JP2006194296A - 複合ギヤおよびその製造方法、並びに複合ギヤを含む電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属および樹脂で形成された耐久性に優れた複合ギヤを提供すること。
【解決手段】ウォームホイール１９は、環状の金属製のコア部４０とコア部４０の外周に嵌合されたリム部５０とを備える。リム部５０は、ポリフェニレンスルフィドをベースレジンとする材料の押出成形品からなる。リム部５０の内周５２に、コア部４０の外周４２のローレット４３の凹部４３ａに嵌合する凸部５３を設ける。リム部５０のための製造用中間体の内周にコア部４０を圧入した後に、コア部４０を加熱して製造用中間体の内周の一部を溶融させ、コア部４０の凹部４３ａ内に入り込んだ凸部５３を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、金属製のコア部および樹脂製のリム部を備える複合ギヤとその製造方法に関し、また複合ギヤを含む電動パワーステアリング装置に関するものである。

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ている。例えばコラム型ＥＰＳでは、モータの回転力をウォーム等の駆動ギヤに伝え、さらにウォームホイール等の従動ギヤに伝えることでモータの回転を減速してモータの出力を増幅し、ステアリング操作をトルクアシストするようにしている。
ところで、駆動ギヤ及び従動ギヤの噛み合いには適度なバックラッシが必要であるが、例えば石畳み等の悪路を走行した場合、タイヤからの反力により上記のバックラッシに起因した歯打ち音を発生したり、軸受その他のクリアランスを有する部品がラトル音を発生する場合がある。これらの音が車室内に騒音として伝わると、運転者に不快感を与えることになる。

そこで、通例、従動ギヤとして、環状の金属製のコア部と、このコア部を金型内にインサートして射出成形されたポリアミド樹脂製のリム部とを備え、リム部の外周に歯部を形成する複合ギヤが用いられる（例えば特許文献１参照。）。
一方、遠心成形されたポリアミド樹脂（ＭＣナイロン）製のリム部の内周に、金属製のコア部を圧入した後、高周波加熱により両者を固着一体化するウォームホイールが提供されている（例えば特許文献２参照）。

他方、樹脂製のリム部の圧入孔に金属製のコア部を圧入した後、コア部の一部をリム部にかしめ付けて、両者の結合強度を高める歯車が提供されている（例えば特許文献３参照）。
特開平１１−３０１５０１号公報 特開２００４−２０４９０２号公報 実用新案登録第２６０６３２８号公報

しかしながら、特許文献１，２では、ポリアミド樹脂の吸水による寸法変化が大きいという問題がある。
また、近年、電動パワーステアリング装置の高出力化の要請があり、そのために、従動ギヤとして、高温環境下においてコア部とリム部との連結強度の向上が要望されている。これに対して、特許文献２のように単に加熱融着するだけや、特許文献３のように単にかしめる程度では、コア部とリム部の結合強度が充分でない。

そこで、本発明の課題は、耐久性に優れた複合ギヤおよびその製造方法、並びに複合ギヤを含む電動パワーステアリング装置を提供することである。

本願発明者は、耐熱性に優れ吸水による寸法変化の小さいポリフェニレンスルフィドをベースレジンとする材料をリム部に用いることを考えた。ポリフェニレンスルフィドを含む材料において、所要の靱性を確保するためには、ポリフェニレンスルフィドの数平均分子量を例えば１００００以上とするように高くする必要がある。しかしながら、このように分子量が高くなると、上記の材料の溶融時の粘度が高くなり流動性が悪くなる。このため、上記の材料を用いて射出成形するときに、成形不良を生ずるおそれがある。

そこで、本発明は、環状の金属製のコア部と、このコア部の外周に嵌合され外周に歯を有する環状のリム部とを備え、このリム部はポリフェニレンスルフィドをベースレジンとする材料の押出成形品からなり、上記コア部の外周はリム部を結合するための凹部を含み、上記リム部の内周は、上記凹部に加熱融着された凸部を含むことを特徴とする複合ギヤを提供するものである。

本発明によれば、リム部を押出成形品としたので、射出成形が困難であるような高い分子量のポリフェニレンスルフィドをベースレジンとして用いることができ、結果として、リム部として必要な靱性を確保することができ、疲労強度が向上する。また、ポリフェニレンスルフィドであれば、上記した如く耐熱性に優れ、また、吸水による寸法変化も少ない。

