CN108779795A - 轴 - Google Patents

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喜多昭彦
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Abstract

轴具有从内部朝径向外侧延伸并在外周面开口的孔。孔的开口是在从轴的径向观察时包含第一曲率和小于第一曲率的第二曲率的外形形状。另外，孔在轴的径向上具有：从开口端朝径向内侧维持外径形状而延伸到规定长度的外侧孔部、孔径比外侧孔部小的筒状的内侧孔部、以及从外侧孔部向内侧孔部缩径的缩径部。而且，从轴的径向外侧朝其内侧形成为按外侧孔部、缩径部、内侧孔部的顺序排列。

Description

轴
技术领域
本说明书中公开的发明涉及轴。
背景技术
以往，作为这种轴，提出了一种在自动变速器中使用并具有从内部沿径向延伸而在外周面开口的润滑孔的轴(例如参照日本专利文献1)。该轴具有沿着相对于该轴的轴向偏移45度的方向的长孔状的润滑孔。在轴的径向上，润滑孔按照在内径侧近似为圆形，随着从内径侧趋向外径侧，孔扩展为长孔状的方式由锥形(倒角形状)形成。由此，针对与扭矩的传递相伴的轴的扭转，能够减少应力集中，提高耐久性。
专利文献1：美国专利第8187133号
对于现有的轴而言，虽然与圆形的润滑孔相比确认了针对轴的扭转而使应力集中减少的效果，但由于孔的倒角形状而存在无法充分减少应力集中的可能性，尚有改善的余地。
发明内容
本发明的主要目的在于，进一步提高具有从内部朝径向外侧延伸并在外周面开口的孔的轴相对于扭转的强度。
本发明为了实现上述主目的而采用以下机构。
本发明的轴是因外力而旋转的轴，其特征在于，上述轴具有从内部朝径向外侧延伸并在外周面开口的孔，上述孔的开口是在从上述轴的径向观察时包含第一曲率和小于该第一曲率的第二曲率的外形形状，上述孔在上述轴的径向上具有：从开口端向径向内侧维持上述外形形状而延伸到规定长度的外侧孔部、孔径比上述外侧孔部小的筒状的内侧孔部、以及从上述外侧孔部向上述内侧孔部缩径的缩径部，从上述轴的径向外侧朝该轴的内侧，形成为按上述外侧孔部、上述缩径部、上述内侧孔部的顺序排列。
在本发明的轴中，具有从内部朝径向外侧延伸并在外周面开口的孔，孔的开口是在从轴的径向观察时包含第一曲率和小于第一曲率的第二曲率的外形形状。而且，孔在轴的径向上具有：从开口端朝径向内侧维持外形形状而延伸到规定长度的外侧孔部、孔径比外侧孔部小的筒状的内侧孔部、以及从外侧孔部向内侧孔部缩径的缩径部，从轴的径向外侧朝其内侧，形成为按外侧孔部、缩径部、内侧孔部的顺序排列。由此，在对轴施加了扭转方向的力时若由小于第一曲率的第二曲率的面形成孔的开口部(外侧孔部)的内周面中的拉伸应力作用的面，则能够由该第二曲率的面分散拉伸应力，能够避免应力集中。另外，通过利用缩径部(曲面)平滑地连结开口部(外侧孔部)与内侧孔部之间，还能避免开口部(外侧孔部)与内侧孔部之间的应力集中。结果，能够进一步提高轴抗扭转的强度。这里，第二曲率除了曲面(曲线)之外，也包含零曲率即平面(直线)。
附图说明
图1是表示本实施方式涉及的轴20的外观的外观图。
图2是表示图1的轴20的A-A剖面的剖视图。
图3是将图1的轴20的B区域放大表示的局部放大图。
图4是表示图1的轴20的C-C剖面的剖视图。
图5是表示油孔24的开口部241和扩径部243的形状的说明图。
图6A是表示油孔24的形成工序的一个例子的说明图。
图6B是表示油孔24的形成工序的一个例子的说明图。
图6C是表示油孔24的形成工序的一个例子的说明图。
