(57)【要約】【課題】コラムアシスト式は当然のこととして、より厳しい条件で使用されるラックアシスト式に適用した場合においても、高い信頼性を備え、静音性に優れた電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】ポリアミド樹脂に、有機繊維を樹脂組成物全量の１０〜４０質量％、結晶核剤又は結晶化促進剤を樹脂組成物全量の２質量％以下配合した樹脂組成物からなる樹脂部を、金属製芯管の外周に一体に設け、前記樹脂部の外周面にギヤ歯を形成して構成されるウォームホイールを有する減速ギヤを備える電動パワーステアリング装置。【選択図】図３
2015150984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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において、
前記減速歯車機構が、ポリアミド樹脂に、有機繊維を樹脂組成物全量の１０〜４０質量％、結晶核剤又は結晶化促進剤を樹脂組成物全量の２質量％以下配合した樹脂組成物からなる樹脂部を、金属製芯管の外周に一体に設け、前記樹脂部の外周面にギヤ歯を形成して構成されるウォームホイールを有する減速ギヤ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。
【請求項２】
前記樹脂組成物に含まれる結晶核剤又は結晶化促進剤が無機鉱物、金属酸化物、リン化合物及び有機物の中から選ばれる少なくとも１種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。
【請求項３】
前記樹脂組成物に含まれる有機繊維がポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂及びビスマレイミド樹脂から選ばれる少なくとも1種のサイジング剤によって表面処理が施されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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し、特に金属製芯金の外周に、樹脂組成物からなり外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体に設けてなる従動歯車を備え、グリース潤滑される電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車に組み込まれる電動パワーステアリング装置に用いられ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５に示すような、電動モータ（図示せず）の回転軸に連結するウォーム５２と、ウォーム５２に噛み合うウォームホイール５１とから構成される減速ギヤ５０が使用されるのが一般的である。
【０００３】
このような減速ギヤ５０では、ウォームホイール５１とウォーム５２の両方を金属製とすると、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が生じやすい。そこで、ウォームホイール５１に、金属製の芯管６２の外周に、樹脂製で外周面にギヤ歯６４を形成してなる樹脂部６３を一体化させたものを使用し、（金属製ウォームホイールを採用する場合に対して、という意味での）騒音対策を行っている。
【０００４】
上記樹脂部６３には、例えば、特許文献１に示すようにポリアミド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）などのベース樹脂に、ガラス繊維や炭素繊維等の強化材を配合した材料の他、ガラス繊維や炭素繊維などを含有しないＭＣナイロン（クオドラントポリペンコジャパン株式会社の登録商標）やポリアミド６、ポリアミド６６等が使用されている。中でも、性能とコストのバランスから、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等が主流となっている。
【０００５】
しかしながら、上記ガラス繊維や炭素繊維で強化された樹脂組成物を減速ギヤ５０のウォームホイール用材料として適用した場合、強度・剛性、及び寸法安定性が著しく改善されるものの、ガラス繊維及び炭素繊維はウォーム５２への攻撃性が強く、静音性に未だ改善の余地があると思われる。更に、通常の使用に伴う正常摩耗の進行によって樹脂ギヤ歯より脱落したガラス繊維や炭素繊維が、ギヤ歯６４とウォーム５２との間に介在することで、ギヤ歯面のアブレシブ摩耗が促進され、その結果としてステアリングの操舵フィーリングの変化などが想定される。また、ガラス繊維や炭素繊維で補強された樹脂を射出成形する場合、射出成形機のスクリューも傷付けてしまい、スクリューの寿命を短くしてしまう傾向にある．
【０００６】
