一种开口内花键及其制造方法与流程

本发明涉及一种车辆零部件及设计方法，特别是一种开口内花键及其设计方法。

背景技术：

汽车转向系统中的中间轴在需要传递较大扭矩时通常设计花键连接转向管柱及转向器，为了装配便利及工作中要求花键紧密配合，通常内花键设计成开口型再配合螺栓拧紧,由于中间轴在工作过程中经常变换方向转动，如果花键配合不好会导致花键异响以及出现手感不佳的现象，影响整车NVH等；因此汽车转向中间轴花键连接设计需要保证长时间良好的紧密配合。

（注：NVH为噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文缩写，这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的；车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一；有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，而各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。）

现有转向中间轴内花键组件结构如附图1所示：由开口内花键万向节节叉组成，通常开口内花键材料为钢材，配套的螺栓选用标准件，开口内花键结构如附图2所示，在未装配状态下内花键形状成规则圆形状，螺栓孔的光孔和螺纹孔同轴；内外花键装配后如附图3所示，内花键和外花键的间隙周向均匀，为了装配便利，间隙较大，内外花键装配后并拧紧螺栓后如附图4所示，实物图如图（附图5）所示，实物图为现有开口内花键配合M10×1.5的螺栓，预紧扭矩50N.m，可较明显看出近螺栓的花键配合严重相互挤压，远螺栓的花键则存在较大的间隙，开口内花键呈不规则形状，而配合的外花键仍为规则圆形状，导致整体配合不良。现有开口内花键存在以下不足：

（1）内外花键间间隙过小（精度），导致装配困难；

（2）螺栓未拧紧前内花键成规则圆形，螺栓拧紧后内花键变形成非圆形，导致内外花键配合不良，甚至出现部分齿被压溃现象，造成实际配合与理论设计不相符；

（3）螺栓需要拧较大扭矩，需选用较大规格螺栓，残留预紧力减弱较大，容易导致异响产生以及可能出现开口内花键或外花键的齿产生塑性变形等；

（4）自由状态时螺栓孔的光孔和螺纹孔同轴，则装配状态时（螺栓拧紧）由于开口内花键受压变形，产生螺栓孔的光孔与螺纹孔成不同轴现象，螺栓不仅受预紧拉力，同时受弯曲力导致螺栓变形、影响使用寿命。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有特殊结构的开口内花键及其制造方法，以克服现有技术所存在的上述不足。

为解决上述技术问题，本发明采取技术方案是：

一种开口内花键，包括花键本体及连接在花键本体一侧的万向节节叉，花键本体中心之装配孔开内花键，所述万向节节叉包括上叉臂和下叉臂，万向节节叉轴心线与内花键中心轴线同轴，花键本体位于内花键下部的正中开有开口槽，开口槽的中心线与内花键的中心线重合，所述开口槽从花键本体的装配端面贯穿到花键本体与万向节节叉的连接面、并延伸至万向节节叉下叉臂从而形成一段延伸槽，延伸槽的长度即花键本体与万向节节叉的连接面到延伸槽末端的距离为L2，位于内花键下部开有横贯开口槽的螺栓通孔，包括光孔段和螺纹段，所述螺栓通孔中心轴线与内花键中心轴线相互垂直，螺栓通孔中心轴线到内花键中心轴线的距离为L1；

所述内花键与开口槽正对的上方缺1～5个齿从而形成一与开口槽的中心线垂直的缺齿面，缺齿面与开口槽之间的内花键形成以开口槽中心线为轴对称的左半圆内花键和右半圆内花键；左、右半圆内花键下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开，其张开角θ的度数为0°＜θ≤10°；

所述螺栓通孔中心轴线到内花键中心轴线的距离L1与内花键分度圆d的比值为0.7±0.3，即L1/d=0.7±0.3。

其进一步的技术方案是：

所述开口槽为等宽开口槽，开口槽的宽度H为0.1mm～50mm，延伸槽的长度L2为0～100mm，延伸槽末端开有应力圆孔，应力圆孔的直径为H+d₀mm，d₀的取值范围为0～50mm。

更进一步：所述内花键的装配端、即背向万向节节叉的一端设10°～80°倒角。

其另一技术方案是：

一种开口内花键的制造方法，该方法是制造上述的一种开口内花键的方法，包括下述步骤：

S1：制作开口内花键坯体，包括花键本体及与其连成一体的万向节节叉；

S2：在花键本体中部开装配圆孔，在装配圆孔下部开螺栓通孔，在螺栓通孔的螺纹段攻螺纹；

S3：铣花键本体装配端、即背向万向节节叉的一端端面，

S4：在装配圆孔下部正中开开口槽，并延伸到下叉臂形成延伸槽，在延伸槽尾端开应力圆孔；

S5：在装配圆孔内开内花键

S51：内花键上部缺1～5齿，形成与开口槽中心线垂直、并为开口槽中心线平分的缺齿面，形成以开口槽中心线为轴对称的左半圆内花键和右半圆内花键；

S52：左、右半圆内花键下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开，其张开角θ的度数为0°＜θ≤10°。

