EPS减速机构中蜗杆胶挡圈的设计要点

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摘要：本文从eps蜗轮蜗杆减速机构的受力特点，对蜗杆胶挡圈的设计进行分析，并结合实际问题说明胶挡圈设计要点，同时为克服上述缺点提出了一种新的蜗轮蜗杆减速结构。

关键词：减速机构；蜗杆胶挡圈；设计要点

中图分类号：U463.4 文献标志码：A 文章编号：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

根据电机布置位置的不同，直接助力式电动转向系统可分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种类型。转向轴助力式（见图1）的电机固定在转向轴一侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴转向。

减速机构起减速增扭作用，用来增大电机的输出扭矩，主要形式有蜗轮蜗杆减速机构和双行星齿轮减速机构。转向轴助力式转向系统一般采用蜗轮蜗杆减速机构，由于蜗轮蜗杆传动机构在传动力矩的过程中蜗杆存在轴向分力，对转向系统的平顺性有一定的影响，因此为了减少蜗杆轴向分力的影响，在蜗杆两端装配蜗杆胶挡圈进行调节，使转向柔顺平稳，起到改善 EPS功能性能等作用，所以选择好蜗杆胶挡圈及其在减速机构中的布局显得较为重要。

1 蜗轮蜗杆传动的力学特点及受力分析

1.1 力学特点

蜗杆传动属于空间啮合传动，是由蜗杆和蜗轮组成，常用于交错轴 ∑＝90°的两轴之间传递动力，一般蜗杆为主动件，作减速运动。蜗杆传动可以分成圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥面蜗杆传动三种类型，EPS减速机构主要用渐开线式圆柱蜗杆，具有以下特点：

（1）由于蜗杆直径小、齿数少，蜗轮直径大、齿数多，单级蜗杆传动就可以实现较大的传动比；

（2）蜗杆传动的啮合运动是滑动和滚动的组合且以滑动为主，很接近螺旋副，可以实现数对齿相啮合，因此传动平稳、振动小、噪声低；

（3）体积小、重量轻、结构紧凑，并可根据要求实现自锁；

（4）与齿轮传动相比传动效率较低。

由于蜗轮蜗杆传动优点较多，特别是传动比大、传动平稳、结构紧凑的优点很适合在整车上的要求，因此在EPS等方面得到广泛使用，图2为普通圆柱蜗轮蜗杆传动示意图。

1.2 受力分析

蜗杆传动受力分析见图3，蜗杆传动时，齿面上作用的法向力Fn和摩擦力Ff可分解为三个相互垂直的分力：蜗杆的圆周力Ft1、径向力Fr和轴向力Fa1。在∑=90°且蜗杆主动时，蜗杆蜗轮所受力的大小和对应关系为：

在图3中，径向力Fr未标出，Fr是从作用点指向蜗杆和指向蜗轮圆心上的力，这是一对平衡力。为便于分析，将蜗杆看成一质点，式（5）中γ为导程角，MT1为蜗杆的输入扭矩，d1为蜗杆的分度圆直径，μ是蜗杆和蜗轮之间的摩擦系数。

一般蜗轮的材料是尼龙66，蜗杆采用40 Cr，它们之间的摩擦系数为0.05~0.1之间，在充分的情况下取μ=0.05 。假设某蜗杆的参数为d1=Ф11.6，头数Z1=2，模数m=2.07，可以计算出：

设定功率120 W的助力电机正常工作时蜗杆输入扭矩MT1=1.2 Nm ，代入式（5）得到蜗杆传动的轴向力Fa1为：

Fa1=459 （N）

2 蜗杆胶挡圈设计要点

2.1 蜗杆胶挡圈在减速机构中的位置和作用

蜗杆胶挡圈所处的位置见图4，根据蜗轮蜗杆传动机构的受力特点，蜗杆存在轴向力Fa1，在上述额定工况下约500 N。蜗杆减速机构在转向盘左右换向和颠簸路面行驶时，蜗杆的轴向力明显变动，对蜗轮蜗杆减速机构有较大冲击。为了缓冲颠簸路面和转向时蜗杆轴向力变化对减速机构的冲击影响，在蜗杆两端设置了二个蜗杆胶挡圈对轴向力的冲击进行吸收减振，使转向柔顺平稳，起到改善 EPS功能性能和空载性能，减少减速机构传动异响、蜗轮磨损等作用。

2.2 蜗杆胶挡圈硬度的选择

蜗杆胶挡圈一般用丁腈橡胶制成，耐油、耐老化性能较好，是橡胶弹簧的一种，刚度小，受载后有较大的弹性变形，借以吸收冲击和振动，所以刚度是蜗杆胶挡圈的关键特性之一。

蜗杆胶挡圈的刚度和材料硬度密切相关，材料硬度越大，刚度越大，弹性越差，图5为两种不同硬度的蜗杆胶挡圈的刚度特性，从曲线上明显反映出它们之间的关系。

蜗杆胶挡圈硬度一般根据减速机构的设计参数和蜗杆轴向力进行确认。胶挡圈硬度不能太高，硬度高刚度大，弹性差，不能很好的起减振缓冲作用，影响EPS功能性能。但硬度也不能取得过小，由于蜗杆胶挡圈存在承重量小、形状及机械性能稳定性差等缺点，在使用过程中刚度会不断下降，特别是在外界强力冲击下，在其受力方向会产生比较明显的永久变形。

