CN1853059A - 减速器、制造该减速器的方法和装置及具有该减速器的电动操纵装置 - Google Patents

减速器、制造该减速器的方法和装置及具有该减速器的电动操纵装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种减速器，这种减速器包括蜗轮以及与该蜗轮相啮合的蜗杆，蜗轮至少具有由聚合物复合材料制成的齿表层，并且其中蜗杆的齿面受到利用高频淬火进行的热处理。

Description

减速器、制造该减速器的方法和装置及 具有该减速器的电动操纵装置
技术领域
本发明涉及车辆中的电动操纵装置，并且更具体地说，涉及在减速机构中用于传递电动机动力的蜗杆的改进。
背景技术
在比如机动车辆之类的车辆中，为了减小通过操纵方向盘而获得的手动操纵力，已经使用了用于电地提供辅助操纵力的电动操纵装置。电动机被用来将电的辅助操纵力施加到齿条轴。来自方向盘并且由电动机辅助的操纵力通过减速机构被传递到齿条轴，该齿条轴的两端连接到左右车轮并且该齿条轴在轴向上移动。
而且，在电动操纵装置中，对于用于传递电动机动力的减速机构，一般使用蜗杆和蜗轮。通常，尽管蜗轮由合成树脂形成以降低啮合时的噪声，但是由于电动机的输出已经增加，可以通过将增强纤维混入合成树脂中以增加齿轮的强度。
由于蜗轮里的增强纤维会冲击蜗杆，必须至少增加蜗杆中要与蜗轮相啮合的齿面的硬度。为此，过去是对齿面进行渗碳淬火、氮化处理或金属电镀。日本专利申请公开说明书No.2001-122135和No.2002-213576中公开了这样的例子。而且，日本专利No.2779760中公开了高频淬火。
然而，渗碳淬火引起了这样的问题：处理之后导致变形增大并且渗碳淬火装置难以操作并需要很长的工作时间。
在氮化处理中，在处理之后齿面会变粗糙，因此在处理之后必须进行抛光。而且，由于氮化处理是批量的处理，其它设备可能就难以操作并且工作时间可能会变长。而且，尽管与渗碳淬火相比来说变形很小，但是在处理之后也会出现变形。
由于电动操纵装置的蜗杆齿所需的精度很高，金属电镀就会引起这样的问题：在金属电镀中必须严格地控制镀层厚度。而且，由于金属电镀是批量的处理，其它设备可能就难以操作并且工作时间可能会变长。
而且，由于上述渗碳淬火、氮化处理和金属电镀都不适于在线工作，因此就不能提高生产效率。
发明内容
因而，本发明的目标是提供一种减速器和一种电动操纵装置，它们能进行在线加工、能减小加工时间、能使用小型处理设备并且还能在处理之后进行抛光，同时保持了齿面所需的硬度。
为了实现以上目标，本发明提供了一种减速器，其包括蜗轮以及与该蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗轮至少具有由聚合物复合材料制成的齿表层，并且其中蜗杆的齿面受到利用高频淬火进行的热处理。
为了实现以上目标，本发明还提供了一种制造减速器的方法，所述减速器包括蜗轮以及与该蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗轮至少具有由聚合物复合材料制成的齿表层，并且其中蜗杆垂直地布置并且蜗杆的齿面借助于高频淬火而受到热处理。
在蜗杆的齿面受到高频淬火处理时，可以在与预处理和后处理相同的机加工线上执行在线加工并且缩短了加工时间。而且，能减少成本。另外，硬化处理之后的变形变得更小，这种变形也会在渗碳淬火和氮化处理中引起。
