JP2013126830A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸水による膨潤が小さく、ポリα−αオレフィン油を基油とするグリースを用いたときの潤滑性にも優れた樹脂部を備え、寸法安定性や耐久性、信頼性を高めた電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】減速歯車機構の従動歯車が、金属製芯管の外周に、樹脂組成物からなり外周面にギア歯が形成された樹脂部を一体に設けてなり、かつ、前記樹脂組成物が、１，９−ノナンジアミンと２−メチル−１，８−オクタンジアミンとの混合物からなるジアミン成分と、シュウ酸ジエステルとの重縮合物に、該樹脂組成物全量の１０〜４０質量％の割合で強化繊維材を配合してなり、融点が２３０〜２４０℃であることことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータによる補助出力を、減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置に関する。

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３に示されるような、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。ここで、ウォーム１２は図２に示す電動モータ１００の回転軸に連結しており、駆動歯車に相当し、一方ウォームホイール１１は従動歯車に相当する。

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、接着剤８を用いるなどして一体化させたものを使用して騒音対策を行っている。

上記樹脂部３には、例えば、特許文献１に記載されているように、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等が使用されている。中でも、寸法安定性やコストを考慮して、強化材を含有しない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等のポリアミド樹脂が主流となっている。

また、減速ギア２０のウォーム１２は、図２に示すように、一対の玉軸受等の転がり軸受１１０で支持されて電動モータ１００と連結しており、ハウジング１２０の一対の転がり軸受１１０の間の空間には、通常、ウォーム１２とウォームホイール１１との両ギア歯間の潤滑のためにグリースが充填されている。グリースの基油には、鉱油や耐熱性に優れるポリα−オレフィン油が一般に使用されている。

更に、転がり軸受１１０に予圧をかけるとともに、タイヤ側からの微小なキックバック入力が入ってきたときに、ウォーム１２を軸方向に動かして電動モータ１００が回転しないようにし、ハンドル側にキックバックのみの情報を伝えるために、図示されるように、転がり軸受１１０のウォーム側にゴム製のダンパー１３０を取り付けているものも知られており、使用されるゴムとしては圧縮永久歪が小さいエチレンアクリルゴムに代表されるアクリルゴムが一般である。

特公平６−６０６７４号公報

しかしながら、樹脂部３を形成する上記の樹脂組成物の中で、脂肪族ポリアミド樹脂は、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、当初設定されていたウォーム１２との隙間が無くなり、更に膨潤するとウォーム１２を圧迫する。その結果、ギアの抵抗が大きくなってハンドルが重くなったり、ギアが摩耗や破損を起こして装置全体として機能しなくなることが想定される。

また、低吸水性のポリアミド樹脂も知られているが、その融点はポリアミド１１で１８７℃、ポリアミド１２で１７６℃、ポリアミド６１２で２１６℃。ポリアミド６１０で２２０℃）であり、ポリアミド６６（融点２６５℃）に比べると低くなっている。減速ギア２０にもより高温に耐え得ることが要求されてきているが、低吸水性のポリアミド樹脂では十分とはいえない。

更に、鉱油やポリα−オレフィン油は、金属への濡れ性は良いものの、極性の大きいポリアミド樹脂への濡れ性は悪いという性質があり、そのため金属製のウォーム１２のギア歯と、ウォームホイール１１のギア歯１０との間の潤滑状態は必ずしも十分とは言えない状況にある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、吸水による膨潤が小さく、ポリα−オレフィン油を基油とするグリースを用いたときの潤滑性にも優れた樹脂部を備え、寸法安定性や耐久性、信頼性を高めた電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、下記の電動パワーステアリング装置を提供する。
（１）電動モータによる補助出力を、減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置であって、前記減速歯車機構の従動歯車が、金属製芯管の外周に、樹脂組成物からなり外周面にギア歯が形成された樹脂部を一体に設けてなり、かつ、
前記樹脂組成物が、１，９−ノナンジアミンと２−メチル−１，８−オクタンジアミンとの混合物からなるジアミン成分と、シュウ酸ジエステルとの重縮合物に、該樹脂組成物全量の１０〜４０質量％の割合で強化繊維材を配合してなり、融点が２３０〜２４０℃であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
（２）前記減速歯車機構を構成する従動歯車と駆動歯車との間に、基油としてポリα−オレフィン油を主成分とするグリース組成物が介在していることを特徴とする上記（１）記載の電動パワーステアリング装置。
（３）前記従動歯車及び駆動歯車が、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上記（１）または（２）記載の電動パワーステアリング装置。

