JP2014137114A - ウォームホイール - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化や小型化のため、歯部の強度が向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイールを提供する。
【解決手段】金属製で環状の芯金２２と、前記芯金２２の外周に一体的に形成されて円周方向に等配に配置される複数の合成樹脂製歯部２３とからなるウォームホイール２１において、前記合成樹脂製歯部２３は、強化繊維を配合しない第１合成樹脂材料で成形された第１成形部２４と、強化繊維を配合した第２合成樹脂材料により、前記第１成形部と一体的に成形された第２成形部２５からなり、前記第２成形部２５は、前記第１成形部２４の内部に配置され、かつ前記芯金の半径方向に板状に延びて形成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、ウォームホイールに関するものである。

従来、自動車においては、操舵補助力発生用電動モータの回転をウォームとウォームホイール式減速装置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製ウォームホイールにはさらに高強度化や耐熱性、耐摩耗性の要求がある。そのため、特許文献１には、ウォームホイールの歯部を合成樹脂材料によって形成するが内部に金属板を挿入することにより、歯部の高強度化したウォームホイールが提案されている。

特開２００９−２９９８０５号公報

特許文献１のように、ウォームホイールの歯部に金属板を挿入して、高強度化することは、一時的に高強度化はできるが、歯部の合成樹脂と金属板の熱膨張率の差があることにより、使用環境においては、金属板と合成樹脂のエッジ部で応力集中が発生しやすく、また、金属板と合成樹脂では界面のなじみが少ないため、金属板と合成樹脂の界面で剥離が発生して耐久性が長期に渡って徐々に低下する問題がある。
この発明は、かかる背景のもとになされたものであり、歯部の強度が向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、金属製で環状の芯金と、前記芯金の外周に一体的に形成されて円周方向に等配に配置される複数の合成樹脂製歯部とからなるウォームホイールにおいて、前記合成樹脂製歯部は、強化繊維を配合しない第１合成樹脂材料で成形された第１成形部と、強化繊維を配合した第２合成樹脂材料により、前記第１成形部と一体的に成形された第２成形部からなり、前記第２成形部は、前記第１成形部の内部に配置され、かつ前記芯金の半径方向に板状に延びて形成されていることを要旨としている。

本発明によれば、合成樹脂製歯部は内部に強化繊維を配合して補強した第２成形部を板状に配置して、さらに、同程度の線膨張係数の合成樹脂で成形したため、熱膨張収縮による応力集中が発生せず、第１成形部と第２の成形部の界面での剥離の発生がなく、その結果、歯部の強度を向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイールを提供できる。

さらに、請求項２に記載の発明は、前記第２合成樹脂材料の強化繊維の流れ方向を前記芯金の半径方向としたことを要旨としている。即ち、合成樹脂材に配合する強化繊維の流れを芯金の半径方向にすることで円周方向の曲げ強度を向上することができ、歯部の強度を向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイールを提供できる。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記合成樹脂製歯部は、前記第２成形部を成形金型内に挿入した状態で、溶融した前記第１合成樹脂材料を注入することによりインサート成形したことを要旨としている。即ち、第１合成樹脂材料と第２合成樹脂材料は溶融温度が近い合成樹脂のため、成形時に第１成形部を成形する溶融状態の第１合成樹脂材料の接触により第２成形部の表面が溶融状態となり、第２成形部のエッジ部で溶融するためエッジ部の応力集中の発生がなくなるとともにお互いになじみやすいことで、界面での剥離の発生がなく、その結果、歯部の強度を向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイールを提供できる。

合成樹脂製歯部の内部に強化繊維を配合して高強度した第２成形部を板状に配置したことで、歯部の強度を向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイールを提供できる。

本発明の一実施形態に係るウォームホイールを適用した電動パワーステアリング装置の模式図 本発明の一実施形態に係るウォームホイールを適用した減速機構の断面図 本発明の一実施形態に係るウォームホイールの一部拡大断面図 本発明の一実施形態に係るウォームホイールの第２成形部の強化繊維の流れを示した模式図 本発明の一実施形態に係る第２成形部用の成形金型の断面図 本発明の一実施形態に係るウォームホイール用の成形金型の断面図

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、本発明のウォームホイールを適用した電動パワーステアリング装置の模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリングの構成と動作について説明する。電動パワーステアリング装置１は、運転手によって回転操作（操舵）されるステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を転舵する転舵機構４と、操舵を補助する操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と転舵機構４とは、ステアリングシャフト６および中間軸７等を介して機械的に連結されている。ステアリングホイール２の回転は、ステアリングシャフト６および中間軸７等を介して転舵機構４に伝達される。

ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された入力軸８と、中間軸７等を介して転舵機構４に連結された出力軸９とを含む。入力軸８と出力軸９とは、トーションバー１０を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。ステアリングホイール２に一定値以上の操舵トルクが入力されると、入力軸８および出力軸９は、互いに相対回転しつつ同一方向に回転する。ステアリングホイール２に入力された操舵トルクは、入力軸８および出力軸９の相対回転変位量に基づいてトルクセンサ１１によって検出される。トルクセンサ１１のトルク検出結果は、ＥＣＵ１２（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）に入力される。

転舵機構４は、例えばラックアンドピニオン機構である。転舵機構４は、ピニオン軸１３およびラック軸１４を備えている。ピニオン軸１３は、ステアリングシャフト６および中間軸７等を介してステアリングホイール２に連結されている。ピニオン軸１３には、ステアリングホイール２の回転が伝達される。ピニオン軸１３の先端（図１では下端）には、ピニオン１６が形成されている。

ラック軸１４は、車両の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１４の両端部には、それぞれタイロッド１５およびナックルアーム（図示せず）を介して転舵輪３が連結されている。ラック軸１４の軸方向の途中部には、ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によってラック軸１４の軸方向移動に変換される。ラック軸１４を軸方向に移動させることで、転舵輪３を転舵することができる。

操舵補助機構５は、電動モータ１８と、減速機構１９（動力伝達装置）とを備えている。電動モータ１８の出力は、減速機構１９を介して転舵機構４に伝達される。減速機構１９としては、ウォームギヤが用いられている。減速機構１９は、駆動ギヤとしてのウォーム２０と、このウォーム２０と噛み合う従動ギヤとしてのウォームホイール２１とを含む。

ウォーム２０は、図示しない動力伝達継手を介して電動モータ１８の回転軸（図示せず）に連結されている。また、ウォームホイール２１は、ステアリングシャフト６の出力軸９に同行回転可能に連結されている。ウォーム２０は、電動モータ１８によって回転駆動される。
電動モータ１８によってウォーム２０を回転させると、ウォーム２０の回転がウォームホイール２１に伝達され、ウォームホイール２１および出力軸９が同行回転する。そして、出力軸９とともにピニオン軸１３が回転し、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。

電動モータ１８は、トルクセンサ１１からのトルク検出結果や図示しない車速センサからの車速検出結果等に基づいて、ＥＣＵ１２によって制御される。電動モータ１８によってウォーム２０を回転駆動することで、運転者の操舵を補助することができる。

図２は、ウォームホイールを適用した減速機構の断面図であり、図３は、ウォームホイールの一部拡大断面図である。以下では、図２、図３を参照する。ウォームホイール２１は、図２に示すように、芯金２２と、複数の歯先面を有する合成樹脂製歯部２３とから構成されている。合成樹脂製歯部２３は第１成形部２４と、各合成樹脂製歯部２３を補強するための複数の第２成形部２５とを含む。

芯金２２は、環状であり、相対的に小径で筒状をなすボス部２７と、ボス部２７の外周から径方向外方に延びる円板状の端壁２８と、端壁２８の外周縁に沿って設けられ、ボス部２７および端壁２８を同軸的に取り囲む筒状の周壁２９とを含む。ボス部２７、端壁２８および周壁２９は、例えば単一の金属製材料で一体に形成されている。出力軸９は、ボス部２７の内周に嵌合（例えば圧入）され、同行回転可能に芯金２２に連結されている。また、図３に示すように、周壁２９の外周部には、複数の嵌合凹部３０が形成されている。複数の嵌合凹部３０は、芯金２２の周方向（図３においては概ね左右方向）に等間隔を隔てて配列されている。各嵌合凹部３０は、後述する歯面３３ｂの歯すじ方向Ｐ１に沿って延びており、周壁２９の一端２９ａから他端２９ｂにわたって形成されている。

合成樹脂製歯部２３は、筒状をなしている。合成樹脂製歯部２３は、芯金２２の外周を取り囲んでいる。芯金２２は、その一部がインサート成形により合成樹脂製歯部２３に埋設されている。これにより、芯金２２と合成樹脂製歯部２３とが結合されている。