而且，在执行高频轮廓淬火处理时，由于能避免过热并且能减少齿尖熔化以及蜗杆轴的弯曲，就能获得更高精度的蜗杆。因而，能进一步提高生产率。
而且，如果预先调质(质量调节)的材料或非调质钢用于蜗杆，由于组织稳定并且淬火硬度稳定在期望的硬度，就消除了软区域，并且能提高耐磨性能和耐用性。
在蜗杆的齿面受到高频淬火处理时，可以在与预处理和后处理相同的机加工线上执行在线加工并且缩短了加工时间。而且，处理设备能够小型化，并且在高频淬火处理之后，能执行更小机械加工余量的切割处理。
在普通的高频淬火处理中，尽管齿尖受到过热并且蜗杆轴大大地弯曲，但是在执行高频轮廓淬火处理时，能避免过热并且能减少齿尖熔化和蜗杆轴的弯曲。
而且，使用了预先调质的材料或非调质钢，这样就稳定了组织并且还稳定了淬火硬度。调质材料可以包括被淬火然后再回火的中碳钢(碳含量为约0.3至0.6％)，并且非调质钢是性质与未受过比如淬火和回火之类的质量调节处理的常规钢相同的钢，也可以是通过添加B(硼)而改进淬火能力并且通过减少比如硅和锰之类的合金元素而改进冷锻能力的钢。
而且，如果对淬火输出和/或淬火时间进行调节，仅仅通过对原料进行高频淬火就能制造出成本低廉且具有期望硬度的蜗杆。由于淬火时间与轮廓淬火相比延长了，碳就被弥散从而减少了铁素体，因此蜗杆淬火范围内残余铁素体的含量就变为0至10％。
由于蜗杆在垂直布置时进行制造，就能防止蜗杆由于其自重而导致的弯曲并且还能避免不均匀的冷却。
附图说明
图1是示出本发明第一实施例的(局部断开)正视图；
图2是图1所示主要部件的剖面图；
图3是受到高频轮廓淬火处理的蜗杆的轴向局部剖面图；
图4是受到高频淬火处理的蜗杆的轴向局部剖面图；
图5是示出一个例子的剖面图，其中使用了鼓型的蜗杆；
图6是示出一个例子的剖面图，其中使用了另一鼓型的蜗杆；
图7A至7C是示出用于制造本发明减速器的装置的示意图，其中图7A是顶视图，图7B是正视图，图7C是侧视图；和
图8是透视图，其示出了用于图7A至7C所示制造装置中的加热线圈。
具体实施方式
现在将参照附图详细地解释本发明的实施例。顺便说一下，在附图中，同样的元件或部件用同样的附图标记来指示。而且，应当说明的是，稍后描述的实施例仅仅是例子，在任何意义上说都不对本发明构成限制。
图1是能应用本发明一实施例的电动操纵装置的局部断开的正视图，图2是辅助操纵输入部的轴向剖面图。小齿轮辅助型的普通电动操纵装置包括辅助操纵输入部10和圆柱形套筒12，连接到辅助操纵输入部10的齿条轴9插入到所述套筒中。
参照图2，辅助操纵输入部10的输入轴2通过万向接头连接到具有上端的转向轴(未示出)，方向盘(未示出)紧固到所述上端。输入轴2通过扭杆3连接到作为输出轴的小齿轮轴8。输入轴2和小齿轮轴8由壳体7通过轴承可旋转地支撑。形成于小齿轮轴8外周边上的小齿轮有齿部与齿条轴9的齿条有齿部相啮合。齿条轴9由压板11支撑为在轴向上运动。
设在扭杆3上的扭矩传感器40用来检测驾驶员所操纵的方向盘的转向角度，从而根据扭矩量提供动力辅助。
齿条轴9的两端通过球窝接头13连接到转向车轮(未示出)，所述两端可轴向移动地布置在沿车辆的左右方向延伸的圆柱形套筒12内并且紧固到车辆。接头13由相应的保护罩14所覆盖。
具有这种布置，通过操纵方向盘(未示出)，小齿轮轴8就被转动，其结果是齿条/小齿轮机构就改变了运动方向，从而使齿条轴9在轴向的左右方向上移动。
这里，将参照图2描述辅助操纵输入部10的操作。当输入从转向轴(未示出)应用到辅助操纵输入部10的输入轴2时，动力就通过扭杆3传递到作为输出轴的小齿轮轴8。由金属制成的蜗轮金属芯6和由树脂制成的蜗轮5设在小齿轮轴8的外周边上，并且蜗轮5与紧固到电动机15的旋转轴的蜗杆4相啮合。
