WO2005005864A1 - 歯車、これを用いた減速機、およびこれを備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

ＰＡ６６の分子構造を有する部分と、ＰＡ６の分子構造を有する部分とを重量比ＰＡ６６／ＰＡ６＝９９．９／０．１～９５．０／５．０の範囲で含む、ＰＡ６６とＰＡ６とのブレンドポリマー、または共重合体にて形成した歯車であって耐久性能に優れる上、耐熱性、寸法安定性にも優れている。この歯車を用いた減速機は、歯車の寸法変化によるトルクの上昇を生じることなしに高トルク下での使用や小型化が可能であり、この減速機を組み込んだ電動パワーステアリング装置は、より大型の自動車に使用したり、それ自体をより小型化したりできる。

Description

明細書 .

歯車、 これを用いた減速機、 およびこれを備えた電動パワーステアリング装置 従来技術

本発明は、 ウォームとウォームホイールなどの、小歯車と大歯車とを有する減速 機に特に好適に使用される歯車と、 この歯車を用いた減速機と、かかる減速機を備 えた電動パワーステアリング装置とに関するものである。 背景技術

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る。例えばコラム 型 EPSでは、 電動モータの回転を、減速機において、 ウォーム等の小歯車からゥ オームホイール等の大歯車に伝えることで減速するとともに出力を増幅したのち、 コラムに付与することで、 ステアリング操作をトルクアシストしている。

近年、例えば軽四輸自動車や、 あるいは普通自動車の中でも比較的小型のものな どに用いる電動パワーステアリング装置においては、歯打ち音の低減による低騒音 化や軽量化、 摺動抵抗の低減等を目的として、 減速機の、 小歯車と大歯車のうちの 少なくとも一方、 より好ましくは大歯車を樹脂化することが一般化しつつある。詳 しくは、金属製の芯金と、 この芯金の外周に外嵌めした樹脂製の環状の歯車本体と で上記大歯車を形成している。

このうち歯車本体を形成する樹脂としては、例えば MC (モノマーキャスティン グ） ナイロン、 PA6、 PA66、 PA46などのポリアミ ド樹脂が広く用いられ る。 また、主に吸水や熱などによる寸法変化を抑制して歯車の寸法安定性を向上す るため、 ポリアミ ド樹脂に、 ガラス繊維などの強化繊維を配合する場合がある （例 えば日本国特許公開公報 J P- 2002-1 56025—A 2参照）。

また同様に、 吸水による寸法変化を抑制して歯車の寸法安定性を向上するため、 上記ポリアミド樹脂に、 PA12、 PA1 1、 PA612、 PA610、 芳香族ポ リアミ ド、変性 PA12などの、低吸水性のポリアミ ド樹脂を配合する場合もある (例えば日本国特許公開公報 J P— 2003— 83423— A2参照）。

近年、これまでに比べてより大型の自動車の電動パワーステアリング装置におい ても、 減速機の歯車の樹脂化が検討されている。

またこれも近年、環境問題に対処するための低燃費化に対応したり、 あるいは車 内の居住性を向上したりするために、 自動車の大きさを問わず、電動パワーステア リング装置の搭載スペースの削減、すなわち電動パワーステアリング装置のより一 層の小型化が進行しつつある。

しカゝし、ポリアミ ド樹脂の中でも最も一般的で、 なおかつ強度特性等にもすぐれ た P A 6にて形成した歯車は吸水による寸法変化が大きいため、たとえ前述したよ うにガラス繊維などを加えて寸法安定性を向上したとしても、とくに自動車を海外 輸出するための航送時や、 あるいは経年変化などによって膨張して、電動パワース テアリング装置のトルクを変動させてしまうという問題を有する。また P A 6で形 成した歯車は耐熱性も不十分である。

ポリアミ ド樹脂の中で P A 6に次いで一般的で、しかも吸水による寸法変化が小 さく、 かつ耐熱性にも優れた P A 66にて歯車を形成することも考えられる。

しかし P A 66製の歯車は、とくに上に述べた大型の自動車用の電動パワーステ ァリング装置や、あるいは小型化した電動パワーステアリング装置などに適用した 場合に、減速機に要求される耐久性能を十分に満足することができず、比較的早期 に破損してしまうという問題がある。

これは大型の自動車ほど、電動パワーステアリング装置における電動モータの出 力を大きくしなければならず、減速機に伝わる伝達トルクが大きくなるためである _c また電動パワーステアリング装置を小型化するほど、 とくに減速機の大歯車は、 モジュールを増加させて面圧を低下させる等の対策をとるのが難しくなり、小歯車 から伝わる面圧が高くなる傾向にあるためである。

