電動轉向裝置以及其中使用的樹脂齒輪的制作方法

專利名稱：電動轉向裝置以及其中使用的樹脂齒輪的制作方法
技術領域：
本發明涉及電動轉向裝置，特別涉及在構成動力輔助部的齒輪減速機構中使用樹脂齒輪的電動轉向裝置以及其中使用的適于傳遞動力的樹脂齒輪。
背景技術：
在車輛的電動轉向裝置中，為了在電動馬達中使用較高轉速、低扭矩的部件，將齒輪減速機構設置在電動馬達和轉向軸之間。作為齒輪減速機構，雖然已知還可使用平齒輪以外的其它齒輪，但是，從獲得一組大減速比等理由出發，一般采用由蝸輪和蝸桿構成的眾所周知的蝸桿齒輪減速機構的裝置。
這種蝸桿齒輪減速機構(以下，僅稱為減速機構)由與電動馬達的轉動軸相連的作為驅動齒輪的蝸桿以及與所述蝸桿嚙合的蝸輪構成。
在這種減速機構中，若以金屬制成蝸桿和蝸輪，則存在當操縱方向盤時會發生打齒聲音或振動聲音等不悅耳聲音的不良情況，因此，作為其對策，以往，在以金屬制成蝸桿的情況下，作為蝸輪，可以采用設有合成樹脂制成的齒部的蝸輪，即在金屬制成的輪轂骨架的外周部一體形成由合成樹脂材料形成的坯料圓板，通過切削以外的其它手段在所述坯料圓板的圓周部一體形成樹脂齒部，以此方式來抑制打齒聲音或振動聲音等不悅耳聲音的產生。
作為上述樹脂齒輪的樹脂部的材料，考慮耐疲勞性、尺寸穩定性以及制造成本，使用了不含加強材料的MC(單體鑄件)尼龍(登記商標)，混合有玻璃纖維等纖維加強材料的聚酰胺6，聚酰胺66，聚酰胺46等。通常市場上銷售的聚酰胺6，聚酰胺66，聚酰胺46等含有直徑10μm或者13μm左右的玻璃纖維(參見特公平6-60674號公報)。
在電動轉向裝置中使用的蝸桿減速機構中，雖然通過2個滾珠軸承支承蝸桿，但是，在這兩個滾珠軸承之間的空間中，為了在金屬材料制成的蝸桿和作為樹脂齒輪的蝸輪的齒之間實現潤滑，應填充潤滑油。一般來說，基礎油使用的潤滑油是礦物油或考慮了耐熱性的聚α-烯烴油。
在對預先設置在蝸桿兩端的滾珠軸承施加預壓力的同時，在從輪胎側輸入微小逆轉時，為了使蝸桿沿軸向移動以便不會在馬達上作用轉動力，應安裝橡膠制成的緩沖器，以便將逆轉的信息僅傳遞至方向盤。作為通常的橡膠材料，最常規采用的是以壓縮永久變形較小的乙烯丙烯酸脂橡膠為代表的丙烯酸脂橡膠。
但是，最近，電動轉向裝置為了用于輕型汽車至裝有排量為1000cc至1500cc的發動機的汽車，要實現電動轉向裝置的高輸出化，與此相伴，作為樹脂齒輪部的接觸表面壓力P與圓周速度V的積的PV值變大。
因此，并不能說以往使用的以聚α-烯烴油為基礎油的潤滑油在從動齒輪(蝸輪)和驅動齒輪(蝸桿)之間的潤滑狀態非常良好。另外，也不能說MC(單體鑄件)尼龍(登記商標)或通常市場上銷售的含有直徑10μm或13μm左右的玻璃纖維的聚酰胺樹脂在高PV值下的耐磨性是足夠的。
結果，電動轉向裝置在高PV值下、長時間的運轉會導致產生暫時的油膜中斷，從而齒輪齒面的磨損會逐漸增加，以致存在從動齒輪(蝸輪)和驅動齒輪(蝸桿)的嚙合部間隙增大的可能性。因此，可以預料會出現操縱感覺惡化或會產生噪音(打齒聲)，另外，在齒輪變形的情況下會破損，以致整個電動轉向裝置可能不能工作。
另外，雖然上述聚酰胺系樹脂具有優良的耐疲勞性，但是，其吸水性高，在吸收水分后，蝸輪中齒輪的齒部分會膨脹，從而在制造初期存在于蝸桿和蝸輪之間的間隙消失，進而在膨脹后可能會壓迫蝸桿。
這樣，若蝸輪膨脹，則蝸桿和蝸輪之間的摩擦阻力會加大，從而方向盤操縱沉重，或因齒輪部的壓迫或摩擦阻力的增大會造成齒輪部磨損或破損，以致發生電動轉向裝置不能工作的不良情況。

發明內容
本發明的目的在于解決上述問題，提供在構成動力輔助部的齒輪減速機構中使用了適于動力傳遞的樹脂齒輪的電動轉向裝置，其能夠防止齒輪部磨損或破損，并且，在從動齒輪(蝸輪)和驅動齒輪(蝸桿)之間，適用含有在高溫工作時能發揮有效潤滑效果的石蠟的潤滑油，并且，通過由作為加強材料含有比以往細的玻璃纖維的聚酰胺系樹脂構成樹脂部來抑制因吸水產生的尺寸變化，從而齒輪部不會磨損或破損，并且本發明還提供了在電動轉向裝置中使用的樹脂齒輪。
