JP4918954B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、ウォームと、このウォームに噛み合う合成樹脂材製のウォームホイールとから構成される減速ギヤ機構を介して車輪に舵角が変化するように伝達する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型自動車においては、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を減速ギヤ機構を介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置の低騒音化と軽量化のため、その減速ギヤ機構を構成する従動ギヤを合成樹脂材製とすることが行われている。
【０００３】
近年、環境問題に対処するために車両の低燃費化が要望されていることから、大型自動車に用いられる電動パワーステアリング装置においても、合成樹脂材製の従動ギヤを用いることが要望されている。しかし、電動アクチュエータの出力は軽自動車に比べて高くなるため伝達トルクが大きくなり、従動ギヤの疲労強度、耐摩耗性が低下してしまう。従来の歯車を形成する一般的なナイロン等の合成樹脂材は、伝達トルクの増大に耐え得る十分な疲労強度、耐摩耗性がなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような合成樹脂材製歯車の疲労強度、耐摩耗性の向上のため、合成樹脂材にウィスカー等の強化繊維を充填することが考えられる。しかし、合成樹脂材から歯車を成形する場合、型成形の後に歯の仕上げを機械加工により行っているため、その機械加工により強化繊維が歯面から突出する。その突出した強化繊維と合成樹脂材との界面から破壊が生じるために疲労強度が低下するという問題がある。
【０００５】
また、歯車を形成する合成樹脂材として、一般的なナイロン等の合成樹脂材に、四ふっ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等の潤滑性に富む合成樹脂材を混合することで、疲労強度、耐摩耗性の向上を図ることが考えられる。しかし、そのような潤滑性に富む合成樹脂材は強度が劣ることから、潤滑性を十分に向上するのに必要なだけ混合割合を大きくすると、回転トルクを伝達するのに必要な引っ張り強度、曲げ強度、弾性率等が低下するという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、ウォームと、このウォームに噛み合う合成樹脂材製のウォームホイールとを介して車輪に伝達する減速ギヤ機構を備える電動パワーステアリング装置において、その合成樹脂材はＰＡ６６とされ、その合成樹脂材にステアリン酸アルミニウムが０．１重量％〜０．３重量％添加され、前記ウォームホイールは合成樹脂材製のペレットを溶融して成形型に注入することで成形され、その成形されたウォームホイールの蟻酸法による相対粘度は１００以上、３００以下とされていることを特徴とする。
本発明の構成によれば、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添加することで、そのウォームホイールの潤滑性を向上することができる。その潤滑性の向上により回転伝達時にウォームホイールに作用する負荷が低減され、疲労強度、耐摩耗性を向上してウォームホイール寿命を長くできる。しかも、その合成樹脂材へのステアリン酸アルミニウムの添加量は０．３重量％以下と極少量であるため、合成樹脂材の分子量を低下させることが殆どなく、回転トルクを伝達するのに必要なウォームホイールの引っ張り強度、曲げ強度、弾性率等の特性を維持できる。そのステアリン酸アルミニウムの添加量が０．１重量％以上とされることで十分に潤滑性を向上できる。その相対粘度を１００以上とすることでウォームホイールの歯元強度向上により疲労強度をより向上でき、その相対粘度を３００以下とすることで成形性を確保できる。すなわち、金属材製歯車に適用される一般的な理論計算式によれば、歯車の歯元強度は材料の引っ張り強度、曲げ強度に相関する。しかし、合成樹脂材製ウォームホイールの場合、歯元強度は材料の引っ張り強度、曲げ強度に相関しない。事実、引っ張り強度や曲げ強度を向上するために合成樹脂材に強化繊維を充填した場合、その充填量が過大になると、充填しなかった場合よりも歯元強度は低下した。これは、合成樹脂材製ウォームホイールの歯元強度は、合成樹脂材の弾性に基づき歯に作用する面圧の緩和と、合成樹脂材の強度とのバランスによって定まるためである。そして、合成樹脂材により成形されたウォームホイールの相対粘度を従来よりも大きな１００以上の値とすることで、歯元強度を増大して疲労強度を向上でき、大きな操舵補助力を必要とする車両の電動パワーステアリング装置においても、その操舵補助力を伝達する減速ギヤ機構におけるウォームホイールを合成樹脂製として運転中における静粛性を向上すると共に軽量化を図ることができることが本件発明者により見い出された。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示す車両用電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２の操舵により発生する操舵トルクを、ステアリングシャフト３によりピニオン４に伝達することで、そのピニオン４に噛み合うラック５を移動させる。そのラック５の動きがタイロッドやナックルアーム等（図示省略）を介して車輪６に伝達されることで舵角が変化する。
