形成具有摩擦焊接凸緣的可變壁輕型車軸的方法與流程

本申請要求于2014年4月8日提交的美國專利申請No.14/247,709的權益和優先權，其全部公開內容以引用的方式并入本文。

技術領域

本發明涉及一種車軸。具體地，本發明涉及一種用于形成具有可變內徑和外徑的輕型車軸的方法。

背景技術：

車軸經常經受顯著負載。車輛驅動車軸例如將顯著扭矩傳遞到車輛車輪，并且在操作中易受到快速啟動和停止。由于經常強加于車軸的顯著負載，大部分車軸由固態金屬形成以提供足夠的剛性和強度。然而，實心車軸需要大量的材料且相對沉重。在車輛中，該重量對燃料經濟性有負面影響，且將額外負載強加于其他車輛部件。

由于與實心驅動車軸相關聯的缺點，已經開發了空心驅動車軸，如例如在美國專利No.5,213,250中所示，其全部公開內容以引用的方式并入本文。然而，用于形成空心車軸的現有方法很難既快速制造多個車軸，同時又改變該軸的內徑和/或外徑，從而實現該軸的特定應用的目標。

本發明人在此已經認識到需要一種用于形成車軸的方法，該方法將最小化和/或消除上述缺陷中的一個或多個。

技術實現要素：

本發明涉及一種車軸。具體地，本發明涉及一種用于形成具有可變內徑和外徑的輕型車軸的方法。

一種根據本發明的一個實施例的用于形成車軸的方法包括將具有前端和后端的第一管狀坯件插入模具中。該模具具有入口端和限定擠出喉部的出口端，第一管狀坯件通過該擠出喉部被擠出，所述擠出開始于第一管狀坯件的前端并且結束于第一管狀坯件的后端。該方法進一步包括將工具插入模具中。該工具限定被配置成接合第一管狀坯件的后端的表面，并且具有被配置成被接收在模具的擠出喉部和第一管狀坯件內的心軸。該心軸包括具有第一直徑的第一部分以及具有與第一直徑不同的第二直徑的第二部分。該方法進一步包括將工具移動到模具內，使得該工具的表面接合第一管狀坯件的后端，并且心軸的第一部分的前端離開第一管狀坯件并延伸超出第一管狀坯件的前端。該方法進一步包括將力施加到工具以將工具朝向模具的出口端移動，并通過擠出喉部擠出第一管狀坯件從而形成車軸。車軸的第一端部部分呈現具有由擠出喉部限定的外徑以及由心軸的第一部分的后端限定的內徑的形狀。車軸的中間部分呈現具有由擠出喉部限定的外徑以及由心軸的第二部分限定的內徑的形狀。該方法進一步包括從模具取回工具并且將具有前端和后端的第二管狀坯件插入模具中。第二管狀坯件的前端接合第一管狀坯件的后端。

在一些實施方式中，該方法進一步包括將工具重新插入模具中并將工具移動到沖模模具內，使得工具的表面接合第二管狀坯件的后端，并且心軸的第一部分的前端離開第二管狀坯件并延伸超出第二管狀坯件的前端進入第一管狀坯件的后端。該方法進一步包括將力施加到工具以將工具朝向模具的出口端移動，使得車軸的第二端部部分呈現具有由擠出喉部限定的外徑和由心軸的第一部分的前端限定的內徑的形狀。

在一些實施方式中，該方法進一步包括將第二工具插入模具中。第二工具限定被配置成接合第二管狀坯件的后端的表面，并具有被配置成被接收在模具的擠出喉部和第一管狀坯件內的心軸。第二工具的心軸具有小于第二直徑的第三直徑。該方法進一步包括將第二工具移動到模具內，使得第二工具的表面接合第二管狀坯件的后端，并且第二工具的心軸設置在第一管狀坯件和第一模具的擠出喉部內。該方法進一步包括將力施加到第二工具以將第二工具朝向模具的出口端移動，使得車軸的第二端部部分呈現具有由擠出喉部限定的外徑以及由第二工具的心軸限定的內徑的形狀。

在一些實施方式中，該方法進一步包括通過第二模具擠出車軸的第一端，以減小車軸第一端的直徑。

在一些實施方式中，該方法進一步包括在車軸的第一端上形成多個花鍵。

在一些實施方式中，該方法進一步包括定位車輪凸緣，使得車輪凸緣接合車軸的第一端。該方法進一步包括將車軸和車輪凸緣中的至少一個相對于車軸和車輪凸緣中的另一個旋轉，以將車軸和車輪凸緣焊接在一起。

