CN103821831A - 变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1.获得材料的扭转静强度、扭转疲劳强度、扭转载荷—寿命曲线和材料的低载强化特性；2.把旋锻轴分为固定节段、移动节段和中间段；3.根据等速万向传动轴总成性能和尺寸要求，确定各段的外形尺寸，实现变截面设计；4.旋锻轴的内径尺寸需要同时满足扭转静强度、扭转疲劳强度和旋锻加工工艺的特性要求，由此确定变截面和变壁厚空心旋锻轴各段的内径尺寸，实现变壁厚设计。根据本发明所提供的设计方法，能够设计满足功能、强度和加工要求的变截面变壁厚轻量化旋锻轴，材料利用率高，对参照本设计方法进行变截面变壁厚旋锻轴加工具有精确的指导价值。

Description

变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法

技术领域

本发明属于汽车零部件设计领域，具体涉及一种汽车变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计新方法，涉及的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计新方法适用于高档轿车等速万向传动中间轴的轻量化设计。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，对汽车的需求也越来越大。一方面，汽车作为方便快捷的交通工具，改善了人们的生活和工作方式，另一方面，却加剧了能源消耗，带来了环境污染。随着全球资源和能源的日益紧张，环境的恶化，汽车产业面临着节能环保的巨大压力。

研究显示，汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%，二氧化碳排放量也能够大大减少。另外，重量减轻，不仅能够有效提高汽车的加速性能，也能够改善车辆的稳定性、安全性、噪音和振动。

汽车轻量化技术的实现途径主要包括轻量化材料、轻量化设计方法和轻量化制造技术。由于涉及不同领域和学科，现有的三种汽车轻量化技术的研究现状基本都是各种发展，很少进行有机的结合。目前，现有的三种轻量化技术中，高昂的成本限制了轻量化材料的推广和应用，轻量化方法和轻量化制造技术是目前发展和应用的主要趋势。轻量化设计方法包括合理的结构优化轻量化设计和基于强度特征的轻量化设计方法，其中，结构轻量化设计又包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化；基于强度特征的轻量化设计主要是把汽车零部件的强度潜能充分发挥出来。轻量化制造技术主要包括新型的铸造技术、粉末冶金技术、廉洁技术和成型技术等。

有机的结合轻量化设计方法和轻量化制造技术是目前汽车强化的一个发展重点，也是把汽车零部件轻量化的所有潜能充分发挥出来的一种重要手段。本文设计的高档轿车等速万向传动中间轴是采用旋锻工艺加工而成，称为旋锻轴。旋锻轴是采用精密钢管作原料，通过旋转冷成形达到零件外形尺寸要求，并且在采用特殊工装后能使零件的内腔保持需要的形状，可以使零件达到高速稳定、等强度和最少材料使用等特征，材料利用率可达95%以上，是一种替代切削加工的精密成形技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：综合考虑材料强度变化特性、抗疲劳设计方法以及旋锻加工工艺特性设计出变截面变壁厚的空心旋锻轴，包括以下步骤：

步骤一：通过材料强度试验或设计手册，获得材料强度性能，该材料强度性能包括扭转静强度、扭转疲劳强度、扭转载荷—寿命曲线、材料的低载强化特性；

步骤二：把变截面变壁厚旋锻轴分为固定节段、移动节段和中间段

其中，固定节段和移动节段又分别分为花键段，转角约束段和护套段，花键段和万向节内套花键配合，转角约束段与万向节极限转角相关，护套段与万向节防尘套安装相关；

步骤三：根据等速万向传动轴总成性能和尺寸要求，确定固定节段、移动节段和中间段的外形尺寸，实现变截面设计；

步骤四：所述变截面变壁厚旋锻轴的内径尺寸需要同时满足扭转静强度、扭转疲劳强度和旋锻加工工艺的特性要求，由此确定变截面和变壁厚空心旋锻轴各段的内径尺寸，实现变壁厚设计。

另外，本发明所涉及的旋锻轴轻量化设计方法还可以具有这样的特征：其中，花键段的外形尺寸根据固定端等速万向节和移动端等速万向节的内套花键配合确定。

另外，本发明所涉及的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法还可以具有这样的特征：其中，护套段的外形尺寸满足防尘套卡箍安装，并能够防止防尘套轴线移动。

