(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、減速ギヤ機構を介して車輪に舵角が変化するように伝達する電動パワーステアリング装置において、
その減速ギヤ機構は、金属製原動側ギヤと、この原動側ギヤに噛み合う従動側ギヤとを有し、
その従動側ギヤは、合成樹脂製の母材に、その母材よりも熱伝導率の高い充填材を添加した材料から形成され、その従動側ギヤの材料の熱伝導率は０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされ、
その従動側ギヤは金属製部材の外周側に一体化されてい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】
前記充填材は短繊維またはウィスカー状である請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
【請求項３】
前記充填材の材質はＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯの中の何れかである請求項２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、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を減速ギヤ機構を介して舵角が変化するように車輪に伝達する電動パワーステアリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、減速ギヤ機構介して車輪に舵角が変化するように伝達する電動パワーステアリング装置において、その減速ギヤ機構を金属製のウォームと、このウォームに噛み合う合成樹脂製のウォームホイールとから構成することで、軽量化および低騒音化が図られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのウォームとウォームホイールとの噛み合い部においては摩擦熱が生じる。そうすると、ウォームホイールは合成樹脂製であるため、その摩擦熱により変形し易くなって機械的特性が低下する。そのため、電動パワーステアリング装置の耐用雰囲気温度の上限や減速ギヤ機構の負荷トルクの上限が低くなり、電動アクチュエータの回転数の増大あるいは低出力化が阻害され、さらに、ウォームホイールの疲労寿命や噛み合い部に供給される潤滑用グリースの寿命が短くなり、長時間の高温運転に耐えることができなくなる。
【０００４】
本発明は、従来着目されていなかった減速ギヤ機構の放熱性改善に着目することにより、上記問題を解決することのできる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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を、減速ギヤ機構を介して車輪に舵角が変化するように伝達する電動パワーステアリング装置において、その減速ギヤ機構は、金属製原動側ギヤと、この原動側ギヤに噛み合う従動側ギヤとを有し、その従動側ギヤは、合成樹脂製の母材に、その母材よりも熱伝導率の高い充填材を添加した材料から形成され、その従動側ギヤの材料の熱伝導率は０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされ、その従動側ギヤは金属製部材の外周側に一体化されていることを特徴とする。
本発明の従動側ギヤを形成する材料が、金属に比べて熱伝導率が低いために放熱効率が悪い合成樹脂材製の母材に、その母材よりも熱伝導率の高い充填材が添加されたものとされることで、その従動側ギヤの熱伝導率は０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされている。これにより、駆動側ギヤと従動側ギヤとの噛み合い部において生じる摩擦熱を、従動側ギヤが嵌め合わされる金属製部材に効率良く放熱することができる。よって、その摩擦熱による従動側ギヤの変形を抑制でき、減速ギヤ機構の機械的特性の低下を少なくすることができる。
【０００６】
その充填材は短繊維またはウィスカー状であるのが好ましい。これにより、従動側ギヤの強度を充填材により向上することができる。この場合、その充填材の材質はＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯの中の何れかであるのが好ましい。これにより減速ギヤ機構の長寿命化を図ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に示す電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール２の操舵により発生する操舵トルクを、ステアリングシャフト３によりピニオン４に伝達することで、そのピニオン４に噛み合うラック５を移動させ、そのラック５の動きをタイロッドやナックルアーム等（図示省略）を介して車輪６に伝達することで舵角を変化させる。
【０００８】
そのステアリングシャフト３により伝達される操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するため、その操舵トルクを検出するトルクセンサ７と、その検出された操舵トルクに応じ駆動されるモータ（電動アクチュエータ）８と、そのモータ８により駆動される駆動シャフト５０の外周に設けられるウォーム（原動側ギヤ）９と、そのウォーム９に噛み合うと共にステアリングシャフト３にスリーブ（金属製部材）１１を介して取り付けられるウォームホイール（従動側ギヤ）１０とが設けられている。そのステアリングシャフト３とウォーム９とスリーブ１１はスチール等の金属製とされている。そのウォーム９とウォームホイール１０は減速ギヤ機構を構成し、そのモータ８の回転をステアリングシャフト３から車輪６に舵角が変化するように伝達することで操舵補助力を付与できる。図２に示すように、ハウジング２１に取り付けられるモータ８により駆動される駆動シャフト５０は、そのハウジング２１により軸受６２、６３を介して支持される。
