變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：1.獲得材料的扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)載荷—壽命曲線和材料的低載強(qiáng)化特性；2.把旋鍛軸分為固定節(jié)段、移動(dòng)節(jié)段和中間段；3.根據(jù)等速萬向傳動(dòng)軸總成性能和尺寸要求，確定各段的外形尺寸，實(shí)現(xiàn)變截面設(shè)計(jì)；4.旋鍛軸的內(nèi)徑尺寸需要同時(shí)滿足扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和旋鍛加工工藝的特性要求，由此確定變截面和變壁厚空心旋鍛軸各段的內(nèi)徑尺寸，實(shí)現(xiàn)變壁厚設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方法，能夠設(shè)計(jì)滿足功能、強(qiáng)度和加工要求的變截面變壁厚輕量化旋鍛軸，材料利用率高，對(duì)參照本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行變截面變壁厚旋鍛軸加工具有精確的指導(dǎo)價(jià)值。
【專利說明】變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車零部件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種汽車變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)新方法，涉及的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)新方法適用于高檔轎車等速萬向傳動(dòng)中間軸的輕量化設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)汽車的需求也越來越大。一方面，汽車作為方便快捷的交通工具，改善了人們的生活和工作方式，另一方面，卻加劇了能源消耗，帶來了環(huán)境污染。隨著全球資源和能源的日益緊張，環(huán)境的惡化，汽車產(chǎn)業(yè)面臨著節(jié)能環(huán)保的巨大壓力。
[0003]研究顯示，汽車輕量化對(duì)于節(jié)約能源、減少?gòu)U氣排放十分重要。汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%至8%，二氧化碳排放量也能夠大大減少。另外，重量減輕，不僅能夠有效提高汽車的加速性能，也能夠改善車輛的穩(wěn)定性、安全性、噪音和振動(dòng)。
[0004]汽車輕量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑主要包括輕量化材料、輕量化設(shè)計(jì)方法和輕量化制造技術(shù)。由于涉及不同領(lǐng)域和學(xué)科，現(xiàn)有的三種汽車輕量化技術(shù)的研究現(xiàn)狀基本都是各種發(fā)展，很少進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。目前，現(xiàn)有的三種輕量化技術(shù)中，高昂的成本限制了輕量化材料的推廣和應(yīng)用，輕量化方法和輕量化制造技術(shù)是目前發(fā)展和應(yīng)用的主要趨勢(shì)。輕量化設(shè)計(jì)方法包括合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化設(shè)計(jì)和基于強(qiáng)度特征的輕量化設(shè)計(jì)方法，其中，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)又包括形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化；基于強(qiáng)度特征的輕量化設(shè)計(jì)主要是把汽車零部件的強(qiáng)度潛能充分發(fā)揮出來。輕量化制造技術(shù)主要包括新型的鑄造技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、廉潔技術(shù)和成型技術(shù)等。
[0005]有機(jī)的結(jié)合輕量化設(shè)計(jì)方法和輕量化制造技術(shù)是目前汽車強(qiáng)化的一個(gè)發(fā)展重點(diǎn)，也是把汽車零部件輕量化的所有潛能充分發(fā)揮出來的一種重要手段。本文設(shè)計(jì)的高檔轎車等速萬向傳動(dòng)中間軸是采用旋鍛工藝加工而成，稱為旋鍛軸。旋鍛軸是采用精密鋼管作原料，通過旋轉(zhuǎn)冷成形達(dá)到零件外形尺寸要求，并且在采用特殊工裝后能使零件的內(nèi)腔保持需要的形狀，可以使零件達(dá)到高速穩(wěn)定、等強(qiáng)度和最少材料使用等特征，材料利用率可達(dá)95%以上，是一種替代切削加工的精密成形技術(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，以解決上述問題。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:綜合考慮材料強(qiáng)度變化特性、抗疲勞設(shè)計(jì)方法以及旋鍛加工工藝特性設(shè)計(jì)出變截面變壁厚的空心旋鍛軸，包括以下步驟:
