汽車微電機蝸輪蝸桿傳動自鎖特性淺析與應用

謝模焱

廣汽零部件有限公司技術中心 廣東 廣州 510000

引言

蝸輪蝸桿傳動被廣泛應用于汽車微電機齒輪箱的一級傳動，將永磁直流微電機的旋轉動力轉化為垂直方向的運動輸出，再根據應用場景采用其他傳動形式轉化為最終輸出，如汽車座椅電機、車窗電機、雨刮電機等。

在此類電機的應用中，為了簡化后續傳動機構設計、保證操作的安全性，通常要求電機齒輪箱自身具備一定的自鎖特性，即：輸出結構只能由電機主動驅動，在電機斷電狀態下，輸出結構受一定的外力作用下，電機不會被動旋轉；以車窗電機為例，良好的自鎖特性可以保證車窗不會被外力推下。而蝸輪蝸桿傳動正好在特定參數設計下即可以滿足自鎖要求，本文將從蝸輪蝸桿傳動的原理出發，分析影響其自鎖特性的因素，并以實際案例分析基于自鎖特性的汽車微電機蝸輪蝸桿傳動設計。

1 汽車微電機蝸輪蝸桿傳動簡述

汽車微電機產品通常電機轉速較高，且客戶對噪聲和成本控制等要求較為嚴格，因此不同于常規的蝸輪蝸桿傳動，汽車微電機中常用的蝸輪蝸桿傳動本質上是交錯軸漸開線斜齒輪傳動（交錯角度為90°）[1]。

蝸桿端面齒形為漸開線（ZI型蝸桿），可以理解為大螺旋角的斜齒輪，以法向模數作為設計基準，如圖1所示；基于低成本、低噪聲和輕量化的設計目標，蝸輪通常選用工程塑料，而為了進一步降低注塑成本要求，會簡化去除傳統蝸輪的喉圓，齒形采用漸開線，即斜齒輪，如圖2所示。

圖2 蝸輪簡化為斜齒輪示意

蝸輪簡化為斜齒輪的變化如表1所示。蝸輪簡化為斜齒輪后，蝸輪蝸桿由線嚙合變為了點嚙合[2-3]。

表1 蝸輪簡化為斜齒輪的參數變化

為方便描述，下文仍將使用“蝸輪蝸桿傳動”這種行業常規說法，需要注意的是，當此種蝸輪蝸桿傳動有角變位時，節圓處蝸桿螺旋角與蝸輪螺旋角之和才為90°。

2 自鎖特性的影響因素分析

從汽車微電機的產品性能角度出發，齒輪箱的自鎖特性可以分為兩個層面：功能性自鎖和安全性自鎖。功能自鎖即機構在日常使用中受正常負載時是否能自鎖，安全自鎖即機構在異常狀態下受非正常沖擊力（如撞車時），機構的自鎖強度能夠滿足要求。功能性自鎖是安全性自鎖的前提，安全性自鎖增加了對齒輪結構本身的強度要求。

2.1 功能性自鎖的影響因素

螺旋機構實現功能性自鎖的本質就是外部的作用力在斜面上分力始終小于斜面上的靜摩擦力，蝸輪蝸桿傳動自鎖的受力分析如圖3所示。

圖3 自鎖受力分析示意

設外部施加力為作用在蝸輪上的力矩T，蝸輪齒上的法向力為：

由于蝸桿軸向已被約束，蝸桿的被迫運動只能是轉動，其切向力為：

而蝸輪蝸桿之間的摩擦力在切向方向的分力為徑向力產生的：

從式（2）（3）可以看出，當tanλ＜μ時，無論蝸輪上的力矩T多大，蝸桿所受的切向力Ft2始終小于蝸桿切向的摩擦力Ff，即蝸桿無法轉動，實現自鎖。

從以上分析可以看出影響功能性自鎖的因素有如下兩點：a.蝸輪蝸桿的設計參數螺旋角λb.蝸輪蝸桿齒面之間的摩擦系數μ。

螺旋角是蝸桿的幾何參數，設計定型后僅受制造精度的影響。在摩擦系數相同的條件下，蝸輪蝸桿的功能性自鎖隨螺旋角的變小而增大，傳遞效率則隨螺旋角的變小而降低[4]。

摩擦系數則由接觸表面的狀態決定，受蝸輪蝸桿的材料、表面粗糙度、潤滑情況等眾多因素影響。在同等設計參數下，表面粗糙度越好，潤滑阻尼越小，則摩擦系數越小，此時功能性自鎖越差，效率則越大，反之，功能性自鎖越好，效率越低。

