专利名称：用于等速万向接头的轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于等速万向接头的轴，特别涉及一种用于装在汽车的转向装置内的等速万向接头的轴。
背景技术：
等速万向接头大致分类为仅允许在输入轴与输出轴之间的角位移的固定式和既允许角位移又允许轴向位移的滑动式。根据各个情况下的目的和条件选择等速万向接头的形式。
图5显示了固定式等速万向接头的示例(后文中简称为“接头101”)。下面将基于作为示例的接头101描述传统的等速万向接头。接头101主要包括外部元件106，外部元件106具有形成在杯部分104的球形内表面(内径表面)103上的多个滚道(球槽)105；内部元件110，内部元件110包括具有形成在球形外表面(外径表面)107上的多个滚道(球槽)108的内座(圈)109和轴102，设置在滚道105、108与具有多个球穴112的保持器113之间的多个球111，所述球穴112在圆周上以预定间隔排列用于保持球113中的每一个(例如在JP-A NO.2003-130082中披露的)。
图6显示了应用到汽车的转向装置71上的接头101。转向装置71包括在连接到方向盘72上的输入轴73与转向齿轮74之间的接头101，从而将由方向盘72施加的旋转扭矩传递到转向齿轮74上。转向装置71可以是由电动机提供辅助电源的电力转向装置(EPS)，或通过液压提供辅助动力的液压动力转向装置。
在图6中，标号50a-50c表示用作连接元件的轭。轭50a连接外部元件106的轴115和内部元件110的轴102，从而传递扭矩，所述轴115从设置在更靠近方向盘72处的接头101A延伸，所述轴102从设置在更靠近转向齿轮74处的接头101B延伸。
轭50b连接输入轴73和内部元件110的轴102，从而传递扭矩，所述轴102从更靠近方向盘72的接头101A延伸。
轭50c连接外部元件106的轴115和转向齿轮74，从而传递扭矩，所述轴115从更靠近转向齿轮74的接头101B延伸。
从便于处理和改变技术要求的灵活性的观点看，这些轭50a-50c和其他将接头101连接到接头外部的轴上的连接元件分别从外部元件106、内部元件110等形成，并被连接到外部元件106、内部元件110等上以传递扭矩。
传统地，如上所述地，内部元件110的轴102和用作连接元件的轭50单独制造和联接。更特别地，轴102通过诸如花键的扭矩传递单元配合到轭50上以传递扭矩，且轴102和轭50通过压配合、焊接、粘接和用螺栓紧固的方式彼此固定。
关于转向装置71，要说明的关键是怎样防止旋转反冲和精确地将方向盘72的旋转传递到转向齿轮74。当应用到旋转反冲不期望的使用中时，有必要防止接头101的内部元件110等与轭50之间的旋转反冲。
当轭50压配合到内部元件110等上时，在扭矩传递单元内的相互接触面必须起干涉(过盈)配合的作用，以便限制这些元件仅与扭矩传递单元之间的旋转反冲。
然而，因为需要巨大的压载荷用于配合所述元件，增加干涉导致组件工作效率下降。这是控制扭矩传递单元的相互干扰到合适的范围内的困难所在。
另一方面，当内部元件110等与轭50通过焊接固定时，尽管在两者之间不出现旋转反冲，但是焊接部分暴露于高温下，这引致导致精确度下降或接头内部裂开的变形，从而降低接头101的成品率。另外，当内部元件110和轭50通过粘接固定时，粘合剂长期的变质可以引致在旋转方向上扭矩传递单元之间的间隙的增加，从而引起旋转反冲。
发明内容
考虑到前述情形，本发明已经被构思且其目的是提出一种用于等速万向接头(万向节)的轴，当被装在所述等速万向接头内时，所述轴能够抑制旋转反冲、并在降低制造成本的同时提高组装效率。