本発明によれば、減速ギアのウォームホイールの樹脂部を特定のジアミン成分とシュウジエステルとの重縮合物に強化繊維材を配合して形成したため、吸水による寸法変化を抑えるとともに、ポリα−オレフィン油を基油とするグリースを用いたときの潤滑性にも優れるため、寸法安定性や耐久性、信頼性に優れる電動パワーステアリング装置が得られる。

電動パワーステアリング装置の一例を示す一部断面構成図である。 図１のＡＡ断面図であり、電動モータと減速ギアとの連結部周辺を示す概略構成図である。 減速ギアの一例（円筒ウォームギア）を示す斜視図である。 減速ギアの他の例（平歯車）を示す斜視図である。 減速ギアの更に他の例（はすば歯車）を示す斜視図である。 減速ギアの更に他の例（かさ歯車）を示す斜視図である。 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。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明において、電装パワーステアリング装置自体の構成には制限がなく、例えば図１に示す電動パワーステアリング装置を例示することができる。図示される電動パワーステアリング装置において、ステアリングコラム５０の出力軸６０側には、図２及び図３に示したような減速ギア２０をハウジング１２０に収容して構成されるギアボックスが配設されている。

また、ステアリングコラム５０は中空になっており、ステアリングシャフト７０が挿通され、ハウジング１２０に収納された転がり軸受９０、９１により回転自在に支承されている。また、ステアリングシャフト７０は中空軸であり、トーションバー８０を収容している。そして、ステアリングシャフト７０の外周面には、ウォームホイール１１が設けてあり、このウォームホイール１１にウォーム１２が噛合してある。また、これらウォームホイール１１とウォーム１２とからなる減速ギア２０には、図２に示したように、電動モータ１００が連結されている。

減速ギア２０は、図３に示したように、金属製の芯管１の外周に、外周端面にギア歯１０を形成した樹脂部３を一体化したウォームホイール１１と、金属製のウォーム１２とから構成される。尚、ウォームホイール１１において、金属製芯管１と樹脂部３とを接着剤８により接着してもよく、接着剤８として例えばシラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤またはトリアジンチオール化合物を用いることができる。

本発明では、樹脂部３を、１，９−ノナンジアミンと２−メチル−１，８−オクタンジアミンとの混合物からなるジアミン成分と、シュウ酸ジエステルとの重縮合物（以下「特定の重縮合物」）に、強化繊維材を配合した樹脂組成物で形成する。

特定の重縮合物の融点は、樹脂部３がより高温に耐え得るように２３０〜２４０℃であり、ジアミン成分における（１，９−ノナンジアミン：２−メチル−１，８−オクタンジアミン）比を調整することにより上記融点とすることができる。具体的には、（１，９−ノナンジアミン：２−メチル−１，８−オクタンジアミン）比を５：９５〜１０：９０モル％、好ましくは７０：３０〜９０：１０モル％とすることができ、この範囲で上記融点となるように調整する。

シュウ酸ジエステルはアミノ基との反応性を有するものであれば特に制限はなく、シュウ酸ジメチル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジｎ−（またはｉ−）プロピル、シュウ酸ジｎ−（またはｉ−、またはｔ−）ブチル等の脂肪族１価アルコールのシュウ酸ジエステル、シュウ酸ジシクロヘキシル等の脂環式アルコールのシュウ酸ジエステル、シュウ酸ジフェニル等の芳香族アルコールのシュウ酸ジエステル等が挙げられる。中でも、炭素原子数が３を超える脂肪族１価アルコールのシュウ酸ジエステル、脂環式アルコールのシュウ酸ジエステル、芳香族アルコールのシュウ酸ジエステルが好ましく、シュウ酸ジブチル及びシュウ酸ジフェニルが特に好ましい。

