CN119256107A - 机电致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机电致动器（1），其包括呈行星式滚动螺杆驱动器（2、8）形式的螺杆驱动器（2、8），其中，提供的行星式滚动螺杆驱动器（2、8）是真螺距螺杆驱动器，其具有对多个行星件（4）进行导引的从动保持架（5），并且具有带螺纹主轴（2），其中，带螺纹主轴（2）和/或行星件（4）由具有以下成分的钢形成：○C：按重量计0.4%至1.5%；○Mn：按重量计12.0%至22.0%；○Cr：按重量计达4.0%；○Ni：按重量计达0.5%；○Cu：按重量计达0.3%；○V：按重量计达0.3%；○S：按重量计达0.3%；○P：按重量计达0.1%；○Si：按重量计达4.0%；○Al：按重量计达0.05%；○其余部分：铁和熔炼导致的杂质，在该钢的表面上，至少在通过成型过程于带螺纹主轴（2）和/或行星件（4）上产生的螺纹（3）的区域中，存在通过马氏体析出和应变硬化产生的结果。

Description

机电致动器

技术领域

本发明涉及具有螺杆驱动器和带螺纹主轴的机电致动器。

背景技术

WO 2012/048917 A1公开了一种回火钢以及其作为棒状材料的用途、特别是用于生产带螺纹主轴。WO 2012/048917 A1假定材料Cf53是一种适用于表面硬化或边缘硬化的广泛使用的钢，并且尤其可以用于生产螺栓、蜗杆、齿轮、轴或主轴。钢Cf53的成分就滚动轴承技术而言适于生产完全承受载荷的马氏体硬化表面层。

基于此，WO 2012/048917 A1描述了一种进一步开发的回火钢Cf53B，利用该回火钢可以实现从表面淬火试样的一个端面测量的在4 mm与6 mm之间的硬化部（600 HV）。芯部中的结构通常包括珠光体和铁素体的混合物。根据WO 2012/048917 A1的回火钢除其他之外包括0.0031%至0.005%的硼以及相对于一份氮至少存在3.5份的钛。回火钢Cf53B尤其适用于生产滚珠螺杆驱动器的带螺纹主轴。

从 DE 10 2017 121 942 A1中已知的一种滚珠螺杆驱动器——其旨在用于在制动助力器中使用——具有由马氏体硬化钢制成的带螺纹螺母，马氏体硬化钢在存在制动流体的情况下不会生锈。该钢包括按重量计至少12%的铬。另外，该钢除其他之外可以包括0.4%至1.3%的碳、达2%的硅、达2%的锰以及达2%的钼。特别地，这可以是材料编号为1.4108的钢。在DE 10 2017 121 942 A1中指定带螺纹螺母的可实现硬度为55 HRC。

EP 2 832 876 A1描述了一种高强度的不锈钢线材，据说其具有优异的耐热变形性。该钢线材特别适用于生产高强度弹簧。该弹簧由铸造钢制成，其中，形变诱导马氏体形成指数必须在指定范围内。形成高强度弹簧的钢线材的基体可以包括颗粒尺寸为50 nm或更小的NiAl基复合颗粒。

EP 2 465 964 A1描述了一种哈德菲尔德（Hadfield）钢组合物，其包括按重量计0.9%至1.35%的碳、按重量计11%至14%的锰、按重量计最多0.8%的硅、按重量计最多0.07%的磷、按重量计最多0.05%的硫、按重量计至少0.01%的铪，并且其余部分为铁和杂质。这种钢是非磁性的，具有低的导电性，并且通过冷变形示出了其冲击韧性的提高。

EP 0 142 873 A1公开了一种奥氏体锰硬钢，其具有按重量计0.8%至1.8%的碳、按重量计6%至18%的锰、按重量计0%至3%的铬、按重量计0%至2%的镍、按重量计0%至2.5%的钼、按重量计0%至1%的硅、按重量计至少0.01%的钛、按重量计至少0.01%的钒、按重量计总计0.05%至0.08%的钛和钒，并且其余部分为铁，其中，碳与锰的比在1:8至1:14的范围中。这种钢具有在冷变形期间硬化的能力。

