专利名称：轴和毂的动力传输机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在包括轴和毂的两个部件之间平稳地传输转矩的动力传输机构。
背景技术：
在诸如汽车的机动车辆上，使用一组等速万向节将来自发动机的驱动力通过轴传输到车轴。每个等速万向节均包括外部件、内部件、以及设在外部件与内部件之间用于在该外部件与内部件之间传输转矩的转矩传输部件。等速万向节包括具有齿组件的轴/毂单元，该齿组件包括轴上的轴齿部和毂上的毂齿部，该轴齿部和毂齿部保持彼此啮合。
近年来，已经要求努力减少由于动力传输系统的震颤(例如，噪音和振动)而引起的等速万向节的周向间隙。迄今，已经进行了通过具有以扭转角倾斜的轴锯齿的等速万向节来减少内环与轴之间的间隙的尝试。内环和轴的机械强度和使用寿命根据扭转角的方向和转矩载荷的方向而可能在产品与产品之间有所不同。
在齿轮技术领域中，例如在日本专利公开特开平No.2-62461、日本专利公开特开平No.3-69844和日本专利公开特开平No.3-32436中公开了用于隆起(crown)齿面的技术概念。
本申请的申请人已经提出了一种花键轴，其中隆起顶部位于在转矩施加在花键轴与等速万向节彼此啮合的区域上时应力最小的位置处，从而防止应力集中在某些区域并简化花键轴的整体结构(参见日本专利公开特开No.2001-287122)。
发明内容
本发明所要解决的问题本发明的大致目的是提供一种用于轴和毂的动力传输机构，其用于防止应力集中在某些区域上，从而增加静态机械强度和疲劳强度。
解决问题的手段根据本发明，当在轴与毂之间其中轴齿部与毂齿部保持彼此啮合的部分上施加转矩时，通过增加应力集中区域的轴齿部的谷部的外径，可使应力分散并提高轴的强度。
另外，根据本发明，由于轴齿部的谷部外径的改变点与毂齿部的峰部内径的改变点彼此偏移预定距离，因此施加在轴齿部上的应力被分散到一个改变点和另一改变点，从而缓和应力集中。结果，缓和并分散了应力集中，从而增加了轴齿部与毂齿部彼此啮合的区域的静态机械强度和疲劳强度。
图1为结合有根据本发明第一实施例的动力传输机构的轴/毂单元的局部剖切立体图；图2为表示在图1中所示的轴/毂单元中保持彼此啮合的轴齿部与毂齿部的局部放大横向剖视图；图3为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示接合在如图1所示的轴齿部的谷部中的毂齿部的峰部；图4为局部放大纵向剖视图，表示在图3中所示的轴的以较小倾角θ倾斜的第一阶梯区的楔形表面；图5为表示轴齿部的齿的局部放大纵向剖视图，该齿的外径朝向图4中所示的轴的轴柄发生变化；图6为表示轴齿部的第一阶梯区的倾角θ、应力缓和与生产率之间的关系的图表；图7为表示对于其中在轴齿部和毂齿部中未形成第一阶梯区和第二阶梯区的轴以及其中在轴齿部和毂齿部中形成了第一阶梯区和第二阶梯区的轴，在该轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图8为表示对于其中第一阶梯区以更小倾角θ倾斜的轴，在该轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图9为表示对于其中轴齿部的直径改变点和毂齿部的直径改变点彼此偏移的轴以及其中轴齿部的直径改变点和毂齿部的直径改变点彼此不偏移的轴，在该轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图10为表示当响应于施加转矩时作用的输入载荷而产生应力时在轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图11为沿着图3的线XI-XI剖取的局部放大纵向剖视图；图12为沿着图3的线XII-XII剖取的局部放大纵向剖视图；图13为一修改例的放大纵向剖视图，其中轴齿部和毂齿部中的花键齿为渐开线形状；图14为结合有根据本发明第二实施例的动力传输机构的轴/毂单元的局部剖切立体图；图15为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示接合在图14中所示的轴齿部的谷部中的毂齿部的峰部；图16为局部放大纵向剖视图，表示作为形成在轴齿部中的弧形区的起点的点P1与作为形成在毂齿部中的阶梯区的起点的点P2彼此无偏移地垂直对齐；图17为表示对于其中在毂齿部中未形成阶梯区的轴以及其中在轴齿部中形成弧形区的轴，在该轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图18为沿着图15的线XVIII-XVIII剖取的局部放大纵向剖视图；图19为沿着图15的线XIX-XIX剖取的局部放大纵向剖视图；图20为结合有根据本发明第三实施例的动力传输机构的轴/毂单元的局部剖切立体图；图21为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示接合在图20中所示的轴齿部的谷部中的毂齿部的峰部；图22为局部放大纵向剖视图，表示其外径朝向图21中所示的轴的轴柄变化的轴齿部的齿；图23为表示轴齿部的楔形区的升角θ、应力缓和与生产率之间的关系的图表；图24为表示对于其中在轴齿部和毂齿部中未形成楔形区和阶梯区的轴以及其中楔形区和阶梯区未偏移形成的轴，在该轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