またポリアミ ド樹脂に低吸水性ポリアミ ド樹脂を加えて寸法安定性を向上する ためには、 当該低吸水性ポリアミ ド樹脂を、両樹脂全体の 10〜40重量。/。という 多量に配合しなければならない。 このため、ポリアミ ド樹脂として高強度の PA6 を使用した場合でも、とくに上記のように電動パワーステアリング装置を高トルク 化したり小型化した際に歯車の強度が不足して、比較的早期に破損してしまうとい う問題がある。

なおこれらの問題は、電動パワーステアリング装置の減速機に限らず、小歯車と 大歯車とを有する一般の減速機においても存在する。 発明の開示

本発明の目的は、従来の、ポリアミ ド樹脂製の歯車に比べて耐久性能に優れる上、 耐熱性、寸法安定性にも優れた新規な歯車と、 それを用いた減速機と、 かかる減速 機を用いた電動パワーステアリング装置とを提供することにある。

本発明の歯車は、歯面を有する歯車本体を備え、 当該歯車本体を、 PA66の分 子構造を有する部分と、 P A 6の分子構造を有する部分とを重量比 P A 66/PA 6 = 99. 9/0. 1〜95. 0/5. 0の範囲で含む複合樹脂にて形成したこと を特徴とするものである。

上記本発明によれば、歯面を有する歯車本体を、 PA66に少量の P A 6をブレ ンドまたは共重合させた複合樹脂にて形成してあるため、 PA66単独で形成した ものに比べて、その耐久性能を飛躍的に向上することが可能である。 また PA6単 独で形成したものに比べて、その耐熱性や寸法安定性を飛躍的に向上することも可 能である。

なお複合樹脂としては、 PA66と PA6とのブレンドポリマー、 または P A 6 6と PA6との共重合体を用いるのが好ましい。 また本発明の減速機は、小歯車および大歯車を備え、かつ両歯車のうち少なくと も一方を、上記本発明の歯車によって構成したことを特徴としており、寸法変化に よるトルクの上昇を生じることなしに、高トルク下での使用や小型化を可能として いる点で好ましい。

さらに、本発明の電動パワーステアリング装置は、操舵補助用の電動モータの回 転を、かかる減速機を介して減速して舵取機構に伝えることを特徴としており、 よ り大型の自動車に使用したり、 それ自体をより小型化したりできる点で好ましレ、。 図面の簡単な説明

図 1は、本発明の、一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の概略断面 図である。

図 2は、 図 1の II一 II線に沿う断面図である。

図 3は、本発明の実施例において、 ウォームホイールの歯車本体を形成した複合 樹脂中の P A 6の割合と、上記ウォームホイールを電動パワーステアリング装置に 組み込んで正逆回転させた際に、破損に到つたサイクル数との関係を示すグラフで める。 発明を実施するための最良の形態

以下に、 本発明を詳細に説明する。

〈歯車〉

(複合樹脂）

本発明の歯車は、前記のように歯面を有する歯車本体を備えるとともに、 当該歯 車本体を、 P A 6 6の分子構造を有する部分 （以下 「P A 6 6部分」 と略記する場 合がある） と、 P A 6の分子構造を有する部分 （以下 「P A 6」 と略記する場合が ある） とを含む複合樹脂にて形成したものである。 またかかる複合樹脂における、 PA66部分と P A 6部分との含有割合は、重量 比 PA66ZPA6 = 99. 9/0. 1〜95. 0/5. 0の範囲に限定される。 この範囲より P A 6部分の割合が少ない場合には、かかる微量の P A 6部分を歯 車中に均等に分布させることができないことなどから、複合樹脂としたことによる、 歯車の耐久性能を向上する効果を得ることができない。

また、 この範囲より P A 6部分の割合が多い場合には、歯車の耐熱性や寸法安定 性が低下してしまう。

なお歯車の耐熱性や寸法安定性を良好なレベルに維持しつつ、その耐久性能をさ らに向上することを考慮すると、複合樹脂における、 PA66部分と P A 6部分と の含有割合は、前記の範囲内でもとくに、重量比 P A 66/PA6 = 99. I/O. 9〜95. 0/5. 0の範囲であるのが好ましい。

