高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法
2023-10-17 13:32:24 1
高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法
【專利摘要】本發明涉及一種高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，其步驟為:1.材料試樣的扭轉強度試驗，獲得材料扭轉靜強度和疲勞強度特性；2.確定高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的約束條件，包括外形尺寸約束、內部形狀尺寸約束；3.根據高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的外形約束條件確定旋鍛軸的外形尺寸，包括花鍵配合部分、卡箍固定部分和過渡部分；4.根據高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的內部形狀尺寸約束條件確定旋鍛軸最小壁厚或最大外徑；5.高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計評估和校核。本發明所設計的旋鍛軸，相對於原實心軸，一階彎曲固有頻率可以提高40%以上，質量能減輕20%以上。
【專利說明】高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種旋鍛軸輕量化設計方法，尤其是一種具有高彎曲固有頻率的旋鍛軸輕量化設計方法。
【背景技術】
[0002]隨著社會的進步、科技的發展和人們的生活水平的不斷提高，人們對汽車品質的要求也越來越高。另一方面，由於國內汽車製造業的迅速發展，競爭的日益激烈，各汽車製造企業加大了對汽車品質的研究，而NVH已經成為評價汽車品質的最重要的技術指標。由於整車性能由各個零部件組成，因此，如何提高汽車零部件的NVH特性成為汽車零部件研發的重點方向之一。
[0003]中高端轎車的高性能等速萬向傳動軸總成包括固定端等速萬向節、滑移端等速萬向節、中間軸。除了要求高速、高載和穩定地傳遞動力外，還要求減少重量、減少震動和噪音傳遞、改善振動、提高舒適性等，這些高要求促使了傳動軸旋鍛加工工藝和設計方法的發展。
[0004]旋鍛加工的軸——旋鍛軸是採用無縫鋼管作原料，通過旋鍛冷成形工藝，結合零件外形尺寸要求，在採用特殊工裝後能使內腔保持需要形狀的軸。可以通過旋鍛加工等速萬向節總成中的中間軸實現等速萬向節總成的特殊要求——輕量化、高彎曲固有頻率、高抗扭剛度等。旋鍛工藝可以使零件達到高速穩定、等強度和最少材料使用等特徵，材料利用率可達95%以上，是一種替代切削加工的精密成形技術。相對於實心軸，旋鍛加工的軸一階彎曲固有頻率最大可以提高60%，同時能夠減重20%。設計高彎曲頻率導向型旋鍛軸是傳動軸總成輕量化和提高NVH的重要途徑之一。
[0005]
【發明內容】
本發明是要提供一種高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，用於最大程度提高旋鍛軸的一階彎曲固有頻率並減輕旋鍛軸的重量。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，其特點是，所述設計方法的步驟為:
1)材料試樣的扭轉強度試驗，獲得材料扭轉靜強度和疲勞強度特性；
2)確定高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的約束條件，包括外形尺寸約束、內部形狀尺寸約束；
3)根據高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計外形約束條件設計旋鍛軸的外型尺寸，包括花鍵配合部分、卡箍固定部分和過渡部分；
4)根據高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計內部形狀尺寸約束條件確定旋鍛軸最小壁厚或最大外徑，包括花鍵段、性能約束段、中間段和過渡部分尺寸；
5)高彎曲頻率導向型輕量化旋鍛軸評估和校核。
[0007]確定高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的外形尺寸約束條件，包括花鍵段、固定端性能約束段、滑移端性能約束段、防塵套卡箍安裝段、中間段的外形尺寸等約束條件，其中:旋鍛軸固定端花鍵段和滑移端花鍵段分別與固定端和滑移端萬向節內套花鍵配合，其外形尺寸受到花鍵配合尺寸約束；固定端性能約束段最大外徑尺寸和防塵套共同受到固定端等速萬向節最大轉角約束；滑移端性能約束段最大外徑尺寸和防塵套在萬向節極限滑移位置處共同受到滑移端等速萬向節最大轉角約束；中間段外徑在滿足強度要求下以傳動軸總成的尺寸為約束，同時以最大化提高旋鍛軸一階彎曲固有頻率為目標。
[0008]確定高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的內部形狀尺寸約束條件，包括花鍵段、性能約束段、中間段和過渡段的內部形狀尺約束條件，其中:花鍵段內徑尺寸或壁厚根據花鍵加工工藝和傳動軸扭轉強度共同確定；性能約束段、中間段和過渡段的內部尺寸或壁厚約束條件:(I)在滿足旋鍛軸的扭轉靜強度、疲勞強度要求下，以最大化提高旋鍛軸一階彎曲固有頻率為目標，減少壁厚以滿足輕量化要求；(2)旋鍛軸各段內部尺寸要平穩過渡，在滿足旋鍛加工工藝條件下，考慮疲勞應力集中係數。
[0009]高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計評估和校核方法:採用一階彎曲固有頻率提高比例評估、輕量化效果評估、靜扭轉強度校核、扭轉疲勞強度校核。
