BRPI0707301A2 - montagem de engrenagem diferencial - Google Patents

Abstract

MONTAGEM DE ENGRENAGEM DIFERENCIAL. Trata-se de montagem de uma engrenagem de coroa dentada (12) e de uma caixa (11) de uma montagem de engrenagem diferencial (10) adaptada para soldagem. A caixa (11) possui um flange circular (17) com uma borda estendida axialmente engatada em um sulco circular (33), o qual é ainda liberado no lado radialmente externo, de modo a fornecer um vão para o feixe de soldagem de energia elevada (13) . A interface entre a engrenagem de coroa dentada (12) e o flange (17) é, preferencialmente, uma superfície cónico-piramidal (70 e 65) que apresenta um ângulo oblíquo em relação ao dito feixe de soldagem.

Description

MONTAGEM DE ENGRENAGEM DIFERENCIAL

A invenção refere-se à montagem de engrenagemdiferencial de um veículo motor, e particularmente a umamontagem em que a engrenagem de coroa dentada e a caixa dodiferencial são soldados em conjunto formando uma únicapeça.

Como é bastante conhecido, uma montagem da caixa dodiferencial de um veículo motor compreende uma caixa em queas engrenagens satélite e as engrenagens de saída giramengrenadas, a fim de permitir que as rodas opostas de umeixo mecânico girem em velocidades diferentes. A caixa émontada para rotação em um compartimento do eixo mecânico,e é acionada por uma engrenagem de coroa dentada fixada nacaixa e acionada pelo motor do veículo.

Até o presente, tem sido habitual o aparafusamentoda engrenagem de coroa dentada à caixa do diferencial. Umadas razões para este tipo de construção é assegurar que ataxa de saída do diferencial possa ser selecionada nomomento da fabricação; outras razões são assegurar que aengrenagem de coroa dentada possa ser substituída como umitem de serviço, e o custo extremamente elevado de umcomponente unitário.

A soldagem permanente da engrenagem de coroadentada à caixa do diferencial oferece a possibilidade deredução do custo, se não forem exigidas vantagens comoescolha e facilidade de manutenção. Outras vantagens são apotencial redução do peso e um desenho mais compacto. Noentanto, a engrenagem de coroa dentada é cementada após ausinagem final, enquanto a caixa do diferencial é fabricadaem aço forjado, por exemplo. Muito embora seja possível asoldagem do aço de cementação a um aço forjadorelativamente maleável, usando de um material de carga comoo níquel, a qualidade da soldagem é de difícil controle, eo processo de soldagem é caro. Como alternativa, tem sidoproposto o torneamento duro ou a retifica ao longo dacementação da engrenagem de coroa dentada a um núcleorelativamente maleável, de modo a expor o material adequadoà soldagem, sendo ainda, no entanto, demorado edispendioso.

Também foi proposto usinar a face de montagem daengrenagem de coroa dentada como uma forma com degraus parafora antes da tempera, de modo a facilitar a remoção dacaixa de proteção. Entretanto, ainda assim é desvantajosoporque, tipicamente, a engrenagem de coroa dentada deve sersubmetida ã têmpera por pressão durante o processo detempera para impedir sua deformação, e a forma com degrausexige a centralização da ferramenta de pressão e outensílio de montagem, o que é demorado e de obtenção poucoconfiável. Este problema é exacerbado porque a engrenagemde coroa dentada é imersa em óleo durante a têmpera e,portanto, difícil, se não impossível de se observar. 0último problema também é especialmente inconveniente comrelação aos eixos mecânicos de caminhões, onde numerosastaxas finais de acionamento podem ser fornecidas para usocom montagens usuais de engrenagem diferencial. Assim, porexemplo, 12 taxas diferentes (significando 12 engrenagensde roda dentada distintas) são fornecidas, cada uma delasexigindo um utensílio de montagem respectivo durante atêmpera por pressão. Se for usado o utensílio incorreto, aomenos a engrenagem da coroa dentada será inutilizada, epossivelmente o utensílio e/ou ferramenta de pressão serádanificada.

A DE-A-10238236 revela uma construção em que aengrenagem de coroa dentada é soldada ao compartimento dodiferencial por meio de uma solda aplicada radialmente. Poresta razão, a face posterior da engrenagem de coroa dentadaé eliminada de modo a fornecer acesso à ferramenta desolda, e não é plana. A mesma técnica é usada na soldagemradial do compartimento e da cobertura do diferencial, demodo que o compartimento seja eliminado (ou relativamentedistendido) na direção axial.

