专利名称：动力传输轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于传输运转着的转矩的动力传输轴。
背景技术：
在汽车等的驱动轴中，动力传输轴耦合到恒速的万向联轴器上。在许多情况中，该动力传输轴以在轴端形成的花键或细齿(此后用“花键”总体地代表)耦合到恒速万向联轴器的一个内环上。为模制这种型式动力传输轴的花键，在考虑工作性能和成本方面使用塑性加工诸如滚压或挤压加工成形。
花键末端部分的形状有各种型式，该花键在动力传输轴上、在末端的对侧上形成。例如，有一种型式，在该型式中在动力传输轴10端部上的齿12的凹部12a直接引导到动力传输轴10的外表面如图6所示(此后称为“直接切口型”)，有一种型式，在该型式中齿12的凹部12a引导到具有凹部12a的平滑地放大直径的动力传输轴10的外表面，如图7所示(此后称为“集拢”型)等等。在“集拢”型中，直径平滑地增大的凹部12a(此后称“直径扩大表面”)通常形成为一种弧型，其横截面具有半径Ra(有一种情况表面被构成为球表面的形状)。在这种情况中，已知直径扩大的表面的曲率半径Ra的增加会增加释放应力的效果，并因此改善动力传输轴的强度。
日本专利公开No.2000-97244公开了一种具有前述集拢型花键轴的动力传输的例子。在此动力传输轴中，在花键端形成一直径扩大区域，同时在直径扩大区域中形成一与相应外部结合的部分。因而，从静态强度和疲劳强度两者的角度看有可能改善动力传输轴的强度。
顺便提一下，近年来，排放物控制的加强，在汽车业中由于对环境问题的兴趣的增加强烈要求燃料效率的改善。作为解决问题的措施的一部分，对动力传输轴诸如驱动轴和螺旋桨轴强烈地希望进一步降低重量和改善强度。
发明内容
本发明的一个目的是进一步改善诸如花键轴和细齿轴的动力传输轴的强度。
为实现前述目的，根据本发明的动力传输轴在其外周面具有轴向齿，以便通过齿表面传递齿与相关部件之间的转矩。齿的凹部的一端经过一直径扩大表面导引到动力传输轴的外周表面，该表面的直径在轴向扩大。在动传输轴中，在直径扩大表面与邻近该直径扩大表面的齿表面之间的一个角中设置一钝头的部分，以便使两者之间的边缘变钝。
图8是表示传统动力传输轴在轴端的相对的一端上的齿(例如，花键)的放大透视图。在传递转矩时，动力传输轴的齿12在垂直于轴向的方向(图8中的箭头方向)接受来自未表示的相关部件(凸台)的齿的负荷，该部件与动力传输轴的外周表面结合。此时，与弯矩一致的大的弯曲应力出现在该动力传输轴的齿12的根部。
顺便提一下，轴向齿的这种型式通常由滚压成形模制而成。但是，在滚压齿条的制造工艺中比直径扩大表面13(一个有效区域)更靠近轴端的一个区域的模型部分是首先成形，同时然后，通常，通过对有效区域的模型部分的一个端面倒棱形成直径扩大表面13的模型部分。因此，在齿条中，齿的侧表面与直径扩大表面的模型部分之间的边界部分变成一个边缘。因而齿条的边缘就转变成滚压形成的材料，并因此齿12的凹部12a和齿表面12c之间的角C1变成为一个边缘。本发明集中在直径扩大表面13和齿表面12c之间的角C1中的边缘上，这在传统上是未曾考虑的。如图3所示，通过提供一个第一钝头部分25以使角C1中的边缘变钝，缓解了出现在角C1中的应力集中，以达到改进动力传递轴的静态强度和疲劳强度的目的。
作为使边缘变钝的具体方法，第一钝头部分25可以形成为曲线的表面(见图3)。
对于具有以这种曲线表面变钝的角C1的花键轴，对角C1中的应力以变化的曲线表面的曲率半径(Rc＝R0.15-Rc＝0.25)进行分析。可以得出(如表1所示)曲线表面的曲率半径Rc的增加使缓解应力的作用增强，并因此，对增强动力传输轴是有效的。
