減速器、製造該減速器的方法和裝置及具有該減速器的電動操縱裝置的製作方法
2023-05-29 08:27:46
專利名稱：減速器、製造該減速器的方法和裝置及具有該減速器的電動操縱裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及車輛中的電動操縱裝置，並且更具體地說，涉及在減速機構中用於傳遞電動機動力的蝸杆的改進。
背景技術：
在比如機動車輛之類的車輛中，為了減小通過操縱方向盤而獲得的手動操縱力，已經使用了用於電地提供輔助操縱力的電動操縱裝置。電動機被用來將電的輔助操縱力施加到齒條軸。來自方向盤並且由電動機輔助的操縱力通過減速機構被傳遞到齒條軸，該齒條軸的兩端連接到左右車輪並且該齒條軸在軸向上移動。
而且，在電動操縱裝置中，對於用於傳遞電動機動力的減速機構，一般使用蝸杆和蝸輪。通常，儘管蝸輪由合成樹脂形成以降低嚙合時的噪聲，但是由於電動機的輸出已經增加，可以通過將增強纖維混入合成樹脂中以增加齒輪的強度。
由於蝸輪裡的增強纖維會衝擊蝸杆，必須至少增加蝸杆中要與蝸輪相嚙合的齒面的硬度。為此，過去是對齒面進行滲碳淬火、氮化處理或金屬電鍍。日本專利申請公開說明書No.2001-122135和No.2002-213576中公開了這樣的例子。而且，日本專利No.2779760中公開了高頻淬火。
然而，滲碳淬火引起了這樣的問題處理之後導致變形增大並且滲碳淬火裝置難以操作並需要很長的工作時間。
在氮化處理中，在處理之後齒面會變粗糙，因此在處理之後必須進行拋光。而且，由於氮化處理是批量的處理，其它設備可能就難以操作並且工作時間可能會變長。而且，儘管與滲碳淬火相比來說變形很小，但是在處理之後也會出現變形。
由於電動操縱裝置的蝸杆齒所需的精度很高，金屬電鍍就會引起這樣的問題在金屬電鍍中必須嚴格地控制鍍層厚度。而且，由於金屬電鍍是批量的處理，其它設備可能就難以操作並且工作時間可能會變長。
而且，由於上述滲碳淬火、氮化處理和金屬電鍍都不適於在線工作，因此就不能提高生產效率。
發明內容
因而，本發明的目標是提供一種減速器和一種電動操縱裝置，它們能進行在線加工、能減小加工時間、能使用小型處理設備並且還能在處理之後進行拋光，同時保持了齒面所需的硬度。
為了實現以上目標，本發明提供了一種減速器，其包括蝸輪以及與該蝸輪相嚙合的蝸杆，所述蝸輪至少具有由聚合物複合材料製成的齒表層，並且其中蝸杆的齒面受到利用高頻淬火進行的熱處理。
為了實現以上目標，本發明還提供了一種製造減速器的方法，所述減速器包括蝸輪以及與該蝸輪相嚙合的蝸杆，所述蝸輪至少具有由聚合物複合材料製成的齒表層，並且其中蝸杆垂直地布置並且蝸杆的齒面藉助於高頻淬火而受到熱處理。
在蝸杆的齒面受到高頻淬火處理時，可以在與預處理和後處理相同的機加工線上執行在線加工並且縮短了加工時間。而且，能減少成本。另外，硬化處理之後的變形變得更小，這種變形也會在滲碳淬火和氮化處理中引起。
而且，在執行高頻輪廓淬火處理時，由於能避免過熱並且能減少齒尖熔化以及蝸杆軸的彎曲，就能獲得更高精度的蝸杆。因而，能進一步提高生產率。
而且，如果預先調質(質量調節)的材料或非調質鋼用於蝸杆，由於組織穩定並且淬火硬度穩定在期望的硬度，就消除了軟區域，並且能提高耐磨性能和耐用性。
在蝸杆的齒面受到高頻淬火處理時，可以在與預處理和後處理相同的機加工線上執行在線加工並且縮短了加工時間。而且，處理設備能夠小型化，並且在高頻淬火處理之後，能執行更小機械加工餘量的切割處理。