图6D是表示油孔24的形成工序的一个例子的说明图。
图7A是表示向轴20输入旋转扭矩的情形的说明图。
图7B是表示向轴20输入旋转扭矩的情形的说明图。
图8A是表示在本实施方式的轴的油孔中将相对于轴线呈45度倾斜的面作为作用面的米塞斯应力的分布的图表。
图8B是表示在比较例的轴的油孔中将相对于轴线呈45度倾斜的面作为作用面的米塞斯应力的分布的图表。
图9是表示其它实施方式涉及的轴20B的说明图。
具体实施方式
接下来，参照附图来说明用于实施本发明的方式。其中，附图、正文中的Cr、φ等记载作为符号使用，并非表示实际的曲率、半径等。
图1是表示本实施方式涉及的轴20的外观的外观图，图2是表示图1的轴20的A-A剖面的剖视图，图3是将图1的轴20的B区域放大表示的局部放大图，图4是表示图1的轴20的C-C剖面的剖视图，图5是表示油孔24的开口部241和扩径部243的形状的说明图。
本实施方式的轴20例如作为对来自被搭载于车辆的发动机、马达等动力源的动力进行变速并传递至与驱动轮连结的车轴的变速器用的轴而使用。作为变速器用的轴，例如可举出被输入来自动力源的动力的输入轴、被传递来自输入轴的动力的各种轴(中间轴等)、被变速器所具备的行星齿轮的行星架支承的小齿轮轴等。
轴20是钢制的轴，在其内部形成有沿轴向延伸的油路22、和从油路22朝径向外侧延伸并在外周面开口的油孔24、26。轴20例如从油孔26导入润滑/冷却用的工作油，经由油路22从油孔24排出。
如图3所示，油孔24的开口部(外侧孔部)241具有在周向上曲率大小不同的非圆形的内周面。即，开口部241的内周面在轴20的轴线方向和与轴线正交的方向的4个位置分别具有第一曲率Cr1的第一曲面241a，并且在与轴20的轴线呈45度方向的4个位置分别具有比第一曲率Cr1小的第二曲率Cr2的第二曲面241b。在周向邻接的第一曲面241a与第二曲面241b平滑连结。即，为了形成为使在第一曲面241a产生的剪切应力的大小、与在第二曲面241b产生的压缩应力和拉伸应力的大小成为相等大小的尺寸，通过最大限度地确保第二曲面241b的圆弧部分的长度并且利用第一曲面241a平滑地连结相邻的第二曲面241b与第二曲面241b之间，从而形成开口部241的内周面。
油孔24的内部(内侧孔部)242具有内径小于开口部241(外侧孔部)的内径(短边的内径)的圆形的内周面，如图4所示，在开口部241与内部242之间形成有从内部242向开口部241以曲率Cr3呈圆弧状扩径的扩径部243(相对于从开口部241朝向内部242的方向呈圆弧状缩径的缩径部)。开口部241与内部242由扩径部243平滑地连结。如图4所示，扩径部243由以随着从内部242的内周面趋向于开口部241的内周面，扩径的变化率变小的方式弯曲为凹状的凹曲面形成。由此，能够使应力不集中于扩径部243。另外，该情况下，由于扩径部243与内部242的边界部的形状不连续，所以为了避免应力在该部位集中而赋予平滑地连结的圆角(R)。
图6A、图6B、图6C、图6D是表示油孔24的形成工序的一个例子的说明图。以如下方式形成油孔24。首先，利用钻头等进行通过轴20的轴心并沿径向贯通的开孔加工(参照图6A)。接下来，通过冲压、切削等将由开孔加工形成的孔的开口面积扩大而进行形成开口部241和扩径部243的锪孔加工(参照图6B)。如上所述，由于使扩径部243成为凹曲面，所以能够利用冲压等容易地形成扩径部243。另外，扩径部243中扩径的变化率最大的部位为内部242与扩径部243的边界部，由于从扩径部243的内周面向内部242的内周面呈山状变化，所以之后的赋予圆角加工也容易进行。然后，对形成的扩径部243与内部242的边界进行通过冲压、切削等赋予平滑的圆角(R)的圆角赋予加工(参照图6C)，对孔的相反一侧也施以上述的锪孔加工和圆角赋予加工(参照图6D)，由此完成。此外，若这样在轴20中形成包含油孔24在内的全部的油路22、油孔26，则对轴20实施热处理，然后研磨外周面。这样，在热处理前、即在使轴20固化前执行油孔24的形成。由此，能够容易且高精度地执行上述的锪孔加工、圆角赋予加工。
