連續變位齒輪注塑模具的加工研究*

馬 峻 王 京 田 耘 甄 雯

(①北京電子科技職業學院汽車工程學院，北京100026;②清華大學汽車工程系，北京100083)

1 車用轉矩轉角一體化傳感器的齒輪系

汽車轉向系統是用于改變或保持汽車行駛方向的專門機構。當前助力轉向系統已逐漸成為汽車的標準配置。根據汽車車型的不同，使用電動助力系統能夠降低燃油費用達3%～5%，這使得電動助力轉向器獲得了快速的發展。未來電動助力轉向系統裝備率將不斷上升，預計2015 年其在中國汽車行業的裝備率將超過40%。

在EPS 電子控制技術當中，轉矩、轉角傳感器是保證系統穩定、良好工作的重要部件。目前大多采用轉矩、轉角傳感器分別安裝的辦法解決兩類信號的獲取，這樣不但造成成本的上升，還對信號的獲取精度造成一定的影響。因此，開發轉矩轉角一體化傳感器迫在眉睫。根據汽車轉向柱安裝空間設計傳感器齒輪組結構，如圖1 所示。轉向柱分上下兩部分，中間有彈性扭桿相連接，轉向柱上端與方向盤剛性連接，轉向柱下端與轉向器連接。大齒輪1 分別帶動雙聯齒輪3 和雙聯齒輪5，進而帶動小齒輪6、8;大齒輪2 通過雙聯齒輪4 帶動小齒輪7。通過測量小齒輪6、8的相對轉角差確定轉向軸即方向盤的絕對轉角與轉動方向。通過測量小齒輪6、7 的相對轉角差測量扭桿轉角，進而確定轉矩。由于傳感器齒輪組經常處于換向狀態，如果傳動鏈中齒輪傳動副存在間隙，反向時就會使信號采集滯后于動作，影響傳動鏈的系統精度，從而影響信號精度。通過對齒輪組的實驗測量可知，由于齒輪組回差引起的測量結果誤差接近1°，而轉向柱中選用的彈性扭桿扭轉角度為5°左右，因此側隙的消除是傳感器能否正常工作的關鍵因素之一。傳統的側隙消除方法大部分是基于傳動齒輪設計的［1－3］，因此需要重新設計齒輪組消隙機構。借鑒吳雙勝、景留平的實用新型專利《側隙可調齒輪副》［4］，將傳感器中的齒輪組設計成連續變位圓柱齒輪，通過連續變位形成約為2°～3°的小錐角，如圖2 所示。裝配時應先將齒輪2 裝在齒輪軸3上，再在齒輪軸5 上裝入調整墊片4，最后裝入齒輪1，然后檢測齒輪側隙的實際數值。完成后拆卸齒輪1，對墊片4 進行調整，并重新安裝即可。

該傳感器的特點在于負載較小，但對于傳動精度與傳動噪聲等控制嚴格，同時采用連續變位的齒形結構。為了便于批量生產，降低成本，使用注塑的方法批量生產齒輪，用電火花結合超聲振動的二元復合加工法加工注塑型腔。

2 齒輪模具設計

車用轉矩轉角一體化傳感器齒輪組采用連續變位齒輪，需要重新設計注塑模具。齒輪的模具設計主要分為型腔、澆注、冷卻、排氣、脫模機構5 大部分，其中，型腔和澆注設計是關鍵環節。

2.1 齒輪模具型腔設計

齒輪模具的型腔設計主要是完成型腔放縮調整和齒廓設計。齒輪型腔的放縮技術一直被視為塑料模具制造行業的核心技術，甚至成為模具行業公認的一個技術難題［5］。這是因為利用注塑的方法生產齒輪，其原料要經過“固－液－固”的物理形態轉變，這一過程中，材料的收縮率在某一區間變化，很難精確測量。為解決這一問題，一方面采用巴斯夫公司推出的Ultradur High Speed PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)作為注塑材料。它具有較好的流動性，使用該材料后，不僅可以大大縮短注塑的生產周期，同時還能夠較好控制材料的收縮率，提高部件內部結構設計的精密度。另一方面，利用“變模數法”［6］精確設計齒輪型腔。“變模數法”認為齒輪在加工過程中，基圓、分度圓、齒根圓、齒頂圓的直徑都是按照一定比例放大或縮小的。同時由公式d=mz可知，當齒輪齒數確定時，分度圓直徑的放大或縮小與模數的放大或縮小比例一致。因此可設定一個虛擬齒輪，模數為m1，其與成品齒輪模數的關系式為:

式中:m為成品齒輪模數;η%為材料收縮率;m1為虛擬齒輪模數。將模數m1代入相應齒輪計算公式，可以得到虛擬齒輪的相關參數，按照這些參數進行齒輪型腔設計。虛擬齒輪與成品齒輪參數存在比例關系，因此虛擬齒輪仍然為連續變位齒輪。其齒廓形狀比較復雜，應采用電火花結合超聲振動加工型腔，因此要通過CAD 軟件精確繪制齒廓形狀作為加工的軌跡參考線。

