CN100404896C - 轴和毂的动力传输机构 - Google Patents

Abstract

一种轴和毂的动力传输机构，其中轴齿部(22)包括由凸起形成的具有齿厚变化的脊部(22a)，而毂齿部(28)包括具有以特定线性形状形成的齿厚的脊部(28a)，该脊部(28a)的内径从其端部朝向轴柄(24)侧变化。在轴齿部(22)的底部(22b)中形成有向毂齿部(28)膨胀的第一阶梯部(30)，而在毂齿部(28)的脊部(28a)中形成有沿着与轴齿部(22)相反的方向凹进的第二阶梯部(32)。第一阶梯部(30)的起点(P1)和第二阶梯部(32)的起点(P2)设定在彼此偏移指定距离(L4)的位置处。

Description

轴和毂的动力传输机构

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，已经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，齿组件包括轴上的轴齿部和毂上的毂齿部，轴齿部和毂齿部保持彼此啮合。

近年来，已经需要努力减少由于动力传输系统的震颤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及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，例如在日本特开平专利公开No.2-62461、日本特开平专利公开No.3-69844和日本特开平专利公开No.3-32436中公开了用于隆起(crown)齿面的技术概念。

日本特开平专利公开No.11-514079公开了一种具有用于传输转矩的齿组件的轴/毂单元。所公开的齿组件包括沿纵向具有不变外径的轴齿部和沿纵向具有不变基径的毂齿部。在轴端处的第一区域中，轴齿部具有基径(dw1)，而毂齿部具有内径(Dn1)。在轴柄附近的第二区域中，轴齿部还具有基径(dw2)，而毂齿部具有内径(Dn2)。第二区域中的轴齿部的基径(dw2)和毂齿部的内径(Dn2)被设定成比第一区域中的轴齿部的基径(dw1)和毂齿部的内径(Dn1)大的相应值(dw1＜dw2，Dn1＜Dn2)。

关于在轴部件与外周部件之间的花键连接的日本特开专利公开No.2000-97244公开了这样的轴部件，该轴部件在其轴柄附近具有大直径区，其中轴部件在齿之间的齿根面处的直径增大，并且轴部件的齿与外周部件的齿在所述大直径区中彼此啮合。

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(参见日本特开专利公开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，其设计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区域的静态机械强度和疲劳强度。

此外，根据本发明，优选的是根据施加在轴齿部与毂齿部彼此啮合的区域上的载荷的大小而建立不同的主载荷传输区。例如，如果将载荷分为低载荷、中载荷和高载荷，则可沿着从隆起顶部向轴柄的方向连续形成用于传输低载荷、中载荷和高载荷的主载荷传输区，从而缓和特定区域上的应力集中。

附图说明

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2A为表示轴齿部与毂齿部保持彼此啮合且没有载荷施加于其上的局部放大横向剖视图；

图2B为表示轴齿部与毂齿部保持彼此啮合且沿着由箭头Y表示的方向施加有转矩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中所示的轴的以小倾角θ倾斜的第一阶梯区；

图5为表示轴齿部的齿的局部放大纵向剖视图，该齿的外径朝向在图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为表示关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为表示关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为表示关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为表示施加载荷的位置与载荷分类之间的关系的曲线图；

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为沿着图3的线XIII-XIII剖取的局部放大纵向剖视图；

图14为沿着图3的线XIV-XIV剖取的局部放大纵向剖视图；

图15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16为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示接合在图15中所示的轴齿部的谷部中的毂齿部的峰部；

图17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18为表示关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并且在毂齿部中形成阶梯区的轴，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19为表示关于其中轴齿部的直径改变点与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与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20为沿着图16的线XX-XX剖取的局部放大纵向剖视图；

图21为沿着图16的线XXI-XXI剖取的局部放大纵向剖视图；

图22为沿着图16的线XXII-XXII剖取的局部放大纵向剖视图；

图23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24为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示接合在图23中所示的轴齿部的谷部中的毂齿部的峰部；

图25为局部放大纵向剖视图，表示其外径朝向图24中所示的轴的轴柄变化的轴齿部的齿；

图26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27为表示关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地形成的轴，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28为表示关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29为表示关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30为沿着图24的线XXX-XXX剖取的局部放大纵向剖视图；