涉及本發明的電動轉向裝置使用了由作為樹脂齒輪的從動齒輪和與其嚙合的驅動齒輪構成的減速齒輪機構。樹脂齒輪在金屬制成的轂的外周，一體構成了在外周面形成有齒輪齒的樹脂部，所述樹脂部由樹脂組成物構成，所述樹脂組成物以含有10～50重量％的直徑5～9μm的玻璃纖維的聚酰胺樹脂作為基本樹脂。
另外，在所述金屬制成的輪轂和所述樹脂部之間，也可以設置由在一個末端具有環氧基或氨基中任意一種的硅烷結合劑構成的粘著層。所述玻璃纖維可以使用直徑為6～8μm的材料。另外，其纖維長度可以為100～900μm。
另外，所述樹脂部由樹脂組成物構成，所述樹脂組成物將所述玻璃纖維的一部分被碳纖維置換的聚酰胺樹脂作為基體樹脂。
另外，在齒輪嚙合面之間的所述潤滑油中，以主要成分從礦物油、聚α-烯烴油、烷基聚苯撐醚中選擇至少一種的材料作為基礎油，并含有3～10重量％的增稠劑以及熔點或軟化點為70～130℃的石蠟。
所述樹脂齒輪可以用于蝸輪，平斜交齒輪，正齒輪，傘齒輪以及雙曲齒輪中的任意一種。


圖1為說明本發明的電動轉向裝置的結構的正面圖。
圖2為局部剖面圖，其顯示了圖1所示的電動轉向裝置中蝸桿齒輪減速機構的結構。
圖3為透視圖，其顯示了蝸桿齒輪減速機構中蝸桿和蝸輪的結構。
圖4為顯示正齒輪外觀的透視圖。
圖5為顯示斜交齒輪的透視圖。
圖6為顯示傘齒輪的透視圖。
圖7為顯示雙曲線齒輪的透視圖。
圖8說明了在潤滑油中混合的添加劑的種類和混合量。
圖9說明了第1試驗中的磨損試驗結果。
圖10說明了第1試驗中的耐久性試驗結果。
圖11說明了第2試驗中的尺寸穩定性和耐久性試驗結果。
圖12說明了第2試驗中的磨損試驗結果。
具體實施例方式
下面，對本發明的實施例進行說明。
圖1為說明本發明的柱式電動轉向裝置10的結構的正面圖，其在減速機構中使用了本發明的適于動力傳遞的樹脂齒輪。在圖1中，11為舵輪軸，12為舵輪軸殼，13為電動馬達，20為齒條·齒輪式運動轉換機構。
舵輪軸11未在圖1中示出，其由上部舵輪軸11a和下部舵輪軸11b構成，舵輪軸11繞軸心可自由轉動地支承在舵輪軸殼12的內部，舵輪軸殼12以下部向前方傾斜的狀態固定在車室內部的規定位置處。另外，在上部舵輪軸11a的上端固定了圖中未示出的舵輪。
另外，上部舵輪軸11a和下部舵輪軸11b由圖中未示出的扭力桿結合，通過扭力桿檢測從舵輪經上部舵輪軸11a傳遞至下部舵輪軸11b的操縱扭矩，并根據檢測出的操縱扭矩控制電動馬達13的輸出。
齒條·齒輪式運動轉換機構20以縱向作為車輛的左右方向，大致水平設置在車輛前部的發動機艙室內，并由沿軸向可自由移動的齒條軸21，小齒輪軸22以及支承齒條軸21和小齒輪軸22的筒狀齒條軸殼體23構成，其中，所述小齒輪軸22相對于齒條軸21的軸心被傾斜支承并具有小齒輪，所述小齒輪設有與齒條軸21的齒部嚙合的齒部。
小齒輪軸22和下部舵輪軸11b的下部由2個萬向接頭25以及26連接。另外，在下部舵輪軸11b的中間部分設有后面所述的蝸桿齒輪減速機構30，以便從電動馬達13對下部舵輪軸11b供給操縱輔助力。
圖2為顯示上述電動轉向裝置10中蝸桿齒輪減速機構30的結構的局部剖面圖，31為蝸輪，32為與蝸輪31嚙合的蝸桿，33為齒輪箱。蝸桿32在其兩端一體形成蝸桿軸32a，32b，蝸桿軸32a，32b分別通過安裝在齒輪箱33上的滾珠軸承34a，34b可自由轉動地支承。另外，蝸桿軸32b與電動馬達13的驅動軸13a以花鍵形或細齒形式結合。
蝸輪31的輪轂，即骨架42與下部舵輪軸11b結合，經蝸桿32、蝸輪31，將電動馬達13的轉動傳遞至下部舵輪軸11b。
圖3為顯示本發明實施例的蝸桿齒輪減速機構30中蝸輪31和蝸桿32的結構的透視圖，蝸輪31在金屬材料的輪轂，即骨架42的外周面進行實施適當橫向滾花加工等的加工，在其加工面上由以聚酰胺樹脂作為基本樹脂的樹脂組成物構成，其中，聚酰胺樹脂含有10～50重量％的直徑5～9μm的玻璃纖維，并在其外周端面上形成與樹脂部43一體結構的齒輪齒44。
