JP2006327516A - 電動パワーステアリング用減速機 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂であるウォームホイールの歯に潤滑油との望ましい濡れ性を付与することで、減速機の伝達効率を高める電動パワーステアリング用減速機を提供する。
【解決手段】ウォーム減速機は一定の離隔距離をおいてかみ合う、ウォームと、樹脂からなるウォームホイール５とを備える。樹脂であるウォームホイール５に潤滑油を含有する超臨界流体を接触させた後、ウォームホイール５に浸透した潤滑油および超臨界流体のうち、超臨界流体のみを除去した表層１３を有するウォ−ムホイール５を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は樹脂製のウォームホイールの歯に潤滑油との望ましい濡れ性を付与する、超臨界二酸化炭素を用いる改質方法を適用することで、減速機の伝達効率を高める電動パワーステアリング用減速機に関する。

車輌操舵における乗員の負担を軽減するために多くの車輌で操舵系に操舵補助力を与える電動パワーステアリングが用いられる。ここで、使用される動力源である電動モータは多くの場合、減速機と共に用いられ、コラムアシスト式電動パワーステアリングでは電動モータに直結されるウォーム減速機が多用されている。

ところで、ウォーム減速機は互いの軸が離隔距離をおいてかみ合うウォームと、ウォームホイールとを備え、互いの歯がかみ合ってウォームと結ぶ駆動軸からウォームホイールと結ぶ被駆動軸に駆動力を伝達する。ウォーム減速機では歯のかみ合いが伝達効率と深く係わり、たとえばかみ合い位置の僅かな狂いが効率に大きな影響を与える。また、同時に、かみ合い中のウォームとウォームホイールとの接触面のすべりにより潤滑状態が悪化する。現状のウォーム減速機においては歯のかみ合いおよびその他の条件が良好であれば、９０％程度の効率が達成されている。

ウォーム減速機の効率に関与する条件の一つに潤滑油膜がある。潤滑油膜の存在は鋼製のウォームと樹脂製のウォームホイールとの組み合わせにおいて特に重要である。樹脂製のウォームホイールは、たとえばガラス繊維で強化されたポリアミド６６のような材料から製作される。このポリアミド６６からなるウォームホイールでは潤滑油を誤って選定した場合にはもともと濡れ性に恵まれないウォームホイールの歯面に潤滑油膜を保持できないことがある。

ところで、樹脂表面に望ましい濡れ性を付与する試みの一つに超臨界二酸化炭素を用いて樹脂表面を改質する方法がある（たとえば、特開２００１−１５８８２７号公報参照）。この改質方法は樹脂成形品をその樹脂のガラス転移温度未満の温度のもとで超臨界二酸化炭素または亞臨界二酸化炭素の中に浸漬させ、その後樹脂成形品の表面に付着した二酸化炭素をその樹脂のガラス転移温度未満の温度のもとで蒸発する手順を経て改質する方法である。この改質により樹脂成形品はその表面が極めてクリーンで、しかも活性化状態になる。
特開２００１−１５８８２７号公報

上記した改質方法は樹脂表面をクリーンで、しかも活性化状態にするのに一定の効果がある。しかしながら、減速機のギヤかみ合い部に欠かせない潤滑油との濡れ性を高めるにはこの方法は適切でない。すなわち、グリースの基油成分（たとえば、ポリα−オレフィン油）との濡れ性を改善するにはその基油成分の性質を踏まえて相応の改質方法を見出すことが望まれるが、そうした意図を持たない上記の樹脂表面の改質方法には自ずと限界があり、樹脂からなる歯面に潤滑油膜を保持する望ましい濡れ性を付与することは不可能である。

一段と減速機の伝達効率を高めようとするとき、潤滑油との濡れ性に劣る現状のウォームホイールでは要求に応じられず、望ましい濡れ性を保持するのに一層の改善が求められている。

本発明の目的は樹脂であるウォームホイールの歯に潤滑油との望ましい濡れ性を付与することで、減速機の伝達効率を高めるようにした電動パワーステアリング用減速機を提供することにある。