图25为表示对于其中在轴齿部和毂齿部中未形成楔形区和阶梯区的轴以及其中楔形区和阶梯区的起点彼此偏移的轴，在该轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图26为表示对于其中轴齿部的直径改变点和毂齿部的直径改变点彼此偏移的轴以及其中轴齿部的直径改变点和毂齿部的直径改变点彼此未偏移的轴，在该轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；图27为沿着图21的线XXVII-XXVII剖取的局部放大纵向剖视图；图28为沿着图21的线XXVIII-XXVIII剖取的局部放大纵向剖视图；图29为结合有根据本发明第四实施例的动力传输机构的轴/毂单元的局部剖切立体图；图30为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示接合在图29中所示的轴齿部的谷部中的毂齿部的峰部；图31为局部放大纵向剖视图，表示在图30中所示的轴的阶梯区中具有小倾角θ的第一楔形区；图32为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示在毂齿部中具有第二楔形区的毂与图31中所示的轴接合；图33为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示在毂齿部中具有预定曲率半径的弧形的毂与图31中所示的轴接合；图34为局部放大纵向剖视图，表示轴齿部的外径朝向图31中所示的轴的轴柄发生变化的齿；图35为表示轴齿部的阶梯区的倾角θ、应力缓和与生产率之间关系的图表；图36为沿着图30的线XXXVI-XXXVI剖取的局部放大纵向剖视图；图37为沿着图30的线XXXVII-XXXVII剖取的局部放大纵向剖视图；以及图38为表示通过滚压齿条形成轴齿部的花键齿的方式的分解立体图。
具体实施例方式
图1表示结合有根据本发明第一实施例的动力传输机构的轴/毂单元10。轴/毂单元10用作等速万向节的一部分。轴/毂单元10包括用作动力传输轴的轴12和用作内环的毂14，该毂14设在外部杯形件(未示出)的开口中并具有在其中容纳球体(未示出)的导向凹槽15。
轴12在其相应相对端部具有装配部分18，每个端部均装配在毂14的轴向孔16中。在图1中，仅示出了轴12的一个端部，而从视图中省略了另一个端部。装配部分18具有包括多个笔直花键齿20的轴齿部22，花键齿20沿着轴12的轴向具有预定齿长并沿着轴12的圆周方向连续形成。具体地，轴齿部22包括沿周向交错连续的凸起峰部22a和凹入谷部22b。如图2所示，轴齿部22的峰部22a具有大致相同的齿厚，并且与轴12的轴线大致平行地延伸(参见图1)轴12具有从轴齿部22的接近轴12中部的端部延伸的轴柄24。保持环(未示出)安装在限定于轴12的所述端部中的环形凹槽(未示出)中，用于防止毂14从轴12脱离。
毂14在轴向孔16的内圆周表面上具有毂齿部28，毂齿部28具有多个装配在轴12的装配部分18中的笔直花键齿26。具体地，毂齿部28包括沿着周向交错连续的凸起峰部28a和凹入谷部28b。如图2所示，峰部28a具有大致相同的齿厚并且与轴12的轴向大致平行地延伸。
图3以沿着轴12的轴向的局部放大纵向剖视图示出了毂齿部28的峰部28a接合在轴齿部22的谷部22b中。在图3中，对应于轴齿部22的轴向中心点的位置由P0表示。
在谷部22b的底面上的一位置处设定点P1(改变点)，该位置从谷部22b的底面上(谷部半径φA1)的轴齿部22的中点P0朝向轴柄24水平移动预定距离L1。谷部22的底部从点P1朝向毂齿部28径向向外上升，形成具有谷部半径φA2的第一阶梯区30。第一阶梯区30朝向轴柄24水平延伸预定距离L2并与轴柄24结合。
轴齿部22的第一阶梯区30可具有倾斜表面或具有预定曲率半径的弧形弯曲表面或复合表面。
轴齿部22的峰部22a具有可沿着轴向保持不变的外径，如图3和图4所示，或者该外径可从接近点P1的区域朝向轴柄24逐渐减小，如图5所示。通过使峰部22a的外径朝向轴柄24逐渐减小，可容易地使用滚压齿条来加工轴齿部22(如下所述)，并且不会降低轴齿部22传输转矩的功能。在图5中，附图标记“H”表示与峰部22a的外径变化(减小)相比较的水平线。
在毂齿部28的峰部28a上，在从轴齿部22中的点P1沿着水平方向远离轴柄24偏移预定距离L4的位置处设定点P2。峰部28a从点P2使其峰部半径φA3变化到峰部半径φA4，形成具有峰部半径φA4的第二阶梯区32。第二阶梯区32朝向轴柄24水平延伸预定距离L3。
毂齿部28的第二阶梯区32可具有倾斜表面或具有预定曲率半径的弧形弯曲表面或复合表面，并且可具有与第一阶梯区30不同的形状。可按期望设定第二阶梯区32的倾角以与第一阶梯区30的倾角互补。毂齿部28的形状并不限于第二阶梯区32的形状，而是可包括具有预定曲率半径的圆形、楔形等。毂齿部28的谷部28b具有保持不变的内径。
谷部半径φA1、φA2表示从轴12的中轴线到轴齿部22的谷部22b的底面的相应距离。峰部半径φA3、φA4表示从轴12的中轴线到谷齿部28的峰部28a的顶面的相应距离。
可将轴齿部22中的距离L2设定为大于轴齿部22中的距离L1的值(L1＜L2)。可将轴齿部22中的距离L2和毂齿部22中的距离L3设定为大致相等的值(L2≈L3)，或者可将毂齿部22中的距离L3设定为大于轴齿部22中的距离L2的值(L2＜L3)，以允许根据尺寸公差和尺寸精度容易地形成偏移(稍后说明)，并且也提高了将轴12和毂14装配在一起的简易性。在图3中，距离L2和距离L3并未精确地绘制为实际尺寸。