另一方面，蝸桿32由與現有的蝸桿相同的金屬制成。也可以在所述蝸桿32中，根據需要實施熱處理或滲氮處理等以提高表面硬度，以便提高對蝸輪31中所含的玻璃纖維的耐磨損性。另外，若考慮了通過由與蝸輪31的滑動所產生的滑動聲音，則表面光潔度Ra為0.02～0.2μm，最好為0.02～0.06μm的范圍時，能夠降低滑動聲音。由于表面光潔度Ra不足0.02μm，難以加工并會提高成本，因此，不具實用性。作為實現表面光潔度Ra＝0.02～0.06μm的方法，可采用研磨處理后，進行滾磨處理的方法。
蝸輪31的樹脂部43最好以耐疲勞性優良的聚酰胺6，聚酰胺66，聚酰胺46作為基本樹脂。聚酰胺樹脂的分子量應在含有玻璃纖維的狀態下能夠注射模塑成型的范圍內，具體來說，數平均分子量為13000～28000，更理想的是，若考慮耐疲勞性和成形性，則數平均分子量為18000～26000。
在數平均分子量不足13000的情況下，分子量較低會導致耐疲勞性不良，從而實用性降低。與此相反，在數分子量超過28000的情況下，若玻璃纖維的實用含量為15重量％～35重量％，則熔融粘度較高，從而難以以精度良好的注射成形制造樹脂齒輪，故不理想。
在這些基本樹脂中，可以組合其它的聚酰胺樹脂，或改善對于由一般在蝸桿和蝸輪中之間使用的低極性基礎油形成的潤滑油基礎油的浸潤性的酸酐變性的聚烯烴樹脂等樹脂，也可以組合改善耐沖擊性的乙烯非共軛二烯橡膠(EPDM)等橡膠狀物質。
這些基本樹脂即使采用單獨樹脂，也顯示一定以上的耐久性，對于由與作為蝸輪31相配合部件的金屬制成的蝸桿32的磨損而言是有利的，從而作為減速齒輪能夠充分發揮其功能。但是，由于可以預想在過于惡劣的使用條件下使用時，齒輪齒44會磨損或破損，因此，為了提高可靠性，最好配合加強材料。
作為加強材料，使用直徑范圍為5～9μm，優選6～8μm的玻璃纖維，考慮與作為基本樹脂的聚酰胺樹脂的粘著性，在一個末端利用具有環氧基或氨基的硅烷結合劑進行表面處理。
與玻璃纖維表面結合的硅烷結合劑中，存在于一個末端的環氧基或氨基等的官能基作用于聚酰胺樹脂的氨基結合，從而能夠提高玻璃纖維的強化效果，同時，還具有抑止因吸水所產生的尺寸變化的效果。
總之，雖然在聚酰胺樹脂中以相同的重量含量含有玻璃纖維，與現有直徑為10～13μm的材料相比，可以使用更細直徑5～9μm的材料，從而會增加作用于氨基結合的玻璃纖維的根數，因此，除了提高拉伸強度等機械強度、彎曲疲勞強度等耐疲勞性以外，還能夠增大抑止因吸水所導致的尺寸變化的效果。
但是，若使用直徑不足5μm的玻璃纖維，則存在耐沖擊強度等機械強度降低的傾向，同時，會提高制造成本并降低實用性，從而是不理想的。
另外，玻璃纖維的纖維長度的范圍為100～900μm，優選300～600μm。在纖維長度不足100μm的情況下，過短會減小加強效果以及抑止因吸水引起的尺寸變化的效果，故是不理想的。另外，在纖維長度超過900μm的情況下，雖然會提高加強效果以及抑止尺寸變化的效果，但是，應想到由于樹脂部成形工藝會造成纖維破損，或因取向性降低會導致成形精度惡化，因此，難以進行外徑部具有齒形的樹脂部的成形，故是不理想的。
玻璃纖維的含量為樹脂整體的10～50重量％，15～35重量％更為理想。在玻璃纖維的配合比率不足10重量％的情況下，機械強度以及抑止因吸水引起的尺寸變化的效果會降低，故不理想。而在玻璃纖維的配合比率超過50重量％的情況下，蝸桿32易于損壞，從而存在蝸桿32的磨損加速且減速齒輪的耐久性不足的可能性，故不理想。
以上說明的纖維直徑5～9μm的玻璃纖維雖然能夠抑止因吸水引起的尺寸變化，但是與現有直徑為10～13μm的玻璃纖維相比，在相同的配合量下會增加實際的玻璃纖維根數。因此，正因為玻璃纖維根數增加，因此能夠承對由實現齒輪的緊湊所產生的高表面壓力的使用條件。
另外，可以將作為加強材料的玻璃纖維的一部分更換為碳素纖維等纖維狀材料或鈦酸鉀單晶纖維等單晶狀物，另外，也可以添加著色劑等。
另外，作為添加劑，在樹脂中，為了防止成形時以及使用時熱量引起的惡化，最好分別單獨添加或者結合使用碘化物熱穩定劑或胺類偏氧化劑。