射出成形では、成形時のボイドを回避するために成形品の厚みをあまり厚くすることができなかったが、押出成形品からなるリム部であれば、そのような制限を受けずに厚肉にすることが可能となる。したがって、歯打ち音による騒音を低減することができる。また、耐久性を格段に向上することができ、高出力の伝達にも耐えることができる。
逆にいうと、靱性、疲労強度が向上するので、従来よりも小型軽量のギヤを用いても、従来と同等の出力を伝達し同等の耐久性を達成することができる。

上記ポリフェニレンスルフィドは、数平均分子量が１００００〜２００００ｇ／ｍｏｌである直鎖型ポリフェニレンスルフィドであれば好ましい。数平均分子量が１００００以上であれば、例えば減速ギヤとして用いる場合に必要な靱性を確保することができる。
ポリフェニレンスルフィドをベースレジンとする材料を押出成形してリム部の製造用中間体を成形する工程と、上記製造用中間体の内周に金属製のコア部を圧入する工程と、製造用中間体の内周に圧入されたコア部を加熱して製造用中間体の内周にコア部の外周の凹部に加熱融着された凸部を形成する工程とを含むことを特徴とする、複合ギヤの製造方法を提供するものである。

本製造方法によれば、金属製のコア部の圧入後に、加熱融着を用いてコア部とリム部とを凹凸嵌合させるので、コア部とリム部を強固に結合することができる。
ウォームおよび上記複合ギヤとしてのウォームホイールを含む伝動装置を介して、電動モータの動力を操舵機構に伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置であれば、高出力化されても、耐久性に優れる。したがって、本電動パワーステアリング装置を例えば２リッター以上の排気量の車両に適用することが可能となる。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態の電動パワーステアリング装置の模式的断面図である。図１を参照して、本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等の操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結される中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されるピニオン軸７と、ピニオン軸７の端部近傍に設けられたピニオン歯７ａに噛み合うラック歯８ａを有して自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラックバー８とを有している。ピニオン軸７およびラックバー８により、ラックアンドピニオン機構からなる操舵機構Ａが構成されている。

ラックバー８は車体に固定されるハウジング９内に図示しない複数の軸受を介して直線往復動自在に支持されている。ラックバー８の両端部はハウジング９の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド１０が結合されている。各タイロッド１０は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する車輪１１に連結されている。
操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン歯７ａおよびラック歯８ａによって、自動車の左右方向に沿ってのラックバー８の直線運動に変換される。これにより、車輪１１の転舵が達成される。

ピニオン軸７は、操舵部材２に連なる入力側のアッパーシャフト７１と、ピニオン７ａを設ける出力側のロアーシャフト７２とに分割されており、これらアッパーおよびロアーシャフト７１，７２はトーションバー１２を介して同一の軸線上で相対回転可能に互いに連結されている。
トーションバー１２を介するアッパーシャフト７１およびロアーシャフト７２間の相対回転変位量により操舵トルクを検出するトルクセンサ１３が設けられており、このトルクセンサ１３のトルク検出結果は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit ：電子制御ユニット）１４に与えられる。ＥＣＵ１４では、トルク検出結果や図示しない車速センサから与えられる車速検出結果等に基づいて、駆動回路１５を介して操舵補助用の電動モータ１６を駆動制御する。電動モータ１６の出力回転が伝動装置としての減速機１７を介して減速されてピニオン軸７のロアーシャフト７２に伝達され、ラックバー８の直線運動に変換されて、操舵が補助される。

減速機１７は、電動モータ１６により回転駆動される駆動ギヤとしてのウォーム軸１８と、このウォーム軸１８に噛み合うと共にピニオン軸７のロアーシャフト７２に一体回転可能に連結される複合ギヤ（従動ギヤ）としてのウォームホイール１９を備える。
ピニオン軸７を収容するハウジング２０は、互いに嵌め合わされるセンサハウジング２１およびギヤハウジング２２を含む。ピニオン軸７のロアーシャフト７２は、ウォームホイール１９を挟んだ両側で軸受２３，２４を介して回転自在に支持されている。軸受２３はセンサハウジング２１に保持され、軸受２４はギヤハウジング２２に保持されている。軸受２３，２４は例えば玉軸受からなる。