DE 28 53 582 A1描述了一种非磁性的钢合金，其具有按重量计不超过1.5%的碳、按重量计0.1%至1.5%的硅、按重量计5%至30%的锰、按重量计0.005%至0.5%的氮以及来自包括以下各者的组的至少一种元素：按重量计0.05%至1%的硫、按重量计0.05%至1%的铅、按重量计0.05%至1%的硒、按重量计0.01%至0.5%的碲、按重量计0.001%至0.05%的钙，并且其余部分为铁。

GB 276 048 A描述了另一种哈德菲尔德锰钢，其具有按重量计至少11%的锰和按重量计最多1.6%的碳。

Team Edelstahl在2020年发表的“材料数据表1.3401 / X120Mn12”公开了一种锰钢的成分，其具有按重量计1.1%至1.3%的碳、按重量计12%至13%的锰、按重量计0.3%至0.5%的硅、按重量计最多0.1%的磷、按重量计最多0.04%的硫以及按重量计最多1.5%的铬。

波鸿鲁尔大学的Sascha Riedner在2010年发表的论文“Höchstfestenichtrostende austenitische CrMn-Stähle”（“高强度不锈奥氏体CrMn钢”）中尤其描述了一项关于X120Mn12型奥氏体钢的研究，该奥氏体钢在冲击或撞击载荷下通过局部加工硬化实现了高达700 HV的表面硬度。

此外，还参考了以下论文，该论文特别地涉及用于汽车应用的金属板成型：

“Verformungsinduzierte Martensitbildung bei mehrstufiger Umformungund deren Nutzung zur Optimierung der HCF- und VHCF-Eigenschaften vonaustenitischem Edelstahlblech”（“多阶段成型期间的形变诱导马氏体形成以及其对奥氏体不锈钢板的HCF和VHCF性能进行优化的用途”），Dipl.-Wirt.-Ing, Carsten Müller-Bollenhagen，锡根大学第四学院机械工程系，2011年4月。

除其他内容外，该论文还涉及亚稳态奥氏体的相转变。

关于锰钢的已知成分和特性，参考作为示例的文献DE 28 46 930 A1、EP 2 803736 A1、DE 866 893 B、WO 2017/021459 A1和EP 0 205 869 A1。一般来说，锰钢的特征在于高耐磨性，特别是在撞击或冲击载荷下的高耐磨性。

发明内容

本发明基于与前述现有技术相比实现机电致动器的材料技术进步的目的，其中，特别地，要考虑在螺杆驱动器、例如电动致动器中的螺杆驱动器中出现的磨损方面。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的机电致动器来实现，该机电致动器使用螺杆驱动器来操作。该机电致动器包括呈行星式滚动螺杆驱动器形式的螺杆驱动器，其中，提供的行星式滚动螺杆驱动器是真螺距螺杆驱动器，其具有对多个行星件进行导引的从动保持架并且具有带螺纹主轴，其中，带螺纹主轴和/或行星件由具有以下成分的钢形成：

