CN115422679A - 花键过盈量设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种花键过盈量设计方法，方法包括：获取花键的花键参数，根据花键参数确定传感器粘贴位置；在传感器粘贴位置粘贴应力‑应变传感器，对花键进行压装实验测试，利用应力‑应变传感器采集得到测试应力；根据压装实验测试对花键进行有限元仿真，得到过盈量初始值和仿真应力，若仿真应力与测试应力之间的差值小于第一预设阈值，则将过盈量初始值作为过盈量设计结果。该方法，可以实现对花键过盈量的合理设计。

Description

花键过盈量设计方法
技术领域
本发明涉及花键技术领域，尤其涉及一种花键过盈量设计方法。
背景技术
变速器在传递扭矩过程中，通过轴、齿轮及同步器换挡装置之间的相互配合实现了扭矩大小及方向的不断变化，为了减少扭矩的不断变化对变速器零部件造成的损伤，同步器齿毂与轴之间的联接方式采用了花键过盈联结。花键过盈联结具有传递扭矩大、自动定心精度高、承受变载冲击的性能好、互换性高等优点，花键过盈联结被广泛应用于汽车、船舶、航空、航天、重型机械等领域。
同步器齿毂与轴的花键过盈量的合理设计决定着同步器的精度和使用寿命，过盈量设计过大，齿毂与轴在装配后其变形随之变大，从而对同步器的精度造成影响，甚至会对花键自身造成损伤而无法使用；过盈量设计过小，齿毂和轴在传递动力过程中容易出现打滑现象，对其花键进行磨损，从而降低同步器的使用寿命。但是，相关技术中无法知晓在装配后花键过盈量实际产生的应力，导致无法合理设计花键的过盈量。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种花键过盈量设计方法，以合理设计花键过盈量。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种花键过盈量设计方法，所述方法包括：获取花键的花键参数，根据所述花键参数确定传感器粘贴位置；在所述传感器粘贴位置粘贴应力-应变传感器，对所述花键进行压装实验测试，利用所述应力-应变传感器采集得到测试应力；根据所述压装实验测试对所述花键进行有限元仿真，得到过盈量初始值和仿真应力，若所述仿真应力与所述测试应力之间的差值小于第一预设阈值，则将所述过盈量初始值作为过盈量设计结果。
本发明实施例的花键过盈量设计方法，通过花键参数确定传感器粘贴位置，在该位置处粘贴传感器以采集得到压装实验测试过程中的测试应力，并根据压装实验测试对花键进行有限元仿真得到过盈量初始值和仿真应力，从而将实际应力与仿真应力进行比对，若实际应力与仿真应力之间的偏差在合理范围内，则确定该过盈量初始值为最终的过盈量设计结果，从而对过盈量产生的应力能够进行量化，为过盈量的合理设计提供了参考依据，实现对花键过盈量的合理设计，提升使用花键的设备如同步器的传递精度及使用寿命。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一个实施例的花键过盈量设计方法的流程图；
图2是本发明一个示例的压装实验测试系统图；
图3是本发明另一个实施例的花键过盈量设计方法的流程图；
图4是本发明一个示例的花键过盈量设计方法的示意图；
图5是本发明另一个示例的花键过盈量设计方法的示意图。
具体实施方式
下面参考附图描述本发明实施例的花键过盈量设计方法，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。参考附图描述的实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。
图1是本发明一个实施例的花键过盈量设计方法的流程图。
如图1所示，花键过盈量设计方法，包括：
S11，获取花键的花键参数，根据花键参数确定传感器粘贴位置。
S12，在传感器粘贴位置粘贴应力-应变传感器，对花键进行压装实验测试，利用应力-应变传感器采集得到测试应力。
S13，根据压装实验测试对花键进行有限元仿真，得到过盈量初始值和仿真应力，若仿真应力与测试应力之间的差值小于第一预设阈值，则将过盈量初始值作为过盈量设计结果。
其中，上述第一预设阈值的取值范围为8％～12％，例如可以为10％，即若测量应力与仿真应力的误差在10％内，即可将仿真应力对应的过盈量作为过盈量设计结果，从而防止因测量误差、加工误差和视觉误差等因素对最终得到的过盈量设计结果构成影响，比如说，由于机械设备的振动，导致花键齿形、齿向与理论齿形、齿向存在误差，在粘贴应力-应变传感器过程中，零件上虽然存在引导线，但视觉上仍然存在误差。
上述有限元仿真为根据压装实验测试方法进行的仿真，可以获取所述压装实验测试中的实验参数，根据所述实验参数对所述花键进行所述有限元仿真。比如说，上述花键可以为齿毂与轴的内外花键，上述压装实验测试可以采用图2所示的设备进行，其中，1为压力机控制台，2为压力机冲头，3为套筒，4为齿毂，5为轴，6为定位块，7为eDAQ数据采集系统，8为电脑，在对压力机冲头、套筒、齿毂、轴、定位块的位置进行调试之后即可进行压装实验测试，且在测试过程中定位块要与压力机冲头保持在同一条直线上，避免发生倾斜影响测试结果。在进行压装实验测试之后，可以获取其中的实验参数，如压力机冲头的冲头位移。