カかる複合樹脂としては、 これも前記のように、 PA66に少量の PA6をプレ ンドしたブレンドポリマー、もしくは共重合させた共重合体を用いることができる。 このうち PA66と PA6とのプレンドボリマーとしては、その名のとおり P A 66と PA6とを上記所定の割合で配合し、溶融、混練して製造したものを用いる ことができる。 またブレンドポリマーとしては、 PA66と PA6とを所定の割合 でペレツトプレンドしたものを用いることもできる。

またプレンドポリマーのもとになる PA66としてはできるだけ高粘度のもの、 具体的には蟻酸法による相対粘度が 100以上のものを使用するのが好ましい。か かる高粘度の P A 66を用いたブレンドポリマーにて歯車を形成した場合には、そ の耐久性能をさらに向上することができる。

また共重合体としては、 PA6の原料である力プロラタタムと、 PA66の繰り 返し単位に相当する AH塩 〔へキサメチレンジァミン （H) とアジピン酸 （A) と を 1 ： 1で反応させたもの〕 とを、前記所定の割合で共重合させた共重合体などを 用いることができる。 (添加剤）

上記複合樹脂には、 従来公知の種々の添加剤を配合することができる。

かかる添加剤としては、歯車の寸法安定性を向上するための強化繊維、 もしくは 粒状または粉末状の充てん材を挙げることができる。

また強化繊維としては、 例えばガラス繊維、 炭素繊維、 アスペスト繊維、 シリカ 繊維、 アルミナ繊維、 ジルコユア繊維、 窒化ホウ素繊維、 窒化ケィ素繊維、 ホウ素 繊維、チタン酸力リゥム繊維などの無機繊維状物質や、ステンレス、アルミニウム、 チタン、 鋼、 真鍮等の金属繊維状物質、 あるいはァラミ ド、 ポリアミ ド、 フッ素樹 脂、 ポリエステル樹脂、アクリル樹脂などの高融点有機質繊維状物質等を挙げるこ とができる。

粒状または粉末状の充てん材としては、 例えばマイ力、 シリカ、 タノレク、 アルミ ナ、 カオリン、 硫酸カルシウム、 炭酸カルシウム、 酸化チタン、 フェライト、 タレ 一、 ガラス粉、 酸化亜鉛、 炭酸ニッケル、 酸化鉄、 石英粉末、 炭酸マグネシウム、 硫酸バリウムなどを挙げることができる。

またその他の添加剤としては、 例えば樹脂改良剤、 滑剤、 難燃剤、 染料や顔料等 の着色剤等を挙げることができる。

上記各種添加剤の、複合樹脂に対する配合量はとくに限定されず、それぞれの添 加剤に求められる最適の範囲で、 複合樹脂に配合することができる。

(歯車）

本発明の歯車は、必要に応じて上記の添加剤を配合した、 P A 6 6部分と P A 6 部分とを所定の範囲で含む複合樹脂を用いて、従来同様に射出成形などによって製 造することができる。

例えばウォームホイールなどの、芯金と、 この芯金の外周に外嵌めされた環状の 歯車本体とを備える歯車は、上記歯車本体の外形に対応した型窩を有するとともに、 その中心部に芯金をセットする部分を有する金型を使用し、芯金をセットした状態 で、 射出成形機のノズルから加熱、溶融した複合樹脂を射出し、型窩内に注入して 冷却、固化させるいわゆるインサート成形をすることによって製造することができ る。

また、 あらかじめ射出成形しておいた環状の歯車本体の中心の孔に、芯金を、 高 周波誘導加熱などによつて加熱しながら圧入、一体化して歯車を製造することもで さる。

歯車本体の外周の歯は成形時に同時に形成してもよいし、成形後、切削加工など によって形成してもよい。

〈減速機および電動パワーステアリング装置〉

図 1は、本発明の一実施形態にかかる電動パワーステアリング装置の概略断面図 である。 また図 2は、 図 1の II— II線に沿う断面図である。

図 1を参照して、 この例の電動パワーステアリング装置では、ステアリングホイ ール 1を取り付けている入力軸としての第 1の操舵軸 2と、ラックアンドピユオン 機構等の舵取機構 (図示せず) に連結される出力軸としての第 2の操舵軸 3とがト ーシヨンバー 4を介して同軸的に連結されている。