另外，為了進一步抑止由作為基本樹脂的聚酰胺樹脂的吸水引起的尺寸變化，若在骨架外周部和樹脂部內周部之間設置粘著層，則更為有效。在形成粘著層時，作為一個例子，可采用的方法為在骨架外周部上涂布硅烷結合劑，之后，加熱壓入樹脂部，之后進行高頻加熱。
若進行高頻加熱，則在形成牢固的粘著層的同時，還要進行僅熔化與骨架外周部鄰接的樹脂內周部(界面)，同時進行除去由壓入產生的殘余應力。高頻加熱時骨架部分的溫度若采用200～450℃，則粘著力較強。雖然加熱保護氣體也可以上是在大氣中，但是，若在氬氣等惰性氣體保護氣體中進行，則能夠抑止樹脂等的氧化惡化，從而是理想的。
用于粘著的有機硅烷偶合劑在其化學結構的一端具有作為加水分解性基的烷氧基，該烷氧基加水分解以變為氫氧基，所述氫氧基與金屬表面的氫氧基引起脫水縮合，從而形成金屬間具有高結合力的共有結合。另外，在另一端具有有機官能基，該有機官能基與聚酰胺樹脂的分子結構中酰氨結合相結合。并且，通過它們的結合，能夠牢固結合骨架42和樹脂部43。
另外，作為有機官能基，適于使用氨基、環氧基，作為具有這些有機官能基的有機硅烷偶合劑，可以使用γ-環氧丙氧基三甲氧基硅烷、β(3，4環氧環己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β-(硝酸氨基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷、脲基丙基三乙氧硅烷等。特別是，作為機官能基，具有環氧基的材料能夠提高與酰氨結合的反應性，從而更為理想。
為了使粘著層與骨架42的外周部更牢固地結合，可以在骨架42的外周部增加表面氫氧基，因此，若實施由氧化等離子體等進行的表面處理，則更為理想。
另外，包含增加粘附力，以提高骨架42與樹脂部43緊密接合性以及防止與骨架42的邊界部滑脫為目的，也可以在骨架42的外周面預先實施噴丸止與骨架42的邊界部滑脫為目的，也可以在骨架42的外周面預先實施噴丸或滾花加工等，特別是最好進行滾花加工。滾花加工的V字狀的槽的深度為0.2～0.8mm，特別優選0.3～0.7mm。
下面，對良好保持樹脂制成的蝸輪的齒部分以及金屬制成的蝸桿的齒部分的潤滑狀態的潤滑油進行說明。
在本發明中使用的潤滑油以增稠劑和基礎油為主要成分，另外還添加了熔點或軟化點為70～130℃的石蠟，石蠟用于良好地保持高表面壓力下的樹脂制成的蝸輪與蝸桿的潤滑。基礎油可從礦物油，聚α-烯烴油、烷基聚苯基中選擇至少一種，增稠劑可以采用由于胺和異氰酸脂構成的尿素化合物、Li皂、Li絡合物皂、Ba皂、Ba絡合物皂等。在這些增稠劑中，在聚酰胺中具有結構類似的尿素結合的尿素化合物在對聚酰胺樹脂的吸附性上是特別良好的。
熔點或軟化點為70～130℃的石蠟在常溫下為固體并且以微粒狀態分散，若樹脂制成的蝸輪與蝸桿接觸以使溫度上升，則在其嚙合部分會產生高粘度的液體。這種高粘度的液體與因溫度上升而出現低粘度化的基礎油相溶以提高液體本身(基礎油+石蠟的相溶物)的粘度，從而能夠從整體上防止液體從嚙合部分排出，同時，即使在不相溶時殘留一部分的狀態下仍殘留在嚙合部分，因此，即使在高表面壓力下仍能維持良好的潤滑狀態。
作為這些石蠟的具體例子，可以使用地蠟酸酯石蠟、地蠟酸酯部分皂化石蠟等酯系石蠟、聚乙烯石蠟等烴系石蠟、氨基脂、月桂基氨基、二十二碳氨基等脂肪酸脂等。其中，最好使用上面說明的對基礎油的相溶性較高的烴系石蠟。這些石蠟的添加量在潤滑油組成中為3～10重量％，最好為4～8重量％。在添加量不足3重量％的情況下，工作時由液體自身相溶產生的粘度上升不充分，從而不能充分進行潤滑狀態的改善，故不理想。若添加量超過10重量％，則會降低潤滑油的粘度，同時，相溶時的粘度上升過高，齒輪工作時的扭矩會上升，結果，工作性惡化，故不理想。
另外，在基礎油中，為了改善向聚酰胺樹脂的浸潤性，也可以添加二元酸酯油、多元醇酯油、芳香族酯油等。具體來說，二元酸酯油可采用己二酸二辛酯(DOA)、己二酸二異丁酯(DIBA)、二芐基胺(DBA)、壬二酸二辛酯(DOZ)、癸二酸二丁酯(DBS)、癸二酸二辛酯(DOS)等。