O que se requer é uma solução para as dificuldadescitadas anteriormente, de modo a facilitar a soldagem daengrenagem de coroa dentada e a caixa do diferencial.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, éfornecida uma montagem soldada de uma caixa de diferenciale de uma engrenagem de coroa dentada, sendo que a ditacaixa inclui um eixo geométrico rotacional e um flangecircular estendido radialmente, sendo que o dito flangeinclui uma borda projetada axialmente em sua periferia, quea dita engrenagem de coroa dentada inclui um recessocircular para engatar com a dita borda em uma interface, emque o dito recesso se estende radialmente para fora da ditaborda de modo a expor o lado radialmente externo da ditainterface para soldagem.

Esta disposição permite que a face radial daengrenagem da coroa dentada fique plana durante a têmperapor pressão, minimizando ainda o torneamento duro dainterface. Desse modo, já que a totalidade das engrenagensde coroa dentada relevantes podem apresentar uma faceplana, o problema da localização da prensa e do utensíliodurante a têmpera pode ser evitado. Em uma modalidade dainvenção, a borda e o recesso definem faces circularessubstancialmente perpendiculares no lado radialmenteexterno, e a soldagem ocorre por feixe de energia elevada,bisseccionando o ângulo entre as ditas faces. A engrenagemde coroa dentada é suficientemente sustentada de modo aassegurar a resistência da propulsão da engrenagem namesma.

Na modalidade preferencial, a dita engrenagem decoroa dentada compreende uma face anelar planaperpendicular ao seu eixo geométrico rotacional, e o ditorecesso compreende em si um sulco circular concêntrico. 0sulco divide a dita face em porções da face anelarconcêntrica, as quais, preferencialmente, possuem umaextensão radial substancialmente semelhante.

Em uma modalidade preferencial, a dita interfaceforma um ângulo oblíquo em relação ao dito eixo geométrico,preferencialmente na faixa de 50° a 80°, e maispreferencialmente na faixa de 60° a 70° em relação ao ditoeixo geométrico. A dita interface é preferencialmenteconstituída por faces opostas circulares planas da ditacaixa e da engrenagem de coroa dentada.

No lado radialmente interno, a dita interface épreferencialmente unida por uma parede circular em umângulo oblíquo em relação ao dito flange, o qual, namodalidade preferencial, está na faixa de 25° a 35°, e maispreferencialmente a 30°.

Em uma modalidade, o lado radialmente externo dadita interface compreende as respectivas superfíciesperpendiculares da engrenagem de coroa dentada e da caixa.Preferencialmente, a dita engrenagem de coroa dentada éainda rebaixada radialmente para fora da dita interface, demodo que o lado radialmente externo da dita interface estáaxialmente para dentro da face anular plana da engrenagemde coroa dentada.

Em uma modalidade alternativa, a borda e o recessodefinem em conjunto, no lado radialmente externo dainterface, uma face circular substancialmente coplanar.Preferencialmente, a dita face coplanar forma, tipicamente,um ângulo de 30° em relação ao dito eixo geométrico, demodo a apresentar uma face oblíqua em relação ao feixe desolda de alta energia. A face forma um cone piramidal emrelação ao eixo geométrico rotacional.

Na dita modalidade, o recesso circular compreendeuma endentação dupla substancialmente com uma seção W, cujopico central compreende em um lado a dita interface, e nooutro lado, uma porção da dita face oblíqua.

Na modalidade preferencial, o lado radialmenteinterno do dito recesso é afastado do lado correspondenteda dita borda, de modo a definir um vão circular deextensão axial limitada.

De acordo com um segundo aspecto da presenteinvenção, é fornecida uma engrenagem de coroa dentada parauma montagem de engrenagem diferencial de um veículo, sendoque a dita engrenagem de coroa dentada possui um eixogeométrico de rotação, uma face posterior substancialmenteperpendicular ao dito eixo geométrico, e um sulco coaxialna dita face posterior adaptado para definir uma interfacede solda circular entre a dita engrenagem de coroa dentadae um compartimento de uma engrenagem diferencial.