第 1および第 2の操舵軸 2、 3を支持するハウジング 5は、例えばァレミニゥム 合金からなり、 車体 (図示せず) に取り付けられている。 ハウジング 5は、 互いに 嵌め合わされるセンサハウジング 6とギヤハウジング 7により構成されている。具 体的には、 ギヤハウジング 7は筒状をなし、その上端の環状縁部 7 aがセンサハウ ジング 6の下端外周の環状段部 6 aに嵌め合わされている。ギヤハウジング 7は減 速機構としてのウォームギヤ機構 8を収容し、センサハゥジング 6はトルクセンサ 9および制御基板 1 0等を収容している。ギヤハウジング 7にウォームギヤ機構 8 を収容することで減速機 5 0が構成されている。

ウォームギヤ機構 8は、第 2の操舵軸 3の軸方向中間部に一体回転可能でかつ軸 方向移動を規制されたウォームホイール 1 2と、このウォームホイール 1 2と嚙み 合い、かつ電動モータ Mの回転軸 3 2に、スプライン継手 3 3を介して連結される ウォーム軸 1 1 (図 2参照） とを備える。

このうちウォームホイール 1 2は前記本発明の歯車の構成を有するもので、第 2 の操舵軸 3に一体回転可能に結合される環状の芯金 1 2 aと、芯金 1 2 aの周囲を 取り囲んで外周面部に歯を有する、前述した複合樹脂からなる歯車本体 1 2 bとを 備えている。

第 2の操舵軸 3は、ウォームホイール 1 2を軸方向の上下に挟んで配置される第 1および第 2の転がり軸受 1 3、 1 4により回転自在に支持されている。

第 1の転がり軸受 1 3の外輪 1 5は、センサハウジング 6の下端の筒状突起 6 b 内に設けられた軸受保持孔 1 6に嵌め入れられて保持されている。また外輪 1 5の 上端面は環状の段部 1 7に当接しており、センサハウジング 6に対する軸方向上方 への移動が規制されている。

—方、第 1の転がり軸受 1 3の内輪 1 8は、第 2の操舵軸 3に締まりばめにより 嵌め合わされている。 また内輪 1 8の下端面は、 ウォームホイール 1 2の芯金 1 2 aの上端面に当接している。

第 2の転がり軸受 1 4の外輪 1 9は、ギヤハウジング 7の軸受保持孔 2 0に嵌め 入れられて保持されている。 また外輪 1 9の下端面は、 環状の段部 2 1に当接し、 ギヤハウジング 7に対する軸方向下方への移動が規制されている。

一方、 第 2の転がり軸受 1 4の内輪 2 2は、 第 2の操舵軸 3に一体回転可能で、 かつ軸方向の相対移動を規制されて取り付けられている。 また内輪 2 2は、第 2の 操舵軸 3の段部 2 3と、第 2の操舵軸 3のねじ部に締め込まれるナツト 2 4との間 に挟持されている。

トーシヨンバー 4は、第 1および第 2の操舵軸 2、 3を貫通している。 トーショ ンバー 4の上端 4 aは、連結ピン 2 5により第 1の操舵軸 2と一体回転可能に連結 され、下端 4 bは、連結ピン 2 6により第 2の操舵軸 3と一体回転可能に連結され ている。 第 2の操舵軸 3の下端は、 図示しない中間軸を介して、前記のようにラッ クアンドピニォン機構等の舵取機構に連結されている。

連結ピン 2 5は、第 1の操舵軸 2と同軸に配置される第 3の操舵軸 2 7を、第 1 の操舵軸 2と一体回転可能に連結している。第 3の操舵軸 2 7はステアリングコラ ムを構成するチューブ 2 8内を貫通している。

第 1の操舵軸 2の上部は、例えば針状ころ軸受からなる第 3の転がり軸受 2 9を 介してセンサハウジング 6に回転自在に支持されている。第 1の操舵軸 2の下部の 縮径部 3 0と第 2の操舵軸 3の上部の孔 3 1とは、第 1および第 2の操齋它軸 2、 3 の相対回転を所定の範囲に規制するように、回転方向に所定の遊びを設けて嵌め合 わされている。

次いで図 2を参照して、 ウォーム軸 1 1は、 ギヤハウジング 7により保持される 第 4および第 5の転がり軸受 3 4、 3 5によりそれぞれ回転自在に支持されている。 第 4および第 5の転がり軸受 3 4、 3 5の内輪 3 6、 3 7は、 ウォーム軸 1 1の 対応するくびれ部に嵌合されている。 また外輪 3 8、 3 9は、 ギヤハウジング 7の 軸受保持孔 4 0、 4 1にそれぞれ保持されている。

