JP5301163B2 - 車両ステアリングシャフト用伸縮軸及び前記伸縮軸の潤滑用グリース組成物 - Google Patents

Description

本発明は、車両のステアリングシャフトに組み込まれる車両ステアリング用伸縮軸（以下、単に「伸縮軸」とも呼ぶ）、並びに前記伸縮軸の潤滑用グリース組成物に関する。

従来、自動車の操縦機構部では、自動車が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール上にその変位や振動を伝えないために、雄軸と雌軸とをスプライン嵌合した伸縮軸を操舵機構部の一部に使用している。図１はその一例を示す側面図であり、図中のａ及びｂが伸縮軸である。伸縮軸ａは、雄軸と雌軸とをスプライン嵌合したものであるが、このような伸縮軸ａには自動車が走行する際に発生する軸方向の変位を吸収し、ステアリングホイール上にその変位や振動を伝えない性能が要求される。このような性能は、車体がサブフレーム構造となっていて、操舵機構上部を固定する部位ｃとステアリングラックｄが固定されているフレームｅが別体となっておりその間がゴムなどの弾性体ｆを介して締結固定されている構造の場合に要求されることが一般的である。また、その他のケースとして操舵軸継手ｇをピニオンシャフトｈに締結する際に作業者が、伸縮軸をいったん縮めてからピニオンシャフトｈに嵌合させ締結させるため伸縮機能が必要とされる場合がある。さらに、操舵機構の上部にある伸縮軸ｂも、雄軸と雌軸とをスプライン嵌合したものであるが、このような伸縮軸ｂには、運転者が自動車を運転するのに最適なポジションを得るためにステアリングホイールｉの位置を軸方向に移動し、その位置を調整する機能が要求されるため、軸方向に伸縮する機能が要求される。前述のすべての場合において、伸縮軸にはスプライン部のガタ音を低減することと、ステアリングホイール上のガタ感を低減することと、軸方向摺動動作時における摺動抵抗を低減することが要求される。

そのため、従来では、雄軸のスプライン部にナイロン膜をコーティングし、更に摺動部にグリースを塗布することで、金属騒音や金属打音等を吸収または緩和とともに、摺動抵抗の低減と回転方向のガタ付きの低減を図ることが広く行われている。また、ナイロン膜をコーティングにするには、複雑な工程や高度な仕上が必要なことから、本出願人は先に、適度の弾性を有し、潤滑性や耐摩耗性に優れるポリテトラフルオロエチレンの被膜を形成することを提案している（特許文献１参照）。更に、ナイロン膜に代えて、雄軸と雌軸との間に樹脂製の滑りスリーブを介在させて摺動抵抗を低減しつつ、ガタ付きを防止することも行われている（特許文献２〜４参照）。その他にも、雄軸及び雌軸の少なくとも一方の歯先面や歯底面の中央部にグリース貯蔵用凹部を形成してグリースの供給・保持をより円滑したり（特許文献５参照）、雌スプライン歯の歯先の少なくとも周方向の端部を円弧状に加工して離型剤を塗布し、更に雄軸と雌軸との隙間に樹脂を充填した伸縮軸を封入することも提案されている（特許文献６参照）。

特開２００３−５４４２１号公報 特公平５−７２２４号公報 特開平１１−２０８４８４号公報 特開２０００−７４０８１号公報 特開２００４−２４５３７２号公報 実公平７−４９０７３号公報

上記の各対策は、耐久性の向上、摺動力の低抵抗化、あるいは耐スティックスリップ性の向上等個々の性能改善には有効であるが、これらを総合的に改善させるまでには至っていない。特に、耐久性及び耐スティックスリップ性と、摺動性とは相反する傾向がある。

