CN106594098B - 一种小型化三球销式移动节的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种优化设计方法，特别涉及一种小型化三球销式移动节的优化设计方法。按以下步骤进行：设计要求→三柱槽壳球道直径的优化→三柱槽壳球道形状的优化→三销架轴颈的优化→三销架材质的优化→三销架轴颈退刀槽部位结构的优化→三销架热处理的优化→三销架内花键齿根圆弧的优化发。一种小型化三球销式移动节的优化设计方法结构紧凑，提升操作性能。
Description
技术领域
本发明是一种优化设计方法，特别涉及一种小型化三球销式移动节的优化设计方法。
背景技术
三球销式移动节是由三球销万向节、三柱槽壳组成。现有三球销式移动节结构较大，在满足强度、寿命要求的前提下，选择的产品的结构较大，随着目前主机厂对于小型化，轻量化提出需求，逐步已经不能满足客户的空间布置要求，不能满足客户日益降低产品重量，满足汽车燃油经济性的要求。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中存在的不足，在满足强度要求、寿命要求的前提下，通过CAE分析，改进优化产品设计结构，减小产品的尺寸，以满足空间布置要求，降低产品重量要求，提高产品性能的一种小型化三球销式移动节的优化设计方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种小型化三球销式移动节的优化设计方法，按以下步骤进行：
(1)、设计要求：
通过优化三球销式移动节的三柱槽壳、三球销万向节的三销架、球环的设计，达到在空间体积减小的前提下，确保产品的静扭强度、扭转疲劳强度、寿命要求跟传统设计一致；
(2)、三柱槽壳球道直径的优化：
为了减小空间体积，势必要减小三柱槽壳的最大外圆直径，三柱槽壳外形减小后势必减小球道PCD直径，为了达到与传统设计一致的强度和寿命要求，因此需要加大球道直径；球道直径的区间值33.10～43.67mm；
(3)、三柱槽壳球道形状的优化：
将原先球道的圆弧形更改成AC型，AC型即两点接触，更加有利于使用中油脂进入球道接触部位，达到对三柱槽壳球道与球环之间的充分润滑，从而提高接触疲劳寿命，使小型化的万向节达到与传动节型一致的耐久寿命要求；AC型球道比传统球道在使用中的滑移阻力更加小，能减少运动中能量的消耗，有更高的传动效率；同时能有效降低轴向力和高频滑移阻力，能有效降低整车存在的横向摆动问题，有更加优越的NVH性能；AC型球道的接触角为10°，球道圆弧半径与球道直径的比值为0.68，球道底隙为0.04-0.10mm；
(4)、三柱槽壳滚道的直径和球环的直径的优化：
通过优化三柱槽壳滚道的直径和球环的直径配合，以减小在工作中承受的应力，从而提高产品寿命和强度，提高球环的抗压碎力，同时显著减小了内部的圆周间隙，有更好的NVH性能；
球环采用了加大内孔直径，加大外球面直径，减小宽度的设计；通过减小宽度可以满足更加小的空间布置要求；通过加大内孔直径，可以在球环内孔和三销架轴颈之间布置更多的滚针，以满足强度和耐久寿命要求；通过加大外球面直径，确保球环内孔和外球面之间的壁厚，有效降低球环内孔和外球面处的应力，达到满足强度和耐久寿命要求；球环内孔直径的区间值22.64～28.27mm；
(5)、三销架轴颈的优化：
三销架轴颈直径加粗，通过轴颈加粗，一方面可以提高轴颈部位的强度，另一方面轴颈加粗后所配的滚针数量增加，在使用中接触到的滚针数量增加，分配到每个滚针上的载荷降低，受到的应力降低，因此就提高了耐久寿命；