ギヤハウジング 7は、ウォーム軸 1 1の周面の一部に対して径方向に対向する部 分 7 bを含んでいる。

また、ウォーム軸 1 1の一端部 1 1 aを支持する第 4の転がり軸受 3 4の外輪 3 8は、 ギヤハウジング 7の段部 4 2に当接して位置決めされている。 一方、 内輪 3 6は、ウォーム軸 1 1の位置決め段部 4 3に当接することによって他端部 1 l b側 への移動が規制されている。

またウォーム軸 1 1の他端部 1 1 b (継手側端部） の近傍を支持する第 5の転が り軸受 3 5の内輪 3 7は、ウォーム軸 1 1の位置決め段部 4 4に当接することによ つて一端部 1 1 a側への移動が規制されている。 また外輪 3 9は、予圧調整用のね じ部材 4 5により、 第 4の転がり軸受 3 4側へ付勢されている。 ねじ部材 4 5は、 ギヤハウジング 7に形成されるねじ孔 46にねじ込まれることにより、一対の転が り軸受 34、 35に予圧を付与すると共に、 ウォーム軸 1 1を軸方向に位置決めし ている。 47は、 予圧調整後のねじ部材 45を止定するため、 当該ねじ部材 45に 係合されるロックナツトである。

ギヤハウジング 7内において、ウォーム軸 1 1とウォームホイ一 2の嚙み合 い部分 Αを少なくとも含む領域には潤滑剤組成物が充填される。すなわち潤滑剤組 成物は、嚙み合い部分 Aのみに充填しても良いし、嚙み合い部分 Aとウォーム軸 1 1の周縁全体に充填しても良いし、 ギヤハゥジング 7内全体に充填しても良い。 なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば減速機として はウォームギヤ機構 8を有するものには限定されず、 平歯車、ベベルギヤ、 ハイポ ィドギヤ、ヘリカルギヤ、 ラックギヤなどを用いた種々の減速機に、本発明の構成 を適用することができる。 また、例えば本発明の減速機の構成を、 電動パワーステ ァリング装置以外の装置用の減速機に適用することもできる。その他、本発明の特 許請求の範囲に記載された事項の範囲内で、 種々の変更を施すことができる。 実施例

以下に本発明を、 実施例に基づいてさらに詳細に説明する。

(複合樹脂の調製）

蟻酸法による相対粘度が 250である高粘度の PA66と、 PA6と、ガラス繊 維とをドライブレンドし、 溶融、 混練したのち押し出してペレット化した。

PA66と PA6との含有割合は、重量比 PA66/PA6 = 99. 9/0. 1 -98. 7/1. 3の範囲で変化させた。 また比較のために、 樹脂として PA6を 加えず、 PA66のみを用いたものを用意した。

次に上記のペレットを用いて、 インサート成形により、 図 1、 2に示すように環 状の芯金 12 aと、芯金 12 aの周囲を取り囲んで外周面部に歯を有する歯車本体 12 bとを備えたウォームホイール 12を製造した。

そしてこのウォームホイール 1 2を、上記図 1、 2に示す電動パワーステアリン グ装置の実機の減速機 50に組み込んで、 負荷を与えながら正逆回転させた際に、 歯車本体 1 2 bが破損したサイクル数を計数した。なおウォーム軸 1 1は鋼製とし た。

結果を図 3に示す。

図より、 PA66に PA6を加えることによって、 PA66単独の場合に比べて、 ウォームホイ一ノレ 12の耐久性能を向上できることがわかった。 また図より、重量 比 PA66/P A 6 = 99. I/O. 9よりも PA 6を多くした場合に、 ウォーム ホイール 12の耐久性能をとくに向上できることが確認された。

Claims

請求の範囲

1. 歯面を有する歯車本体を備え、 当該歯車本体を、 PA66の分子構造を有する 部分と、 PA6の分子構造を有する部分とを重量比 PA66/PA6 = 99. 9/ 0. ：!〜 95. 0/5. 0の範囲で含む複合樹脂にて形成したことを特徴とする歯 車。

2. 複合樹脂として、 PA66と PA6とのプレンドポリマーを用いたクレーム 1 の歯車。

3. 複合樹脂として、 PA66と PA6との共重合体を用いたクレーム 1の歯車。

4. 小歯車および大歯車を備え、 かつ両歯車のうち少なくとも一方を、 クレーム 1 の歯車によつて構成したことを特徴とする減速機。

5. クレーム 4の減速機を備え、操舵補助用の電動モータの回転を、 この減速機を 介して減速して舵取機構に伝えることを特徴とする電動パワーステアリング装置。