在普通的高頻淬火處理中，儘管齒尖受到過熱並且蝸杆軸大大地彎曲，但是在執行高頻輪廓淬火處理時，能避免過熱並且能減少齒尖熔化和蝸杆軸的彎曲。
而且，使用了預先調質的材料或非調質鋼，這樣就穩定了組織並且還穩定了淬火硬度。調質材料可以包括被淬火然後再回火的中碳鋼(碳含量為約0.3至0.6％)，並且非調質鋼是性質與未受過比如淬火和回火之類的質量調節處理的常規鋼相同的鋼，也可以是通過添加B(硼)而改進淬火能力並且通過減少比如矽和錳之類的合金元素而改進冷鍛能力的鋼。
而且，如果對淬火輸出和/或淬火時間進行調節，僅僅通過對原料進行高頻淬火就能製造出成本低廉且具有期望硬度的蝸杆。由於淬火時間與輪廓淬火相比延長了，碳就被彌散從而減少了鐵素體，因此蝸杆淬火範圍內殘餘鐵素體的含量就變為0至10％。
由於蝸杆在垂直布置時進行製造，就能防止蝸杆由於其自重而導致的彎曲並且還能避免不均勻的冷卻。
圖1是示出本發明第一實施例的(局部斷開)正視圖；圖2是圖1所示主要部件的剖面圖；圖3是受到高頻輪廓淬火處理的蝸杆的軸向局部剖面圖；圖4是受到高頻淬火處理的蝸杆的軸向局部剖面圖；圖5是示出一個例子的剖面圖，其中使用了鼓型的蝸杆；圖6是示出一個例子的剖面圖，其中使用了另一鼓型的蝸杆；圖7A至7C是示出用於製造本發明減速器的裝置的示意圖，其中圖7A是頂視圖，圖7B是正視圖，圖7C是側視圖；和圖8是透視圖，其示出了用於圖7A至7C所示製造裝置中的加熱線圈。
具體實施例方式
現在將參照附圖詳細地解釋本發明的實施例。順便說一下，在附圖中，同樣的元件或部件用同樣的附圖標記來指示。而且，應當說明的是，稍後描述的實施例僅僅是例子，在任何意義上說都不對本發明構成限制。
圖1是能應用本發明一實施例的電動操縱裝置的局部斷開的正視圖，圖2是輔助操縱輸入部的軸向剖面圖。小齒輪輔助型的普通電動操縱裝置包括輔助操縱輸入部10和圓柱形套筒12，連接到輔助操縱輸入部10的齒條軸9插入到所述套筒中。
參照圖2，輔助操縱輸入部10的輸入軸2通過萬向接頭連接到具有上端的轉向軸(未示出)，方向盤(未示出)緊固到所述上端。輸入軸2通過扭杆3連接到作為輸出軸的小齒輪軸8。輸入軸2和小齒輪軸8由殼體7通過軸承可旋轉地支撐。形成於小齒輪軸8外周邊上的小齒輪有齒部與齒條軸9的齒條有齒部相嚙合。齒條軸9由壓板11支撐為在軸向上運動。
設在扭杆3上的扭矩傳感器40用來檢測駕駛員所操縱的方向盤的轉向角度，從而根據扭矩量提供動力輔助。
齒條軸9的兩端通過球窩接頭13連接到轉向車輪(未示出)，所述兩端可軸向移動地布置在沿車輛的左右方向延伸的圓柱形套筒12內並且緊固到車輛。接頭13由相應的保護罩14所覆蓋。
具有這種布置，通過操縱方向盤(未示出)，小齒輪軸8就被轉動，其結果是齒條/小齒輪機構就改變了運動方向，從而使齒條軸9在軸向的左右方向上移動。
這裡，將參照圖2描述輔助操縱輸入部10的操作。當輸入從轉向軸(未示出)應用到輔助操縱輸入部10的輸入軸2時，動力就通過扭杆3傳遞到作為輸出軸的小齒輪軸8。由金屬製成的蝸輪金屬芯6和由樹脂製成的蝸輪5設在小齒輪軸8的外周邊上，並且蝸輪5與緊固到電動機15的旋轉軸的蝸杆4相嚙合。