为实现此目的，本发明提出一种等速万向接头轴，所述等速万向接头轴具有配合等速万向接头轴的内座的花键，所述等速万向接头轴包括轴主体，所述花键设置在所述轴主体上；轭部，所述轭部包括环形配合部分；其中所述轴主体和所述轭部由中碳钢一体形成；且所述轭部的所述配合部分的直径被紧固元件的紧固力减小，从而配合部分配合所述接头外部的轴。
所述轴主体和配合所述接头外部的轴的轭部一体形成，这消除了单独制造轴和轭并随后联接它们的需要。同样，使用中碳钢形成轭部允许减小轭部的配合部分的直径(紧固变形)。
同样，所述轴主体包括小直径部分，所述小直径部分用于避免与等速万向接头轴的外部元件干涉，且所述小直径部分经受感应淬火处理。即使小直径部分原本强度较低，在轴主体的小直径部分上执行感应淬火会提高小直径部分的强度，从而保证了作为轴所需要的足够的强度，且因为所述小直径部分，进而允许轴主体在更大的操作角内被定位。
花键部分可以经受感应淬火，或者花键部分、小直径部分和小直径部分的各个端部上的锥形部分可以分别经受感应淬火。
当通过感应淬火形成在所述轴主体的小直径部分上的硬化层的深度(硬化层的有效深度)由γ表示而小直径部分的直径由d表示时，优选地，满足d/4≤γ≤d/2。这样的处理使小直径部分的稳定的强度得到保证。
同样，在轴主体的花键部分内的轭部侧区域上执行感应淬火(硬化，淬硬)使花键配合部分的强度得到保证。
特别地，当花键部分的基部的硬化层的深度由γ1表示而所述基部的直径由d1表示时，优选地，满足d1/4≤γ1≤d1/2。这样的处理使花键配合部分的稳定的强度得到保证。
优选地，所述等速万向接头轴包括具有形成在其内径表面上的多个滚道的外部元件；具有形成在其外径表面上的多个滚道的内部元件；位于由外部元件的滚道与内部元件的滚道合作形成的多个球轨道中的每一个上的球；和设置在内部元件和外部元件之间以保持球的保持器；以及连接到轴主体上的挤压元件和连接到保持器上的邻接元件通过弹性元件弹性地邻接，从而所述球与外部元件的滚道和内部元件的滚道始终保持接触。
这样的结构使球与外部元件的滚道和内部元件的滚道始终保持接触。因此，在轨道之间的间隙(轴向间隙)能够通过球消除。同样，内座与外座(外部元件)之间的圆周游动(游隙)能够被防止。
从而，根据本发明，轴主体和配合接头外部的轴的轭部一体形成，这消除了单独制造轴和轭部以及随后联接它们的需要。这样的结构允许提高等速万向接头的组装效率以及降低制造成本。进而，因为轴主体和轭部一体形成，不像传统的联接结构，不存在轴主体和轭部分开的可能性，且获得了稳定的强度。而且，源自轭部的传统的联接结构的旋转反冲能够被消除。因此，轴能够被适当地应用到汽车的转向装置上，其中，旋转反冲应该被避免。
图1是显示包括根据本发明的第一实施例的等速万向接头轴的等速万向接头的放大的横截面视图；图2是显示等速万向接头的轭部的横截面视图；图3是显示根据本发明的第二实施例的等速万向接头轴的侧视图；图4是显示根据本发明的第三实施例的等速万向接头轴的侧视图；图5是显示包括传统的等速万向接头轴的等速万向接头的放大的横截面视图；和图6是显示转向装置的图解侧视图。
具体实施例方式
参照图1-4，以下将描述本发明的实施例。
图1描述了根据本发明的第一实施例的等速万向接头轴的整体。使用等速万向接头轴14的等速万向接头1包括外部元件4，外部元件4具有形成在内径表面(球形内表面)2上的多个滚道(或球槽)3；内部元件8，内部元件8包括具有形成在外径表面(球形外表面)5上的多个滚道(或球槽)6的内座(或内座圈)7；球9，球9位于由外部元件4的滚道3与内部元件8的滚道6协作形成的多个球轨道中的每一个上；以及保持器10，保持器10包括将球9以预定间隔在圆周上排列的多个球穴13。