A solda é aplicada a partir do lado radialmenteexterno em um ângulo agudo em relação à dita faceposterior, preferencialmente na faixa de 25° a 35°.

De acordo com um terceiro aspecto da invenção, éfornecido um método para produção de uma engrenagem decoroa dentada para uma montagem de engrenagem diferencialde um veiculo e que compreende as etapas de:

produzir uma engrenagem de coroa dentada anular nãotemperada de faces radiais opostas, sendo uma face radialdotada de um perfil de engrenagem, e a outra face radial éplana,

efetuar um sulco circular na face radial plana pormeio de torneamento a mole,

temperar a dita engrenagem de coroa dentada, eefetuar o torneamento duro do dito sulco de modo arevelar uma superfície não temperada.

Em uma alternativa, o método pode compreendersulcos circulares concêntricos duplos por meio detorneamento a mole na face radial plana, sendo que a porçãoentre os ditos sulcos está:

abaixo da dita face radial plana,

efetuando a têmpera da dita engrenagem de coroadentada, e

efetuando o torneamento a duro das faces adjacentesdos ditos sulcos, de modo a revelar uma superfície contínuanão temperada.

Nos dois casos, o método pode incluiradicionalmente uma etapa de soldagem da dita engrenagem decoroa dentada a uma caixa de diferencial dotada de umaprojeção circular engatável a uma respectiva superfície nãotemperada, preferencialmente por meio de feixe de energiaelevada direcionado à interface radialmente externa.

Outros elementos da invenção serão evidenciados apartir da subseqüente descrição das modalidadespreferenciais apresentadas a título de ilustração nosdesenhos anexos, em que:

A Figura 1 mostra uma seção transversal de umacaixa de diferencial e da montagem da engrenagem de coroadentada.

A Figura 2 mostra a região da solda da Figura 2 emdetalhe ampliado.

A Figura 3 é uma seção transversal ao longo daengrenagem de coroa dentada da Figura 1.

A Figura 4 mostra o perfil da região de solda daFigura 3 em detalhe ampliado.

A Figura 5 é uma seção transversal parcial ao longoda caixa de diferencial da Figura 1.

A Figura 6 ilustra uma seção radial, da disposiçãodas Figuras 1 a 5.

A Figura 7 corresponde à Figura 5 e mostra umperfil alternativo.

A Figura 8 é uma seção de um fragmento que mostraas partes do componente da Figura 7.

A Figura 9 mostra na seção do fragmento um perfilde solda da modalidade da Figura 6.

A Figura 10 mostra na seção do fragmento um perfilde solda da modalidade da Figura 7.

Com referência à Figura 1, uma montagem daengrenagem do diferencial 10 compreende uma caixa 11 de açoforjado, uma engrenagem de coroa dentada 12 de açotemperado revenido; a caixa 11 e a engrenagem de coroadentada 12 são soldadas em conjunto na área próximaindicada pelo círculo 2 (e mostrada em maior detalhe naFigura 2) por uma ferramenta de solda a laser cujo cone dolaser 13 é ilustrado.

Conforme mostrado na Figura 5, a caixa dediferencial 11 apresenta um formato de bacia e, em geral, ésimétrica em torno do eixo geométrico rotacional A. Um cepocilíndrico 14 define uma superfície de rolamento internaassociada a um eixo de comando e a uma superfície derolamento externa associada ao compartimento do eixomecânico. Superfícies correspondentes são fornecidas em umatomada circular que, em uso, é posicionada no recessocircular 15, oposto ao cepo 14. As engrenagens satélitesusuais são rotacionáveis em torno dos eixos localizados emquatro aberturas eqüidistantes 16.

A caixa 11 possui um flange circular contínuo 17 emsua boca, cuja periferia axialmente externa 18 sofre umafunilamento, conforme ilustrado, em direção ao lado docepo, de modo a formar uma superfície geralmente plana deformato cônico-piramidal.

No lado do cepo, o flange define um ombro circularradial 19 adaptado para receber a engrenagem de coroadentada 12 como um ajuste de pressão ou aperto. A porçãoexterna 2 0 do flange 17 se projeta axialmente em direção aolado do cepo e termina em um fio de faca circular 21interno da periferia radialmente externa 22. Esta porção 20se afunila para o interior do flange a partir do fio defaca 21 até a periferia radialmente externa 22, formando umângulo de 20° em relação ao diâmetro (conforme representadopelo número 23), originando assim uma face de formatocônico-piramidal 24 dotada de uma largura 25 de cerca de 10mm. Outros ângulos, por exemplo, de 30°, são possíveis, e alargura 2 5 pode ser menor ou maior, conforme o caso.