また、ポリテトラフルオロエチレンの被膜を形成したり、滑りスリーブを介在させる場合も摺動による摩耗は避けられず、耐久性において改善の余地がある。更に、滑りスリーブは雄軸や雌軸に合わせて複雑な形状に成形しなければならず、高い加工精度が要求される。その他の対策でも、雄軸や雌軸の歯先面や歯底面を特殊形状とするための新たな加工を要するため、製造コストの増加は免れない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、コスト増の原因となる雄軸や雌軸への新たな加工を必要とせず、封入するグリースを改良することにより、耐久性の向上、低抵抗化及び耐スティックスリップ性の向上を総合的に改善した伸縮軸を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記の車両ステアリング用伸縮軸及び前記伸縮軸の潤滑用グリース組成物を提供する。
（１）車両のステアリングシャフトに組み込み、雄軸と雌軸とを回転不能に且つ摺動自在に嵌合し、前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部とが互いに接触して回転の際にトルクを伝達する車両ステアリング用伸縮軸において、
前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部との間隙に、ＪＩＳ Ｋ２２２０で規定され、せん断速度１０ｓｅｃ^−１における見かけ粘度が４１０〜７２０Ｐａ・ｓ（２５℃）であり、基油の動粘度が２７０〜１０５０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）であり、増ちょう剤がグリース全量の１２〜１８質量％であり、かつ、有機モリブデン系極圧剤を含有しないグリース組成物を封入したことを特徴とする車両ステアリング用伸縮軸。
（２）前記雄軸及び前記雌軸の少なくとも一方の摺動面の少なくとも一部に、樹脂被膜が形成されていることを特徴とする上記（１）記載の車両ステアリング用伸縮軸。
（３）車両のステアリングシャフトに組み込み、雄軸と雌軸とを回転不能に且つ摺動自在に嵌合し、前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部とが互いに接触して回転の際にトルクを伝達する車両ステアリング用伸縮軸の前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部との間隙に封入されるグリース組成物であって、
４０℃における動粘度が２７０〜１０５０ｍｍ^２／ｓである基油に、増ちょう剤をグリース全量の１２〜１８質量％の割合で配合してなり、ＪＩＳ Ｋ２２２０で規定され、せん断速度１０ｓｅｃ^−１における見かけ粘度が４１０〜７２０Ｐａ・ｓ（２５℃）であり、かつ、有機モリブデン系極圧剤を含有しないことを特徴とする車両ステアリング用伸縮軸の潤滑用グリース組成物。

本発明の車両ステアリング用伸縮軸は、特定の粘度のグリース組成物を封入するという極めて簡便な方法であるにもかかわらず、従来よりも優れた低抵抗化や低摩耗性、安定した摺動荷重を実現し、更にスティックスリップの発生を抑制することができ、操舵感を長期にわたり良好に維持することができる。特に、本発明の車両ステアリング用伸縮軸は、おおよそ３０Ｎ・ｍ以下のトルクが入力される油圧もしくはピニオン、ラックタイプ電動パワーステアリングからコラムタイプ電動パワーステアリングの出力軸であって１００Ｎ・ｍ程度の入力トルクであっても使用可能である。

伸縮軸を装備した自動車の操舵機構部の側面図である。 伸縮軸の横断面図である。 伸縮軸を装備した電動パワーステアリングを示す側面図である。 実施例における（１）耐久性試験の試験方法を説明するための図である。 実施例における（２）摺動性試験の試験方法を説明するための図である。 実施例における（３）耐スティックスリップ試験の試験方法を説明するための図である。 実施例における（４）摺動力の温度変化の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

ａ，ｂ 伸縮軸
１ 雄軸
２ 雌軸
１０ 樹脂被膜

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

本発明において、伸縮軸自体の構造には制限がなく、例えば図１に示したような伸縮軸ａ，ｂを例示することができる。尚、伸縮軸の構造としては、図１に示されるスプライン嵌合やセレーション嵌合等の凹凸を噛みあわせる構造の他、所謂オス軸とメス軸とを軸方向に伸縮可能、かつ、円周方向にトルク伝達可能な嵌合であればよい。また、オス軸とメス軸との間にボール、ころ、ニードル等を介在させた構造であってもよい。更に、オス軸及びメス軸の材質としては、それぞれ同一でも異なっていてもよく、ＳＣ材、ＳＵＳ材、軸受鋼等の鋼材を好適に使用できる。特に、コストを考慮すると、Ｓ３５Ｃ等のＳＣ材が好ましい。これらの鋼材は、適宜、仕上げ加工や熱処理等が施されていることが好ましく、更に、必要に応じて、防錆処理等の表面処理やショットピーニング等の加工が施されていてもよい。

ステアリングシャフトでは、スプラインモジュール１．６６７及び１．０、歯数が１０及び１８が代表的な形状として好ましい。

また、伸縮軸ａ，ｂは、図２に断面図にて示すように、雄軸１の外側に雌軸２を摺動自在に配した構成となっており、雄軸１の外周面及び雌２の内周面の少なくとも一方に、ナイロンやポリテトラフルオロエチレン、ポリオレフィンサルファイド、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ、シリコーン、アクリル、フェノール、ポリエチレンテレフタレート、液晶性ポリマー、ポリオレフィンあるいはこれらの共重合体等からなる樹脂被膜１０を形成することもできる。これらの中でも、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン６Ｔ等のポリアミド系のものが好適である。樹脂被膜１０と、後述されるグリース組成物との相乗効果により、摺動力の低減や、回転方向のガタ付き防止により効果的となる。樹脂被膜１０の膜厚は、隙間の大きさに応じて適宜設定することができるが、０．１〜０．８ｍｍの範囲が適当である。尚、樹脂被膜１０は公知の方法で形成でき、静電塗装（溶融、溶液、粉末）や、樹脂を含有する溶液や分散液をスプレーや浸漬により塗布し、加熱乾燥させる方法等が好適である。また、流動浸漬法としてもよい。

