EPS減速機構中蝸桿膠擋圈的設計要點

摘要：本文從EPS蝸輪蝸桿減速機構的受力特點，對蝸桿膠擋圈的設計進行分析，并結合實際問題說明膠擋圈設計要點，同時為克服上述缺點提出了一種新的蝸輪蝸桿減速結構。

關鍵詞：減速機構；蝸桿膠擋圈；設計要點

中圖分類號：U463.4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0038-04

EPS Reducer Worm Plastic Circle in the Design Features

BAO Shou-hong1，LAI Ru-cai2

（1.Fu Lin Guorun Automobile Parts Co.，Ltd.，Taizhou 318050，China；

2.Delphi Packard Electric Systems Co.，Ltd.，Shanghai 201814，China）

Abstract：This worm reduction gear from the EPS the force characteristics of the design of worm plastic circle for analysis and practical problem that plastic stalls circle design features，as well as to overcome these shortcomings present a new worm gear structure.

Key word：reduction gear；worm plastic circle；design features

根據電機布置位置的不同，直接助力式電動轉向系統可分為轉向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種類型。轉向軸助力式（見圖1）的電機固定在轉向軸一側，通過減速機構與轉向軸相連，直接驅動轉向軸轉向。

減速機構起減速增扭作用，用來增大電機的輸出扭矩，主要形式有蝸輪蝸桿減速機構和雙行星齒輪減速機構。轉向軸助力式轉向系統一般采用蝸輪蝸桿減速機構，由于蝸輪蝸桿傳動機構在傳動力矩的過程中蝸桿存在軸向分力，對轉向系統的平順性有一定的影響，因此為了減少蝸桿軸向分力的影響，在蝸桿兩端裝配蝸桿膠擋圈進行調節，使轉向柔順平穩，起到改善 EPS功能性能等作用，所以選擇好蝸桿膠擋圈及其在減速機構中的布局顯得較為重要。

1 蝸輪蝸桿傳動的力學特點及受力分析

1.1 力學特點

蝸桿傳動屬于空間嚙合傳動，是由蝸桿和蝸輪組成，常用于交錯軸 ∑＝90°的兩軸之間傳遞動力，一般蝸桿為主動件，作減速運動。蝸桿傳動可以分成圓柱蝸桿傳動、環面蝸桿傳動和錐面蝸桿傳動三種類型，EPS減速機構主要用漸開線式圓柱蝸桿，具有以下特點：

（1）由于蝸桿直徑小、齒數少，蝸輪直徑大、齒數多，單級蝸桿傳動就可以實現較大的傳動比；

（2）蝸桿傳動的嚙合運動是滑動和滾動的組合且以滑動為主，很接近螺旋副，可以實現數對齒相嚙合，因此傳動平穩、振動小、噪聲低；

（3）體積小、重量輕、結構緊湊，并可根據要求實現自鎖；

（4）與齒輪傳動相比傳動效率較低。

由于蝸輪蝸桿傳動優點較多，特別是傳動比大、傳動平穩、結構緊湊的優點很適合在整車上的要求，因此在EPS等方面得到廣泛使用，圖2為普通圓柱蝸輪蝸桿傳動示意圖。

1.2 受力分析

蝸桿傳動受力分析見圖3，蝸桿傳動時，齒面上作用的法向力Fn和摩擦力Ff可分解為三個相互垂直的分力：蝸桿的圓周力Ft1、徑向力Fr和軸向力Fa1。在∑=90°且蝸桿主動時，蝸桿蝸輪所受力的大小和對應關系為：

在圖3中，徑向力Fr未標出，Fr是從作用點指向蝸桿和指向蝸輪圓心上的力，這是一對平衡力。為便于分析，將蝸桿看成一質點，式（5）中γ為導程角，MT1為蝸桿的輸入扭矩，d1為蝸桿的分度圓直徑，μ是蝸桿和蝸輪之間的摩擦系數。

一般蝸輪的材料是尼龍66，蝸桿采用40 Cr，它們之間的摩擦系數為0.05~0.1之間，在潤滑充分的情況下取μ=0.05 。假設某蝸桿的參數為d1=Ф11.6，頭數Z1=2，模數m=2.07，可以計算出：

設定功率120 W的助力電機正常工作時蝸桿輸入扭矩MT1=1.2 Nm ，代入式（5）得到蝸桿傳動的軸向力Fa1為：

Fa1=459 （N）

2 蝸桿膠擋圈設計要點

2.1 蝸桿膠擋圈在減速機構中的位置和作用

蝸桿膠擋圈所處的位置見圖4，根據蝸輪蝸桿傳動機構的受力特點，蝸桿存在軸向力Fa1，在上述額定工況下約500 N。蝸桿減速機構在轉向盤左右換向和顛簸路面行駛時，蝸桿的軸向力明顯變動，對蝸輪蝸桿減速機構有較大沖擊。為了緩沖顛簸路面和轉向時蝸桿軸向力變化對減速機構的沖擊影響，在蝸桿兩端設置了二個蝸桿膠擋圈對軸向力的沖擊進行吸收減振，使轉向柔順平穩，起到改善 EPS功能性能和空載性能，減少減速機構傳動異響、蝸輪磨損等作用。

2.2 蝸桿膠擋圈硬度的選擇

蝸桿膠擋圈一般用丁腈橡膠制成，耐油、耐老化性能較好，是橡膠彈簧的一種，剛度小，受載后有較大的彈性變形，借以吸收沖擊和振動，所以剛度是蝸桿膠擋圈的關鍵特性之一。

蝸桿膠擋圈的剛度和材料硬度密切相關，材料硬度越大，剛度越大，彈性越差，圖5為兩種不同硬度的蝸桿膠擋圈的剛度特性，從曲線上明顯反映出它們之間的關系。

蝸桿膠擋圈硬度一般根據減速機構的設計參數和蝸桿軸向力進行確認。膠擋圈硬度不能太高，硬度高剛度大，彈性差，不能很好的起減振緩沖作用，影響EPS功能性能。但硬度也不能取得過小，由于蝸桿膠擋圈存在承重量小、形狀及機械性能穩定性差等缺點，在使用過程中剛度會不斷下降，特別是在外界強力沖擊下，在其受力方向會產生比較明顯的永久變形。