外部元件4包括具有滚道3的杯形外座(或外座圈)11，和从外座11的底壁突出的轴12。内部元件8包括容纳在外座11内的内座7，从而轴14配合到内座7。轴14包括具有配合内座7的花键15的轴主体16，和具有环形配合部分17的轭部18，且轴主体16与轭部18一体形成。
从轭部18上突出的轴主体16包括具有沿其外圆周表面形成的凹槽20的大直径部分21，在轴向中心部分形成的小直径部分22，和形成有花键15的花键部分23。
在大直径部分21和小直径部分22之间设置了锥形部分24，其中外径朝向花键部分23逐渐减小。在小直径部分22与花键部分23之间设置了锥形部分25，其中外径朝向花键部分23逐渐增加。
如前所述，花键部分23包括形成在外圆周表面上的花键15。内座7的内圆周表面包括配合轴主体16的花键15的花键26。花键部分23包括形成在花键15的轴向范围内的环形凹槽27。扣环(没有示出)连接到环形凹槽27上，从而轴主体16一旦配合到内座7上就获得锁定结构。在此，花键15、26包括在圆周上以预定节距排列的轴向脊(凸出齿)和形成在轴向脊之间的轴向凹槽(凹入齿)。
如图1和2中所示，轭部18包括圆柱形主体28，和从圆柱形主体28上沿其外径突出的一对紧固件29、30。紧固件29中的一个具有通孔31，而另一个30具有与配合紧固件29相对的开口32以及与开口32连通并在相对侧开口的螺纹孔33。
所述一对紧固件29、30设置成在自由状态下，各个内表面29a、30a彼此相对并具有预定的间隙S。紧固件29的通孔31的轴向中心大体上与紧固件30的开口32和螺纹孔33的轴向中心一致。对应于间隙S，圆柱形主体28包括轴向狭缝34。紧固件29包括在外表面29b上的较大直径的凹部35，从而与通孔31连通。
圆柱形主体28在其内圆周表面上包括具有轴向脊(凸出齿)和形成在轴向脊之间的轴向凹槽(凹入齿)的花键36。
轴14可以由含有例如0.3％-0.6％的碳的中碳钢形成。轴主体16在其大体整个轴向长度上经受感应淬火。
为执行感应淬火(硬化)，表面层被高频感应电流快速加热，此后，喷射冷却剂用于淬火和硬化。在此情况下，当硬化(淬火)层的深度(有效硬化层深度)由γ表示而小直径部分22的直径由d表示时，优选的满足d/4≤γ≤d/2。
要注意的是图1显示了受到感应淬火(硬化层)60的部分的范围(感应硬化和退火范围)，所述范围具有不同方向的阴影图案。尽管只有外圆周表面的一部分在图1中被显示为硬化层60，但是实际上硬化层60形成在整个外圆周表面范围内。执行感应淬火的好处是增加抗断强度。特别地，在中碳钢上执行感应淬火产生高的压缩残余应力，从而提升抗疲劳强度。获得最大压缩残余应力的碳含量在0.4％-0.55％的范围内。
轴主体16在其端部包括挤压部分41，所述挤压部分41在轴向方向上施加弹性挤压力。保持器10包括接纳由挤压部分41施加的挤压力的支座42。在轴主体16的轴向末端(顶端)设置了挤压元件38。所述挤压元件38包括用作挤压部分41的球、用作弹性元件40的压缩线圈弹簧和将挤压部分41和弹性元件40组装在一起的外壳43。弹性元件40通过挤压部分41提供弹性力。挤压部分41可以是凸的球形形状。外壳43通过诸如压配合和粘接的适当方法固定到轴主体16的端面上。
邻接元件39设置成覆盖超出保持器10的外座的更深端开口。邻接元件39包括局部地形成为球形的球形部分39a和沿其外周环状地形成的连接部分39b。球形部分39a的内表面(与轴主体16相对)是凹的球形。凹的球形部分用作接纳由挤压部分41施加的挤压力的支座42。连接部分39b通过诸如压配合或焊接的适当方法固定到保持器10的端部。这种结构提供了使内座7和保持器10在轴向方向上相对移动的挤压力。特别地，挤压力将球9挤压进楔形球轨道的更狭窄的部分内，从而消除在每一个轨道内的轴向间隙。结果，球9与外部元件4的滚道3和内部元件8的滚道6始终接触。