【０００９】
そのステアリングシャフト３は、ステアリングホイール２に連結される第１シャフト３ａと、この第１シャフト３ａにピン２２により連結される筒状の第２シャフト３ｂと、この第２シャフト３ｂの外周にブッシュ２５を介して相対回転可能に嵌め合わされる筒状の第３シャフト３ｃとに分割されている。各シャフト３ａ、３ｂ、３ｃの中心に沿って弾性部材としてトーションバー２３が挿入されている。そのトーションバー２３の一端は第１シャフト３ａと第２シャフト３ｂとに前記ピン２２により連結され、他端はピン２４により第３シャフト３ｃに連結されている。これにより、その第２シャフト３ｂと第３シャフト３ｃとは操舵トルクに応じて弾性的に相対回転可能とされている。
【００１０】
その第２シャフト３ｂは、そのハウジング２１に圧入されたステアリングコラム３０によりブッシュ３１を介して支持される。その第３シャフト３ｃは、ハウジング２１により軸受２６、２７を介して支持される。その第３シャフト３ｃの外周に嵌め合わされるスリーブ１１の外周側に、上記ウォームホイール１０が一体化されている。なお、そのスリーブ１１は第３シャフト３ｃに圧入されたり、あるいはキー等を介して固定されてもよい。また、過大なトルクが作用した場合にウォームホイール１０とステアリングシャフト３とが相対回転するように、トルクリミッター機構がスリーブ１１と第３シャフト３ｃとの間に設けられてもよい。
【００１１】
そのトルクセンサ７は、第２シャフト３ｂに固定される磁性材製の第１検出リング３６と、第３シャフト３ｃに固定される磁性材製の第２検出リング３７と、両検出リング３６、３７の対向間を覆う検出コイル３３とを有する。第１検出リング３６の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３６ａと、第２検出リング３７の端面に周方向に沿って設けられる複数の歯３７ａとの対向面積が、第２シャフト３ｂと第３シャフト３ｃの操舵トルクに応じた弾性的な相対回転に応じて変化し、その変化に対応して検出コイル３３の発生磁束に対する磁気抵抗が変化することから、その検出コイル３３の出力に基づき操舵トルクが検出できる。このトルクセンサ７は公知の構成のものを用いることができる。その検出された操舵トルクに対応した信号に応じて上記モータ８が回転駆動される。
【００１２】
そのウォームホイール１０は、合成樹脂製の母材に、その母材よりも熱伝導率の高い充填材を添加した材料から形成され、本実施形態では射出成形される。その母材は、本実施形態ではＰＡ（ポリアミド）６、ＰＡ６６、ＰＡ４６、ＰＡ１２、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＰＡ（ポリパラバン酸）、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ６・６Ｔ等のナイロン系合成樹脂材とされている。そのウォームホイール１０の成形型に上記スリーブ１１を挿入した状態で射出成形を行うことで、ウォームホイール１０をスリーブ１１の外周側に一体化し、その後にウォームホイール１０の歯の仕上げ等を機械加工により行っている。その充填材の種類と添加量は、そのウォームホイール１０の熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上になるように定められる。
【００１３】
その充填材としては、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、カーボン（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）等を用いることができる。また、その充填材の形態は例えば粉末、可撓性を有する長繊維、短繊維、ウィスカー状とすることができ、短繊維またはウィスカー状とするのがウォームホイール１０の強度を向上する上で好ましく、短繊維またはウィスカー状とする場合に充填材の材質をＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯの中の何れかにすることで、減速ギヤ機構の長寿命化を図ることができる。
【００１４】
以下の表１に、充填材として使用可能な複数の材料を例示し、各材料の熱伝導率と、充填材として母材に添加する時の組成比（重量パーセント）の一例を示す。その組成比の下限はウォームホイール１０の熱伝導率を高くして良好な放熱効果を奏することができるように設定し、その組成比の上限は良好な成形性を維持できるように設定すればよい。
【００１５】
【表１】
0003860399.tif 000002
【００１６】
上記ウォームホイール１０を形成する材料が、金属に比べて熱伝導率が低いために放熱効率が悪い合成樹脂材製の母材に、その母材よりも熱伝導率の高い充填材が添加されたものとされることで、そのウォームホイール１０の熱伝導率は０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上とされている。これにより、ウォーム９とウォームホイール１０との噛み合い部において生じる摩擦熱を、ウォームホイール１０が嵌め合わされる金属製スリーブ１１に、さらに、そのスリーブ１１が嵌め合わされる金属製ステアリングシャフト３に効率良く放熱することができる。よって、その摩擦熱によるウォームホイール１０の変形を抑制でき、減速ギヤ機構の機械的特性の低下を少なくすることができる。