从图3可以看出，作为轴齿部22的第一阶梯区30开始上升的起点(改变点)的点P1和作为毂齿部28的第二阶梯区32开始上升的起点(改变点)的点P2彼此大致水平偏移预定距离L4。
因此，当在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元10上施加转矩时，由于轴齿部22中的点P1和毂齿部28中的点P2彼此偏移距离L4，因此施加在轴/毂单元10上的应力被分散到点P1、P2，从而缓和了应力集中。结果，增加了轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的区域的静态机械强度和疲劳强度。
在图4中，可使通过将点P1、P3、P4互连而形成的直角三角形的截面面积增加，并且可将互连点P1、P4的线段P14与互连点P1、P3的线段P13之间形成的角θ(即，第一阶梯区30的倾角θ)设定为较小值，用于通过第一阶梯区30的楔形表面34进一步缓和应力集中。
第一阶梯区30的倾角θ、应力缓和与生产率之间的关系如图6所示。从图6可以看出，如果将倾角θ设定为在5度到45度范围内的值，则应力缓和与生产率良好(参见符号“○”)，而如果将倾角θ设定为在10度到35度范围内的值，则应力缓和与生产率最佳(参见符号“◎”)。
如果将倾角θ设定为3度，则没有足够的应力分散能力可用，从而难以用滚压齿条加工轴齿部22，稍后将描述。如果将倾角0设定为90度，则在第一阶梯区30上会发生过度应力集中，从而降低了用来加工轴齿部22的滚压齿条的耐用性。
图7表示比较轴上的应力特性曲线A(虚线曲线)和一轴上的应力特性曲线B(实线曲线)，在所述比较轴中，在轴齿部22和毂齿部28中未形成第一阶梯区30和第二阶梯区32，而在所述轴中，点P1、P2彼此偏移预定距离L4(图4所示)并且第一阶梯区30的倾角θ被设定为较大值。特性曲线A与特性曲线B之间的比较表明，根据表示图4中所示结构的特征曲线B，降低了应力峰值，并且使应力集中缓和。
图8表示其中第一阶梯区30的倾角θ比具有特性曲线B的倾角小的轴上的应力特性曲线C。从图8可知，通过减小倾角θ来增加楔形表面34的大小，则该楔形表面34能够进一步缓和应力(比较图7中所示的特性曲线B的部分α与图8中所示的特性曲线C的部分β)。
图9表示其中轴齿部22中的点P1和毂齿部28中的点P2彼此偏移预定距离的轴上的应力特性曲线E(实线曲线)，以及其中点P1、P2彼此不偏移(即，点P1、P2彼此水平间隔的距离为零)的轴上的应力特性曲线F(虚线曲线)。
偏移部分与不偏移部分(参见特性曲线E、F的部分γ)的比较表明，其中在轴齿部22中的起点P1(见图3和图4)和在毂齿部28中的起点P2(见图3和图4)彼此偏移的轴的特性曲线E比其中起点P1、P2彼此不偏移的特性曲线F更平缓。偏移起点P1、P2在半径变化的区域中对缓和应力是有效的。
图2表示在保持彼此啮合的轴齿部22的笔直峰部22a和毂齿部28的笔直峰部28a无载荷的状态下对其施加转矩时彼此啮合的方式。假设当在峰部22a、28a上施加转矩时，载荷沿着由箭头Y所表示的方向施加在这些峰部上，该方向垂至于轴齿部22的轴线。
图10表示在轴上产生的应力与测量应力的位置之间的关系(参见图2中的箭头X)。如果施加载荷的大小经过三个阶段，即低载荷、中载荷和高载荷而变化，则可以看出，应力峰值点位于大致相同的测量位置D，如分别对应于上述阶段的低载荷特性曲线、中载荷特性曲线和高载荷特性曲线的点a、b、c所示。
图11和图12为局部放大纵向剖视图，表示在轴12和毂14被装配在一起时毂齿部28的峰部28a接触轴齿部22的谷部22b的方式。在图11和图12中，φd1至φd3表示从轴12的中轴线的节圆半径。
由于轴齿部22形状笔直并且毂齿部28形状笔直，因此轴齿部22和毂齿部28的侧表面始终保持彼此面对面接触(参见图2、11和12)。
从图11和图12之间的比较可知，可以通过在轴齿部22和毂齿部28接近轴柄24的部分中形成第一阶梯区30(参见图3)和第二阶梯区32(参见图3)而使应力集中区域中的轴齿部22的半径φd2、φd3增加α。
由于应力集中区域中的轴齿部22的半径φd2、φd3增加了α，因此可以使轴齿部22的谷部22b的底面的曲率半径R增加用于应力分散(参见图12中的R′)。可以通过增加接近轴柄24的区域相比于其它区域的半径而降低总应力(主应力)。
图11和图12中所示的轴齿部和毂齿部可以具有与图13中所示一样的渐开线形状。在图13中，轴齿部22的轴齿22c和毂齿部28的毂齿28c在基准节圆直径T上彼此接触。因此，通过齿条形刀具可容易地将轴12和毂14分别加工成轴齿部22和毂齿部28，并且可使轴齿部22和毂齿部28彼此平稳地进行啮合接合。
根据该第一实施例，如上所述，作为轴12的第一阶梯区30的起点的点P1和作为毂14的第二阶梯区32的起点的点P2彼此大致水平偏移距离L4。
因此，当在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元10上施加转矩时，施加在轴/毂单元10上的应力被分散到点P1、P2，从而缓和了应力集中。因此，增加了轴齿部22和毂齿部28彼此啮合区域的静态机械强度和疲劳强度。