表1
当在Rc＝0.15时的应力值设定为1，则在Rc＝0.25时的应力值是相对值。
因此，根据本发明，使角变钝使之能够缓解应力集中，并因此，增加动力传输轴的负荷能力。
当第一钝头部分25形成为倒棱表面时可以获得前述的效果(见图4)。
前述结构不考虑直径扩大表面的形状是可应用的。例如，除了其周边宽度在轴向在凹部的末端的相对端被扩大的直径扩大表面22(如图3和4所示)以外，前述结构还可以应用到其周边宽度在轴向是恒定的直径扩大表面22上，如图5所示(此后称为“船形型式”)。
可以想象在齿的塑性加工之后形成第一钝头部分。在边缘形成之后使凹的边缘变钝在技术上是困难的，并因此增加了制造成本。因此，最好在塑性加工齿的同时模制第一钝头部分。作为塑性加工成形滚压与挤压加工是可以的。在此情况中，可以通过预先使滚压齿条或挤压模具的第一钝头部分的相应部分变钝，同时模制第一钝头部分和齿。
从相同的观点，如图3所示，为了使它们之间的一个边缘变钝，第二钝头部分26可以在齿的凹部21a与齿表面21之间的角C2中设置一个第二钝头部分26，该齿表面21邻近齿的有效区域中的凹部21a。因此，在遍及整个齿21的轴向的长度上缓解应力集中，因此第二钝头部分26可以改善齿与第一钝头部分25一起的强度。在这一情况中，最好是连续地构成第一钝头部分25和第二钝头部分26。
参照图2，与相关部分接合的一个接合部分F(虚线型式所示的)设置在齿21的直径扩大区域S1。因此，可能进一步改善动力传输轴的疲劳强度和静态强度。
将前述动力传输轴耦合到恒速万向联轴器的内结合构件或外结合构件上可以提供恒速的万向联轴器以高的强度。
根据本发明的动力传输轴，如上所述，它能够改善诸如花键轴和细齿轴的静态强度和疲劳强度。
在附图中图1是恒速万向联轴器1在轴向的剖视图。
图2是表示耦合到恒速万向联轴器1的动力传输轴2的主要部分的放大剖视图；图3是表示其中曲线表面在角C1中形成的动力传输轴2的主要部分的放大透视图；图4是表示其中角C1被倒棱的动力传输轴2的主要部分的放大透视图；图5是表示具有一船形型式的直径扩大区域S1的动力传输轴2的主要部分的放大透视图；图6是表示带有直接切口型式齿的动力传输轴10的主要部分放大的剖视图；图7是表示带有集拢式齿的动力传输轴10的主要部分的放大剖视图；图8是表示在传统动力传输轴10的花键端侧主要部分的放大透视图；图9是通过成型滚压为模制矛状型式的花键的滚压齿条40的透视图；图10是用于通过挤压加工模制矛状型式的花键的模具50的透视图；图11是通过成型滚压模制船形类型的花键的滚压齿条40的透视图；
图12是通过挤压加工模制船形类型的花键的模具50的透视图；图13是动力传输轴2在轴向的剖视图，该剖视图表示直径扩大起始点P1与齿间隔宽度开始变窄的点P2之间的位置关系；图14a是凹部的主要部分放大的平面视图，在该图中直径扩大起始点P1与齿间隔宽度开始变窄的点P2重叠，以及图14b是凹部的主要部分的放大平面视图，在该图中齿间隔宽开始变窄的点P2处在直径扩大区域S1中。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的优选实施例。
图1示出一个恒速的万向联轴器1，在该联轴器中根据本发明的动力传输轴2被耦合到内环3上。该恒速万向联轴器1主要包括该内环3、一外环4和滚珠5作为主要的元件。该内环3固定到动力传输轴2的一端上并起一个内连接构件的作用。该外环4被置于内环3的直径的外面，而外环4的另一侧固定到动力传输轴9，同时起一个外连接构件的作用。滚珠5传递内环3和外环4之间的转矩并作为一个转矩传输构件。在图中的恒速万向联轴器称为Rzeppa型，滚珠5被置于滚珠轨道上，它包括在内环3的外周边上形成的轨道槽3a和在外环4的内周边上形成的轨道槽4a，以及一隔圈7保持多个滚珠5，这些滚珠5以一定的间隔沿圆周方向设置。恒速万向联轴器1不局限于图中的结构。各种型式的恒速万向联轴器，包括三角架式的都是可用的。