【００１０】
そのステアリングシャフト３により伝達される操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するため、その操舵トルクを検出するトルクセンサ７と、その検出された操舵トルクに応じ駆動されるモータ（電動アクチュエータ）８と、そのモータ８により駆動される駆動シャフト５０の外周に設けられる金属製ウォーム（駆動ギヤ）９と、そのウォーム９に噛み合うと共にステアリングシャフト３に取り付けられるウォームホイール（従動ギヤ）１０とが設けられている。そのモータ８の回転をウォーム９およびウォームホイール１０を介してステアリングシャフト３からピニオン４、ラック５を介して車輪６に舵角が変化するように伝達することで操舵補助力を付与できる。図２に示すように、ハウジング２１に取り付けられるモータ８により駆動される駆動シャフト５０は、そのハウジング２１により軸受６２、６３を介して支持される。
【００１１】
そのステアリングシャフト３は、ステアリングホイール２に連結される第１シャフト３ａと、この第１シャフト３ａにピン２２により連結される筒状の第２シャフト３ｂと、この第２シャフト３ｂの外周にブッシュ２５を介して相対回転可能に嵌め合わされる筒状の第３シャフト３ｃとに分割されている。各シャフト３ａ、３ｂ、３ｃの中心孔にトーションバー２３が挿入されている。そのトーションバー２３の一端は第１シャフト３ａと第２シャフト３ｂとに前記ピン２２により連結され、他端はピン２４により第３シャフト３ｃに連結されている。これにより、その第２シャフト３ｂと第３シャフト３ｃとは操舵トルクに応じて弾性的に相対回転可能とされている。その第２シャフト３ｂは、そのハウジング２１に圧入されたステアリングコラム３０によりブッシュ３１を介して支持される。その第３シャフト３ｃは、ハウジング２１により軸受２６、２７を介して支持される。その第３シャフト３ｃの外周に嵌め合わされる金属製スリーブ１１の外周に、上記ウォームホイール１０が一体化されている。そのスリーブ１１は第３シャフト３ｃに、圧入されたり、キー等を介して強固に固定される。
【００１２】
そのトルクセンサ７は、第２シャフト３ｂに固定される磁性材製の第１検出リング３６と、第３シャフト３ｃに固定される磁性材製の第２検出リング３７と、両検出リング３６、３７の対向間を覆う検出コイル３３とを有する。第１検出リング３６の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３６ａと、第２検出リング３７の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３７ａとの対向面積が、第２シャフト３ｂと第３シャフト３ｃの操舵トルクに応じた弾性的な相対回転に応じて変化し、その変化に対応して検出コイル３３の発生磁束に対する磁気抵抗が変化することから、その検出コイル３３の出力に基づき操舵トルクが検出できる。このトルクセンサ７は公知の構成のものを用いることができる。その検出された操舵トルクに対応した信号に応じて上記モータ８が駆動され、このモータ８の回転はウォーム９、ウォームホイール１０を介してステアリングシャフト３に伝達され、操舵補助力が付与される。
【００１３】
そのモータ８の回転の減速ギヤであるウォームホイール１０は合成樹脂材製とされ、射出成形工程を経て成形されている。
そのウォームホイール１０を構成する合成樹脂材にステアリン酸アルミニウムが０．１重量％〜０．３重量％添加されている。その添加方法は、例えば、そのウォームホイール１０を射出成形する際に、液体状のステアリン酸アルミニウム中に原料となる合成樹脂材製ペレットを漬浸し、これによりステアリン酸アルミニウムによりペレットをコーティングする。そのペレットを溶融して成形型に注入することでウォームホイール１０を成形する。
その成形されたウォームホイール１０の相対粘度（ＶＲ）は、蟻酸法により測定した値が１００以上、３００以下とされているのが好ましい。その合成樹脂材はＰＡ６６を用いる。
【００１４】
その射出成形に際して、上記スリーブ１１が挿入された状態の成形型内に合成樹脂材が注入されることで、ウォームホイール１０が成形されると共にスリーブ１１と一体化される。その成形後にウォームホイール１０の歯の仕上げ等を機械加工により行っている。そのスリーブ１１におけるウォームホイール１０との接合部である外周に歯列が形成され、各歯１１ａの間にウォームホイール１０を構成する合成樹脂材が充填されることで、そのウォームホイール１０とスリーブ１１との軸中心の相対回転変位と径方向相対変位とが阻止される。また、そのウォームホイール１０がスリーブ１１の両端面を抱き込むように成形されることで、ウォームホイール１０とスリーブ１１との軸方向相対変位が阻止される。