另外，通过将第一阶梯区30的起点P1处的倾角θ设定在5度到45度范围内的值，第一区阶梯区30的楔形表面34可进一步缓和应力集中。
通过用作动力传输轴的轴12和容纳在等速万向节的外部件中的作为内部件的毂14，当转矩被从动力传输轴传输到毂14时，集中在轴12和毂14彼此接合区域上的应力被适当地缓和，从而将驱动力可靠地传输到等速万向节的外部件。
图14表示结合有根据本发明第二实施例的动力传输机构的轴/毂单元100。图15以沿着轴12的轴向的局部放大纵向剖视图表示接合在轴齿部22的谷部22b中的毂齿部28的峰部28a。
在如下将要描述的实施例中，轴/毂单元的那些与根据第一实施例的轴/毂单元10相同的部件由相同的附图标记表示，并且不再进行详细描述。下面不再描述与根据第一实施例的操作方式相同且具有相同优点的那些部件。
如图15所示，在谷部22b的底面(谷部半径φB1)上的一位置处设定点P1，该位置从轴齿部22的中点P0朝向轴柄24水平移动预定距离L1。弧形区130从点P1朝向毂齿部28延伸并与轴柄24结合，该弧形区130具有曲率半径G。换句话说，弧形区130围绕在基线H上的点P3形成，该基线H从点P1大致垂直于毂齿部28延伸。在弧形区130的中点P3位于基线H上的情况下，弧形区130可具有任何任意的曲率半径。
在毂齿部28的峰部28a上的一位置处设定点P2，该位置沿着远离轴柄24的水平方向从轴齿部22中的点P1偏移预定距离L2。峰部28a从点P2将其峰部半径φB2改变到峰部半径φB3，形成具有峰部半径φB3的阶梯区132。该阶梯区132朝向轴柄24水平延伸预定距离L3。
毂齿部28的阶梯区132远离轴齿部22缩回，并可具有倾斜表面或具有预定曲率半径的弧形弯曲表面或复合表面。可按期望设定阶梯区132起始于点P2的倾角，以与弧形形区130的倾角互补。
毂齿部28的形状并不限于阶梯区132的形状，而是可包括具有预定曲率半径的圆形、楔形等形状。毂齿部28的谷部28b具有保持不变的内径。轴齿部22的峰部22a的外径可沿着轴向保持不变(如图15和图16所示)，或者该外径可从接近点P1的区域朝向轴柄24逐渐减小(如图5所示)。
谷部半径φB1表示从轴12的中轴线到轴齿部22的谷部22b的底面的距离。峰部半径φB2、φB3表示从轴12的中轴线到毂齿部28的峰部28a的顶面的相应距离。
从图15可以看出，作为轴齿部22的弧形区130开始上升的起点的点P1和作为毂齿部28中的阶梯区132开始上升的起点的点P2彼此大致水平偏移预定距离L2。
因此，当在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元100上施加转矩时，由于轴齿部22中的点P1和毂齿部28中的点P2彼此偏移距离L2，因此使施加在轴/毂单元100上的应力通过弧形区130而被分散到轴齿部22中的区域a0、a1上，从而缓和应力集中并降低应力峰值。结果增加了轴齿部22和毂齿部28彼此啮合区域的静态机械强度和疲劳强度。
如图16所示，点P1、P2可彼此垂直对齐而彼此无偏移。通过这种结构，轴齿部22中的弧形区130和毂齿部28中的阶梯区132在分散施加在弧形区130上的应力并缓和应力集中时彼此共同作用。
图17表示比较轴上的应力特性曲线J(虚线曲线)和一轴上的应力特性曲线K(实线曲线)，在该比较轴中毂齿部28中未形成阶梯区132，而在所述轴中，点P1、P2彼此偏移预定距离，并在毂齿部28中形成具有起点P2的阶梯区132。
特性曲线J与特性曲线K之间的比较表明，根据在图15中所示结构的特性曲线K，应力峰值被分散到区域a0、a1，并且因此在区域a1中减小。具体地，尽管在特性曲线K的区域a0中的应力比特性曲线J的区域a0中的应力大，但由于特性曲线K的区域a1中的最大应力比特性曲线J的区域a1中的最大应力小，因此减小了在轴12中产生的最大应力峰值。
在其中点P1、P2彼此偏移一定距离的轴上的应力与在其中点P1、P2彼此不偏移(即，点P1、P2彼此水平间隔的距离为零)的轴上的应力与根据第一实施例在图9中所示的特性曲线E、F的应力相同。因此，代表其中点P1、P2彼此偏移的轴的特性曲线E比代表其中点P1、P2彼此不偏移的轴的特性曲线F更为平缓。偏移起点P1、P2在缓和半径变化区的应力中是有效的。
如果施加载荷的大小经过三个阶段，即经过低载荷(虚线曲线)、中载荷(点划线曲线)和高载荷(实线曲线)而变化，则与第一实施例相同(参见图10)，分别对应于上述阶段的低载荷特性曲线、中载荷特性曲线和高载荷特性曲线的应力峰值点位于大致相同的测量位置D，如点a、b、c所示。
图18和图19为局部放大纵向剖视图，表示在轴12和毂14被装配在一起时毂齿部28的峰部28a接触轴齿部22的谷部22b的方式。轴/毂单元100的操作和优点与根据第一实施例的轴/毂单元10的操作和优点相同，因此下面不再详细描述。
根据该第二实施例，作为轴12的弧形区130的起点的点P1和作为毂14的阶梯区132的起点的点P2彼此大致水平偏移距离L2。
因此，当在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元100上施加转矩时，施加在轴/毂单元100上的应力由弧形区130分散到轴齿部22中的区域a0、a1，从而缓和应力集中并减小区域a1中的应力峰值。因此，由于缓和了应力集中，因此增加了轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的区域的静态机械强度和疲劳强度。