现在，考虑轴20被赋予了旋转扭矩的情况。该情况下，相对于轴20的轴线，沿油孔24的横剖面和纵剖面作用有剪切应力。在油孔的开口部，在与剪切应力产生的面呈45度倾斜的面产生拉伸和压缩的应力，压缩/拉伸应力的值都与轴半径处的剪切应力的值相等。另外，对与拉伸应力最大的面呈90度倾斜的面作用压缩应力。在本实施方式的轴20中，作为孔24的内周面，在被赋予了旋转扭矩时，由较大的第一曲率Cr1的第一曲面241a形成剪切应力作用的面，由较小的第二曲率Cr2的第二曲面241b形成压缩应力或者拉伸应力作用的面。由此，由于能够使相对于轴20的扭转而作用于油孔24的内周面的拉伸应力被第二曲面241b分散，所以能够提高轴20抗扭转的强度。
图8是表示在轴的油孔中将与轴线呈45度倾斜的面作为作用面的米塞斯应力的分布的图表。图8A表示本实施方式的油孔24中的分布，图8B表示比较例的油孔中的分布。此外，在比较例中，使用的是对油孔的开口部实施了倒角角度为45度且在周向上曲率恒定(圆形)的倒角(锥面)的结构。此外，在图8的例子中，使用在垂直于油孔的延伸方向且通过轴的轴线的面被分割的分割轴，将该分割轴的一端固定并且对另一端沿正反两个方向施加500Nm的旋转扭矩，在油孔的作用面按从轴表面(外周面)朝向径向内侧的每个距离计测产生应力来进行模拟。如图所示，将本实施方式中的油孔24的作用面处的米塞斯应力的最大值设为σ1，将比较例中的油孔的作用面处的米塞斯应力的最大值设为σ2，σ1的值小于σ2的值。这样，确认为在具有本实施方式的油孔24的轴20中，相比具有比较例的油孔的轴，针对扭转的应力适当分散，确保了高强度。特别是在比较例的轴的油孔中，米塞斯应力表现出最大值σ2的位置是倒角的根部，通过将倒角(锥面)置换为扩径部243(曲面)，能够相对于轴20的扭转得到高强度。
这里，例如考虑具备经由离合器连接于自动变速器的输入轴的发动机、和连接于输入轴的马达，且轴20作为输入轴或中间轴而构成的车辆。在该车辆中，轴20的扭转的方向在车辆驱动时(加速时)从发动机、马达输出驱动扭矩的情况、与在车辆制动时(减速时)从马达输出制动扭矩(再生扭矩)的情况呈反向。在本实施方式的轴20中，如图7A、图7B所示，油孔24的开口部241在相对于轴20的轴线方向因驱动扭矩朝扭转侧倾斜了45度(图7A中为+45度)的方向和因制动扭矩朝扭转侧倾斜了45度(图7B中为-45度)的方向的两侧，由小于上述第一曲率Cr1的第二曲率Cr2的第二曲面241b形成。因此，在车辆驱动时从发动机、马达输出较大的驱动扭矩的情况下，能够相对于因该驱动扭矩引起的轴20的扭转确保高的强度(耐久性)，并且在车辆制动时从马达输出较大的制动扭矩(再生扭矩)的情况下，也能够相对于因该制动扭矩引起的轴20的扭转确保高的强度(耐久性)。
