JP4269589B2

JP4269589B2 - 電動パワーステアリング装置用減速ギア

Info

Publication number: JP4269589B2
Application number: JP2002219682A
Authority: JP
Inventors: 俊一矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2022-07-29
Also published as: JP2004060759A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置には、電動モータに比較的高回転、低トルクのものが使用されるため、電動モータとステアリングシャフトとの間に減速機構が組み込まれている。減速機構としては、一組で大きな減速比が得られる等の理由から、図１に示されるような、電動モータ（図示せず）の回転軸に連結するウォーム１２と、ウォーム１２に噛み合うウォームホイール１１とから構成される電動パワーステアリング装置用減速ギア２０（以下、単に「減速ギア」ともいう）が使用されるのが一般的である。
【０００３】
このような減速ギア２０では、ウォームホイール１１とウォーム１２の両方を金属製にすると、ハンドル操作時に歯打ち音や振動音等の不快音が発生するという不具合を生じていた。そこで、ウォームホイール１１に、金属製の芯管１の外周に、樹脂製で外周面にギア歯１０を形成してなる樹脂部３を一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。
【０００４】
上記樹脂部３には、例えば特公平６−６０６７４号公報に記載されているような、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等のベース樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の強化材を配合した材料の他、強化材を含有しないＭＣ（モノマーキャスト）ナイロン、ポリアミド６、ポリアミド６６等の材料が提案されている。しかし、耐疲労性、寸法安定性、コスト等を考慮して、補強材を含有しないＭＣナイロン、ガラス繊維を含有したポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６等が現在では主流になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
減速ギアでは、動力の円滑な伝達のために、ウォームホイール１１及びウォーム１２の両ギア歯は高精度に切削加工されており、更に搭載後もその形状を維持しなければならない。しかし、上記のポリアミド系材料は、耐疲労性に優れるものの、吸水性が高く、水分を吸収してウォームホイール１１のギア歯１０が膨潤し、初期にウォーム１２との間に存在していた隙間が無くなったり、更に膨潤するとウォーム１２を圧迫する可能性もある。それによって、ギアの抵抗が重くなって、結果としてハンドルが重くなったり、また圧迫によってギア部が摩耗や損傷を起こし、装置全体として機能しなくなることも想定される。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特にウォームホイールの樹脂部の耐熱性や機械的強度、寸法安定性を改善し、耐久性に優れる電動パワーステアリング用減速ギアを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の、操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、金属製芯管の外周に、ポリアミド樹脂７５〜９７重量％と不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂３〜２５重量％との混合物をベース樹脂とし、繊維状補強材を樹脂組成物全量の１０〜３０重量％の割合で含有する樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体化してなる歯車を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギアにより達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
【０００９】
本発明の減速ギアは、金属製の芯管の外周に、樹脂製でその外周端面にギア歯を形成した樹脂部を一体化したウォームホイールを備える。このような構成自体は、図１に示したような、芯管１と樹脂部３とを一体化した従来のウォームホイール１１と同様である。また、ウォーム１２には制限はなく、従来と同様に金属製とすることができる。
【００１０】
但し、樹脂部３を形成するベース樹脂を、ポリアミド樹脂と、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂との混合樹脂とする。尚、ポリアミド樹脂としては、従来と同様に、ポリアミド６、ポリアミド６６及びポリアミド４６等から適宜選択される。
【００１１】
一方、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂としては、エチレンまたはプロピレンを主たる構成成分とする共重合体と、不飽和カルボン酸またはその誘導体との共重合物、並びにエチレンまたはプロピレンを主たる構成成分とするオレフィンの重合体と、不飽和カルボン酸またはその誘導体とのグラフト重合物が好ましい。
