CN109854709B - 一种eps齿轮 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种EPS齿轮，包括金属轮毂、注塑连接部和塑料齿圈。所述金属轮毂的外侧具有若干条状带I。所述金属轮毂的外侧与注塑连接部结合。所述注塑连接部具有一个容纳金属轮毂的中心孔II。所述注塑连接部具有若干孔隙。所述注塑连接部的侧壁与塑料齿圈结合。所述塑料齿圈外侧是轮齿部，中央是一个容纳注塑连接部的中心孔III。环绕中心孔III的侧壁具有环形的凸缘。所述凸缘具有若干凹陷部和/或凸起部。在采用金属轮轴的情形下:包括金属轮轴、注塑连接部和塑料齿圈。与金属轮毂类似，所述金属轮轴的外侧具有若干条状带IIA1。所述金属轮轴A的外侧与注塑连接部结合。所述注塑连接部具有一个容纳金属轮毂的中心孔II。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于EPS电子助力转向系统的齿轮。
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。EPS的基本原理是：转矩传感器与转向轴(小齿轮轴)连接在一起，当转向轴转动时，转矩传感器开始工作，把输入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对转动角位移变成电信号传给ECU，ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，从而完成实时控制助力转向。因此它可以很容易地实现在车速不同时提供电动机不同的助力效果，保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活，高速转向行驶时稳定可靠。
EPS齿轮可靠性要求较高。在抗扭转、抗变形和抗断裂能力等方面，仍然有进一步研究的空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种EPS齿轮，其特征在于:包括金属轮毂、注塑连接部和塑料齿圈。
所述金属轮毂的外侧具有若干条状带I。所述金属轮毂的外侧与注塑连接部结合。
所述注塑连接部具有一个容纳金属轮毂的中心孔II。所述注塑连接部具有若干孔隙。所述注塑连接部的侧壁与塑料齿圈结合。
所述塑料齿圈外侧是轮齿部，中央是一个容纳注塑连接部的中心孔III。环绕中心孔III的侧壁具有环形的凸缘。所述凸缘具有若干凹陷部和/或凸起部。
在采用金属轮轴的情形下:包括金属轮轴、注塑连接部和塑料齿圈。
与金属轮毂类似，所述金属轮轴的外侧具有若干条状带IIA1。所述金属轮轴A的外侧与注塑连接部结合。所述注塑连接部具有一个容纳金属轮轴的中心孔II。
进一步，孔隙是贯穿所述注塑连接部两面的圆形孔、椭圆形孔或流线型孔。
进一步，所述注塑连接部具有若干环绕中心孔II、呈辐射状分布的Y形肋条或者三角形肋条。
进一步，所述孔隙位于两个肋条之间。或者，所述孔隙为间隔式分布，即任意一个肋条的一侧具有孔隙、另一侧没有孔隙。
进一步，所述凸缘包括第一凸缘和第二凸缘。
环绕中心孔III的侧壁具有第二凸缘。所述第二凸缘中部具有环形的第一凸缘。
进一步，所述第二凸缘靠近轮齿部的两面形成两个台阶面I。每个台阶面I分为两条环形带。靠近中央的环形带上环绕中央分布着若干凸起部。这些凸起部之间具有间隙，从而形成两个凸起部之间的垛口状结构。
远离中央的环形带上环绕中央分布着若干凹陷部。所述凹陷部与两个凸起部之间的垛口对应。
进一步，所述第一凸缘靠近第二凸缘的两面是台阶面II。所述台阶面II具有环绕中央分布的若干凹陷的盲孔。
进一步，所述盲孔包括两类，分别记为盲孔I和盲孔II。所述盲孔I和盲孔II交叉出现在台阶面II。
所述盲孔I为条形孔、所述盲孔II为圆孔或者近似的圆孔。
所述第一凸缘面向中心孔III的侧壁面具有若干条状带III。所述条状带III平行于塑料齿圈的轴向。
台阶面II部分盲孔I缺失。在缺失盲孔I处，对应的第一凸缘侧壁面具有条状带III。进一步，所述条状带I和条状带II为条带状凹槽或条状凸棱。所述条状带III为平行于塑料齿圈轴向的凹槽或者凸出的轮齿状结构。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，该结构改善了现有类似齿轮的抗扭转、抗变形和抗断裂能力中的部分或全部特性。