另外，本发明所涉及的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法还可以具有这样的特征：其中，转角约束段的外形尺寸受到万向节的最大弯角的约束。

进一步，上述外形尺寸的设计还可以具有这样的特征：其中，转角约束段的外形尺寸为最大外径，固定节段的转角约束段的最大外径d_gmax满足以下关系式：

d_gmax=2cosα_gmax·(R_g-L_gtanα_gmax)-2δ_g

式中，R_g为固定端等速万向节外套球面半径，L_g为固定端等速万向节回转中心O到外套端口的距离，α_gmax为固定端等速万向节的最大弯角，δ_g为固定端等速万向节防尘套影响尺寸。

所述移动节段的所述转角约束段的最大外径d_hmax，根据移动端等速万向节滑移曲线的极限位置计算所述移动节段的所述转角约束段最大外径尺寸，满足以下关系式：

d_hmax=(D_h-2L_htanα_hmax)·cosα_hmax-2δ_h

式中：D_h为移动节段的等速万向节外套圆柱面直径，L_h为极限位置下移动端等速万向节中心到外套端面的距离，α_hmax为极限位置下移动端等速万向节最大弯角，移动端等速万向节极限位置由等速万向传动轴总成的滑移曲线确定，δ_h为移动端等速万向节防尘套影响尺寸。

另外，本发明所涉及的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法还可以具有这样的特征：其中，中间段的外径依据等速万向传动轴总成外形尺寸确定。

另外，本发明所涉及的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法还可以具有这样的特征：其中，内径尺寸满足静强度、疲劳强度和旋锻加工工艺要求。

进一步，上述内径尺寸的设计还可以具有这样的特征：其中，静强度要求为根据万向传动轴总成传递最大扭矩和材料静强度特性要求，可以求出旋锻轴的最小截面模量，再根据旋锻轴外径尺寸可以得到旋锻轴的最大内径尺寸或最小壁厚；疲劳强度要求为根据万向传动轴总成的设计寿命、旋锻轴材料的疲劳-寿命曲线、材料的低载强化特性、疲劳应力集中系数，可以得到给定寿命下最大应力，再根据最大应力和外径尺寸同样可以求得空心旋锻轴的最大内径尺寸或最小壁厚；结构加工工艺为在确定空心旋锻轴的各段内径尺寸还需考虑结构平稳过渡，满足旋锻加工工艺要求。

发明的作用与效果

根据本发明所提供的变截面变壁厚旋锻轴的设计方法，通过对旋锻轴的内外径尺寸进行分段设计，得到每段均具有特定外部尺寸和特定内部尺寸的旋锻轴，因此，按照本发明所提供的设计方法，能够得到每部分具有不同壁厚的空心旋锻轴，与传统的实心轴相比，材料潜能得到充分发挥，材料利用率高。

另外，由于本发明的设计方法不仅与万向传动轴总成的相关指标有关，还与材料强度特性和加工工艺有关，因此，本发明所提供的设计方法是基于具体材料进行的设计，充分考虑了材料的强度性能，对参照本设计方法进行变截面变壁厚旋锻轴加工具有精确的指导价值。

附图说明

图1是实施例中变截面变壁厚旋锻轴设计分段描述图；

图2为实施例中固定端等速万向节在最大转角（α=α_gmax）时与旋锻轴的位置关系说明图；

图3为实施例中移动端等速万向节在极限位置下（α=α_hmax、S=S_hmax）时旋锻轴的位置关系说明图；

图4是实施例中变截面变壁厚旋锻轴的设计尺寸说明图；

图5为实施例中的实心中间轴的尺寸说明图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法进行详细的说明。

<实施例>

等速万向传动轴总成的相关指标由整车厂和制造厂给出，包括等速万向节的尺寸指标（含有固定节尺寸指标和移动节尺寸指标）、防尘套影响指标δ、静断裂强度指标、疲劳强度指标、热处理指标。

在本实施例中，等速万向传动轴总成的静断裂强度不小于3500Nm，在±1245Nm交变扭矩，循环寿命不小于300000次。热处理指标为旋锻轴整体渗碳淬火回火，表面硬度为630-780HV，心部硬度为480HV。固定节的最大许可转角为48°，外套半径为29.678mm，固定节中心O到外套端口的距离为18mm，固定节防尘套的影响指标约为7mm。移动节最大许可转角为26°，移动节外套半径为55mm，移动节中心O到外套端口的距离为56mm，移动节防尘套的影响指标约为7mm。