電動機15連接到安裝至車輛的CPU(未示出)。來自扭矩傳感器40的輸出以及比如車速之類的信息被輸入到CPU，並且CPU產生預定的信號，這個信號又供應到電動機15，從而產生適當的扭矩。電動機15由CPU基於這種信息進行控制，其結果是電動機的轉速通過蝸杆4和蝸輪5而降低，並且降低了的速度被傳遞到作為輸出軸的小齒輪軸8。操縱力由這種機構進行輔助。蝸杆4和蝸輪5構成了減速器。
接著，將參照圖3和4詳細地解釋蝸杆4的熱處理。首先，作為蝸杆4的材料，儘管能使用通過調質處理比如S35C至S50C之類的中碳鋼原料獲得的材料或未調質鋼，但是特別地，含硼的鋼是優選的。當預先調質的材料或非調質鋼用作蝸杆時，就獲得了穩定組織並且穩定淬火硬度的優點。
與蝸杆4相嚙合的蝸輪5是由聚合物複合材料製成的蝸輪。作為聚合物複合材料的增強劑，例如可以使用纖維狀物質(玻璃纖維)、顆粒增強的小珠(bead)或者其中間體，或者晶須(須狀晶體)。然而，在此情況下，由於蝸輪5中具有更高硬度的增強劑衝擊蝸杆4從而使後者磨損，蝸杆4與蝸輪5相嚙合的齒面的表面硬度就必須至少為HrC50(Hv 513)。尤其，從HrC 50至63的硬度範圍是優選的。而且，優選地齒面要比包含在樹脂材質的蝸輪5中的增強劑更硬。
為了硬化蝸杆的外周邊(包括齒尖4a)，通過高頻淬火對蝸杆進行熱處理。圖4是具有淬火組織的蝸杆4的軸向局部剖視圖，其通過普通的高頻淬火工藝來硬化。淬火組織可以通過切割、拋光、硝酸酒精腐蝕等來獲得。通常，由於用於電動操縱裝置的蝸杆的齒具有厚度很小的構造，如圖所示，淬火區域31達到了每個齒的中心。
如果齒尖受到過熱，可能會導致齒尖熔化或者軸彎曲。在圖4中，在使用調質鋼作為原料時，在馬氏體未調質鋼的情況下，在淬火區域31的內徑側出現非淬火區域33，呈鐵素體/馬氏體。在調質鋼的情況下，非淬火區域33是索氏體範圍，而在未調質鋼的情況下，非淬火區域是鐵素體/珠光體範圍。順便說一下，非淬火區域33沿著軸向位於齒根4b的內徑側。
圖3是具有淬火組織的蝸杆4的軸向局部剖視圖，其通過只是利用高頻對齒的輪廓部分進行淬火的高頻輪廓淬火工藝來硬化。如圖3所示，在蝸杆受到高頻淬火時，沿著表層產生熱能並且熱能以高輸出迅速地應用或者減小，這樣就大大地降低了蝸杆4的齒尖4a的過熱，並且還減少了齒尖熔化和軸的彎曲，從而就獲得了良好的結果。基於上述原因，如所示，從齒側面到齒根，高頻淬火區域30具有基本上一致的深度，除了齒尖4a的頂點之外。
在圖3中，在使用調質鋼作為材料時，在馬氏體未調質鋼的情況下，在淬火區域30的內徑側出現非淬火的區域32，呈鐵素體/馬氏體。在調質鋼的情況下，非淬火區域32是索氏體範圍，而在未調質鋼的情況下，非淬火區域是鐵素體/珠光體範圍。順便說一下，調質鋼指的是被淬火之後再進行回火的鋼，其具有精細的組織和高的硬度。
在電動操縱裝置1的減速蝸杆4中，為了維持樹脂材質的配合蝸輪5的強度，齒根寬度(齒厚)WB和齒尖寬度WT小於齒高H。而且，如圖3所示，由於蝸杆4的齒尖4a的頂點寬度很小，與其它部分相比，易於增加淬火深度。順便提及，通過沿著圓周方向在穿過蝸杆的垂直截面處進行測量，可以獲得各個尺寸。
在電動操縱裝置中，齒高H和齒根寬度WB之間的關係可以為例如H/WB≥1，並且齒的特徵在於其整體地軸向厚度較小。
接著，將解釋基於本發明的高頻輪廓淬火的試驗條件及其結果。
1.材料使用S45C(調質材料)和S25C(調質材料)。
