CN102695571A - 使用粉末冶金制造齿式环齿轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造齿式环齿轮（30）的方法，每个齿（32）由前部和后部组成，所述方法包括以下步骤：通过压缩和烧结成型环齿轮，所述环齿轮具有在其全部周边或部分周边上延伸的齿预成型体（50）；以及在模具中校准烧结的所述环，所述模具包括前半模（64）和后半模（62），所述前半模和所述后半模用于在所述齿的所述前部和所述后部之间的接合处接合，在所述齿的原有平面中，各预成型体的后部（BP）的厚度（A）大于在所述后半模中的形成的沟槽（66）的最薄截面（S1）并且小于在所述平面中的所述沟槽的所述最厚截面（S2）。

Description

使用粉末冶金制造齿式环齿轮的方法

技术领域

本发明涉及在传动装置中使用的类型的烧结齿式离合器环，以及该烧结齿式离合器环的制造方法。

背景技术

传动装置包括许多部件，这些部件在换档中改变它们的位置使得传动装置的输出轴线具有适合运动阻力的扭矩。这样的传动装置尤其被提供用于汽车领域。

传统传动装置尤其包括齿式离合器环，该齿式离合器环牢固附接到惰轮（焊接或缩套在这些齿轮上）并且用于与滑动套筒或通过传动装置的杆驱动成旋转的星形联合器配合。通过包括在齿式环的齿和滑动套筒的齿之间的锁定步骤，在杆和惰轮之间的速度相等的步骤之后实现了该配合。

图1A到图1D分别示出传统齿式环的前视图、截面图、局部放大截面图和局部简化透视图。

齿式环包括环10，环10具有沿环10的周向规律地分布的爪或齿12。如图1B示出，齿12由该环的薄区14支承。应该注意，这些齿还可以在该环的周边成组地分布。

从图1D中可以较好地看出，每个齿12由与环10接触的基表面16、与该基表面相对的上表面18、两个前表面20和形成倒锥的两个侧向后表面22限定，两个前表面20的相交处限定前棱。基表面16和上表面18具有类似的形状，由大致三角形的前部形成并由大致梯形的后部形成。每个齿12在其上表面18和其基表面16之间变宽，可以是线性变宽，但并非必须线性变宽。很多时候，对于表面22变宽的轮廓是圆心渐开线。由基表面16限定的直径d_min被称为小直径，以及由上表面18限定的直径d_maj被称为大直径。还定义了节径d_prim′和因此的节平面、齿的特征和在小直径和大直径之间的位置（d_min<d_prim′<d_maj）。齿的几何特征通常被限定在节平面中。

由前表面20以及形成基表面16和上表面18的前部的三角形限定的齿的前部或头部称为F，该F部分为接触齿式离合器的第一部分。由侧向后表面22和形成基表面16和上表面18的后部的梯形限定的齿的后部或根部称为B。在齿的头部和根部之间的相交线因此对应于由表面20和表面22之间的边缘23以及将边缘23与表面18和表面16的相交处分别连接的直线限定的梯形。齿的后部B提供倒锥特征。

在图1D中所示的齿相对于齿的中心纵向平面为对称的。应该注意，还可以提供不对称的齿，对于该不对称的齿，在该齿的中心纵向平面的两侧的形状20和形状22是不同的。

图2A到图2D为在齿的节平面中的简化的纵向截面图，图2A到图2D示出在两个相对的齿24和齿26之间齿离合的四个步骤，齿例如齿式环和滑动套筒的齿。

齿24和齿26分别包括前部F_a和后部B_a与前部F_b和后部B_b，前部F_a和前部F_b分别由前表面20a和前表面20b限定；后部B_a和后部B_b分别由侧向后表面22a和侧向后表面22b限定。应该注意，在齿的节平面中，角度α（在图2A中示出）通常被限定在前表面20a和前表面20b与齿的中心纵向轴线之间；角度β（在图2A中示出）通常被限定在后表面22a和后表面22b与齿的中心纵向轴线之间。在不对称齿的情况下，不同的角度α₁与α₂和/或β₁与β₂从而被限定在中心纵向轴线的两侧。