上記のような相手部材やスクリューの傷付け性に関する課題改善のために、例えば特許文献２〜４では、ポリマーを変性させることによって相手材への傷付け性を低減したり、熱硬化性樹脂にアラミド繊維シートを充填している。しかしながら、ポリマー変性では重合に時間がかかったり、結晶化が遅くなり成形サイクルが長くなるといった懸念がある。また、アラミド繊維で補強した場合、無機繊維のように結晶化速度の向上が見込めず成形サイクルが長くなってしまう。
【０００７】
また、電動パワーステアリング装置には、車室内に搭載されるコラムアシスト式とエンジンルーム内に搭載されるラックアシスト式があり、上記の現在主流の材料は、特に、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置において好適に適用されることが多い。しかしながら、エンジンルーム内に搭載されるラックアシスト式においては、その性能に対する要求として、コラムアシスト式と比較しての更なる高温環境（〜１２０℃）対応化、及び高出力化があり、更にこれらに加えて、コラムアシスト式の場合と同様に、静音化に対する強い要求もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平６−６０６７４号公報
【特許文献２】特開平５−３０６３７１号公報
【特許文献３】特開平１０−１４１４７７号公報
【特許文献４】特開２００２−３９３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような状況に着目してなされたものであり、特に、静音性と耐摩耗性に優れ、且つ、サイクルタイムの向上も達成し、寸法安定性にも優れるラックアシスト式電動パワーステアリングにも適用可能なウォームホイール用樹脂組成物を提供し、これによりコラムアシスト式は当然のこととして、ラックアシスト式に適用した場合においても高い信頼性を備えた電動パワーステアリング用減速ギヤ、及びそれが用いられ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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記したように、コラムアシスト式向けには、樹脂部６３を形成する樹脂組成物として、ガラス繊維や炭素繊維で強化されたポリアミド樹脂が用いられている。しかし、このような繊維強化樹脂においては、ガラス繊維や炭素繊維のウォーム５２への攻撃性が高く、静音性の面で、その改善に対する潜在的な要求があった。更に、通常の使用に伴う正常摩耗の進行によってギヤ歯６４から脱落したガラス繊維や炭素繊維がギヤ歯６４とウォーム５２との間に入り込み、介在することでギヤ歯面のアブレシブ摩耗が促進され、その結果として、ステアリングの操舵フィーリングの変化が想定され、この点にも改善の余地があるものと思われた。
【００１１】
一方、繊維強化樹脂の他に、コラムアシスト式向けにウォームホイール用材料として、ガラス繊維や炭素繊維などを含有しないＭＣナイロンも広く実用されている。このＭＣナイロンからなるウォームホイール５１によれば、当然ながら、繊維強化樹脂製ウォームホイールの懸念点とされた静音性の課題の克服は可能と思われるが、より過酷な環境下での使用が想定されるラックアシスト式への適用を想定すると、ＭＣナイロンでは耐熱や耐久性が不足しており、ラックアシスト式電動パワーステアリングにおいて要求される製品レベルには到達しないことが実験によって明らかになってきた。また、ＭＣナイロンは、寸法安定性に寄与する補強繊維などを一切含有しないため、吸水による寸法安定性の面でも更なる改善の余地があるものと捉えられていた。更に、ＭＣナイロンは製造法に制限があり、即ち、ハイサイクル射出成形が困難であり、製造面からのコスト低減が極めて困難であるとの現状があった。
【００１２】
そこで本発明者らは、現在、コラムアシスト式に実用されている樹脂材料（繊維強化樹脂材、繊維非強化樹脂材）からなるウォームホイールの、ラックアシスト式への適用を想定した条件（高温：８０℃条件、高出力：対コラムアシスト比１．５倍）によるギヤ耐久試験終了品を詳細に分析すると共に、他の開発試作材からなるウォームホイールによる試験を繰返し行う等、鋭意研究を重ねた結果、ウォームホイール用の材料として、樹脂歯に、相手金属や射出成形機のスクリューの摩耗を抑制できるアラミド繊維によって強化された熱可塑性樹脂組成物を適用すれば上記課題の克服が可能であることを見出した。しかし、アラミド繊維を補強材とした材料を射出成形した際にガラス繊維を補強材とした材料よりも成形サイクルが長くなることが判明し、結晶核剤または結晶化促進剤をさらに添加することが効果的であることを知見し、本発明を完成させた。
【００１３】
即ち、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において、