また、ジアミン成分とシュウ酸ジエステルとの比は、（シュウ酸ジエステル／ジアミン成分）比で０．９９〜１．０１が好適である。

特定の重縮合物の分子量は、強化繊維材を含有した状態で射出成形できる範囲、すなわち数平均分子量で１３０００〜３００００が好ましく、耐疲労性や成形性などを考慮すると数平均分子量で１８０００〜２６０００がより好ましい。数平均分子量が１３０００未満では、分子量が低すぎて耐疲労性が悪く、実用性が低い。これに対して数平均分子量が３００００を超える場合には、強化繊維材を規定量含有した状態での溶融粘度が高すぎて、精度よく射出成形することが困難となる。

このような特定の重縮合物の飽和吸水率は、０．９〜１．３％であり、従来低吸水性ポリアミドとして使用されているポリアミド６６（飽和吸水率５．６％）やポリアミド６（飽和吸水率１０．７％）に比べて格段に低く、吸水による寸法変化が非常に小さく、寸法安定性に優れるようになる。

尚、重合方法は、例えば以下に示すような（１）前重縮合工程、（２）後重縮合工程の順で行うのが好ましい。
（１）前重縮合工程
反応器内を窒素置換した後、ジアミン成分とシュウ酸ジエステルとを上記比率で混合する。混合に際してジアミン成分及びシュウ酸ジエステルが共に可溶な溶媒を用いることができ、例えば、トルエン、キシレン、トリクロロベンゼン、フェノール、トリフルオロエタノールなどを用いることができる。そして、例えば、ジアミン成分を溶解したトルエン溶液を５０℃に加熱した後、シュウ酸ジエステルを加える。次いで、反応器内を攪拌及び／又は窒素バブリングしながら、常圧下で昇温する。反応温度は、最終到達温度が８０〜１５０℃、好ましくは１００〜１４０℃の範囲になるように制御する。また、最終到達温度での反応時間は３時間〜６時間である。
（２）後重縮合工程
高分子量化を図るために、前重縮合工程で生成した重合物を常圧下において反応器内で徐々に昇温する。昇温過程において前重縮合工程の最終到達温度（８０〜１５０℃）から、最終的に２２０℃以上３００℃以下、好ましくは２３０℃以上２８０℃以下、更に好ましくは２４０℃以上２７０℃以下の温度範囲にまで到達させる。昇温時間を含めて１〜８時間、好ましくは２〜６時間保持して反応を行うことが好ましい。さらに後重合工程において、必要に応じて減圧下での重合を行うこともできる。減圧重合を行う場合の好ましい最終到達圧力は０．１ＭＰａ未満〜１３．３Ｐａである。

特定の重縮合物は、それ自身で一定以上の耐久性を示し、ウォームホイール１１の相手材であるウォーム１２の摩耗に対して有利に働き、減速ギア２０として十分に機能するが、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、信頼性を高めるために強化繊維材を配合する。

強化繊維材としては、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、特定の重縮合物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、これらの強化繊維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。また、ガラス繊維は、少ない配合量で高強度化及び耐摩耗性の改善が可能な平均繊維径が５〜７μｍのもの、あるいは異形断面のものがより好適である。

また、強化繊維材は、全体の１０〜４０重量％、特に１５〜３０重量％の割合で配合することが好ましい。強化繊維材の配合量が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。強化繊維材の配合量が４０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。