Conforme melhor ilustrado na Figura 2, a engrenagemde coroa dentada 12 quando montada sobre a caixa 11 está emcontato com a face 24, mas axialmente livre da parteinterna da caixa da face 24.

A engrenagem de coroa dentada 12 compreende um aneltubular dotado de uma forma de engrenagem no mesmo,(tipicamente hipóide ou um bisel em espiral) e representadopelas linhas tracejadas 30. As linhas tracejadasrepresentam o ângulo de inclinação longitudinal, o ângulode poliedro e o ângulo base dos dentes da engrenagem. 0diâmetro interno compreende uma face circular axialmentedirecionada 31 adaptada para se ajustar ao ombro 19. Nolado axial oposto aos dentes da engrenagem, a engrenagem decoroa dentada possui uma face radial 32 com um sulcocircular 33 usinado na mesma após a têmpera.

A face radial 32 é, portanto, achatada durante atêmpera, e consequentemente é adaptada para a aplicação deuma ferramenta de prensagem à mesma durante a têmpera porpressão, dispensando a etapa de posicionamento. Após atêmpera, o sulco 3 3 é usinado por torneamento duro, de modoa revelar o núcleo relativamente maleável.

0 sulco 33 tem uma forma vantajosa, melhorilustrada na Fig. 4, e compreendendo um recesso principalradialmente mais profundo 34 e um recesso secundárioradialmente mais externo 35.O recesso principal é uma seção geralmentetriangular dotado de paredes 3 6 e 3 7 em um ângulo inclusoobtuso, por exemplo, 100°C, e disposto em torno de 30° emrelação ao lado interno da face radial 32. As paredesrespectivas 36 e 37 são representadas pelos ângulosassinalados com os números 40 e 41.

O recesso . secundário compreende uma parederadialmente externa 38, preferencialmente paralela à parede37, e uma parede radial verdadeira 3 9 que se une à parede37, de modo que o perfil da face 37, 38, 39, em geral,radialmente direcionada é escalonado conforme ilustrado.

Conforme será evidenciado, as faces 24 e 37 estãoem contato planar na montagem dos componentes, conformeilustrado na Figura 1. O recesso secundário 35 permite oacesso desimpedido para que o cone de laser 13 forme umasolda circular em torno do flange 17 na interface docomponente. Visto que as faces 37 e 38 estão no mesmoângulo relativo, ambas podem ser imediatamente formadas emuma operação de usinagem em torneamento e imersão diretausando uma ferramenta de moldagem adequada.

A Figura 6 ilustra a disposição geral descrita comrelação às Figuras 1 a 5, em que uma caixa do diferencial11 está conectada à engrenagem de coroa dentada 12 via umfeixe de solda a laser 13. A solda resultante 51 éilustrada na Figura 9 e está direcionada para dentro apartir do canto na junção da periferia externa 22 e daparede radial 39.

Um perfil de engate alternativo está ilustrado nasFiguras 7 e 8. Conforme imediatamente visível a partir daFigura 7, o sulco circular formado na face radial daengrenagem de coroa dentada está, em geral, na forma de"W" , e compreende um recesso radialmente interno 61 e umrecesso radialmente externo 62.

0 recesso interno geralmente corresponde ao recesso34, e apresenta formato triangular, tendo as paredes 63 e64 dispostas em um ângulo incluso de cerca de 90°. Orecesso superior 62 também apresenta formato triangular, epossui um ângulo incluso de cerca de 60° definido pelasparedes 65 e 66.

A periferia radialmente externa 67 do flange 17compreende uma borda voltada para cima dotada de uma margemortogonal 69 a cerca de 30° em relação ao raio, e um ângulocorrespondente em relação â parede 64. Adicionalmente, aface externa da borda 7 0 está alinhada com a parederadialmente interna 65, de modo a apresentar uma superfíciecircular geralmente planar em relação ao cone do laser 13.

