JPWO2011158941A1

JPWO2011158941A1 - 電動パワーステアリング装置

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Publication number: JPWO2011158941A1
Application number: JP2012520510A
Authority: JP
Inventors: 一徳三宅; 黒川　貴則; 貴則黒川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2013-08-19
Also published as: WO2011158941A1

Abstract

最近の環境対応およびコスト低減の要求から、電動パワーステアリング装置の小型化が必須の背景がある。また、大型車では操舵補助力が大きくなるため、特に高温時のクリープや摩耗により寸法変化が大きくなるので、異音の発生防止および耐久性を向上させた合成樹脂材製ウォームホイ−ルが望まれる。そこで、操舵補助力発生用電動アクチュエータ８の回転を、金属製ウォーム９と、この金属製ウォーム９に噛み合う合成樹脂材製ウォームホイール１０とを有する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とする。ウォームホイール１０は、溶融粘度５００〜４０００Ｐａ・ｓのポリアミド樹脂に１０〜３０重量％の繊維強化材を含有して、１２０℃雰囲気において弾性率が１６００ＭＰａ以上である樹脂成形品とする。

Description

本発明は、操舵捕助力発生用電動アクチュエータの回転をウォームとウォームホイールを介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置に関する。

従来、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ウォームとウォームホイールを介して車輪に伝達する電動パワーステアリング装置が用いられ、そのウォームホイールを合成樹脂材製とすることで軽量化および低騒音化が図られている。
最近の環境対応およびコスト低減の要求から、軽量化や小型化が求められる背景があり、そのために合成樹脂材にはさらに高強度化や耐熱性、耐摩耗性の要求がある。

先行技術文献１では、合成樹脂材の強度耐久性を向上するため、エラストマー変性した強化繊維の含有材が検討されているがクリープや摩耗による寸法変化および耐久性が課題としてある。また、先行技術文献２では、高荷重条件での耐摩耗性を向上させるため、強化材の形状の提案がされているが十分な耐久性を有していない。

特開平１０−１４１４７７号公報特許第４１８２９７８号公報

最近の環境対応およびコスト低減の要求から、電動パワーステアリング装置は、軽量化や小型化により使用条件が過酷化している。また、特に大型車での実用では荷重が大きくなるため、ウォームとウォームホイールの特に噛み合う歯面で高温になり、高温時のクリープや摩耗により寸法変化が大きくなりやすい。そのために、バックラッシ増加による異音の発生防止および耐久性向上が必要となっている。

本発明は、上記課題を解決できる合成樹脂材を使用した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。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、金属製ウォームと、この金属製ウォームに噛み合うウォームホイールとを有する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において、そのウォームホイールは、溶融粘度５００〜４０００Ｐａ・ｓのポリアミド合成樹脂に１０〜３０重量％の繊維状強化材を含有して、１２０℃雰囲気において弾性率が１６００ＭＰａ以上の樹脂成形品であることを要旨としている。

本発明の電動パワーステアリング装置によると、樹脂成形品のウォームホイールを用いるので、繊維状強化材で強化されるため高温弾性率が高いことによりクリープが小さくかつ強度に優れており、さらに高粘度のポリアミド樹脂であるため、耐疲労性がよく耐久性に優れている。
請求項２に記載の発明は、前記ウォームホイールが高密度ポリエチレンを３〜１０％、オレフィン系エラストマーを３〜５％含むことを特徴としている。前記ポリエチレンを含有することにより、潤滑性が優れ昇温が小さく高温の寸法変化が小さい。さらにオレフィン系エラストマーが含まれており、強靭であり、耐熱性がよく強度が高い。

請求項３に記載の発明は、成形品金型として、フィルムゲートで、ゲートの肉厚は２．５ｍｍ以上、フィルム直径は５０ｍｍ以下で成形されており、溶融した溶液の粘度が大きい際のせん断による自己発熱による分解を低減するとともに、金型充填性を向上できるため、充填不良、ボイド等の成形不良を防止できるので、ウォームホイール成形品は強度の低下がなくまた耐疲労性の低下が起こらないため耐久性が向上できる。