多元醇酯油可采用誘導C4～C18烷基鎖的季戊四醇油、二季戊四醇油、三季戊四醇油、新戊基型2，3-丁二醇油、三丙烷醇油等。
芳香族酯油可以采用三辛基三苯三酸(TOTM)，三癸基三苯三酸、四辛基焦苯三酸等。
這些酯油系基礎油可分別單獨使用或混合以便相對于潤滑油組成物整個量添加量范圍為1～20重量％，2～10重量％更為理想。可以想象在添加量不足1％的情況下，不能充分獲得浸潤性的改善效果，而添加量超過20重量％，則不能獲得大大改善浸潤性的效果，同時，通過增加酯化合物的絕對量，會對允許蝸桿軸向位移的橡膠制成的阻尼器等其它部件帶來膨脹等不良影響。
另外，在所述潤滑油中，為了提高氧化穩定劑或防銹性等，也可以添加其它添加劑。例如，可以采用胺系或酚系防氧化劑、Ca磺酸等防銹劑、MoDTC等極壓添加劑等。
上面，雖然在本發明的實施例中，作為電動轉向裝置中齒輪減速機構的例子，顯示了蝸桿齒輪減速機構，以在該處使用的齒輪，將作為樹脂齒輪的蝸輪為例，說明了所述樹脂齒輪的材料或使用的潤滑油等，但是，樹脂齒輪不應局限于蝸輪，其可產生各種變形。例如作為齒輪形狀，可以采用圖4所示的正齒輪，圖5所示的斜交齒輪，圖6所示的傘齒輪，圖7所示的雙曲線齒輪等。
下面，對蝸輪的尺寸穩定性、耐久性、耐摩擦性試驗及評價結果進行說明。
A.第1試驗和評價結果在第1試驗中，進行了關于蝸輪的多個實施例以及比較例、耐久性以及耐磨損性的試驗和評價。本發明不應受到以下說明的實施例以及比較例的任何限制。
a.樹脂齒輪部
(1)結構1骨架實施了槽深度0.5mm的滾花加工的外徑65mm、寬度16mm的鋼(材料標號S45C)樹脂聚酰胺6(含有30重量％的直徑6μm的玻璃纖維(GF)，含有宇部興產(株)制UBE尼龍)(登記商標)，碘化銅系熱穩定劑)，直徑6μm的玻璃纖維為平均直徑為大概6μm的玻璃纖維，其含有直徑5～7μm的玻璃纖維。
樹脂部成形使骨架作為芯部并插入成形成形時樹脂外徑形狀具有殘留了切削帶的螺旋形狀，內徑64mm，外徑83mm，寬度15.5mm成形后，進一步切削加工出樹脂部的齒，最終以蝸輪形狀進行精加工。
(2)結構2在樹脂中混合的玻璃纖維(GF)使用了直徑8μm的材料，其它與實施例1相同。此處，直徑8μm的玻璃纖維為平均直徑大概8μm的玻璃纖維，其含有直徑7～9μm的玻璃纖維。
(3)結構3骨架實施了槽深度0.5mm的滾花加工的外徑65mm、寬度16mm的鋼(材料標號S45C)。在脫脂后，以形成粘著層為目的，浸入作為具有環氧基的硅烷結合劑的γ-縮水甘油二甲丙基三甲氧基硅烷(日本ユニカ-(株)制[A-187]的10重量％甲醇溶液中、在大氣中進行干燥以便在骨架表面形成硅烷結合劑的覆膜。
樹脂聚酰胺6(含有30重量％的直徑6μm的玻璃纖維(GF)，含有宇部興產(株)制UBE尼龍)(登記商標)，碘化銅系熱穩定劑)樹脂部成形與骨架分體成形成形時樹脂外徑形狀具有殘留了切削帶的螺旋形狀，內徑64mm，外徑83mm，寬度15.5mm高頻波熔著以溫度140℃、20分鐘對進行吸水處理的樹脂部進行加熱，在使樹脂部膨脹之后，壓入骨架。之后，在氬氣中進行高頻加熱直至骨架溫度上升至350℃，以熔著(接合)樹脂部，并將其投入水中急速冷卻。之后，在樹脂部切削加工出齒，最終精加工出蝸輪。
雖然與結構1大致相同，但是，作為在樹脂中混合的玻璃纖維(GF)，使用了直徑10μm的材料。此處，直徑10μm的玻璃纖維為平均直徑大概10μm的玻璃纖維，其含有直徑9～11μm的玻璃纖維。
(5)結構5(比較例2)雖然與結構1大致相同，但是，作為在樹脂中混合的玻璃纖維(GF)，使用了直徑13μm的材料。此處，直徑13μm的玻璃纖維為平均直徑大概13μm的玻璃纖維，其含有直徑12～14μm的玻璃纖維。