本発明による減速機は互いの軸が一定の離隔距離をおいてかみ合う、ウォームと、樹脂からなるウォームホイールとを備える電動パワーステアリング用減速機において、樹脂であるウォームホイールに潤滑油を含有する超臨界流体を接触させた後、ウォームホイールに浸透した潤滑油および超臨界流体のうち、超臨界流体のみをウォームホイールから除去したウォ−ムホイールを用いていることを特徴とする。

一般に、濡れ性は接触角という値で評価される。接触角は図４に示す固体と液体との間の界面張力γ_SL、固体と気体との間の表面張力γ_SG、気体と液体との間の表面張力γ_GLの３つの表面張力が釣り合ったとき、角度θによって表わされる。また、このとき、次の式が成立している。

γ_SG＝γ_SL＋γ_GLｃｏｓθ
固体表面に液滴が形成されるとき、接触角θは大きく、このとき、濡れ性は小さい。一方、固体表面に液滴が形成されず、固体表面に沿って液体が広がり、接触角θがゼロに近いとき、濡れ性は大きいという。

たとえば、ポリα−オレフィン油を含有する表層を有する試験片と、表層を持たない試験片とに同じポリα−オレフィン油を付着させ、ある時間をおいて濡れ性を調べた試験によれば、表層を有する試験片の接触角は１４．５度で、表層を持たない試験片の接触角は２０．３度という、値を得た。

この試験で得た接触角の相違からウォームホイールの歯面にポリα−オレフィン油を含有する表層を形成したとき、表層を有するウォームホイールは表層を持たないウォームホイールと比べて、濡れ性が一段と高くなり、より優れていると結論付けることができる。

濡れ性が伝達効率に関与する程度について本発明の表層を有する試験片と本発明の表層によらない、別の性質を付与した試験片とを比較した。別の性質とは潤滑油であるが、炭化水素系の油との濡れ性が劣るフッ素系潤滑油によって改質することを意味する。試験条件は入力回転数が１５４ｒｐｍである。トルクは２Ｎｍ、３Ｎｍおよび４Ｎｍの３条件で測定した結果である。

図５に示すように、ポリα−オレフィン油を含有する表層を有する試験片においては各トルクにおいて一定の伝達効率の上昇（最も大きい上昇割合で０．９％）が確認された。これに対し、フッ素を含有する表層を備える試験片においては伝達効率が低下する（最大低下割合で‐０．４６％）という、逆の結果が確認された。これは濡れ性が伝達効率に多大な影響を及ぼすことを端的に示すものといえる。

図６にエステル油（たとえば、ユニスターＨ−２８１Ｒ）を含有する表層を備える試験片について同じ入力回転数、同一トルクを負荷した状態での試験結果を示す。エステル油を含有する表層によった場合、各トルクにおいてポリα−オレフィン油と比べた効率上昇割合は小さい値であることが確認された。これにより、金属と凝集性がよく、潤滑特性に優れるエステル油を用いるよりも、基油と同じ成分を含む油を使用した方が効果が大きいことが判る。

このような改質処理に用いる超臨界流体は二酸化炭素以外に二酸化窒素、アンモニア、エタン、プロパン、エチレン等を使用することができる。

また、潤滑油はグリースの基油成分と同じポリα−オレフィン油が好ましいが、芳香族または脂肪族カルボン酸系エステル油、ポリフェニルエーテル油およびポリオールエステル油を使用してもよい。これらの潤滑油は濡れ性が伝達効率に関与する程度を調べた試験から実際に樹脂表面に適用する潤滑油と成分が同じものを選ぶことが肝要であると判明したので、それに従うのが望ましい。

このウォームホイールの歯面の改質は潤滑油を含有する超臨界流体を樹脂からなるウォームホイールに接触させた後、ウォームホイールに浸透した潤滑油および超臨界流体のうち、超臨界流体のみをウォームホイールから除去するようにする。

