(57)【要約】【課題】高音耐久性に優れ、かつギアのトルク伝達を高効率で実施できるグリース組成物を提供することによって、高性能化の電動パワーステアリング装置を実現する。【解決手段】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、樹脂組成物から成り外周面にギア歯が形成された樹脂部を一体に設けて成り、かつ少なくとも前記従動歯車と駆動歯車との間に、ウレア化合物を増ちょう剤とし、金属石けんから選ばれる少なくとも１種を添加剤として含むグリースを介在させている。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータによる補助出力を、従動歯車と駆動歯車から成る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、前記従動歯車は、金属製芯管と、ギヤ歯が形成された樹脂部とを一体に設けて成り、前記従動歯車と前記駆動歯車との間に、ウレア化合物を増ちょう剤とし、金属石けんから選ばれる少なくとも１種を添加剤として含むグリース組成物を介在させた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】
前記金属石けんが前記グリース組成物全量の０．５〜１０重量％である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項３】
前記グリース組成物の基油が合成炭化水素油、鉱油から選ばれる少なくとも１種を基油全量に対して８０重量％以上含んでいる請求項２に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項４】
前記樹脂部を構成する樹脂がポリアミド樹脂であり、前記減速歯車機構が、円筒ウォームギア、はすば歯車、平歯車、かさ歯車又はハイポイド歯車のいずれかによる請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、特に樹脂歯車と金属歯車とが噛合する減速歯車機構を備え、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。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に組込まれる電動パワーステアリング装置では、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込まれている。減速機構としては、１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。）等の減速歯車機構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の回転軸に連結されており、ウォーム１２は駆動歯車に相当し、ウォームホイール１１が従動歯車に相当する。
【０００３】
このような減速ギア２０では、ウォームホイール１１及びウォーム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を形成して成る樹脂部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。
【０００４】
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、ポリアミド４６、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剤を配合した材料の他、強化剤を含有しない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、強化剤を含有しない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】
また、減速ギア２０のウォーム１２は図２に示すように、１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に連結されており、ハウジング１２０の１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。更に、転がり軸受１１０に予圧をかけると共に、タイヤ側からの微小なキックバック入力が入ってきた時に、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１３０を取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み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的である。また、上記グリースは、リチウム石けんを増ちょう剤、鉱油やポリα−オレフィン油を基油とするものが一般的である。
【０００６】
自動車の居住空間の拡大のため、電動パワーステアリング装置も小型化が望まれている。装置の小型化に際し、ウォーム１２及びウォームホイール１１の両ギア歯間の摺動面面圧の上昇と高温化等、樹脂ギアの使用条件が過酷化することは避けられない。
【０００７】
また、上記概略した電動パワーステアリング装置を大型車に適用すると、高荷重条件下で樹脂部材と金属部材の摺動が為されることとなり、摺動部における摩擦力の増大からハンドルをゆっくり切った場合に引っ掛かりを感じたり、また樹脂ギヤの耐久寿命が短くなるなどの問題が発生する恐れがある。
【０００８】
【特許文献１】
特公平６−６０６７４
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−３７１２９０