前記減速歯車機構が、ポリアミド樹脂に、有機繊維を樹脂組成物全量の１０〜４０質量％、結晶核剤又は結晶化促進剤を樹脂組成物全量の２質量％以下配合した樹脂組成物からなる樹脂部を、金属製芯管の外周に一体に設け、前記樹脂部の外周面にギヤ歯を形成して構成されるウォームホイールを有する減速ギヤ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。
（２）前記樹脂組成物に含まれる結晶核剤又は結晶化促進剤が無機鉱物、金属酸化物、リン化合物及び有機物の中から選ばれる少なくとも１種であ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）前記樹脂組成物に含まれる有機繊維がポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂及びビスマレイミド樹脂から選ばれる少なくとも1種のサイジング剤によって表面処理が施されてい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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ウォームホイールを構成する樹脂部を、有機繊維とともに結晶核剤または結晶化促進剤を適量配合したポリアミド樹脂組成物で形成することにより、コラムアシスト式は当然のこととして、より過酷な環境下で使用されるラックアシスト式にも適用可能な高い信頼性を備え、且つ、静音性に優れた電動パワーステアリング装置を効率よく生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】コラムアシスト式電動パワーステアリング装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】ラックアシスト式電動パワーステアリング装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の減速ギヤの一例を示す斜視図である。
【図４】タルク配合量とゲートシール時間との関係を示すグラフである。
【図５】従来の減速ギヤを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
本発明は、コラムアシスト式電動パワーステアリング装置並びにラックアシスト式電動パワーステアリング装置の両方に適用できる。
【００１８】
図１はコラムアシスト式電動パワーステアリング装置１０の一例を示す概略図であるが、舵輪軸１１は、上部舵輪軸１１ａと下部舵輪軸１１ｂとで構成され、舵輪軸１１は舵輪軸ハウジング１２の内部に軸芯回りに回転自在に支承されており、舵輪軸ハウジング１２は車室内部の所定位置に、その下部を前方に向けて傾斜した状態に固定されている。また、上部舵輪軸１１ａの上端には、図示されていない舵輪が固定されている。更に、上部舵輪軸１１ａと下部舵輪軸１１ｂとは、図示されていないトーションバーにより結合されており、舵輪から上部舵輪軸１１ａを経て下部舵輪軸１１ｂに伝達される操舵トルクがトーションバーに検出され、検出された操舵トルクに基づいてモータ１３の出力が制御される。モータ１３には減速ギヤ３０が連結しており、モータ１３の回転がウォーム及びウォームホイールを経て下部舵輪軸１１ｂに伝承される。
【００１９】
また、ラック・ピニオン式運動変換機構２０は、長手方向を車両の左右方向として車両前部のエンジンルーム内に略水平に配置され、軸方向に移動自在なラック軸２１と、ラック軸２１の軸芯に対して斜めに支承されてラック軸２１の歯部に噛合する歯部を備えたピニオンを含むピニオン軸２２、及びラック軸２１とピニオン軸２２を支承する筒状のラック軸ケース２３とから構成される。
【００２０】
また、図２はラックアシスト式電動パワーステアリング装置１００の一例であるが、ラック軸１０１と、ステアリング軸（図示せず）に連結する第１のピニオン１０５と、モータ１１０側の第２のピニオン１０６と、減速ギヤ３０とを備えている。減速ギヤ３０は、モータ１１０のシャフトに連結されたウォームとウォームホイールとから構成されており、第２のピニオン１０６がウォームホイールに固着されている。また、第２のピニオン１０６はラック軸１０１に噛み合っている。
【００２１】
そして、上記の減速ギヤ３０は、図３に示したような、金属製の芯管４２の外周に、樹脂組成物製でその外周端面にギヤ歯４４を形成した樹脂部４３を一体化したウォームホイール３１と、ウォーム３２とを備える。尚、ウォーム３２は金属製とすることもできる。
【００２２】
ウォームホイール３１の樹脂部４３を形成する樹脂組成物の母材はポリアミド樹脂であり、具体的にはポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６の他に、半芳香族ポリアミドであるポリアミド６Ｔ／６−６、ポリアミド６Ｔ／６Ｉ、ポリアミド６Ｔ／６Ｉ／６−６、ポリアミド６Ｔ／Ｍ−５Ｔ、ポリアミド９Ｔなどを好適に使用することができる。
【００２３】