[0009]步驟一:通過材料強(qiáng)度試驗(yàn)或設(shè)計(jì)手冊(cè)，獲得材料強(qiáng)度性能，該材料強(qiáng)度性能包括扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)載荷一壽命曲線、材料的低載強(qiáng)化特性；
[0010]步驟二:把變截面變壁厚旋鍛軸分為固定節(jié)段、移動(dòng)節(jié)段和中間段
[0011]其中，固定節(jié)段和移動(dòng)節(jié)段又分別分為花鍵段，轉(zhuǎn)角約束段和護(hù)套段，花鍵段和萬向節(jié)內(nèi)套花鍵配合，轉(zhuǎn)角約束段與萬向節(jié)極限轉(zhuǎn)角相關(guān)，護(hù)套段與萬向節(jié)防塵套安裝相關(guān);
[0012]步驟三:根據(jù)等速萬向傳動(dòng)軸總成性能和尺寸要求，確定固定節(jié)段、移動(dòng)節(jié)段和中間段的外形尺寸，實(shí)現(xiàn)變截面設(shè)計(jì)；
[0013]步驟四:所述變截面變壁厚旋鍛軸的內(nèi)徑尺寸需要同時(shí)滿足扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和旋鍛加工工藝的特性要求，由此確定變截面和變壁厚空心旋鍛軸各段的內(nèi)徑尺寸，實(shí)現(xiàn)變壁厚設(shè)計(jì)。
[0014]另外，本發(fā)明所涉及的旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法還可以具有這樣的特征:其中，花鍵段的外形尺寸根據(jù)固定端等速萬向節(jié)和移動(dòng)端等速萬向節(jié)的內(nèi)套花鍵配合確定。
[0015]另外，本發(fā)明所涉及的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法還可以具有這樣的特征:其中，護(hù)套段的外形尺寸滿足防塵套卡箍安裝，并能夠防止防塵套軸線移動(dòng)。
[0016]另外，本發(fā)明所涉及的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法還可以具有這樣的特征:其中，轉(zhuǎn)角約束段的外形尺寸受到萬向節(jié)的最大彎角的約束。
[0017]進(jìn)一步，上述外形尺寸的設(shè)計(jì)還可以具有這樣的特征:其中，轉(zhuǎn)角約束段的外形尺寸為最大外徑，固定節(jié)段的轉(zhuǎn)角約束段的最大外徑d,x滿足以下關(guān)系式:
[O。18] Cigmaj^cos a gmax.(Rg-Lgtan α 啊)-2 δ g
[0019]式中,Rg為固定端等速萬向節(jié)外套球面半徑，Lg為固定端等速萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心O到外套端口的距離，α,χ為固定端等速萬向節(jié)的最大彎角，38為固定端等速萬向節(jié)防塵套影響尺寸。
[0020]所述移動(dòng)節(jié)段的所述轉(zhuǎn)角約束段的最大外徑Clhmax，根據(jù)移動(dòng)端等速萬向節(jié)滑移曲線的極限位置計(jì)算所述移動(dòng)節(jié)段的所述轉(zhuǎn)角約束段最大外徑尺寸，滿足以下關(guān)系式:
[0021 ] dtaax= (Dh-2Lhtan a J.cos a taax-2 δ h
[0022]式中:Dh為移動(dòng)節(jié)段的等速萬向節(jié)外套圓柱面直徑，Lh為極限位置下移動(dòng)端等速萬向節(jié)中心到外套端面的距離，ataax為極限位置下移動(dòng)端等速萬向節(jié)最大彎角，移動(dòng)端等速萬向節(jié)極限位置由等速萬向傳動(dòng)軸總成的滑移曲線確定，Sh為移動(dòng)端等速萬向節(jié)防塵套影響尺寸。
[0023]另外，本發(fā)明所涉及的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法還可以具有這樣的特征:其中，中間段的外徑依據(jù)等速萬向傳動(dòng)軸總成外形尺寸確定。
[0024]另外，本發(fā)明所涉及的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法還可以具有這樣的特征:其中，內(nèi)徑尺寸滿足靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和旋鍛加工工藝要求。