○ C： 按重量计0.4%至1.5%，

○ Mn： 按重量计12.0%至22.0%，

○ Cr： 按重量计达4.0%，

○ Ni： 按重量计达0.5%，

○ Cu： 按重量计达0.3%，

○ V： 按重量计达0.3%，

○ S： 按重量计达0.3%，

○ P： 按重量计达0.1%，

○ Si： 按重量计达4.0%，

○ Al： 按重量计达0.05%，

○ 其余部分：铁和熔炼导致的杂质，

在该钢的表面上，至少在通过成型过程于带螺纹主轴和/或行星件上产生的螺纹的区域中，存在通过马氏体析出和应变硬化产生的结果。

选择具有以下成分的钢作为用于生产带螺纹主轴和/或行星件的初始材料：

○ C： 按重量计0.4%至1.5%，

○ Mn： 按重量计12.0%至22.0%，

○ Cr： 按重量计达4.0%，

○ Ni： 按重量计达0.5%，

○ Cu： 按重量计达0.3%，

○ V： 按重量计达0.3%，

○ S： 按重量计达0.3%，

○ P： 按重量计达0.1%，

○ Si： 按重量计达4.0%，

○ Al： 按重量计达0.05%，

○ 其余部分：铁和熔炼导致的杂质。

特别地，锰含量在按重量计12.0%至14.0%的范围中，并且铬含量按重量计最多为1.8%。

作为棒状材料存在的该初始产品在生产带螺纹主轴和/或行星件期间变形，使得在该初始产品的表面上、至少在使用成型过程产生的螺纹的区域中发生马氏体析出和加工硬化。

材料编号为1.3401（X120Mn12）的奥氏体锰钢已经被证明特别适合于生产带螺纹主轴和/或行星件。这种奥氏体锰钢是包括下述各者的钢：1.1%至1.3%的碳、12%至13%的锰、0.3%至4.0%的硅、达0.1%的磷、达0.04%的硫和达1.5%的铬，并且其余部分为铁和由熔炼过程所导致的杂质，每一者均按重量百分比给出，并且这种钢具有高的耐磨性，特别是在受到冲击或撞击时具有高的耐磨性。所提到的锰钢——也被称为锰硬钢——已经以其它方式被证明自身作为用于生产例如挖掘机齿或颚式粉碎机的材料，并且特别适合于在850°C至1050°C的温度范围中进行热成型。

令人惊讶地，已经示出的是，与材料编号为1.3401的钢相比，降低的碳含量具有积极作用。例如，处于指定区间的较低范围中的碳含量、例如处于0.4%至0.8%的范围中、0.4%至0.6%的范围中、或最小0.4%与最大0.5%的更窄范围中的C含量（按重量计%表示）确保的是硬化不太突然并且因此可以实现更大的变形程度。在这些情况下，这种钢也被称为弱化锰钢。

棒状初始材料的变形——这导致马氏体析出和加工硬化——最初可能涉及拉制过程。在该拉制过程中，可以对作为预产品并且尚未具有螺纹结构的棒状件进行拉伸。这具有的优点在于，可以获得由拉制过程导致的均匀形状和质量的中间产品，以用于进一步加工成不同的最终产品、特别是具有不同螺纹轮廓的带螺纹主轴和/或行星件。在主轴具有无螺距轮廓、即凹槽形轮廓的情况下也被称为带螺纹主轴。

在所有情况下，起始拉制过程有利于最终产品、即带螺纹主轴和/或行星件的机械强度。在致动器内，带螺纹主轴在与现有对应部、特别是呈螺母、滚子或螺杆形式的对应部的相互作用时受到相当大的轴向力，其中，可能出现力的急剧增加。

在具有起始拉制过程的方法变型以及在不具有棒状初始材料的这种塑性伸长的方法变型两者中，都可以通过螺纹轧制来形成螺纹。可选地，除了加工硬化之外，还可以考虑热处理，其中，在任何情况下，螺纹的形成在马氏体析出和加工硬化中起着至关重要的作用。热处理可以设计为多个阶段，并且特别地可以包括后续的温度应用、即回火。还可以在中间步骤中提供对棒状材料的深冷。

将材料加热至1000°C以上的温度并进行淬火之后的这些步骤可以减少成型区域中的应力并使结构稳定。关于棒状初始材料的成型，还可以提供锻造、特别是对该材料的端部部段的锻造。至少螺纹可以通过机加工以原则上已知的方式来完成。

所描述的塑性成型过程在各种变型中特别适用于生产具有几乎无法察觉的、非常低的变形的带螺纹主轴以及行星件。可以实现工件的800 MPa至1080 MPa的芯部强度以及650 HV及以上的表面硬度。这既适用于工件为带螺纹主轴的情况并且还适用于将与带螺纹主轴直接或间接相互作用的部件、比如螺母、螺栓、滚子或行星件作为工件进行机加工的情况。

带螺纹主轴为行星式滚动螺杆驱动器的主轴，其中，该行星式滚动螺杆驱动器的行星件也表现为带轮廓的轴，其可以由具有以上指定成分的棒状初始材料制成。

该机电致动器优选地用作机动车辆的转向致动器，即用作前车桥或后车桥转向装置的致动器。在这种情况下，通过示例的方式参照公开DE 10 2019 103 385 A1和DE 102011 082 514 A1。替代性地，根据本申请的致动器可以用于例如固定式工业设备的致动机构中。