[0010]本發明的有益效果是:本發明以最大化提高旋鍛軸的一階彎曲固有頻率和減重為目標，結合旋鍛工藝，確定了高彎曲固有頻率和輕量化旋鍛軸的外形尺寸約束條件和內徑壁厚設計的約束條件，根據約束條件設計出的旋鍛軸極大限度的提高了原實心軸的一階彎曲固有頻率，相對於原實心軸，一階彎曲固有頻率可以提高40%以上，同時質量能減輕20%以上，能夠滿足高端轎車等速萬向傳動軸總成的輕量化、改善振動、提高舒適性等要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是旋鍛軸分段示意圖；
圖2是固定節與性能約束段限制示意圖；
圖3是滑移節與性能約束段限制示意圖；
圖4是旋鍛軸一階彎曲固有頻率計算模型圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0013]本發明的高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，設計方法的步驟為:
1.材料試樣的扭轉強度試驗，獲得材料扭轉靜強度和疲勞強度特性
對材料試樣進行靜扭轉試驗，獲得材料靜強度特性；對材料試樣進行扭轉疲勞試驗，獲得材料的疲勞強度，應力-壽命曲線。
[0014]2.確定高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的約束條件，包括外形尺寸約束、內部形狀尺寸約束；為了描述方便，將高彎曲固有頻率旋鍛軸分段(固定|A、中間段B、滑移端C)，如圖1所示，固定端花鍵段1、固定端性能約束段2、防塵套安裝段3、第一過渡段4、中間段5、第二過渡段6、防塵套安裝段7、滑移端性能約束段8、滑移端花鍵段9。
[0015]a)外形尺寸約束條件
(I)花鍵段
旋鍛軸固定端花鍵段I和滑移端花鍵段9分別與固定端A和滑移端C的萬向節內套花鍵配合，其外形尺寸受到花鍵配合尺寸約束；(2)固定端性能約束段2
固定端性能約束段2的最大外徑尺寸Jmax和防塵套共同受到固定端等速萬向節最大轉角約束，如圖2所示，其中，O為萬向節迴轉中心，δ為防塵套影響，
^為固定段最大轉角，為旋鍛軸固定端性能約束段最大外徑，R為固定端萬向節端面
「Si Si
圓半徑；L為固定端萬向節迴轉中心到端面的距離。
[0016]約束關係如下:
【權利要求】
1.一種高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，其特徵在於，所述設計方法的步驟為: 1)材料試樣的扭轉強度試驗，獲得材料扭轉靜強度和疲勞強度特性； 2)確定高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的約束條件，包括外形尺寸約束、內部形狀尺寸約束； 3)根據高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計外形約束條件設計旋鍛軸的外型尺寸，包括花鍵配合、卡箍固定和過渡部分尺寸； 4)根據高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計內部形狀尺寸約束條件確定旋鍛軸最小壁厚或最大外徑，包括花鍵段、性能約束段、中間段和過渡部分尺寸； 5)高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的評估和校核。
2.根據權利要求1所述的高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，其特徵在於:所述確定高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的外形尺寸約束條件包括花鍵段、固定端性能約束段、滑移端性能約束段、防塵套卡箍安裝段、中間段的外形尺寸約束條件，其中:旋鍛軸固定端花鍵段和滑移端花鍵段分別與固定端和滑移端萬向節內套花鍵配合，其外形尺寸受到花鍵配合尺寸約束；固定端性能約束段最大外徑尺寸和防塵套共同受到固定端等速萬向節最大轉角約束；滑移端性能約束段最大外徑尺寸和防塵套在萬向節極限滑移位置處共同受到滑移端等速萬向節的最大轉角約束；中間段外徑在滿足強度要求下以傳動軸總成的尺寸為約束，同時以最大化提高旋鍛軸一階彎曲固有頻率為目標。
3.根據權利要求1所述的高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，其特徵在於:所述確定高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計的內部形狀尺寸約束條件包括花鍵段、性能約束段、中間段和過渡段的內部形狀尺寸約束條件，其中:花鍵段內徑尺寸或壁厚根據花鍵加工工藝和傳動軸扭轉強度共同確定；性能約束段、中間段和過渡段的內部尺寸或壁厚約束條件:(I)在滿足旋鍛軸的扭轉靜強度、疲勞強度要求下，以最大化提高旋鍛軸一階彎曲固有頻率為目標，減少壁厚以滿足輕量化要求；(2)旋鍛軸各段內部尺寸要平穩過渡，在滿足旋鍛加工工藝條件下，考慮疲勞應力集中係數。
4.根據權利要求1所述的高彎曲固有頻率導向型旋鍛軸輕量化設計方法，其特徵在於:所述高彎曲頻率導向型旋鍛軸輕量化設計評估和校核方法:採用一階彎曲固有頻率提高比例評估、輕量化效果評估、靜扭轉強度校核、扭轉疲勞強度校核。
【文檔編號】F16D3/16GK103711804SQ201410000221
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】盧曦, 高文貴, 朱卓選, 秦文瑜 申請人:上海理工大學