图20表示结合有根据本发明第三实施例的动力传输机构的轴/毂单元200。图21以沿着轴12的轴向的局部放大纵向剖视图表示毂齿部28的峰部28a接合在轴齿部22的谷部22b中。
在谷部22b的底面上的一位置处设定点P1，该位置从谷部22b的底面(谷部半径φC1)上轴柄部22的中点P0朝向轴柄24水平偏移预定距离L1。谷部22b的底面半径从点P1朝向毂齿部28逐渐增加，形成以预定角度θ倾斜的楔形区230。楔形区230朝向轴柄24延伸并与其结合。
轴齿部22的峰部22a具有可沿着轴向保持不变的外径(如图21所示)，或者该外径可从接近点P1的区域朝向轴柄24逐渐减小(如图22所示)。
通过使峰部22a的外径朝向轴柄24逐渐减小，可通过滚压齿条容易地加工轴齿部22(稍后将描述)，并且不会降低轴齿部22传输转矩的功能。在图22中，附图标记“H”表示与峰部22a的外径变化(减小)相比较的水平线。
在毂齿部28的峰部28a上，在一位置处设定点P2，该位置从轴齿部22中的点P1沿着远离轴柄24的水平方向偏移预定距离L2。峰部28a从点P2使其峰部半径φC2改变为峰部半径φC3，形成具有峰部半径φC3的阶梯区232。该阶梯区232朝向轴柄24水平延伸预定距离L3。
毂齿部28的阶梯区232可具有倾斜表面或具有预定曲率半径的弧形弯曲表面或复合表面。可按期望设定阶梯区232起始于点P2的倾角，以与楔形区230的倾角θ互补。毂齿部28的形状并不限于阶梯区232的形状，而是可包括具有预定曲率半径的圆形、楔形等形状。毂齿部28的谷部28b具有保持不变的内径。
谷部半径φC1表示从轴12的中轴线到轴齿部22的谷部22b的底面的距离。峰部半径φC2、φC3表示从轴12的中轴线到毂齿部28的峰部28a的顶面的相应距离。
从图21可以看出，作为轴齿部22的笔直楔形区230开始上升的起点的点P1和作为毂齿部28中的阶梯区232开始上升的起点的点P2彼此大致水平偏移预定距离L2。
因此，当在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元200上施加转矩时，由于轴齿部22中的点P1和毂齿部28中的点P2彼此偏移距离L2，因此使施加在轴/毂单元200上的应力分散到点P1、P2，从而缓和应力集中。结果，增加了轴齿部22和毂齿部28彼此啮合区域的静态机械强度和疲劳强度。
通过使得楔形区230的升角θ较小，可增加楔形区230作为应力作用表面的面积从而进一步缓和应力。
楔形区230的升角θ、应力缓和与生产率之间的关系在图23中示出。从图23中可以看出，如果将升角θ设定为在6度到65度范围内的值，则应力缓和与生产率为良好(参见符号“○”)，而如果将升角θ设定为在10度到30范围内的值，则应力缓和与生产率最佳(参见符号“◎”)。
如果将升角θ设定为小于6度的值，则没有足够的应力分散能力可用。如果将升角θ设定为大于65度的值，则不能采用使用滚压齿条的廉价滚压工艺(稍后将描述)，从而使生产率降低。
图24表示其中在轴齿部22和毂齿部28中未形成楔形区230和阶梯区232的比较轴上的应力特性曲线M(虚线曲线)以及其中点P1、P2彼此不偏移，而是彼此垂直对齐并形成有阶梯区232的轴上的应力特性曲线N(实线曲线)。从图24可以看出，根据表示其中点P1、P2彼此不偏移的轴的特性曲线N，降低了应力峰值，并且应力集中相比于表示比较轴的特性曲线M较弱，但是在点P1、P2彼此垂直对齐的区域上应力集中较大(参见图24中的部分α)。
在图25中，特性曲线Q表示具有如图21所示结构的轴上的应力，其中在轴齿部22和毂齿部28中分别形成有楔形区230和阶梯区232，并且作为楔形区230的起点的P1和作为阶梯区232的起点的点P2彼此水平偏移预定距离L2。从图25可知，根据特性曲线Q，在其中点P1、P2彼此偏移的区域中的应力(参见图25中的部分β)比根据表示其中点P1、P2彼此不偏移的结构的特性曲线M弱。
图26表示其中轴齿部22中的点P1和毂齿部28中的点P2彼此偏移预定距离的轴上的应力特性曲线R(实线曲线)，以及其中点P1、P2彼此不偏移(即，点P1、P2彼此水平间隔的距离为零)的轴上的应力特性曲线S(虚线曲线)。
偏移部分和不偏移部分的比较(参见图26中的部分γ)表明，其中轴齿部中的起点P1和毂齿部中的起点P2彼此偏移的轴的特性曲线M比其中起点P1、P2彼此不偏移的特性曲线N更为平缓。偏移起点P1、P2在缓和半径变化区的应力中是有效的。
与第一实施例相同(参见图10)，分别对应于上述阶段的低载荷特性曲线、中载荷特性曲线和高载荷特性曲线的应力峰值点位于大致相同的测量位置D，如点a、b、c所示，图27和图28为局部放大纵向剖视图，表示在轴12和毂14被装配在一起时毂齿部28的峰部28a接触轴齿部22的谷部22b的方式。轴/毂单元200的操作和优点与根据第一实施例的轴/毂单元10的操作和优点相同，因此不再进行详细描述。轴齿部和毂齿部可具有如图13所示的渐开线形状。
根据第三实施例，作为轴12的楔形区230的起点的点P1和作为毂14的阶梯区232的起点的点P2彼此大致水平偏移距离L2。
因此，当在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元200上施加转矩时，施加在轴/毂单元200上的应力被分散到点P1、P2，从而缓和应力集中。结果，增加了轴齿部22和毂齿部28彼此啮合区域的静态机械强度和疲劳强度。
