CN104384620A - C-eps用蜗轮蜗杆的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供C-EPS用蜗轮蜗杆的设计方法，1）、采用变位系数大于1的蜗轮蜗杆运动副成对设计，其中蜗轮齿厚/蜗杆齿厚≥2，减小蜗轮蜗杆整体布局空间尺寸，从而使结构更加紧凑；2）、一般齿轮运动副压力角越小，传递的有效工作力矩越大，传递效率越高，为了提高C-EPS蜗轮蜗杆运动副传递效率，采用压力角小于20°；蜗轮采用注塑尼龙材料，蜗杆采用合金钢材料制造，能充分发挥蜗轮、蜗杆两者的材料优势，蜗轮蜗杆采用等强度设计方法，提高其整体使用寿命，而且还降低传动副噪音。

Description

C-EPS用蜗轮蜗杆的设计方法

技术领域

本发明涉及蜗轮蜗杆的设计方法，具体是C-EPS用蜗轮蜗杆的设计方法。 

背景技术

电动助力转向系统（Electric Power Steering，缩写EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统，与传统的液压助力转向系统HPS（Hydraulic Power Steering）相比，EPS系统具有很多优点。EPS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。 

目前C-EPS（管柱助力式电动转向器）用蜗轮蜗杆变位系数不大于0.6；蜗轮蜗杆传动副压力角一般为20°；蜗轮蜗杆为相同材料制造。 

1、C-EPS用的蜗轮蜗杆整体布局空间尺寸较大，容易导致整车安装时与其他部件发生干涉。 

2、蜗轮蜗杆传动副压力角一般为20°，传动效率较低。 

3、C-EPS用蜗轮为了减噪和降低摩擦系数一般采用塑料材料制造，而塑料材料强度较低；蜗杆采用合金钢材料制造，而合金钢材料强度较高；为了发挥两者的材料优势，目前设计采用较大变位系数（如：0.1～0.6），还不能充分发挥两者的材料优势，使用寿命短。 

申请号：201210003625.4 申请日：2012-01-07，本发明公开了一种偏置蜗杆蜗轮传动设计与制造方法，包括如下步骤：a.根据实加工参数与蜗杆设计原理，确定蜗杆的齿面方程；b.根据蜗杆的齿面方程以及齿面啮合理论，按照蜗轮蜗杆的安装位置，得出蜗轮的齿面方程；c.对蜗轮进行齿向和齿廓修形，使蜗轮和蜗杆形成接触区为椭圆形的点接触，并且接触区的长轴方向垂直于蜗轮和蜗杆的齿面的相对运动方向，以形成极压润滑的有利接触条件。本发明在设计出相互啮合的蜗轮和蜗杆后，对蜗轮进行了修形，使齿面啮合成为点接触，方便调整啮合印痕，吸收安装误差，同时使蜗轮蜗杆的接触区为椭圆形，并使接触区的长轴垂直于蜗轮和蜗杆的齿面相对运动的方向，以便使相互啮合的蜗轮和蜗杆得到状态良好的润滑状态。 

申请号：201110414345.8 申请日：2011-12-13，一种蜗杆副制造方法，包括下列步骤：A、对平面二次包络环面蜗杆副进行优化设计和仿真，其步骤为：A1、输入蜗杆副的基本参数，中心距a、蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2；A2、将前一步骤的数据导入目标函数公式进行参数计算，在所述目标函数计算过程中，采用复合形法的迭代和逼近，得出环面蜗杆副的几何参数以及工艺参数，所述几何参数和工艺参数为配套设置，其中，所述目标函数公式为：其中，f(x)为目标函数，Ai为加权系数，ε为收敛系数，k为优化参数；A3、生成蜗杆的三维立体图形，通过所述蜗杆的三维立体图形来确认蜗杆没有根切和齿顶变尖；B、根据上述几何参数和工艺参数来分别加工制造所述蜗杆副的蜗杆和蜗轮。 

以上两种蜗杆蜗轮解决不了C-EPS用蜗轮蜗杆传动副的整体布局空间尺寸较 

大、提高蜗轮蜗杆传动效率、低传动副噪音等问题。

发明内容

本发明为了解决C-EPS用蜗轮蜗杆传动副的整体布局空间尺寸较大、提高蜗轮蜗杆传动效率低、传动副噪音等问题，特提出C-EPS用蜗轮蜗杆的设计方法。 

为此本发明的技术方案为，C-EPS用蜗轮蜗杆的设计方法，其特征在于： 

1）、采用变位系数大于1的蜗轮蜗杆运动副成对设计，其中蜗轮齿厚/蜗杆齿厚≥2，减小蜗轮蜗杆整体布局空间尺寸，从而使结构更加紧凑；

2）、一般齿轮运动副压力角越小，传递的有效工作力矩越大，传递效率越高，为了提高C-EPS蜗轮蜗杆运动副传递效率，采用压力角小于20°。

对上述方案的改进在于：蜗轮采用注塑尼龙材料，蜗杆采用合金钢材料制造，能充分发挥蜗轮、蜗杆两者的材料优势，蜗轮蜗杆采用等强度设计方法，提高其整体使用寿命，而且还降低传动副噪音。 