[0025]進(jìn)一步，上述內(nèi)徑尺寸的設(shè)計(jì)還可以具有這樣的特征:其中，靜強(qiáng)度要求為根據(jù)萬向傳動(dòng)軸總成傳遞最大扭矩和材料靜強(qiáng)度特性要`求，可以求出旋鍛軸的最小截面模量，再根據(jù)旋鍛軸外徑尺寸可以得到旋鍛軸的最大內(nèi)徑尺寸或最小壁厚；疲勞強(qiáng)度要求為根據(jù)萬向傳動(dòng)軸總成的設(shè)計(jì)壽命、旋鍛軸材料的疲勞-壽命曲線、材料的低載強(qiáng)化特性、疲勞應(yīng)力集中系數(shù)，可以得到給定壽命下最大應(yīng)力，再根據(jù)最大應(yīng)力和外徑尺寸同樣可以求得空心旋鍛軸的最大內(nèi)徑尺寸或最小壁厚；結(jié)構(gòu)加工工藝為在確定空心旋鍛軸的各段內(nèi)徑尺寸還需考慮結(jié)構(gòu)平穩(wěn)過渡，滿足旋鍛加工工藝要求。
[0026]發(fā)明的作用與效果
[0027]根據(jù)本發(fā)明所提供的變截面變壁厚旋鍛軸的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)旋鍛軸的內(nèi)外徑尺寸進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，得到每段均具有特定外部尺寸和特定內(nèi)部尺寸的旋鍛軸，因此，按照本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方法，能夠得到每部分具有不同壁厚的空心旋鍛軸，與傳統(tǒng)的實(shí)心軸相比，材料潛能得到充分發(fā)揮，材料利用率高。
[0028]另外，由于本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法不僅與萬向傳動(dòng)軸總成的相關(guān)指標(biāo)有關(guān)，還與材料強(qiáng)度特性和加工工藝有關(guān)，因此，本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方法是基于具體材料進(jìn)行的設(shè)計(jì)，充分考慮了材料的強(qiáng)度性能，對(duì)參照本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行變截面變壁厚旋鍛軸加工具有精確的指導(dǎo)價(jià)值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是實(shí)施例中變截面變壁厚旋鍛軸設(shè)計(jì)分段描述圖；
[0030]圖2為實(shí)施例中固定端等速萬向節(jié)在最大轉(zhuǎn)角(α = α _χ)時(shí)與旋鍛軸的位置關(guān)系說明圖；
[0031]圖3為實(shí)施例中移動(dòng)端等速萬向節(jié)在極限位置下(α =α taax、S=Shmax)時(shí)旋鍛軸的位置關(guān)系說明圖；
[0032]圖4是實(shí)施例中變截面變壁厚旋鍛軸的設(shè)計(jì)尺寸說明圖；
[0033]圖5為實(shí)施例中的實(shí)心中間軸的尺寸說明圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明所涉及的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0035]<實(shí)施例>
[0036]等速萬向傳動(dòng)軸總成的相關(guān)指標(biāo)由整車廠和制造廠給出，包括等速萬向節(jié)的尺寸指標(biāo)(含有固定節(jié)尺寸指標(biāo)和移動(dòng)節(jié)尺寸指標(biāo))、防塵套影響指標(biāo)δ、靜斷裂強(qiáng)度指標(biāo)、疲勞強(qiáng)度指標(biāo)、熱處理指標(biāo)。
[0037]在本實(shí)施例中，等速萬向傳動(dòng)軸總成的靜斷裂強(qiáng)度不小于3500Nm，在±1245Nm交變扭矩，循環(huán)壽命不小于300000次。熱處理指標(biāo)為旋鍛軸整體滲碳淬火回火，表面硬度為630-780HV，心部硬度為480HV。固定節(jié)的最大許可轉(zhuǎn)角為48°，外套半徑為29.678mm，固定節(jié)中心O到外套端口的距離為18mm,固定節(jié)防塵套的影響指標(biāo)約為7_。移動(dòng)節(jié)最大許可轉(zhuǎn)角為26°，移動(dòng)節(jié)外套半徑為55mm，移動(dòng)節(jié)中心O到外套端口的距離為56mm，移動(dòng)節(jié)防塵套的影響指標(biāo)約為7mm。
[0038]材料強(qiáng)度特性包括扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)載荷-壽命曲線。