电动机15连接到安装至车辆的CPU(未示出)。来自扭矩传感器40的输出以及比如车速之类的信息被输入到CPU，并且CPU产生预定的信号，这个信号又供应到电动机15，从而产生适当的扭矩。电动机15由CPU基于这种信息进行控制，其结果是电动机的转速通过蜗杆4和蜗轮5而降低，并且降低了的速度被传递到作为输出轴的小齿轮轴8。操纵力由这种机构进行辅助。蜗杆4和蜗轮5构成了减速器。
接着，将参照图3和4详细地解释蜗杆4的热处理。首先，作为蜗杆4的材料，尽管能使用通过调质处理比如S35C至S50C之类的中碳钢原料获得的材料或未调质钢，但是特别地，含硼的钢是优选的。当预先调质的材料或非调质钢用作蜗杆时，就获得了稳定组织并且稳定淬火硬度的优点。
与蜗杆4相啮合的蜗轮5是由聚合物复合材料制成的蜗轮。作为聚合物复合材料的增强剂，例如可以使用纤维状物质(玻璃纤维)、颗粒增强的小珠(bead)或者其中间体，或者晶须(须状晶体)。然而，在此情况下，由于蜗轮5中具有更高硬度的增强剂冲击蜗杆4从而使后者磨损，蜗杆4与蜗轮5相啮合的齿面的表面硬度就必须至少为HrC50(Hv 513)。尤其，从HrC 50至63的硬度范围是优选的。而且，优选地齿面要比包含在树脂材质的蜗轮5中的增强剂更硬。
为了硬化蜗杆的外周边(包括齿尖4a)，通过高频淬火对蜗杆进行热处理。图4是具有淬火组织的蜗杆4的轴向局部剖视图，其通过普通的高频淬火工艺来硬化。淬火组织可以通过切割、抛光、硝酸酒精腐蚀等来获得。通常，由于用于电动操纵装置的蜗杆的齿具有厚度很小的构造，如图所示，淬火区域31达到了每个齿的中心。
如果齿尖受到过热，可能会导致齿尖熔化或者轴弯曲。在图4中，在使用调质钢作为原料时，在马氏体未调质钢的情况下，在淬火区域31的内径侧出现非淬火区域33，呈铁素体/马氏体。在调质钢的情况下，非淬火区域33是索氏体范围，而在未调质钢的情况下，非淬火区域是铁素体/珠光体范围。顺便说一下，非淬火区域33沿着轴向位于齿根4b的内径侧。
图3是具有淬火组织的蜗杆4的轴向局部剖视图，其通过只是利用高频对齿的轮廓部分进行淬火的高频轮廓淬火工艺来硬化。如图3所示，在蜗杆受到高频淬火时，沿着表层产生热能并且热能以高输出迅速地应用或者减小，这样就大大地降低了蜗杆4的齿尖4a的过热，并且还减少了齿尖熔化和轴的弯曲，从而就获得了良好的结果。基于上述原因，如所示，从齿侧面到齿根，高频淬火区域30具有基本上一致的深度，除了齿尖4a的顶点之外。
在图3中，在使用调质钢作为材料时，在马氏体未调质钢的情况下，在淬火区域30的内径侧出现非淬火的区域32，呈铁素体/马氏体。在调质钢的情况下，非淬火区域32是索氏体范围，而在未调质钢的情况下，非淬火区域是铁素体/珠光体范围。顺便说一下，调质钢指的是被淬火之后再进行回火的钢，其具有精细的组织和高的硬度。
在电动操纵装置1的减速蜗杆4中，为了维持树脂材质的配合蜗轮5的强度，齿根宽度(齿厚)WB和齿尖宽度WT小于齿高H。而且，如图3所示，由于蜗杆4的齿尖4a的顶点宽度很小，与其它部分相比，易于增加淬火深度。顺便提及，通过沿着圆周方向在穿过蜗杆的垂直截面处进行测量，可以获得各个尺寸。
在电动操纵装置中，齿高H和齿根宽度WB之间的关系可以为例如H/WB≥1，并且齿的特征在于其整体地轴向厚度较小。
接着，将解释基于本发明的高频轮廓淬火的试验条件及其结果。
1.材料
使用S45C(调质材料)和S25C(调质材料)。