根据以上说明的本实施方式的轴20，在从内部朝径向外侧延伸的油孔24的开口部241，形成沿周向变化为大小不同的曲率的非圆形的内周面，作为开口部241的内周面，使轴20的轴线方向的面和与轴20的轴线正交方向的面、即被赋予旋转扭矩时剪切应力作用的面由较大的第一曲率Cr1的第一曲面241a形成，使与轴20的轴线呈45度方向的面、即被赋予旋转扭矩时压缩应力或者拉伸应力作用的面由小于第一曲率Cr1的第二曲率Cr2的第二曲面241b形成。由此，能够有效地使伴随着轴20的扭转而作用于油孔24的开口部241的内周面的拉伸应力分散，能够提高轴20的强度。并且，由于开口部(外侧孔部)241与内部(内侧孔部)242之间通过扩径部243(缩径部)平滑地连结，所以也能够避免开口部241与内部242之间的应力集中，能够进一步提高轴20的强度。因此，与对油孔的开口部施以圆形的倒角的现有的轴相比，能够应对更大的旋转扭矩的传递，若是大小相同的旋转扭矩，则与现有的轴相比能够进一步减小外径。
在上述的实施方式中，在油孔24的开口部241形成具有大小不同的两个曲率(第一曲率Cr1、第二曲率Cr2)的内周面(第一曲面241a、第二曲面241b)，但也可以形成具有3个以上曲率的内周面。例如，在将轴作为使来自发动机、马达的动力变速而传递至车轴的变速器用的轴使用的情况下，当按曲率从小到大的顺序设为曲率A、曲率B、曲率C时，作为油孔的内周面，使与轴的轴线方向因驱动扭矩(发动机扭矩、马达扭矩)朝扭转侧倾斜了45度(+45度)的方向的面由曲率A的曲面(或者平面)形成，使与轴的轴线方向因制动扭矩(发动机制动器、马达再生扭矩)朝扭转侧倾斜了45度(-45度)的方向的面由曲率B的曲面形成，并能够利用曲率C的曲面平滑地连结曲率A的曲面与曲率B的曲面。
在上述的实施方式中，在油孔24的开口部241，使与轴20的轴线呈45度方向的面由小于第一曲率Cr1的第二曲率Cr2的第二曲面241b形成，但也可以如图9的其它实施方式的轴20B所示，由零曲率作为第二曲率Cr2的面即平面241c形成。该情况下，只要形成为将第一曲面241a与平面241c在周向上平滑地连结即可。
在上述的实施方式中，包含相对于轴20的轴线所有呈45度方向在内的范围(图3的4个位置)由第二曲面241b或者平面241c形成，但也可以是包含与轴20的轴线呈45度方向的一个范围、和包含与该一个范围对置的45度方向的范围的两个位置(仅图7A的范围和图7B的范围中的一方)由第二曲面241b或者平面241c形成。
在上述的实施方式中，由按照扩径的变化率随着从内部242的内周面趋向于开口部241的内周面而变小的方式弯曲为凹状的凹曲面形成了扩径部243，但不限定于此，也可以由按照扩径的变化率随着从内部242的内周面趋向于开口部241的内周面而变大的方式弯曲为凸状的凸曲面形成扩径部243，由此也能避免在该扩径部处的应力集中。该情况下，由于扩径部与开口部241的边界部的形状不连续，所以为了避免在该部位处的应力的集中，可以赋予平滑连结的圆角(R)。
如以上说明那样，本发明的轴是因外力而旋转的轴(20)，其特征在于，具有从内部朝径向外侧延伸并在外周面开口的孔(24)，上述孔(24)的开口是在从上述轴的径向观察时包括第一曲率(Cr1)和小于该第一曲率(Cr1)的第二曲率(Cr2)的外形形状，上述孔在上述轴的径向上具有：从开口端朝径向内侧维持上述外形形状而延伸至规定长度的外侧孔部(241)、孔径比上述外侧孔部(241)小的筒状的内侧孔部(242)、以及从上述外侧孔部(241)朝上述内侧孔部(242)缩径的缩径部(243)，从上述轴(20)的径向外侧朝该轴(20)的内侧，形成为按上述外侧孔部(241)、上述缩径部(243)、上述内侧孔部(242)的顺序排列。