図２を参照して、ウォーム軸１８は電動モータ１６の出力軸２５と同軸上に配置される。ウォーム軸１８は、その軸長方向に離隔する第１および第２の端部１８ａ，１８ｂを有し、第１および第２の端部１８ａ，１８ｂ間の中間部に歯部１８ｃを有する。
ウォーム軸１８の第１の端部１８ａに設けられた連結部１８ｄと電動モータ１６の出力軸２５の対向する端部とは、例えばセレーション嵌合を用いる継手２６を介して同軸上に動力伝達可能に連結されている。

ウォーム軸１８の第１および第２の端部１８ａ，１８ｂは、対応する第１および第２の軸受２７，２８をそれぞれ介してギヤハウジング２２により回転自在に支持されている。第１および第２の軸受２７，２８は例えば玉軸受からなる。
第１および第２の軸受２７，２８の内輪２９，３０が、ウォーム軸１８の第１および第２の端部１８ａ，１８ｂに一体回転可能に嵌合されている。各内輪２９，３０はそれぞれウォーム軸１８の対応する互いに逆向きの位置決め段部に当接している。第１および第２の軸受２７，２８の外輪３１，３２は、ギヤハウジング２２の対応する軸受保持孔３３，３４に回転不能に保持されている。

軸受保持孔３３に連なるねじ孔３５にはねじ部材３６がねじ込まれ、ねじ部材３６が第１の軸受２７の外輪３１の端面に当接することにより、第１の軸受２７をウォーム軸１８の軸方向に位置決めしている。ねじ部材３６はロックナット３７によって止定されている。
図１および図２を参照して、複合ギヤ（従動ギヤ）としてのウォームホイール１９は、ピニオン軸７のロアーシャフト７２の軸方向中間部に一体回転可能に且つ軸方向移動不能に連結されている。ウォームホイール１９は、ロアーシャフト７２に一体回転可能に結合される環状の金属製のコア部４０と、コア部４０の外周に嵌合された環状のリム部５０とを備える。

図３を参照して、コア部４０は、ピニオン軸７のロアーシャフト７２を嵌合させるための中心孔としての嵌合孔４１を備える。金属製のコア部４０の外周４２には、リム部５０の相対回転を防止し、且つリム部５０がコア部４０から軸方向に抜脱するのを防止するためのローレット４３が施されている。ローレット４３は凹部４３ａを含む。
リム部５０の外周には、複数の歯部５１が形成され、リム部５０の内周５２には、コア部４０の上記凹部４３ａ内に入り込んで加熱融着された凸部５３が形成されている。これらローレット４３の凹部４３ａと凸部５３との嵌合により、コア部４０とリム部５０の相対回転が規制され、また、コア部４０からリム部５０が軸方向に抜脱することが規制される。

リム部５０は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）をベースレジンとする材料の押出成形品からなる。ポリフェニレンスルフィドは、数平均分子量が１００００〜２００００ｇ／ｍｏｌである直鎖型ポリフェニレンスルフィドを含む。数平均分子量が１００００以上であれば、電動パワーステアリング装置用の減速ギヤとして必要な靱性を確保することができる。また、数平均分子量が２００００ｇ／ｍｏｌを超えると、押出成形における押出性が悪く、成形コストの増大、物性低下等の問題が生じるという不具合があるので、数平均分子量を上記の範囲に設定した。

次いで、図４（ａ），（ｂ）を参照して、上記の複合ギヤ（減速ギア）としてのウォームホイール１９を製造する方法について説明する。
まず、ポリフェニレンスルフィドをベースレジンとする材料を押出成形して図４（ａ）に示すようなリム部５０のための製造用中間体６０を成形する。製造用中間体６０の外周には歯部５１が形成されており、製造用中間体６０の内周６２は円筒面である。

この製造用中間体６０の内周６２に、図４（ｂ）に示すように金属製のコア部４０を圧入する。コア部４０の外周４２が製造用中間体６０の内周６２に嵌め合わされた状態で、ローレット部４３の凹部４３ａと製造用中間体６０の内周６２との間は空間Ｓ１となっている。図示していないが、実際には、図４（ｂ）に示すようにコア部４０が圧入された状態では、製造用中間体６０の内周６２がローレット４３の凹部４３ａ内に若干食い込んでいる。