2.热处理条件
设备：
晶体管型高频淬火装置，输出为1000Kw，频率为200KHz
加热线圈构造：
仓库型线圈
冷却水量：
每分钟50升(从三个方向进行冷却)
图3所示的高频轮廓淬火以400Kw的输出和0.34s的加热时间进行，而图4所示的高频淬火以200Kw的输出和1.3s的加热时间进行。通过考虑所用线圈的构造、增加频率、增加输出和/或增加冷却速度，可以控制高频轮廓淬火。
下面的表1表示了根据所示实施例在上述试验条件下获得的试验结果。已经发现，通过对S45C原料进行高频轮廓淬火而获得的产品具有基本上类似于图3所示齿构造的淬火组织和希望的表面硬度。而且，即使是在对S45C原料进行普通高频淬火而获得的产品中，表面硬度也是令人满意的。已经发现，通过对S25C原料进行高频轮廓淬火而获得的产品几乎没有被淬透。
表1
  表面硬度(距离表面0.1mm)
  齿面   齿根
  约650Hv   约650Hv
  约700Hv   约650Hv
  约350Hv   约450Hv
①：S45C  高频轮廓淬火
②：S45C  高频淬火
③：S25C  高频轮廓淬火
在高频轮廓淬火的情况下，已经发现，尽管还有残余铁素体以及硬度的分散，但是淬火组织是令人满意的。而且，外观没有表现出过热并非常良好。此外，在高频轮廓淬火的情况下，已经发现，热处理之后的变形量与高频淬火相比较小。
对于淬火深度，在表1中，在①的情况下，淬火深度在齿根处为约0.4mm，在齿的倾斜部分处为约0.4mm，在齿尖端为约1.8mm；并且，在②的情况下，淬火深度在齿根处为约0.6mm，在齿尖端为约4.3mm；并且，在③的情况下，淬火深度在齿根处为约0.1mm，在齿的倾斜部分和齿尖端未被淬透。顺便提及，在①至③中，齿高同样为5.5mm。
上述本发明能应用于鼓型蜗杆。而且，本发明更优选地应用于模数小于3的蜗杆。图5是示出了使用鼓型蜗杆的一个例子的剖视图。由聚合物复合材料制成并装配在小齿轮轴31外周边上的蜗轮25布置在壳体30内并且蜗轮25与鼓型蜗杆24相啮合。
这里，本说明书中使用的“模数”是，例如，OBARA HAGURUMAINDUSTRIES Co.Ltd.出版的文献“KHK综合目录/齿轮技术数据3008；第6卷(KHK Synthetic Catalogue/Gear Techniques Data 3008；vol.6)”中所述的“齿垂直模数”，并且圆柱形蜗杆的齿构造为JISB1723。
鼓型蜗杆24形成于由轴承28支撑的蜗杆轴27上并且具有齿部26，所述齿部的直径在其轴向两端处最大而在其中心处最小。蜗杆轴27紧固到电动机15的旋转轴29。在使用鼓型蜗杆时，就获得优点：负荷能力具有限度，即能传递大的动力。其原因在于，由于鼓型蜗杆24的所有齿都与蜗轮25有效地啮合，啮合的齿的数目就大大地增加从而降低了每个啮合表面上的表面压力。
图6是示出了使用另一鼓型蜗杆的一个例子的剖视图。由聚合物复合材料制成并装配在小齿轮轴31外周边上的蜗轮35布置在壳体30内并且蜗轮35与鼓型蜗杆34相啮合。
鼓型蜗杆34形成于由轴承28支撑的蜗杆轴37上，并且蜗杆的齿的外径彼此相等，但是齿根的直径在蜗杆的轴向两端处最大而在蜗杆的中心处最小。蜗杆轴37紧固到电动机15的旋转轴29。这里，与一般的蜗杆不同，鼓型蜗杆34的直径在蜗杆的中心处最小。这相应于蜗轮35的大直径。这种蜗杆的优点与图5所示蜗杆的优点相同；然而，与图5所示的蜗杆相比，图6所示的蜗杆更易于制造。