材料强度特性包括扭转静强度、扭转疲劳强度和扭转载荷-寿命曲线。

在本实施例中，选择的材料为钢管坯料，牌号为25CrMo4，通过材料强度试验，得到该材料的扭转静强度为297-304MPa，扭转疲劳强度574-588MPa，扭转载荷即内外壁硬度为HB162。

设计目标为得到具有特定壁厚的中间轴，实现中间轴的轻量化。该中间轴由于经由旋锻加工工艺制得，因此在下述内容中称为旋锻轴。

图1是实施例中变截面变壁厚旋锻轴设计分段描述图；

（1）把变截面变壁厚旋锻轴10分为如图1所示的固定节段101、移动节段103和中间段102，其中固定节段101分为花键段1、转角约束段2、和护套段3，移动节段103分为花键段1'，转角约束段2'，和护套段3'。

（2）根据等速万向传动轴总成的性能和尺寸要求，确定固定节段101、移动节段103和中间段102的外形尺寸，实现变截面设计。

①花键段外径确定

花键段1、1'的外径尺寸和相关花键参数根据花键配合标准确定。两端花键段1、1'与万向节内花键配合。

在本实施例中，根据万向节内花键的配合标准，花键段1的参数：齿数27，模数1.0583，压力角45°，螺旋角10°±4'（左旋），花键大径29.64mm，花键小径27.63mm。花键段1'的参数：齿数34，模数0.79375，压力角45°，花键大径27.78mm，花键小径26.26mm。

变截面变壁厚旋锻轴10设计时，花键段1和花键段1'的外径不同的主要原因是固定等速万向节和移动等速万向节结构形式不同、最大弯曲转角不同。

②护套段外径确定

护套段3的外形和尺寸主要是满足防尘套卡箍安装，防止防尘套轴向移动，过渡需要考虑疲劳应力集中系数，台阶高度不小于0.5mm，过渡圆角不小于R10，最大疲劳应力集中系数不大于1.2。

③转角约束段外径确定

图2为实施例中固定端等速万向节在最大转角（α=α_gmax）时与旋锻轴的位置关系说明图。

如图2所示，固定端万向节20的最大转角48°，通过固定端万向节20的特征尺寸确定R_g、L_g，通过防尘套影响确定δ_g，利用式（1）计算固定节段101的转角约束段2的最大外径d_gmax：

d_gmax=2cosα_gmax·(R_g-L_gtanα_gmax)-2δ_g              （1）

式中，R_g为固定端等速万向节外套球面半径，L_g为固定端等速万向节回转中心O到外套端口的距离，α_gmax为固定端等速万向节的最大弯角，δ_g为固定端等速万向节防尘套影响尺寸。

对于本实施例，根据固定万向节外套结构尺寸可以得到固定端万向节特征尺寸R_g=29.678mm、L_g=18mm、防尘套影响δ_g约为7mm，带入式（1）计算和圆整后固定端转角约束段外径取26.5mm。

图3为实施例中移动端等速万向节和旋锻轴的弯曲角和轴线滑移曲线以及轴向滑动极限位置时（α=α_hmax、S=S_hmax）的几何关系说明图。

如图3所示，根据该等速万向传动轴总成的滑移曲线确定移动端等速万向节极限位置，此时移动端最大转角为8°，L_h=56mm。通过移动端万向节30的特征尺寸可确定D_h，防尘套影响确定δ_h后，利用式（2）计算移动节段103的转角约束段1’的最大外径d_hmax：

d_hmax=(D_h-2L_htanα_hmax)·cosα_hmax-2δ_h             （2）

式中：D_h为移动节段的等速万向节外套圆柱面直径，L_h为极限位置下移动端等速万向节中心到外套端面的距离，α_hmax为极限位置下移动端等速万向节最大弯角，移动端等速万向节极限位置由等速万向传动轴总成的滑移曲线确定，δ_h为移动端等速万向节防尘套影响尺寸。

