汽车微电机蜗轮蜗杆传动自锁特性浅析与应用

谢模焱

广汽零部件有限公司技术中心 广东 广州 510000

引言

蜗轮蜗杆传动被广泛应用于汽车微电机齿轮箱的一级传动，将永磁直流微电机的旋转动力转化为垂直方向的运动输出，再根据应用场景采用其他传动形式转化为最终输出，如汽车座椅电机、车窗电机、雨刮电机等。

在此类电机的应用中，为了简化后续传动机构设计、保证操作的安全性，通常要求电机齿轮箱自身具备一定的自锁特性，即：输出结构只能由电机主动驱动，在电机断电状态下，输出结构受一定的外力作用下，电机不会被动旋转；以车窗电机为例，良好的自锁特性可以保证车窗不会被外力推下。而蜗轮蜗杆传动正好在特定参数设计下即可以满足自锁要求，本文将从蜗轮蜗杆传动的原理出发，分析影响其自锁特性的因素，并以实际案例分析基于自锁特性的汽车微电机蜗轮蜗杆传动设计。

1 汽车微电机蜗轮蜗杆传动简述

汽车微电机产品通常电机转速较高，且客户对噪声和成本控制等要求较为严格，因此不同于常规的蜗轮蜗杆传动，汽车微电机中常用的蜗轮蜗杆传动本质上是交错轴渐开线斜齿轮传动（交错角度为90°）[1]。

蜗杆端面齿形为渐开线（ZI型蜗杆），可以理解为大螺旋角的斜齿轮，以法向模数作为设计基准，如图1所示；基于低成本、低噪声和轻量化的设计目标，蜗轮通常选用工程塑料，而为了进一步降低注塑成本要求，会简化去除传统蜗轮的喉圆，齿形采用渐开线，即斜齿轮，如图2所示。

图2 蜗轮简化为斜齿轮示意

蜗轮简化为斜齿轮的变化如表1所示。蜗轮简化为斜齿轮后，蜗轮蜗杆由线啮合变为了点啮合[2-3]。

表1 蜗轮简化为斜齿轮的参数变化

为方便描述，下文仍将使用“蜗轮蜗杆传动”这种行业常规说法，需要注意的是，当此种蜗轮蜗杆传动有角变位时，节圆处蜗杆螺旋角与蜗轮螺旋角之和才为90°。

2 自锁特性的影响因素分析

从汽车微电机的产品性能角度出发，齿轮箱的自锁特性可以分为两个层面：功能性自锁和安全性自锁。功能自锁即机构在日常使用中受正常负载时是否能自锁，安全自锁即机构在异常状态下受非正常冲击力（如撞车时），机构的自锁强度能够满足要求。功能性自锁是安全性自锁的前提，安全性自锁增加了对齿轮结构本身的强度要求。

2.1 功能性自锁的影响因素

螺旋机构实现功能性自锁的本质就是外部的作用力在斜面上分力始终小于斜面上的静摩擦力，蜗轮蜗杆传动自锁的受力分析如图3所示。

图3 自锁受力分析示意

设外部施加力为作用在蜗轮上的力矩T，蜗轮齿上的法向力为：

由于蜗杆轴向已被约束，蜗杆的被迫运动只能是转动，其切向力为：

而蜗轮蜗杆之间的摩擦力在切向方向的分力为径向力产生的：

从式（2）（3）可以看出，当tanλ＜μ时，无论蜗轮上的力矩T多大，蜗杆所受的切向力Ft2始终小于蜗杆切向的摩擦力Ff，即蜗杆无法转动，实现自锁。

从以上分析可以看出影响功能性自锁的因素有如下两点：a.蜗轮蜗杆的设计参数螺旋角λb.蜗轮蜗杆齿面之间的摩擦系数μ。

螺旋角是蜗杆的几何参数，设计定型后仅受制造精度的影响。在摩擦系数相同的条件下，蜗轮蜗杆的功能性自锁随螺旋角的变小而增大，传递效率则随螺旋角的变小而降低[4]。

摩擦系数则由接触表面的状态决定，受蜗轮蜗杆的材料、表面粗糙度、润滑情况等众多因素影响。在同等设计参数下，表面粗糙度越好，润滑阻尼越小，则摩擦系数越小，此时功能性自锁越差，效率则越大，反之，功能性自锁越好，效率越低。

因此需要合理平衡这两个因素，以满足产品的应用需求。

2.2 安全性自锁的影响因素

在2.1所述的两个因素基础上，影响安全性自锁的因素主要是蜗轮蜗杆本身的齿根强度和齿面强度，即当数学条件可以达到自锁时，蜗轮蜗杆承受变形或破坏的能力，其主要影响因素为：①蜗轮蜗杆的材料；②蜗轮蜗杆的接触齿厚。

显然，当材料的强度越高、接触齿厚越大时，安全性自锁越好。

如1中所述，在汽车微电机中，工作力矩相对较小且成本控制较为严格，蜗杆一般采用普通钢材甚至铜材即可满足要求；蜗轮常用的材料包括POM、PA。表2为几种蜗杆蜗轮材料的弹性模量及屈服强度数据举例对比。

表2 蜗杆蜗轮材料物性举例

从表2可以看出，金属蜗杆的弹性模量及屈服强度明显大于塑料蜗轮，为了达到接触强度的最大化，会采取切向变位的方式针对蜗杆和蜗轮的接触齿厚重新分配，变位后，蜗轮蜗杆的齿顶齿根直径等均不变，仅齿厚变化，具体的分配比例应根据应用场景进行计算与验证。如图4所示，常规的蜗轮蜗杆传动中，蜗杆齿厚与蜗轮齿厚理论值相等；而在等强度设计中，蜗杆齿厚会明显小于蜗轮齿厚。

图4 自锁受力分析示意

3 某款座椅微电机蜗轮蜗杆传动的设计

3.1 设计要求与总体方案

某款座椅升降电机关于其自锁特性的技术要求有两个：座椅升降电机在10N.m负载下的自由间隙＜5°；座椅升降电机承受160N.m负载后，应保证能够调节一次以上。通过对行业同类产品对标分析，该座椅升降电机齿轮箱拟采用“蜗轮蜗杆+NGW型行星齿轮传动”，因此其自锁特性由蜗轮蜗杆传动决定，分别对应2中所述的功能性自锁与安全性自锁。

3.2 设计方案与验证情况

基于2中螺旋角分析和接触齿厚分析，初步设计参数如下表3所示。

表3 蜗轮蜗杆几何参数设计

基于2中摩擦系数及材料分析，选择多种方案进行仿真及样件测试验证，同等设计参数下，验证情况如表4所示。

表4 蜗轮蜗杆材料验证

方案2与4均能满足自锁性要求，但经过后期验证，方案2中铜蜗杆耐久后磨损较大，不满足耐久性能；方案4中钢蜗杆齿面粗糙度较大，不满足噪声性能。通过优化蜗杆的制造工艺提高光洁度，最终选择方案4，成功实现产品量产。

4 结束语

本文对汽车微电机中蜗轮蜗杆传动自锁特性进行了分析与实际应用验证，得出以下结论：

根据应用场景，汽车微电机蜗轮蜗杆传动自锁特性分为功能性自锁和安全性自锁；

具体分析了影响汽车微电机蜗轮蜗杆自锁特性的因素，其中关键影响因素为：螺旋角设计、齿厚设计、材料选用；

基于蜗轮蜗杆影响因素分析进行某款汽车座椅微电机产品的设计，最终达到设计目标，为类似的产品开发提供了参考。