2.熱處理條件設備電晶體型高頻淬火裝置，輸出為1000Kw，頻率為200KHz加熱線圈構造倉庫型線圈冷卻水量每分鐘50升(從三個方向進行冷卻)圖3所示的高頻輪廓淬火以400Kw的輸出和0.34s的加熱時間進行，而圖4所示的高頻淬火以200Kw的輸出和1.3s的加熱時間進行。通過考慮所用線圈的構造、增加頻率、增加輸出和/或增加冷卻速度，可以控制高頻輪廓淬火。
下面的表1表示了根據所示實施例在上述試驗條件下獲得的試驗結果。已經發現，通過對S45C原料進行高頻輪廓淬火而獲得的產品具有基本上類似於圖3所示齒構造的淬火組織和希望的表面硬度。而且，即使是在對S45C原料進行普通高頻淬火而獲得的產品中，表面硬度也是令人滿意的。已經發現，通過對S25C原料進行高頻輪廓淬火而獲得的產品幾乎沒有被淬透。
表1
①S45C 高頻輪廓淬火②S45C 高頻淬火③S25C 高頻輪廓淬火在高頻輪廓淬火的情況下，已經發現，儘管還有殘餘鐵素體以及硬度的分散，但是淬火組織是令人滿意的。而且，外觀沒有表現出過熱並非常良好。此外，在高頻輪廓淬火的情況下，已經發現，熱處理之後的變形量與高頻淬火相比較小。
對於淬火深度，在表1中，在①的情況下，淬火深度在齒根處為約0.4mm，在齒的傾斜部分處為約0.4mm，在齒尖端為約1.8mm；並且，在②的情況下，淬火深度在齒根處為約0.6mm，在齒尖端為約4.3mm；並且，在③的情況下，淬火深度在齒根處為約0.1mm，在齒的傾斜部分和齒尖端未被淬透。順便提及，在①至③中，齒高同樣為5.5mm。
上述本發明能應用於鼓型蝸杆。而且，本發明更優選地應用於模數小於3的蝸杆。圖5是示出了使用鼓型蝸杆的一個例子的剖視圖。由聚合物複合材料製成並裝配在小齒輪軸31外周邊上的蝸輪25布置在殼體30內並且蝸輪25與鼓型蝸杆24相嚙合。
這裡，本說明書中使用的「模數」是，例如，OBARA HAGURUMAINDUSTRIES Co.Ltd.出版的文獻「KHK綜合目錄/齒輪技術數據3008；第6卷(KHK Synthetic Catalogue/Gear Techniques Data 3008；vol.6)」中所述的「齒垂直模數」，並且圓柱形蝸杆的齒構造為JISB1723。
鼓型蝸杆24形成於由軸承28支撐的蝸杆軸27上並且具有齒部26，所述齒部的直徑在其軸向兩端處最大而在其中心處最小。蝸杆軸27緊固到電動機15的旋轉軸29。在使用鼓型蝸杆時，就獲得優點負荷能力具有限度，即能傳遞大的動力。其原因在於，由於鼓型蝸杆24的所有齒都與蝸輪25有效地嚙合，嚙合的齒的數目就大大地增加從而降低了每個嚙合表面上的表面壓力。
圖6是示出了使用另一鼓型蝸杆的一個例子的剖視圖。由聚合物複合材料製成並裝配在小齒輪軸31外周邊上的蝸輪35布置在殼體30內並且蝸輪35與鼓型蝸杆34相嚙合。
鼓型蝸杆34形成於由軸承28支撐的蝸杆軸37上，並且蝸杆的齒的外徑彼此相等，但是齒根的直徑在蝸杆的軸向兩端處最大而在蝸杆的中心處最小。蝸杆軸37緊固到電動機15的旋轉軸29。這裡，與一般的蝸杆不同，鼓型蝸杆34的直徑在蝸杆的中心處最小。這相應於蝸輪35的大直徑。這種蝸杆的優點與圖5所示蝸杆的優點相同；然而，與圖5所示的蝸杆相比，圖6所示的蝸杆更易於製造。
接著，將解釋根據本發明的減速器的製造方法。這裡，製造一種減速器，這種減速器包括至少齒的表層部分由聚合物複合材料製成的蝸輪以及與這種蝸輪相嚙合的蝸杆。在此情況下，蝸杆垂直地布置並且蝸杆的齒面通過高頻淬火而受到熱處理。
蝸杆垂直布置的原因是，防止蝸杆的軸由於其自重而彎曲以及避免不均勻的冷卻。