b.潤滑油的調制圖8說明了在潤滑油中混合的添加劑的種類和混合量，在潤滑油中，在以多α-烯烴油(在100℃時8mm2/s)為基礎，以脂肪族雙脲化合物作為增稠劑的基本潤滑油(增稠劑量13重量％)中混合了圖8所示的各種添加劑(石蠟、防氧化劑、防銹劑)，以調制標注號碼No.2的組成A，組成B，組成C3種潤滑油。
石蠟聚乙烯石蠟(三井化學(株)社制三井高級石蠟320P(分子量3000，軟化點114℃))防氧化劑4，4’-二辛基二苯胺(C6H5)2NH(精工化學(株)社制非PD-RH)防銹劑中性鈣磺酸鹽((株)松村石油研究所制モレコアンバ-SC45N(石油含量54％))。
c.試驗裝置中的樹脂齒輪和潤滑油的組合在試驗裝置中，通過以下所述的組合設定上述樹脂齒輪的結構1～結構5，以及上述潤滑油的組成A，組成B，組成C。
(實施例1)樹脂齒輪結構1潤滑油A(實施例2)樹脂齒輪結構2潤滑油A(實施例3)樹脂齒輪結構3潤滑油A(比較例1)樹脂齒輪結構4潤滑油A(比較例2)樹脂齒輪結構5潤滑油A(比較例3)樹脂齒輪結構1潤滑油B(比較例4)樹脂齒輪結構1潤滑油C
(比較例5)樹脂齒輪結構5潤滑油B。
d.關于耐磨性的試驗方法和評價結果為了模擬實際電動轉向裝置中的蝸桿(金屬材料)和蝸輪(樹脂齒輪)的潤滑狀態，以與在實施例1，2和比較例1～5中使用的樹脂材料相同的材料制作板狀試驗片，使該試驗片與以120度間隔設置3個直徑為6.35mm的鋼球(SUJ2)的盤式試驗裝置的轉動鋼球(球頂點的接觸部圓周速度1m/秒)接觸，評價其耐磨損性。設定至保護氣體溫度80℃且在試驗片和球之間帶有潤滑油(組成A，組成B，組成C)的狀態下，由2Kg連續增加0.5kg的載荷，在各個載荷下連續轉動8小時并觀察試驗片的磨損狀態。在圖9中顯示了磨損試驗結果。
從圖9中可以看到，作為加強材料，在采用加入了比現有細的玻璃纖維的樹脂齒輪和含有規定量石蠟的潤滑油的組合時，即使在高載荷、在實際高表面壓力下使用時，也不會產生磨損，因此能夠提高耐磨性。
e.關于耐久性的試驗方法和評價結果在耐久性的試驗中，將上述實施例1～實施例3以及比較例1～5裝入實際電動轉向裝置中，并填充潤滑油(在蝸輪的樹脂部分的外周面以及蝸桿表面未完全涂布潤滑油)，在環境條件1下，將保護氣體溫度設定為80℃，將相對濕度設定為30％，在環境條件2下，將保護氣體溫度設定為80℃，將相對濕度設定為70％，進行10萬次運行，蝸輪的磨損值從初始值至40μm以下為合格。另外，每進行1萬次運行，測定磨損量。通過由吸水產生的尺寸變化，減少樹脂齒輪和蝸桿之間的間隔，將工作性(工作扭矩)增加大于20％定為不合格。在圖10中顯示了耐久性試驗結果。
在環境條件1下，圖9中顯示的磨損不發生的最大載荷的傾向以及磨損量超過基準的耐久次數的傾向大致一致。在吸水尺寸變化影響大的環境條件2下，僅組合了由高頻波融著產生的粘著的實施例3能夠承受10萬次運行，故判定為合格，雖然在實施例1以及2中，磨損量未超過基準，但是，因由于吸水產生的尺寸變化導致工作性不良，故判定為不合格。
B.第2試驗和評價結果在第2試驗中，對于以下所示的蝸輪的多個實施例以及比較例而言，作出了關于尺寸穩定性、耐久性以及耐磨損性的試驗的評價。本發明不應受到以下說明的實施例以及比較例的任何限制。
a.實施例以及比較例的結構(實施例11)骨架實施了槽深度0.5mm的滾花加工的外徑65mm、寬度16mm的鋼(材料標號S45C)樹脂在聚酰胺6中，含有30重量％的直徑6μm的玻璃纖維(GF)，含有宇部興產(株)制UBE尼龍(登記商標)，碘化銅系熱穩定劑)，直徑6μm的玻璃纖維為平均直徑為大概6μm的玻璃纖維，其含有直徑5～7μm的玻璃纖維。
樹脂部成形將骨架作為芯部并插入成形成形時樹脂外徑形狀具有殘留了切削帶的螺旋形狀，內徑64mm，外徑83mm，寬度15.5mm成形后，進一步切削加工樹脂部的齒，最終以蝸輪形狀進行精加工。
(實施例12)在樹脂中混合的玻璃纖維(GF)使用了直徑7μm的材料，其它與實施例11相同。此處，直徑7μm的玻璃纖維為平均直徑大概7μm的玻璃纖維，其含有直徑6～8μm的玻璃纖維。