在动力传输轴2的轴端的外周边上构成一个转矩传输部分S。在该转矩传输部分S中，多个在轴向延伸的齿21(诸如花键和细齿)被置于圆周方向的多个位置上。如图2所示，转矩传输部分S的齿21与在作为相关构件的内环3的内周边中形成的多个齿相接合，因此动力传输轴2和内环3耦合成转矩可传输的状态。例如在轴端的相对一端上的内环3的一内端与动力传输轴2的外周边中的一肩部24相接触。例如，在轴端的一侧上的内环3的一内端与卡环8固定(见图1)。因此，将内环3在轴向相对于动力传输轴2定位并固定在一个适当的位置。
参照图3，动力传输轴2的齿21包括在轴向延伸的凹部21a和凸起部分21b。该凹部21a和凸起部分21b交替地置于圆周方向。此齿21是聚拢式的，同时其直径以弧形形状平滑地增大的直径扩大表面22设在轴端相对一侧上的每个凹部21a的一端。直径扩大的表面22的大直径一端导引到动力传输轴2的外表面，即，在一个所示例子中的在邻近转矩传输部分S形成的平滑部分23的外表面。齿21的被直径扩大表面22和邻近直径扩大表面22的齿表面21c所包围的一个区域此后称之为直径扩大区域S1，同时被直径扩大表面22专有的凹部21a的一部分和邻近它的齿表面21c包围的一个区域此后称之为齿的有效区域S2(见图2)。直径扩大表面22在轴向的横截面可以由弧与直线的组合构成，或者仅由一条直线，代替仅由一弧线构成。
齿31之间的凹部31a设在内环3的内周边上，并设到轴端相对一侧上的内环3的具有保持恒定的直径的末端部分。另一方面，是齿31的外表面的凸起部分31b具有一倾斜的在轴端相对一侧上的升高部分31b1，和一间隙区域T，该区域的内直径大于入口的内直径，在轴端的另一对着的一侧上则大于升高部分31b1。间隙区域T的内直径设定为大于动力传输轴2的平滑部分23的外直径，并小于在平滑部分23的一端形成的肩部24的外直径。
动力传输轴2的齿21和内环3的齿31相互啮合。它们之间的啮合部分F(由虚线表示)不仅设置在齿21的有效区域S2中也设置在直径扩大区域S1中。因此，齿21的齿表面与齿31的齿表面，即使在直径扩大区域S1，在圆周方向彼此接触，所以它就可能改善疲劳强度和静态强度。
参照图3，曲面形状的第一钝头部分25设在齿21的凹部21a的直径扩大表面22与邻近直径扩大表面22的二齿表面21c之间的角C1中。直径扩大的表面22通过第一钝头部分25平滑地连接到齿表面21c。第一钝头部分25的横截面由复合曲线构成，该复合曲线包括多个不同曲率的弧，而不是单一曲率的一个弧。
在前述动力传输轴2与其耦合的恒速万向联轴器1中，当转矩在内环3与动力传输轴2之间传递时，该动力传输轴2的齿21接受在垂直于齿表面21c的方向来自内环3的齿31的负荷。因此，在齿21中出现与弯矩一致的弯曲应力。如图3所示在直径扩大的表面22与邻近直径扩大的表面22的齿表面21c之间的角C1中形成的第一钝头部分25缓解角C1中的应力集中。因此，增加了转矩传递部分S的静态强度与疲劳强度，并因此它可能增加动力传输轴2自身的强度。
在此实施例中该第一钝头部分25由曲面构成。但是，即使当第一钝头部分25由一倒棱的平面构成时可以获得类似的效果。