在如此结构的等速万向接头中，轴14的轭部18连接到接头外部的诸如转向杆轴和中间轴的轴上。更特别地，尽管没有示出，被连接的外部的轴也具有形成在其端部的外圆周表面上的花键，从而端部的花键部分被插入轭部18的配合部分17内(即，对应于圆柱形主体28的紧固件的部分)，并从而在此状态下配合部分17被紧固。
为了紧固，螺纹元件(紧固元件，没有示出)从紧固件29中的一个的外表面29b插入，通过另一个紧固件30的通孔31和开口32，从而与后面的紧固件30的螺纹孔33螺纹配合。
因为轭部18由具有约0.3％-0.6％的碳含量的中碳钢形成，当螺纹元件被紧固时，紧固件29、30逐渐彼此靠得更近，从而降低轴向狭缝34的间隙，并使配合部分17变形(减小其直径)。
配合部分17直径的减小使外部轴的、插入到配合部分17内的花键部分被固定，并从而与轭部18成为一体，由此实现外部轴与等速万向接头的联接。
如上所述，在等速万向接头轴14中，轴主体16和配合接头外部的轴的轭部18一体形成，这消除了单独制造轴和轭并随后联接它们的需要。这种结构使等速万向接头的组装效率得到提高，且降低了制造成本。而且，因为轴主体16和轭部18一体形成，与传统的联接结构不一样，没有轴主体和轭部18分开的可能性，并获得稳定的强度。而且能够消除产生自轭部的传统联接结构的旋转反冲。因此，等速万向接头轴14能够被适当地应用到汽车的应该没有旋转反冲的转向装置上。
因为轴14由具有约0.3％-0.6％的碳含量的中碳钢形成，轭部18的配合部分17能够在直径上减小(紧固变形)。因此，轭部18能够被可靠地和紧密地连接到接头外部的诸如转向杆轴或中间轴的轴上。
因为在轴主体16的花键部分23上执行的感应淬火，花键配合部分得以稳定。从轴主体16的花键部分23到轴主体16上的小直径部分22的区域也经受感应淬火，因此尽管小直径部分22原本强度较低，但是能够保证作为轴所需要的足够的强度。而且，小直径部分22用于避免与外部元件4干扰，并因此允许轴主体16定位于更大的操作角内。同样，因为轨道之间的间隙(轴向间隙)能够通过球9消除，能够抑制内座7与外座11之间的圆周上的游动(旋转反冲)。
图3描述了根据第二实施例的轴14，在所述轴14上，经受感应淬火(硬化，淬硬)的部分60，即感应淬火和退火范围(硬化范围)H如第一实施例中一样覆盖轴主体16的基本上整个轴向长度。如图3中所示，在此情况下，小直径部分22的整个径向部分经受感应淬火。换言之，在硬化(淬硬)层60中，当硬化层的深度通过γ表示且小直径部分22的直径用d表示时，γ＝d/2成立。这样的整个淬火(硬化，淬硬)范围H1形成为包括锥形部分24的一部分和锥形部分25的一部分。这是因为因为锥形部分24、25的一部分也与小直径部分22一样直径较小，除非经受感应淬火，这样的部分在强度上可能比较缺乏。根据第二实施例的等速万向接头轴14也提供与由根据第一实施例的等速万向接头轴14提供的有利效果相似的有利效果。特别地，因为小直径部分22的整个径向部分被硬化，小直径部分22能够被显著地加强，从而保证轴主体16具有稳定的强度。在根据第二实施例的等速万向接头轴14中，与根据第一实施例的等速万向接头轴14的构件相同的构件给定相同的标号，且将省略其的详细描述。
图4描述了根据第三实施例的轴14。在根据第三实施例的等速万向接头轴14中，与根据第一实施例的等速万向接头轴14的构件相同的构件给定相同的标号，且将省略其的详细描述。同样在此轴14上，感应淬火和退火范围(硬化范围)H如第一实施例中一样覆盖轴主体16的基本上整个轴向长度。在此实施例中，从而当硬化层的深度(有效硬化层深度)由γ1表示而花键部分23的基部23a的直径由d1表示时，感应淬火被执行以实现d1/4≤γ1≤d1/2。在此情况下，整个硬化范围H1包括锥形部分24的一部分、小直径部分22、锥形部分25和花键部分23的一部分(基部23a)。因此，根据第三实施例的等速万向接头轴14也提供与由根据第一实施例的等速万向接头轴14提供的有利效果相似的有利效果。特别地，因为整个硬度范围包括从小直径部分22到花键部分23的一部分(基部23a)的范围，轴主体16在整体上获得更加稳定的强度。