对于本实施例，根据滑移万向节外套结构尺寸可以得到移动端万向节特征尺寸L_h=56mm，D_h=55mm、防尘套影响δ_h约为7mm，带入式（2）计算和圆整后移动端转角约束段外径取25.6mm。

④中间段外径确定

中间段102的外径尺寸影响等速万向传动轴总成外形尺寸，受到汽车整车尺寸限制，一般由主机厂和零部件厂共同确定。

本实施例中假设中间轴外径相对于原实心轴最大外径（29.6mm）增加8%左右，则中间段外径尺寸圆整后取32mm。

⑤过渡尺寸

变截面变壁厚旋锻轴10的过渡尺寸保证结果平稳过渡，在满足旋锻加工工艺条件下，充分考虑疲劳应力集中系数。

本实施例中疲劳应力集中系数为1.2，过渡圆角不小于R8。

（3）变截面变壁厚旋锻轴10的内径尺寸或壁厚需要同时满足静强度、疲劳强度和结构加工工艺特性要求，由此确定变截面变壁厚变旋锻轴10各段的内径尺寸或壁厚，实现变壁厚设计。

①花键段壁厚或内径确定：

花键段的壁厚尺寸主要考虑花键加工工艺，防止花键加工变形，同时满足静强度和疲劳强度要求，根据设计经验取花键段壁厚约为花键大径的20%左右。

本实施例中固定端花键壁厚6mm，移动端端花键壁厚5.5mm

②其余轴段壁厚及内径确定：

转角约束段2、2'，护套段3、3'以及中间段102在外径尺寸已定的情况下，内径尺寸的确定要同时满足静强度和疲劳强度要求，充分发挥材料强度潜能，同时充分考虑旋锻加工工艺特性和疲劳应力集中系数。

旋锻轴静强度

旋锻轴10的各段内径或壁厚要满足等速万向传动轴总成最大静断裂扭矩不小于3500Nm的要求来确定。

旋锻轴疲劳强度

旋锻轴10的内径尺寸或壁厚需要同时满足静强度、疲劳强度和结构加工工艺特性要求，由此确定变截面和变壁厚空心旋锻轴各段的内径尺寸或壁厚，实现变壁厚设计。

根据变截面变壁厚旋锻轴材料的静强度、疲劳强度、应力-寿命曲线、热处理结果等，并且充分考虑加工工艺后，旋锻轴各轴段的最大内径尺寸或最小壁厚如表1所示。

表1旋锻轴各段尺寸（单位：毫米）

*指花键小径尺寸。

（4）变截面和变壁厚空心旋锻轴轻量化设计评估和强度校核。

轻量化评估

图4是实施例中变截面变壁厚旋锻轴的设计尺寸说明图。

图5为实施例中的实心中间轴的尺寸说明图。

用本发明方法设计的变截面和变壁厚空心旋锻轴，最终设计的变截面和变壁厚空心旋锻轴尺寸如图4所示。与图5所示的原始实心轴产品相比，原始实心轴计算重量约2.31kg，通过本发明方法所设计的变截面和变壁厚空心旋锻轴计算重量约1.29kg，减重44.1%，轻量化效果显著。

强度试验评估

①静强度试验:

等速万向节总成进行静强度试验结果如表2所示。

表2静强度实验结果

②疲劳强度试验：

等速万向节总成进行疲劳强度按照±1245Nm交变扭矩加载，疲劳试验结果如表3所示。

表3疲劳寿命试验结果

等速万向传动轴总成的静强度和疲劳强度试验结果表明，本发明方法所设计的变截面和变壁厚空心旋锻轴完全满足要求。

实施例的作用与效果

根据本实施例所提供的变截面变壁厚旋锻轴的设计方法，通过对旋锻轴的内外径尺寸进行分段设计，得到每段均具有特定外部尺寸和特定内部尺寸的旋锻轴，因此，按照本发明所提供的设计方法，能够得到每段具有不同壁厚的空心旋锻轴，与传统的实心轴相比，材料潜能得到充分发挥，材料利用率高。

另外，由于本实施例的设计方法不仅与万向传动轴总成的相关指标有关，还与材料强度特性和加工工艺有关，因此，本实施例所提供的设计方法既考虑到旋锻轴的能够要求，又充分考虑了材料的强度特性和加工特性，是基于强度特征的轻量化方法和轻量化制造技术耦合的设计方法，对参照本设计方法进行变截面变壁厚旋锻轴加工具有精确的指导价值。