接着，将解释根据本发明的减速器的制造方法。这里，制造一种减速器，这种减速器包括至少齿的表层部分由聚合物复合材料制成的蜗轮以及与这种蜗轮相啮合的蜗杆。在此情况下，蜗杆垂直地布置并且蜗杆的齿面通过高频淬火而受到热处理。
蜗杆垂直布置的原因是，防止蜗杆的轴由于其自重而弯曲以及避免不均匀的冷却。
在蜗杆由调质材料或非调质钢制成时，蜗杆受到高频轮廓淬火，热能输出为550至600Kw(在本实施例中为600Kw)，加热时间为0.30至0.50秒(在本实施例中为0.35秒)。这样就能获得表面硬度为550Hv的蜗杆(图3)。
然而，在蜗杆由未调质钢形成的情况下，由于在上述条件下不能获得期望的硬度，在模数为2.65的情况下，对蜗杆进行热能输出为250至300Kw(在本实施例中为300Kw)且加热时间为0.60至1.00秒(在本实施例中为0.60秒)的高频淬火。通常，模数越小，热能输出越小，加热时间越短。相反，模数越大，热能输出越大，加热时间越长。这样，就能获得表面硬度大于550Hv且没有轮廓淬火组织的蜗杆(图4)。这称为“非轮廓淬火”；在此情况下，在整个轴向上，非淬火区域33位于齿根4b的内径侧。这样，在使用未调质钢时，由于无需大的热能输出，就能使用较小的设备，并且由于原料很便宜，就能降低制造成本。在高频轮廓淬火和高频淬火中，输出(Kw)和时间(秒)相乘所得到的数值都设计为变成150至300。
现在，通过利用数据来解释由使用没有被事先调质的材料(即，是未被调质的钢的原材料钢，而不是非调质钢)的上述制造方法所制造的蜗杆的基本性质。
(1)残余铁素体含量：0至10％
(这个数值表示高频淬火/高频回火之后的淬火范围并通过显微照片的图像分析获得。这个数值在抛光之前距离表面0.25mm深度处(相当于抛光之后距离表面0.20mm)测得。)
(2)蜗杆材料的碳含量：0.42至0.48％(相应于S45C)
(这个数值通过燃烧原料并随后通过红外线吸收方法测量产物而获得。)
(3)蜗杆材料的铁素体含量：10至40％
(这个数值通过热处理之后蜗杆芯部(淬火范围之外)的显微照片的图像分析而获得。)
(4)高频淬火/高频回火之后的蜗杆表面硬度：550至770Hv
(这个数值通过利用5Kg的维氏硬度计进行测量而获得。这个数值在抛光之前距离表面0.25mm深度处(相当于抛光之后距离表面0.20mm)测得。)
(5)蜗杆的芯部硬度(相当于材料硬度)：22至28HrC
(这个数值通过利用C级洛氏硬度计进行测量而获得。)
这里，如(1)所示，铁素体含量变为0至10％这个相对低数值的原因在于，由于与轮廓淬火相比，淬火时间延长，碳被弥散从而减少了铁素体。
而且，如(4)所示，硬度设置为550至770Hv的原因在于，如果硬度低于550Hv，蜗杆就被形成蜗轮齿面的树脂中的玻璃纤维所磨损，并且通过将硬度设置为低于770Hv，能获得刚度并能防止破裂。
如上所述，在不执行高频轮廓淬火的情况下，通过调整淬火输出和淬火时间，甚至是在原料受到高频淬火时，也能以低成本制造出具有期望硬度的蜗杆。
接着，将参照图7A至7C和图8解释用于对根据本发明的蜗杆进行淬火的方法中的淬火装置。图7A至7C示意性地示出了用于制造本发明减速器的装置，其中图7A是顶视图，图7B是正视图，图7C是侧视图。而且，图8是示出用于图7A至7C所示制造装置中的加热线圈构造的透视图。
如图7A至7C所示，在淬火装置50中，蜗杆70紧固在其上的工件71在垂直方向上由中心部80和81支撑。工件71和蜗杆70在垂直方向被平行地安装并且因而垂直地定位。