在图4中，花键部分23上的整个硬化范围H1仅覆盖基部23a(更靠近轭部18的端部)。这是因为当传递扭矩时较大的力施加到此部分上。由感应淬火形成的硬化范围(感应淬火和退火范围)H在前述实施例中覆盖轴主体16的基本上整个轴向长度，而感应淬火可以仅在花键部分23上或仅在小直径部分22上执行。同样，在轴主体16上形成小直径部分22也不是必须的。而且，感应淬火和退火范围H的整个径向部分可以被硬化。
感应淬火和退火范围H的硬化深度(径向范围)可以根据轴14的材料、小直径部分22和其他部分的径向尺寸或轴向长度适当地确定。关于紧固元件，可以提供螺杆和螺纹配合螺杆的螺母，代替在紧固件30上形成螺纹孔33。
权利要求
1.一种等速万向接头轴，所述等速万向接头轴具有配合等速万向接头的内座的花键，所述等速万向接头轴包括轴主体，所述花键设置在所述轴主体上；轭部，所述轭部包括环形配合部分；其中所述轴主体和所述轭部由中碳钢一体形成；且所述轭部的所述配合部分的直径通过紧固元件的紧固力减小，从而配合部分配合所述接头外部的轴。
2.根据权利要求1所述的等速万向接头轴，其中所述轴主体包括小直径部分，所述小直径部分用于避免与等速万向接头轴的外部元件干涉，且所述小直径部分经受感应淬火处理。
3.根据权利要求1所述的等速万向接头轴，其中所述轴主体的花键部分经受感应淬火处理。
4.根据权利要求2所述的等速万向接头轴，其中所述轴主体的花键部分、所述小直径部分和在小直径部分的各个端部上的锥形部分分别经受感应淬火处理。
5.根据权利要求2所述的等速万向接头轴，其中当通过感应淬火形成在所述轴主体的小直径部分上的硬化层的深度由γ表示而小直径部分的直径由d表示时，满足d/4≤γ≤d/2。
6.根据权利要求1所述的等速万向接头轴，其中所述轴主体的花键部分经受感应淬火处理，从而当形成在花键部分的、更靠近轭部的基部上的硬化层的深度由γ1表示而所述花键基部的直径由d1表示时，满足d1/4≤γ1≤d1/2。
7.根据权利要求1所述的等速万向接头轴，其中所述等速万向接头包括外部元件，所述外部元件具有形成在其内径表面上的多个滚道；具有形成在其外径表面上的多个滚道的内部元件；位于由外部元件的滚道与内部元件的滚道合作形成的多个球轨道中的每一个上的球；和设置在内部元件与外部元件之间以保持球的保持器；且连接到轴主体上的挤压元件和连接到保持器上的邻接元件通过弹性元件弹性地邻接，从而所述球与外部元件的滚道和内部元件的滚道始终保持接触。
全文摘要
本发明提出一种等速万向接头轴，当被装在等速万向接头内时，所述轴能够抑制旋转反冲、并在降低制造成本的同时提高组装效率。本发明涉及具有配合等速万向接头轴的内座的花键的等速万向接头轴。所述等速万向接头轴包括具有形成在其上的花键的轴主体和具有环形配合部分的轭部。所述轴主体和所述轭部由中碳钢一体形成。通过挤压元件的挤压力，所述轭部的所述配合部分变紧，从而这样的配合部分配合接头外部的轴。在等速万向接头中，挤压元件和邻接元件通过弹性元件邻接，从而球始终与外部元件的滚道和内部元件的滚道保持接触。
文档编号F16C11/06GK1924377SQ20061012616
公开日2007年3月7日 申请日期2006年8月28日 优先权日2005年8月30日
发明者石岛实, 山崎健太 申请人:Ntn株式会社