更に、特定の重縮合物には、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されていてもよい。

上記の如く構成される電動パワーステアリング装置では更に、従来と同様に、ハウジング１２０の一対の転がり軸受１１０の間の空間に、ウォーム１２とウォームホイール１１との両ギア歯間の潤滑のためのグリースが充填される（図２参照）。本発明では、特定の重縮合物との濡れ性を考慮して、ポリα−オレフィン油を主成分とする基油を含むグリースを用いることが好ましい。特定の重縮合物は、アミド基間に長い炭化水素鎖または芳香族環を含有しない分子構造であるため、ポリアミド６やポリアミド６６に比べてポリα−オレフィン油との濡れ性に優れる。

ここで、主成分とは、ポリα−オレフィン油が基油全量の５０質量％を超えることを意味し、好ましくは７０質量％以上をポリα−オレフィン油とする。ポリα−オレフィン油と混合できる潤滑油としては、ポリα−オレフィン油の潤滑性を改善させる効果があることから、ジエステル油や芳香族エステル油等が挙げられる。

また、基油の動粘度は４０〜２２０ｍｍ^２／ｓ（４０℃）が好ましく、ジエステル油や芳香族エステル油等と混合する場合は、混合油としてこの動粘度範囲とする。

増ちょう剤には制限は無く、金属石けんやウレア化合物を使用できるが、特定の重縮合物に構造が類似し、吸着性に優れるウレア化合物が好ましい。また、増ちょう剤の配合量も上記基油とともにグリースを形成し得る限り制限されるものではないが、グリース全量の１０〜２０重量％が適当である。

グリースには、必要に応じて種々の添加剤を添加することもできる。例えば、アミン系やフェノール系等の酸化防止剤、カルシウムスルホネート等の防錆剤、ジチオカルバミン酸モリブデン等の極圧添加剤、モンタン酸エステルワックス、モンタン酸エステル部分けん化ワックス、オレイン酸等の油性向上剤等を添加することができる。

尚、本発明の電動パワーステアリング装置では、減速ギア２０として、上記したウォームホイール１１及びウォーム１２以外にも、図４に示す平歯車、図５に示すはすば歯車、図６に示すかさ歯車、図７に示すハイポイドギア等が可能であり、何れもウォームホイール１１を、金属製芯管１の外周に、上記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を、接着剤８を用いるなどして一体化して構成する。

以下に実施例及び比較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。

（実施例１）
１，９−ノナンジアミンを８５モル％及び２−メチル−１，８−オクタンジアミンを１５モル％からなるジアミン成分と、シュウ酸ジブチルとを１：１の割合で重合させて得た重縮合物Ａを調製した。重縮合物Ａの数平均分子量は２２０００で、融点は２３５℃であった。尚、重縮合物Ａには、熱安定剤としてヨウ化銅系熱安定化剤を添加した。

次いで、重縮合物Ａに、シランカップリング剤で処理したガラス繊維（平均繊維径６．５μｍ）を２５質量％の割合となるように配合して樹脂組成物を調製した。

そして、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、上記の樹脂組成物を射出成形して外径６０ｍｍ、幅１３ｍｍの外周部にヘリカルギア歯を有するものを作製した。次いで、ボブカッターを用いて切削加工してギア歯の仕上げを行い、ウォームホイール試験体を作製した。

（実施例２）
ジアミン成分を、１，９−ノナンジアミンを６モル％、２−メチル−１，８−オクタンジアミンを９４モル％とした以外は実施例１と同様にして重縮合物Ｂを調製し、同様にしてウォームホイール試験体を作製した。尚、重縮合物Ｂの数平均分子量は２２０００で、融点は２３２℃であった。

（比較例１）
シランカップリング剤で処理したガラス繊維（平均繊維径１３μｍ）を３０質量％の割合で含有するポリアミド６６（宇部興産製「ナイロン２０２０ＧＵ６」：Ｃｕ系熱安定剤含有、数平均分子量２００００、融点２６５℃）を用いて同様のウォームホイール試験体を作製した。

（比較例２）
ジアミン成分を、１，９−ノナンジアミンを５０モル％、２−メチル−１，８−オクタンジアミンを５０モル％とした以外は実施例１と同様にして重縮合物Ｃを調製し、同様にしてウォームホイール試験体を作製した。尚、重縮合物Ｃの数平均分子量は２２０００で、融点は２０６℃であった。