本発明によるウォーム減速機の一実施の形態について詳細に説明する。本発明に係る電動パワーステアリングはコラムアシスト式電動パワーステアリングである。図２に示すように、ステアリング装置はステアリングコラム１内に一対の軸受（図示せず）によって支承されるステアリングシャフト２を有し、ステアリングシャフト２と結び、操舵補助力を与えるために電動パワーステアリング装置３が設けられる。電動パワーステアリング装置３は後記の電動モータとモータ速度を操舵に適した速度に減速するウォーム減速機とを備える。

図３に示すように、ウォーム減速機は互いの軸が一定の離隔距離をおいてかみ合う、歯４ａを有するウォーム４と、多数の歯５ａを有するウォームホイール５とを備える。このウォーム４の歯４ａはら線状に刻設されている。また、ウォームホイール５の各々の歯５ａは同じピッチで外周部に刻設されている。ウォーム４は合金鋼からなり、ウォームホイール５はガラス繊維で強化されたポリアミド６６で構成されている。

このウォームホイール５の歯５ａには後に詳述される改質処理で潤滑油を含有する表層が形成される。ウォーム４とウォームホイール５とは共にハウジング６内に収容されている。ウォーム４はその両端がハウジング６内に設けられた第１軸受７と第２軸受８によって支承されている。また、ウォームホイール５は図示しない出力シャフトに固定されている。

さらに、ウォーム減速機はウォーム４を回転駆動する電動モータ９を有する。ウォーム４と同軸上に設けられるこの電動モータ９はハウジング６の開口１０に取り付けられる。電動モータ９はハウジング６内に延びる出力軸１１を有し、ウォーム４がこの出力軸１１と連結されている。なお、図において、符号１２は第２軸受８に合わせて取り付けられる、バックラッシュを調整するための予圧機構を示している。

本実施の形態のウォームホイール５はガラス繊維で強化されたポリアミド６６で構成される。このウォームホイール５の各々の歯５ａは、図1に示すように、超臨界二酸化炭素を用いる改質処理で潤滑油、たとえばポリα−オレフィン油を含有する表層１３を備える。この表層１３はポリα−オレフィン油を含有する超臨界二酸化炭素をウォームホイール２に接触させた後、ウォームホイール５に浸透したポリα−オレフィン油および超臨界二酸化炭素のうち、超臨界二酸化炭素のみを除去して形成される。

本実施の形態においてはウォームホイール５がポリα−オレフィン油を含有する表層１３を備えることで、表層を持たないウォームホイールと比べてポリα−オレフィン油と同一または類似する性質の潤滑油との濡れ性を高めることができる。濡れ性が伝達効率に関与する程度を調べた試験からこの濡れ性を高めたとき、トルクによっては伝達効率は１％弱上昇する。したがって、ウォーム減速機の伝達効率をより高めることができる。

ウォームホイールの改質処理は次の手順で行う。ウォームホイールは初めに浸漬処理に掛ける。この工程ではポリα−オレフィン油を含有する超臨界二酸化炭素の中にウォームホイールを漬ける。この工程を実施することで、ウォームホイール内部にポリα−オレフィン油と二酸化炭素とを浸透させることができる。処理温度は二酸化炭素の臨界温度以上であり、より好ましくは二酸化炭素の臨界温度以上で、かつウォームホイールを構成する材料（ポリアミド６６）のガラス転移温度未満である。

樹脂材料はガラス転移温度を超えると、分子主鎖のミクロブラウン運動が可能になるまで自由体積が増加し、超臨界状態の二酸化炭素は樹脂材料内部まで浸透し易くなる。こうした場合に樹脂中に予め添加されている熱安定剤等の各種添加剤が逆に抽出される可能性があり、物性が低下する虞が強まることで好ましくない。

また、この処理工程での圧力は二酸化炭素の臨界圧力以上に保持する。より好ましい高圧条件での処理では二酸化炭素の樹脂材料への浸透度合いも高くなり、改質効率が高まるので、好ましい。しかし、処理装置はその分高圧に耐えるものとしなければならず、処理装置の製作費用が嵩む。それゆえ、この工程での圧力は１０．１３Ｍｐａ〜３０．４Ｍｐａの範囲が適当である。なお、超臨界二酸化炭素中の潤滑油温度は二酸化炭素の超臨界状態において概ね飽和溶解度となるように調整する。