在蝸杆由調質材料或非調質鋼製成時，蝸杆受到高頻輪廓淬火，熱能輸出為550至600Kw(在本實施例中為600Kw)，加熱時間為0.30至0.50秒(在本實施例中為0.35秒)。這樣就能獲得表面硬度為550Hv的蝸杆(圖3)。
然而，在蝸杆由未調質鋼形成的情況下，由於在上述條件下不能獲得期望的硬度，在模數為2.65的情況下，對蝸杆進行熱能輸出為250至300Kw(在本實施例中為300Kw)且加熱時間為0.60至1.00秒(在本實施例中為0.60秒)的高頻淬火。通常，模數越小，熱能輸出越小，加熱時間越短。相反，模數越大，熱能輸出越大，加熱時間越長。這樣，就能獲得表面硬度大於550Hv且沒有輪廓淬火組織的蝸杆(圖4)。這稱為「非輪廓淬火」；在此情況下，在整個軸向上，非淬火區域33位於齒根4b的內徑側。這樣，在使用未調質鋼時，由於無需大的熱能輸出，就能使用較小的設備，並且由於原料很便宜，就能降低製造成本。在高頻輪廓淬火和高頻淬火中，輸出(Kw)和時間(秒)相乘所得到的數值都設計為變成150至300。
現在，通過利用數據來解釋由使用沒有被事先調質的材料(即，是未被調質的鋼的原材料鋼，而不是非調質鋼)的上述製造方法所製造的蝸杆的基本性質。
(1)殘餘鐵素體含量0至10％(這個數值表示高頻淬火/高頻回火之後的淬火範圍並通過顯微照片的圖像分析獲得。這個數值在拋光之前距離表面0.25mm深度處(相當於拋光之後距離表面0.20mm)測得。)(2)蝸杆材料的碳含量0.42至0.48％(相應於S45C)(這個數值通過燃燒原料並隨後通過紅外線吸收方法測量產物而獲得。)(3)蝸杆材料的鐵素體含量10至40％(這個數值通過熱處理之後蝸杆芯部(淬火範圍之外)的顯微照片的圖像分析而獲得。)(4)高頻淬火/高頻回火之後的蝸杆表面硬度550至770Hv
(這個數值通過利用5Kg的維氏硬度計進行測量而獲得。這個數值在拋光之前距離表面0.25mm深度處(相當於拋光之後距離表面0.20mm)測得。)(5)蝸杆的芯部硬度(相當於材料硬度)22至28HrC(這個數值通過利用C級洛氏硬度計進行測量而獲得。)這裡，如(1)所示，鐵素體含量變為0至10％這個相對低數值的原因在於，由於與輪廓淬火相比，淬火時間延長，碳被彌散從而減少了鐵素體。
而且，如(4)所示，硬度設置為550至770Hv的原因在於，如果硬度低於550Hv，蝸杆就被形成蝸輪齒面的樹脂中的玻璃纖維所磨損，並且通過將硬度設置為低於770Hv，能獲得剛度並能防止破裂。
如上所述，在不執行高頻輪廓淬火的情況下，通過調整淬火輸出和淬火時間，甚至是在原料受到高頻淬火時，也能以低成本製造出具有期望硬度的蝸杆。
接著，將參照圖7A至7C和圖8解釋用於對根據本發明的蝸杆進行淬火的方法中的淬火裝置。圖7A至7C示意性地示出了用於製造本發明減速器的裝置，其中圖7A是頂視圖，圖7B是正視圖，圖7C是側視圖。而且，圖8是示出用於圖7A至7C所示製造裝置中的加熱線圈構造的透視圖。
如圖7A至7C所示，在淬火裝置50中，蝸杆70緊固在其上的工件71在垂直方向上由中心部80和81支撐。工件71和蝸杆70在垂直方向被平行地安裝並且因而垂直地定位。
加熱線圈60布置為在圓周方向上部分地包圍蝸杆70。加熱線圈60是如圖8所示的倉庫型線圈，並且包括垂直部61和62以及連接部63從而形成倒U形。
