JP2005030462A - 歯車、これを用いた減速機、およびこれを備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の、ポリアミド樹脂製の歯車に比べて耐久性能に優れる上、耐熱性、寸法安定性にも優れた新規な歯車と、それを用いた減速機と、かかる減速機を用いた電動パワーステアリング装置とを提供する。
【解決手段】歯車は、歯面を有する歯車本体を、ＰＡ６６の分子構造を有する部分と、ＰＡ６の分子構造を有する部分とを重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．９／０．１〜９５．０／５．０の範囲で含む、複合樹脂としての、ＰＡ６６とＰＡ６とのブレンドポリマー、または共重合体にて形成した。減速機５０は、ウォームホイール（大歯車）１２として上記歯車を用いた。電動パワーステアリング装置は、操舵補助用の電動モータＭの出力を、上記減速機５０を介して減速して舵取機構に伝える。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウォームとウォームホイールなどの、小歯車と大歯車とを有する減速機に特に好適に使用される歯車と、この歯車を用いた減速機と、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。
【０００２】
【従来の技術】
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、例えば軽四輪自動車や、あるいは普通自動車の中でも比較的小型のものなどに用いる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目的として、減速機の、小歯車と大歯車のうちの少なくとも一方、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。詳しくは、金属製の芯金と、この芯金の外周に外嵌めした樹脂製の環状の歯車本体とで上記大歯車を形成している。
【０００３】
このうち歯車本体を形成する樹脂としては、例えばＭＣ（モノマーキャスティング）ナイロン、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ４６などのポリアミド樹脂が広く用いられる。また、主に吸水や熱などによる寸法変化を抑制して歯車の寸法安定性を向上するため、ポリアミド樹脂に、ガラス繊維などの強化繊維を配合する場合がある（例えば特許文献１参照）。
また同様に、吸水による寸法変化を抑制して歯車の寸法安定性を向上するため、上記ポリアミド樹脂に、ＰＡ１２、ＰＡ１１、ＰＡ６１２、ＰＡ６１０、芳香族ポリアミド、変性ＰＡ１２などの、低吸水性のポリアミド樹脂を配合する場合もある（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１５６０２５号公報（請求項１〜３、第０００５欄〜第０００７欄、第００２０欄、第００２７欄、第００２８欄、図２）
【特許文献２】
特開２００３−８３４２３号公報（請求項１、２、第０００７欄〜第００１４欄）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、これまでに比べてより大型の自動車の電動パワーステアリング装置においても、減速機の歯車の樹脂化が検討されている。
またこれも近年、環境問題に対処するための低燃費化に対応したり、あるいは車内の居住性を向上したりするために、自動車の大きさを問わず、電動パワーステアリング装置の搭載スペースの削減、すなわち電動パワーステアリング装置のより一層の小型化が進行しつつある。
【０００６】
しかし、ポリアミド樹脂の中でも最も一般的で、なおかつ強度特性等にもすぐれたＰＡ６にて形成した歯車は吸水による寸法変化が大きいため、たとえ前述したようにガラス繊維などを加えて寸法安定性を向上したとしても、とくに自動車を海外輸出するための航送時や、あるいは経年変化などによって膨張して、電動パワーステアリング装置のトルクを変動させてしまうという問題を有する。またＰＡ６で形成した歯車は耐熱性も不十分である。
【０００７】
ポリアミド樹脂の中でＰＡ６に次いで一般的で、しかも吸水による寸法変化が小さく、かつ耐熱性にも優れたＰＡ６６にて歯車を形成することも考えられる。しかしＰＡ６６製の歯車は、とくに上に述べた大型の自動車用の電動パワーステアリング装置や、あるいは小型化した電動パワーステアリング装置などに適用した場合に、減速機に要求される耐久性能を十分に満足することができず、比較的早期に破損してしまうという問題がある。
【０００８】
これは大型の自動車ほど、電動パワーステアリング装置における電動モータの出力を大きくしなければならず、減速機に伝わる伝達トルクが大きくなるためである。
また電動パワーステアリング装置を小型化するほど、とくに減速機の大歯車は、モジュールを増加させて面圧を低下させる等の対策をとるのが難しくなり、小歯車から伝わる面圧が高くなる傾向にあるためである。
【０００９】
またポリアミド樹脂に低吸水性ポリアミド樹脂を加えて寸法安定性を向上するためには、当該低吸水性ポリアミド樹脂を、両樹脂全体の１０〜４０重量％という多量に配合しなければならない。このため、ポリアミド樹脂として高強度のＰＡ６を使用した場合でも、とくに上記のように電動パワーステアリング装置を高トルク化したり小型化した際に歯車の強度が不足して、比較的早期に破損してしまうという問題がある。
【００１０】
なおこれらの問題は、電動パワーステアリング装置の減速機に限らず、小歯車と大歯車とを有する一般の減速機においても存在する。
本発明の目的は、従来の、ポリアミド樹脂製の歯車に比べて耐久性能に優れる上、耐熱性、寸法安定性にも優れた新規な歯車と、それを用いた減速機と、かかる減速機を用い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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の歯車は、歯面を有する歯車本体を備え、当該歯車本体を、ＰＡ６６の分子構造を有する部分と、ＰＡ６の分子構造を有する部分とを重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．９／０．１〜９５．０／５．０の範囲で含む複合樹脂にて形成したことを特徴とするものである。