圖6為顛簸路試過程中，由于蝸桿膠擋圈硬度偏小（約邵氏50度），顛簸路面沖擊后尺寸縮小到原來的三分之二，造成換向過程出現“咔咔”的間隙異響。在具體確認蝸桿膠擋圈的硬度時，首先要滿足在顛簸路面強力沖擊下不能出現永久變形的問題，顛簸路面沖擊力足夠大時，可以引起蝸輪蝸桿減速機構瞬間堵轉，這時蝸桿的軸向力基本都加載在蝸桿膠擋圈上，對蝸桿膠擋圈的沖擊最大；堵轉時120 W助力電機輸出扭矩可達2 Nm，按式（5）計算，軸向力 在800 N左右，因此最高硬度確定是根據該力沖擊下，變形程度不超出膠擋圈彈性變形范圍，才能避免出現永久變形的現象。

2.3 蝸桿軸承擋與軸承內圓的配合對蝸桿膠擋圈的影響

在圖4的蝸輪蝸桿減速機構中，蝸桿軸承擋與軸承內圓的配合相當重要。當蝸桿膠擋圈要受到蝸桿軸向力沖擊時，蝸桿軸承擋先要在軸承的內圓中滑動一定的距離，才能將軸向力傳遞到蝸桿膠擋圈上，然后膠擋圈再發生形變，吸收沖擊力，起緩沖和減振作用，因此蝸桿軸承擋和軸承內圓之間要求一定是間隙配合；如果是過盈配合，蝸桿軸承擋很難在軸承內圓中滑動，那么蝸桿的軸向力沖擊就直接作用在軸承上，而不會作用在蝸桿膠擋圈上，這樣就無法消除軸向力的沖擊，影響管柱的功能性能，更嚴重的是如果軸向沖擊力足夠大，迫使蝸桿軸承擋在軸承內圓中滑動一定距離后，蝸桿膠擋圈受力變形，當沖擊力過后，蝸桿膠擋圈恢復原狀的力不足以使軸承移動到原位置，造成膠擋圈一直處于變形狀態，即圖6的狀態，使二軸承之間的距離小于設計要求，與蝸殼之間形成間隙，最終形成間隙異響的問題。

蝸桿軸承擋與軸承內圓的間隙配合也不能過小，否則蝸輪蝸桿的中心距不能保證，出現徑向跳動，影響傳遞效果，一般情況下配合間隙控制在0.01 mm左右。

2.4 蝸桿膠擋圈裝配位置的選擇

在圖4的蝸輪蝸桿減速機構中，蝸桿膠擋圈位置是裝配在兩軸承的內側，這樣設計存在兩個缺點。一是不容易控制蝸桿膠擋圈的硬度，主要原因是膠擋圈的承受面積偏小，所以要能保證承受顛簸路面的劇烈沖擊不超出膠擋圈的彈性變形范圍，必須要提高材料硬度，而硬度的提高則使膠擋圈的剛度增大，彈性變差，不能很好起減振緩沖作用；第二個缺點是不容易控制蝸桿軸承擋和軸承之間的配合，圖4的結構必須保證蝸桿軸承擋和軸承之間是間隙配合才能使蝸桿膠擋圈起到良好的緩沖作用，但間隙又不能太大，以免出現徑向跳動，因此使制造和控制成本增加。

為了解決圖4中存在的兩個缺點，將軸承1、2和蝸桿膠擋圈1、2位置互換，即圖7的新結構（已申請專利）。在蝸桿出現軸向力沖擊時，由軸承外圓傳遞給蝸桿膠擋圈進行減振緩沖，而不必要通過蝸桿軸承擋在軸承內圓中滑動，因此蝸桿軸承擋與軸承內圓只需過渡配合就行，簡化了制造和控制成本。同時由于蝸桿的軸向沖擊力由軸承的外圓傳遞，因此蝸桿膠擋圈的承受面積可以做的比較大，這樣的好處是可以使膠擋圈的硬度做得不需太高，既能保證顛簸路面劇烈沖擊下不超出膠擋圈的彈性變形范圍，又有較好的彈性起到減振緩沖作用，滿足了EPS功能性能的要求。

3 結語

由于蝸桿膠擋圈的剛度和材料的硬度密切相關，材料硬度越大，剛度就越大，彈性越差，對蝸桿軸向沖擊力的減振緩沖效果就越差；如果蝸桿膠擋圈的硬度偏小，在顛簸路面強力沖擊下，又很容易超出彈性變形范圍，造成膠擋圈出現明顯的永久變形。所以在材料硬度選擇上，首先要滿足顛簸路面沖擊下不會超出蝸桿膠擋圈的彈性形變范圍的條件，再盡量使硬度減小，為了使蝸桿膠擋圈的硬度和剛度同時滿足以上要求，可以采用圖7的結構增加膠擋圈的承受面積。

正常情況下，蝸桿膠擋圈在使用過一段時間后，在其受力方向上均會產生一定的永久變形，使部分尺寸發生改變。為了確保膠擋圈的尺寸變化不至于影響減速機構的傳動性能，必須對蝸桿膠擋圈模擬實際狀況進行疲勞試驗。

參考文獻：

［1］ 機械設計手冊（數字化手冊系列V3.0）［M］.化學工業出版社.2008.

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