【００１２】
上記共重合物における共重合体としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレンーエチルアクリル酸共重合体等を好適に挙げることができる。また、不飽和カルボン酸またはその誘導体としては、アクリル酸、メタクリル酸、メチルメタクリル酸、酢酸ビニル、グリシジルメタクリレート等を好適に挙げることができる。尚、不飽和カルボン酸またはその誘導体は、共重合物全量に対して４０モル％以下の割合であることが好ましく、４０モル％を超えると不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂全体として極性が高くなりすぎてポリアミド樹脂との相溶性が低下し、好ましくない。
【００１３】
また、上記グラフト重合体におけるオレフィンの重合体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン−１共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体等を好適に挙げることができる。また、不飽和カルボン酸またはその誘導体としては、アクリル酸、メタクリル酸、エタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、あるいはこれらの酸無水物またはエステル等を好適に例示でき、中でも無水マレイン酸が反応性が高いことから好ましい。尚、不飽和カルボン酸またはその誘導体のグラフト量としては、オレフィンの重合体１００重量％に対して０．０５〜２重量％、好ましくは０．２〜１．５重量％の割合とすることが望ましい。不飽和カルボン酸またはその誘導体のグラフト量が０．０５重量％未満では、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂全体として極性が低くすぎてポリアミド樹脂との相溶性があまり良くないのに加え、ポリアミド樹脂のアミド結合に対する相互作用も弱くなり、特にベース樹脂に占める割合が多くなった場合に機械的強度が低下するおそれがある。また、不飽和カルボン酸またはその誘導体のグラフト量が２重量％を超える場合には、重合時に有機化酸化物等を添加して反応効率を上げても製造するのが難しく、実用性が低い。
【００１４】
また、上記の不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂は、ポリアミド樹脂のアミド結合との相互作用を考慮すると、変性部分の官能基はカルボキシル基あるいは、容易に水分の付加で２つのカルボキシル基に反応する酸無水物からなる基であることが好ましい。
【００１５】
本発明では、耐疲労性に優れるポリアミド樹脂と、殆ど吸水しない不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂とを混合してベース樹脂とすることにより、ポリアミド樹脂の利点である耐熱性や機械的強度等を維持しつつ、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂によりベース樹脂全体としての吸水率を下げ、ギアとしての寸法変化を抑制する。そのため、耐熱性、機械的強度、低吸水性をバランス良く満足するために、ベース樹脂を１００重量％としたときにポリアミド樹脂を７５〜９７重量％、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂を３〜２５重量％の比率で混合する。より好ましくは、ベース樹脂を１００重量％としたときにポリアミド樹脂を８５〜９５重量％、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂を５〜１５重量％の比率で混合する。ポリアミド樹脂が７５重量％未満では樹脂部３の耐熱性や機械的強度が不十分となり、ポリアミド樹脂が９７重量％を超える、即ち不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂が３重量％未満の場合には吸水率が大きく、寸法変化が大きくなる。
【００１６】
また、ポリアミド樹脂と不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂とを相互に連結させるために、トリアリルイソシアヌレート、トリアリルシアヌレート、ジアリルフタレート、ジビニルベンゼン、ジイソプロペニルベンゼン、Ｎ，Ｎ´−ｍ−フェニレンビスマレイミド、ポリブタジエン等の分子中に少なくとも２個以上の炭素間二重結合を有する多官能モノマーを添加しておくと、樹脂部３を成形する際の加熱により部分的に架橋を進行させることができる。その結果、ポリアミド樹脂のアミド結合と、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂のカルボキシル基等の変性部分との相互作用とが加わり、２種の樹脂を混合することによる強度低下等の不具合を防止できる。尚、この多官能モノマーの添加量としては、ベース樹脂１００重量部に対して０．０１〜５重量部、好ましくは０．０５〜２重量部である。添加量が０．０１重量部未満では絶対値が少なすぎて架橋反応がほとんど進まない。また、５重量部を超えて添加しても架橋の度合があまり変わらないとともに、未反応物や発生したラジカルが残存して樹脂部３の物性低下につながるおそれがある。