なお複合樹脂としては、ＰＡ６６とＰＡ６とのブレンドポリマー、またはＰＡ６６とＰＡ６との共重合体を用いることができる。
【００１２】
また本発明の減速機は、小歯車および大歯車を備え、かつ両歯車のうち少なくとも一方を、上記本発明の歯車によって構成したことを特徴とし、本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵補助用の電動モータの回転を、かかる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ものである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の歯車は、歯面を有する歯車本体を、ＰＡ６６に少量のＰＡ６をブレンドまたは共重合させた複合樹脂にて形成してあり、ＰＡ６６単独で形成したものに比べて、その耐久性能を飛躍的に向上することが可能である。またＰＡ６単独で形成したものに比べて、その耐熱性や寸法安定性を飛躍的に向上することも可能である。
【００１４】
また本発明の減速機は、小歯車と大歯車のうちの少なくとも一方を、上記本発明の歯車の構成としたものゆえ、寸法変化によるトルクの上昇を生じることなしに、高トルク下での使用や小型化を可能としている点で好ましい。
さらに本発明の電動パワーステアリング装置は上記の減速機を備えるものゆえ、より大型の自動車に使用したり、より小型化したりできる点で好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を詳細に説明する。
〈歯車〉
（複合樹脂）
本発明の歯車は、前記のように歯面を有する歯車本体を備えるとともに、当該歯車本体を、ＰＡ６６の分子構造を有する部分（以下「ＰＡ６６部分」と略記する場合がある）と、ＰＡ６の分子構造を有する部分（以下「ＰＡ６」と略記する場合がある）とを含む複合樹脂にて形成したものである。
【００１６】
またかかる複合樹脂における、ＰＡ６６部分とＰＡ６部分との含有割合は、重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．９／０．１〜９５．０／５．０の範囲に限定される。
この範囲よりＰＡ６部分の割合が少ない場合には、かかる微量のＰＡ６部分を歯車中に均等に分布させることができないことなどから、複合樹脂としたことによる、歯車の耐久性能を向上する効果を得ることができない。
【００１７】
また、この範囲よりＰＡ６部分の割合が多い場合には、歯車の耐熱性や寸法安定性が低下してしまう。
なお歯車の耐熱性や寸法安定性を良好なレベルに維持しつつ、その耐久性能をさらに向上することを考慮すると、複合樹脂における、ＰＡ６６部分とＰＡ６部分との含有割合は、前記の範囲内でもとくに、重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．１／０．９〜９５．０／５．０の範囲であるのが好ましい。
【００１８】
かかる複合樹脂としては、これも前記のように、ＰＡ６６に少量のＰＡ６をブレンドしたブレンドポリマー、もしくは共重合させた共重合体を用いることができる。
このうちＰＡ６６とＰＡ６とのブレンドポリマーとしては、その名のとおりＰＡ６６とＰＡ６とを上記所定の割合で配合し、溶融、混練して製造したものを用いることができる。またブレンドポリマーとしては、ＰＡ６６とＰＡ６とを所定の割合でペレットブレンドしたものを用いることもできる。
【００１９】
またブレンドポリマーのもとになるＰＡ６６としてはできるだけ高粘度のもの、具体的には蟻酸法による相対粘度が１００以上のものを使用するのが好ましい。かかる高粘度のＰＡ６６を用いたブレンドポリマーにて歯車を形成した場合には、その耐久性能をさらに向上することができる。
また共重合体としては、ＰＡ６の原料であるカプロラクタムと、ＰＡ６６の繰り返し単位に相当するＡＨ塩〔ヘキサメチレンジアミン（Ｈ）とアジピン酸（Ａ）とを１：１で反応させたもの〕とを、前記所定の割合で共重合させた共重合体などを用いることができる。
【００２０】
（添加剤）
上記複合樹脂には、従来公知の種々の添加剤を配合することができる。
かかる添加剤としては、歯車の寸法安定性を向上するための強化繊維、粒状または粉末状の充てん材、もしくはナノコンポジット材を挙げることができる。
また強化繊維としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維、チタン酸カリウム繊維などの無機繊維状物質や、ステンレス、アルミニウム、チタン、鋼、真鍮等の金属繊維状物質、あるいはアラミド、ポリアミド、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂などの高融点有機質繊維状物質等を挙げることができる。
【００２１】
粒状または粉末状の充てん材としては、例えばマイカ、シリカ、タルク、アルミナ、カオリン、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、酸化チタン、フェライト、クレー、ガラス粉、酸化亜鉛、炭酸ニッケル、酸化鉄、石英粉末、炭酸マグネシウム、硫酸バリウムなどを挙げることができる。
さらにナノコンポジット材としては、ケイ酸塩やヒドロキシアパタイトなどを挙げることができ、これらのナノコンポジット材を、例えばインターカレーション法、ゾル−ゲル法、メカノフュージョン法、ブレンド法などの種々の方法で複合樹脂に含有させることができる。
【００２２】
また強化繊維や充てん材は、必要に応じて集束剤または表面処理剤によって処理してもよい。集束剤または表面処理剤としては、例えばエポキシ系化合物、イソシアネート系化合物、シラン系化合物、チタネート系化合物等の官能性化合物を挙げることができる。これらの化合物は、強化繊維や充てん材に対してあらかじめ表面処理または集束処理を施すために用いてもよいし、強化繊維や充てん材を複合樹脂とドライブレンドする際に同時に添加してもよい。