螺杆驱动器设计为行星滚子齿轮，并且存在保持架的旋转驱动器，保持架对螺杆驱动器的行星件进行导引。行星滚子齿轮设计为螺距精确的螺杆驱动器，其中，与具有从动带螺纹主轴或具有从动主轴螺母的行星滚子齿轮相比，接受非常小的传动比。

附图说明

在下文中，参照附图对本发明的示例性实施方式进行更详细的说明。在附图中：

图1示出了旨在用于在后车桥转向系统中使用的带行星式滚动螺杆驱动器的转向致动器的截面。

图2示出了一流程图，其示出了对转向致动器的带螺纹主轴进行制造的步骤，

图3示出了在根据本申请的带螺纹主轴和比较示例（未要求保护）中工件的硬度与距工件表面的距离的相关性的图表，

图4示出了另一图表，其示出了在带螺纹主轴上进行拉伸试验期间被记录的数据。

总体用附图标记1表示的致动器在本情况下设计为用于机动车辆的后车桥转向装置的电磁转向致动器。

具体实施方式

致动器1包括带螺纹主轴2，该带螺纹主轴能够沿其纵向方向移位，以便改变机动车辆（未详细示出）的后轮的转向角度。带螺纹主轴2沿车辆的横向方向对准。关于致动器1的基本结构和功能，参照引用的现有技术。

在保持架5中被导引的多个行星件4在带螺纹主轴2的螺纹上滚动，该螺纹表示为3并且在这种情况下为单头螺纹。保持架5包括位于行星件4的两个端面上的保持架盘6以及保持架套筒7，该保持架套筒以环形形状环绕整个行星件4并且与带螺纹主轴2以及因此整个致动器1的表示为MA的中心轴线同心地布置。行星件4和保持架5是总体表示为8的螺母装置的部件。在保持架套筒7的外周表面上形成有外部齿9，该外部齿使得能够借助于带驱动器（未示出）来驱动整个保持架5。保持架5用作旋转式驱动元件，其中，由带螺纹主轴2和螺母装置8形成的致动器1的行星式滚动螺杆驱动器设计为螺距精确的行星式滚动螺杆驱动器。

每个行星件4均具有中央部段10和两个相邻的、相对较薄的端部部段11。部段10、11中的每一者均具有轮廓12、13，所述轮廓与螺纹3相比设计为无螺距凹槽的形式。仅行星件4的中央部段10与带螺纹主轴2接触。另一方面，行星件4的端部部段11被提升离开螺纹3，而接合在由螺母部件14、15形成的轮廓17中。分配给螺母装置8的螺母部件14、15调节成使得在螺母部件14、15、行星件4与带螺纹主轴2之间设置有预载荷。

螺母部件14、15彼此之间的相对定位借助于锁定螺母16来固定。旋拧在一起的螺母部件14、15和锁定螺母16的固有刚性布置借助于两个轴向轴承18以可旋转的方式安装在保持架5中。没有驱动力被给送到螺母部件14、15中。整个螺母装置8借助于两个渐缩滚子轴承19安装在周围结构（未示出）、即致动器壳体中。除其他以外，电动马达附接至致动器壳体，电动马达驱动带传动器，带传动器使保持架5旋转。替代性地，电动马达可以构建到致动器壳体中。

在机电致动器1、即转向致动器的操作期间，可能出现带螺纹主轴2的沿纵向方向作用的快速增加、几乎突然的载荷。螺纹3特别地必须能够承受这些载荷。

在下文中，参考根据图2的流程图，其中，步骤S1至步骤S5表示带螺纹主轴2的制造中的各个制造步骤。替代性地或附加地，可以类似地实现行星件4的生产。

在步骤S1中，提供圆钢作为初始产品。该圆钢是锰钢X120Mn12（材料编号1.3401）。在圆钢被进一步加工之前，可以在步骤S1中对圆钢进行塑性拉伸，这已经对钢的期望硬化产生了积极影响。