附图说明
图1是金属轮毂的结构示意图；
图2是金属轮轴的结构示意图；
图3是与金属轮毂或金属轮轴配合的注塑连接部的结构示意图(反面)；
图4是与金属轮縠或金属轮轴配合的注塑连接部的结构示意图(正面)；
图5是塑料齿圈的结构示意图；
图6是塑料齿圈(图5)的主视图；
图7是EPS齿轮的主视图；
图8是图7的A-A剖视图；
图9是图7的B-B剖视图；
图10是EPS齿轮极限受载时塑料齿圈的应力分布图；
图11是EPS齿轮极限受载时注塑连接部的应力分布图；
图12是塑料齿圈注塑成型时齿圈剖面上体积收缩率分布图。
图中：金属轮毂(1)、条状带I(101)、环形凸台I(102)、中心孔I(103)、金属轮轴(A1)、条状带II(A101)、环形凸台II(A102)、轴体(103)、注塑连接部(2)、异形长圆孔(201)、中心孔II(202)、Y形肋条(203)、侧壁(204)、塑料齿圈(3)、第一凸缘(301)、台阶面II(31)、条状带III(3011)、盲孔I(3012)、盲孔II(3013)、第二凸缘(302)、台阶面I(32)、凸起部(3021)、凹陷部(3022)、轮齿部(303)、端面(33)、中心孔III(304)、内环C1、连接层C2、凸台C3、凸台C33。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种EPS齿轮，其特征在于:包括金属轮毂1、注塑连接部2和塑料齿圈3。
所述金属轮毂1的外侧具有若干条状带I101。所述条状带I101为条带状凹槽。
所述金属轮毂1的外侧与注塑连接部2结合。
所述注塑连接部2具有一个容纳金属轮毂1的中心孔II202。所述注塑连接部2具有若干孔隙。所述注塑连接部2的侧壁204与塑料齿圈3结合。
所述塑料齿圈3外侧是轮齿部303，中央是一个容纳注塑连接部2的中心孔III304。环绕中心孔III304的侧壁具有环形的凸缘。所述凸缘具有若干凹陷部和/或凸起部。优选地，所述注塑连接部2和金属轮毂1的结合部凹凸配合。优选地，注塑连接部2和塑料齿圈3结合部凹凸配合。即塑料齿圈3上的凸缘，对应注塑连接部2与塑料齿圈3结合部的一个环形凹陷带；塑料齿圈3上的凹陷部，对应注塑连接部2与塑料齿圈3结合部上的一个凸起部；塑料齿圈3上的凸起部，对应注塑连接部2与塑料齿圈3结合部上的一个凹陷部。
值得说明的是，本实施例中，金属轮毂1和塑料齿圈3分别成型，在二者之间通过注塑的方法形成注塑连接部2。金属轮毂1、注塑连接部2和塑料齿圈3组成一个中部有孔隙的EPS齿轮。
实施例2：
与实施例1类似，本实施例的一种EPS齿轮包括金属轮轴A1、注塑连接部2和塑料齿圈3，即相对于实施例1，将金属轮毂1改为了具有相同功能的金属轮轴A1，以适应不同应用场景。
所述金属轮轴A1的外侧具有若干条状带IIA101。所述条状带IIA101为条带状凹槽。优选地，所述注塑连接部2和金属轮轴A1的结合部凹凸配合。
所述金属轮轴A1的外侧与注塑连接部2结合。所述条状带IIA101是平行于塑料齿圈3轴向的凹槽。
所述注塑连接部2和所述塑料齿圈3与实施例1基本相同。
值得说明的是，本实施例中，金属轮轴A1和塑料齿圈3分别成型，在二者之间通过注塑的方法形成注塑连接部2。金属轮轴A1、注塑连接部2和塑料齿圈3组成一个中部有孔隙的EPS齿轮。
实施例3：
本实施例的主要结构同实施例1，进一步，孔隙包括了贯穿所述注塑连接部2两面的圆形孔、椭圆形孔或流线型孔。如附图所示的孔隙包括了一种异形的长圆孔201，其孔壁为流线型，靠近EPS齿轮中心的一端较另一端内径变小。
所述注塑连接部2与金属轮毂1(或金属轮轴A1)结合处形成一个环形的实体套筒状结构，该结构记为内环C1。所述内环C1的内侧壁即为所述注塑连接部2和金属轮毂1(或金属轮轴A1)的凹凸配合处。
所述注塑连接部2与所述塑料齿圈3结合处形成EPS齿轮正、反面各一个环形凸台，分别记为凸台C3和凸台C33。
凸台C3(或者是凸台C33)和内环C1之间为减薄的连接层C2。
所述注塑连接部2具有若干环绕中心孔II202、呈辐射状分布的Y形肋条203。