[0039]在本實(shí)施例中，選擇的材料為鋼管坯料，牌號(hào)為25CrMo4，通過材料強(qiáng)度試驗(yàn)，得到該材料的扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度為297-304MPa，扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度574_588MPa，扭轉(zhuǎn)載荷即內(nèi)外壁硬度為HB162。
[0040]設(shè)計(jì)目標(biāo)為得到具有特定壁厚的中間軸，實(shí)現(xiàn)中間軸的輕量化。該中間軸由于經(jīng)由旋鍛加工工藝制得，因此在下述內(nèi)容中稱為旋鍛軸。[0041]圖1是實(shí)施例中變截面變壁厚旋鍛軸設(shè)計(jì)分段描述圖；
[0042](I)把變截面變壁厚旋鍛軸10分為如圖1所示的固定節(jié)段101、移動(dòng)節(jié)段103和中間段102，其中固定節(jié)段101分為花鍵段1、轉(zhuǎn)角約束段2、和護(hù)套段3，移動(dòng)節(jié)段103分為花鍵段I’，轉(zhuǎn)角約束段2’，和護(hù)套段3’。
[0043](2)根據(jù)等速萬向傳動(dòng)軸總成的性能和尺寸要求，確定固定節(jié)段101、移動(dòng)節(jié)段103和中間段102的外形尺寸，實(shí)現(xiàn)變截面設(shè)計(jì)。
[0044]①花鍵段外徑確定
[0045]花鍵段1、1’的外徑尺寸和相關(guān)花鍵參數(shù)根據(jù)花鍵配合標(biāo)準(zhǔn)確定。兩端花鍵段1、I’與萬向節(jié)內(nèi)花鍵配合。
[0046]在本實(shí)施例中，根據(jù)萬向節(jié)內(nèi)花鍵的配合標(biāo)準(zhǔn)，花鍵段I的參數(shù):齒數(shù)27，模數(shù)
1.0583，壓力角45°，螺旋角10° ±4’(左旋)，花鍵大徑29.64mm，花鍵小徑27.63mm?；ㄦI段I’的參數(shù):齒數(shù)34，模數(shù)0.79375，壓力角45°，花鍵大徑27.78mm，花鍵小徑26.26mm。
[0047]變截面變壁厚旋鍛軸10設(shè)計(jì)時(shí)，花鍵段I和花鍵段I’的外徑不同的主要原因是固定等速萬向節(jié)和移動(dòng)等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)形式不同、最大彎曲轉(zhuǎn)角不同。
[0048]②護(hù)套段外徑確定
[0049]護(hù)套段3的外形和尺寸主要是滿 足防塵套卡箍安裝，防止防塵套軸向移動(dòng)，過渡需要考慮疲勞應(yīng)力集中系數(shù)， 臺(tái)階高度不小于0.5mm,過渡圓角不小于R10，最大疲勞應(yīng)力集中系數(shù)不大于1.2。
[0050]③轉(zhuǎn)角約束段外徑確定
[0051]圖2為實(shí)施例中固定端等速萬向節(jié)在最大轉(zhuǎn)角(α= α _χ)時(shí)與旋鍛軸的位置關(guān)系說明圖。
[0052]如圖2所示，固定端萬向節(jié)20的最大轉(zhuǎn)角48°，通過固定端萬向節(jié)20的特征尺寸確定Rg、Lg，通過防塵套影響確定δ g，利用式(I)計(jì)算固定節(jié)段101的轉(zhuǎn)角約束段2的最大
外徑dgmax:
[0053](Igmaj^cos a gmax.(Rg_Lgtan α 啊)-2 δ g(I)
[0054]式中,Rg為固定端等速萬向節(jié)外套球面半徑，Lg為固定端等速萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心O到外套端口的距離，α,χ為固定端等速萬向節(jié)的最大彎角，38為固定端等速萬向節(jié)防塵套影響尺寸。
[0055]對(duì)于本實(shí)施例，根據(jù)固定萬向節(jié)外套結(jié)構(gòu)尺寸可以得到固定端萬向節(jié)特征尺寸Rg=29.678mm、Lg=18mm、防塵套影響δ g約為7mm,帶入式(I)計(jì)算和圓整后固定端轉(zhuǎn)角約束段外徑取26.5mm。
[0056]圖3為實(shí)施例中移動(dòng)端等速萬向節(jié)和旋鍛軸的彎曲角和軸線滑移曲線以及軸向滑動(dòng)極限位置時(shí)(α=α ^pS=Shmax)的幾何關(guān)系說明圖。
[0057]如圖3所示，根據(jù)該等速萬向傳動(dòng)軸總成的滑移曲線確定移動(dòng)端等速萬向節(jié)極限位置，此時(shí)移動(dòng)端最大轉(zhuǎn)角為8°，Ι^=56πιπι。通過移動(dòng)端萬向節(jié)30的特征尺寸可確定Dh,防塵套影響確定Sh后，利用式(2)計(jì)算移動(dòng)節(jié)段103的轉(zhuǎn)角約束段I’的最大外徑Clhmax:
[0058](Ihmax= (Dh-2Lhtan a taax).cos a taax-2 5h(2)