次いで、製造用中間体６０に圧入されたコア部４０に、図５に示すように熱板８０を押し当てるか、或いは高周波加熱により、コア部４０を加熱することにより、コア部４０のローレット部４３の凹部４３ａに製造用中間体６０の内周６２を加熱融着する。これにより、図６に示すように、コア部４０のローレット部４３の凹部４３ａに加熱融着された凸部５３を形成し、コア部４０とリム部５０を強固に結合させて、図３に示すようなウォームホイール１９を得る。

本実施の形態によれば、リム部５０を押出成形品としたので、射出成形が困難であるような高い分子量のポリフェニレンスルフィドをベースレジンとして用いることができ、結果として、リム部５０として必要な靱性を確保することができ、疲労強度が向上する。また、ポリフェニレンスルフィドであれば、上記の如く耐熱性に優れ、また、吸水による寸法変化も少ない。

特に、リム部５０の製造用中間体６０の内周に金属製のコア部４０を圧入した後に、コア部４０を加熱することにより、リム部５０の内周の一部をコア部４０の外周の凹部４３ａ内に加熱融着させる。これにより、金属製のコア部４０の圧入後に、加熱融着を用いてコア部４０とリム部５０の所定部を凹凸嵌合させるので、コア部４０とリム部５０を強固に一体化することが可能となった。

従来の射出成形では、射出成形時のボイドを回避するために射出成形品の厚みをあまり厚くすることができなかったが、押出成形品からなるリム部５０であれば、そのような制限を受けずに厚肉にすることが可能となる。したがって、樹脂による緩衝効果を高めて歯打ち音による騒音を低減することができる。また、耐久性を格段に向上することができ、高出力の伝達にも耐えることができる。

逆にいうと、靱性、疲労強度の向上を含めてウォームホイール１９を高強度化できるので、同じトルクを伝達する場合には、ウォームホイール１９を小径化したり等、小型・軽量化することが可能となる。また、ウォームホイール１９のギヤモジュールを小さくすることで、減速比を大きくすることもでき、これにより、ひいては、電動モータ１６の低出力化が可能となり、コストダウンにつながる。

また、上記のウォームホイール１９を含む減速機１７を介して電動モータ１６の動力を操舵機構Ａに伝達して操舵補助する電動パワーステアリング装置１であれば、高出力化されても、耐久性に優れる。したがって、本電動パワーステアリング装置１を例えば２リッター以上の排気量で高馬力の車両に適用することが可能となる。
次いで、図７は本発明の別の実施の形態を示している。図７を参照して、本実施の形態のウォームホイール１９Ａでは、コア部４０Ａの外周４２にインボリュートのスプライン４４が形成されている。図８に示すように、スプライン４４はコア部４０Ａの軸方向に延びるスプライン歯４５をコア部４０Ａの周方向に等間隔で配列し、隣接するスプライン歯４５，４５間にスプライン溝からなる凹部４６を形成している。一方、リム部５０の内周は、コア部４０Ａの各凹部４６内に加熱融着された凸部５４を含む。この凸部５４は、コア部４０Ａとリム部５０Ａの相対回転を規制する働きをする。

再び図７を参照して、コア部４０Ａの各スプライン歯４５の歯すじ方向の両端部には、面取りにより凹部４７が設けられており、リム部５０Ａの内周５２には、上記凹部４７に加熱融着された凸部５５が形成されている。これらの凸部５５は、コア部４０Ａとリム部５０Ａの軸方向相対移動を規制する。すなわち、凸部５５はコア部４０からリム部５０Ａが抜脱するのを防止する。本実施の形態においても、凸部５４，５５はリム部５０Ａの製造用中間体にコア部４０Ａを圧入した後の加熱融着により形成される。

図９は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図９を参照して、本実施の形態のウォームホイール１９Ｂが図７の実施の形態のウォームホイール１９Ａと異なるのは、上記の凸部５５と凹部４７の嵌合に代えて、リム部５０Ｂの断面台形形状の一対の凸部５５Ｂがコア部４０Ｂのスプライン歯４５Ｂの一対の端部の凹部４７Ｂにそれぞれ楔状に嵌合するようにした点である。本実施の形態では、リム部５０Ｂがコア部４０Ｂの径方向外方へ抜脱することも防止される。

