汽車微電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)自鎖特性淺析與應(yīng)用

謝模焱

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引言

蝸輪蝸桿傳動(dòng)被廣泛應(yīng)用于汽車微電機(jī)齒輪箱的一級(jí)傳動(dòng)，將永磁直流微電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為垂直方向的運(yùn)動(dòng)輸出，再根據(jù)應(yīng)用場景采用其他傳動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為最終輸出，如汽車座椅電機(jī)、車窗電機(jī)、雨刮電機(jī)等。

在此類電機(jī)的應(yīng)用中，為了簡化后續(xù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、保證操作的安全性，通常要求電機(jī)齒輪箱自身具備一定的自鎖特性，即：輸出結(jié)構(gòu)只能由電機(jī)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)斷電狀態(tài)下，輸出結(jié)構(gòu)受一定的外力作用下，電機(jī)不會(huì)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)；以車窗電機(jī)為例，良好的自鎖特性可以保證車窗不會(huì)被外力推下。而蝸輪蝸桿傳動(dòng)正好在特定參數(shù)設(shè)計(jì)下即可以滿足自鎖要求，本文將從蝸輪蝸桿傳動(dòng)的原理出發(fā)，分析影響其自鎖特性的因素，并以實(shí)際案例分析基于自鎖特性的汽車微電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)。

1 汽車微電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)簡述

汽車微電機(jī)產(chǎn)品通常電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，且客戶對(duì)噪聲和成本控制等要求較為嚴(yán)格，因此不同于常規(guī)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)，汽車微電機(jī)中常用的蝸輪蝸桿傳動(dòng)本質(zhì)上是交錯(cuò)軸漸開線斜齒輪傳動(dòng)（交錯(cuò)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(shù)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，如圖1所示；基于低成本、低噪聲和輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，蝸輪通常選用工程塑料，而為了進(jìn)一步降低注塑成本要求，會(huì)簡化去除傳統(tǒng)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?yōu)榱它c(diǎn)嚙合[2-3]。

表1 蝸輪簡化為斜齒輪的參數(shù)變化

為方便描述，下文仍將使用“蝸輪蝸桿傳動(dòng)”這種行業(yè)常規(guī)說法，需要注意的是，當(dāng)此種蝸輪蝸桿傳動(dòng)有角變位時(shí)，節(jié)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(jī)的產(chǎn)品性能角度出發(fā)，齒輪箱的自鎖特性可以分為兩個(gè)層面：功能性自鎖和安全性自鎖。功能自鎖即機(jī)構(gòu)在日常使用中受正常負(fù)載時(shí)是否能自鎖，安全自鎖即機(jī)構(gòu)在異常狀態(tài)下受非正常沖擊力（如撞車時(shí)），機(jī)構(gòu)的自鎖強(qiáng)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(duì)齒輪結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度要求。

2.1 功能性自鎖的影響因素

螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能性自鎖的本質(zhì)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(dòng)自鎖的受力分析如圖3所示。

圖3 自鎖受力分析示意

設(shè)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(yùn)動(dòng)只能是轉(zhuǎn)動(dòng)，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(chǎn)生的：

從式（2）（3）可以看出，當(dāng)tanλ＜μ時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)：a.蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)參數(shù)螺旋角λb.蝸輪蝸桿齒面之間的摩擦系數(shù)μ。

螺旋角是蝸桿的幾何參數(shù)，設(shè)計(jì)定型后僅受制造精度的影響。在摩擦系數(shù)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(shù)則由接觸表面的狀態(tài)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(shè)計(jì)參數(shù)下，表面粗糙度越好，潤滑阻尼越小，則摩擦系數(shù)越小，此時(shí)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(gè)因素，以滿足產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

2.2 安全性自鎖的影響因素

在2.1所述的兩個(gè)因素基礎(chǔ)上，影響安全性自鎖的因素主要是蝸輪蝸桿本身的齒根強(qiáng)度和齒面強(qiáng)度，即當(dāng)數(shù)學(xué)條件可以達(dá)到自鎖時(shí)，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(dāng)材料的強(qiáng)度越高、接觸齒厚越大時(shí)，安全性自鎖越好。

如1中所述，在汽車微電機(jī)中，工作力矩相對(duì)較小且成本控制較為嚴(yán)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(qiáng)度數(shù)據(jù)舉例對(duì)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(qiáng)度明顯大于塑料蝸輪，為了達(dá)到接觸強(qiáng)度的最大化，會(huì)采取切向變位的方式針對(duì)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(yīng)根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)證。如圖4所示，常規(guī)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)中，蝸桿齒厚與蝸輪齒厚理論值相等；而在等強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，蝸桿齒厚會(huì)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(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求與總體方案

某款座椅升降電機(jī)關(guān)于其自鎖特性的技術(shù)要求有兩個(gè)：座椅升降電機(jī)在10N.m負(fù)載下的自由間隙＜5°；座椅升降電機(jī)承受160N.m負(fù)載后，應(yīng)保證能夠調(diào)節(jié)一次以上。通過對(duì)行業(yè)同類產(chǎn)品對(duì)標(biāo)分析，該座椅升降電機(jī)齒輪箱擬采用“蝸輪蝸桿+NGW型行星齒輪傳動(dòng)”，因此其自鎖特性由蝸輪蝸桿傳動(dòng)決定，分別對(duì)應(yīng)2中所述的功能性自鎖與安全性自鎖。

3.2 設(shè)計(jì)方案與驗(yàn)證情況

基于2中螺旋角分析和接觸齒厚分析，初步設(shè)計(jì)參數(shù)如下表3所示。

表3 蝸輪蝸桿幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

基于2中摩擦系數(shù)及材料分析，選擇多種方案進(jìn)行仿真及樣件測(cè)試驗(yàn)證，同等設(shè)計(jì)參數(shù)下，驗(yàn)證情況如表4所示。

表4 蝸輪蝸桿材料驗(yàn)證

方案2與4均能滿足自鎖性要求，但經(jīng)過后期驗(yàn)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(yōu)化蝸桿的制造工藝提高光潔度，最終選擇方案4，成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)汽車微電機(jī)中蝸輪蝸桿傳動(dòng)自鎖特性進(jìn)行了分析與實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

根據(jù)應(yīng)用場景，汽車微電機(jī)蝸輪蝸桿傳動(dòng)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(jī)蝸輪蝸桿自鎖特性的因素，其中關(guān)鍵影響因素為：螺旋角設(shè)計(jì)、齒厚設(shè)計(jì)、材料選用；

基于蝸輪蝸桿影響因素分析進(jìn)行某款汽車座椅微電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，為類似的產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。