上述对花键进行有限元仿真可以为根据的内外花键压装实验测试方法，对其进行有限元仿真，得到仿真应力，例如可以根据图2所示的设备和具体的测试方法进行仿真，将轴进行固定，套筒顶部加载轴向强制位移，实验获得的冲头位移作为位移输入条件，套筒与齿毂之间做摩擦接触，内外花键之间做过盈、摩擦接触，且在该有限元仿真中摩擦系数的取值例如可以为0.1。
由此，可以实现在对花键进行有限元仿真得到过盈量初始值和仿真应力之后，根据花键参数确定传感器粘贴位置，在该位置处粘贴传感器以采集得到压装实验测试过程中的测试应力，从而将实际应力与仿真应力进行比对，若实际应力与仿真应力之间的偏差在合理范围内，则确定该过盈量初始值为最终的过盈量设计结果，从而实现对花键过盈量的合理设计。
在本发明的一个实施例中，参见图3，根据花键参数确定传感器粘贴位置，包括：
S31，根据花键参数计算得到实际过盈量。
S32，将实际过盈量按照圆柱坐标系进行分解，得到圆周方向过盈量和半径方向过盈量。
S33，根据圆周方向过盈量和半径方向过盈量确定传感器粘贴位置。
其中，由于不同国家地区在花键加工工艺上采用不同的标准，其设计、加工、测量方法也存在差异，例如：GB标准、ISO标准、DIN标准、ASNI标准、JIS标准、NF标准等，因而在具体应用的过程中，需要以花键在加工时采用的具体标准为基础进行设计、加工、测量，在本发明的一个具体示例中，在DIN标准的基础上进行设计、加工、测量。上述花键参数包括：花键的基圆半径和花键上的第一预设点的第一压力角，在对花键进行花键参数检测时，可以依据标准DIN5480-2006进行。该对花键参数的检测可以在直角坐标系下进行检测，在得到检测结果后将其转换至预设的圆柱坐标系下即可。
为了更好地描述本发明实施例的技术方案，下面以图4所示的具体示例进行详细说明。
在该具体示例中，花键为内花键，同步器齿毂与轴花键过盈联结部分的齿形为渐开线形，由于齿毂和轴的花键在压装过程中，轴向两端不封闭，花键齿形方向上可认为轴向应力等于零，内外花键的装配可以简化成二向应力状态进行分析,将坐标系由直角坐标系转换为圆柱坐标系，并对花键过盈量进行分解。
具体地，参见图4，ef为压装前的内花键右侧齿形，ab为压装后的内花键右侧齿形，点M为ef任意半径圆上的点，即该M可为ef上任意点，同时为上述第一预设点，点P为过点M的直线与基圆的切点，M′点为压装后M点受挤压变形后偏移到齿形ab上的点，m为OM'与上述任意半径圆的交点，M″为齿形ab与任意半径圆的交点。则PM为渐开线ef在M点的发生线,P″M″为渐开线ab在M″的发生线。rb为基圆半径，α1为第一压力角。
具体地，在压装过程中，点M受到垂直于ef的挤压力，压力方向与发生线PM重合，P、M、M′三点在同一条直线上，即M′M为内花键单侧压缩量，为上述实际过盈量,M′M＝Δ1。
齿形ef的方程式可表示为：
Figure BDA0003827380430000041
由图4可知：
Figure BDA0003827380430000042
则：
Figure BDA0003827380430000043
Figure BDA0003827380430000044
根据坐标系变换法则，齿形ab可通过ef逆时针旋转
Figure BDA0003827380430000045
获得，其方程式可表示为：
Figure BDA0003827380430000046
Figure BDA0003827380430000047
如图4所示，以原齿形ef上的M为研究对象，实际过盈量Δ1可分解为半径向方向过盈量Δr(即线段mM′)和圆周向方向过盈量
Figure BDA0003827380430000048
(即圆弧Mm)。当过盈量已知时，由于齿形ef参数为已知条件，齿形ab由上述齿形ab的方程式计算求得，可以根据花键齿形渐开线的几何性质求得圆周方向过盈量和半径方向过盈量。
其中，花键过盈装配后的半径方向过盈量为：
Δr＝OM′-OM，
其中：
Figure BDA0003827380430000049
α2为M′点压力角；α1为上述第一压力角。
利用花键齿形渐开线的角之间的关系，推出α2与α1之间的关系式，即
Figure BDA00038273804300000410
将半径方向过盈量方程转化为只含已知条件的参变量α1的方程，则
Figure BDA00038273804300000411
花键过盈装配后的圆周方向过盈量为：
Figure BDA00038273804300000412
圆周方向过盈量方程转化为只含已知条件参变量α1的方程为：
Figure BDA0003827380430000051
同理，若花键为外花键，则计算式与上述内花键计算式相同，但方向相反。
在得到圆周方向过盈量和半径方向过盈量之后，即可根据两个过盈量确定传感器粘贴位置。
在本发明的一个实施例中，根据圆周方向过盈量和半径方向过盈量确定传感器粘贴位置，包括：获取圆周方向过盈量和半径方向过盈量之间的大小关系；根据大小关系确定传感器粘贴位置。
其中，圆周方向过盈量大于半径方向过盈量，即圆周方向的敏感度高于半径方向，在测试过程中更易于获取试验测试数据，因而确定传感器粘贴位置为使应力-应变传感器采集圆周方向应力的位置。