樹脂組成物には、補強材として有機繊維が配合される。有機繊維は、金属製のウォーム３２を過剰に損傷せず、かつ、高強度であればよく、具体的にはアラミド繊維、ポリアリレート繊維及びポリパラフェニレンベンズビスオキサザール繊維等を挙げることができる。
【００２４】
尚、上記有機繊維は、ポリアミド樹脂との密着性を高めて補強効果を向上させるためにポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂及びビスマレイミド樹脂から選ばれる１種以上のサイジング剤によって表面処理を施したものを使用することが好ましい。
【００２５】
また、有機繊維の充填量は、発明者らが検討を重ねた結果として、樹脂組成物全量の１０〜４０質量％の範囲内で配合される。その理由としては、１０質量％に満たない場合には、十分な補強効果が発現しないため好ましくない。また、４０質量％を超えて配合すると樹脂組成物の流動性が低下して成形性が低くなり、射出成形に対応できなくなるためである。好ましい充填量は１０〜２５質量％である。
【００２６】
樹脂組成物には、成形サイクルを短縮するために、結晶核剤または結晶化促進剤が添加される。具体的には、タルクやカオリン、クレイ等の無機鉱物、金属酸化物、リン化合物及び高融点ポリアミド等の有機物であり、これらを単独で、または複数種を混合して用いる。これら結晶核剤または結晶化促進剤の添加量は、樹脂組成物全量の２質量％以下である。その理由としては、２質量％を超えて配合した場合はそれ以上の結晶化に関する効果は得られないばかりか、物性の低下が懸念されるためである．好ましくは０．１〜１質量％添加する。
【００２７】
また、樹脂組成物にナノサイズフィラーを添加し、更に耐久信頼性を向上させても良い。具体的には、厚さ約１ｎｍの結晶が積層された層状結晶構造を有するモンモリロナイト、ヘクトライト、サポナイト等のスメクタイトが特に好適である。このスメクタイトの層状結晶を樹脂中に均一分散させることによって、樹脂組成物の強度、弾性率、熱変形温度、寸法安定性等、機械的特性の向上が可能となる。
【００２８】
ナノフィラーは、スメクタイトの層状結晶以外にＰＯＳＳ（ｐｏｌｙｈｅｄｒａｌ  ｏｌｉｇｏｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）と呼ばれるナノマテリアルであってもよい。ここで、ＰＯＳＳは有機−無機ハイブリッド材料の一つであり、その分子構造は、中央部にＳｉとＯからなる立方体状骨格を持ち、その頂点に有機置換基が結合した籠型構造である。
【００２９】
尚、ナノサイズフィラーの添加量は、樹脂組成物全量の０．１〜３０質量％、好ましくは０．５〜１５質量％である。添加量が０．１質量％より少量の場合は、有効成分としてのナノサイズフィラーの添加量が少なすぎ、十分な効果を得ることができず好ましくない。また、３０質量％を超えてナノサイズフィラーを添加した場合には、樹脂中でナノサイズフィラーが凝集してしまい、均一分散化を実現することが困難となり、ナノサイズフィラー増量の効果が発現せず、好ましくない。
【００３０】
更には、添加剤として、成形時、及び使用時の熱による劣化を防止するために、ヨウ化物系熱安定剤や、フェノール系またはアミン系の酸化防止剤を、それぞれ単独あるいは併用して添加しても良い。
【００３１】
また、減速ギヤ３０には、樹脂製ウォームホイールの歯部分と金属製ウォームの歯部分との潤滑状態を良好に保つためにグリースが使用される。
【００３２】
本発明に用いられるグリースは、増ちょう剤と基油とを主成分とし、基油は、ポリα−オレフィン油を主成分としたものであり、増ちょう剤は、アミンとイソシアネートからなるウレア化合物、Ｌｉ石けん、Ｌｉコンプレックス石けん、Ｂａ石けん、Ｂａコンプレックス石けん等の中から選択できる。尚、基油は、上記のポリα−オレフィン油の潤滑性を改善するために、ジエステル油や芳香族エステル油を混合したものであってよい。混入量は、基油全体に対して３０質量％以下である。
【００３３】
また、グリースには、他の添加剤を加えることもできる。例えば、アミン系やフェノール系等の酸化防止剤、Ｃａスルホネート等の防錆剤、ＭｏＤＴＣ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、ポリエチレンワックス、オレイン酸等油性向上剤などである。
【００３４】
上記グリースは、ちょう度２００〜３００が好ましく、基油の動粘度は、低温から高温までの流動性を考慮して２０〜９０ｍｍ２／ｓ（４０℃）が好ましい。ちょう度が２００に満たない場合には、硬すぎて軽快な操舵フィーリングが失われるだけでなく、特に低温下での伝達効率が看過できないレベルにまで低下するため、好ましくない。一方、ちょう度が３００を越えるような場合には、油膜破断が生じ易く、油膜破断が生じることでグリースによるギヤの騒音抑制効果が期待できなくなるため、好ましくない。好ましいちょう度は２６５〜２９５である。