また、樹脂被膜１０に代えて、樹脂製のスリーブを用いても同様の相乗効果が得られる。更に、二硫化モリブデンや二硫化タングステン等の固体潤滑膜、スズ、亜鉛、金等の軟質金属膜であってもよい。固体潤滑膜あるいは軟質金属膜も、隙間の大きさに応じて膜厚を適宜設定できるが、１〜１００μｍの範囲が適当である。尚、これら被膜も公知の方法で形成でき、樹脂バインダ等を使用することができる。

上記の如く構成される各伸縮軸の雄軸５と雌軸６との間隙には、ＪＩＳ Ｋ２２２０に従い、２５℃、せん断速度１０ｓｅｃ^−１で測定したときの見かけ粘度が４１０〜７２０Ｐａ・ｓであるグリース組成物が封入される。このような特定の見かけ粘度の範囲であれば、低抵抗化等に加えて、スティックスリップをより効果的に抑えることができる。前記見かけ粘度は、４５０〜５５０Ｐａ・ｓ（２５℃）が好ましい。

グリース組成物の基油は、その種類を制限されるものではないが、鉱油系潤滑油及び合成潤滑油を好適に使用することができる。鉱油系潤滑油は制限されるものではないが、例えば、パラフィン系鉱物油、ナフテン系鉱物油及びそれらの混合油を使用することができ、特に減圧蒸留、油剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を適宜組み合わせて精製したものが好ましい。また、合成潤滑油も制限されるものでないが、例えば、合成炭化水素油、エーテル油、エステル油、シリコーン油及びフッ素油を使用することができる。具体的には、合成炭化水素油としてはポリα−オレフィン油等を、エーテル油としてはジアルキルジフェニルエーテル油、アルキルトリフェニルエーテル油、アルキルテトラフェニルエーテル油等を、エステル油としてはジエステル油、ネオペンチル型ポリオールエステル油、またはこれらのコンプレックスエステル油、芳香族エステル油等をそれぞれ挙げることができる。これらの潤滑油は、単独でも、複数種を適宜組み合わせて使用してもよい。

また、基油は、４０℃における動粘度が２７０〜１０５０ｍｍ^２／ｓである。基油の動粘度が２７０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）未満ではスティックスリップの抑制に効果が得られず、１０５０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）を越えると摺動接触部に基油が入り込み難く、雄軸の外周部と雌軸の内周部との摺動力が高くなる。これらを考慮すると、基油の動粘度の上限は４００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）であることが好ましく、３００ｍｍ^２／ｓ（４０℃）であることが特に好ましい。

また、基油はポリマーを含むことが好ましい。ポリマーとしては、例えばポリメタクリレート（ＰＭＡ）やポリアクリレート、ポリアルキルメタクリレート（ＰＡＭ）等のアクリル系高分子が挙げられる他、ポリイソブチレン、オレフィン共重合体（ＣＯＰ）、星型ポリマー（ポリビニルベンゼンの核から多数のポリイソプレンの足が放射状に伸びた構造を有するもの）、α−オレフィンとジカルボン酸共重合体とのブタノールエステルポリマー等を使用することもできる。中でも特にアクリル系高分子が好ましく、その中でも特に、重量平均分子量Ｍｗが２万〜１５０万のＰＭＡが好適に使用される。ＰＭＡの重量平均分子量Ｍｗがこの範囲であるのが好ましいのは、下記の理由による。すなわちＰＭＡの重量平均分子量Ｍｗが２万未満では、基油に対する溶解性が高すぎ、逆に１５０万を超える場合には、基油に対する溶解性が低すぎる。また、広い温度域で、摩擦の低減に安定した効果を発揮させるためには、ＰＭＡの重量平均分子量Ｍｗは、上記の範囲内でも特に５０万〜１５０万であるのが好ましい。