Y形肋条203设置在连接层C2上，其不分叉端在内环C1上，其分叉端在凸台C3(或凸台C33)上。
所述孔隙位于两个Y形肋条203之间。
优选地，图中的异形的长圆孔201为间隔式分布，即任意一个肋条203的一侧的连接层C2具有异形的长圆孔201、另一侧的连接层C2没有异形的长圆孔201。
实施例4：
本实施例的主要结构同实施例3，进一步，所述凸缘包括第一凸缘301和第二凸缘302。
环绕中心孔III304的侧壁具有第二凸缘302。
所述第二凸缘302中部具有环形的第一凸缘301。
第二凸缘302、第一凸缘301、中心孔III304、金属轮毂1(或金属轮轴A1)、注塑连接部2和塑料齿圈3均同轴。
所述第二凸缘302靠近轮齿部303的两面形成两个台阶面I32。每个台阶面I32分为两条环形带。靠近中央的环形带上环绕中央分布着若干凸起部3021。这些凸起部3021之间具有间隙，从而形成两个凸起部3021之间的垛口状结构。
远离中央的环形带上环绕中央分布着若干凹陷部3022。所述凹陷部3022与两个凸起部3021之间的垛口对应。
所述第一凸缘301靠近第二凸缘302的两面是台阶面II31。所述台阶面II31具有环绕中央分布的若干凹陷的盲孔。
所述盲孔包括两类，分别记为盲孔I3012和盲孔II3013。所述盲孔I3012和盲孔II3013交叉出现在台阶面II31。
所述盲孔I3012为条形孔、所述盲孔II3013为近圆孔。
所述第一凸缘301面向中心孔III304的侧壁面具有若干条状带III。
台阶面II31部分盲孔I3012缺失。在缺失盲孔I3012处，对应的第一凸缘侧壁面具有条状带III3011。所述条状带III3011为平行于塑料齿圈3轴向的凹槽状结构。
实施例5：
本实施例的主要结构同实施例4，进一步，
金属轮毂1的外径尺寸范围为30mm～35mm。
注塑连接部2外径尺寸范围为75mm～80mm。
塑料齿圈3外径尺寸范围为90mm～95mm。
轮齿部303的轴向的两端记为端面33。塑料齿圈3在端面33处(即两个端面33之间)的厚度为h1，塑料齿圈3在台阶面I32处(即两个台阶面I32之间，从垛口状结构的凹陷处测量)的厚度为h2。
作为一种优选方式，4.5＞(h1-h2)/2＞2.5。
作为另一种优选方式，令a＝(h1-h2)/2，0.26＞a/h1＞0.15。
上述优选方式中，尤其是对下限的设置，使得两个台阶面I32之间的实体部分为薄层设计，在不影响力学性能的前提下，实现轻量化。
试验
针对实施例5利用UG NX12.0软件建立金属轮毂式EPS齿轮的三维模型。
h1＝17.6mm
h2＝10.6mm
该三维模型的尺寸参数如下表1所示。
表1金属轮毂式EPS齿轮三维模型尺寸参数表
| 模数 | 2.055 |
| 压力角/° | 14.5 |
| 齿高变位系数 | 1.423 |
| 基圆齿厚/mm | 5.053 |
| 齿数 | 42 |
| 齿宽/mm | 17.5 |
| 塑料齿圈外径/mm | 90.50 |
| 注塑连接部外径/mm | 76.00 |
| 金属轮毂外径/mm | 33.60 |
将在UG NX12.0软件中建立的EPS齿轮三维模型导入通用有限元模拟仿真软件ABAQUS-2016中，对塑料齿圈、注塑连接部以及金属轮毂分别赋予金属、增强型工程塑料和普通工程塑料三种材料属性，固定金属轮毂，对塑料齿圈施加行业标准所规定的EPS齿轮所能承受的最大扭矩，获得图10所示的EPS齿轮极限受载时塑料齿圈的应力分布图和图11所示的EPS齿轮极限受载时注塑连接部的应力分布图。同样，将塑料齿圈三维模型导入模流分析软件Moldex3D中，建立浇注系统并赋予材料属性后，根据材料的一般注塑成型工艺，对其进行填充保压分析，获得图12所示的EPS塑料齿圈注塑成型时剖面上的体积收缩率分布图。
图10所示的EPS齿轮极限受载时塑料齿圈的应力分布图中，左侧为用于辅助描述应力在塑料齿圈上分布状况的测控条，测控条由色块和对应色块所代表的应力值(单位为MPa)组成，测控条由上至下颜色逐渐变深，所对应的应力值逐渐减小，图10中测控条所描述的应力范围为0～70MPa。可以很好地看出，虽然在塑料齿圈内壁面上的条形槽上出现了应力集中，该集中分布的应力数值约为30MPa，远小于塑料齿圈材料的失效水平，因而不会影响到EPS齿轮整体的结构可靠性。同时还可以看出，在塑料齿圈的啮合区，应力在参与工作的轮齿上分布较均匀，说明此结构具有很好的极限承载能力。