請求項４に記載の発明は、前記金属製ウォームは焼き入れ硬さとして、６２０〜７００Ｈｖを有している請求項１〜３の何れかに記載の電動パワーステアリング装置であることを要旨としており、ウォームの強度向上とともにウォームの硬化により、摩耗が小さくなり耐久性を向上できる。

これらの発明により、ウォームとウォームホイールの寸法変化による異音発生がなくなり、耐疲労性が向上できるため、耐久性の優れた電動パワーステアリング装置が提供できる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成を示す断面図である。図１のＡ−Ａに沿う断面図である。本発明の実施形態のウォームホイールの成形型の構成説明図である。弾性率とクリープの関係を示す図である。細径ガラス繊維（細径ＧＦ）と引張弾性率の関係を示す図である。

本発明の組成物はポリアミドとオレフィン系エラストマー、ポリエチレンおよびガラス繊維を含む組成物からなる。
（ポリアミド）
本発明の組成物のポリアミドは少なくとも1種の熱可塑性ポリアミドである。ポリアミドは、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマーまたはより高次のポリマーであってもよい。２つ以上のポリアミドのブレンドを用いてもよい。適するポリアミドは、ジカルボン酸またはジカルボン酸誘導体とジアミンの縮合生成物および／またはアミノカルボン酸および／またはラクタムの開環重合生成物であることが可能である。適するジカルボン酸には、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、イソフタール酸およびテレフタール酸が挙げられる。適するジアミンには、テラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、ドデカメチレンジアミン、2−メチルペンタメチレンジアミン、２−メチルオクタメチレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、ビス（ｐ−アミノシクロヘキシル）メタン、ｍ−キシリレンジアミンおよびｐ−キシリレンジアミンが挙げられる。適するアミノカルボン酸は１１−アミノドデカン酸である。適するラクタムには、カプロラクタムおよびラウロラクタムが挙げられる。

本発明で用いるオレフィン系エラストマーは特に制限がなく、市販されているものを使用することができる。有用なものとしては、アイオノマー樹脂、エポキシ変性ポリオレフィン、カルボキシ変性ポリオレフィン、エポキシ／カルボキシ混合変性ポリオレフィンなどが挙げられる。
本発明において、オレフィン系エラストマーの配合量は、ポリアミド樹脂組成物１００重量％に対してエラストマーを１重量％以上、耐熱性の点およびポリアミド系素材の特徴をいかす点から１００重量％以下の範囲であり、好ましくは３〜５重量％である。組成物中のエラストマーはマトリックスとしてのポリアミド中に分散しており、本発明の組成物によって得られた成形品がより優れた衝撃強度を保有するためには、緊密に混合していることが望ましい。重合体の混合状態を評価する方法の1つとして分散相の粒径を評価尺度とする方法があるが、本発明のポリアミド樹脂組成物にエラストマーを配合する場合は、エラストマー部分の分散粒径は平均１０ミクロン以下、より好ましくは５ミクロン以下の状態を呈していることが耐衝撃性の優れた成形品を得るために必要である。エラストマーの分散平均粒子径が大きすぎると衝撃強度の向上効果が減少し、特に低温低吸水時の耐衝撃性を得ることができなくなる。しかし、本発明で用いるオレフィン系エラストマーはポリアミドおよびガラス繊維との相溶性が良好なので比較的容易にここで規定された緊密な混合状態を達成することができる。

ポリエチレン系樹脂としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ），アクリル系ビニルモノマーとエチレンとの共重合体（ＥＥＡ、ＥＭＭＡ等）あるいは酢酸ビニルモノマーとエチレンとの共重合体（ＥＶＡ）等を挙げることができる。しかしながら、これらの中でも高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）及び直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）が、潤滑性もよく安価に入手できるため、特に好ましい。これらのポリエチレン系樹脂は、単独で用いても良いし、また、２種以上を組み合わせて用いても良い。

