馬 峻 王 京 田 耘 甄 雯

(①北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，北京100026;②清華大學(xué)汽車(chē)工程系，北京100083)

1 車(chē)用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角一體化傳感器的齒輪系

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車(chē)行駛方向的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)。當(dāng)前助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已逐漸成為汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置。根據(jù)汽車(chē)車(chē)型的不同，使用電動(dòng)助力系統(tǒng)能夠降低燃油費(fèi)用達(dá)3%～5%，這使得電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器獲得了快速的發(fā)展。未來(lái)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝備率將不斷上升，預(yù)計(jì)2015 年其在中國(guó)汽車(chē)行業(yè)的裝備率將超過(guò)40%。

在EPS 電子控制技術(shù)當(dāng)中，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、良好工作的重要部件。目前大多采用轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角傳感器分別安裝的辦法解決兩類(lèi)信號(hào)的獲取，這樣不但造成成本的上升，還對(duì)信號(hào)的獲取精度造成一定的影響。因此，開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角一體化傳感器迫在眉睫。根據(jù)汽車(chē)轉(zhuǎn)向柱安裝空間設(shè)計(jì)傳感器齒輪組結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。轉(zhuǎn)向柱分上下兩部分，中間有彈性扭桿相連接，轉(zhuǎn)向柱上端與方向盤(pán)剛性連接，轉(zhuǎn)向柱下端與轉(zhuǎn)向器連接。大齒輪1 分別帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪3 和雙聯(lián)齒輪5，進(jìn)而帶動(dòng)小齒輪6、8;大齒輪2 通過(guò)雙聯(lián)齒輪4 帶動(dòng)小齒輪7。通過(guò)測(cè)量小齒輪6、8的相對(duì)轉(zhuǎn)角差確定轉(zhuǎn)向軸即方向盤(pán)的絕對(duì)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)動(dòng)方向。通過(guò)測(cè)量小齒輪6、7 的相對(duì)轉(zhuǎn)角差測(cè)量扭桿轉(zhuǎn)角，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)矩。由于傳感器齒輪組經(jīng)常處于換向狀態(tài)，如果傳動(dòng)鏈中齒輪傳動(dòng)副存在間隙，反向時(shí)就會(huì)使信號(hào)采集滯后于動(dòng)作，影響傳動(dòng)鏈的系統(tǒng)精度，從而影響信號(hào)精度。通過(guò)對(duì)齒輪組的實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，由于齒輪組回差引起的測(cè)量結(jié)果誤差接近1°，而轉(zhuǎn)向柱中選用的彈性扭桿扭轉(zhuǎn)角度為5°左右，因此側(cè)隙的消除是傳感器能否正常工作的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)的側(cè)隙消除方法大部分是基于傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)的［1－3］，因此需要重新設(shè)計(jì)齒輪組消隙機(jī)構(gòu)。借鑒吳雙勝、景留平的實(shí)用新型專(zhuān)利《側(cè)隙可調(diào)齒輪副》［4］，將傳感器中的齒輪組設(shè)計(jì)成連續(xù)變位圓柱齒輪，通過(guò)連續(xù)變位形成約為2°～3°的小錐角，如圖2 所示。裝配時(shí)應(yīng)先將齒輪2 裝在齒輪軸3上，再在齒輪軸5 上裝入調(diào)整墊片4，最后裝入齒輪1，然后檢測(cè)齒輪側(cè)隙的實(shí)際數(shù)值。完成后拆卸齒輪1，對(duì)墊片4 進(jìn)行調(diào)整，并重新安裝即可。

該傳感器的特點(diǎn)在于負(fù)載較小，但對(duì)于傳動(dòng)精度與傳動(dòng)噪聲等控制嚴(yán)格，同時(shí)采用連續(xù)變位的齒形結(jié)構(gòu)。為了便于批量生產(chǎn)，降低成本，使用注塑的方法批量生產(chǎn)齒輪，用電火花結(jié)合超聲振動(dòng)的二元復(fù)合加工法加工注塑型腔。