在一个具体示例中，由于考虑齿毂在设计过程中，其圆柱面的圆心与花键基圆是同心的，卡爪槽底部与花键基圆的同心圆相切，因而可将应力-应变传感器选在卡爪槽底部，方向为与卡爪槽底部相切方向，比如说，对于如图4所示的具体示例，圆周方向过盈量大于半径方向过盈量，则应力-应变传感器选在卡爪槽底部与上述基圆的切点P对应的位置。
在确定传感器粘贴位置后，即可粘贴应力-应变传感器以进行压装实验测试，以图5所示的示例进行说明，在图5中，AB为压装前状态，A’B’为压装后的状态，
Figure BDA0003827380430000052
为过盈量在圆周方向的应力，σr为过盈量在半径方向上产生的应力，σr+dσr为在压装后半径方向上的应力，并令应力-应变传感器显示的测量应力为σc。在压装实验测试过程中测量位置在半径方向上受压，在圆周方向上受拉，其圆周方向应力与测量点相切，并与传感器存在一个夹角θ，此时的测量应力σc与圆周方向应力
Figure BDA0003827380430000053
存在关系：
Figure BDA0003827380430000054
由于在测试过程中θ近似等于零，因而
Figure BDA0003827380430000055
综上，本发明实施例的花键过盈量设计方法，通过花键参数确定传感器粘贴位置，在该位置处粘贴传感器以采集得到压装实验测试过程中的测试应力，并根据压装实验测试对花键进行有限元仿真得到过盈量初始值和仿真应力，从而将实际应力与仿真应力进行比对，若实际应力与仿真应力之间的偏差在合理范围内，则确定该过盈量初始值为最终的过盈量设计结果，从而对过盈量产生的应力能够进行量化，为过盈量的合理设计提供了参考依据，实现对花键过盈量的合理设计，提升使用花键的设备如同步器的传递精度及使用寿命。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种花键过盈量设计方法，其特征在于，所述方法包括：
获取花键的花键参数，根据所述花键参数确定传感器粘贴位置；
在所述传感器粘贴位置粘贴应力-应变传感器，对所述花键进行压装实验测试，利用所述应力-应变传感器采集得到测试应力；
根据所述压装实验测试对所述花键进行有限元仿真，得到过盈量初始值和仿真应力，若所述仿真应力与所述测试应力之间的差值小于第一预设阈值，则将所述过盈量初始值作为过盈量设计结果。
2.根据权利要求1所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述根据所述花键参数确定传感器粘贴位置，包括：
根据所述花键参数计算得到实际过盈量；
将所述实际过盈量按照圆柱坐标系进行分解，得到圆周方向过盈量和半径方向过盈量；
根据所述圆周方向过盈量和所述半径方向过盈量确定所述传感器粘贴位置。
3.根据权利要求2所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述花键参数，包括：所述花键的基圆半径和所述花键上的第一预设点的第一压力角。
4.根据权利要求3所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述圆周方向过盈量根据下式得到：
Figure FDA0003827380420000011
其中，
Figure FDA0003827380420000012
为所述圆周方向过盈量，rb为所述基圆半径，α1为所述第一压力角，Δ1为所述实际过盈量。
5.根据权利要求3所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述半径方向过盈量根据下式得到：
Figure FDA0003827380420000013
其中，Δr为所述半径方向过盈量，rb为所述基圆半径，α1为所述第一压力角，Δ1为所述实际过盈量。
6.根据权利要求2所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述根据所述圆周方向过盈量和所述半径方向过盈量确定所述传感器粘贴位置，包括：
获取所述圆周方向过盈量和所述半径方向过盈量之间的大小关系；
根据所述大小关系确定所述传感器粘贴位置。
7.根据权利要求6所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述圆周方向过盈量大于所述半径方向过盈量，则确定所述传感器粘贴位置为使所述应力-应变传感器采集圆周方向应力的位置。
8.根据权利要求1所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述根据所述压装实验测试对所述花键进行有限元仿真，包括：
获取所述压装实验测试中的实验参数，根据所述实验参数对所述花键进行所述有限元仿真。
9.根据权利要求1所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，所述第一预设阈值的取值范围为8％～12％。
10.根据权利要求1所述的花键过盈量设计方法，其特征在于，在所述有限元仿真中摩擦系数为0.1。
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