S6：在内花键装配端、即背向万向节节叉的一端加工10°～80°的倒角。

进一步：在进行步骤S5：装配圆孔内开内花键时，采取的方法步骤为：

S1：沿螺栓通孔轴向施加轴力使开口内花键坯体的开口槽变形量X等于实际使用上紧螺栓时的变形量、即X＝H-H1，H为未上紧螺栓时开口槽宽度, H1为上紧螺栓时开口槽宽度；

S2：采用插削﹑拉削或磨削的方法开内花键；

S3：解除螺栓孔轴向轴力，得到张开角为θ内花键。

又进一步：

在进行步骤S5：装配圆孔内开内花键时，采取的方法步骤为：

S1：将开口内花键坯体装配圆孔加工成左、右半圆下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开、张开角θ的度数为0°＜θ≤10°的内圆孔；

S2：采用插削或磨削法开内花键；

所述插削法为﹕用成形插刀在插床上逐齿插削；所述磨削法为﹕用小直径的成形砂轮在花键孔磨床上磨削。

又进一步：

在进行步骤S5：装配圆孔内开内花键时，采取的方法步骤为：

S1：将花键拉刀制作成与上述内花键形状一致的拉刀，所述内花键形状即内花键上部缺1～5齿，形成与开口槽中心线垂直、并为开口槽中心线平分的缺齿面121，形成以开口槽中心线为轴对称的左半圆内花键和右半圆内花键；左、右半圆内花键下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开，其张开角θ的度数为0°＜θ≤10°；

S2：将花键拉刀安装在拉床上，采用拉削方法开内花键。

由于采用上述结构，与现有技术相比，本发明之一种开口内花键及其制造方法具有以下有益效果：

1．由于一种开口内花键开口槽设有张开角，装配时内外花键之间间隙较大，易于装配，即使与间隙小的外花键配合（精度）装配也不困难；

2．由于开口槽设有张开角，螺栓未拧紧前内花键成不规则圆形（自由状态），螺栓拧紧后（使用状态）内花键恢复规则圆形状，花键配合良好，花键的整体性能得以体现，可有效提高花键寿命，减少花键异响等问题的产生；

3．螺栓装配后处在理想的预紧拉力作用状态，螺栓所需扭矩小，因而可选用较小规格螺栓，减少内花键用料，有效控制生产成本，可确保材料变形均处在弹性变形范围，装配后螺栓孔的光孔和螺纹孔形成同轴状态，预紧力衰弱不明显，提高可靠性。

4．所述下叉臂上的延伸槽尾端开应力圆孔，应力圆孔的直径为6mm，不仅有利于开口槽的应力分散，而且有利于改善内花键的变形，使变形效果更理想；

5．螺栓孔轴线到内花键中心距离L/内花键分度圆D=0.7±0.1，即L/D=0.7±0.1，此设计能更好使开口状内花键恢复成完整的圆形状内花键；

6．内花键上部形成水平缺齿面，既方便定位装配，又可防止因为内花键开口变形导致的应力集中；

7．开口内花键的制造方法为常规机械加工，易于推广。

下面，结合附图和实施例对本发明之一种开口内花键及其制造方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1～图4：本发明之一种开口内花键组件结构示意图：

图1为主视图，图2为图1之A-A剖视图，图3为图1之仰视图，图4为图2之B-B剖视图；

图5～图6为内花键结构示意图（放大）：

图5为左、右半圆内花键示意图，图6为分度圆示意图；

图中：

1—花键本体，11—装配端面，12—内花键，121—缺齿面， 122—“O”相交点，123—左半圆内花键，124—右半圆内花键，125—分度圆，126—齿根圆，127—齿顶圆，13—开口槽，14—螺栓通孔，141—光孔段，142—螺纹段，2—万向节节叉，21—上叉臂，22—下叉臂，221—延伸槽，222—应力圆孔。

具体实施方式

实施例一

一种开口内花键，包括花键本体1及连接在花键本体一侧的万向节节叉2，花键本体中心之装配圆孔开内花键12，所述万向节节叉包括上叉臂21和下叉臂22，万向节节叉轴心线与内花键12中心轴线同轴，花键本体位于内花键下部的正中开有开口槽13，开口槽的中心线与内花键的中心线重合，所述开口槽从花键本体的装配端面贯穿到花键本体与万向节节叉的连接面、并延伸至万向节节叉下叉臂从而形成一段延伸槽221，延伸槽的长度即花键本体与万向节节叉的连接面到延伸槽末端的距离为L2，位于内花键下部开有横贯开口槽13的螺栓通孔14，包括光孔段141和螺纹段142，所述螺栓通孔中心轴线与内花键中心轴线相互垂直，螺栓通孔中心轴线到内花键中心轴线的距离为L1；

所述内花键12与开口槽13正对的上方缺1～5个齿从而形成一与开口槽的中心线垂直的缺齿面121，缺齿面与开口槽之间的内花键形成以开口槽中心线为轴对称的左半圆内花键和右半圆内花键；左、右半圆内花键下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开，其张开角θ的度数为0°＜θ≤10°；

