十字接头 【技术领域】
本发明涉及一种十字接头，尤其涉及一种支承十字轴并通过摩擦焊接与转动件接合从而连接该十字轴与该转动件的连接件。
背景技术
在车辆的传动轴等中一般用作万向节的十字接头具有十字轴和一对支承该十字轴的连接件。也称为叉(yoke)部件的两连接件中的每个连接件具有将该十字轴的两轴中的一轴支承成能围绕其轴线转动的叉。两叉部件中的至少一个叉部件通过摩擦焊接与转动件如管子等接合。
在一种制造包括上述十字接头的传动轴的公知方法中，在装配包括十字头(即十字轴)、套杯、轴承、叉部件等的十字接头后将该十字接头的一端部摩擦焊接到管子即转动件的一端部上而制成传动轴(例如日本专利申请公告No.JP-A-11-151621)。按照这种制造方法，即使管子长度改变，十字接头的生产程序也不变，因此无需改变制造设备或换生产线。因此该方法与在组装十字接头前将管子与叉部件压焊在一起的方法比较生产成本降低。
但是日本专利申请公告No.JP-A-11-151621所述制造方法有如下问题。即，该接头(即十字接头)的表征该接头的一个重要品质特性的作用转矩(工作转矩)T(N·m)在管子一端与十字接头一端摩擦焊接在一起地前后发生改变。作用转矩T指造成十字接头围绕十字轴弯曲所需的转矩，表示为造成该弯曲所需荷重F(N)与从十字接头一端到十字轴的中心轴线的距离L(m)的乘积(F×L)。例如可用转矩扳手测量作用转矩T。
十字轴每个端面与套在十字轴上的每个套杯的底面的接触产生作用转矩T。如作用转矩T太大，十字接头进行动力分配时会产生振动并可能伴随噪声。另一方面，作用转矩T太小意味着十字轴端面与套杯底面之间生成间隙，从而十字接头的使用寿命缩短。因此要求作用转矩T要在一合适范围内。
图1为用日本专利申请公告No.JP-A-11-151621所述制造方法即在组装接头后摩擦焊接管子一端部与十字接头而制成的卡车十字接头和轿车十字接头的作用转矩T在摩擦焊接前后的比较图。在图1中，垂直线段表示作用转矩T的变动范围，圆点表示作用转矩T的平均值。如图1所示，卡车十字接头和轿车十字接头的作用转矩T在压焊后比压焊前小。图1还示出轿车十字接头的由摩擦焊接造成的作用转矩T的减小比卡车十字接头的减小大。
因此，由于存在摩擦焊接改变作用转矩T的问题，日本专利申请公告No.JP-A-11-151621所述制造方法实际上只可用于作用转矩T的容许范围大的十字接头如卡车等的传动轴中的十字接头。即，由于与卡车十字接头比较，轿车十字接头的作用转矩T的容许范围小、结构刚性弱、由摩擦焊接造成的作用转矩T的变动大，因此日本专利申请公告No.JP-A-11-151621所述制造方法不适合于轿车传动轴。
【发明内容】
鉴于上述情况作出本发明。本发明的一个目的是提供一种可减小由转动件的压焊造成的作用转矩T的变动的十字接头。
经为实现上述目的而进行的种种思考，本发明人发现，摩擦焊接造成作用转矩T减小的原因是，摩擦焊接叉部件一端部与管子一端部时造成的温度变动会造成管子端部和与管子端部接合的叉部件端部的径向收缩，并且叉部件端部的收缩又造成叉部件另一端上的叉结构的宽度变大。根据这一发现作出了本发明。
为实现上述目的的本发明第一方面为一种十字接头，它包括具有通过摩擦焊接与转动件接合的管状焊接部和用于支承十字轴的支承部并连接该十字轴与该转动件的连接件。该十字接头包括变形传播抑制结构，该变形传播抑制结构抑制在摩擦焊接中由该焊接部的开口端部的收缩造成的该支承部的变形。