【００１７】
これらベース樹脂は、樹脂単独でも一定以上の耐久性を示し、ウォームホイール１１の相手材である金属製のウォーム１２の摩耗に対して有利に働き、減速ギアとして十分に機能する。しかしながら、より過酷な使用条件で使用されると、ギア歯１０が破損や摩耗することも想定されるため、信頼性をより高めるために、強化材を配合することが好ましい。
【００１８】
補強材としては、ガラス繊維、炭素繊維、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカー等が好ましく、上記に挙げたベース樹脂との接着性を考慮してシランカプッリング剤で表面処理したものが更に好ましい。また、これらの補強材は複数種を組み合わせて使用することができる。衝撃強度を考慮すると、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維状物を配合することが好ましく、更にウォ−ム１２の損傷を考慮するとウィスカー状物を繊維状物と組み合わせて配合することが好ましい。混合使用する場合の混合比は、繊維状物及びウィスカー状物の種類により異なり、衝撃強度やウォーム１２の損傷等を考慮して適宜選択される。
【００１９】
これらの補強材の配合量は、樹脂部全体の１０〜３０重量％の割合である。補強材の配合量が１０重量％未満の場合には、機械的強度の改善が少なく好ましくない。補強材の配合量が３０重量％を超える場合には、ウォーム１２を損傷し易くなり、ウォーム１２の摩耗が促進されて減速ギアとしての耐久性が不足する可能性があり好ましくない。
【００２０】
更に、ベース樹脂には、成形時及び使用時の熱による劣化を防止するために、ヨウ化物系熱安定化剤やアミン系酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加することが好ましい。
【００２１】
ウォームホイール１１を製造する方法は制限されるものではなく、例えば図２〜図５に示す工程に従うことができる。即ち、金属製の芯金１の外周面１ａにクロスローレット加工を施し、溶剤で脱脂した後（図２）、この芯管１をスプルー４及びディスクゲート５を装着した金型に配置し、射出成形機により上記のベース樹脂もしくは補強材を配合した樹脂組成物を充填して樹脂部３を成形する（図３）。次いで、スプルー４とディスクゲート５を切除して、芯管１の外周に樹脂部３が一体化されたウォームホイールブランク材７を得る（図４）。そして、ウォームホイールブランク材７の樹脂部３の外周面３ａに切削加工により所定形状のギア歯１０を形成することにより、ウォームホイール１１が得られる（図５）。
【００２２】
以上、本発明に関して円筒ウォームギアであるウォームホイールを例示して説明したが、本発明はこれに限るものではなく、種々の変更が可能である。例えば歯車形状として、その他にも図６に示す平歯車、図７に示すはすば歯車、図８に示すかさ歯車、図９に示すハイポイドギア等が可能であり、何れも金属製芯管１と、上記の樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯１０が形成された樹脂部３とを一体化して構成する。尚、金属製芯金１の外周と樹脂部３との内周との間に、シランカップリング剤等からなる接着層を介在させた構成でもよい。
【００２３】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００２４】
［ウォームホイール試験材の作製］
表１に示すポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、強化材及び多官能モノマーを配合し、ヘンシェルミキサー（三井三池製作所（株）製）で予備混練した後、２軸押出し機（（株）池貝製「ＰＣＭ−３０」）を用いて混練し、樹脂ペレットを得た。得られた樹脂ペレットを用いて、図２〜図５に従ってウォームホイール試験体を作製した。即ち、クロスローレット加工を施し、脱脂した外径４５ｍｍ、幅１３ｍｍのＳ４５Ｃ製の芯管を、スプルー及びディスクゲートを装着した金型に配置し、射出成形機（住友重機械工業（株）製「ＳＧ７５Ｍ」）を用いて外径６０ｍｍ、幅１３ｍｍのウォームホイールブランク材を作製し、次いで樹脂部の外周を切削加工してギア歯を形成してウォームホイール試験体を作製した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
注１）ＰＡ６６：宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン２０２０Ｕ」（Ｃｕ系熱安定化材含有）
注２）ＰＡ４６：ＤＪＥＰ製「ＳｔａｎｙｌＴＷ３００」（Ｃｕ系熱安定化材含有）
注３）不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂Ｉ：無水マレイン酸変性エチレン−α−オレフィン共重合体、三井化学（株）製「タフマーＭＰ０６０１０」
注４）不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂II：アクリル酸変性ポリプロピレン、三井化学（株）製「アドマーＱＦ５００」
注５）高密度ポリエチレン樹脂：三井化学（株）製「ハイゼックス２２００Ｊ」注６）ＧＦ：シランカップリング剤で処理されたガラス繊維、旭ファイバーグラス（株）製「チョップドストランドＣＳ０３ＤＥＦＴ２Ａ」