所述螺栓通孔中心轴线到内花键中心轴线的距离L1与内花键分度圆直径d的比值为0.7±0.3，即L1/d=0.7±0.3。

所述开口槽13为等宽开口槽，开口槽的宽度H为0.1mm～50mm，延伸槽的长度L2为0～100mm，延伸槽221末端开有应力圆孔222，应力圆孔的直径为H+d₀mm，d₀的取值范围为0～50mm。

所述内花键12的装配端、即背向万向节节叉的一端设10°～80°倒角。

实施例二

一种开口内花键的制造方法，该方法是制造实施例一所述的一种开口内花键的方法，包括下述步骤：

S1：制作开口内花键坯体，包括花键本体及与其连成一体的万向节节叉；

S2：在花键本体中部开装配圆孔，在装配圆孔下部开螺栓通孔14，在螺栓通孔的螺纹段攻螺纹；

S3：铣花键本体装配端、即背向万向节节叉的一端端面11，

S4：在装配圆孔下部正中开开口槽13，并延伸到下叉臂22形成延伸槽221，在延伸槽尾端开应力圆孔222；

S5：在装配圆孔内开内花键

S51：内花键上部缺1～5齿，形成与开口槽中心线垂直、并为开口槽中心线平分的缺齿面121，形成以开口槽中心线为轴对称的左半圆内花键和右半圆内花键；

S52：左、右半圆内花键下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开，其张开角θ的度数为0°＜θ≤10°。

S6：在内花键装配端、即背向万向节节叉的一端加工10°～80°的倒角。

在进行步骤S5：装配圆孔内开内花键时，采取的方法步骤为：

S1：沿螺栓通孔轴向施加轴力使开口内花键坯体的开口槽变形量X等于实际使用上紧螺栓时的变形量、即X＝H-H1，H为未上紧螺栓时开口槽宽度, H1为上紧螺栓时开口槽宽度；

S2：采用插削﹑拉削或磨削的方法开内花键；

S3：解除螺栓孔轴向轴力，得到张开角为θ内花键。

实施例三

一种开口内花键的制造方法，该方法是制造实施例一所述的一种开口内花键的制造方法，其步骤与实施例二基本相同，所不同的是：在进行步骤S5：在装配圆孔内开内花键时，可采取的方法步骤为：

S1：将开口内花键坯体装配圆孔加工成左、右半圆下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开、张开角θ的度数为0°＜θ≤10°的内圆孔；

S2：采用插削或磨削法开内花键；

所述插削法为﹕用成形插刀在插床上逐齿插削；所述磨削法为﹕用小直径的成形砂轮在花键孔磨床上磨削。

实施例四

一种开口内花键的制造方法，该方法是制造实施例一所述的一种开口内花键的制造方法，其步骤与实施例二基本相同，所不同的是：在进行步骤S5：在装配圆孔内开内花键时，可采取的方法步骤为：

S1：将花键拉刀制作成与权利要求1所述内花键形状一致的拉刀，所述内花键形状即内花键上部缺1～5齿，形成与开口槽中心线垂直、并为开口槽中心线平分的缺齿面121，形成以开口槽中心线为轴对称的左半圆内花键和右半圆内花键；左、右半圆内花键下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开，其张开角θ的度数为0°＜θ≤10°；

S2：将花键拉刀安装在拉床上，采用拉削方法开内花键。

附注：

（一）开口内花键在未与外花键配合拧紧之前的内花键齿部的自由状态为：

左、右半圆内花键下部以“O”相交线为轴线沿开口槽两边微微张开，其张开角θ的度数为0°＜θ≤10°；

其中：

式中：X——内花键开口槽的宽度变化量（如开口槽初始状态宽度为3mm，上紧螺栓后开口槽的宽度为2mm，即X=3-2=1mm），X可取为0.1mm～50mm；

d——内花键分度圆。

（二）关于“O”相交线：

“O”相交线为通过“O”相交点并与内花键中心轴线平行的线；

“O”相交点为开口槽中心线与位于缺齿面上部的内花键分度圆的相交点（参见附图5～图6）；

开口槽中心线为与缺齿面垂直并平分开口槽的线；该开口槽中心线与内花键中心线重合；

内花键中心线：与缺齿面垂直并将内花键平分为对称的左、右半圆内花键的线；

内花键中心轴线：与内花键中心线垂直、并通过内花键12中心的轴线；

（三）关于分度圆

在机械设计中，在齿顶圆和齿根圆之间，规定一定直径为d的圆，作为计算花键各部分尺寸的基准，并把这个圆称为分度圆，【计算公式】分度圆直径d=模数 * 齿数。

（四）关于加工方法

①插削法﹕用成形插刀在插床上逐齿插削﹐生产率和精度均低﹐用于单件小批生产；

②拉削法﹕用花键拉刀在拉床上拉削﹐生产率和精度均高﹐应用最广泛；

③磨削法﹕用小直径的成形砂轮在花键孔磨床上磨削﹐用于加工直径较大﹑淬硬的或精度要求高的花键孔）。