通过用作动力传输轴的轴12和容纳在等速万向节的外部件中的作为内部件的毂14，当转矩被从动力传输轴传输到毂14时，集中在轴12和毂14彼此接合区域上的应力被适当地缓和，从而允许将驱动力可靠地传输到等速万向节的外部件。
图29表示结合有根据本发明第四实施例的动力传输机构的轴/毂单元300。图30以沿着轴12的轴向的局部放大纵向剖视图表示毂齿部28的峰部28a接合在轴齿部22的谷部22b中。
如图30所示，轴齿部22的谷部22b具有阶梯区330，该阶梯区330朝向轴柄24水平延伸预定距离，并且朝向毂齿部28从点P1以预定角度倾斜上升，该点P1从中点P0朝向轴柄24偏移预定距离。
阶梯区330从中点P2水平延伸预定距离并与轴柄24结合。换言之，轴齿部22的半径从在谷部22b处的谷部半径φD1变化到在阶梯区330处的谷部半径φD2。
阶梯区330可具有倾斜表面或具有预定曲率半径的弧形弯曲表面或复合表面。
轴齿部22的峰部22a具有可沿着轴向保持不变的外径(如图30至33所示)，或者该外径可从接近点P1的区域朝向轴柄24逐渐减小(如图34)所示。通过使峰部22a的外径朝向轴柄24逐渐减小，可用滚压齿条容易地加工轴齿部22(稍后将描述)，并且不会降低轴齿部22传输转矩的功能。在图34中，附图标记“H”表示与峰部22a的外径变化(减小)相比较的水平线。
毂齿部28的峰部28a具有沿着毂14的轴向保持不变的外径φD3，并且毂齿部28的谷部28b也具有沿着毂14的轴向保持不变的内径φD4。
谷部半径φD1、φD2表示从轴12的中轴线到轴齿部22的谷部22b的底面的距离。峰部半径φD3表示从轴12的中轴线到毂齿部28的峰部28a的顶面的距离。
因此，当在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元300上施加转矩时，施加在轴/毂单元300上的应力被分散到毂齿部28面对轴齿部22中的点P1的区域T1和毂齿部28面对轴齿部22的阶梯区330的区域T2处，从而缓和了应力集中(参见图30)。
结果，由于缓和了应力集中，分散了应力，因此增加了轴齿部22和毂齿部28彼此啮合区域的静态机械强度和疲劳强度。
在图31中，可使通过互连轴齿部22的谷部22b中的点P1、P2′、P3而形成的直角三角形的截面面积增加，并且可将使点P1、P3互连的线段P13与使点P1、P2′互连的线段P12′之间形成的角θ(即阶梯区330的倾角θ)设定为较小值，用于进一步通过阶梯区330的第一楔形表面332来缓和应力集中。
阶梯区330(第一楔形表面332)的倾角θ、应力缓和与生产率之间的关系在图35中示出。从图35可以看出，如果将倾角θ设定为在5度到45度范围内的值，则应力缓和及生产率均为良好(参见符号“○”)，如果将倾角θ设定为在10度到35度范围内的值，则应力缓和及生产率最佳(参见符号“◎”)。
如果将倾角θ设定为小于5度的值，则没有足够的应力分散性能可用，并且难以用滚压齿条加工轴齿部22，稍后将描述。如果将倾角θ设定为大于45度的值，则在阶梯状阶梯区330上会发生过度应力集中，从而使得用于加工轴齿部22的滚压齿条的耐用性降低。
没有阶梯区330的普通轴/毂花键装配结构具有在轴柄24附近产生的应力峰值点。然而，根据该第四实施例，在轴齿部22中设有阶梯区330，从而允许一些应力集中在面对点P1的毂齿部28上，因此分散了趋于集中在轴柄24上的应力。如果将轴齿部22中的阶梯区330的倾角θ设定为过大值(例如，90度)，则在面对点P1的毂齿部28上会产生过度应力集中，从而不能提供应力分散(应力缓和)能力。通过将阶梯区332的倾角θ(即，升角)设定为适当的值，可适当地分散轴柄24附近的应力集中，从而降低峰值点处的应力。
如图32所示，在接合轴齿部22的毂14a中，可将点P4设定为水平延伸的毂齿部28的峰部28a上的上升点，并且可使第二楔形表面334形成为从点P4朝向轴柄24以预定角度倾斜延伸。第二楔形表面334形成为面对作为轴齿部22中的阶梯区330的起点的点P1和其中的第一楔形表面332，并使其半径沿着远离轴齿部22的方向从峰部半径φD5增加到峰部半径φD6。
作为轴齿部22中的阶梯区330(第一楔形表面332)的起点的点P1和作为毂齿部28中的第二楔形表面334的起点的点P4可沿着轴12的轴向彼此偏移预定距离，或者点P1、P4可彼此对齐。通过这种结构，轴齿部22中的阶梯区330和毂齿部28中的第二楔形表面334在分散施加在第二楔形表面334上的应力并缓和应力集中时彼此共同作用。
因此，当在其中轴齿部22和具有第二楔形表面334的毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元300上施加转矩时，通过第二楔形表面334将施加在轴/毂单元300上的应力分散到毂齿部28面对轴齿部22中的点P1的区域U1以及毂齿部28面对轴齿部22中的点P2′的区域U2，从而使应力集中缓和并降低应力峰值。结果，毂齿部28中的第一楔形表面332在增加轴齿部22和毂齿部28彼此啮合区域的静态机械强度和疲劳强度中是有效的。
如图33所示，在接合轴齿部22的毂14b中，可将点P5设定为水平延伸的毂齿部28的峰部28a上的上升点，并且可使具有预定曲率半径R的弧形表面336形成为从点P5朝向轴柄24延伸。弧形表面336形成为面对作为轴齿部22中的阶梯区330的起点的点P1和在其中的第一楔形表面332，并且远离轴齿部22缩回。