图31为沿着图24的线XXXI-XXXI剖取的局部放大纵向剖视图；

图32为沿着图24的线XXXII-XXXII剖取的局部放大纵向剖视图；

图33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34为沿着轴的轴向的局部放大纵向剖视图，表示接合在图33中所示的轴齿部的谷部中的毂齿部的峰部；

图35为局部放大纵向剖视图，表示在图34中所示的轴的阶梯区中具有小倾角θ的第一楔形区；

图36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35中所示的轴接合；

图37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弓形的毂与图35中所示的轴接合；

图38为局部放大纵向剖视图，表示轴齿部的齿的外径朝向图35中所示的轴的轴柄发生变化；

图39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40为关于其中在轴齿部中未形成阶梯区的轴以及其中在轴齿部中形成阶梯区的轴，在该毂中产生的应力与测量应力的位置之间的关系的曲线图；

图41为表示在阶梯区的倾角θ较小的状态下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42为沿着图34的线XLII-XLII剖取的局部放大纵向剖视图；

图43为沿着图34的线XLIII-XLIII剖取的局部放大纵向剖视图；

图44为沿着图34的线XLIV-XLIV剖取的局部放大纵向剖视图；

图45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；以及

图46为表示用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)的开口中并具有用于在其中容纳球体(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中的轴向孔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的周向连续形成。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。

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的端部中的环形凹槽(未示出)中，用于防止毂14从轴12脱离。

当沿着径向向内看轴12时，如图2A所示，轴齿部22的每个峰部22a均隆起，从而使得齿厚在隆起顶部P0处最大，并且从隆起顶部P0朝向峰部22a的相对端部逐渐减小。换言之，在俯视图中看峰部22a时其具有相对两侧同等弯曲的隆起形状，如图2A所示。

毂14在轴向孔16的内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(参见图12至14)。如图2A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，对应于隆起顶部的位置由P0表示。

在谷部22b的齿根面上的一位置处设定点P1(改变点)，该位置从谷部22b的齿根面(谷部半径φA1)与隆起顶部P0对齐的位置(参见虚线)朝向轴柄24水平移动预定距离L1。谷部22的齿根面从点P1朝向毂齿部28径向向外上升，从而提供具有谷部半径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，可容易地通过滚压齿条加工轴齿部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中沿着水平方向远离轴柄24的点P1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，从而提供具有峰部半径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具有沿着轴向保持不变的内径。

谷部半径φA1、φA2表示从轴12的中轴线到轴齿部22的谷部22b的齿根面的相应距离。峰部半径φA3、φA4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。

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)，从而形成不同的主载荷传输区，以根据在轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的区域上施加的载荷大小而传输例如包括低载荷、中载荷和高载荷的不同载荷。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。

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，根据第一实施例，防止了应力集中，而是使应力分散到轴齿部22和毂齿部28上，从而增加了轴齿部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。

如同将要参照图17描述的实施例一样，点P1、P2也可以彼此垂直对齐而不彼此偏移。通过这种结构，轴齿部22中的第一阶梯区30和毂齿部28中的第二阶梯区32在分散施加在第一阶梯区30上的应力并缓和应力集中时彼此共同作用。

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设定为预定值，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，并且难以通过滚压齿条加工轴齿部22，稍后将描述。如果将倾角θ设定为90度，则在第一阶梯区30上会发生过度应力集中，并且降低了用来加工轴齿部22的滚压齿条的耐用性。

没有第一阶梯区30和第二阶梯区32的普通轴/毂花键装配结构具有在轴柄附近产生的应力峰值点。然而，根据该第一实施例，在轴齿部22中设有第一阶梯区30以允许一些应力集中在点P1处，从而分散趋于集中在轴柄24处的应力。如果将轴齿部22中的第一阶梯区30的倾角θ设定为过大的值，例如90度，则在点P1上会发生过度应力集中，从而不能提供应力分散(应力缓和)能力。通过将第一阶梯区30的倾角θ(即，升角)设定为适当的值，可将轴柄24附近的应力集中适当地分散以减少峰值点处的应力。

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，根据表示具有楔形表面34的结构的特征曲线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M(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N(虚线曲线)。