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来のリチウム石けんを増ちょう剤、鉱油やポリα−オレフィン油を基油としたグリースでは、電動パワーステアリング装置に要求される性能を満足することが困難となりつつある。つまり、装置の高温化、高荷重化に伴いリチウム石けんでは耐熱性に乏しく、長期の潤滑寿命を期待できない。
【００１１】
本発明は上述のような状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高温耐久性に優れ、かつギアのトルク伝達を高効率で実施できるグリース組成物を提供することによって、高性能な電動パワーステアリング装置を実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、ウレア化合物を増ちょう剤としたグリースと、リチウム石けんを増ちょう剤としたグリースとを電動パワーステアリング装置の樹脂ギアの潤滑剤として比較した場合、それぞれ以下に示すような特性を有することを知見した。
【００１３】
ウレア化合物を増ちょう剤としたグリースは耐熱性に優れ、高温雰囲気下における樹脂ギアの寿命をリチウム石けんを増ちょう剤にしたグリースに比して大幅に延長することができるが、反面、ギアのトルク伝達効率がリチウム石けんを増ちょう剤としたグリースに比べて低くなってしまう。
【００１４】
本願発明者らはその原因を追求した結果、樹脂−金属間の摩擦係数をウレアグリースを潤滑剤とした場合と、リチウム石けんグリースを潤滑剤とした場合とを比較すると、前者の摩擦係数の方が往々にして後者のそれよりも大きいことを知見した。
【００１５】
摩擦係数が大きいと摩擦損失が過大となり、トルク伝達効率が低くなってしまう。ウレア化合物を増ちょう剤としたグリースを潤滑剤として用いた場合、極端な場合には樹脂−金属間の摩擦面においてスティックスリップ現象が発生し、ギアの効率が急低下してしまうことがある。
【００１６】
一方、リチウム石けんを増ちょう剤としたグリースは、ウレア化合物を増ちょう剤としたグリースとは反対に、高効率でギアのトルク伝達を遂行することを可能にする。しかしながら、ウレアに比して耐熱性に劣るため、高温雰囲気下での耐久寿命が短いという欠点がある。
【００１７】
さらに本願発明者らは鋭意研究した結果、ウレア化合物を増ちょう剤とし、金属石けんから選ばれる少なくとも１種を添加剤として含むグリースが電動パワーステアリング装置において耐熱性に優れ、かつ樹脂ギアにおける高効率のトルク伝達を可能とすることを見出し本願発明をするに至った。
【００１８】
本発明は、電動モータによる補助出力を、従動歯車と駆動歯車から成る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、本発明の上記目的は、上記従動歯車が、金属製芯管と、ギヤ歯が形成された樹脂部とを一体に設けて成り、上記従動歯車と上記駆動歯車との間に、ウレア化合物を増ちょう剤とし、金属石けんから選ばれる少なくとも１種を添加剤として含むグリースを介在させることによって達成される。尚、上記樹脂部は上記金属製芯管の外周に設けることができ、上記ギヤ歯は上記樹脂部の外周面に設けることができる。
【００１９】
また、本発明の上記目的は、前記金属石けんがグリース組成物全量の０．５〜１０重量％であることにより、或いは前記グリース組成物の基油が合成炭化水素油、鉱油から選ばれる少なくとも１種を基油全量に対して８０重量％以上含んでいることにより、或いは前記樹脂部を構成する樹脂がポリアミド樹脂であり、かつ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、かさ歯車又はハイポイド歯車のいずれかであることによって、より効果的に達成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
本願発明のグリース組成物は、増ちょう剤として耐熱性に優れるジウレア等のウレア化合物を採用し、さらに樹脂−金属間の摩擦を低減する物質として金属石けんを添加剤として含む。金属石けんとしては例えばステアリン酸リチウム、１２−ヒドロキシステアリン酸リチウム、ステアリン酸カルシウム、１２−ヒドロキシステアリン酸カルシウム、ステアリン酸アルミニウム、１２−ヒドロキシステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸バリウム、１２−ヒドロキシステアリン酸バリウム、ステアリン酸ナトリウム、１２−ヒドロキシステアリン酸ナトリウム等があるが、摩擦係数低減効果はステアリン酸リチウムが好ましい。
【００２２】
又、上記グリース組成は、基油の少なくとも８０重量％以上をポリαオレフィン油等の合成炭化水素油又は鉱油から選ばれる少なくとも１種とすることができる。さらに又、上記金属石けんはグリース組成物全量の０．５〜１０重量％とすることができる。
【００２３】
本発明において、電動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に示すような減速ギア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。
【００２４】
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が取付けられており、このウォームホイール１１にウォーム１２が噛合している。これらウォームホイール１１とウォーム１２とから成る減速ギア２０には、図２に示すように操舵補助力を付与する電動モータ１００が連結されている。
【００２５】