当然本发明所涉及的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法并不仅仅限定于上述实施例中的内容。以上内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

另外，上述实施例中材料强度性能通过强度试验获得，本发明所涉及的材料强度性能还可以通过查询设计手册获得。

Claims (8)

1.一种变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

与材料强度性能、等速万向传动轴总成性能和尺寸指标、综合考虑材料强度变化特性、抗疲劳设计方法以及旋锻加工工艺特性设计出变截面变壁厚的空心旋锻轴，包括以下步骤：

步骤一：通过材料强度试验或设计手册，获得所述材料强度性能，所述材料强度性能包括扭转静强度、扭转疲劳强度、扭转载荷—寿命曲线；

步骤二：把变截面变壁厚旋锻轴分为固定节段、移动节段和中间段

其中，所述固定节段和所述移动节段又分别分为花键段，转角约束段和护套段，所述花键段和万向节内套花键配合，所述转角约束段与万向节极限转角相关，所述护套段与万向节防尘套安装相关；

步骤三：根据所述等速万向传动轴总成性能和尺寸要求，确定所述固定节段、所述移动节段和所述中间段的外形尺寸，实现变截面设计；

步骤四：所述变截面变壁厚旋锻轴的内径尺寸需要同时满足所述扭转静强度、所述扭转疲劳强度和所述旋锻加工工艺的特性要求，由此确定变截面和变壁厚空心旋锻轴各段的内径尺寸，实现变壁厚设计。

2.根据权利要求1所述的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

其中，所述花键段的外形尺寸根据固定端等速万向节和移动端等速万向节的内套花键配合确定。

3.根据权利要求1所述的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

其中，所述护套段的外形尺寸满足防尘套卡箍安装，并能够防止防尘套轴线移动。

4.根据权利要求1所述的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

其中，所述转角约束段的外形尺寸受到万向节的最大弯角的约束。

5.根据权利要求4所述的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

其中，所述转角约束段的外形尺寸为最大外径，

所述固定节段的所述转角约束段的所述最大外径d_gmax满足以下关系式：

d_gmax=2cosα_gmax·(R_g-L_gtanα_gmax)-2δ_g

式中，R_g为固定端等速万向节外套球面半径，L_g为固定端等速万向节回转中心O到外套端口的距离，α_gmax为固定端等速万向节的所述最大弯角，δ_g为固定端等速万向节防尘套影响尺寸；

所述移动节段的所述转角约束段的最大外径d_hmax，根据移动端等速万向节滑移曲线的极限位置计算所述移动节段的所述转角约束段最大外径尺寸，满足以下关系式：

d_hmax=(D_h-2L_htanα_hmax)·cosα_hmax-2δ_h

式中：D_h为移动节段的等速万向节外套圆柱面直径，L_h为极限位置下移动端等速万向节中心到外套端面的距离，α_hmax为极限位置下移动端等速万向节最大弯角，移动端等速万向节极限位置由等速万向传动轴总成的滑移曲线确定，δ_h为移动端等速万向节防尘套影响尺寸。

6.根据权利要求1所述的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

其中，所述中间段的外径依据等速万向传动轴总成外形尺寸确定。

7.根据权利要求1所述的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

其中，所述内径尺寸满足静强度、疲劳强度和旋锻加工工艺要求。

8.根据权利要求7所述的变截面变壁厚旋锻轴轻量化设计方法，其特征在于：

其中，所述静强度要求为根据万向传动轴总成传递最大扭矩和材料静强度特性要求，可以求出旋锻轴的最小截面模量，再根据旋锻轴外径尺寸可以得到旋锻轴的最大内径尺寸或最小壁厚；

所述疲劳强度要求为根据万向传动轴总成的设计寿命、旋锻轴材料的疲劳-寿命曲线、疲劳应力集中系数，可以得到给定寿命下最大应力，再根据最大应力和外径尺寸同样可以求得空心旋锻轴的最大内径尺寸或最小壁厚；

所述结构加工工艺为在确定变截面变壁厚旋锻轴的各段内径尺寸还需考虑结构平稳过渡，满足旋锻加工工艺要求。

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