偏移部分与不偏移部分(参见特性曲线M、N的部分γ)的比较表明，其中在轴齿部中的起点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2A和2B表示在保持彼此啮合的轴齿部22的隆起峰部22a和毂齿部28的笔直峰部28a在它们无载荷的状态下对其施加转矩时其变形的方式。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，该方向垂至于隆起峰部22a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2A和2B中的箭头X)。从图10中可以看出，由于施加载荷大小的变化，应力峰值点随着测量位置而变化。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，则在这些载荷下所绘制的特性曲线分别包括低载荷特性曲线D、中载荷特性曲线E和高载荷特性曲线F。

图11表示施加载荷的分类，即低载荷、中载荷和高载荷与载荷施加位置之间的关系。从图2B可知，轴齿部22和毂齿部28根据施加载荷的大小而在连续变化区域(即，分别对应于载荷施加位置a、b、c的圆形区a、圆形区b和圆形区c)中彼此啮合。轴齿部22和毂齿部28彼此啮合的区域根据施加载荷的大小而远离隆起顶部P0朝向轴柄24移动。

具体地，当施加低载荷时，圆形区a用作主低载荷传输区。当施加中载荷时，从圆形区a稍微移向轴柄24的圆形区b用作主中载荷传输区。当施加高载荷时，从圆形区b稍微移向轴柄24的圆形区c用作主高载荷传输区。

通过使轴齿部22如此通过变化齿厚而隆起，使得载荷传输区(应力峰值点)根据施加载荷的大小而变化，因此缓和了特定区域上的应力集中。

图12至14分别为沿着图3的线XII-XII、线X III-X III、线XIV-XIV剖取的局部放大纵向剖视图，表示在将轴12和毂14装配在一起时毂齿部28的峰部28a接合在轴齿部22b的谷部22b中。在图12至图14中，φd1至φd3表示从轴12的中轴线的节圆半径。

由于轴齿部22被隆起，因此峰部28a仅在隆起顶部P0的附近与谷部22b的表面保持接触(参见图13)，而在其它区域中与谷部22b的表面保持不接触(参见图12和图14)。

由于轴齿部22具有隆起形状，因此使轴齿部22和毂齿部28之间的接触面积减小，并且使为了将轴12和毂14装配在一起而施加的挤压载荷减小，从而使作用在轴齿部22的谷部22b上的应力减小。由于为了将轴12和毂14装配在一起而施加的挤压载荷并未增加，因此轴齿部22和毂齿部28之间的间隙得以抑制。

从图12和图13及图14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和第二阶梯区32而使应力集中区域中的轴齿部22的半径增加δ。

由于应力集中区域中的轴齿部22的半径增加了δ，因此可以使轴齿部22的谷部22b的齿根面R的曲率半径增加用于应力分散。可以通过增加相比于其它区域接近轴柄24的区域的半径而降低总应力(主应力)。

图15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。根据第二实施例的动力传输机构的那些与根据第一实施例的动力传输机构的相同的部件由相同的附图标记表示，并且以下将不进行详细描述。

图16以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的齿根面上的一位置处设定点P1，该位置从谷部22的齿根面上(谷部半径φB1)的与隆起顶部P0对齐的位置(参见虚线)朝向轴柄24水平偏移预定距离L1。弧形区130从点P1朝向毂齿部28延伸并与轴柄24接合，该弧形区130具有从点P3处的曲率中心的曲率半径W。

轴齿部22的峰部22a具有可沿着轴向保持不变的外径，如图16和17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。

在毂齿部28的峰部28a上，在沿着远离轴柄24的水平方向从轴齿部22中的点P1偏移预定距离L4的位置处设定点P2。峰部28a从点P2将其峰部半径φB2改变为峰部半径φB3，从而提供具有峰部半径φB3的阶梯区132。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，并且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从点P2开始的倾角以与弧形区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。毂齿部28的谷部28b具有沿着轴向保持不变的内径。