減速ギア２０は、図３に示すように金属製の芯管１の外周に、ポリアミド樹脂組成物から成り、その外周面にギア歯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とから構成されている。なお、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により接着しても良く、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又はトリアジンチオール化合物を用いることができる。
【００２６】
樹脂部３を形成するポリアミド樹脂としては、吸水性や耐疲労性の観点から、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２、ポリアミド１２、ポリアミド１１、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド６１６Ｔ、変性ポリアミド６Ｔ等が好適に挙げられるが、中でもポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド４６が耐疲労性に優れ好ましい。また、これらポリアミド樹脂は、ポリアミド樹脂と相溶性を有する他の樹脂と混合しても良い。例えば無水マレイン酸等の酸で変性したポリオレフィン（例えばポロエチレン、ポリプロピレン、エチレン−α−オレフィンコポリマー、プロピレン−α−オレフィンコポリマー等）が挙げられる。
【００２７】
これらポリアミド樹脂、或いはポリアミド樹脂と他の樹脂との混合樹脂は、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。
【００２８】
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、上記に挙げたポリアミド樹脂との接着性を考慮してシランカップリング材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、更にウォーム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。これらの補強材は、全体の５〜４０重量％、特に１０〜３０重量％の割合で配合することが好ましい。補強材の配合量が５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。
【００２９】
更に、ポリアミド樹脂組成物には、成型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、それぞれ単独或いは併用して添加されていても良い。
【００３０】
上述の如く概略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１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、グリースが充填される（図２参照）。
【００３１】
なお、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、図３に示すウォームホイール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に示すハイポイド歯車等が可能であり、何れも従動歯車は、金属製芯管の外周に、ポリアミド等の樹脂部が接着剤などにより一体化されており、その外周面にはギヤ歯が形成されて構成されている。
【００３２】
【実施例】
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。本発明は、これら実施例により何ら制限されるものではない。
【００３３】
ギア効率の指標として、図８に示す摩擦試験機を利用して樹脂−金属間の摩擦係数を測定した。ＳＵＪ２製１０×１０ｍｍの試験コロ３１の側面を試験台３２のテーブルに載置した樹脂製の試験平板３３に押し付け、試験コロ３１を揺動させる機構である。試験コロ３１はカム機構３４で垂直荷重を印加されると共に、揺動されるようになっている。試験台３２のテーブルはヒータ３５で加熱され、温度計測のための熱電対３６と、荷重を計測するためのロードセル３７とが設けられている。試験平板３３はガラス繊維を３０重量％含むポリアミド６６を射出成形することによって作成した。試験条件は、接触最大面圧１２０ＭＰａ、揺動距離１５ｍｍ、揺動周波数１０Ｈｚ、試験温度７０℃である。摩擦によって生ずる水平応力をロードセル３７で検出し、その出力電圧から摩擦係数を算出した。
【００３４】
評価グリースは、増ちょう剤がジウレア、基油が４０℃において動粘度３３ｍｍ２／ｓのポリαオレフィン油、混和ちょう度２８０であるベースグリースに各金属石けん粉末を２質量％混合することで作成した。結果を表１に示す。ただし、表１においては、各評価グリースの摩擦係数をベースグリースの摩擦係数に対する比として表している。
【００３５】
【表１】
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この表１より、金属石けんを添加することで、摩擦係数をベースグリースの３〜５割程度にまで低下させることができることが分かる。特にステアリン酸リチウムの摩擦係数低減効果は著しい。
【００３６】