合成樹脂製歯部２３は、円環状の環状部３２および環状部３２に円周方向に等配に設けられた複数の歯本体部３３で構成されている。各歯本体部３３は、合成樹脂製歯部２３の円周方向両側に歯面３３ｂを有する。第２成形部２５の外径側の一部は、歯本体部３３の一部を構成し、第２成形部２５の内径側の一部は、環状部３２の一部を構成する。第１成形部２４の外径側の一部、すなわち歯部の部分は、歯本体部３３の一部を構成し、第１成形部２４の内径側の一部、すなわち環状の部分は、環状部３２を構成する。

本実施形態に係る特徴は、大型化を伴わずにウォームホイール２１の合成樹脂製歯部２３の強度を向上させることができることである。合成樹脂製歯部２３について具体的に説明する。

複数の合成樹脂製歯部２３は、この実施形態において、樹脂成形後の歯切り工程において形成される。各歯本体部３３は、例えば斜歯（はす歯）とされている。また、各歯本体部３３は、斜歯に限らず直歯（すぐ歯）であってもよい。

第２成形部２５は、図４に示すように、それぞれ、芯金２２の半径方向および歯すじ方向Ｐ１に板状に延びて形成されている。その長さは、図２に示すように、長手方向に関する各第２成形部２５の長さが、合成樹脂製歯部２３の歯幅（歯すじ方向Ｐ１の長さ）よりもやや短くしている。また、図２および図３に示すように、各第２成形部２５は、その一部が嵌合凹部３０に嵌合されている。これにより、各第２成形部２５が芯金２２によって円周方向に位置決め保持されている。

各第２成形部２５は、図５の成形金型を使用して例えばインサート成形によって、芯金２２とともにその一部が嵌合凹部３０に嵌合される。これにより、芯金２２、第１成形部２４および複数の第２成形部２５が一体的に固定され、それぞれの相対位置が安定化されている。複数の第２成形部２５は、第１成形部２４の内部において、ウォームホイール２１の周方向に等間隔を隔てて配列されている。複数の第２成形部２５は、それぞれ複数の歯本体部３３に対応している。

図２に示すように、各第２成形部２５は、対応する歯面３３ｂの歯すじ方向Ｐ１に沿って延びている。また、各第２成形部２５は、芯金２２の嵌合凹部３０から歯本体部３３の一部にかけて芯金２２の半径方向に延びている。さらに、各第２成形部２５の歯横側面２５ｂは、対応する歯部２３の歯面２３ｂと対向するように対応する歯部２３の内部に配置されている。各歯本体部３３の内部には、その歯すじ方向Ｐ１の一端から他端に亘って対応する第２成形部２５の歯横側面２５ｂが進入している。これにより、各歯本体部３３がその歯すじ方向Ｐ１の一端から他端にわたって補強されている。したがって、各合成樹脂製歯部２３の全体が対応する第２成形部２５によって補強されている。各歯本体部３３の内部への第２成形部２５の進入量Ａ１（図２および図３参照）は、例えば歯すじ方向Ｐ１にわたって一定としている。

第２成形部２５の形成工程では、図５に示されるように、第２成形部用の金型４０は、上型４０ａと、下型４０ｂとからなり、上型４０ａおよび下型４０ｂ間に、芯金２２を収容するキャビティと、第２成形部２５を形成するキャビティ４０ｆと、断面円形で環状のキャビティ４０ｄと、キャビティ４０ｆおよびキャビティ４０ｄを繋ぐキャビティ４０ｅが形成されている。上型４０ａには、ゲートと、ゲートおよびキャビティ４０ｄを繋ぐキャビティ４０ｃが形成されている。

射出成形では、溶融した樹脂を金型４０のゲートに注入することで、金型４０a、４０ｂで形成されるキャビティ４０ｄ、４０e、４０ｆ内に樹脂が流入する。そして、芯金２２の周壁２９の外周面の周囲に樹脂が充填される。このとき、芯金２２の嵌合凹部３０内に樹脂が入り込む。そのときに、図４に示すように強化繊維の流れはキャビティ４０ｄ、４０eで層状に配向されて、キャビティ４０ｆ内で芯金２２の半径方向に整列される。その後、保圧処理及び冷却処理を経て芯金２２の外周に第２成形部２５が形成される。

第１成形部２４の形成工程では、図６に示されるように、第１成形部用の金型５０は、上型５０ａと、下型５０ｂとからなり、上型５０ａおよび下型５０ｂ間に、芯金２２を収容するキャビティと、第１成形部２４を形成するキャビティ５０ｄが形成されている。上型５０ａには、ゲートと、ゲートおよびキャビティ５０ｄを繋ぐキャビティ５０ｃが形成されている。