高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を使用する場合、その比重は、一般に０．９３０〜０．９７０の範囲であり、１９０℃、２．１６ｋｇ荷重で測定されたメルトフローレート（ＭＦＲ）は０．０５〜１００ｇ／１０分の範囲であることが好ましい。低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）あるいは直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）を使用する場合、その比重は一般に、０．９００〜０．９３０の範囲であり、１９０℃、２．１６ｋｇ荷重で測定されたメルトフローレート（ＭＦＲ）は０．０５〜１００ｇ／１０分を超えると、本発明の組成物から得られる成形品の機械的強度、耐熱性が不十分であり、また、０．０５ｇ／１０分より小さいと本発明の組成物を成形する際、流動性が悪く、成形加工性が低下して望ましくない。

本発明で用いることのできる繊維状強化材（フィラー）は、例えばアラミド繊維、ポリアミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ホウ素質繊維、ジルコニア繊維、チタン酸カリウムウイスカなどが挙げられる。これらの中でも、ガラス繊維、炭素繊維が好ましく用いられ、補強効果の高いガラス繊維が特に好ましい。これらの繊維状強化材は未処理のままでも、または熱安定性のよいシラン系カップリング剤、例えばトリエトキシーγ―アミノプロピルシラン、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、ビニルトリエトキシシラン、γ―グリシドキシプロピルトメトキシシランなどで表面処理されたものでもよく、これら繊維状強化材の２種以上を使用することも可能である。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂組成物は樹脂組成物１００重量％に対し繊維状強化材を１〜２００重量％、特に好ましくは１０〜３０重量％配合してなる素材から構成される。３０重量％以上では、ウォームの摩耗が大きくなる。また、３０重量％以上では、ウォームホイールから脱落した繊維強化材がウォームとウォームホイールとの間に介在することで、ウォームホイールの摩耗が大きくなる。他方、１０重量％未満では、弾性率が小さく高温時のクリープが大きくなる。

樹脂組成物または樹脂組成物と繊維状強化材との混合方法は特に限定されず、溶融混練によって調整することが好ましく用いられる。例えばバンバリーミキサー、ミキシングロール、ニーダー、単軸あるいは２軸の押出機などを使用して溶融混練可能であるが、特に２軸の押出機を使用することが好ましい。
本発明の組成物にその成形性、特性を損なわない程度に他の成分、例えば本発明以外の熱可塑性ポリマー成分、熱安定剤、結晶核剤、酸化防止剤、耐候剤、滑剤、補強剤、可塑剤、耐衝撃性改良剤、顔料、離型剤、難燃剤などを添加導入することができる。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明する。
図１に示す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、ラック５の動きを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に伝達することで舵角を変化させる。

電動パワーステアリング装置１は、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、操舵トルクを検出するトルクセンサー７と、その検出された操舵トルクに応じて駆動されるモータ（電動アクチュエータ）８と、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のウォーム９と、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１０とが設けられている。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から車輪６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、ハウジング２１により、軸受６２，６３を介して支持される。
図１を参照して、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の中心に沿って弾性部材としてトーションバー２３が挿入されている。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、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。

第２シャフト３ｂは、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。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。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。なお、スリーブ１１は第３シャフト３ｃに圧入されたり、あるいはキー等を介して固定されてもよい。また、過大なトルクが作用した場合にウォームホイール１０とステアリングシャフト３とが相対回転するように、トルクリミッター機構がスリーブ１１と第３シャフト３ｃとの間に設けられてもよい。

トルクセンサー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。このトルクセンサー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に伝達される。