（比較例３）
シランカップリング剤で処理したガラス繊維（平均繊維径１０μｍ）を３０質量％の割合で含有するポリアミド９Ｔ（クラレ製「ジェネスタＧ１３００Ａ」：熱安定剤含有グレード、融点３０４℃）を用いて同様のウォームホイール試験体を作製した。

表１に、上記の実施例及び比較例の各樹脂組成物の組成及び融点を示す。

また、上記の実施例及び比較例の各ウォームホイール試験体について、下記に示すように寸法安定性及び耐久性を評価した。結果を表２に示す。
（１）寸法安定性
ウォームホイール試験体を下記条件Ｉまたは条件IIの下に放置し、放置後にギア外径寸法を測定し、放置前のギア外径寸法からの変化量を求めた。何れの条件でも変化量が４０μｍ以下の場合を合格「〇」、４０μｍを超える場合を不合格「×」とした。
・条件Ｉ：６０℃、９０％ＲＨ、７０時間
・条件II：８０℃、９０％ＲＨ、３００時間
（２）耐久性
ウォームホイール試験体を実際の電動パワーステアリング装置の減速ギアに組み込み、下記条件Ｉ〜ＩＩＩにて操舵操作を繰り返し行った。減速ギアには、ポリα−オレフィン油（動粘度；８ｍｍ^２／ｓ＠４０℃）を基油とし、脂肪族ジウレア化合物を増ちょう剤（増ちょう剤量：１３質量％）とし、ポリエチレンワックス（摩耗防止剤）及び４，４´―ジオクチルジフェニルアミン（酸化防止剤）及び中性カルシウムスルホネート（防錆剤）を添加し、ちょう度Ｎｏ．２に調整したグリースを充填した。何れの条件でも、１０万回の操舵に耐え得る場合を合格「〇」、１０万回の操舵に耐えられなかった場合を不合格「×」とした。
・条件Ｉ ：３０℃、５０％ＲＨ
・条件II ：５０℃、９０％ＲＨ
・条件III：８０℃、５０％ＲＨ

表２に示すように、本発明に従う実施例１，２は、何れの条件下でも寸法安定性及び耐久性に優れている。これに対し、従来の樹脂材料であるポリアミド６６を用いた比較例１では、高温、高湿度の過酷な条件では寸法安定性及び耐久性に劣るようになる。また、比較例２の重縮合物Ｃを用いた場合には、融点が低く、高温での耐久性が低下している。更に、ポリアミド９Ｔを用いた比較例３では、寸法安定性は問題がないものの、ポリα−オレフィン油を基油とするグリースとの濡れ性が悪いため、樹脂の摩耗の進行が早く、何れの条件でも耐久性に劣っている。

１ 芯管
３ 樹脂部
１０ ギア歯
１１ ウォームホイール
１２ ウォーム
２０ 減速ギア
５０ ステアリングコラム
７０ ステアリングシャフト
９０ 軸受
９１ 軸受
１００ 電動モータ
１１０ 転がり軸受
１２０ ハウジング
１３０ ダンパー

Claims (3)

1. 電動モータによる補助出力を、減速歯車機構を介して車両のステアリング機構に伝達する電動パワーステアリング装置であって、
   前記減速歯車機構の従動歯車が、金属製芯管の外周に、樹脂組成物からなり外周面にギア歯が形成された樹脂部を一体に設けてなり、かつ、
   前記樹脂組成物が、１，９−ノナンジアミンと２−メチル−１，８−オクタンジアミンとの混合物からなるジアミン成分と、シュウ酸ジエステルとの重縮合物に、該樹脂組成物全量の１０〜４０質量％の割合で強化繊維材を配合してなり、融点が２３０〜２４０℃であることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記減速歯車機構を構成する従動歯車と駆動歯車との間に、基油としてポリα−オレフィン油を主成分とするグリース組成物が介在してい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。
3. 前記従動歯車及び駆動歯車が、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または２記載の電動パワーステアリング装置。

Images