2 齒輪模具設(shè)計(jì)

車(chē)用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角一體化傳感器齒輪組采用連續(xù)變位齒輪，需要重新設(shè)計(jì)注塑模具。齒輪的模具設(shè)計(jì)主要分為型腔、澆注、冷卻、排氣、脫模機(jī)構(gòu)5 大部分，其中，型腔和澆注設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 齒輪模具型腔設(shè)計(jì)

齒輪模具的型腔設(shè)計(jì)主要是完成型腔放縮調(diào)整和齒廓設(shè)計(jì)。齒輪型腔的放縮技術(shù)一直被視為塑料模具制造行業(yè)的核心技術(shù)，甚至成為模具行業(yè)公認(rèn)的一個(gè)技術(shù)難題［5］。這是因?yàn)槔米⑺艿姆椒ㄉa(chǎn)齒輪，其原料要經(jīng)過(guò)“固－液－固”的物理形態(tài)轉(zhuǎn)變，這一過(guò)程中，材料的收縮率在某一區(qū)間變化，很難精確測(cè)量。為解決這一問(wèn)題，一方面采用巴斯夫公司推出的Ultradur High Speed PBT(聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯)作為注塑材料。它具有較好的流動(dòng)性，使用該材料后，不僅可以大大縮短注塑的生產(chǎn)周期，同時(shí)還能夠較好控制材料的收縮率，提高部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精密度。另一方面，利用“變模數(shù)法”［6］精確設(shè)計(jì)齒輪型腔?！白兡?shù)法”認(rèn)為齒輪在加工過(guò)程中，基圓、分度圓、齒根圓、齒頂圓的直徑都是按照一定比例放大或縮小的。同時(shí)由公式d=mz可知，當(dāng)齒輪齒數(shù)確定時(shí)，分度圓直徑的放大或縮小與模數(shù)的放大或縮小比例一致。因此可設(shè)定一個(gè)虛擬齒輪，模數(shù)為m1，其與成品齒輪模數(shù)的關(guān)系式為:

式中:m為成品齒輪模數(shù);η%為材料收縮率;m1為虛擬齒輪模數(shù)。將模數(shù)m1代入相應(yīng)齒輪計(jì)算公式，可以得到虛擬齒輪的相關(guān)參數(shù)，按照這些參數(shù)進(jìn)行齒輪型腔設(shè)計(jì)。虛擬齒輪與成品齒輪參數(shù)存在比例關(guān)系，因此虛擬齒輪仍然為連續(xù)變位齒輪。其齒廓形狀比較復(fù)雜，應(yīng)采用電火花結(jié)合超聲振動(dòng)加工型腔，因此要通過(guò)CAD 軟件精確繪制齒廓形狀作為加工的軌跡參考線。

2.2 齒輪模具的澆口設(shè)計(jì)

注塑法生產(chǎn)齒輪時(shí)，澆口的位置和數(shù)量對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大的影響，而澆口的分布形式則決定了齒輪的整體力學(xué)性能。根據(jù)整體設(shè)計(jì)要求，采用3點(diǎn)注塑模式(圖3)，3 個(gè)澆口位于同一圓弧上。試驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)能使原料從澆口呈輻射狀向四周流動(dòng)，在流動(dòng)前沿匯合處會(huì)形成3 條熔接線。在熔接線位置，纖維的取向傾向流動(dòng)前沿平行。在齒輪中，這會(huì)導(dǎo)致纖維在熔接線處呈徑向分布，而齒輪其余部位隨機(jī)分布。從而沿熔接線形成低收縮區(qū)域。熔接線與齒輪其余部位之間纖維取向的差異比單一澆口齒輪要小，齒輪精度也更高［7］。

3 注塑齒輪的模具材料——氮化硅(Si3N4)