在初始状态（图2A）中，在齿24和齿26之间的联接没有被接合。齿的前部F_a和前部F_b基本定位成（但并非必须）彼此面对。这些齿靠近彼此直到这些齿的前表面20a和前表面20b接触为止（图2B）。持续滑动，直到在齿的前表面和后表面之间的相交线23a和相交线23b彼此面对为止（图2C）。随后定义了在靠近和锁定之间的过渡阶段。最后，当齿24的后表面22a和齿26的后表面22b变得接触时，联接被锁定（图2D）。应该注意，由于这些齿具有大体渐开线形状，故在齿24和齿26之间的接触通常为线性或点形并且位于这些齿的节平面内。在图2D（锁定的齿离合）的步骤中将在节平面中齿24和齿26之间的接触的长度称作重叠长度L_R。一旦该装置锁定该长度限定该装置的鲁棒性，这由于该长度限定用于联锁两个部件的有效面积和在这两个齿之间的扭矩的传输的面积。因此，长度L_R限定由齿式环和滑动套筒组件提供的抗脱落（anti-jump-out）功能的鲁棒性。

一旦齿已经达到图2D的状态，那么齿不继续它们的相对位移，当前在这些齿的后部形成有止挡件。

图3为齿式环的一部分的透视图，其中，这样的止挡件28被提供在这些齿的后部的表面处。还可以通过在薄区14的表面或环10的表面之一上的接触获得止挡效果。应该注意，在提供止挡件28的情况下，节圆直径和大直径的定义不变，大直径为由上表面18（不考虑止挡件）限定的直径。

为了形成齿式环的齿的前表面和侧向后表面，可以切削加工由环形成的预成型体，该环包括在其周边的齿。然而，该切削加工一个部件接一个部件地执行，随后一个齿接一个齿地执行，并且不总是提供足够的准确性和表面20、表面22的形状和相交棱23的位置的可再现性（从一个部件到另一个部件是波动的，或甚至是从一个齿到另一个齿是波动的），该可再现性用于大规模应用。此外，在前部和后部之间通过切削加工获得的棱通常为锋利的，这可导致在齿式离合器的图2C的步骤期间的颤动和金属毛刺的产生。

为了克服与获取带有切削的齿的齿式环有关的问题，已经提供了通过粉末冶金法（即，通过压缩、烧结和校准）形成齿式环。该烧结包括加热通过冷压粉末混合物形成的坯件，以使其具有机械内聚力。该校准或通过材料的变形的成型包括使烧结部件通过模具以获得更精确的尺寸和功能性几何形状。因此，具有所需尺寸的部件被直接获得并且待执行的步骤的数量和部件制造成本下降。有利地，单个模具被用于部件的大规模生产，这提供了部件之间的非常好的可再现性。每个齿的几何形状和尺寸质量随后直接关系到工具的质量。

在校准期间，两个半模在通过烧结获取的预成型体上彼此被压靠。这样的成型操作的缺点可以为在两个半模之间的接合处（即，齿的前部和后部之间的接合处）形成有害的毛刺。该毛刺的出现不能实现高质量的齿式离合器。

为了避免形成毛刺，US专利6680024提供了使用一种模具，该模具的前半模在与后半模的接合处具有比后半模稍宽的开口。因此形成的齿的前表面在与后表面的接合处具有提供无颤动的齿式离合器的圆形肩部。然而，在后部（倒锥区域）的开始处仍然有收缩（set-back）。因此，滑动套筒的倒锥和齿式环的倒锥的叠置仅在齿的后部部分地延伸，一旦齿式离合器被锁定时这不提供相对于齿尺寸优化的最大叠置长度。

因此，需要一种使用粉末冶金制造齿式环的方法，该方法克服了上述缺点以提供最佳的功能性。

发明内容

本发明的实施方式的目的提供了使用粉末冶金以制造齿式环的方法。

本发明的实施方式的另一目的提供了齿式环校准模具，该模具的尺寸适合地设计成优化齿叠置长度和提供一种优化的齿式离合器。

因此，本发明的实施方式提供了用于制造齿式环的方法，各个齿由前部和后部形成，该方法包括以下步骤：通过压缩和烧结成型环，该环具有在该环上的全部周边或部分周边上延伸的齿预成型体；以及在模具中校准烧结的环，该模具包括前半模和后半模，前半模和后半模在齿的前部和后部之间的接合处保持接触，在齿的节平面中，各个预成型体的后部的厚度大于形成在后半模中的沟槽的最薄截面并且小于沟槽的最厚截面。