増ちょう剤は、基油を半固体状または固体状にする物質であれば、特に制限されることなく種々のものを使用することができる。このような増ちょう剤としては、リチウム石けん系、カルシウム石けん系、ナトリウム石けん系、アルミニウム石けん系、リチウムコンプレックス石けん系、カルシウムコンプレックス石けん系、ナトリウムコンプレックス石けん系、バリウムコンプレックス石けん系、アルミニウムコンプレックス石けん系等の金属石けん、ベントナイト、クレイ等の無機化合物、モノウレア系、ジウレア系、トリウレア系、テトラウレア系、ウレタン系、ナトリウムテレフタラメート系、フッ素樹脂系等の有機化合物等が挙げられる。これらの増ちょう剤は、それぞれ単独でも、２種以上を混合して配合してもよい。これらの中でも、低温から高温までちょう度変化が少ないことや、所定のちょう度を得るための増ちょう剤量が少ないこと等から、リチウム石けん系やリチウムコンプレックス石けん系が好ましい。また、リチウム石けん系及びリチウムコンプレックス石けん系の中でも、リチウムステアレート及び１２−ヒドロキシリチウムステアレートが好ましく、１２−ヒドロキシリチウムステアレートが特に好ましい。

増ちょう剤の含有量は、グリース全量の１２〜１８質量％である。１２質量％より少ないとグリース状態を維持することが困難となり、１８質量％より多くなると硬くなりすぎて十分な潤滑状態が得られない。増ちょう剤の含有量がこの範囲であると、保護膜形成力と摺動部分への侵入性とのバランスがとれ、スティックスリップ現象をより抑制できる。

グリース組成物の混和ちょう度は、２００〜３５０が好ましく、２４０〜３１０がより好ましく、２６５〜２９５が特に好ましい。

また、グリース組成物には、必要に応じて、耐荷重添加剤、酸化防止剤、錆止め剤、防食剤等、通常グリースに添加される添加剤を含有させることができる。その添加量は、合計でグリース全量の１０質量％以下が好ましい。

尚、本発明のグリース組成物は、グリースの色相に影響を及ぼす二硫化モリブデン（黒色）等の固体潤滑剤や、有機モリブデン系極圧剤（紫色〜茶色）等の極圧剤等を使用せずとも、耐久性の向上、低抵抗化、耐スティックスリック性の向上を達成することができる。黒色〜濃色のグリースは、自動車組立時やメンテナンス時に作業者に不快感を与えることがあるが、本発明のグリース組成物ではそのようなこともない。また、好みの色にするための着色剤等を添加することもできる。

グリース組成物の塗布方法としては、例えば、スプライン長さ３０〜５０ｍｍに対して、塗布機にて雄軸、雌軸の両歯面に合計でおよそ１〜３ｇ塗布し、その後、摺動させて全体に馴染ませればよい。

また、本発明の伸縮軸は、電動パワーステアリングにも適用できる。図３は電動パワーステアリングの一例を示す側面図であり、図１に示した伸縮軸と同一部材には同一符号を付し、説明は省略する。電動パワーステアリングは、電動モータｍを伸縮軸ａ，ｂの間に介在させてステアリング操作をアシストする機構であるが、油圧式に比べて制御性に優れ、機械部分がシンプルになる等の利点を有する。また、油圧パワーステアリングでは、油圧ポンプが常にエンジンで駆動され、アシストの必要がない直進走行中にもエンジンは油圧ポンプを駆動しているのに対し、電動パワーステアリングは必要な時だけ電動モータｍに電力を供給すればよく、燃費の面でも電動パワーステアリングは利点がある。

以下に試験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。

表１に示す如く、動粘度の異なる基油に、増ちょう剤として１２−ヒドロキシリチウムステアレートをグリース全量の１５質量％となるように共通に配合して試験グリースＡ〜Ｆを調製した。また、表２に示す如く、４０℃における動粘度が２７０ｍｍ^２／ｓであるポリα−オレフィン油（ＰＡＯ）に、増ちょう剤として１２−ヒドロキシリチウムステアレートを表２に示す如く配合量を変えて配合して試験グリースＧ〜Ｌを調製した。各試験グリースについて、ＪＩＳ Ｋ２２２０に従い、２５℃で、せん断速度１０ｓｅｃ^−１における見かけ粘度を測定した。測定結果を表１及び表２に示す。

また、雌スプラインはそのままで、雄スプラインの外周面にポリテトラフルオロエチレンからなる被膜を形成して伸縮軸を作製した。そして、この伸縮軸の雄軸と雌軸との隙間に上記の各試験グリースを封入して試験用伸縮軸とし、下記の試験に供した。