氮(N)和硅(Si)都是自然界分布廣泛的元素，但氮與硅的化合物卻極難發(fā)現(xiàn)。人工合成氮化硅在140多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，但由于氮化硅的粉體與氮化硅陶瓷的性能差異巨大，因此在上世紀(jì)70 年代在粉體氮化硅的基礎(chǔ)上加工出性能優(yōu)異的氮化硅陶瓷制品后，氮化硅才為各國(guó)所重視［8］。氮化硅陶瓷對(duì)于高溫、高速、強(qiáng)腐蝕性的工作場(chǎng)合具有特殊的價(jià)值。首先，氮化硅陶瓷具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，它的硬度接近剛玉;同時(shí)由于氮化硅是粉體加工而成，它還具有一定的耐磨性和自潤(rùn)滑性;其次，氮化硅的密度低;再次，氮化硅耐腐蝕性好，對(duì)大部分酸堿溶液、有機(jī)物質(zhì)、有色金屬溶液乃至放射線均有較好的化學(xué)穩(wěn)定性;最后，氮化硅的耐熱性好，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性能好，是制造注塑模具的良好材料。

氮化硅陶瓷的制備方法較多，基本工藝如圖4 所示。

氮化硅陶瓷不受資源限制，通過(guò)改進(jìn)加工工藝，在純度、細(xì)密程度、均質(zhì)等方面不斷提高，可以改善性能，降低成本。因此氮化硅陶瓷在新材料領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4 超聲振動(dòng)輔助電火花陶瓷模具加工

由于氮化硅陶瓷具有高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的磨削加工方法難以滿足模具生產(chǎn)的要求。電火花加工能以較軟的工具電極材料加工任何硬度的工件材料，加工時(shí)幾乎沒(méi)有宏觀作用力，而且不受加工對(duì)象材料硬度、脆性等綜合機(jī)械性能的影響，是解決工程陶瓷材料加工的有效途徑之一。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，僅使用電火花加工時(shí)，隨著電流的增大，材料去除率先是略微增大，然后緩慢下降，總體水平處于較低的范圍內(nèi)，這是由于加工表面受電流影響形成玻璃體，即陶瓷材料的加工以表面燒傷停滯［9］。為解決這一問(wèn)題，采用了電火花與超聲振動(dòng)的二元復(fù)合加工方法進(jìn)行模具的加工。其加工機(jī)理如圖5 所示，以去離子水為工作液，其電導(dǎo)率為40 μS/cm，壓力為0.2 MPa，從電極中心供入放電間隙。工具電極超聲振動(dòng)，振動(dòng)頻率22.6 kHz。

參照山東大學(xué)常偉杰博士論文中所做試驗(yàn) ，設(shè)定電火花加工參數(shù)如下:主軸進(jìn)給速度為0.005 mm/s;回 退 速 度 為0.05 mm/s;加 工 步 長(zhǎng) 為0.0005 mm;回退步長(zhǎng)為0.002 mm。

放電參數(shù):脈寬td為20 μs;脈間tp為20 μs;開(kāi)路電壓U0為100 V;極值電流IA為3 A。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以看到材料去除率隨開(kāi)路電壓的升高而升高，電火花與超聲振動(dòng)的二元復(fù)合加工方法的材料去除率比單純的電火花加工材料去除率顯著提高，當(dāng)開(kāi)路電壓為100 V 時(shí)，前一種方法的材料去除率為1.63 mm3/min，而后一種僅為0.61 mm3/min，因此電火花與超聲振動(dòng)復(fù)合加工法對(duì)于氮化硅等工程陶瓷具有很好的加工效果。

5 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是未來(lái)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系發(fā)展的方向，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角一體化傳感器則是EPS 系統(tǒng)的關(guān)鍵傳感器之一。為實(shí)現(xiàn)一體化測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了齒輪系統(tǒng)，并根據(jù)傳感器的工作特點(diǎn)將齒輪設(shè)計(jì)為連續(xù)變位齒輪，同時(shí)選定了加工方法。在此基礎(chǔ)上為齒輪模具選定了材料，并確定了模具的加工方法及加工參數(shù)。

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