これらの金属石けんは、摺動面の金属表面及びポリアミド樹脂表面のアミド結合部位に吸着したり、あるいは、金属石けんの極性基部分を中心に金属石けん分子の一部が樹脂表面に溶解することによって、炭素鎖が凝集した皮膜を形成するものと考えられる。その皮膜によって、樹脂−金属間の摩擦係数が低減すると考えられる。さらに、ポリアミド樹脂表面に存在する極性の高いアミド結合に起因して、樹脂表面に対するポリαオレフィンや鉱油といった無極性の油の濡れ性は必ずしも充分と言えない。しかしながら、本発明のグリース組成物を使用した場合は、金属石けんによる皮膜が樹脂の極性基部分を覆うように形成し、その皮膜が潤滑油に対して相溶性を有するため、結果的に潤滑油の樹脂に対する濡れ性が増大する。その結果、潤滑状態が改善されて樹脂ギアの摩耗が低減し、その耐久寿命が延長される。
【００３７】
次に、ステアリン酸リチウムの添加量を変化させていったときの摩擦係数の変化を観察した結果を、図９に示す。ただし、ベースグリース、試験条件は上記表１における試験の場合と同一である。また、図９では、評価グリースの耐摩耗性能の評価も行った。耐摩耗性能の評価方法を以下に説明する。
【００３８】
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、ガラス繊維を３０重量％含有するポリアミド６６（宇部興産（株）製「ＵＢＥナイロン２０２０ＧＵ６」、銅系添加剤含有）を射出成形して外径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ア歯を形成して図３に示すウォームホイール試験体を作製した。
【００３９】
作製した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込み、更に上述の如く調整した試験グリースをウォームホイールのギア歯表面及びウォームのギア歯表面に満遍なく塗布し、雰囲気温度１２０℃に維持して操舵を行い、１５万回操舵後のギア歯の摩耗量を測定した。なお、図９において、ギア歯の摩耗量はベースグリースのそれに対する比として表している。
【００４０】
図９から、金属石けんの添加量を０．５重量％以上にすると、摩擦係数がベースグリースの半分以下となり、ギアを高効率で操舵できると判断できる。また、金属石けんの添加量が１０重量％以上になると、徐々に摩耗量が増大することが分かる。これは、相対的に潤滑油量が減るために、グリースの潤滑性能が衰えてしまうことを示唆していると考えられる。従って、グリース全量に対する金属石けんの添加量としては、０．５〜１０重量％が好ましい。２．０〜８．０重量％であればより好ましい。
【００４１】
グリース基油としては、樹脂ギア２０やゴム製ダンパー１３０の形状変化、剛性低下等を引き起こさないように比較的極性が低い鉱油、ポリαオレフィン油等を用いるのが好ましいが、例えば樹脂に対する濡れ性を改善するために少量の極性のある潤滑油を混合して使用することもできる。その場合、無極性の潤滑油の使用量としては、基油全体の８０重量％以上であれば、樹脂の膨潤、変性は僅少で無視して構わない程度である。
【００４２】
エチレンアクリルゴム製の円筒板（直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）を用意し、増ちょう剤がジウレア、基油がポリオールエステル油（３０ｍｍ２／Ｓ＠４０℃）とポリαオレフィン油（３０ｍｍ２／Ｓ＠４０℃）の混合油であるグリース組成物に浸漬し、１００℃の恒温槽内に１００時間放置した。その後、エチレンアクリルゴム製平板３３を取出し、厚さの寸法変化を測定した。種々のポリオールエステル油の使用量に対して、ゴムの寸法変化率がどのように変化するかを図１０に示す。図１０から、エステル油の基油全量に占める割合が３０重量％以下であれば寸法変化率は０．３以下であり、ほぼ無視できる程度であることが分かる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、耐熱性に優れ、かつ樹脂ギアにおける高効率のトルク伝達を可能とする新規なグリース組成物を電動パワーステアリング装置の減速歯車機構に用いているので、高性能な電動パワーステアリング装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用できる電動パワーステアリング装置の一例を示す機構図である。
【図２】図１のＡ−Ａの断面構造図である。
【図３】減速ギアの一例（ウォームホイール、ウォーム）を示す構造図である。
【図４】減速ギアの他の例（平歯車）を示す構造図である。
【図５】減速ギアの他の例（はすば歯車）を示す構造図である。
【図６】減速ギアの他の例（かさ歯車）を示す構造図である。
【図７】減速ギアの他の例（ハイポイド歯車）を示す構造図である。
【図８】摩擦試験機を示す機構図である。
【図９】評価グリースの耐摩耗性能の評価例を示す図である。
【図１０】ゴムの寸法変化率例を示す図である。
【符号の説明】
１          芯管
３          樹脂部
８          接着剤
１０        ギヤ歯
１１        ウォームホイール
１２        ウォーム
２０        減速ギヤ
３１        試験コロ
３２        試験台
３３        試験平板
３４        カム機構
３５        ヒータ
３６        熱電対
３７        ロードセル
５０        ステアリングコラム
６０        出力軸
７０        ステアリングシャフト
８０        トーションバー
９０        軸受
９１        軸受
１００      電動モータ
１１０      軸受
１２０      ハウジング
１３０      ゴム性ダンパ
【図１】
2004314916.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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