谷部半径φB1表示从轴12的中轴线到轴齿部22的谷部22b的齿根面的距离。峰部半径φB2、φB3分别表示从轴12的中轴线到毂齿部28的峰部28a的齿顶面的距离。

轴齿部22中的距离L2被设定为大于轴齿部22中的距离L1的值(L1＜L2)，而毂齿部22中的距离L3被设定为小于轴齿部22中的距离L2的值(L2＞L3)。

从图16可以看出，作为轴齿部22的弧形区130开始上升的起点(改变点)的点P1和作为毂齿部28中的阶梯区132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100上的应力被分散到点P1、P2，从而缓和了应力集中。

结果，防止了应力集中、而且使应力分散到轴齿部22和毂齿部28，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。

如图17所示，点P1、P2可彼此垂直对齐且彼此无偏移。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18表示比较轴上的应力特性曲线G(虚线曲线)和一轴上的应力特性曲线K(实线曲线)，在该比较轴中没有在毂齿部28中形成阶梯区132，而在所述轴中，点P1、P2彼此偏移预定距离L4，在轴齿部22中形成有弧形区130，并且在毂齿部28中形成有阶梯区132，如图16所示。

特性曲线G与特性曲线K之间的比较表明，根据图16的特性曲线K，应力峰值被分散到区域t0、t1，因此在区域t1中减小。具体地，尽管在特性曲线K的区域t0中的应力比特性曲线G的区域t0中的应力大，但由于特性曲线K的区域t1中的最大应力比特性曲线G的区域t1中的最大应力小，因此减小了在轴12上产生的最大应力峰值，并且减小了在整个测量位置中的应力。

图19表示其中点P1、P2彼此偏移预定距离的轴上的应力特性曲线M(实线曲线)和其中点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N(虚线曲线)。

偏移部分和不偏移部分的比较(参见图19的特性曲线M、N的部分α)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更平缓。偏移起点P1、P2在缓和半径变化区中的应力是有效的。

图20至图22分别为沿着图16的线XX-XX、线XXI-XXI、和线XXII-XXII剖取的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接合在轴齿部22的谷部22b中。在图20至图22中所示的轴/毂单元100的操作和优点与在图12至图14中所示的轴/毂单元10的操作和优点相同，下面不再详细描述。

因为隆起的轴齿部22，所以与如图2A、2B、10和11所示的第一实施例相同，载荷传输区(应力峰值点)根据施加的载荷大小而变化。

图23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24以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的齿根面上的一位置处设定点P1(改变点)，该位置从谷部22的齿根面(谷部半径φC1)上与隆起顶部P0对齐的位置(见虚线)朝向轴柄24水平移动预定距离L1。谷部22b的齿根面的半径从点P1朝向毂齿部28逐渐增加，从而提供了楔形区230。该楔形区230朝向轴柄24延伸并与其结合。

轴齿部22的峰部22a具有沿着轴向保持不变的外径，如图24所示，或者该外径可以从接近点P1的区域朝向轴柄24逐渐减小，如图25所示。通过使峰部22a的外径朝向轴柄24逐渐减小，则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25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上的一位置处设定点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L3。峰部28a从点P2将其峰部半径φC2改变到峰部半径φC3，从而提供具有峰部半径φC3的阶梯区232。该阶梯区232朝向轴柄24水平延伸预定距离L2。

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。毂齿部28的谷部28b具有沿着轴向保持不变的内径。

谷部半径φC1表示从轴12的中轴线到轴齿部22的谷部22b的齿根面的距离。峰部半径φC2、φC3表示从轴12的中轴线到毂齿部28的峰部28a的齿顶面的相应距离。

从图24可以看出，作为轴齿部22的楔形区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L3。

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L3，因此使施加在轴/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，由于缓和了应力集中，但分散了应力，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。

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26中示出。从图26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4度，则没有足够的应力分散能力可用。如果将升角θ设定为65度，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27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R(虚线曲线)以及其中点P1、P2彼此不偏移，但彼此垂直对齐并形成有阶梯区232的轴上的应力特性曲线S(实线曲线)。

从图27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S，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R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27中的部分α)。

在图28中，特性曲线T(实线曲线)表示具有如图24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L3。从图28可知，根据特性曲线T，在其中点P1、P2彼此偏移的区域中的应力(参见图28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S弱(基于图27中的部分α和图28中的部分β之间的比较)。

图29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M(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N(虚线曲线)。

偏移部分和不偏移部分的比较(参见图29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在缓和半径变化区中的应力是有效的。

