高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计方法

摘要

本发明涉及一种高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计方法，其步骤为:1.材料试样的扭转强度试验，获得材料扭转静强度和疲劳强度特性；2.确定高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计的约束条件，包括外形尺寸约束、内部形状尺寸约束；3.根据高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计的外形约束条件确定旋锻轴的外形尺寸，包括花键配合部分、卡箍固定部分和过渡部分；4.根据高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计的内部形状尺寸约束条件确定旋锻轴最小壁厚或最大外径；5.高弯曲频率导向型旋锻轴轻量化设计评估和校核。本发明所设计的旋锻轴，相对于原实心轴，一阶弯曲固有频率可以提高40%以上，质量能减轻20%以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋锻轴轻量化设计方法，尤其是一种具有高弯曲固有频率的旋锻轴轻量化设计方法。 

背景技术

随着社会的进步、科技的发展和人们的生活水平的不断提高，人们对汽车品质的要求也越来越高。另一方面，由于国内汽车制造业的迅速发展，竞争的日益激烈，各汽车制造企业加大了对汽车品质的研究，而NVH已经成为评价汽车品质的最重要的技术指标。由于整车性能由各个零部件组成，因此，如何提高汽车零部件的NVH特性成为汽车零部件研发的重点方向之一。

中高端轿车的高性能等速万向传动轴总成包括固定端等速万向节、滑移端等速万向节、中间轴。除了要求高速、高载和稳定地传递动力外，还要求减少重量、减少震动和噪音传递、改善振动、提高舒适性等，这些高要求促使了传动轴旋锻加工工艺和设计方法的发展。

旋锻加工的轴——旋锻轴是采用无缝钢管作原料，通过旋锻冷成形工艺，结合零件外形尺寸要求，在采用特殊工装后能使内腔保持需要形状的轴。可以通过旋锻加工等速万向节总成中的中间轴实现等速万向节总成的特殊要求——轻量化、高弯曲固有频率、高抗扭刚度等。旋锻工艺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。相对于实心轴，旋锻加工的轴一阶弯曲固有频率最大可以提高60%，同时能够减重20%。设计高弯曲频率导向型旋锻轴是传动轴总成轻量化和提高NVH的重要途径之一。

发明内容

本发明是要提供一种高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计方法，用于最大程度提高旋锻轴的一阶弯曲固有频率并减轻旋锻轴的重量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计方法，其特点是，所述设计方法的步骤为：

1）材料试样的扭转强度试验，获得材料扭转静强度和疲劳强度特性；

2）确定高弯曲频率导向型旋锻轴轻量化设计的约束条件，包括外形尺寸约束、内部形状尺寸约束；

3）根据高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计外形约束条件设计旋锻轴的外型尺寸，包括花键配合部分、卡箍固定部分和过渡部分；

4）根据高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计内部形状尺寸约束条件确定旋锻轴最小壁厚或最大外径，包括花键段、性能约束段、中间段和过渡部分尺寸；

5）高弯曲频率导向型轻量化旋锻轴评估和校核。

确定高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计的外形尺寸约束条件，包括花键段、固定端性能约束段、滑移端性能约束段、防尘套卡箍安装段、中间段的外形尺寸等约束条件，其中：旋锻轴固定端花键段和滑移端花键段分别与固定端和滑移端万向节内套花键配合，其外形尺寸受到花键配合尺寸约束；固定端性能约束段最大外径尺寸和防尘套共同受到固定端等速万向节最大转角约束；滑移端性能约束段最大外径尺寸和防尘套在万向节极限滑移位置处共同受到滑移端等速万向节最大转角约束；中间段外径在满足强度要求下以传动轴总成的尺寸为约束，同时以最大化提高旋锻轴一阶弯曲固有频率为目标。

确定高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计的内部形状尺寸约束条件，包括花键段、性能约束段、中间段和过渡段的内部形状尺约束条件，其中：花键段内径尺寸或壁厚根据花键加工工艺和传动轴扭转强度共同确定；性能约束段、中间段和过渡段的内部尺寸或壁厚约束条件：（1）在满足旋锻轴的扭转静强度、疲劳强度要求下，以最大化提高旋锻轴一阶弯曲固有频率为目标，减少壁厚以满足轻量化要求；（2）旋锻轴各段内部尺寸要平稳过渡，在满足旋锻加工工艺条件下，考虑疲劳应力集中系数。