A Figura 10 ilustra a solda 71 obtida pelo uso damodalidade das Figuras 7 e 8, a qual possui um perfilexterno convexo vantajoso, preferível ao perfil côncavomostrado na Figura 9. O perfil de solda convexo apresentamenor risco de concentração de tensão, e também reduz oaquecimento localizado da engrenagem de coroa dentada 12 eda caixa 11, devido à proximidade do cone de laser 13. Aoreduzir o aquecimento localizado, a potência exigida dasolda a laser também é reduzida, quando comparada com amodalidade da Figura 9; também há um risco reduzido de queo material da engrenagem de coroa dentada radialmente forada junção será parcialmente preenchido pela solda e forme operfil côncavo menos desejável. Uma vantagem adicional daface planar apresentada pelas superfícies 65 e 70 é areflexão mínima do feixe localizado e, portanto,substancialmente a totalidade da energia do feixe seráusada na soldagem.

0 formato preciso do recesso externo 62 não éimportante, já que a superfície planar está presentesubstancialmente em posição ortogonal ao cone de laser, eum vão suficiente radialmente externo para o cone éfornecido pela parede 66. No lado radialmente interno, sãofornecidos vãos adequados para assegurar o contato físicoda margem 6 9 e da parede 64.

Adicionalmente a Figura 8 ilustra um processovantajoso de usinagem dos recessos 61 e 62. Conformeexplicado acima, para fins de têmpera por pressão durante aetapa de têmpera, a face radial "posterior" 32 daengrenagem de coroa dentada 12 deveria ser "plana", de modoque a localização de uma ferramenta de prensagem acima deuma protuberância não é necessária. Os sulcos delocalização ilustrados nas Figuras 6 e 7 não impedem atêmpera por pressão, porque não podem ser formados portorneamento duro após a etapa de têmpera.

Entretanto, os sulcos 61 e 62 podem serparcialmente formados antes da têmpera, isto é, enquanto aengrenagem de coroa dentada está relativamente maleável,pela remoção das duas áreas sombreadas 72 e 73 mostradas naFigura 8. Desse modo, a remoção não impede a têmpera porpressão, e uma região 74 permanece entre os recessos 72 e73 a fim de fornecer suporte adicional.

Após a têmpera, os sulcos 61 e 62 são integralmenteformados por torneamento duro das áreas 7 5 e 76, mas ovolume do material a ser removido é bastante reduzido, eestá restrito à formação das faces correspondentes 64 e 65.

Claims (9)

1. Montagem de uma caixa de diferencial e de umaengrenagem de coroa dentada, caracterizada pelo fato de quea dita caixa possui um eixo geométrico rotacional e umflange circular geralmente estendido radialmente, que odito flange possui uma borda projetada axialmente em suaperiferia, e que a dita engrenagem de coroa dentada possuium recesso circular para o engate com a dita borda em umainterface, onde o dito recesso se estende radialmente parafora da dita borda, de modo a expor o lado radialmenteexterno da dita interface para soldagem.

2. Montagem, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que a face radial da ditaengrenagem de coroa dentada é plana no lado do ditorecesso.

3. Montagem, de acordo com a reivindicação 2,caracterizada pelo fato de que o dito sulco divide a ditaface em porções da face anulares concêntricas que possuemsubstancialmente uma extensão radial semelhante.

4. Montagem, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que adita interface compreende faces circulares substancialmenteperpendiculares da dita borda e do recesso.

5. Montagem, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizada pelo fato de que adita interface está em um ângulo oblíquo em relação ao ditoeixo geométrico e é constituída por faces circularescoplanares adjacentes da dita borda e recesso.

6. Montagem, de acordo com a reivindicação 5,caracterizada pelo fato de que o dito recesso circularcompreende uma endentação dupla substancialmente de seçãowW", cujo pico central compreende de um lado a ditainterface, e do outro lado uma porção da dita face oblíqua.

7. Montagem, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizada pelo fatode que no lado radialmente interno a dita interface é unidapor uma parede circular em um ângulo oblíquo em relação aodito flange.

8. Montagem, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizada pelofato de que a dita engrenagem de coroa dentada é aindarebaixada radialmente para fora da dita interface.

9. Montagem, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizada pelofato de que o lado radialmente interno do dito recesso estáafastado do lado correspondente da dita borda, de modo adefinir um vão circular.