在一些實施方式中，該方法進一步包括配置車軸的第一端的徑向內表面以接收密封件。

在一些實施方式中，配置車軸的第一端的徑向內表面包括加工徑向內表面以限定內螺紋或凹槽中的至少一個來接收密封件。

在一些實施方式中，該方法進一步包括將熱施加到車軸以硬化車軸。

在一些實施方式中，該方法進一步包括在將第一管狀坯件插入第一模具中之前將潤滑劑施加到第一管狀坯件。

在一些實施方式中，心軸的第二部分的第二直徑大于該心軸的第一部分的第一直徑。

在一些實施方式中，第一模具在形狀上是管狀的且是預加應力的。

在一些實施方式中，第一模具包括緊接出口端之前的還原區，該還原區具有沿第一模具的長度變化以在其中產生成角度的表面的直徑。

在一些實施方式中，車軸限定沿車軸長度的至少一部分延伸的孔。

在一些實施方式中，車軸的外徑和內徑中的至少一個沿車軸的長度而變化，以限定具有變化的厚度的壁。

本發明的前述以及其他方面、特征、細節、效用和優點通過閱讀以下描述和權利要求并且通過觀察附圖將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是按照根據本發明的一個實施例的方法形成的車軸的透視圖。

圖2是圖1的車軸的剖視圖。

圖3是圖1-2的車軸的部分的剖視圖。

圖4A至圖4G是示出根據本發明的各種實施例的用于形成車軸的方法中的步驟的剖視圖。

具體實施方式

現在參考附圖，其中在各附圖中類似的參考標號用于識別相同元件，圖1-2示出車軸10的一個實施例，該車軸10可以使用根據本發明的方法形成。軸10特別適合于在車輛驅動橋中使用，并且更具體地，適合于在后驅動橋中使用。然而，應當理解，本文所公開的方法可用于前驅動橋的車軸的形成并且用在在其他車輛和非車輛動力傳輸應用中。軸10可包括主體12和車輪凸緣14。

主體12可用于在驅動構件和從動構件之間傳遞扭矩，諸如將扭矩從車輛傳動系(未示出)傳遞到一個或多個車輛車輪(未示出)。主體12可以由常規金屬和金屬合金制成。主體12是細長的，并且可圍繞旋轉軸線16設置且圍繞該旋轉軸線16置于中心。主體12的一個縱向端18可聯接到凸緣14，并且可被配置成支撐車輛車輪。主體12的另一縱向端20可聯接到差速器中的半軸齒輪(未示出)。再次參照圖1，端部20的徑向外表面可以限定多個軸向延伸的花鍵22，花鍵22被配置成接合半軸齒輪的孔內的對應花鍵以便聯接軸10，以與半軸齒輪一起旋轉。花鍵可通過例如軋制或型鍛形成。主體12也是管狀的或空心的，以便減少車軸10相對于常規實心車軸的重量，并限定沿主體12的長度的一部分或全部延伸的孔24。主體12的外徑和/或內徑可變化以沿主體12的長度限定具有變化的厚度的壁26(和具有變化的直徑的孔24)，以便適應負載沿主體12的長度的變化。參照圖3，在靠近端部18的主體12的端部部分27處的壁可以是相對厚的，并且具有外徑OD₁和內徑ID₁。在內側方向上移動時，壁26的內徑可以增大，使得在主體12的中間部分28處的壁26是相對薄的，并且具有等于外徑OD₁的外徑OD₂以及大于內徑ID₁的內徑ID₂。繼續在內側方向上，壁26的內徑可以減小，使得在主體12的中間部分29處的壁26是相對厚的，并且具有等于外徑OD₁的外徑OD₃以及小于內徑ID₂的內徑ID₃。內徑ID₃可以等于內徑ID₁，但相對于內徑ID₁也可以發生變化。繼續在內側方向上，壁26的外徑和直徑兩者都可以減小，使得在靠近主體12的端部20的主體12的端部部分30處的壁26是相對厚的，并且具有小于外徑OD₁的外徑OD₄以及小于內徑ID₂和ID₃的內徑ID₄。內徑ID₄也可以小于ID₁。最后，在主體12的端部20處的主體12的端部部分31也可以是相對厚的，并且具有等于外徑OD₄的外徑OD₅以及大于內徑ID₄的內徑ID₅，其目的在下文描述。應當理解，在主體12中所示的壁26的變化僅僅是示例性的，并且壁18的內徑和/或外徑可以根據應用而變化，以適應在強度、包裝和其他參數方面的預期需要。再次參照圖2，孔24可以在端部20處加工，以限定內螺紋、凹槽或被配置成接收插頭或其他類型的密封件(未示出)的其他形成物。