【００１５】
上記構成によれば、モータ８の回転を伝達するウォームホイール１０を合成樹脂材製とすることで軽量化および低騒音化を図ることができる。そのウォームホイール１０を形成する合成樹脂材にステアリン酸アルミニウムを添加することで、そのウォームホイール１０における潤滑性を向上し、回転伝達時に作用する負荷を低減し、疲労強度、耐摩耗性を向上して寿命を長くできる。しかも、その合成樹脂材へのステアリン酸アルミニウムの添加量は０．３重量％以下と極少量であるため、合成樹脂材の分子量を低下させることが殆どなく、回転トルクを伝達するのに必要な歯車の引っ張り強度、曲げ強度、弾性率等の特性を維持できる。そのステアリン酸アルミニウムの添加量が０．１重量％以上とされることで十分に潤滑性を向上できる。さらに、その成形されたウォームホイールの相対粘度を１００以上とすることでウォームホイールの歯元強度、疲労強度を向上でき、その相対粘度を３００以下とすることで成形性を確保できる。また、高粘度ナイロン製のウォームホイールは歯元強度が高く、粘度が高くなっても吸水や熱劣化に関する性能が低下することはない。そのウォームホイール１０を合成樹脂材から射出成形することで成形コストを低減できる。また、その合成樹脂材は強化繊維を含んでいないので、歯を機械加工しても疲労強度が低下するという問題はない。
【００１６】
本発明は上記実施形態に限定されない。
【００１７】
【実施例１】
ステアリン酸アルミニウムを添加していない無垢のＰＡ６６から成形された従来サンプル材と、ステアリン酸アルミニウムを０．１重量％添加したＰＡ６６から成形された本発明サンプル材とに対して、鈴木式摩擦摩耗試験を同一条件下で行った。その結果、従来サンプル材の摩耗量は１３０ｍｇ、摩擦係数は０．４３であったのに対して、本発明サンプル材の摩耗量は７ｍｇ、摩擦係数は０．３２であった。すなわち、本発明を適用することで歯車の潤滑性と耐摩耗性が大幅に向上することを確認できる。
【００１８】
【実施例２】
上記実施形態のウォームホイールの耐久試験を行った。
ステアリン酸アルミニウムを添加していない無垢のＰＡ６６から射出成形され、蟻酸法による相対粘度が６０とされたウォームホイールを比較例、ステアリン酸アルミニウムを０．１重量％添加したＰＡ６６から射出成形され、蟻酸法による相対粘度が６０とされたウォームホイールを実施例ａ、ステアリン酸アルミニウムを０．１重量％添加したＰＡ６６から射出成形され、蟻酸法による相対粘度が１８０とされたウォームホイールを実施例ｂとした。
その耐久試験は、車輪側から一定の負荷を作用させた状態でステアリングホイールを一定回転角度で往復回転させることで行った。その結果、比較例のウォームホイールの歯は１５０００往復サイクルで破損したのに対して、実施例ａのウォームホイールの歯は３６０００往復サイクルまで破損せず、実施例ｂのウォームホイールの歯は１０００００往復サイクルを超えても破損しなかった。すなわち、本発明を適用することで歯車の疲労強度が大幅に向上することを確認できる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、歯の疲労強度、耐摩耗性を向上することで寿命を延長できるウォームホイールを備えることで大きな操舵補助力を付与する場合でも静粛性と軽量化を図ることのできる高寿命の電動パワーステアリング装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置の断面図
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩ線断面図
【符号の説明】
６ 車輪
８ モータ（電動アクチュエータ）
９ ウォーム（駆動ギヤ）
１０ ウォームホイール（従動ギヤ）

Claims (1)

1. 操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、ウォームと、このウォームに噛み合う合成樹脂材製のウォームホイールとを介して車輪に伝達する減速ギヤ機構を備える電動パワーステアリング装置において、
   その合成樹脂材はＰＡ６６とされ、
   その合成樹脂材にステアリン酸アルミニウムが０．１重量％〜０．３重量％添加され、
   前記ウォームホイールは合成樹脂材製のペレットを溶融して成形型に注入することで成形され、
   その成形されたウォームホイールの蟻酸法による相対粘度は１００以上、３００以下とされていることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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