图30至图32分别为沿着图24的线XXX-XXX、线XXXI-XXXI、线XXXII-XXXII剖取的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接合在轴齿部22的谷部22b中。图30至图32中所示的轴/毂单元200的操作和优点与图12至14中所示的轴/毂单元10的操作和优点相同，因此不再进行详细描述。

因为隆起的轴齿部22，所以与如图2A、2B、10和11所示的第一实施例一样，载荷传输区(应力峰值点)根据施加载荷的大小而改变。

图33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34以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34所示，轴齿部22的谷部22b具有阶梯区332，该阶梯区332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。阶梯区332从起点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φE1变化到在阶梯区332处的谷部半径φE2。

阶梯区332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具有沿着轴向保持不变的外径，如图34至37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38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38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。

与峰部30a的情况相同，毂齿部28的峰部28a具有沿着毂14的轴向保持不变的内径φE3，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。

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U1和毂齿部28面对轴齿部22的阶梯区332的区域U2处，从而缓和了应力集中(参见图34)。

结果，由于缓和了应力集中，而分散了应力，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35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332的倾角θ设定为较小值，用于通过阶梯区332的第一楔形区334来进一步缓和应力集中。

阶梯区332的倾角θ、应力缓和与生产率之间的关系在图39中示出。从图39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3度，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90度，则在第一阶梯区332上会发生过度应力集中，并且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332的普通轴/毂花键装配结构具有在轴柄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332，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332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)设定为合适的值，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36所示，在结合轴齿部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，并且可使第二楔形区336形成为从点P4朝向轴柄24以预定角度倾斜延伸。第二楔形区336形成为面对作为轴齿部22中的阶梯区332的起点的点P1和其中的第一楔形区334，并使其半径沿着远离轴齿部22的方向从谷部半径φE4增加到谷部半径φE5。

作为轴齿部22中的阶梯区332的起点的点P1和作为毂齿部28中的第二楔形区336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332和毂齿部28中的第二楔形区336在分散施加在第二楔形区336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，通过第二楔形区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以及毂齿部28面对轴齿部22中的点P2的区域V2，从而使应力集中缓和并降低应力峰值(参见图36)。结果，毂齿部28中的第一楔形区334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37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的弧形区338形成为从点P5朝向轴柄24延伸。弧形区338形成为面对作为轴齿部22中的阶梯区332的起点的点P1和在其中的第一楔形区334，并且远离轴齿部22缩回。

作为轴齿部22中的阶梯区332的起点的点P1和作为毂齿部28中的弧形区338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可彼此对齐。通过该结构，轴齿部22中的阶梯区332和毂齿部28中的弧形区338在分散施加在弧形区338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和毂齿部28彼此啮合的轴/毂单元300上施加转矩时，通过弧形区338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W1和毂齿部28面对轴齿部22中的点P2′的区域W2处，从而缓和了应力集中并且减小了应力峰值(参见图37)。结果，毂齿部28中的弧形区338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。

图40表示其中在轴齿部22中未形成阶梯区332的比较轴上的应力特性曲线J(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332的轴上的应力特性曲线L(实线曲线)。特性曲线J和特性曲线L之间的比较表明，根据表示具有阶梯区332的结构的特性曲线L，减小了应力峰值并且缓和了应力集中。

图41表示在其中阶梯区332的倾角θ小于具有特性曲线L的倾角θ的轴上的应力特性曲线M。从图41可知，具有较小倾角θ的第一楔形区334在进一步应力缓和中是有效的(比较图40中所示的特性曲线L的部分α和图41中所示的特性曲线M的部分β)。

图42至图44分别为沿着图34的线XLII-XLII、线XLIII-XLIII、和线XLIV-XLIV剖取的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接合在轴齿部22的谷部22b中。在图42至图44中所示的轴/毂单元300的操作和优点与在图12至图14中所示的轴/毂单元10的操作和优点相同，因此下面不再详细描述。

图42至图44中所示的轴齿部22和毂齿部28可以具有与图45中所示一样的渐开线形状。在图45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D上彼此接触。因此，通过齿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。