提供車輪凸緣14以支撐從動構件諸如車輛車輪，并且將從動構件聯接到車軸10以與該車軸10一起旋轉。凸緣14可以由常規金屬和金屬合金鍛造。凸緣14包括軸向延伸的環形輪轂32，該環形輪轂32被配置為聯接到主體12的端部18。輪轂32的內側端部在形狀上可以是環形的，并且具有等于主體12的端部18的內徑ID₁和外徑OD₁的內徑和外徑。輪轂32的外側端部可以閉合，以防止異物和元素進入主體12中的孔24。凸緣14還包括從輪轂32徑向向外延伸的車輪安裝部分34。部分34在形狀上通常可以是是圓形的，并且可以包括多個孔(未示出)，所述多個孔平行于軸線16延伸并且被配置成接收用于支撐車輛車輪的螺栓(未示出)。

現參照圖4A至圖4G，將描述根據本發明的各種實施例的用于形成車軸諸如車軸10的方法。參照圖4A，該方法可以從將管狀坯件36插入模具38中的步驟開始。坯件36由常規金屬和金屬合金制成，其中根據應用的需要選擇材料成分和尺寸。坯件36可以從所選擇的材料的較長桿切割成一定長度。坯件36具有前端40和后端42，其中前端40在后端42之前插入模具38內。坯件36還限定在端部40、42之間沿坯件38的長度延伸的孔44。在將坯件36插入模具38中之前，可將反應形成的潤滑劑施加到坯件36。模具38在形狀上是管狀的，是預加應力的，并且限定入口端46和出口端48。在入口端46處形成的開口具有經設定尺寸以接收處于未變形狀態的坯件36的直徑。在出口端48處形成的開口具有比在入口端46處的開口(和未變形的坯件36)的直徑小的直徑，并且包括擠出喉部50，坯件36通過該擠出喉部50被擠出，所述擠出開始于坯件36的前端40并結束于坯件36的后端42。在緊接出口端48之前的模具38中的區域包括還原區，并且該區域的直徑可變化以產生促進有效材料流動的成角度的表面。

參照圖4B，所述方法可繼續進行將工具52插入模具38中的步驟。工具52可包括沖壓機或類似工具。工具52包括主體54和從主體54延伸的心軸56。主體54具有大約等于模具38的內徑以及坯件36的直徑的直徑。主體54在一端限定被配置成接合坯件36的后端42的表面58。心軸56被配置成被接收在坯件36的孔44和模具38的擠出喉部50內。心軸56沿其長度可具有變化的直徑。在例示的實施例中，心軸56包括具有第一直徑d₁的第一部分60以及具有與直徑d₁不同的第二直徑d₂的第二部分62。在例示的實施例中，直徑d₂大于直徑d₁。應當理解，心軸56可以具有兩個以上的部分，其具有不同直徑，并且直徑在沿心軸56的長度從部分到部分移動時可增大或減小。該方法可以繼續進行將工具52移動到模具38內的步驟，使得表面58接合坯件36的后端42，并且心軸56的部分60的前端64離開坯件36并延伸超出坯件36的前端40。

參考圖4C，所述方法可繼續進行以下步驟，即將力施加到工具52以將工具52朝向模具38的出口端48移動并且通過喉部50擠出坯件36從而開始形成車軸10的管狀主體12。當坯件38的前端40通過模具38擠出時，前端圍繞心軸56塌縮，并且主體12的一個端部部分27呈現具有由喉部50限定的外徑以及由心軸56的部分60的后端66限定的內徑和長度的形狀。當工具52繼續朝向模具38的出口端48移動時，心軸56的部分60離開模具38，并且心軸56的部分62移入并移動通過模具38的喉部50。因此，主體12的中間部分28呈現具有由喉部50限定的外徑以及由心軸56的部分62限定的內徑和長度的形狀。根據心軸56的形狀，在端部部分27和中間部分28之間可以形成階梯狀或漸變的過渡部分。