该钝头部分25与齿21由成形滚压同时形成。图9是用在成型滚压中的滚压齿条40的透视图。如图所示，该滚压齿条40具有用于模制齿表面21c的齿表面模型部分41、用于模制直径扩大表面22的直径扩大表面模型部分42、以及用于模制齿21的凹部21a的凹部模型部分43。由于齿表面模型部分41与直径扩大表面模型部分42之间的角C3由线切割工艺、电火花加工等削成凸曲线表面的角，在由成形滚压的塑性变形过程中齿21与凹曲线的钝头部分25被同时形成。使滚压齿条40的角C3倒棱成为平面形状使之能够在角C1中形成平面形状的钝头部分25。如上所述，由于钝头部分25的塑性加工与齿21的塑性加工同时进行，它可能提高生产效率，并因此，与在模制齿21之后由其它工艺形成钝头部分25的情况相比，要降低成本。
在前面的描述中，第一钝头部分25在齿21的直径扩大区域S1中形成。但这种型式的钝头部分可以在有效区域S2中形成。参照图3和4，钝头部分26(第二钝头部分)设在转矩传输部分S的有效区域S2中的凹部21a与邻近凹部21a的齿表面21c之间的角C2中，成为曲面或倒棱平面的形状。如上所述，由于钝头部分26不仅在直径扩大的区域S1中形成同时也在有效区域S2中形成，因此沿轴向在整个齿21的长度上缓解应力集中。因此，这就可能进一步增加动力传输轴2的强度。参照图9，如在第一钝头部分25的情况中那样，通过使滚压齿条40的凹部的模型部分43与其齿表面模型部分41之间的角中的凸边缘变钝，有可能同时使第二钝头部分26和齿21及与第一钝头部分25一起模制出。
除去用成型滚压外也可以通过塑性加工(诸如挤压加工)模制转矩传递部分S。在这种情况中，如图10所示，齿表面模型部分51与直径扩大表面模型部分52之间的角C5可以进行前述的曲线表面加工或倒棱，在挤压加工的模具50中具有齿表面模型部分51、直径扩大的表面模型部分52、和凹部模型部分53。由于齿表面模型部分51与凹部模型部分53之间进行曲线表面加工或倒棱，第二钝头部分26可以在齿21的有效区域S2中的凹部21a与齿表面21c之间的角C2中形成。最好是，用线切割工艺或电火花加工进行曲线表面加工或倒棱。
在前述实施例中，转矩传输部分S是为所谓的“矛状型式”，在该型式中直径扩大的表面22在圆周方向的宽度在轴端相对的一端是增大的，但是本发明并不局限于此。本发明可以应用到其它形状的转矩传输部分中。更具体地说，如图5所示齿21是所谓“船状型式”，在该型式中在圆周方向直径扩大的表面22的宽度W1保持恒定。在这种情况中，有可能以类似的方式增加动力传输轴2的强度，即通过在直径扩大的表面22与直径扩大的区域S1中的齿表面21c之间的角C1中形成第一钝头部分25，以及在凹部21a与齿表面21c之间的角C2中形成第二钝头部分26。该船状型式(图5)通常在直径扩大的区域S1的角C1中具有比柔状型式(图4)更大的应力缓解作用，因此有可能实现动力传输轴2的强度的进一步增加。在船状型式中当角C1和C2被削成曲线形状的角时，有可能通过使用不同的曲率使形状在角C1与C2之间变化。但是，最好是，从增加强度的观点出发，将钝头部分25和26削成相同形状的钝角。
如同在矛状型式的情况，在船状型式中转矩传输部分S的第一与第二钝头部分25和26可以通过使用图11所示的滚压齿条40由成形滚压，或者通过使用图12所示的模具50由挤压加工与齿同时地制成。在滚压齿条40和模具50二者中，该第一钝头部分25通过使直径扩大表面模型部分42/52与齿表面模型部分41/51之间的角C3/C5中的凸边缘变钝制成，同时该第二钝头部分26通过使齿表面模型部分41/51与凹部模型部分43/53之间的角C4/C6中凸边缘变钝制成。使角C3至C6中的边缘变钝的方法典型的是线切割工艺或电火花加工。特别是在滚压齿条中，可能由在扩大的直径的方向移动磨石的磨削来钝化角C3至C6中的边缘。在挤压加工中，如图13所示该直径扩大的表面22形成为直线锥度表面。因此，最好是直径扩大的表面22的直径扩大起始点P1由曲线表面等构成，同时凹部21a和直径扩大的表面22彼此平滑地连接。