【００２３】
またその他の添加剤としては、例えば樹脂改良剤、滑剤、難燃剤、染料や顔料等の着色剤等を挙げることができる。
上記各種添加剤の、複合樹脂に対する配合量はとくに限定されず、それぞれの添加剤に求められる最適の範囲で、複合樹脂に配合することができる。
（歯車）
本発明の歯車は、必要に応じて上記の添加剤を配合した、ＰＡ６６部分とＰＡ６部分とを所定の範囲で含む複合樹脂を用いて、従来同様に射出成形などによって製造することができる。
【００２４】
例えばウォームホイールなどの、芯金と、この芯金の外周に外嵌めされた環状の歯車本体とを備える歯車は、上記歯車本体の外形に対応した型窩を有するとともに、その中心部に芯金をセットする部分を有する金型を使用し、芯金をセットした状態で、射出成形機のノズルから加熱、溶融した複合樹脂を射出し、型窩内に注入して冷却、固化させるいわゆるインサート成形をすることによって製造することができる。
【００２５】
また、あらかじめ射出成形しておいた環状の歯車本体の中心の孔に、芯金を、高周波誘導加熱などによって加熱しながら圧入、一体化して歯車を製造することもできる。
歯車本体の外周の歯は成形時に同時に形成してもよいし、成形後、切削加工などによって形成してもよい。
〈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。
【００２６】
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。
【００２７】
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は前記本発明の歯車の構成を有するもので、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有する、前述した複合樹脂からなる歯車本体１２ｂとを備えている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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潤滑剤組成物が充填される。すなわち潤滑剤組成物は、噛み合い部分Ａのみに充填しても良いし、噛み合い部分Ａとウォーム軸１１の周縁全体に充填しても良いし、ギヤハウジング７内全体に充填しても良い。
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。例えば減速機としてはウォームギヤ機構８を有するものには限定されず、平歯車、ベベルギヤ、ハイポイドギヤ、ヘリカルギヤ、ラックギヤなどを用いた種々の減速機に、本発明の構成を適用することができる。また、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もできる。その他、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。
【００３６】
【実施例】
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。
（複合樹脂の調製）
蟻酸法による相対粘度が２５０である高粘度のＰＡ６６と、ＰＡ６と、ガラス繊維とをドライブレンドし、溶融、混練したのち押し出してペレット化した。
ＰＡ６６とＰＡ６との含有割合は、重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．９／０．１〜９８．７／１．３の範囲で変化させた。また比較のために、樹脂としてＰＡ６を加えず、ＰＡ６６のみを用いたものを用意した。
【００３７】
次に上記のペレットを用いて、インサート成形により、図１、２に示すように環状の芯金１２ａと、芯金１２ａの周囲を取り囲んで外周面部に歯を有する歯車本体１２ｂとを備えたウォームホイール１２を製造した。
そしてこのウォームホイール１２を、上記図１、２に示す電動パワーステアリング装置の実機の減速機５０に組み込んで、負荷を与えながら正逆回転させた際に、歯車本体１２ｂが破損したサイクル数を計数した。なおウォーム軸１１は鋼製とした。
【００３８】
結果を図３に示す。
図より、ＰＡ６６にＰＡ６を加えることによって、ＰＡ６６単独の場合に比べて、ウォームホイール１２の耐久性能を向上できることがわかった。また図より、重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．１／０．９よりもＰＡ６を多くした場合に、ウォームホイール１２の耐久性能をとくに向上できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施例において、ウォームホイールの歯車本体を形成した複合樹脂中のＰＡ６の割合と、上記ウォームホイールを電動パワーステアリング装置に組み込んで正逆回転させた際に、破損に到ったサイクル数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｍ 電動モータ
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

Claims (5)

1. 歯面を有する歯車本体を備え、当該歯車本体を、ＰＡ６６の分子構造を有する部分と、ＰＡ６の分子構造を有する部分とを重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．９／０．１〜９５．０／５．０の範囲で含む複合樹脂にて形成したことを特徴とする歯車。
2. 複合樹脂として、ＰＡ６６とＰＡ６とのブレンドポリマーを用いた請求項１記載の歯車。
3. 複合樹脂として、ＰＡ６６とＰＡ６との共重合体を用いた請求項１記載の歯車。
4. 小歯車および大歯車を備え、かつ両歯車のうち少なくとも一方を、請求項１記載の歯車によって構成したことを特徴とする減速機。
5. 請求項４記載の減速機を備え、操舵補助用の電動モータの回転を、こ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。

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