本发明的根据第一方面的十字接头的第二方面的特征在于，该变形传播抑制结构包括沿焊接部的周向设置在焊接部中且其刚性比焊接部的开口端部低的低刚性结构。
本发明的根据第二方面的十字接头的第三方面的特征在于，该低刚性结构的壁厚比焊接部的开口端部薄，从而刚性比焊接部的开口端部低。
按照本发明第一方面，即使摩擦焊接造成转动件与连接件的焊接部的开口端部径向收缩，该变形传播抑制结构也能防止支承十字轴的支承部在摩擦焊接中因焊接部的开口端部收缩而变形。因此，可减小由转动件压焊造成的该十字接头的作用转矩T的改变。
按照本发明第二方面，即使摩擦焊接造成转动件的端部和连接件的焊接部的开口端部径向收缩，焊接部周向上的刚性比焊接部的开口端部低的低刚性结构也能吸收由焊接部的开口端部的径向收缩造成的应力，从而抑制收缩向支承部的传播。因此，可减小由转动件压焊造成的作用转矩T的改变。
在作为本发明第二方面一特殊形式的第三方面中，焊接部的形成在周向上的一部分的壁厚比开口端部薄。因此该薄壁部吸收由焊接部的开口端部的径向收缩造成的应力而抑制收缩向支承部的传播。
本发明十字接头可用于轿车的传动轴，也可用于轿车之外车辆如卡车的传动轴。本发明也可用于非传动轴如驱动轴等。
尽管在本发明第二方面中变形传播抑制结构包括低刚性部，但变形传播抑制结构也可呈其它结构，例如在一种结构中，焊接部具有有助于应力局部集中的结构如焊接部的阶梯结构等。
焊接部周向上的低刚性部不必延伸在焊接部的整个周向上而是只延伸在周向的一部分上，可在周向上设置多个这种低刚性部。此外，可只在焊接部轴线方向的一个位置上设置低刚性部，也可在焊接部轴线方向的多个位置上设置低刚性部。
【附图说明】
从以下结合附图对优选实施例的说明中可清楚看出本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中相同部件用相同附图标记表示，其中：
图1为由在组装十字接头后将管子端部摩擦焊接到该接头上制成的卡车十字接头与轿车十字接头的作用转矩T在摩擦焊接前后的比较图；
图2为应用本发明的十字接头的正视图；
图3为图2所示焊接部的放大截面图；
图4示出经研究得出的常规十字接头的焊接部开口端部外径和接头叉部件的叉宽度在压焊前后的变动；
图5示出经研究得出的常规十字接头的管子端部外径和接头叉部件的焊接部的开口端部外径在压焊前后以及在压焊接合部与管子切断(释放)后的变动；
图6示出经研究得出的常规十字接头的作用转矩T和叉宽度在压焊前后以及在压焊接合部与管子切断(释放)后的变动；
图7示出经研究得出的常规十字接头的套杯弯曲(挠曲)量d与作用转矩T之间的关系；
图8示出比较图2所示十字接头与无薄壁部的常规十字接头在压焊到管子上前后作用转矩T变动所得结果；
图9示出结构与图3所示不同的一种薄壁部；
图10示出结构与图3和9所示不同的一种薄壁部；
图11示出结构与图3、9和10所示不同的一种薄壁部；以及
图12示出结构与图3、9、10和11所示不同的一种薄壁部。
【具体实施方式】
下面结合附图说明本发明各实施例。图2为应用本发明的十字接头10的正视图。图2所示十字接头10用于轿车，并具有接头叉部件12、凸缘叉部件14、十字轴16、套杯18和滚针20。
接头叉部件12用作连接件。接头叉部件12用锻造和切削工艺制成为这样一种结构，在该结构中，从底部22的两边向相反方向伸出焊接部24和一对用作支承部的叉26。焊接部24呈圆柱形。焊接部24的开口端面24a和用作转动件的管子25的端部通过摩擦焊接连接在一起使得它们的中心轴线彼此重合。在管子25或叉26转动时进行该摩擦焊接步骤。