作为轴齿部22中的阶梯区330(第一楔形表面332)的起点的点P1和作为毂齿部28中的弧形表面336的起点的点P5可沿着轴12的轴向彼此偏移预定距离，或者点P1、P5彼此对齐。通过该结构，轴齿部22中的阶梯区330和毂齿部28中的弧表面区336在分散施加在弧形表面336上的应力并缓和应力集中时彼此共同作用。
因此，在其中轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元300上施加转矩时，通过弧形表面336将施加在轴/毂单元300上的应力分散到毂齿部28面对轴齿部22中的点P1的区域V1和毂齿部28面对轴齿部22中的点P2′的区域V2，从而缓和了应力集中并且减小了应力峰值。结果，毂齿部28中的弧形表面336在增加轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的区域的静态机械强度和疲劳强度中是有效的。
其中在轴齿部22中未形成阶梯区330的比较轴上的应力特性曲线A(虚线曲线)和其中在轴齿部22中形成有始于起点P1的阶梯区330的轴上的应力特性曲线B(实线曲线)与根据第一实施例在图7中所示的特性曲线相同。可知特性曲线A和特性曲线B之间的比较表明，根据表示具有阶梯区330的结构的特性曲线B，减小了应力峰值并且缓和了应力集中。
其中阶梯区330的倾角θ小于具有特性曲线B的轴上的应力特性曲线C与根据第一实施例在图8中所示的特性曲线相同。可知具有较小倾角θ的第一楔形表面332在进一步的应力缓和中是有效的。
与第一实施例(参见图10)一样，根据施加载荷而作用的应力峰值点位于大致相同的测量位置D，如点a、b、c所示。
图36和37为局部放大纵向剖视图，表示在轴12和毂14被装配在一起时毂齿部28的峰部28a接触轴齿部22的谷部22b的方式。轴/毂单元300的操作和优点与在图11和12中所示的轴/毂单元10的相同，下面不再详细描述。
下面将描述加工轴齿部22的花键齿20的工艺。
如图38所示，已经在前一加工工序中通过刀具加工成预定形状的杆形工件42插入到均由硬质材料制成并具有大致矩形形状的上滚压齿条40a和下滚压齿条40b之间。在使滚压齿条40a、40b压靠工件42的同时，通过致动器(未示出)使滚压齿条40a、40b沿着由箭头所示的相反方向移动以在工件42的外周表面上形成花键。
因此，通过上述滚压工艺能够容易地形成轴齿部22的花键齿20。在前一加工工序中由刀具在轴齿部22的花键齿20的顶面中形成具有大约50μm深的刀具凹槽(刀痕)。
滚压工艺能够以较短的周期形成花键齿26，并且使得滚压齿条40a、40b比压制工艺(锻造工艺)具有更长的使用寿命。根据滚压工艺，可对滚压齿条40a、40b的成形齿进行抛光以便再次使用。滚压工艺在成本方面从使用寿命、形成周期和齿条可重用性角度来看均比压制工艺(锻造工艺)更为优越。
然而，由于在滚压工艺中通过使材料流向其顶面来形成花键齿，因此通过滚压工艺形成的花键齿的顶面在形状上可不必一致。
权利要求
1.一种机构，用于在使形成在轴(12)上的轴齿部(22)和形成在毂(14)上的毂齿部(28)保持彼此接合的同时在轴(12)和设在该轴(12)周围的毂(14)之间传输转矩，其中所述轴齿部(22)具有不变齿厚的笔直峰部(22a)和谷部(22b)，该谷部(22b)的外径从轴(12)的一端朝向轴(12)的轴柄(24)变化；所述毂齿部(28)具有不变齿厚的笔直峰部(28a)和谷部(28b)，该峰部(28a)的内径从其端部朝向所述轴柄(24)变化，该谷部(28b)沿着轴(12)的轴向具有不变的内径；并且所述轴齿部(22)的所述谷部(22b)具有朝向所述毂齿部(28)上升的第一阶梯区(30)，而所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有远离所述轴齿部(22)缩回的第二阶梯区(32)。
2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述第一阶梯区(30)的起点(P1)和所述第二阶梯区(32)的起点(P2)设定在彼此偏移预定距离(L4)的相应位置处。
3.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的所述第一阶梯区(30)的倾角(θ)被设定为在5度到45度范围内的值。
4.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的所述峰部(22a)的外径沿着所述轴(12)的轴向不变。
5.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的所述峰部(22a)具有在其端部附近朝向所述轴柄(24)逐渐减小的外径。
6.一种机构，用于在使形成在轴(12)上的轴齿部(22)和形成在毂(14)上的毂齿部(28)保持彼此接合的同时在轴(12)和设在该轴(12)周围的毂(14)之间传输转矩，其中所述轴齿部(22)具有不变齿厚的笔直峰部(22a)和谷部(22b)，该谷部(22b)的外径从轴(12)的一端朝向轴(12)的轴柄(24)变化；所述毂齿部(28)具有不变齿厚的笔直峰部(28a)和谷部(28b)，该峰部(28a)的内径从其端部朝向所述轴柄(24)变化，该谷部(28b)沿着轴(12)的轴向具有不变的内径；并且所述轴齿部(22)的所述谷部(22b)具有一弧形区(130)，该弧形区(130)具有预定曲率半径并朝向所述毂齿部(28)延伸，并且所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有一阶梯区(132)，该阶梯区(132)面对所述弧形区(130)并远离所述轴齿部(22)缩回。