2.2 齒輪模具的澆口設計

注塑法生產齒輪時，澆口的位置和數量對產品的質量和生產效率有很大的影響，而澆口的分布形式則決定了齒輪的整體力學性能。根據整體設計要求，采用3點注塑模式(圖3)，3 個澆口位于同一圓弧上。試驗表明，這種結構能使原料從澆口呈輻射狀向四周流動，在流動前沿匯合處會形成3 條熔接線。在熔接線位置，纖維的取向傾向流動前沿平行。在齒輪中，這會導致纖維在熔接線處呈徑向分布，而齒輪其余部位隨機分布。從而沿熔接線形成低收縮區域。熔接線與齒輪其余部位之間纖維取向的差異比單一澆口齒輪要小，齒輪精度也更高［7］。

3 注塑齒輪的模具材料——氮化硅(Si3N4)

氮(N)和硅(Si)都是自然界分布廣泛的元素，但氮與硅的化合物卻極難發現。人工合成氮化硅在140多年前就已經出現，但由于氮化硅的粉體與氮化硅陶瓷的性能差異巨大，因此在上世紀70 年代在粉體氮化硅的基礎上加工出性能優異的氮化硅陶瓷制品后，氮化硅才為各國所重視［8］。氮化硅陶瓷對于高溫、高速、強腐蝕性的工作場合具有特殊的價值。首先，氮化硅陶瓷具有較高的機械強度，它的硬度接近剛玉;同時由于氮化硅是粉體加工而成，它還具有一定的耐磨性和自潤滑性;其次，氮化硅的密度低;再次，氮化硅耐腐蝕性好，對大部分酸堿溶液、有機物質、有色金屬溶液乃至放射線均有較好的化學穩定性;最后，氮化硅的耐熱性好，熱膨脹系數小，導熱性能好，是制造注塑模具的良好材料。

氮化硅陶瓷的制備方法較多，基本工藝如圖4 所示。

氮化硅陶瓷不受資源限制，通過改進加工工藝，在純度、細密程度、均質等方面不斷提高，可以改善性能，降低成本。因此氮化硅陶瓷在新材料領域具有明顯的競爭優勢。

4 超聲振動輔助電火花陶瓷模具加工

由于氮化硅陶瓷具有高硬度、高耐磨性的特點，傳統的磨削加工方法難以滿足模具生產的要求。電火花加工能以較軟的工具電極材料加工任何硬度的工件材料，加工時幾乎沒有宏觀作用力，而且不受加工對象材料硬度、脆性等綜合機械性能的影響，是解決工程陶瓷材料加工的有效途徑之一。

通過實驗可以發現，僅使用電火花加工時，隨著電流的增大，材料去除率先是略微增大，然后緩慢下降，總體水平處于較低的范圍內，這是由于加工表面受電流影響形成玻璃體，即陶瓷材料的加工以表面燒傷停滯［9］。為解決這一問題，采用了電火花與超聲振動的二元復合加工方法進行模具的加工。其加工機理如圖5 所示，以去離子水為工作液，其電導率為40 μS/cm，壓力為0.2 MPa，從電極中心供入放電間隙。工具電極超聲振動，振動頻率22.6 kHz。

參照山東大學常偉杰博士論文中所做試驗 ，設定電火花加工參數如下:主軸進給速度為0.005 mm/s;回 退 速 度 為0.05 mm/s;加 工 步 長 為0.0005 mm;回退步長為0.002 mm。

放電參數:脈寬td為20 μs;脈間tp為20 μs;開路電壓U0為100 V;極值電流IA為3 A。

通過實驗，可以看到材料去除率隨開路電壓的升高而升高，電火花與超聲振動的二元復合加工方法的材料去除率比單純的電火花加工材料去除率顯著提高，當開路電壓為100 V 時，前一種方法的材料去除率為1.63 mm3/min，而后一種僅為0.61 mm3/min，因此電火花與超聲振動復合加工法對于氮化硅等工程陶瓷具有很好的加工效果。

5 結語

電動助力轉向系統(EPS)是未來汽車轉向系發展的方向，轉矩轉角一體化傳感器則是EPS 系統的關鍵傳感器之一。為實現一體化測量轉矩和轉角信號，本文設計了齒輪系統，并根據傳感器的工作特點將齒輪設計為連續變位齒輪，同時選定了加工方法。在此基礎上為齒輪模具選定了材料，并確定了模具的加工方法及加工參數。

［1］譚培紅，房曉東，周加紅. 偏心套刻度及調整齒輪側隙的理論和試驗研究［J］.機械工程師，2002(9):53 －54.

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［6］李健心.精密塑料齒輪注射模型腔設計及制造工藝［J］. 模具工業，2000(7):30 －31.

［7］劉杰，馬瑞伍.漸開線小模數塑料齒輪模具設計關鍵技術研究［J］.模具制造，2010(6):48 －50.

［8］熊天開.基于人工神經網絡的絕緣陶瓷Si3N4電火花加工仿真系統開發［D］.荊州:長江大學，2012.

［9］常偉杰. 超聲振動輔助電火花銑削加工技術與機理研究［D］. 濟南:山東大學，2012.