（１）耐久性試験
図４に示すように、試験用伸縮軸のステアリングラック側を一定のストロークでスライドさせるとともに、ステアリングホイール側を一定の負荷にて一定サイクルで３万回左右方向に交互に回転させた。回転は、試験用伸縮軸の周囲に配した温度制御装置により８０℃に維持して行った。そして、３万回回転させた後に再度ステアリングホールを回転させ、そのときの回転方向のガタ付きを手感で評価した。ガタ付き感を感じない場合を「◎」、若干あるが手感で感じないレベルを「○」、手感で若干感じるレベルを「△」、手感で大きく感じるレベルを「×」とし、結果を表１及び表２に示す。
（２）摺動性試験
図５に示すように、室温にて試験用伸縮軸を全ストローク範囲にわたりスライドさせ、そのときの摺動力を評価した。非常に軽い場合を「◎」、軽い場合を「○」、重い場合を「△」、非常に重い場合を「×」とし、結果を表１及び表２に示す。
（３）耐スティックスリップ試験
図６に示すように、試験用伸縮軸のステアリングラック側を一定のストロークでスライドさせるとともに、ステアリングホイール側を一定の負荷にて一定サイクルで左右方向に交互に回転させ、そのときのスティックスリップを評価した。その際、試験用伸縮軸の周囲に配した温度制御装置により３５℃に維持した。また、試験用伸縮軸に装着した変位計によりＧ波形を確認した。変位計で検知できる微小レベルを「◎」、手感で若干感じるレベルを「○」、手感ではっきり感じるレベルを「△」、手感で大きく感じるレベルを「×」とし、結果を表１及び表２に示す。

上記各試験において、評価「◎」、〔○〕及び「△」が実用的な合格レベルであるが、本発明で規定する見かけ粘度、基油動粘度及び増ちょう剤を満足する試験グリースを封入することにより、摩耗を抑えて耐久性を向上させることができ、低摩擦化を実現し、更には耐スティックスリップ性も向上させることができる。特に、見かけ粘度が４１０〜７２０Ｐａ・ｓ（２５℃）、基油の動粘度が２７０〜１０５０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）、増ちょう剤量が１２〜１８質量％の範囲で好ましい結果が得られている。

（４）摺動力の温度変化
組立て時の雰囲気温度による摺動力の変化を検証するために、グリースＥとグリースＦを用い、外気温５℃、１０℃、２０℃及び３０℃における摺動力を測定した。結果を表３及び図７に示す。

本発明に従うグリースＥでは、温度による摺動力のバラツキが３〜３．５Ｎ程度であるのに対し、グリースＦでは７〜１５Ｎ程度と２倍程度大きくなっており、本発明のグリース組成物の優位性が確認された。また、本発明に従うグリースＥでは、摺動力が温度によって変化しにくいことも確認された。

Claims (3)

1. 車両のステアリングシャフトに組み込み、雄軸と雌軸とを回転不能に且つ摺動自在に嵌合し、前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部とが互いに接触して回転の際にトルクを伝達する車両ステアリング用伸縮軸において、
   前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部との間隙に、ＪＩＳ Ｋ２２２０で規定され、せん断速度１０ｓｅｃ^−１における見かけ粘度が４１０〜７２０Ｐａ・ｓ（２５℃）であり、基油の動粘度が２７０〜１０５０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）であり、増ちょう剤がグリース全量の１２〜１８質量％であり、かつ、有機モリブデン系極圧剤を含有しないグリース組成物を封入したことを特徴とする車両ステアリング用伸縮軸。
2. 前記雄軸及び前記雌軸の少なくとも一方の摺動面の少なくとも一部に、樹脂被膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の車両ステアリング用伸縮軸。
3. 車両のステアリングシャフトに組み込み、雄軸と雌軸とを回転不能に且つ摺動自在に嵌合し、前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部とが互いに接触して回転の際にトルクを伝達する車両ステアリング用伸縮軸の前記雄軸の外周部と前記雌軸の内周部との間隙に封入されるグリース組成物であって、
   ４０℃における動粘度が２７０〜１０５０ｍｍ^２／ｓである基油に、増ちょう剤をグリース全量の１２〜１８質量％の割合で配合してなり、ＪＩＳ Ｋ２２２０で規定され、せん断速度１０ｓｅｃ^−１における見かけ粘度が４１０〜７２０Ｐａ・ｓ（２５℃）であり、かつ、有機モリブデン系極圧剤を含有しないことを特徴とする車両ステアリング用伸縮軸の潤滑用グリース組成物。

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