图6为颠簸路试过程中，由于蜗杆胶挡圈硬度偏小（约邵氏50度），颠簸路面冲击后尺寸缩小到原来的三分之二，造成换向过程出现“咔咔”的间隙异响。在具体确认蜗杆胶挡圈的硬度时，首先要满足在颠簸路面强力冲击下不能出现永久变形的问题，颠簸路面冲击力足够大时，可以引起蜗轮蜗杆减速机构瞬间堵转，这时蜗杆的轴向力基本都加载在蜗杆胶挡圈上，对蜗杆胶挡圈的冲击最大；堵转时120 W助力电机输出扭矩可达2 Nm，按式（5）计算，轴向力 在800 N左右，因此最高硬度确定是根据该力冲击下，变形程度不超出胶挡圈弹性变形范围，才能避免出现永久变形的现象。

2.3 蜗杆轴承挡与轴承内圆的配合对蜗杆胶挡圈的影响

在图4的蜗轮蜗杆减速机构中，蜗杆轴承挡与轴承内圆的配合相当重要。当蜗杆胶挡圈要受到蜗杆轴向力冲击时，蜗杆轴承挡先要在轴承的内圆中滑动一定的距离，才能将轴向力传递到蜗杆胶挡圈上，然后胶挡圈再发生形变，吸收冲击力，起缓冲和减振作用，因此蜗杆轴承挡和轴承内圆之间要求一定是间隙配合；如果是过盈配合，蜗杆轴承挡很难在轴承内圆中滑动，那么蜗杆的轴向力冲击就直接作用在轴承上，而不会作用在蜗杆胶挡圈上，这样就无法消除轴向力的冲击，影响管柱的功能性能，更严重的是如果轴向冲击力足够大，迫使蜗杆轴承挡在轴承内圆中滑动一定距离后，蜗杆胶挡圈受力变形，当冲击力过后，蜗杆胶挡圈恢复原状的力不足以使轴承移动到原位置，造成胶挡圈一直处于变形状态，即图6的状态，使二轴承之间的距离小于设计要求，与蜗壳之间形成间隙，最终形成间隙异响的问题。

蜗杆轴承挡与轴承内圆的间隙配合也不能过小，否则蜗轮蜗杆的中心距不能保证，出现径向跳动，影响传递效果，一般情况下配合间隙控制在0.01 mm左右。

2.4 蜗杆胶挡圈装配位置的选择

在图4的蜗轮蜗杆减速机构中，蜗杆胶挡圈位置是装配在两轴承的内侧，这样设计存在两个缺点。一是不容易控制蜗杆胶挡圈的硬度，主要原因是胶挡圈的承受面积偏小，所以要能保证承受颠簸路面的剧烈冲击不超出胶挡圈的弹性变形范围，必须要提高材料硬度，而硬度的提高则使胶挡圈的刚度增大，弹性变差，不能很好起减振缓冲作用；第二个缺点是不容易控制蜗杆轴承挡和轴承之间的配合，图4的结构必须保证蜗杆轴承挡和轴承之间是间隙配合才能使蜗杆胶挡圈起到良好的缓冲作用，但间隙又不能太大，以免出现径向跳动，因此使制造和控制成本增加。

为了解决图4中存在的两个缺点，将轴承1、2和蜗杆胶挡圈1、2位置互换，即图7的新结构（已申请专利）。在蜗杆出现轴向力冲击时，由轴承外圆传递给蜗杆胶挡圈进行减振缓冲，而不必要通过蜗杆轴承挡在轴承内圆中滑动，因此蜗杆轴承挡与轴承内圆只需过渡配合就行，简化了制造和控制成本。同时由于蜗杆的轴向冲击力由轴承的外圆传递，因此蜗杆胶挡圈的承受面积可以做的比较大，这样的好处是可以使胶挡圈的硬度做得不需太高，既能保证颠簸路面剧烈冲击下不超出胶挡圈的弹性变形范围，又有较好的弹性起到减振缓冲作用，满足了EPS功能性能的要求。

3 结语

由于蜗杆胶挡圈的刚度和材料的硬度密切相关，材料硬度越大，刚度就越大，弹性越差，对蜗杆轴向冲击力的减振缓冲效果就越差；如果蜗杆胶挡圈的硬度偏小，在颠簸路面强力冲击下，又很容易超出弹性变形范围，造成胶挡圈出现明显的永久变形。所以在材料硬度选择上，首先要满足颠簸路面冲击下不会超出蜗杆胶挡圈的弹性形变范围的条件，再尽量使硬度减小，为了使蜗杆胶挡圈的硬度和刚度同时满足以上要求，可以采用图7的结构增加胶挡圈的承受面积。

正常情况下，蜗杆胶挡圈在使用过一段时间后，在其受力方向上均会产生一定的永久变形，使部分尺寸发生改变。为了确保胶挡圈的尺寸变化不至于影响减速机构的传动性能，必须对蜗杆胶挡圈模拟实际状况进行疲劳试验。

参考文献：

［1］ 机械设计手册（数字化手册系列V3.0）［M］.化学工业出版社.2008.

［2］ GB10085.圆柱蜗杆传动基本参数［S］.中华人民共和国标准.1988.12.

［3］ GB T-2941.橡胶件物理试验方法试样制备和调节通用程序［S］.2006.

［4］ 陈典红，等.电动助力转向器特性试验研究［J］.汽车科技，2007，（3）: 48-49.