高弯曲频率导向型旋锻轴轻量化设计评估和校核方法：采用一阶弯曲固有频率提高比例评估、轻量化效果评估、静扭转强度校核、扭转疲劳强度校核。

本发明的有益效果是：本发明以最大化提高旋锻轴的一阶弯曲固有频率和减重为目标，结合旋锻工艺，确定了高弯曲固有频率和轻量化旋锻轴的外形尺寸约束条件和内径壁厚设计的约束条件，根据约束条件设计出的旋锻轴极大限度的提高了原实心轴的一阶弯曲固有频率，相对于原实心轴，一阶弯曲固有频率可以提高40%以上，同时质量能减轻20%以上，能够满足高端轿车等速万向传动轴总成的轻量化、改善振动、提高舒适性等要求。

附图说明

图1是旋锻轴分段示意图；

图2是固定节与性能约束段限制示意图；

图3是滑移节与性能约束段限制示意图；

图4是旋锻轴一阶弯曲固有频率计算模型图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的高弯曲固有频率导向型旋锻轴轻量化设计方法，设计方法的步骤为：

1.       材料试样的扭转强度试验，获得材料扭转静强度和疲劳强度特性

对材料试样进行静扭转试验，获得材料静强度特性；对材料试样进行扭转疲劳试验，获得材料的疲劳强度，应力-寿命曲线。

2．确定高弯曲频率导向型旋锻轴轻量化设计的约束条件，包括外形尺寸约束、内部形状尺寸约束；为了描述方便，将高弯曲固有频率旋锻轴分段（固定端A、中间段B、滑移端C），如图1所示，固定端花键段1、固定端性能约束段2、防尘套安装段3、第一过渡段4、中间段5、第二过渡段6、防尘套安装段7、滑移端性能约束段8、滑移端花键段9。

a)       外形尺寸约束条件

（1）花键段

旋锻轴固定端花键段1和滑移端花键段9分别与固定端A和滑移端C的万向节内套花键配合，其外形尺寸受到花键配合尺寸约束；

（2）固定端性能约束段2

固定端性能约束段2的最大外径尺寸d_max和防尘套共同受到固定端等速万向节最大转角约束，如图2所示，其中，O为万向节回转中心，δ为防尘套影响，                                                为固定段最大转角，为旋锻轴固定端性能约束段最大外径，R为固定端万向节端面圆半径；L为固定端万向节回转中心到端面的距离。

约束关系如下：

        （1）

（3）滑移端性能约束段8

滑移端性能约束段8最大外径尺寸和防尘套在万向节极限滑移位置处共同受到滑移端等速万向节最大转角约束，极限状况下位置如图3所示，其中O为滑移至极限位置时万向节的回转中心，δ为防尘套影响, 为滑移端最大转角，为旋锻轴固定端性能约束段最大外径，H为滑移端万向节端面圆直径，L为滑移节端回转中心到端面的距离，为旋转中心最大滑移行程。

约束关系如下：

          （2）

（4）防尘套安装段7

为了保证防尘套通过卡箍固定在旋锻轴上，需要设计安装台阶，可以根据旋锻加工工艺确定。

（5）中间段5

中间段5外径在满足强度要求下主要以传动轴总成的尺寸为约束，同时考虑旋锻轴的一阶弯曲固有频率提高比例和旋锻轴加工工艺等。旋锻轴中间段的外径尺寸越大，旋锻轴的一阶弯曲固有频率越高，证明如下：