[0059]式中:Dh為移動(dòng)節(jié)段的等速萬向節(jié)外套圓柱面直徑，Lh為極限位置下移動(dòng)端等速萬向節(jié)中心到外套端面的距離，ataax為極限位置下移動(dòng)端等速萬向節(jié)最大彎角，移動(dòng)端等速萬向節(jié)極限位置由等速萬向傳動(dòng)軸總成的滑移曲線確定，Sh為移動(dòng)端等速萬向節(jié)防塵套影響尺寸。
[0060]對(duì)于本實(shí)施例，根據(jù)滑移萬向節(jié)外套結(jié)構(gòu)尺寸可以得到移動(dòng)端萬向節(jié)特征尺寸Lh=56mm, Dh=55mm、防塵套影響δ h約為7mm，帶入式(2)計(jì)算和圓整后移動(dòng)端轉(zhuǎn)角約束段外徑取 25.6mm。
[0061]④中間段外徑確定
[0062]中間段102的外徑尺寸影響等速萬向傳動(dòng)軸總成外形尺寸，受到汽車整車尺寸限制，一般由主機(jī)廠和零部件廠共同確定。
[0063]本實(shí)施例中假設(shè)中間軸外徑相對(duì)于原實(shí)心軸最大外徑(29.6mm)增加8%左右，則中間段外徑尺寸圓整后取32mm。
[0064]⑤過渡尺寸
[0065]變截面變壁厚旋鍛軸10的過渡尺寸保證結(jié)果平穩(wěn)過渡，在滿足旋鍛加工工藝條件下，充分考慮疲勞應(yīng)力集中系數(shù)。
[0066]本實(shí)施例中疲勞應(yīng)力集中系數(shù)為1.2，過渡圓角不小于R8。
[0067](3)變截面變壁厚旋鍛軸10的內(nèi)徑尺寸或壁厚需要同時(shí)滿足靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)加工工藝特性要求，由此確定變截面變壁厚變旋鍛軸10各段的內(nèi)徑尺寸或壁厚，實(shí)現(xiàn)變壁厚設(shè)計(jì)。
[0068]①花鍵段壁厚或內(nèi)徑確定:
[0069]花鍵段的壁厚尺寸主要考慮花鍵加工工藝，防止花鍵加工變形，同時(shí)滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取花鍵段壁厚約為花鍵大徑的20%左右。
[0070]本實(shí)施例中固定端花鍵壁厚6mm,移動(dòng)端端花鍵壁厚5.5mm
[0071]②其余軸段壁厚及內(nèi)徑確定:
[0072]轉(zhuǎn)角約束段2、2’，護(hù)套段3、3’以及中間段102在外徑尺寸已定的情況下，內(nèi)徑尺寸的確定要同時(shí)滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求，充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛能，同時(shí)充分考慮旋鍛加工工藝特性和疲勞應(yīng)力集中系數(shù)。
[0073]>旋鍛軸靜強(qiáng)度
[0074]旋鍛軸10的各段內(nèi)徑或壁厚要滿足等速萬向傳動(dòng)軸總成最大靜斷裂扭矩不小于3500Nm的要求來確定。
[0075]>旋鍛軸疲勞強(qiáng)度
[0076]旋鍛軸10的內(nèi)徑尺寸或壁厚需要同時(shí)滿足靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)加工工藝特性要求，由此確定變截面和變壁厚空心旋鍛軸各段的內(nèi)徑尺寸或壁厚，實(shí)現(xiàn)變壁厚設(shè)計(jì)。
[0077]根據(jù)變截面變壁厚旋鍛軸材料的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力-壽命曲線、熱處理結(jié)果等，并且充分考慮加工工藝后，旋鍛軸各軸段的最大內(nèi)徑尺寸或最小壁厚如表I所示。
[0078]表I旋鍛軸各段尺寸(單位:毫米)
【權(quán)利要求】
1.一種變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于: 與材料強(qiáng)度性能、等速萬向傳動(dòng)軸總成性能和尺寸指標(biāo)、綜合考慮材料強(qiáng)度變化特性、抗疲勞設(shè)計(jì)方法以及旋鍛加工工藝特性設(shè)計(jì)出變截面變壁厚的空心旋鍛軸，包括以下步驟: 步驟一:通過材料強(qiáng)度試驗(yàn)或設(shè)計(jì)手冊(cè)，獲得所述材料強(qiáng)度性能，所述材料強(qiáng)度性能包括扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)載荷一壽命曲線； 步驟二:把變截面變壁厚旋鍛軸分為固定節(jié)段、移動(dòng)節(jié)段和中間段其中，所述固定節(jié)段和所述移動(dòng)節(jié)段又分別分為花鍵段，轉(zhuǎn)角約束段和護(hù)套段，所述花鍵段和萬向節(jié)內(nèi)套花鍵配合，所述轉(zhuǎn)角約束段與萬向節(jié)極限轉(zhuǎn)角相關(guān)，所述護(hù)套段與萬向節(jié)防塵套安裝相關(guān)； 