【００１７】
ウォームホイール１０への充填材の添加の有無による使用上限温度、負荷トルク、モータ特性、寿命の相違は以下の通りであった。なお、充填材として粉末状のＳｉＣを２５重量％添加し、ウォームホイール１０の母材をＰＡ６６とし、ウォームホイール１０の熱伝導率を０．６６Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。例えばウォーム９とウォームホイール１０のモジュールを１．６５、負荷トルクを３５Ｎ・ｍとし、他の条件を同じにした場合、使用上限温度が充填材を添加しないと６５℃であったのを、充填材の添加により１４０℃にできた。また、減速ギヤ機構の負荷トルクの上限を高くでき、例えばウォーム９とウォームホイール１０のモジュールを１．６５とし、他の条件を同じにした場合、室温での使用において負荷トルクの上限が充填材を添加しないと３５Ｎ・ｍであったのを、充填材の添加により６０Ｎ・ｍにできた。また、モータ８の低出力化を図ることができ、例えばウォーム９とウォームホイール１０のモジュールを１．６５とし、他の条件を同じにした場合、モータ８として定格電流が充填材を添加しないと５０Ａのものが必要であったのを、充填材の添加により３０Ａのもので足りた。また、同一出力のモータを用いる場合、モータ８の回転数を充填材を添加しない場合は６０ｒｐｍにしかできないのを、充填材の添加により１００ｒｐｍに増速できた。さらに、その充填材の材質がＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯの中の何れかである時、電動パワーステアリング装置１の耐用雰囲気温度の上限を高くでき、ウォームホイール１０の疲労寿命や噛み合い部に供給される潤滑用グリースの寿命を長くして、長時間の高温運転に耐えることが可能になり、例えば同一条件下での耐用試験で充填材を添加しないと５２万サイクルの運転にしか耐えられなかったものが、充填材の添加により７０万サイクルまでの運転に耐えられた。
【００１８】
また、母材をＰＡ６６とした場合のウォームホイール１０は、粉末状充填材としてＳｉＣを４０重量％添加すると熱伝導率が０．６６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、耐用運転サイクルが７０万サイクルになり、ＡｌＮを４０重量％添加すると熱伝導率が０．６３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、耐用運転サイクルが６２万サイクルになり、ＢｅＯを４０重量％添加すると熱伝導率が０．６４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、耐用運転サイクルが６６万サイクルになり、耐用雰囲気温度を１２０℃にすることができた。これは、熱伝導率が高くなることで温度上昇を抑制し、変形が始まる荷重を大きくし、疲労破壊に至る時間を長くできることによる。一方、母材をＰＡ６６とし、一般的な強化材であるガラス繊維のみを添加したウォームホイールでは、その添加量が２５重量％では熱伝導率が０．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）にしかならないために耐用雰囲気温度が低下し、そのガラス繊維の添加量を３３重量％にすると熱伝導率を大きくして耐用雰囲気温度を１２０℃にすることができたが、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯに比べてガラス繊維はウォーム９の歯を削り易い。また、母材をＰＡ６６としたウォームホイールに、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2 ）等の固体潤滑剤のみを添加した場合、その添加量を２５重量％とすることで減速ギヤ機構の負荷トルクを８０Ｎ・ｍとし、あるいはウォームホイール１０の回転数を増速することができたが、熱伝導率が０．３３Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低く、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯに比べて長時間の高温運転に耐えることができず、運転サイクルが５万サイクルで既にバックラッシ増加が過大になり、破壊する前に使用不能に陥った。よって、充填材の材質はＳｉＣ、ＡｌＮ、ＢｅＯとするのがより好ましい。
【００１９】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、ウォームホイールの母材の材料としてナイロン系以外の合成樹脂材を用いてもよい。また、原動側ギヤと従動側ギヤとは減速ギヤ機構を構成するものであればよく、例えばベベルギヤとしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、操舵補助力発生用電動アクチュエータの回転を伝達する減速ギヤ機構の機械的特性が熱により低下するのを抑制し、長時間の高温運転に耐えうる電動パワーステアリング装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の電動パワーステアリング装置の断面図
【図２】図１のＩＩ‐ＩＩ線断面図
【符号の説明】
６  車輪
８  モータ
９  ウォーム
１０  ウォームホイール
【図１】
0003860399.tif 000003
【図２】
0003860399.tif 000004