次に、ウォームホイールは蒸発除去処理に掛ける。この工程では蒸発除去装置内の温度を樹脂材料のガラス転移温度未満に保持し、しかる後二酸化炭素を徐々に抽出する。蒸発除去装置内の圧力をゆっくり下げて大気圧に戻す。これにより、ウォームホイール中に浸透したポリα−オレフィン油および二酸化炭素のうち、二酸化炭素だけが蒸発し、一方ポリα−オレフィン油はウォームホイール内部に留まる。

蒸発除去装置内の二酸化炭素が蒸発したとき、装置内はポリα−オレフィン油のみが残り、ウォームホイールがポリα−オレフィン油に浸漬した状態になる。工程の終わりでウォームホイールをポリα−オレフィン油から取り出す。

蒸発除去装置内の温度は樹脂材料のガラス転移温度未満であることが望ましい。これはガラス転移温度以上であると、ウォームホイール内部から二酸化炭素が抽出される際に発泡が生じる可能性が高くなるためである。

上記２つの工程を実施して歯表面にポリα−オレフィン油を含有しているウォームホイールを得ることができる。ポリα−オレフィン油はウォームホイールの歯表面域だけでなく、内部の比較的深層部にまで入り込む。もともと備わる自由体積にポリα−オレフィン油が存在することになり、油が外部に滲み出ることはない。したがって、長期にわたって改質効果を持続させることが可能である。この改質に伴う機械的強度の低下は実測によれば、認められない。

また、浸漬処理の前処理としてウォ−ムホイールを真空乾燥（たとえば、温度８０°C）状態で１０日程度放置すると、ウォームホイール内部の水分が蒸発し、その部分にポリα−オレフィン油が浸透することによりさらに濡れ性が良好になり、潤滑性をより向上することができる。また、これにより、吸水による寸法変化を抑制することが可能である。

本発明の減速機は車両操舵における操舵補助力を与える電動パワーステアリングに組み込みことにより減速機の伝達効率を高めるのに有用である。

本発明によるウォームホイールの要部を示す正面図である。 本発明のウォーム減速機を備える電動パワーステアリング装置を組み込んだステアリング装置の構成図である． 本発明によるウォーム減速機の構成図である。 一般的な濡れ性の評価の仕方を説明する模式図である。 本発明による濡れ性を高めた表層を有する試験片と、表層を持たない試験片との伝達効率上昇割合の比較を示すグラフである。 本発明による濡れ性を高めた表層を有する試験片と、表層を持たない試験片との伝達効率上昇割合の比較を示す別のグラフである。

符号の説明

１… ステアリングコラム
２… ステアリングシャフト
４… ウォーム
５… ウォームホイール
６… ハウジング
９… 電動モータ
１３… 表層

Claims (4)

1. 互いの軸が一定の離隔距離をおいてかみ合う、ウォームと、樹脂からなるウォームホイールとを備える電動パワーステアリング用減速機において、樹脂である前記ウォームホイールに潤滑油を含有する超臨界流体を接触させた後、前記ウォームホイールに浸透した潤滑油および超臨界流体のうち、超臨界流体のみを前記ウォームホイールから除去した前記ウォ−ムホイールを用いていることを特徴とする電動パワーステアリング用減速機。
2. 前記超臨界流体が超臨界二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載の電動パワーステアリング用減速機。
3. 前記潤滑油にウォ−ムとウォームホイールとのかみ合いの潤滑に用いるグリースの基油と同一成分が含まれていることを特徴とする請求項１または２記載の電動パワーステアリング用減速機。
4. 前記潤滑油に含まれる成分およびグリースの基油がポリα−オレフィン油、芳香族または脂肪族カルボン酸系エステル油、ポリフェニルエーテル油およびポリオールエステル油から選ばれた１種からなることを特徴とする請求項３記載の電動パワーステアリング用減速機。
   
   

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