【００３５】
尚、本発明では減速ギヤ３０の種類として、図３に示す他にも平歯車、はすば歯車、かさ歯車、ハイポイドギヤ等が可能であり、何れも金属製の芯管の外周に、外周面にギヤ歯が形成された樹脂部を一体化したものである。
【実施例】
【００３６】
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。
【００３７】
［実施例及び比較例のウォームホイール用樹脂組成物の調製］
表１に示すように、実施例１では、ポリアミド６（宇部興産株式会社の「ＵＢＥナイロン」シリーズ：１０１５Ｂ）に、パラ系アラミド繊維（（株）帝人「テクノーラ」）を２０質量％、タルクを１質量％配合し、混練して樹脂組成物を得た。
【００３８】
また、比較例１、２では、何れも従来のウォームホイール用材料であるガラス繊維強化ポリアミド樹脂（ガラス繊維３０質量％強化ポリアミド６：（株）東レのアミラン「ＣＭ１０１１Ｇ−３０）、ポリアミド６（宇部興産株式会社の「ＵＢＥナイロン」シリーズ：１０１５Ｂ）の無垢材にパラ系アラミド繊維（（株）帝人「テクノーラ」）を配合した材料を用いた。
【００３９】
［ウォームホイール試験体の作製及び成形性評価］
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、射出成形機を用いて実施例及び比較例の各樹脂組成物を充填して、外径６０ｍｍ、幅１３ｍｍのウォームホイールブランク材とし、次いで樹脂部の外周を切削加工してギヤ歯を形成して作製した。
【００４０】
また、ウォームホイールブランク材作製の際、ゲートシール時間を計測して成形性の評価を行った。結果を、比較例１のゲートシール時間を基準とし、同等以上の場合を「○」、時間が長くなる場合を「×」とし、表１に記載した。実施例１では結晶核剤であるタルクを添加することにより、比較例２では実現できなかったガラス繊維強化材を含む材料と同等のゲートシール時間を実現している。
【００４１】
更に、実施例１の配合に基づき、タルク配合量を変えて樹脂組成物を調製し、ウォームホイールブランク材作製におけるゲートシール時間を測定した。結果を図４に示すが、タルクの配合量が２質量％を越えるとゲートシール時間の短縮への寄与が少なくなることがわかる。
【００４２】
［ウォームへの攻撃性の評価］
ウォームホイールのウォームへの攻撃性を把握することを目的に、実施例及び比較例の樹脂組成物から板状の試験片を作製してボールオンディスク試験を行い、試験終了後の金属製ボールの損傷状態を評価した。即ち、本試験では、板状試験片と金属性ボールとの間にグリースを介在させ、雰囲気温度２３℃にて金属ボールを回転させ、所定時間経過後に金属製ボールの表面状態を観察した。
【００４３】
その結果、ガラス繊維強化材である比較例１では試験終了後の金属製ボールにガラス繊維による損傷痕が明確に認められたのに対し、アラミド繊維強化材である実施例１及び比較例２では金属製ボールの表面状態は極めて良好であった。このことから、ガラス繊維強化材を用いた従来品と異なり、アラミド繊維を用いることにより、ステアリング操作時にガラス繊維がウォームを攻撃しながら摺動することで生じる不快音の発生を抑制することが実現できることがわかる。
【００４４】
［耐久性の評価］
作製した実施例及び比較例のウォームホイール試験体を、実際の自動車の電動パワーステアリング装置に組み込み耐久性を評価した。試験は、雰囲気温度を８０℃にコントロールして、１０万回の操舵を行い、破損（歯元クラック等）が認められず、更に摩耗が所定量以下であるものを合格と判定した。
【００４５】
その結果、実施例１のウォームホイール試験体は、１０万回操舵後もクラック発生は認められず、また、摩耗も少なく、問題なく作動したことから合格と判定された。それに対し、ガラス繊維強化ポリアミド６からなる比較例１のウォームホイール試験体では、過大な摩耗量となり不合格であった。
【００４６】
［寸法安定性の評価］
実施例及び比較例のウォームホイール試験体を、８０℃、９０％ＲＨの環境下に放置し、５００時間経過後のギヤ外径寸法の変化量を測定した。結果を表1に示すが、前記条件下で放置後、変化量が４０μｍ以下を合格として「○」で表示し、４０μｍを超えるものを不合格として「×」で表示した。表1の結果から明らかなように、結晶核剤であるタルクを添加することで、ガラス繊維を３０質量％含むポリアミド６と同等の寸法安定性を実現している。
【００４７】
【表１】
2015150984.tif 000003
【符号の説明】
【００４８】
３０  減速ギヤ
３１  ウォームホイール
３２  ウォーム
４２  芯管
４３  樹脂部
４４  ギヤ歯 
【図１】
2015150984.tif 000004
【図２】
2015150984.tif 000005
【図３】
2015150984.tif 000006
【図４】
2015150984.tif 000007
【図５】
2015150984.tif 000008