步驟三:根據(jù)所述等速萬向傳動(dòng)軸總成性能和尺寸要求，確定所述固定節(jié)段、所述移動(dòng)節(jié)段和所述中間段的外形尺寸，實(shí)現(xiàn)變截面設(shè)計(jì)； 步驟四:所述變截面變壁厚旋鍛軸的內(nèi)徑尺寸需要同時(shí)滿足所述扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度、所述扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和所述旋鍛加工工藝的特性要求，由此確定變截面和變壁厚空心旋鍛軸各段的內(nèi)徑尺寸，實(shí)現(xiàn)變壁厚設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于: 其中，所述花鍵段的外形尺寸根據(jù)固定端等速萬向節(jié)和移動(dòng)端等速萬向節(jié)的內(nèi)套花鍵配合確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于: 其中，所述護(hù)套段的外形尺寸滿足防塵套卡箍安裝，并能夠防止防塵套軸線移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于: 其中，所述轉(zhuǎn)角約束段的外形尺寸受到萬向節(jié)的最大彎角的約束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于: 其中，所述轉(zhuǎn)角約束段的外形尺寸為最大外徑， 所述固定節(jié)段的所述轉(zhuǎn)角約束段的所述最大外徑dgmax滿足以下關(guān)系式:
dgmax=2cos α 啊.(Rg-Lgtan a gmax) -2 δ g 式中，Rg為固定端等速萬向節(jié)外套球面半徑，LgS固定端等速萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心O到外套端口的距離，α,χ為固定端等速萬向節(jié)的所述最大彎角，Sg為固定端等速萬向節(jié)防塵套影響尺寸； 所述移動(dòng)節(jié)段的所述轉(zhuǎn)角約束段的最大外徑dtaax，根據(jù)移動(dòng)端等速萬向節(jié)滑移曲線的極限位置計(jì)算所述移動(dòng)節(jié)段的所述轉(zhuǎn)角約束段最大外徑尺寸，滿足以下關(guān)系式:dtaax= (Dh-2Lhtan a taax).cos α ^-2 δ h 式中:Dh為移動(dòng)節(jié)段的等速萬向節(jié)外套圓柱面直徑，Lh為極限位置下移動(dòng)端等速萬向節(jié)中心到外套端面的距離，a taax為極限位置下移動(dòng)端等速萬向節(jié)最大彎角，移動(dòng)端等速萬向節(jié)極限位置由等速萬向傳動(dòng)軸總成的滑移曲線確定，Sh為移動(dòng)端等速萬向節(jié)防塵套影響尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于: 其中，所述中間段的外徑依據(jù)等速萬向傳動(dòng)軸總成外形尺寸確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:其中，所述內(nèi)徑尺寸滿足靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和旋鍛加工工藝要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變截面變壁厚旋鍛軸輕量化設(shè)計(jì)方法，其特征在于: 其中，所述靜強(qiáng)度要求為根據(jù)萬向傳動(dòng)軸總成傳遞最大扭矩和材料靜強(qiáng)度特性要求，可以求出旋鍛軸的最小截面模量，再根據(jù)旋鍛軸外徑尺寸可以得到旋鍛軸的最大內(nèi)徑尺寸或最小壁厚； 所述疲勞強(qiáng)度要求為根據(jù)萬向傳動(dòng)軸總成的設(shè)計(jì)壽命、旋鍛軸材料的疲勞-壽命曲線、疲勞應(yīng)力集中系數(shù)，可以得到給定壽命下最大應(yīng)力，再根據(jù)最大應(yīng)力和外徑尺寸同樣可以求得空心旋鍛軸的最大內(nèi)徑尺寸或最小壁厚； 所述結(jié)構(gòu)加工工藝為在確定變截面變壁厚旋鍛軸的各段內(nèi)徑尺寸還需考慮結(jié)構(gòu)平穩(wěn)過渡，滿足旋鍛加 工工藝要求。
【文檔編號(hào)】F16D3/16GK103821831SQ201410057297
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月20日
【發(fā)明者】盧曦, 朱卓選, 秦文瑜, 高文貴 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)