注７）トリアリルイソシアヌレート：化薬アクゾ（株）製「パーカリンク３０１」
【００２７】
そして、各ウォームホイール試験体について、下記に示す寸法安定性の評価及び耐久性の評価を行った。
【００２８】
［寸法安定性の評価］
各試験体を、下記条件Ｉまたは条件IIの下に放置し、所定時間経過後にギア外径寸法の変化量を測定した。何れの条件においても、変化量が４０μｍ以下を合格「○」、４０μｍを超えるものを不合格「×」として表２に示す。
・条件Ｉ：６０℃、９０％ＲＨ、７０時間
・条件II：８０℃、９０％ＲＨ、３００時間
【００２９】
［耐久性の評価］
各試験体を実際の自動車減速ギアに組み込み、下記条件Ｉまたは条件IIにて操舵操作を繰り返し行った。何れの条件においても、１０万回の操舵に耐えることができた減速ギアを合格「○」、１０万回の操舵に耐えることができなかった減速ギアを不合格「×」として表２に示す。
・条件Ｉ：３０℃、５０％ＲＨ
・条件II：５０℃、９０％ＲＨ
【００３０】
【表２】

【００３１】
表２に示すように、ポリアミド樹脂のみをベース樹脂とした比較例１の試験体は、温度、湿度が過酷になると寸法安定性が悪くなり、それに伴って耐久性も低下している。また、不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂では無く、高密度ポリエチレン樹脂とポリアミド樹脂とをベース樹脂とする比較例２の試験体は、吸水性には問題がなく寸法安定性が良好であるのの、変性されていないことに起因して相互作用が無いことから、機械的強度が十分ではなく、耐久性が不足している。これに対して本発明に従う実施例１〜６の各試験体は、過酷な条件下でも寸法安定性が高く、耐久性も優れている。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウォームホイールの樹脂部をポリアミド樹脂と不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂との混合物をベース樹脂とした樹脂組成物で形成したことにより、樹脂部の耐摩耗性、寸法安定性及び耐熱性が改善され、耐久性に優れる電動パワーステアリング用減速ギアが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明並びに従来の減速ギアの一例を示す斜視図である。
【図２】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、芯管の断面図である。
【図３】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、成形金型の断面図である。
【図４】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、得られたウォームホイールブランク材の斜視図である。
【図５】ウォームホイールの製造方法を説明するための図であり、得られたウォームホイールの斜視図である。
【図６】本発明の減速ギアの他の例（平歯車）を示す斜視図である。
【図７】本発明の減速ギアの更に他の例（はすば歯車）を示す斜視図である。
【図８】本発明の減速ギアの更に他の例（かさ歯車）を示す斜視図である。
【図９】本発明の減速ギアの更に他の例（ハイボイドギア）を示す斜視図である。
【符号の説明】
１芯管
３樹脂部
４スプルー
５ディスクゲート
１０ギア歯
１１ウォームホイール
１２ウォーム
２０減速ギア

Claims

操舵補助出力発生用電動モータの出力をステアリングシャフトに伝達するための電動パワーステアリング装置用減速ギアにおいて、金属製芯管の外周に、ポリアミド樹脂７５〜９７重量％と不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂３〜２５重量％との混合物をベース樹脂とし、繊維状補強材を樹脂組成物全量の１０〜３０重量％の割合で含有する樹脂組成物からなり、その外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体化してなる歯車を備えることを特徴とする電動パワーステアリング装置用減速ギア。
前記ポリアミド樹脂がポリアミド６、ポリアミド６６またはポリアミド４６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装置用減速ギア。
前記不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン樹脂が、エチレンまたはプロピレンの重合体もしくはこれらの共重合体と、不飽和カルボン酸またはその誘導体との共重合物であ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装置用減速ギア。
分子中に少なくとも２個以上の炭素間二重結合を有する多官能モノマーを、前記ベース樹脂１００重量部に対して０．０１〜５重量部の割合で含有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。
前記歯車が、円筒ウォームギア、はすば歯車、平歯車、かさ歯車またはハイポイドギアであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電動パワーステアリング装置用減速ギア。