根据本发明的实施方式，沿环的外周边分布齿，齿预成型体的大直径小于前半模和后半模的大直径。

根据本发明的实施方式，沿环的内周边分布齿，齿预成型体的小直径大于前半模和后半模的小直径。

根据本发明的实施方式，在齿的节平面中，各个预成型体的后部的厚度的范围在沟槽的最薄截面的八分之七和沟槽的最厚截面的八分之一的总和与沟槽的最厚截面的八分之七和沟槽的最薄截面的八分之一的总和之间。

根据本发明的实施方式，在由范围在d_min和d_maj之间的直径限定的各个平面中，其中d_min指环的小直径以及d_maj指环的大直径，各个预成型体的后部的厚度的范围沟槽的在齿的节平面中的最薄截面和最厚截面之间。

根据本发明的实施方式，在由范围在d_min和d_maj之间的直径限定的各个平面中，各个预成型体的后部的厚度的范围在沟槽的在所述平面中的最薄截面的八分之七和最厚截面的八分之一的总和与所述沟槽的在所述平面中的最厚截面的八分之七和最薄截面的八分之一的总和之间。

根据本发明的实施方式，半模的底部为磨圆的。

根据本发明的实施方式，在前半模和后半模中的模腔延伸以在齿的后部的表面形成止挡件。

根据本发明的实施方式，齿相对于齿的中心纵向平面为不对称的。

本发明的实施方式还提供由上述方法形成的齿式环。

本发明的实施方式还提供了能够通过上述方法形成齿式环的模具和工具的组件。

本发明的实施方式还提供了包括通过上述方法形成的齿式环的机械装置。

附图说明

在下文结合附图对具体实施方式的非限制性描述中详细描述本发明的上述目的、特征和优点，以及其他目的、特征和优点，其中：

上文描述的图1A到图1D分别示出传统齿式环的前视图、截面图、局部放大截面图和简化的局部透视图；

上文描述的图2A到图2D示出齿式离合器的不同阶段；

图3为齿式环的备用齿的透视图；

图4为根据本发明的实施方式的齿式环的局部透视图；

图5为根据本发明的实施方式的齿式环的预成型体的局部简化透视图；

图6A到图6D以该齿的基准面处的齿和模具的透视图和纵向截面图示出根据本发明的实施方式的用于校准齿式环的方法。

应该注意，在以下描述中，不同附图中的相同的附图标记表示相同的部件以及此外不同的附图比例是不同的。

具体实施方式

为清楚起见，仅示出和描述有助于理解本发明的那些部件。具体而言，没有详细描述支承齿的环的制造，本发明兼容用于制造这样的环的常用方法。此外，除非另有说明，术语侧向、纵向、中心等在附图中的方向为随意描述的。

本发明提供了通过压缩、烧结和校准形成具有齿的环，这些齿在其前部和后部之间具有稍圆的相交部分（以抑制角度），从而在齿离合期间提供最小的过渡区。提供的待形成的齿具有最大可能的重叠长度。

图4为齿式环30的实施方式的局部透视图。在示例中，齿相对于中心纵向平面为对称的并且被形成在环31的全部周边或部分周边上（仅示出局部）。

每个齿32包括前部F_C和后部B_C。齿32由与环31接触的基表面34（在小直径处）和上表面36（在大直径处）限定，上表面36可具有比该基表面34小的面积。表面34和表面36具有类似的形状，由三角形前部和梯形后部组成。前部F_C由两个前表面38限定以及后部B_C通过形成倒锥的两个侧向后表面40限定。在齿32的前部F_C和后部B_C之间的相交部分42为磨圆的并且在两个前表面38之间的相交部分处的前缘44也是磨圆的。可选地，在上表面36和各侧向后表面40之间也可以提供半径。

应该注意，在图4中所示的结构仅为实施例并且本文讨论的方法适用于其他齿的形状，尤其适用于具有与本文讨论的那些半径不同的半径的齿（除了在表面38和表面40之间的那些半径之外，在功能性表面之间连接的不同半径）。