モータ８の回転を減速させる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。その成形品の溶融粘度は５００〜４０００Ｐａ・ｓとされている。溶融粘度の測定はフローテスタで計測しペレットを２８０℃の溶融温度で測定を行った。
合成樹脂材は、本実施形態ではＰＡ（ポリアミド）６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、ＰＡ１２、ＰＡ１１、ＰＰＡ（ポリパラバン酸）１１、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ６・６Ｔ等のナイロン系合成樹脂材とされる。その合成樹脂材の相対粘度が大きくなると、射出成形時に成形型のキャビテイ内に射出されにくくなり、成形性が低下する。そのため本実施形態では図3に示すように、ウォームホイール１０の成形型９０のゲート９０aはフィルムゲートとされている。これにより、その合成樹脂材の相対粘度が大きくても、キャビテイ９０ｂ内に材料を均一に充填できるようにしている。なお、キャビテイ９０ｂ内に材料を均一に充填できるようにするためにゲート９０aの肉厚ｔは２．５ｍｍ以上とするのが好ましく、ランナー９０ｃの長さＬは短い程に好ましいが金型剛性を確保する必要があることから４０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とするのが好ましい。また、ランナー９０ｃの入口径Ｄ１は材料の流動抵抗低減のために４ｍｍ以上とすると共に材料射出ノズルの径（通常３ｍｍ）との段差による抵抗低減のために６ｍｍ以下とするのが好ましい。また、ランナー９０ｃの出口径Ｄ２は材料の流動抵抗低減のために１３ｍｍ以上として、最大径はゲート９０aの直径に等しくしてもよい。

本実施形態では、その成形型９０に上記スリーブ１１を挿入した状態で射出成形を行うことでウォームホイール１０をスリーブ１１に一体化する。そして、成形後にゲート９０ａやランナー９０ｃに充填された材料の除去やウォームホイール１０の歯の仕上げ等を機械加工によりおこなっている。
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、且つ、その合成樹脂材の溶融粘度を５００Ｐａ・ｓ以上とすることでウォームホイールの歯元強度を向上でき、４０００Ｐａ・ｓ以下とすることで成形性を確保できる。その合成樹脂材はナイロン系合成樹脂材であるので初期強度が高く、吸水や熱劣化による強度低下を防止でき、また、成形性に優れると共に長寿命化も図れる。よって、これにより、ウォームホイールの高温時の寸法変化を少なくでき、耐久性を向上できる。

また、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。
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、ウォームホイールの材料としてナイロン系以外のＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）等の熱可塑性合成樹脂材を用いてもよい。また、ウォームホイールの材料である合成樹脂材に繊維状強化材が充填されてもよい。繊維状強化材の充填により、その合成樹脂材の吸水や熱による寸法変化を防止して寸法安定性を向上できる。

以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳述するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１
図４にガラス繊維（ＧＦ）の添加量を変化させて種々の弾性率の試料を作成して、クリープ試験を実施した結果を示す。

クリープ試験条件を表１に示す。クリープ変形量は圧縮により試験片に生じた変形深さから求めた。

図４に示すように引張弾性率が１６００ＭＰａ以上になるとクリープ変形量が小さくなり飽和することが判明した。
実施例２、３
そこで引張弾性率が１６００ＭＰａ以上になるようにオレフィン系エラストマー添加剤を調整して衝撃強度測定した結果を表２に示す。

表２に示すようにエラストマーを添加することにより、衝撃強度が１．５倍に向上した。
オレフィン系エラストマーの配合により、耐衝撃性が向上し、ガラス繊維脱落防止で耐摩耗性が向上したものと考えられる。
また、摩擦特性を改良するためポリエチレンを添加して摩擦試験を実施した。実際の電動パワーステアリング装置におけるウォームとウォームホイールの状態に合わせるため、樹脂材料と同じ材料でリング試験片を作製し、この試験片を直径７ｍｍの円筒コロ（ＳＵＪ２）を、１２０度間隔で３個配したリングオンディスク試験装置にて面圧１５０MＰa,周速１m／秒で４時間接触回転させ、耐摩耗性を評価した。

試験結果を表３に示す。

表３に示すようにポリエチレンの添加により摩擦係数が減少して昇温が約１０℃減少する効果が見られた。ＨＤＰＥ配合で摩擦が下がり低昇温となりクリープ性向上と耐摩耗性が向上したものと考えられる。
実施例４
さらに、ベースレジンに加えるガラス繊維の充填量を確認した。