在步骤S2和步骤S3中对步骤S1中提供的初始产品进行打磨和轧制。轧制过程特别地产生螺纹3。在成型期间马氏体的析出对于硬化至关重要。

此外，在步骤S3中进行热处理。在步骤S4中，通过车削来对带螺纹主轴2进行机加工。机加工还可以包括其他机加工技术、特别是铣削。在最后的步骤S5中，对工件、即带螺纹主轴2进行清洗。

在图3和图4中示出了通过根据图2的方法制造的带螺纹主轴2的机械特性。图3示出了在加工硬化状态下的硬度曲线（粗线）以及在加工硬化且热处理的状态下的硬度曲线（上方，细线）。为了进行比较，示出了在固溶退火状态下的硬度（300 HV）。如从图3可以看出的，仅通过加工硬化就能实现约550 HV的表面硬度。虚线表示变形程度增加的加工硬化。额外的热处理使表面硬度增加到至少650 HV。

图4中的简化图示出了屈服强度Ϭ_E（相关力：F）和拉伸强度Ϭ_B（相关力：Z），这可以借助于拉伸试验来确定。如从图4可以看出的，随着制造带螺纹主轴2的锰钢的伸长率增加，力不断增加。带螺纹主轴2中所使用的经机加工的锰钢的芯部强度在800 MPa至1080 MPa的范围中。

附图标记列示

1 致动器

2 带螺纹主轴

3 螺纹

4 行星件

5 保持架

6 保持架盘

7 保持架套筒

8 螺母装置

9 外部齿系统

10 行星件的中央部段

11 行星件的端部部段

12 中央部段的轮廓

13 端部部段的轮廓

14 螺母部件

15 螺母部件

16 锁定螺母

17 螺母部件的轮廓

18 止推轴承

19 渐缩滚子轴承

Ϭ_E 屈服强度

Ϭ_B 拉伸强度

F 力

MA 中心轴线

S1、……S5 步骤

Z 力

Claims (8)

1.一种机电致动器（1），所述机电致动器包括呈行星式滚动螺杆驱动器（2、8）形式的螺杆驱动器（2、8），其中，提供的所述行星式滚动螺杆驱动器（2、8）为真螺距螺杆驱动器，所述真螺距螺杆驱动器具有对多个行星件（4）进行导引的从动保持架（5），并且具有带螺纹主轴（2），其中，所述带螺纹主轴（2）和/或所述行星件（4）由具有以下成分的钢形成：

○ C： 按重量计0.4%至1.5%，

○ Mn： 按重量计12.0%至22.0%，

○ Cr： 按重量计达4.0%，

○ Ni： 按重量计达0.5%，

○ Cu： 按重量计达0.3%，

○ V： 按重量计达0.3%，

○ S： 按重量计达0.3%，

○ P： 按重量计达0.1%，

○ Si： 按重量计达4.0%，

○ Al： 按重量计达0.05%，

○ 其余部分：铁和熔炼导致的杂质，

在所述钢的表面上，至少在通过成型过程于所述带螺纹主轴（2）和/或所述行星件（4）上产生的螺纹（3）的区域中，存在通过马氏体析出和应变硬化产生的结果。

2.根据权利要求1所述的机电致动器（1），其中，所述带螺纹主轴（2）和/或所述行星件（4）由锰钢（材料编号为1.3401）制成。

3.根据权利要求1或2所述的机电致动器（1），其中，所述带螺纹主轴通过由钢制成的棒状初始材料形成。

4.根据权利要求3所述的机电致动器（1），其中，所述棒状初始材料在拉制过程中形成。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的机电致动器（1），其中，所述棒状初始材料的至少一个部段、特别是端部部段被锻造。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的机电致动器（1），其中，所述带螺纹主轴（2）和/或所述行星件（4）的加工硬化至少部分地通过螺纹轧制产生。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的机电致动器（1），其中，所述带螺纹主轴和/或所述行星件（4）继续被热处理。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的机电致动器（1），所述机电致动器设计为转向致动器。