(實施例13)骨架實施了槽深度0.5mm的滾花加工的外徑65mm、寬度16mm的鋼(材料標號S45C)。在脫脂后，以形成粘著層為目的，浸入作為具有環氧基的硅烷結合劑的縮水甘油二甲丙基三甲氧基硅烷(日本ユニカ-(株)制[A-187]的10重量％甲醇溶液，在大氣中進行干燥以便在心軸表面形成硅烷結合劑的覆膜。
樹脂在聚酰胺6中，含有30重量％的直徑6μm的玻璃纖維(GF)，含有宇部興產(株)制UBE尼龍)(登記商標)，碘化銅系熱穩定劑直徑6μm的玻璃纖維為平均直徑大概6μm的玻璃纖維，其含有直徑5～7μm的玻璃纖維。
樹脂部成形與骨架分體成形成形時樹脂外徑形狀具有殘留了切削帶的螺旋形狀，內徑64mm，外徑83mm，寬度15.5mm高頻波熔著以溫度140℃、20分鐘對進行吸水處理的樹脂部進行加熱，在使樹脂部膨脹之后，壓入骨架。之后，在氬氣中進行高頻加熱直至骨架溫度上升至350℃，以在骨架中熔著(接合)樹脂部，并將其投入水中急速冷卻。之后，在樹脂部切削加工出齒，最終精加工出蝸輪。
(比較例1)雖然與結構11大致相同，但是，作為在樹脂中混合的玻璃纖維(GF)，使用了直徑10μm的材料。此處，直徑10μm的玻璃纖維為平均直徑大概10μm的玻璃纖維，其含有直徑9～11μm的玻璃纖維。
(比較例12)雖然與結構11大致相同，但是，作為在樹脂中混合的玻璃纖維(GF)，使用了直徑13μm的材料。此處，直徑13μm的玻璃纖維為平均直徑大概13μm的玻璃纖維，其含有直徑12～14μm的玻璃纖維。
b.關于尺寸穩定性、耐久性以及耐磨性的試驗和評價結果圖11顯示了尺寸穩定性和耐久性的試驗結果，圖12顯示了耐磨性試驗結果。首先，說明試驗的方法。
b-1.尺寸穩定性的試驗尺寸穩定性的試驗對于上述實施例11～13以及比較例11以及12，放置在以下的環境條件A以及B下，測定經過70小時、300小時以及500小時后的齒輪外徑尺寸的變化量。在試驗結果中，在任意條件下，變化量小于40μm為合格并由“O”表示，超過40μm為不合格并由“X”表示。
條件A溫度60℃，相對濕度90％條件B溫度80℃，相對濕度90％b-2.耐久性的試驗在耐久性的試驗中，將上述實施例11～實施例13以及比較例11和12的蝸輪裝入實際電動轉向裝置中，在以下的環境條件C，D，E，F下，重復進行運行操作。試驗結果在任意條件下，將能夠承受10萬次運行操作的齒輪定為合格并由“O”表示，將不能承受10萬次運行操作的齒輪定為不合格并由“X”表示。
條件C溫度30℃，相對濕度50％條件D溫度50℃，相對濕度90％。
條件E溫度80℃，相對濕度50％條件F溫度80℃，相對濕度90％。
由圖11所示的尺寸穩定性和耐久性的試驗結果可知，通過混合在樹脂中的玻璃纖維(GF)使用直徑6～7μm的材料，能夠確保抑止由樹脂吸水產生的尺寸變化。與此相伴，即使在高溫高濕度的惡劣條件下，仍能獲得優良的耐久性。
b-3.耐磨損性的試驗耐久性的試驗以與上述實施例11和12以及比較例11和12的蝸輪的樹脂材料相同的材料形成板狀試驗片，使所述試驗片和設有SUJ制成的球(以120度間隔設置3個，使試驗片轉動，球頂點的接觸部圓周速度1m/秒)的盤式試驗裝置進行試驗。
以150～200Mpa的范圍設定接觸承載Pmax，將保護氣體溫度設定至80℃，在潤滑油處于試驗片和球之間的狀態下(基礎油聚α-烯烴油，增稠劑脂肪族雙脲)的狀態下轉動8小時，觀察試驗片的磨損狀態。
由圖12所示的磨損試驗結果可知，通過在樹脂中混合的玻璃纖維(GF)使用直徑6～7μm的材料，即使在接觸承載較高的狀態下仍能使用，并且不會產生磨損，耐磨性優良。
在以上說明的實施例11～實施例13中，雖然玻璃纖維(GF)使用了直徑6～7μm的材料，但是，即使采用直徑5～9μm的玻璃纖維，仍能獲得大致同樣的結果，并且，尺寸穩定性、耐久性以及耐磨性均優良。
不言而喻，在由以上描述的實施例說明的電動轉向裝置的齒輪減速機構中使用的樹脂齒輪不僅適用于電動轉向裝置的齒輪減速機構，而且不應拘泥于用途，通常也適用于齒輪機構中。