參考圖4D1，一旦工具52已到達預定位置，該方法就可以繼續進行以下步驟，即從模具38取回工具52并且將另一管狀坯件36A插入模具38中。坯件36A移動到模具38內直到坯件36A的前端40A接合坯件36的后端42。該方法可進一步繼續進行以下步驟，即將工具52重新插入模具38內，并且將工具52移動到模具38內直到工具52的表面58接合坯件36A的后端42A。此時，心軸56延伸通過坯件36A的孔44A，并且心軸56的部分60的前端64離開坯件36A并延伸超出坯件36A的前端40A進入坯件36的后端42。參照圖4D2，在本發明的另選實施例中，與將工具52重新插入模具38中相反，不同的工具68可插入模具38中。如同工具52，工具68包括主體70，該主體70具有被配置成接合坯件36A的后端42A的表面72，以及心軸74，該心軸74被配置成延伸通過坯件36A的孔44A超出坯件36A的前端40A并進入坯件36的后端42。使用不同的工具68允許坯件36的內徑和主體12的壁厚的形成的進一步變化。在例示的實施例中，例如，工具68的心軸74包括部分76、78，所述部分76、78具有彼此不同(其中在例示的實施例中，部分78具有大于部分76的直徑)并且可與工具52上的心軸56的部分60、62不同的直徑。參照圖3，部分76、78被配置成以這樣的方式形成主體12的端部20，即端部20的部分30是相對厚的，以為隨后花鍵形成操作和/或環形凹槽的形成提供支撐，該環形凹槽用來接收用于防止軸12從車輛差速器的外側移動的固定夾，同時端部20的另一部分31是相對薄的，以在形成接收插頭或密封件的端部20的內徑時減少去除材料的需要。

參照圖4E1，該方法可以繼續進行以下步驟，即將力施加到工具52以將工具52朝向模具38的出口端48移動，使得軸10的主體12的另一端部部分呈現具有由喉部50限定的外徑以及由心軸56的部分60的后端64限定的內徑的形狀。一旦坯件36的后端42從模具38噴出，坯件36A的擠出可以與坯件36相同的方式開始。在例示的實施例中，坯件36A的擠出可在不去除工具52的情況下開始。參照圖4E2，在使用不同的工具68的另選的實施例中，該方法類似地可以繼續進行以下步驟，即將力施加到工具68以將工具68朝向模具38的出口端48移動，使得軸10的主體12的端部30、31呈現具有由喉部50限定的外徑以及分別由工具68的心軸74的部分74、78限定的內徑的形狀。一旦坯件36的后端42從模具38噴出，就可以取回工具68且重新插入工具52，并且坯件36A的擠出可以與坯件36相同的方式開始。

參照圖4F和圖4G，可以執行附加的形成步驟以產生適合用作驅動橋的車軸。例如，該方法可以繼續進行以下步驟，即通過另一模具80擠出主體12的一個端部18或20以減小端部18或20的內徑和外徑。該方法可進一步繼續進行以下步驟，即通過例如軋制、型鍛或切割操作在端部20上形成多個花鍵來配置主體12以用于聯接到車輛差速器的半軸齒輪。類似地，該方法可以包括配置主體12的一個或兩個端部18、20的徑向內表面的步驟。例如，端部20的內表面可被配置成接收密封件以便插入孔24，并防止差速器中的潤滑劑進入孔24并由此改變差速器流體動力學和油填充水平，并且防止污染物引入到差速器和差速器部件中的潤滑劑。

該方法還可以包括用于將車輪凸緣14組裝到主體12的若干步驟。具體地，該方法可包括將熱施加到主體12以便硬化主體12的至少一部分諸如端部18。例如通過將主體12或主體12的一部分插入線圈內并在線圈中生成電流經感應可生成熱。然后，該方法可以包括以下步驟，即定位車輪凸緣14使得凸緣14接合主體12的端部18，并且將主體12和車輪凸緣14中的至少一個相對于另一個旋轉，以生成足夠的熱來熔化主體12和車輪凸緣14的接合表面。該方法可進一步包括將軸向力施加到主體12和車輪凸緣14中的一個或兩個以保持接合和壓力的步驟。旋轉速度、旋轉的持續時間和施加的壓力可根據主體12和車輪緣14的材料成分、接合表面的表面粗糙度和其他因素改變。該方法可進一步包括停止主體12和/或車輪凸緣14的旋轉以允許熔化的接合表面的熔合的步驟。所得的焊縫是連續的且均勻的。來自熔化表面的一些材料形成防水板且通常被稱為“羊角鉤”。在主體12的孔24內向內位移的任何材料固化并且保持在孔24內。向外位移的任何材料通常可通過剪切或另一機械加工去除。

一種根據本發明的用于形成車軸10的方法表示相對于常規方法的改進。通過使用連續坯件36、36A并且精確定位坯件36、36A和工具52、68，本發明的方法允許車軸10的快速生產，同時還允許軸10形成有變化的內徑和外徑。進一步地，本發明的方法允許具有相對厚的端部節段18、20的空心車軸10的形成，以適應來自將車軸10的端部18、20聯接到其他部件的負載。至于例如后驅動車軸，該方法允許在車輪凸緣接頭處的相對厚的壁，從而增加焊接接頭的強度。

雖然本發明已經參考其一個或多個特定實施例進行示出和描述，但本領域的技術人員將理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以做出各種改變和修改。