三销架轴颈直径的区间值18.62～24.25mm
如某系列的传统设计的三销架轴颈直径是：21.02mm,滚针数量：36根；而小型化后的三销架轴颈直径是：22.34mm，滚针数量：38根；
(6)、三销架材质的优化：
三销架的材质由传统设计的20CrMnTi更改为18CD4或16MnCr5H，提高材料的强度和韧性，满足工艺加工性要求，确保在渗碳淬火后有较高的表面硬度以满足磨损性能的要求，同时零件心部能保持较高韧性，以满足高扭转疲劳寿命的要求；
(7)、三销架轴颈退刀槽部位结构的优化：
将退刀槽部位滚针支承面由传统设计平面更改为斜面设计、控制退刀槽部位圆弧的尺寸、控制退刀槽部位车加工的粗糙度，经过CAE分析可以有效降低此部位的应力，提高扭转疲劳寿命；
斜面的角度为18°，在斜面与退刀槽处采用小圆弧过渡，圆弧尺寸控制到R0.5～R1.0，退刀槽圆弧与轴颈外圆之间采用15°圆弧过渡，同时控制斜面、圆弧的粗糙度Ra1.6以内，通过这样的设计大大降低退刀槽部位的应力集中问题，从而大大提高扭转疲劳寿命；
(8)、三销架热处理的优化：
三销架热处理采用渗碳淬火工艺，通过改进三销架渗碳淬火的装炉方式，三销架内花键串入芯棒、叠放后上面加封盖，零件的内花键部位渗碳气氛以及淬火油均不容易进去，这样就能保证零件内花键部位渗碳层深度和表面硬度得到控制，降低了零件的心部硬度，从而提高了零件的扭转疲劳寿命，扭转疲劳寿命由20万次提高了100万次。
(9)、三销架内花键齿根圆弧的优化：
内花键采用圆齿根，三销架在扭转疲劳寿命中裂开一般从内花键部位开始起裂，通过CAE分析如果采用圆齿根可以有效降低花键部位的应力集中，大大提高疲劳寿命；在满足内、外花键配合的情况下，控制三销架内花键齿根圆弧在R0.35min mm。
因此，本发明提供的一种小型化三球销式移动节的优化设计方法，结构紧凑，提升操作性能。
附图说明
图1是本发明中三柱槽壳球道优化结构示意图；
图2是图1的侧视结构示意图；
图3是本发明中三柱槽壳球道形状优点结构示意图；
图4是本发明中球环优点的结构示意图；
图5是本发明中三销架轴颈的结构示意图；
图6是图5中Ⅱ部的放大结构示意图；
图7是本发明中三销架内花键齿根圆弧优点结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种小型化三球销式移动节的优化设计方法，按以下步骤进行：
(1)、设计要求：
通过优化三球销式移动节的三柱槽壳、三球销万向节的三销架、球环的设计，达到在空间体积减小的前提下，确保产品的静扭强度、扭转疲劳强度、寿命要求跟传统设计一致；
(2)、三柱槽壳球道直径的优化：
为了减小空间体积，势必要减小三柱槽壳的最大外圆直径，三柱槽壳外形减小后势必减小球道PCD直径，为了达到与传统设计一致的强度和寿命要求，因此需要加大球道直径；球道直径的区间值33.10～43.67mm；
(3)、三柱槽壳球道形状的优化：
将原先球道的圆弧形更改成AC型，AC型即两点接触，更加有利于使用中油脂进入球道接触部位，达到对三柱槽壳球道与球环之间的充分润滑，从而提高接触疲劳寿命，使小型化的万向节达到与传动节型一致的耐久寿命要求；AC型球道比传统球道在使用中的滑移阻力更加小，能减少运动中能量的消耗，有更高的传动效率；同时能有效降低轴向力和高频滑移阻力，能有效降低整车存在的横向摆动问题，有更加优越的NVH性能；AC型球道的接触角为10°，球道圆弧半径与球道直径的比值为0.68，球道底隙为0.04-0.10mm；