因为隆起的轴齿部22，所以与第一实施例(如图2A、2B、10和11所示)一样，载荷传输区(应力峰值点)根据施加载荷的大小而变化。

下面将描述加工轴齿部22的花键齿20的工艺。

如图46所示，将已经在前一加工工序中用工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的外周表面上形成隆起的花键。

因此，通过上述滚压工艺能够容易地形成轴齿部22的隆起花键齿20。在前一加工工序中由刀具在轴齿部22的花键齿20的齿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20，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、成形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齿顶面来形成花键齿，因此通过滚压工艺形成的花键齿的齿顶面在形状上不一定一致。

Claims (19)

1.一种机构，用于在使形成于轴(12)上的轴齿部(22)和形成于毂(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，其特征在于：

所述轴齿部(22)具有齿厚变化的隆起峰部(22a)和谷部(22b)，该谷部(22b)的外径从该谷部(22b)的一点朝向轴(12)的轴柄(24)增大地变化；并且

所述毂齿部(28)具有齿厚不变的笔直峰部(28a)和谷部(28b)，该峰部(28a)的内径从该峰部(28a)的一点朝向所述轴柄(24)增大地变化，该谷部(28b)沿着轴(12)的轴向具有不变的内径。

2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的谷部(22b)的外径改变点和所述毂齿部(28)的峰部(28a)的内径改变点设定在沿着轴(12)的轴向彼此偏移的相应位置处。

3.根据权利要求2所述的机构，其特征在于，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)，并且所述毂齿部(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)，并且其中所述第一阶梯区(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。

4.根据权利要求3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)设定为在5度到45度范围内的值。

5.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，根据在所述轴齿部(22)和所述毂齿部(28)彼此啮合的区域上所施加的载荷大小而提供不同的主载荷传输区。

6.根据权利要求5所述的机构，其特征在于，所述载荷的大小可选择地表示为低载荷、中载荷和高载荷，并且沿着从隆起峰部(22a)的隆起顶部(P0)朝向所述轴柄(24)的方向连续建立分别用于传输该低载荷、中载荷和高载荷的所述主载荷传输区(a、b、c)。

7.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的所述谷部(22b)具有一弧形区(130)，该弧形(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)具有面对所述弧形区(130)且远离所述轴齿部(22)缩回的阶梯区(132)。

8.根据权利要求7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)设定在彼此偏移预定距离的相应位置处。

9.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的所述谷部(22b)具有直径朝向所述毂齿部(28)逐渐增加的楔形区(230)，并且所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有面对所述楔形区(230)且远离所述轴齿部(22)缩回的阶梯区(232)。

10.根据权利要求9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)设定在彼此偏移预定距离的相应位置处。

11.根据权利要求9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)设定为在6度到65度范围内的值。

12.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有直径远离所述轴齿部(22)逐渐增加的楔形区(336)。

13.根据权利要求1所述的机构，其特征在于，所述毂齿部(28)的所述峰部(28a)具有弧形区(338)，该弧形区(338)具有预定曲率半径并且远离所述轴齿部(22)缩回。

14.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。

15.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)的轴向变化。

16.根据权利要求15所述的机构，其特征在于，所述轴齿部(22)的所述峰部(22a)的外径朝向所述轴柄(24)逐渐减小。

17.一种机构，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，其特征在于：

所述轴齿部(22)具有齿厚变化的隆起峰部(22a)和谷部(22b)，该谷部(22b)的外径从该谷部(22b)的一点朝向轴(12)的轴柄(24)增大地变化；并且

所述毂齿部(28)是笔直的并且具有不变的齿厚，所述毂齿部(28)具有峰部(28a)和谷部(28b)，该峰部(28a)和该谷部(28b)沿着轴(12)的轴向从所述端部朝向所述轴柄(24)具有不变的内径。

18.根据权利要求17所述的机构，其特征在于，根据施加在所述轴齿部(22)和所述毂齿部(28)彼此啮合区域上的载荷的大小提供不同的主载荷传输区。

19.根据权利要求18所述的机构，其特征在于，所述载荷大小可选择地表示为低载荷、中载荷和高载荷，并且沿着从隆起峰部(22a)的隆起顶部(P0)朝向所述轴柄(24)的方向连续建立分别用于传输该低载荷、中载荷和高载荷的所述主载荷传输区(a、b、c)。

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