加热线圈60布置为在圆周方向上部分地包围蜗杆70。加热线圈60是如图8所示的仓库型线圈，并且包括垂直部61和62以及连接部63从而形成倒U形。
而且，三个冷却套51、52和53以预定的间隔布置在加热线圈60周围。如图7B和7C所示，尽管冷却套51、52和53的轴向长度基本上等于加热线圈的垂直部61和62的轴向长度，但是并不是必须要让这些长度相等。例如，加热线圈60的垂直部61和62可以具有至少比图7B所示蜗杆的淬火范围Y更长的轴向长度。
在具有上述构造的淬火装置50中，工件71和蜗杆70在借助于驱动装置(未示出)以每分钟预定转数而旋转的同时受到淬火处理。

Claims (20)

1.一种减速器，其包括蜗轮以及与该蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗轮至少具有由聚合物复合材料制成的齿表层，其中：
所述蜗杆的齿面受到应用高频淬火的热处理。
2.根据权利要求1所述的减速器，其中所述高频淬火为轮廓淬火。
3.根据权利要求1或2所述的减速器，其中所述蜗杆由调质材料或非调质钢制成。
4.根据权利要求1至3中任一所述的减速器，其中所述蜗杆的表面硬度为550至770Hv。
5.根据权利要求1至4中任一所述的减速器，其中所述蜗杆淬火范围内的残余铁素体含量为0至10％。
6.根据权利要求1至5中任一所述的减速器，其中所述蜗杆为鼓型。
7.根据权利要求1至6中任一所述的减速器，其中所述蜗杆的模数为3或更小。
8.一种电动操纵装置，其包括根据权利要求1至7中任一所述的减速器。
9.根据权利要求1所述的减速器，其中所述蜗杆由未调质钢制成。
10.根据权利要求9所述的减速器，其中高频淬火为非轮廓淬火。
11.根据权利要求9或10所述的减速器，其中所述蜗杆的表面硬度为550至770Hv。
12.根据权利要求9至11中任一所述的减速器，其中所述蜗杆淬火范围内的残余铁素体含量为0至10％。
13.根据权利要求9至12中任一所述的减速器，其中所述蜗杆为鼓型。
14.根据权利要求9至13中任一所述的减速器，其中所述蜗杆的模数为3或更小。
15.一种电动操纵装置，其包括根据权利要求9至14中任一所述的减速器。
16.一种制造减速器的方法，所述减速器包括蜗轮以及与该蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗轮至少具有由聚合物复合材料制成的齿表层，其中：
将所述蜗杆垂直地设置并且使所述蜗杆的齿面借助于高频淬火被热处理。
17.根据权利要求16所述的制造减速器的方法，其中所述蜗杆通过调质材料或非调质钢制成并且受到高频轮廓淬火，淬火的输出为约550至600kw、时间为约0.30至0.50秒。
18.根据权利要求16所述的制造减速器的方法，其中所述蜗杆由未调质钢制成并且受到高频淬火或高频轮廓淬火，淬火的输出为约250至300kw、时间为约0.60至1.00秒。
19.一种电动操纵装置，其包括根据权利要求16至18中任一的制造方法所制造的减速器。
20.一种制造减速器的装置，所述减速器包括蜗轮以及与该蜗轮相啮合的蜗杆，所述蜗轮至少具有由聚合物复合材料制成的齿表层，所述装置包括：
在垂直方向上支撑所述蜗杆的中心部；
环绕所述蜗杆的加热线圈；和
环绕所述蜗杆的冷却套；并且其中
在所述蜗杆垂直设置的情况下，在旋转所述蜗杆的同时，借助于高频淬火使所述蜗杆的齿面受到热处理。
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