(4)、三柱槽壳滚道的直径和球环的直径的优化：
通过优化三柱槽壳滚道的直径和球环的直径配合，以减小在工作中承受的应力，从而提高产品寿命和强度，提高球环的抗压碎力，同时显著减小了内部的圆周间隙，有更好的NVH性能；
球环采用了加大内孔直径，加大外球面直径，减小宽度的设计；通过减小宽度可以满足更加小的空间布置要求；通过加大内孔直径，可以在球环内孔和三销架轴颈之间布置更多的滚针，以满足强度和耐久寿命要求；通过加大外球面直径，确保球环内孔和外球面之间的壁厚，有效降低球环内孔和外球面处的应力，达到满足强度和耐久寿命要求；球环内孔直径的区间值22.64～28.27mm；
(5)、三销架轴颈的优化：
三销架轴颈直径加粗，通过轴颈加粗，一方面可以提高轴颈部位的强度，另一方面轴颈加粗后所配的滚针数量增加，在使用中接触到的滚针数量增加，分配到每个滚针上的载荷降低，受到的应力降低，因此就提高了耐久寿命；
三销架轴颈直径的区间值18.62～24.25mm
如某系列的传统设计的三销架轴颈直径是：21.02mm,滚针数量：36根；而小型化后的三销架轴颈直径是：22.34mm，滚针数量：38根；
(6)、三销架材质的优化：
三销架的材质由传统设计的20CrMnTi更改为18CD4或16MnCr5H，提高材料的强度和韧性，满足工艺加工性要求，确保在渗碳淬火后有较高的表面硬度以满足磨损性能的要求，同时零件心部能保持较高韧性，以满足高扭转疲劳寿命的要求；
(7)、三销架轴颈退刀槽部位结构的优化：
将退刀槽部位滚针支承面由传统设计平面更改为斜面设计、控制退刀槽部位圆弧的尺寸、控制退刀槽部位车加工的粗糙度，经过CAE分析可以有效降低此部位的应力，提高扭转疲劳寿命；
斜面的角度为18°，在斜面与退刀槽处采用小圆弧过渡，圆弧尺寸控制到R0.5～R1.0，退刀槽圆弧与轴颈外圆之间采用15°圆弧过渡，同时控制斜面、圆弧的粗糙度Ra1.6以内，通过这样的设计大大降低退刀槽部位的应力集中问题，从而大大提高扭转疲劳寿命；
(8)、三销架热处理的优化：
三销架热处理采用渗碳淬火工艺，通过改进三销架渗碳淬火的装炉方式，三销架内花键串入芯棒、叠放后上面加封盖，零件的内花键部位渗碳气氛以及淬火油均不容易进去，这样就能保证零件内花键部位渗碳层深度和表面硬度得到控制，降低了零件的心部硬度，从而提高了零件的扭转疲劳寿命，扭转疲劳寿命由20万次提高了100万次。
(9)、三销架内花键齿根圆弧的优化：
内花键采用圆齿根，三销架在扭转疲劳寿命中裂开一般从内花键部位开始起裂，通过CAE分析如果采用圆齿根可以有效降低花键部位的应力集中，大大提高疲劳寿命；在满足内、外花键配合的情况下，控制三销架内花键齿根圆弧在R0.35min mm。
Claims (1)
1.一种小型化三球销式移动节的优化设计方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)、设计要求：
通过优化三球销式移动节的三柱槽壳、三球销万向节的三销架、球环的设计，达到在空间体积减小的前提下，确保产品的静扭强度、扭转疲劳强度、寿命要求跟传统设计一致；
(2)、三柱槽壳球道直径的优化：
为了减小空间体积，势必要减小三柱槽壳的最大外圆直径，三柱槽壳外形减小后势必减小球道PCD直径，为了达到与传统设计一致的强度和寿命要求，因此需要加大球道直径；球道直径的区间值33.10～43.67mm；