因此需要合理平衡這兩個因素，以滿足產品的應用需求。

2.2 安全性自鎖的影響因素

在2.1所述的兩個因素基礎上，影響安全性自鎖的因素主要是蝸輪蝸桿本身的齒根強度和齒面強度，即當數學條件可以達到自鎖時，蝸輪蝸桿承受變形或破壞的能力，其主要影響因素為：①蝸輪蝸桿的材料；②蝸輪蝸桿的接觸齒厚。

顯然，當材料的強度越高、接觸齒厚越大時，安全性自鎖越好。

如1中所述，在汽車微電機中，工作力矩相對較小且成本控制較為嚴格，蝸桿一般采用普通鋼材甚至銅材即可滿足要求；蝸輪常用的材料包括POM、PA。表2為幾種蝸桿蝸輪材料的彈性模量及屈服強度數據舉例對比。

表2 蝸桿蝸輪材料物性舉例

從表2可以看出，金屬蝸桿的彈性模量及屈服強度明顯大于塑料蝸輪，為了達到接觸強度的最大化，會采取切向變位的方式針對蝸桿和蝸輪的接觸齒厚重新分配，變位后，蝸輪蝸桿的齒頂齒根直徑等均不變，僅齒厚變化，具體的分配比例應根據應用場景進行計算與驗證。如圖4所示，常規的蝸輪蝸桿傳動中，蝸桿齒厚與蝸輪齒厚理論值相等；而在等強度設計中，蝸桿齒厚會明顯小于蝸輪齒厚。

圖4 自鎖受力分析示意

3 某款座椅微電機蝸輪蝸桿傳動的設計

3.1 設計要求與總體方案

某款座椅升降電機關于其自鎖特性的技術要求有兩個：座椅升降電機在10N.m負載下的自由間隙＜5°；座椅升降電機承受160N.m負載后，應保證能夠調節一次以上。通過對行業同類產品對標分析，該座椅升降電機齒輪箱擬采用“蝸輪蝸桿+NGW型行星齒輪傳動”，因此其自鎖特性由蝸輪蝸桿傳動決定，分別對應2中所述的功能性自鎖與安全性自鎖。

3.2 設計方案與驗證情況

基于2中螺旋角分析和接觸齒厚分析，初步設計參數如下表3所示。

表3 蝸輪蝸桿幾何參數設計

基于2中摩擦系數及材料分析，選擇多種方案進行仿真及樣件測試驗證，同等設計參數下，驗證情況如表4所示。

表4 蝸輪蝸桿材料驗證

方案2與4均能滿足自鎖性要求，但經過后期驗證，方案2中銅蝸桿耐久后磨損較大，不滿足耐久性能；方案4中鋼蝸桿齒面粗糙度較大，不滿足噪聲性能。通過優化蝸桿的制造工藝提高光潔度，最終選擇方案4，成功實現產品量產。

4 結束語

本文對汽車微電機中蝸輪蝸桿傳動自鎖特性進行了分析與實際應用驗證，得出以下結論：

根據應用場景，汽車微電機蝸輪蝸桿傳動自鎖特性分為功能性自鎖和安全性自鎖；

具體分析了影響汽車微電機蝸輪蝸桿自鎖特性的因素，其中關鍵影響因素為：螺旋角設計、齒厚設計、材料選用；

基于蝸輪蝸桿影響因素分析進行某款汽車座椅微電機產品的設計，最終達到設計目標，為類似的產品開發提供了參考。