在本发明的轴中，具有从内部朝径向外侧延伸并在外周面开口的孔，其中，孔的开口是在从轴的径向观察时包括第一曲率和小于第一曲率的第二曲率的外形形状。而且，孔在轴的径向上具有从开口端朝径向内侧维持外形形状而延伸到规定长度的外侧孔部、孔径比外侧孔部小的筒状的内侧孔部、以及从外侧孔部向内侧孔部缩径的缩径部，从轴的径向外侧朝该内侧，形成为按外侧孔部、缩径部、内侧孔部的顺序排列。由此，在对轴施加了扭转方向的力时若由小于第一曲率的第二曲率的面形成孔的开口部(外侧孔部)的内周面中的拉伸应力作用的面，则能够由该第二曲率的面分散拉伸应力，能够避免应力集中。另外，通过利用缩径部(曲面)平滑地连结开口部(外侧孔部)与内侧孔部之间，还能避免开口部(外侧孔部)与内侧孔部之间的应力集中。结果，能够进一步提高轴抗扭转的强度。这里，第二曲率除了曲面(曲线)之外，也包含零曲率、即平面(直线)。
在这样的本发明的轴中，上述外侧孔部(241)的内周面也可以在相对于上述轴(20)的轴线方向朝该轴(20)的扭转侧倾斜了45度的方向形成上述第二曲率的面，在上述轴(20)的轴线方向形成上述第一曲率的面。这样，由于对于轴的扭转而拉伸应力最大的面由第二曲率的面形成，所以能够更可靠地使应力分散。
或者，在本发明的轴中，上述外侧孔部(241)的内周面可以在相对于上述轴的轴线方向倾斜了+45度的方向和倾斜了-45度的方向形成上述第二曲率的面。这样，即使在轴的扭转在正反两个方向产生的情况下，也能够更可靠地使应力分散。
另外，在本发明的轴中，上述外侧孔部(241)可以从开口端朝径向内侧与上述轴(20)的轴线垂直地维持上述外形形状而延伸到规定长度。其中，与轴的轴线垂直不仅是严格意义上的垂直，也允许在通过冲压加工形成孔的情况下产生的凹陷、必要的冲孔角度程度的倾斜。
并且，在本发明的轴中，上述缩径部(243)的内周面也可以由相对于上述孔的延伸方向弯曲为凹状的凹曲面形成。这样，能够将孔的内部的油的润滑/供给性能保持为与现有的油孔同等程度地抑制应力集中在孔的外侧孔部(开口部)与内侧孔部(内部)之间的直径不同的部分，能够进一步提高轴的强度。另外，由于使缩径部的内周面为凹曲面，所以能够通过冲压加工等容易地形成缩径部
以上说明了本发明的实施方式，但本发明不受这样的实施方式的任何限定，在不脱离本发明宗旨的范围内可以以各种方式实施。
工业上的可利用性
本发明能够应用于轴的制造工业。

Claims (5)

1.一种轴，因外力而进行旋转，其中，
上述轴具有从内部朝径向外侧延伸并在外周面开口的孔，
上述孔的开口是在从上述轴的径向观察时包含第一曲率和小于该第一曲率的第二曲率的外形形状，
上述孔在上述轴的径向上具有：从开口端向径向内侧维持上述外形形状而延伸到规定长度的外侧孔部、孔径比上述外侧孔部小的筒状的内侧孔部、以及从上述外侧孔部向上述内侧孔部缩径的缩径部，从上述轴的径向外侧朝该轴的内侧形成为按上述外侧孔部、上述缩径部、上述内侧孔部的顺序排列。
2.根据权利要求1所述的轴，其中，
上述外侧孔部的内周面在相对于上述轴的轴线方向朝该轴的扭转侧倾斜了45度的方向形成上述第二曲率的面，在上述轴的轴线方向形成上述第一曲率的面。
3.根据权利要求1所述的轴，其中，
上述外侧孔部的内周面在相对于上述轴的轴线方向倾斜了+45度的方向和倾斜了-45度的方向形成上述第二曲率的面。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的轴，其中，
上述外侧孔部从开口端朝径向内侧与上述轴的轴线垂直地维持上述外形形状而延伸到规定长度。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的轴，其中，
上述缩径部的内周面由相对于上述孔的延伸方向弯曲为凹状的凹曲面形成。
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