从接头叉部件12底部22伸出的两叉26互相面对且平行于焊接部24的中心轴线延伸。每个叉26的远端侧具有中心轴线与焊接部24的中心轴线正交的贯通孔28。套杯18分别装在贯通孔28中。每个套杯18是通过压制成在其轴线的两个方向的一个方向上开口的有底圆筒而制成的。每个套杯18连接在一个叉26上，同时其底面朝外(与朝向另一个叉的方向相反的方向)，十字轴16的远端装配在套杯18的内周面上。每个套杯18的内周面与十字轴16的装配远端的外周面之间设置有多个圆柱形滚针20，从而滚针20可在其间滚动。
每个贯通孔28的外缘部周向上具有多个在将套杯18试装配进贯通孔28中后由外缘部塑性变形而形成的挤压部30。挤压部30防止套杯18从贯通孔28中脱落(拔出)。由于套杯18无法从贯通孔28中脱落，因此其一轴的远端部容纳在套杯18中的十字轴16由叉26支承为可围绕该轴转动。
挤压部30和十字轴16挟压每个套杯18的底部的正反两面，因此套杯18底面与十字轴16的容纳在套杯中的部分的远端面之间生成一预定摩擦阻力即作用转矩T。由于挤压部30挟压套杯18的底部的周边，因此套杯18底部稍稍向外弯曲。
凸缘叉部件14包括底部32和从底部32平行伸出的一对叉34(图2中只示出其中之一)。每个叉34的远端侧具有贯通孔36。套杯18装在贯通孔36中。每个贯通孔36的缘部上具有由该缘部塑性变形而形成的挤压部38，因此套杯18无法从贯通孔36中脱落。十字轴16的与容纳在接头叉部件12的套杯18中的轴不同的第二轴的两端装在凸缘叉部件14的套杯1 8中。第二轴的端部与套杯18之间设置有滚针(未示出)，因此十字轴16也可围绕第二轴转动。
接头叉部件12的焊接部24在其开口端面24a附近具有延伸在焊接部24整个周向上的环形凹槽形薄壁部24c。薄壁部24c的壁厚比开口端部24b薄，并用作低刚性结构即变形传播抑制结构。图3为焊接部24的放大截面图。如图3所示，该实施例的薄壁部24c形成在焊接部24中轴向开口端面24a附近。薄壁部24c是通过对焊接部24的外周进行切削加工而成的。因此，焊接部24的外周面在薄壁部24c形成部位上径向向内凹进，但焊接部24的内径在其整个轴向上、包括薄壁部24c所在部位保持不变。就低刚性结构来说薄壁部24c的壁厚a越小越好。但是如薄壁部24c的壁厚a小于管子25的壁厚，会造成使用寿命缩短。因此，壁厚a应在大于管子25的壁厚的范围内。
下面结合图4-8说明图2所示十字接头10的作用转矩T在它焊接到管子25的一端部前后只发生很小变动的这一特性。图4示出经研究得出的结构与图2所示十字接头10基本相同、只是无薄壁部24c的常规十字接头的焊接部的开口端部外径和接头叉部件的叉宽度在压焊前后的变动。应该指出，叉宽度如图2所示为两叉的远端之间的距离。此外，图4中的垂直线段和圆点的意思与图1中所示相同。如图4所示，在常规十字接头中，压焊造成焊接部的开口端部的外径减小，但叉宽度增大。这可解释如下。由于十字接头的底部不径向收缩，因此底部在焊接部即十字接头的两端中的一个端部收缩时用作支点，从而两叉的远端即十字接头的另一端部膨胀，即互相移离。
图5示出经研究得出的上述常规十字接头的管子端部外径和接头叉部件的焊接部的开口端部的外径在压焊前后以及在压焊接合部与管子切断(释放)后的变动。如图5所示，管子端部的外径和焊接部的开口端部的外径由于压焊而减小，并且在焊接部切断后向复原方向变动(即增加)。