(3)、三柱槽壳球道形状的优化：
将原先球道的圆弧形更改成AC型，AC型即两点接触，更加有利于使用中油脂进入球道接触部位，达到对三柱槽壳球道与球环之间的充分润滑，从而提高接触疲劳寿命，使小型化的万向节达到与传动节型一致的耐久寿命要求；AC型球道比传统球道在使用中的滑移阻力更加小，能减少运动中能量的消耗，有更高的传动效率；同时能有效降低轴向力和高频滑移阻力，能有效降低整车存在的横向摆动问题，有更加优越的NVH性能；AC型球道的接触角为10°，球道圆弧半径与球道直径的比值为0.68，球道底隙为0.04-0.10mm；
(4)、三柱槽壳滚道的直径和球环的直径的优化：
通过优化三柱槽壳滚道的直径和球环的直径配合，以减小在工作中承受的应力，从而提高产品寿命和强度，提高球环的抗压碎力，同时显著减小了内部的圆周间隙，有更好的NVH性能；
球环采用了加大内孔直径，加大外球面直径，减小宽度的设计；通过减小宽度可以满足更加小的空间布置要求；通过加大内孔直径，可以在球环内孔和三销架轴颈之间布置更多的滚针，以满足强度和耐久寿命要求；通过加大外球面直径，确保球环内孔和外球面之间的壁厚，有效降低球环内孔和外球面处的应力，达到满足强度和耐久寿命要求；球环内孔直径的区间值22.64～28.27mm；
(5)、三销架轴颈的优化：
三销架轴颈直径加粗，通过轴颈加粗，一方面可以提高轴颈部位的强度，另一方面轴颈加粗后所配的滚针数量增加，在使用中接触到的滚针数量增加，分配到每个滚针上的载荷降低，受到的应力降低，因此就提高了耐久寿命；
三销架轴颈直径的区间值18.62～24.25mm
如某系列的传统设计的三销架轴颈直径是：21.02mm,滚针数量：36根；而小型化后的三销架轴颈直径是：22.34mm，滚针数量：38根；
(6)、三销架材质的优化：
三销架的材质由传统设计的20CrMnTi更改为18CD4或16MnCr5H，提高材料的强度和韧性，满足工艺加工性要求，确保在渗碳淬火后有较高的表面硬度以满足磨损性能的要求，同时零件心部能保持较高韧性，以满足高扭转疲劳寿命的要求；
(7)、三销架轴颈退刀槽部位结构的优化：
将退刀槽部位滚针支承面由传统设计平面更改为斜面设计、控制退刀槽部位圆弧的尺寸、控制退刀槽部位车加工的粗糙度，经过CAE分析可以有效降低此部位的应力，提高扭转疲劳寿命；
斜面的角度为18°，在斜面与退刀槽处采用小圆弧过渡，圆弧尺寸控制到R0.5～R1.0，退刀槽圆弧与轴颈外圆之间采用15°圆弧过渡，同时控制斜面、圆弧的粗糙度Ra1.6以内，通过这样的设计大大降低退刀槽部位的应力集中问题，从而大大提高扭转疲劳寿命；
(8)、三销架热处理的优化：
三销架热处理采用渗碳淬火工艺，通过改进三销架渗碳淬火的装炉方式，三销架内花键串入芯棒、叠放后上面加封盖，零件的内花键部位渗碳气氛以及淬火油均不容易进去，这样就能保证零件内花键部位渗碳层深度和表面硬度得到控制，降低了零件的心部硬度，从而提高了零件的扭转疲劳寿命，扭转疲劳寿命由20万次提高了100万次；
(9)、三销架内花键齿根圆弧的优化：
内花键采用圆齿根，三销架在扭转疲劳寿命中裂开一般从内花键部位开始起裂，通过CAE分析如果采用圆齿根可以有效降低花键部位的应力集中，大大提高疲劳寿命；在满足内、外花键配合的情况下，控制三销架内花键齿根圆弧在R0.35min mm。
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