第１成形部２４の射出成形でも同様に、溶融した樹脂を金型５０のゲートに注入することで、金型５０a、５０ｂで形成されるキャビティ５０ｃ、５０ｄ内に樹脂が流入する。そして、芯金２２の周壁２９の外周面および、第２成形部２５の周囲に樹脂が充填される。その後、保圧処理及び冷却処理を経て芯金２２および第２成形部２５の外周に第１成形部２４が形成される。

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２１の合成樹脂製歯部２３の材料としてナイロン系（ポリアミド）、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料を用いてもよい。また、ウォームホイール２１の第２成形部２５の材料である第２合成樹脂材料に強化繊維としては、一般的なガラス繊維があるがその他に、炭素繊維、ウォームホイールに噛み合うウォームの摩耗を防止する上でチタン酸カリウムウィスカーやアラミド繊維等とする場合もある。

以上のように本実施形態では、複数の第２成形部２５によって合成樹脂製歯部２３の全体が補強されているので、合成樹脂製歯部２３の一部に加わる集中的な荷重を当該合成樹脂製歯部２３全体に分散させることができる。これにより、合成樹脂製歯部２３の一部に応力が集中することを抑制または防止することができる。したがって、ウォームホイール２１の合成樹脂製歯部２３の強度を一層向上させることができる。

さらに、合成樹脂製歯部２３は強化繊維を配合して高強度した第２成形部２５を第１成形部２４の内部に芯金２２の半径方向に配置して合成樹脂製歯部２３を高強度化して、さらに、各第２成形部２５の第２合成樹脂材料と第１成形部２４の第１合成樹脂材料は同程度の線膨張係数の合成樹脂のため、熱膨張収縮による応力集中が発生せず、第１成形部２４と第２成形部２５の界面での剥離の発生がなく、その結果、合成樹脂製歯部２３の強度を向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイール２１を提供できる。

また、第２成形部２５は、合成樹脂材料が強化繊維を配合し、強化繊維の流れを半径方向とした第２合成樹脂材料である。すなわち、応力が大きい歯元を効果的に補強して、かつ合成樹脂材に配合する強化繊維の流れを芯金２２の半径方向にすることで円周方向の曲げ強度を向上することができ、合成樹脂製歯部２３の強度を向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイール２１を提供できる。

さらに、合成樹脂製歯部２３は、第２成形部２５を第１合成樹脂材料に強化繊維を配合した第２合成樹脂材料で芯金２２の周壁２９の外周に一体的に形成して、該第２成形部２５が外周に一体的に形成された芯金２２を成形型内に挿入した状態で、溶融した第１合成樹脂材料を注入することによりインサート成形している。そのため、第１合成樹脂材料と第２合成樹脂材料が溶融温度の近い合成樹脂のため、成形時に第１成形部２４と第２成形部２５の界面で溶融してエッジ部で応力集中の発生がなくなるとともにお互いになじみやすいことで、界面での剥離の発生がなく、その結果、合成樹脂製歯部２３の強度を向上し、かつ耐久性の優れた合成樹脂製ウォームホイール２１を提供できる。

１…電動パワーステアリング装置（車両用操舵装置）、３…転舵機構、１８…電動モータ、１９…減速機構（動力伝達機構）、２０…ウォーム、２１…ウォームホイール、２２…芯金、２３…合成樹脂製歯部、２４…第１成形部、２５…第２成形部、２５ｂ…第２成形部の一部、２６…歯部形成面、３１…傾斜面、３３…歯本体部、３３ｂ…歯面、３５…圧入溝、１９…減速機構（動力伝達機構）、Ｐ１…歯すじ方向

Claims (3)

1. 金属製で環状の芯金と、前記芯金の外周に一体的に形成されて円周方向に等配に配置される複数の合成樹脂製歯部とからなるウォームホイールにおいて、前記合成樹脂製歯部は、強化繊維を配合しない第１合成樹脂材料で成形された第１成形部と、強化繊維を配合した第２合成樹脂材料により、前記第１成形部と一体的に成形された第２成形部からなり、前記第２成形部は、前記第１成形部の内部に配置され、かつ前記芯金の半径方向に板状に延びて形成されていることを特徴とするウォームホイール
2. 前記第２合成樹脂材料の強化繊維の流れ方向を前記芯金の半径方向としたことを特徴とする請求項１に記載されたウォームホイール
3. 前記合成樹脂製歯部は、前記第２成形部を成形金型内に挿入した状態で、溶融した前記第１合成樹脂材料を注入することによりインサート成形したものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のウォームホイール

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