Optimizing and Verifying Spline Contact Length in Heavy Commercial Vehicle Driveshaft Slip Assembly

Abstract

Driveshafts have two main movements, angular and axial, under road conditions. Angular movement is provided by universal joints while axial movement is provided by the sliding assy.. A sliding assy includes a yoke shaft and a tube sleeve, which engage each other through spline forms. The parts move axially back and forth during transmission thanks to the spline forms. During the movement of the motor vehicle, the sliding assy is subjected to torsion. Pressure comes out between the spline teeth. In this context, the size and length of the spline form are important when considering the pressure and stress distribution in the design process of sliding assy. In the study, the spline contact length of the sliding assy was optimized by analytical calculation of the pressure between the teeth, by changing only the spline contact length. In this context, the analytical calculation of the shear stress on spline teeth, which was used in a previous study and correlated with finite element analysis (FEA), was also used here. Finally, the sliding assy with optimized spline length was subjected to static torsion test in the laboratory and confirmed by positive results. As a result of the spline contact length optimization (without changing the tube sleeve’s parameter) of the sliding assy, a weight reduction of 6.1% was achieved by reducing the spline length of the yoke shaft.

Keywords

• Cardan Shaft
• Slip Assembly
• Optimization
• Pressure
• Shear Stress
• Spline

Ağır Ticari Araç Kardan Mili Kayıcı Takım Uygulamasında Spline Temas Boyunun Optimize Edilmesi ve Doğrulanması

Abstract

Kardan millerinin yol koşullarına bağlı olarak açısal ve eksenel olmak üzere iki temel hareketi vardır. Açısal hareket üniversal mafsallar tarafından sağlanırken, eksenel hareket kayıcı takım tarafından sağlanır. Temel olarak, bir kayıcı takım, spline formları aracılığıyla birbirini kavrayan çatallı kayıcı mil ve kayıcı kovan olmak üzere iki parçadan oluşur. Parçalar, spline formlarının kavrama yüzeyleri sayesinde momenti iletirken aynı zamanda eksenel ileri-geri hareket edebilir. Motorlu aracın hareketi sırasında, kayıcı takım burulmaya maruz kalır. Burulma sırasında temas eden spline dişleri arasında basınç oluşumu meydana gelmektedir. Bu bağlamda, kayıcı takım tasarım sürecinde basınç ve gerilim dağılımı göz önüne alındığında spline formunun boyutu ve uzunluğu oldukça önemlidir. Çalışmada, kayıcı takımın yalnızca spline temas boyu değişimi sağlanarak dişler arasındaki basıncın analitik olarak hesaplanması sonucunda kayıcı takımın spline temas boyu optimize edilmiştir. Bu kapsamda, daha önce ortaya koyduğumuz bir çalışmada geçen ve sonlu elemanlar analizi (FEA) ile korele edilmiş olan spline dişlerinde kesme geriliminin analitik hesaplaması bu çalışmada da kullanılmıştır. Son olarak, optimize edilen spline boyuna sahip kayıcı takım laboratuvar ortamında statik burulma testine tabi tutulup, olumlu sonuçların alınmasıyla doğrulanmıştır. Kayıcı takım spline temas boyu optimizasyonu neticesinde (kayıcı kovan spline boyu değiştirilmeden) çatallı kayıcı milin spline boyunun azalması ile %6,1 seviyesinde ağırlık tasarrufu sağlanmıştır.

Keywords

• Kardan Mili
• Kayıcı Takım
• Optimizasyon
• Basınç
• Kesme Gerilimi
• Spline

References

1. [1] Amold, O.B., Platek, V. 1991. Universal Joints and Driveshafts Design Manual. 2nd, The society of Atutomotive Engineers, ABD.
2. [2] Seherr-Thoss, H.C., Schmelz, F., Aucktor, E. Universal Joints and Driveshafts. Analysis, Design, Applications. İkinci baskı. London,England.
3. [3] Sen, O., Kahyalar, M.C., Özgürler, H. 2022. Investigation of The Effect of Design Variables on Slip Assembly: Spline Module and Slip Length. Sakarya University Journal of Science, 26(3), 459-465.
4. [4] CURÀ, F., MURA, A. 2014. Analysis of a Load Application Point in Spline Coupling Teeth. Journal of Zhejiang University-Scıence, 15(4), 302-308.
5. [5] Hong, J., Talbot, D., Kahraman, A. 2014. Load Distribution Analysis Of Clearance-Fit Spline Joints Using Finite Elements. Mechanism and Machine Theory, 74, 42-57.
6. [6] Barrot, A., Paredes, M., Sartor,M. 2009. Extended equations of load distribution in the axial direction in a spline coupling. Engineering Failure Analysis, 16, 200–211.
7. [7] Tjernberg, U.A. 2001. Load distribution and pitch errors in a spline coupling. Materials and Design, 22, 259-266.
8. [8] Chase, K.W., Sorensen, C.D., DeCaires, B. Variation 2010. Analysis of Tooth Engagement and Load Sharing in Involute Splines. American Gear Manufactures Association, Alexandria, ABD, Haziran.

9. [9] Şen, O., Kahyalar, M. C., Özgürler, H. 2022. Investigation of the effect of design variables on slip assembly: Spline module and slip length. Sakarya University Journal of Science, 26(3), 459-465.
10. [10] Involute splines based on reference diameters – Part 2: Nominal and inspection dimensions. DIN 5480 -2.
11. [11] Oberg, E., Jones, F.D., Horton, H.L., Ryffel, H. The Machinery's Handbook. 2012. 29th Ed. INDUSTRIAL PRESS Inc, New York, ABD.
12. [12] Dudley D.W. When Spline Need Stress Control. General Electric Co, Lynn, Mass.
13. [13] Kahyalar, M.C., Sen O, Nayir T. 2021. Determination and comparison of the strength of the universal joint on driveshaft for various torque values, by finite element analysis and analytical method. International Journal of Technological Sciences, 13(2), 57-61.