而且，三個冷卻套51、52和53以預定的間隔布置在加熱線圈60周圍。如圖7B和7C所示，儘管冷卻套51、52和53的軸向長度基本上等於加熱線圈的垂直部61和62的軸向長度，但是並不是必須要讓這些長度相等。例如，加熱線圈60的垂直部61和62可以具有至少比圖7B所示蝸杆的淬火範圍Y更長的軸向長度。
在具有上述構造的淬火裝置50中，工件71和蝸杆70在藉助於驅動裝置(未示出)以每分鐘預定轉數而旋轉的同時受到淬火處理。
權利要求
1.一種減速器，其包括蝸輪以及與該蝸輪相嚙合的蝸杆，所述蝸輪至少具有由聚合物複合材料製成的齒表層，其中所述蝸杆的齒面受到應用高頻淬火的熱處理。
2.根據權利要求1所述的減速器，其中所述高頻淬火為輪廓淬火。
3.根據權利要求1或2所述的減速器，其中所述蝸杆由調質材料或非調質鋼製成。
4.根據權利要求1至3中任一所述的減速器，其中所述蝸杆的表面硬度為550至770Hv。
5.根據權利要求1至4中任一所述的減速器，其中所述蝸杆淬火範圍內的殘餘鐵素體含量為0至10％。
6.根據權利要求1至5中任一所述的減速器，其中所述蝸杆為鼓型。
7.根據權利要求1至6中任一所述的減速器，其中所述蝸杆的模數為3或更小。
8.一種電動操縱裝置，其包括根據權利要求1至7中任一所述的減速器。
9.根據權利要求1所述的減速器，其中所述蝸杆由未調質鋼製成。
10.根據權利要求9所述的減速器，其中高頻淬火為非輪廓淬火。
11.根據權利要求9或10所述的減速器，其中所述蝸杆的表面硬度為550至770Hv。
12.根據權利要求9至11中任一所述的減速器，其中所述蝸杆淬火範圍內的殘餘鐵素體含量為0至10％。
13.根據權利要求9至12中任一所述的減速器，其中所述蝸杆為鼓型。
14.根據權利要求9至13中任一所述的減速器，其中所述蝸杆的模數為3或更小。
15.一種電動操縱裝置，其包括根據權利要求9至14中任一所述的減速器。
16.一種製造減速器的方法，所述減速器包括蝸輪以及與該蝸輪相嚙合的蝸杆，所述蝸輪至少具有由聚合物複合材料製成的齒表層，其中將所述蝸杆垂直地設置並且使所述蝸杆的齒面藉助於高頻淬火被熱處理。
17.根據權利要求16所述的製造減速器的方法，其中所述蝸杆通過調質材料或非調質鋼製成並且受到高頻輪廓淬火，淬火的輸出為約550至600kw、時間為約0.30至0.50秒。
18.根據權利要求16所述的製造減速器的方法，其中所述蝸杆由未調質鋼製成並且受到高頻淬火或高頻輪廓淬火，淬火的輸出為約250至300kw、時間為約0.60至1.00秒。
19.一種電動操縱裝置，其包括根據權利要求16至18中任一的製造方法所製造的減速器。
20.一種製造減速器的裝置，所述減速器包括蝸輪以及與該蝸輪相嚙合的蝸杆，所述蝸輪至少具有由聚合物複合材料製成的齒表層，所述裝置包括在垂直方向上支撐所述蝸杆的中心部；環繞所述蝸杆的加熱線圈；和環繞所述蝸杆的冷卻套；並且其中在所述蝸杆垂直設置的情況下，在旋轉所述蝸杆的同時，藉助於高頻淬火使所述蝸杆的齒面受到熱處理。
全文摘要
本發明提供了一種減速器，這種減速器包括蝸輪以及與該蝸輪相嚙合的蝸杆，蝸輪至少具有由聚合物複合材料製成的齒表層，並且其中蝸杆的齒面受到利用高頻淬火進行的熱處理。
文檔編號C21D9/32GK1853059SQ20048002683
公開日2006年10月25日 申請日期2004年8月18日 優先權日2003年8月18日
發明者小山抗, 川村友二, 遠藤利仁 申請人:日本精工株式會社, 恩斯克轉向器株式會社