7.根据权利要求6所述的机构，其特征在于，所述弧形区(130)与所述轴齿部(22)的谷部(22b)结合的起点(P1)和所述阶梯区(132)与所述毂齿部(28)的峰部(28a)结合的起点(P2)被设定在彼此偏移预定距离(L2)的相应位置处。
8.一种机构，用于在使形成在轴(12)上的轴齿部(22)和形成在毂(14)上的毂齿部(28)保持彼此接合的同时在轴(12)和设在该轴(12)周围的毂(14)之间传输转矩，其中所述轴齿部(22)具有不变齿厚的笔直峰部(22a)和谷部(22b)，该谷部(22b)的外径从轴(12)的一端朝向轴(12)的轴柄(24)变化；所述毂齿部(28)具有不变齿厚的笔直峰部(28a)和谷部(28b)，该峰部(28a)的内径从其端部朝向所述轴柄(24)变化，该谷部(28b)沿着轴(12)的轴向具有不变的内径；并且所述轴齿部(22)的所述谷部(22b)具有一楔形区(230)，该楔形区(230)的直径朝向所述毂齿部(28)逐渐增加，并且所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有一阶梯区(232)，该阶梯区(232)面对所述楔形区(230)并且远离所述轴齿部(22)缩回。
9.根据权利要求8所述的机构，其特征在于，所述楔形区(230)的起点(P1)和所述阶梯区(232)的起点(P2)被设定在彼此偏移预定距离(L2)的相应位置处。
10.根据权利要求8所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的所述楔形区(230)的升角(θ)被设定为在6度到65度范围内的值。
11.一种机构，用于在使形成在轴(12)上的轴齿部(22)和形成在毂(14)上的毂齿部(28)保持彼此接合的同时在轴(12)和设在该轴(12)周围的毂(14)之间传输转矩，其中所述轴齿部(22)具有不变齿厚的笔直峰部(22a)和谷部(22b)，该谷部(22b)的外径从轴(12)的一端朝向轴(12)的轴柄(24)变化，所述谷部(22b)具有朝向所述毂齿部(28)以预定角度倾斜上升的阶梯区(330)；并且所述毂齿部(28)具有不变齿厚的笔直峰部(28a)和谷部(28b)，所述峰部(28a)和所述谷部(28b)沿着所述轴(12)的轴向从所述端部朝向所述轴柄(24)具有不变的内径。
12.根据权利要求11所述的机构，其特征在于，所述阶梯区(330)的倾角(θ)被设定为在5度到45度范围内的值。
13.一种机构，用于在使形成在轴(12)上的轴齿部(22)和形成在毂(14)上的毂齿部(28)保持彼此接合的同时在轴(12)和设在该轴(12)周围的毂(14)之间传输转矩，其中所述轴齿部(22)具有不变齿厚的笔直峰部(22a)和谷部(22b)，该谷部(22b)的外径从轴(12)的一端朝向轴(12)的轴柄(24)变化；所述毂齿部(28)具有不变齿厚的笔直峰部(28a)和谷部(28b)，该峰部(28a)的内径从其端部朝向所述轴柄(24)变化，该谷部(28b)沿着轴(12)的轴向具有不变的内径；并且所述轴齿部(22)的所述谷部(22b)具有以预定角度倾斜的楔形表面(332)。
14.根据权利要求13所述的机构，其特征在于，所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有第二楔形表面(334)，该第二楔形表面(334)面对所述轴齿部(22)的所述谷部(22b)的第一楔形表面(332)。
15.根据权利要求13所述的机构，其特征在于，其中所述第一楔形表面(332)开始上升的起点(P1)和其中所述第二楔形表面(334)开始上升的起点(P4)被设定在沿着所述轴(12)的轴向彼此偏移预定距离的相应位置处。
16.根据权利要求13所述的机构，其特征在于，所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有弧形表面(336)，该弧形表面(336)具有预定曲率半径并且远离所述轴齿部(22)缩回。
17.根据权利要求16所述的机构，其特征在于，其中所述楔形表面(332)开始上升的起点(P1)和其中所述弧形表面(336)开始上升的起点(P5)被设定在沿着轴(12)的轴向彼此偏移预定距离的相应位置中。
全文摘要
一种轴和毂的动力传输机构，其中，具有多个线性花键齿(20)的轴齿部(22)形成在轴(12)的端部上，而具有多个线性花键齿(26)且装配在轴(12)的端部上的毂齿部(28)形成在毂(14)中的轴孔(16)的内周表面上。通过从点(P1)朝向毂齿部(28)增大轴齿部(22)而形成第一阶梯部(30)，点(P1)从轴齿部(22)的中点(P0)向轴柄(24)侧水平运动。在毂齿部(28)的脊部(28a)一侧，将点(P2)设定在从点(P1)朝向轴柄(24)的相对侧水平偏移的位置处，从而形成直径沿着径向外部方向从点(P2)增加的第二阶梯区(32)。
文档编号F16D1/06GK1833116SQ20048002270
公开日2006年9月13日 申请日期2004年8月3日 优先权日2003年8月7日
发明者五十岚正彦, 望月武志, 小杉雅纪 申请人:本田技研工业株式会社