对于阶梯轴，一阶弯曲固有频率的计算公式如下：

（3）

式中：

——阶梯轴的总长；

——材料的弹性模量；

——基准截面惯性矩，为阶梯轴最大截面惯性矩；

——阶梯轴第i段的截面惯性矩；

——阶梯轴的阶梯数；

——阶梯轴第i轴段的线密度；

——位置函数，

本发明所设计的高弯曲固有频率导向型旋锻轴一阶弯曲固有频率计算可简化为图4所示的三段式，控制各段截面惯性矩相等以保证最大应力不变。

其一阶弯曲固有频率f如下：

式（4）说明，本发明所设计的高弯曲固有频率导向型旋锻轴的一阶弯曲固有频率高于相应的原实心轴和空心轴的一阶弯曲固有频率，而且高弯曲固有频率导向型旋锻轴的一阶弯曲固有频率随着中间段外径和内径增加而增加。

（6）第一、二过渡段4、6

旋锻轴各过渡部分外形尺寸在设计时要充分考虑旋锻轴的加工工艺特性和疲劳应力集中系数。

b)      内部形状尺寸约束条件

（1）花键段

花键段内径尺寸或壁厚根据具体的花键加工工艺和传动轴扭转强度（包括扭转静强度和疲劳强度）共同确定。

（2）性能约束段、中间段和过渡段

性能约束段、中间段和过渡段的内部尺寸或壁厚约束条件：（1）在满足旋锻轴强度（包括扭转静强度和疲劳强度）、高弯曲固有频率要求下，尽可能减少壁厚以满足轻量化要求；（2）旋锻轴各段内部尺寸要平稳过渡，在满足旋锻加工工艺条件下，充分考虑疲劳应力集中系数。

3．根据高弯曲频率导向型旋锻轴轻量化设计外形约束条件设计旋锻轴的外型尺寸，包括联接、安装和过渡部分尺寸

（1）花键段

根据花键段与万向节内套的配合，确定旋锻轴两端花键的外径尺寸。

（2）固定端性能约束段

根据固定节最大转动角度与固定端性能约束段外径约束关系，充分考虑防尘套影响，确定固定端性能约束段最大外径。

（3）滑移端端性能约束段

根据滑移端极限位置下的最大转动角度与滑移端性能约束段外径约束关系，充分考虑防尘套影响，确定滑移段最大外径尺寸。

（4）安装部分

为了保证防尘套通过卡箍固定在旋锻轴上，需要设计安装台阶，保证防尘套安全固定。

旋锻轴各过渡部分外形尺寸在设计时要充分考虑旋锻轴的加工工艺特性和疲劳应力集中系数。

（6）中间段外形尺寸

在满足强度要求下中间段外径主要以传动轴总成的尺寸为约束，同时考虑旋锻轴的一阶弯曲固有频率提高比例和旋锻轴加工工艺等，确定其最大外形尺寸。

4．根据高弯曲频率导向型旋锻轴轻量化设计内部形状尺寸的约束条件设计旋锻轴最小壁厚或最大直径，包括花键段、性能约束段、中间段和过渡部分尺寸；

（1）花键段

根据花键加工工艺和旋锻轴强度（包括扭转静强度和疲劳强度）确定花键段内径尺寸或壁厚。

（2）性能约束段

以最大发挥截面强度为约束，结合旋锻工艺材料流动特点确定旋锻轴性能约束段最大内径或最小壁厚。

（3）中间段

旋锻轴中间段内径以最大化提高旋锻轴一阶弯曲固有频率和减重为约束，在满足强度要求下，结合加工工艺对壁厚减薄程度的限制，确定锻轴中间段最大内径或最小壁厚。

（4）过渡段

根据应力加工系数和加工工艺材料成形特点确定旋锻轴内部各过渡段形状及壁厚

5．高弯曲频率导向型旋锻轴评估和校核

高弯曲频率导向型旋锻轴评估和校核主要包括：一阶弯曲固有频率提高比例评估、轻量化效果评估、静扭转强度校核、扭转疲劳强度校核等。由于旋锻轴承载比较简单，在工作过程中主要承受扭矩，可以通过理论分析对旋锻轴进行评估和校核。高弯曲频率导向型旋锻轴轻量化设计评估通过对原实心轴和新设计的旋锻轴进行理论分析和比较，进行一阶弯曲固有频率提高比例评估和轻量化效果评估。等速万向传动轴总成中的中间轴一般通过传动轴总成进行静扭转强度校核、扭转疲劳强度校核，不单独进行试验校核。