パワーステアリング装置の例えばハウジングの表面温度である。
具体的には、実施例、比較例のグリースを適用した電動パワーステアリング装置を、電動モータを作動させない状態、つまりパワーアシストを行わない状態に設定し、この状態にて、実際の車両で通常行われる程度の操舵速度でハンドルを所定角度、回転させるのに要するハンドルトルクを測定し、その測定値(プレロード)を比較評価した。
尚、比較例3において、この測定については省略した。
その結果、実施例のグリースは、比較例のグリースに較べて、評価した全温度域にわたって同等以上の性能を示し、特に低温域にてプレロードが著しく低減されることが明らかになった。したがって、実施例のグリースを電動パワーステアリング装置の「転がり軸受け」、特に「ボールの転がりを利用した玉軸受け」であるベアリング33、34に用いることにより、特に低温域において従来より格段に低いトルク特性を示す電動パワーステアリング装置が得られる。この電動パワーステアリング装置によれば、エンジン始動直後の暖機がされていない状況下や厳寒の地においても良好な操舵フィーリングが得られ、特に、いわゆる「ハンドル戻り」が円滑に行われることで、本グリースの優位性が示される。
高温域においてグリースの粘度が低下すると、前記転がり軸受けにおいてグリースによって生成されるべき油膜がほとんど消失した状態(油膜切れ)が生じることがある。また、長期使用によるグリースの劣化、消耗によっても、油膜切れは起きる。この油膜切れ、さらには、油膜切れが高じて焼き付き(固化)が発生すると、転がり軸受けにおけるボールの円滑な転がりが阻害されて操舵フィーリングが損なわれる。そこで、この試験においては、雰囲気温度120℃程度の高温下で、前記転がり軸受けを所定回数、動作させる試験を行った。
具体的には、特開2003−335249号公報(特許文献7)の図2に示されるように、電動パワーステアリング装置の第1ベアリング33または第2ベアリング34を単体にて正転、逆転動作を繰り返し、150万回回転時および300万回回転時点で前記ベアリングの損傷やグリースの固化等の有無を確認し、高温性能および耐久性能を比較評価した。
ここでは第1ベアリング33で行った結果について実施例および比較例に記載するが、その結果、本発明のグリースを用いることにより高温性能、耐久性能が向上することがわかった(比較例3および4は、300万回回転時にグリースの固化、ベアリングの破損の発生)。したがって、実施例のグリースを電動パワーステアリング装置の軸受け装置に用いることにより、高温域において油膜切れ、焼き付き等が発生しにくい、しかも、長期使用によっても高い信頼性を維持できる電動パワーステアリング装置が得られる。
なお、本発明を適用する「電動パワーステアリング装置」は、上記のものに限定されず、例えば特開2004−114972号公報(特許文献8)、特開2004−122858号公報(特許文献9)に記載されたようなものも採用できる。特許文献8の場合、同公報記載のボールねじ機構2および各玉軸受が「転がり軸受け」に相当し、特にナット部2aを支承する軸受8、10が「ボールの転がりを利用した玉軸受け」に相当する。特許文献9の場合は、同公報記載のボールねじ機構9(19、29)および各玉軸受が「転がり軸受け」に相当し、特にナット部9a(19a、29a)を支承する軸受10(20)が「ボールの転がりを利用した玉軸受け」に相当する。
また、「転がり軸受け」は、深溝玉軸受けに限定されず、多点接触型玉軸受け、さらには針状ころ軸受けも採用できる。
Claims (6)
- (a)増ちょう剤として平均分子量600〜700のアルキルジウレア化合物で、その全アルキル基の内25〜60モル%が不飽和成分であり、且つ、原料となる1級アミンの全アミン価が250〜350の範囲であるジウレア化合物、
(b)流動点が−40℃以下の合成炭化水素油を主成分とする基油であり、前記合成炭化水素油を混合あるいは単独で用いた基油の−40℃の動粘度が6,000mm2/sec以下のグリース基油、
(c)添加剤として、油溶解性有機モリブデン錯体、ジチオカルバミン酸の油溶解性有機亜鉛化合物、ジチオリン酸の油溶解性有機亜鉛化合物および硫酸ナトリウム、硫化ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、亜硫酸ナトリウムから選ばれる少なくとも1種の無機硫黄化合物の混合物からなり、
(1)(a)成分が全体量の5〜15重量%、
(2)(b)成分の内合成炭化水素油である成分が80重量%以上、
(3)(c)成分が全体量の1〜7重量%、
であることを特徴とするウレア系潤滑グリース組成物。 - 請求項1記載のウレア系潤滑グリース組成物を潤滑剤として用いたことを特徴とする転がり軸受け。
- 前記転がり軸受けが、ボールの転がりを利用した玉軸受けであることを特徴とする請求項2記載の転がり軸受け。
- 請求項1記載のウレア系潤滑グリース組成物を潤滑剤として用いたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
- 前記潤滑剤を、転がり軸受けに用いたことを特徴とする請求項4記載の電動パワーステアリング装置。
- 前記転がり軸受けが、ボールの転がりを利用した玉軸受けであることを特徴とする請求項5記載の電動パワーステアリング装置。
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