图6示出经研究得出的上述常规十字接头的作用转矩T和叉宽度在压焊前后以及在压焊接合部与管子切断(释放)后的变动。如图6所示，压焊造成叉宽度增大、作用转矩T减小。焊接部切断时叉宽度和作用转矩T向复原方向变动即叉宽度减小、作用转矩T增大。
从图4-6所示结果可知，由摩擦焊接中热变动造成的焊接部的开口端部的径向收缩和管子端部的外径的减小使得另一端部的叉宽度增大，并且叉宽度的增大与作用转矩T的减小互相相关。
应该指出，在图2所示十字接头10中，每个套杯18的底部被弯曲，该弯曲如上所述由挟压套杯18的底部外缘的挤压部30造成。因此，如果叉宽度增大使得挤压部30移离套杯18，则套杯18的底面的弯曲量d减小。顺便说一句，作用转矩T的产生是由于套杯18的底部被挟压在挤压部30与十字轴16的远端面之间从而套杯18的底面与十字轴16的远端面互相接触。结合图4-6所述常规十字接头的情况也是如此。
因此，如果叉宽度增大从而每个套杯底面的弯曲量d减小，则预计作用转矩T也减小。因此，使用结构与图4-6所示十字接头相同的十字接头研究了套杯的弯曲量d与作用转矩T之间的关系。图7示出研究结果。如图7所示，弯曲量d与作用转矩T正相关。相关系数r为0.94。
因此，从图4-7可知，通过防止摩擦焊接造成的管子端部和焊接部端部的收缩变形传到设置在与焊接部端部相反的一端上的叉，即可减小由摩擦焊接造成的作用转矩T的减小。为此，图2所示十字接头10的焊接部24上设置有壁厚比开口端部24b小且从而刚性比开口端部24b小的薄壁部24c。
图8示出比较图2所示本发明十字接头10即有薄壁部24c的十字接头与无这种薄壁部的常规十字接头在压焊到管子上前后作用转矩T的变动所得结果。如图8所示，有薄壁部24c的十字接头的作用转矩T减小得少。这也许是因为，如果管子25的端部和焊接部24的开口端部24b径向收缩，收缩应力大部分由薄壁部24c吸收。
按照上述实施例，即使摩擦焊接造成管子25和接头叉部件12的焊接部24的开口端部24b径向收缩，薄壁部24c也抑制摩擦焊接中由焊接部24的开口端部24b的收缩变形造成的支承十字轴16的叉26的变形。因此，可减小与管子25压焊造成的作用转矩T的变动。
确切说，按照本发明，即使摩擦焊接造成管子25的端部和接头叉部件12的焊接部24的开口端部24b径向收缩，焊接部24周向上的刚性比焊接部24的开口端部24b低的焊接部24的薄壁部24c也吸收焊接部24的开口端部24b的径向收缩造成的应力，从而抑制收缩向叉26的传播。因此，可减小由与管子25压焊造成的作用转矩T的改变。
尽管以上结合附图详细说明了本发明该实施例，但也可以其它方式实施本发明。
例如，尽管在上述实施例中用作低刚性结构的薄壁部24c是通过局部减小焊接部24的外径而形成的环形凹槽结构，但薄壁部24c也可呈其它结构。例如，焊接部24中的开口端部24b之外的大部分的外径可比开口端部24b小(图9)。焊接部24中的开口端部24b之外的大部分的内径可比开口端部24b大(图10)。此外，焊接部24中的开口端部24b之外的大部分的外径可比开口端部24b小并且内径比开口端部24b大(图11)。此外，如图12所示，可将通过焊接部24的中心轴线的剖面中的截面呈半圆形的凹槽用作低刚性结构。此外，尽管未示出，凹槽截面形状也可呈楔形。
应该指出，上述实施例仅是说明性的，本领域普通技术人员可对本发明作出各种修正和改进。