为了通过粉末冶金形成例如在图4中所示的齿式环，开始通过成型、压缩和烧结，形成环，该环包括在环周边的齿预成型体。

图5为包括在环52（仅示出局部）周边的齿预成型体50的这样的结构的简化透视图。

在示例中，各预成型体50包括前部F_P和后部B_P。预成型体50由与环52接触的基表面54（在小直径处）和上表面56（在大直径处）限定，上表面56可具有比该基表面54小的面积。基表面54和上表面56具有相同的形状，由三角形前部和梯形后部组成。在示出的示例和下面的附图中，基表面54和上表面56具有矩形后部。各预成型体50的前部F_P由两个前表面58限定以及后部B_P由两个侧表面60限定，两个前表面的相交部分限定前棱。因此，齿预成型体50的后部B_P的截面沿该部分的整个高度（在齿的前后方向上被限定）为恒定的。在预成型体50的前表面58之间的角度基本对应于在齿32的前表面38之间的期望角度。应该注意，预成型体还可以在这些功能性表面之间具有半径，在图5中没有示出。

一旦通过压缩和烧结已经形成齿式环的预成型体，在适用尺寸的模具中使其校准，换言之，通过施加机械应力使材料塑性变形。

图6A到图6D示出用于校准根据实施方式的齿式环预成型体的方法，在该情况中为对称齿。图6A为在校准期间的透视图，图6B、图6C和图6D为在图6A的节平面A-A中的纵向截面图，分别示出校准的初始步骤，在所用的模具和待校准的齿预成型体之间的叠置步骤和成型（校准）的最终步骤。

模具包括用于在齿32的前部F_C和后部B_C之间的相交部分处关闭的两个半模62和半模64。半模62用于形成齿的后部以及半模64用于形成齿的前部。对于各个齿，后半模62包括根据待实现的最终倒锥角度而向外展开的沟槽66，例如角度范围在2°到8°之间，该沟槽66具有底部，该底部延续以形成恒定截面的槽道67。槽道67在后半模的背部形成开口。在节平面A-A中，将沟槽66的最薄截面（在该槽道的底部）称为S₁以及将沟槽66的最厚截面（在半模62和半模64的接触处）称为S₂。在前方，半模64包括倒圆模腔68。由模腔68的壁形成的角度等于最终的期望角度。由齿预成型体50的两个前表面58形成的角度值与由模腔68的壁形成的角度值近似。在形成模腔68的两个表面之间的相交部分例如为磨圆的。作为变型，可提供稍微平坦的所述相交部分。

对于不对称的齿，向外展开的沟槽66和倒圆模腔68相对于齿的中心纵向平面是不对称的。

如图6C中所示的叠置，模具限定了自由空间70，自由空间70在预成型体50的两侧且在两个半模62和半模64之间的界面处，并且该模具在沟槽66底部处比预成型体薄。因此，在校准期间，形成预成型体的后部的物质被压缩或锻造，并且趋向于以某种方式进入槽道67。当锻造和在槽道67中的运动是充分的时，它们被阻挡并且齿预成型体的后部B_P的物质向前推在齿预成型体的前部F_P的物质，这导致该物质朝向自由空间70的移位。

为了获得所需的形状，预成型体和模具的尺寸符合以下关系式：

S₁<A<S₂，

其中，A表示在节平面中的齿预成型体的后部B_P的厚度（在梯形的情况下的平均厚度），并且优选：

该关系式优选在由范围在d_min和d_maj之间的直径限定的齿的任何横截面平面中被校准，d_min指齿式环的小直径以及d_maj指齿式环的大直径。

图6D示出校准后获得的结果。在校准期间，由于厚度S₁比厚度A小，形成齿预成型体50的后部B_P的物质被压缩或锻造并且朝向自由空间70向前推齿预成型体以及其前部。此外，在通过模腔68的两个表面限定的锥体的顶部处的半径的存在压紧预成型体50的前部F_P的尖端，以及预成型体50的前部的物质朝向自由空间70移位。

上述物质的两种运动的累积和控制使得形成齿32，该齿32具有在齿的前部F_C和后部B_C之间的圆形相交部分，而没有标记，因为该物质保持稍微敞开的体积并且不严格遵循在上模具62和下模具64之间的接触面积。

此外，有利地，形成的齿具有一致的倒锥，不带标记，沿其整个长度完全为功能性的，并且因此提供了最大的叠置长度。因此，该校准步骤能够限定齿32的向外展开的侧向后部40和它们的角度，以及这同样适用于齿的前表面38之间的角度。

在可以在冷或热温度执行的校准期间，预成型体50的物质可稍迁入恒定截面的槽道67中。根据预成型体的物质的量和校准模具的体积，可以在槽道67中设置凸模80（图6B到图6D中的虚线示出）以控制该物质的量以及可选地用来实现预成型体的最终压缩。