有益效果： 

本发明中采用变位系数大于1的蜗轮蜗杆运动副成对设计，其中蜗轮齿厚/蜗杆齿厚≥2，减小蜗轮蜗杆整体布局空间尺寸，从而使结构更加紧凑；

蜗轮蜗杆运动副压力角小于20°，提高了C-EPS蜗轮蜗杆运动副传递效率。

蜗轮采用高强度、吸噪声、减震、耐磨自润滑性良好的注塑尼龙材料，蜗杆采用合金钢材料制造，能充分发挥蜗轮、蜗杆两者的材料优势，蜗轮蜗杆采用等强度设计方法，提高其整体使用寿命，而且还降低传动副噪音。 

附图说明：

图1是本发明的公式示意图。

具体实施方式

本发明解决了C-EPS用蜗轮蜗杆传动副的三个技术问题： 

1、本设计C-EPS用蜗轮蜗杆运动副采用大变位系数（变位系数大于1）、等寿命设计，从而解决C-EPS用的蜗轮蜗杆整体布局空间尺寸较大，容易导致整车安装时与其他部件发生干涉的难题。

2、采用蜗轮蜗杆传动副压力角为15°的设计，提高蜗轮蜗杆传动效率。 

3、蜗轮采用高强度、吸噪声、减震、耐磨自润滑性良好的注塑尼龙材料，蜗杆采用合金钢材料制造，能充分发挥蜗轮、蜗杆两者的材料优势，蜗轮蜗杆采用等强度设计方法，提高其整体使用寿命，而且还降低传动副噪音。 

在设计时需要注意的问题： 

1、普通的蜗轮蜗杆传动副使用相同材料制造，由于蜗轮的分度圆远大于蜗杆分度圆，导致蜗轮使用寿命远大于蜗杆使用寿命。而C-EPS用蜗轮蜗杆传动副要求传动效率高、结构紧凑、使用寿命长、噪音小、摩擦系数小等。所以蜗轮一般采用塑料材料（例如注塑尼龙）制造，而塑料材料强度较低（例如注塑尼龙抗拉强度大于等于75MPa）；蜗杆采用合金钢材料（例如40Cr合金钢）制造，而合金钢材料强度较高（例如40Cr合金钢调质后强度大于等于900MPa）；两者抗拉强度相差10倍以上，为了发挥两者的材料优势，蜗轮蜗杆采用等强度设计方法，采用大变位系数（变位系数大于1）蜗轮蜗杆运动副成对设计，可以设计出蜗轮齿厚/蜗杆齿厚≥2，减小蜗轮蜗杆整体布局空间尺寸，从而使结构更加紧凑。

2、一般齿轮运动副压力角越小，传递的有效工作力矩越大，传递效率越高，为了提高C-EPS蜗轮蜗杆运动副传递效率，采用小压力角（小于20°，例如12°、15°、18°）。但是压力角过小，齿轮容易折断，所以本发明综合考虑采用了15°的压力角。因为15°的压力角比18°的压力角传动效率高，又比12°的压力角强度高。 

3、一般蜗轮蜗杆传动运动副采用大变位系数设计会带来蜗轮齿顶变尖、蜗杆齿根变深、重合度降低问题。本发明蜗轮采用变位系数大于1（正变位），齿顶厚变得非常尖锐（甚至可能为负），因此需要削掉一部分蜗轮齿顶，使得蜗轮齿顶高变短，减小了蜗轮齿根处应力，提高了蜗轮的强度；蜗杆采用相同变位系数（负变位），齿根异常深且尖，因此需要蜗杆齿根相应减短，提高了蜗杆的强度；蜗杆齿根减短高度等于蜗轮齿顶减短高度，从而很好地保证了蜗轮蜗杆传动的啮合间隙和重合度。 

4、本发明最后需验算蜗轮齿顶高减短高度和蜗杆齿根减短高度的满足的三个限制条件：第一蜗杆齿顶高小于蜗轮的齿根渐开线起始圆齿根高，避免渐开线齿轮过渡曲线运动干涉；第二满足中间平面重合度大于1；第三验算蜗轮蜗杆的强度。 

本发明 

1、充分发挥蜗轮、蜗杆两者的材料优势，提高蜗轮蜗杆强度，延长蜗轮蜗杆整体使用寿命（等强度设计），同时满足C-EPS用蜗轮蜗杆传动副传动效率高、噪音小、摩擦系数小的要求；

2、小压力角设计，提高蜗轮蜗杆传动效率；

3、大变位系数设计，减小蜗轮蜗杆整体布局空间尺寸，从而使结构更加紧凑。

如图1所示，公式中渐开线上任意一点法向压力的方向线（即渐开线在该点的法线）和该点速度方向之间的夹角称为该点的压力角，cosak=ON/OK=rb/Rk。 

  

Claims (2)

1.C-EPS用蜗轮蜗杆的设计方法，其特征在于：

其一、采用变位系数大于1的蜗轮蜗杆运动副成对设计，其中蜗轮齿厚/蜗杆齿厚≥2；

其二、蜗轮蜗杆传动副压力角小于20°设计。

2.根据权利要求1所述的C-EPS用蜗轮蜗杆的设计方法，其特征在于：蜗轮采用注塑尼龙材料，蜗杆采用合金钢材料制造。