次いで、図１０は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図１０を参照して、本実施の形態のウォームホイール１９Ｃが図９の実施の形態のウォームホイール１９Ｂと異なるのは下記である。すなわち、図９の実施の形態では、コア部４０Ｂのスプライン歯４５Ｂの両端に凹部４７Ｂを形成していたが、これに代えて、図１０の実施の形態では、コア部４０Ｃのスプライン歯４５Ｃの歯すじ方向の中央部に凹部４７Ｃを設け、この凹部４７Ｃにリム部５０Ｃの凸部５５Ｃが加熱融着されるようにした点である。凹部４７Ｃと凸部５５Ｃの嵌合により、コア部４０Ｃからのリム部５０Ｃの軸方向の抜脱を防止する。

次いで、図１１は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図１１を参照して、本実施の形態のウォームホイール１９Ｄでは、コア部４０Ｄの外周４２に、周方向に等間隔で配置された複数の凹部としての凹溝４７Ｄを設けた。これらの凹溝４７Ｄは、図１２に示すように、コア部４０Ｄの軸方向に長く延び、各凹溝４７Ｄはその長手方向に有端である。すわなち、各凹溝４７Ｄの両端は閉塞されている。一方、リム部５０Ｄは各凹溝４７Ｄに加熱融着された凸部５５Ｄを備える。凹部４７Ｄと凸部５５Ｄとの嵌合により、コア部４０Ｄとリム部５０Ｄの周方向および軸方向の相対移動が防止される。

本発明の一実施の形態のウォームホイールを用いた電動パワーステアリング装置の模式的断面図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 ウォームホイールの要部の断面図である。 ウォームホイールの製造工程における圧入工程を示す、製造用中間体およびコア部の概略断面図である。 ウォームホイールの製造工程における加熱融着工程を示す、製造用中間体およびコア部の概略断面図である。 コア部とリム部の要部の拡大断面図であり、コア部の凹部とこれに加熱融着されたリム部の凸部を示している。 本発明の別の実施の形態のウォームホイールの概略断面図である。 図７のウォームホイールの要部の断面図であり、コア部の凹部とこれに加熱融着されたリム部の凸部を示している。 本発明のさらに別の実施の形態のウォームホイールの概略断面図である。 本発明のさらに別の実施の形態のウォームホイールの概略断面図である。 本発明のさらに別の実施の形態のウォームホイールの概略断面図である。 図１１のウォームホイールのコア部の外周の要部の斜視図である。

符号の説明

１…電動パワーステアリング装置、２…操舵部材、３…ステアリングシャフト、５…中間軸、７…ピニオン軸、７１…アッパーシャフト、７２…ロアーシャフト、７ａ…ピニオン歯、８…ラックバー、８ａ…ラック歯、Ａ…操舵機構、１１…車輪、１３…トルクセンサ、１４…ＥＣＵ、１６…電動モータ、１７…減速機、１８…ウォーム軸、１９…ウォームホイール、４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…コア部、４１…嵌合孔、４２…外周、４３…ローレット、４３ａ…凹部、４４…スプライン、４５，４５Ｂ，４５Ｃ…スプライン歯、４６…スプライン溝（凹部）、４７，４７Ｂ，４７Ｃ…凹部、５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ…リム部、５１…歯部、５２…内周、５３…凸部、５４…凸部、５５，５５Ｂ，５５Ｃ…凸部

Claims (4)

1. 環状の金属製のコア部と、このコア部の外周に嵌合され外周に歯を有する環状のリム部とを備え、このリム部はポリフェニレンスルフィドをベースレジンとする材料の押出成形品からなり、
   上記コア部の外周はリム部を結合するための凹部を含み、
   上記リム部の内周は上記凹部に加熱融着された凸部を含むことを特徴とする複合ギヤ。
2. 請求項１において、上記ポリフェニレンスルフィドは、数平均分子量が１００００〜２００００ｇ／ｍｏｌである直鎖型ポリフェニレンスルフィドである複合ギヤ。
3. ポリフェニレンスルフィドをベースレジンとする材料を押出成形してリム部の製造用中間体を成形する工程と、上記製造用中間体の内周に金属製のコア部を圧入する工程と、製造用中間体の内周に圧入されたコア部を加熱して製造用中間体の内周にコア部の外周の凹部に加熱融着された凸部を形成する工程とを含む、複合ギヤの製造方法。
4. ウォームおよび請求項１又は２記載の複合ギヤとしてのウォームホイールを含む伝動装置を介して、電動モータの動力を操舵機構に伝達して操舵補助す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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