図５に、細径ガラス繊維（細径ＧＦ：ＧＦの径は６μｍ）の充填量と１２０℃における引張弾性率との測定結果を示す。
図５に示すように、細径ガラス繊維の充填量を増加させるに伴い、試料（ベースレジン）の１２０℃における引張弾性率は比例的に増加することがわかる。そして、試料（ベースレジン）に１０〜３０重量％の細径ガラス繊維を加えれば、１２０℃における引張弾性率は１６００ＭＰａ以上となることが確認された。

実施例５、６
表４にガラス繊維添加量と添加剤を組み合わせて作成した試料の試験結果を示す。

ガラス繊維は添加量が増えるとクリープ量は減少する。ガラス繊維の添加量が３０％になるとウォームホイールの摩耗が増大する。
ポリエチレンとエラストマーを添加することにより、クリープ量と摩耗量を最小に設定できることが判明した。
（耐久性の検討）
実施例５および実施例６の樹脂組成物を用いることにより、インサート成形によって図１および２に示したようにコア１１およびギヤ本体を一体化したウォームホイール１０を製作した。各ウォームホイール１０を図１および２で示した電動パワーステアリング装置中のウォーム９と合わせて組み立てた。自動車の前輪の静止ステアリングモードに等しい荷重下で直接回転および逆回転中にウォームホイール本体１０が破壊されるまでのサイクル数を測定し、比較実施例の結果を１とした時に得られるサイクル数の比を耐久比として見出した。結果、比較例の耐久性のサイクル数まで測定を行ったが、ウォームホイール本体１０は破壊されず、高い耐久性を確認することができた。

６車輪
８モータ
９ウォーム
１０ウォームホイール

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、金属製ウォームと、この金属製ウォームに噛み合うウォームホイールとを有する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において、前記ウォームホイールは、溶融粘度５００〜４０００Ｐａ・ｓのポリアミド合成樹脂に１０〜３０重量％の繊維状強化材を含有し、更に高密度ポリエチレンを３〜１０％、オレフィン系エラストマーを３〜５％含むことにより１２０℃雰囲気において弾性率が１６００ＭＰａ以上の樹脂成形品であることを要旨としている。

本発明の電動パワーステアリング装置によると、樹脂成形品のウォームホイールを用いるので、繊維状強化材で強化されるため高温弾性率が高いことによりクリープが小さくかつ強度に優れており、さらに高粘度のポリアミド樹脂であるため、耐疲労性がよく耐久性に優れている。
また、高密度ポリエチレンを含有することにより、潤滑性が優れ昇温が小さく高温の寸法変化が小さい。さらにオレフィン系エラストマーが含まれており、強靭であり、耐熱性がよく強度が高い。

請求項２に記載の発明は、前記ウォームホイールは、フィルムゲートを用いて成形された後、切削工具を用いて歯切り加工により歯面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置である。

請求項３に記載の発明は、前記金属製ウォームは、焼き入れ硬さとして、６２０〜７００Ｈｖを有している請求項１または２に記載の電動パワーステアリング装置であることを要旨としており、ウォームの強度向上とともにウォームの硬化により、摩耗が小さくなり耐久性を向上できる。

Claims

操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、金属製ウォームと、この金属製ウォームに噛み合うウォームホイールとを有する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において、そのウォームホイールは、溶融粘度５００〜４０００Ｐａ・ｓのポリアミド樹脂に１０〜３０重量％の繊維強化材を含有して、１２０℃雰囲気において弾性率が１６００ＭＰａ以上の樹脂成形品であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
前記ウォームホイールは更に高密度ポリエチレンを３〜１０％、オレフィン系エラストマーを３〜５％含むことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
前記ウォームホイールは、フィルムゲートを用いて成形された後、切削工具を用いて歯切り加工により歯面が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
前記金属製ウォームは、焼き入れ硬さとして、６２０〜７００Ｈｖを有していることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電動パワーステアリング装置。