如图14a所示，在船状型式中，齿间(二相邻凸起部分21b之间的间隔)的圆周宽度在直径扩大区域S1中要比在有效区域S2中的齿间圆周宽度较窄。在这种情况，在轴端相对的一端上内环3的齿31的凸起部分31b形成为与船状型式对应的形状，因此动力传输轴2的齿21与在直径扩大区域S1中的齿31啮合。
如图14a所示，在船状型式中，从点P1(直径扩大的起始点)齿间的圆周宽度开始变窄，从该P1点直径扩大区域S1起始。但是，齿间圆周宽度开始变窄的点P2(齿间宽度开始变窄的点)可以移到直径扩大区域S1内(如图14b所示)，以便使齿21与直径扩大区域S1中的齿31相啮合。对矛状型式，保持θ1＝θ2，而对一般的船状型式，θ2＝90°，式中θ1代表直径扩大的表面22相对于轴中心的角，而θ2代表连接直径扩大起始点P1和齿间宽度开始变窄的点P2的直线相对轴中心的角(θ1≤θ2＜90°)。
在前述实施例中，齿21设置在动力传输轴2中，该轴耦合到恒速万向联轴器1的内环3(如图1所示)。具有类似齿的转矩传输部分S′可以，例如，构成在耦合到外环4的动力传输轴9中(见图1)。
权利要求
1.一种动力传输轴，在该动力传输轴的外周表面上具有轴向齿，以便通过齿表面传递齿与相关构件之间的转矩，齿的凹部的一端通过直径扩大的表面引导到动力传输轴的外表面，该直径扩大的表面的直径是沿轴向扩大的，其中第一钝头部分设置在直径扩大的表面与邻近直径扩大的表面的齿表面之间的角中以便使两表面之间的边缘变钝。
2.如权利要求1所述的动力传输轴，其特征在于，所述的第一钝头部分形成为曲线表面。
3.如权利要求1所述的动力传输轴，其特征在于，所述的第一钝头部分形成为倒棱表面。
4.如权利要求1所述的动力传输轴，其特征在于，所述的直径扩大的表面的圆周宽度在轴向在凹部的一端相对的一侧是扩大的。
5.如权利要求1所述的动力传输轴，其特征在于，所述的直径扩大表面的圆周宽度沿轴向是恒定的。
6.如权利要求1所述的动力传输轴，其特征在于，所述的第一钝头部分由塑性加工与齿同时地形成。
7.如权利要求6所述的动力传输轴，其特征在于，所述的塑性加工是成形滚压。
8.如权利要求6所述的动力传输轴，其特征在于，所述的塑性加工是挤压加工。
9.如权利要求1所述的动力传输轴，其特征在于，一个第二钝头部分设置在齿的凹部与邻近在齿的有效区域中的凹部的齿表面之间的角中以便使该两面之间的边缘变钝。
10.如权利要求1所述的动力传输轴，其特征在于，与相关构件啮合的一个啮合部分设置在齿的直径扩大的区域中。
11.一种恒速万向联轴器1，在该联轴器中根据权利要求1至10的任一款的动力传输轴被耦合到一个内连接构件或一个外连接构件。
全文摘要
提供一种诸如花键轴和细齿轴的动力传输轴，该轴具有改善的静态强度和疲劳强度。在一动力传输轴中，在轴端的相对一端上的齿的凹部中构成直径扩大的表面。曲线表面形状的第一钝头部分在直径扩大的表面与邻近该直径扩大的表面的齿表面之间的角中构成，以便使边缘弄钝。
文档编号F16D3/20GK1619179SQ20041009533
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月19日 优先权日2003年11月19日
发明者樱井胜弘, 中川亮 申请人:Ntn株式会社