本發明的電動轉向裝置以及在其中使用的樹脂齒輪在用于車輛用的電動轉向裝置中時，能夠形成可抑止打齒聲音或振動等不悅耳聲音產生的耐久性優良的高可靠性的電動轉向裝置，除此之外，所述樹脂齒輪還能適用于電動轉向裝置以外的齒輪機構。
權利要求
1.電動轉向裝置，其通過減速齒輪機構，將由電動馬達產生的輔助動力傳遞至車輛的轉向機構，其特征在于所述減速齒輪機構由從動齒輪和與所述從動齒輪嚙合的主動齒輪構成，其中，從動齒輪為樹脂一體形成在金屬制成的骨架外側的外周面上形成了齒輪齒的樹脂齒輪，至少在所述從動齒輪和主動齒輪之間設置潤滑油，所述樹脂齒輪的樹脂部由以聚酰胺樹脂作為基本樹脂的樹脂組成物構成，其中，所述聚酰胺樹脂含有10～50重量％的直徑5～9μm的玻璃纖維，在所述潤滑油中，基礎油以由礦物油、聚α-烯烴油、烷基聚苯基中選擇至少一種作為主要成分，并含有3～10重量％的增稠劑以及熔點或軟化點為70～130℃的石蠟。
2.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，其特征在于在所述樹脂齒輪的金屬制成的骨架和所述樹脂部之間，設有由在一個末端具有環氧基或氨基中任意一種的硅烷結合劑構成的粘著層。
3.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，其特征在于在所述樹脂齒輪的樹脂部中所含的玻璃纖維的直徑為6～8μm。
4.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，其特征在于在所述樹脂齒輪的樹脂部中所含的玻璃纖維的纖維長度為100～900μm。
5.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，其特征在于所述樹脂齒輪的樹脂部由樹脂組成物構成，所述樹脂組成物將所述玻璃纖維的一部分被碳纖維置換的聚酰胺樹脂作為基體樹脂。
6.根據權利要求1所述的電動轉向裝置，其特征在于所述從動齒輪和驅動齒輪為蝸輪，平斜交齒輪，齒輪，傘齒輪以及雙曲線齒輪。
7.樹脂齒輪，其適用于動力傳遞，其特征在于所述樹脂齒輪在金屬制成的骨架外側一體形成了在外周面形成有齒輪齒的樹脂部，所述樹脂部由以聚酰胺樹脂作為基本樹脂的樹脂組成物構成，其中，所述聚酰胺樹脂含有10～50重量％的直徑5～9μm的玻璃纖維。
8.根據權利要求7所述的樹脂齒輪，其特征在于在所述樹脂齒輪的金屬制成的骨架和所述樹脂部之間，設有由在一個末端具有環氧基或氨基中任意一種的硅烷結合劑構成的粘著層。
9.根據權利要求7所述的樹脂齒輪，其特征在于在所述樹脂齒輪的樹脂部中所含的玻璃纖維的直徑為6～8μm。
10.根據權利要求7所述的樹脂齒輪，其特征在于在所述樹脂部中所含的玻璃纖維的纖維長度為100～900μm。
11.根據權利要求7所述的樹脂齒輪，其特征在于所述樹脂部由樹脂組成物構成，所述樹脂組成物將所述玻璃纖維的一部分被碳纖維置換的聚酰胺樹脂作為基體樹脂。
12.根據權利要求7所述的樹脂齒輪，其特征在于所述樹脂齒輪為蝸輪，平斜交齒輪，正齒輪，傘齒輪以及雙曲線齒輪。
全文摘要
在減速齒輪機構中使用了樹脂齒輪的電動轉向裝置以及用于其中的樹脂齒輪。減速齒輪機構由從動齒輪31和與所述從動齒輪嚙合的主動齒輪32構成，其中，從動齒輪為樹脂一體形成在金屬制成的骨架42外側的外周面上形成有齒輪齒44的樹脂齒輪。樹脂齒輪的樹脂部43由以聚酰胺樹脂作為基本樹脂的樹脂組成物構成，其中，所述聚酰胺樹脂含有10～50重量％的直徑5～9μm的玻璃纖維，因此其耐磨性、耐久性以及尺寸穩定性均優良。另外，位于齒輪的嚙合面之間的潤滑油在以由礦物油、聚α－烯烴油、烷基聚苯基中選擇至少一種作為主要成分的基礎油中，含有3～10重量％的增稠劑以及熔點或軟化點為70～130℃的石蠟。
文檔編號C10M169/04GK1761597SQ20048000719
公開日2006年4月19日 申請日期2004年3月18日 優先權日2003年3月19日
發明者矢部俊一, 村上豪, 高城敏己 申請人:日本精工株式會社