优选地，在校准期间，功能性间隙被提供在齿预成型体的大直径d_maj和模具62、模具64的大直径d_maj之间。因此，在外齿情况中，形成的齿的大直径大于的预成型体的大直径。

因此，在单一的校准步骤中，所述的方法能够形成带有齿的齿式环，该齿具有在前部和后部的侧面之间的圆形相交棱，并且具有倒锥区域的最大叠置长度。

已经描述了本发明的具体实施方式。对于本领域的技术人员可以进行各种改动和变型。具体而言，应该注意，本文中描述的校准方法还可以被用来形成环的内齿。在内齿的情况下，由齿的基表面限定的直径称为大直径，以及由齿的上表面限定的直径称为小直径（小直径<大直径）。因此，对于内齿，在预成型体和模具之间的间隙条件与小直径有关。功能性间隙随后优选被提供在预成型体的小直径和模具62、模具64的小直径之间。因此，形成的齿的小直径小于预成型体的小直径。

还应该注意，在本文中描述的方法适用于通常（但非必须）具有渐开线形状的齿。该方法还可适用于具有平坦表面的齿。该方法还适用于前表面和后表面的特征角度不是恒定（翘曲轮廓）的情况。

此外，本文讨论的方法适用于包括具有被形成有齿的元件的任何机械部件的成型。

此外，本文讨论的方法还适用于齿式环的成型，其中，例如参照图3描述的止挡件的止挡件被提供到齿的上表面的后部。在该情况中，在校准中所用的前半模和后半模将具有适用于形成这样的止挡件的模腔。如上文所述，它们可以被提供成沿齿的前部和后部之间的边界、在齿的基准面处、在齿的前表面的轮廓的基准面处、在止挡件上保持接触。

Claims (10)

1.一种用于制造齿式环的方法，各个齿（32）由前部（F_C）和后部（B_C）形成，所述方法包括步骤：

通过压缩和烧结成型环（52），所述环（52）具有在所述环的全部周边或部分周边上延伸的齿预成型体（50）；以及

在模具中校准烧结的所述环，所述模具包括前半模（64）和后半模（62），所述前半模和所述后半模用于在所述齿的所述前部和所述后部之间的接合处接触，

在所述齿的节平面中，各个预成型体的后部（B_P）的厚度（A）大于形成在所述后半模中形成的沟槽（66）的最薄截面（S₁）的厚度，并且小于所述沟槽的在所述平面中的最厚截面（S₂）的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，沿所述环的外周边分布所述齿，所述齿预成型体的大直径小于所述前半模（64）和所述后半模（62）的大直径。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，沿所述环的内周边分布所述齿，所述齿预成型体的小直径大于所述前半模（64）和所述后半模（62）的小直径。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在所述齿的所述节平面中，各个预成型体的所述后部的所述厚度（A）的范围在所述沟槽（66）的所述最薄截面（S₁）的八分之七和所述沟槽（66）的所述最厚截面（S₂）的八分之一的总和与所述沟槽的最厚截面的八分之七和所述沟槽的所述最薄截面的八分之一的总和之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在由范围在d_min和d_maj之间的直径限定的各个平面中，各个预成型体的所述后部的厚度的范围在所述沟槽（66）的在所述平面中的最薄截面和最厚截面之间，其中d_min指所述环的小直径以及d_maj指所述环的大直径。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在由范围在d_min和d_maj之间的直径限定的各个平面中，各个预成型体的所述后部的所述厚度的范围在所述沟槽（66）的在所述平面中的所述最薄截面的八分之七和所述沟槽（66）的在所述平面中的所述最厚截面的八分之一的总和与所述沟槽的在所述平面中的所述最厚截面的八分之七和所述沟槽的在所述平面中的所述最薄截面的八分之一的总和之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述前半模（64）的底部为磨圆的。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，在所述前半模（64）和所述后半模（62）中的模腔延伸成，在所述齿的所述后部的所述表面处形成止挡件。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述齿相对于所述齿的中心纵向平面为不对称的。

10.一种能够用于实现权利要求1至9中任一项所述的方法的模具和工具的组件，所述组件包括前半模（64）和后半模（62），其特征在于，所述后半模的所述底部连续以形成恒定截面的槽道（67）。

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