图11所示的EPS齿轮极限受载时塑料齿圈的应力分布图中，左侧为用于辅助描述应力在塑料齿圈上分布状况的测控条，测控条由色块和对应色块所代表的应力值(单位为MPa)组成，测控条由上至下颜色逐渐变深，所对应的应力值逐渐减小，图11中测控条所描述的应力范围为0～300MPa。不难发现，尽管在通孔处存在着应力的集中分布，该集中分布的应力数值约为120MPa，但由于注塑连接部材料本身的高强度与高刚度，该结构的极限承载能力依然可以得到很好的保障。
图12所示的EPS塑料齿圈注塑成型时剖面上的体积收缩率分布图中，左侧为用于辅助描述体积收缩率在塑料齿圈剖面上分布状况的测控条，测控条由色块和对应色块所代表的体积收缩率组成，测控条由上至下颜色逐渐变深，所对应的体积收缩率逐渐减小，图12中测控条所描述的体积收缩率范围为2～14.5％。可以看出，塑料齿圈高度上的减薄结构使最大体积收缩率减小到13.2％左右，且体积收缩率从内侧到靠近齿形的过程中成梯度均匀减小的状态，很好地提高了塑料齿圈制造过程的稳定性和产品尺寸误差的可调控性。
Claims (5)
1.一种EPS齿轮，其特征在于：包括金属轮轴（A1）、注塑连接部（2）和塑料齿圈（3）；
所述金属轮轴（A1）的外侧具有若干条状带II（A101）；所述金属轮轴（A1）的外侧与注塑连接部（2）结合；
所述注塑连接部（2）具有一个容纳金属轮毂（1）的中心孔II（202）；所述注塑连接部（2）具有若干环绕中心孔II（202）、呈辐射状分布的Y形肋条（203）或者三角形肋条；所述注塑连接部（2）具有若干孔隙；孔隙包括了贯穿所述注塑连接部（2）两面的圆形孔、椭圆形孔或流线型孔；所述注塑连接部（2）的侧壁（204）与塑料齿圈（3）结合；
所述塑料齿圈（3）外侧是轮齿部（303），中央是一个容纳注塑连接部（2）的中心孔III（304）；环绕中心孔III（304）的侧壁具有环形的凸缘；所述凸缘具有若干凹陷部和/或凸起部；
所述凸缘包括第一凸缘（301）和第二凸缘（302）；
环绕中心孔III（304）的侧壁具有第二凸缘（302）；
所述第二凸缘（302）中部具有环形的第一凸缘（301）；
所述第二凸缘（302）靠近轮齿部（303）的两面形成两个台阶面I（32）；每个台阶面I（32）分为两条环形带；靠近中央的环形带上环绕中央分布着若干凸起部（3021）；这些凸起部（3021）之间具有间隙，从而形成两个凸起部（3021）之间的垛口状结构；
远离中央的环形带上环绕中央分布着若干凹陷部（3022）；所述凹陷部（3022）与两个凸起部（3021）之间的垛口对应。
2.根据权利要求1所述的一种EPS齿轮，其特征在于：所述孔隙位于任意两个肋条之间；
或者，所述孔隙为间隔式分布，即任意一个肋条（203）的一侧具有孔隙、另一侧没有孔隙。
3.根据权利要求2所述的一种EPS齿轮，其特征在于：所述第一凸缘（301）靠近第二凸缘（302）的两面是台阶面II（31）；所述台阶面II（31）具有环绕中央分布的若干凹陷的盲孔。
4.根据权利要求3所述的一种EPS齿轮，其特征在于：所述盲孔包括两类，分别记为盲孔I（3012）和盲孔II（3013）；所述盲孔I（3012）和盲孔II（3013）交叉出现在台阶面II（31）；
所述盲孔I（3012）为条形孔、所述盲孔II（3013）为圆孔或者近似的圆孔；
所述第一凸缘（301）面向中心孔III（304）的侧壁面具有若干条状带III；所述条状带III平行于塑料齿圈（3）的轴向；
台阶面II（31）部分盲孔I（3012）缺失；在缺失盲孔I（3012）处，对应的第一凸缘侧壁面具有条状带III（3011）。
5.根据权利要求4所述的一种EPS齿轮，其特征在于：所述条状带I（101）和条状带II（A101）为条带状凹槽或条状凸棱；
所述条状带III（3011）为平行于塑料齿圈（3）轴向的凹槽。
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