CN104879375B - 具有中心插入件的组合式轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有中心插入件的组合式轴。该组合式轴包括：长形的环形轴主体，该环形轴主体具有外表面并限定中空腔；以及布置在所述中空腔中的中心插入件。所述轴主体具有一个或多个径向流动口，该径向流动口与所述插入件中的至少一个流体管道对准。销将所述插入件联接至所述轴主体，以防止所述插入件相对于所述轴主体旋转。所述轴主体和所述插入件可以由不同材料制成，例如，使得所述插入件的密度小于所述轴主体的密度。

Description

具有中心插入件的组合式轴

技术领域

本公开涉及轴的设计，更具体地，涉及具有中空构造以及中心插入件的改进轴。

背景技术

轴，诸如旋转轴或主动轴，通常用于从旋转动力源(诸如车辆变速器的输出轴)向被旋转驱动的机构(诸如差动总成)传递动力。在动力传动轴的设计中，经常将轴的尺寸确定为，使得靠近轴中心的材料在强度方面提供较小益处。如果是这种情况的话，一些轴可以被制成为中空的，例如，以降低重量或材料成本。然而，在很多情况下，可能有用的是，在轴内提供用于使流体(诸如冷却油和润滑剂)在轴内沿规定线路传送的管道。在这种情况下，轴的设计者通常必须在轴中心处去除适量的材料，以提供上述管道。结果，可能增加对轴材料进行加工所牵涉的成本和劳动。

通常，传动设计的目标可能是使质量和惯性最小化，所以去除轴中心处的材料所关联的另一个问题可能是不能降低轴的质量，进而不能降低轴的惯性。

因此，需要一种提供轻质轴设计的方法，该设计使得能够包含用于使流体沿规定线路传送的多个管道并且降低材料成本和加工成本。

发明内容

根据本公开，提供一种包含轴主体和中心插入件的组合式轴。插入件材料可以选为与轴主体材料相比具有低密度和/或低成本。此外，可以为了改进加工来选择插入件材料。中空轴主体可以具有环形厚度和外径，所述环形厚度和所述外径被设计为满足应用的应力和应变要求。插入件材料(诸如轻质聚合物)然后装配到所述轴主体的中空中心内。所述插入件可以具有形成于该插入件中的任何必要的流体管道。本公开的一方面可以降低组合式轴的质量，并因此改进组合式轴的惯性特性。另一方面可以降低组合式轴的制造成本。

根据本公开的一个方面，提供一种用于提供旋转或转矩传递的组合式轴。所述组合式轴包含长形的环形轴主体，该轴主体具有外表面并且限定中空腔。所述轴主体具有形成在该轴主体中的至少一个流体口。所述组合式轴还包含插入件，该插入件布置在所述轴主体的所述中空腔内。所述插入件具有与所述至少一个流体口对准的至少一个流体管道。所述插入件的材料密度小于所述轴主体。

本公开的另一方面是包括长形的环形轴主体和中心插入件的组合式轴。所述环形轴主体具有：外表面；限定了中空腔的内表面；以及形成在所述内表面和所述外表面之间的至少一个流体口。所述中心插入件布置在所述轴主体的所述中空腔内。所述中心插入件包含：外表面；轴向流体管道，该轴向流体管道在所述插入件的第一端和第二端之间至少部分地延伸；以及至少一个径向流体管道，所述至少一个径向流体管道与所述轴向流体管道和所述外表面连通并且与所述至少一个流体口对准。销将所述轴主体联接至所述中心插入件，由此阻止所述中心插入件相对于所述轴主体旋转。另外，所述轴主体由第一材料制成，所述中心插入件由第二材料制成，并且所述第一材料的密度大于所述第二材料的密度。

本公开的又一方面是一种用于传递转矩的行星齿轮总成。所述行星齿轮总成包含支撑至少一个行星齿轮的行星齿轮架。长形的环形轴主体将所述行星齿轮联接至所述行星齿轮架。所述轴主体包含：外表面；限定了中空腔的内表面；以及形成在所述内表面和所述外表面之间的至少一个流体口。中心插入件布置在所述轴主体的所述中空腔内。所述中心插入件包含：外表面；轴向流体管道，该轴向流体管道至少部分地在所述插入件的第一端和第二端之间延伸；以及至少一个径向流体管道，所述至少一个径向流体管道与所述轴向流体管道和所述外表面连通并且与所述至少一个流体口对准。另外，所述轴主体包括第一材料，所述插入件包括第二材料，并且所述第一材料的密度大于所述第二材料的密度。

在考虑了对附图的详细描述后，将能更好地理解本文所公开的组合式轴总成的这些和其他方面以及优点。

附图说明

图1是根据本公开的包含组合式轴的示例性行星齿轮装置的立体图；

图2是图1的行星齿轮装置的一些部件的分解图；

图3是沿图1的线3-3截取的行星齿轮装置的剖视图；以及

图4是图3的行星齿轮装置的放大局部剖视图，示出了组合式轴装置。

在下面的详细描述中，相同的参考数字用来指代各图中相同的零件。

具体实施方式

如上面同样论述的，在不同情形下，可能有用的是，提供合适的装置以从旋转动力源向机械总成中的其他部件传递动力。例如，可能有用的是，例如在行星齿轮总成中将由旋转轴提供的转矩传递至第二轴或齿轮。为了改进用于传递旋转动力的轴运行，可能有用的是，去除轴中心处的一部分材料。去除轴中心处的材料可以降低质量，并改进轴的惯性特性。然而，也可能有用的是，在轴内提供一个或多个管道，以为在运行中可能需要的流体(诸如冷却油和润滑液)提供路径。如果轴被挖空，就不能提供这些流体管道。因此，轴的设计者可能不得不在提供流体管道和使轴质量最小化之间进行选择。此外，提供管道所需的加工步骤对于某些轴主体材料来说可能是个挑战。例如，钢轴可能比密度更小或重量更轻的材料更难于加工。然而，可能需要更重的材料(诸如钢)来满足规格，诸如车轴额定总重，以使轴针对具体应用而正确运转。随着轴的等级、复杂度或其他规格发生变化，各种其他问题也可能产生。

使用所公开的具有中心插入件的组合式轴可以解决这些问题以及其他问题。例如，对于旋转轴的设计(其中可能有用的是，既降低质量又提供用于使流体沿规定线路传送的管道)而言，可以提供组合式轴。组合式轴可以具有中空的环形轴主体以及同心地容纳在所述轴主体内的中心插入件。所述轴主体可以由第一材料(诸如钢)制成，所述中心插入件可以选自低密度的第二材料(诸如聚合物)。因为所述中心插入件可能比所述轴主体的密度低，所以根据本公开的组合式轴与由单一材料构成的同类实心轴相比可以提供轴的总重量的降低。此外，可以为了与为轴主体选择的材料相比而具有改进的加工性来选择中心插入件，例如，以降低制造成本。

根据本公开的示例性组合式轴的一个方面是，组合式轴可以用在作业车的行星齿轮总成的情况下。在该情况下，组合式轴可以将行星齿轮支撑在行星齿轮架内。然而，任何车辆或其他机械系统可能从使用组合式轴来代替实心或中空轴中受益，并且行星齿轮总成可以不必使用根据本公开的组合式轴。另外，根据本公开的组合式轴可以被配置为任意合适形状和大小，以有效传递转矩或支撑旋转零件。例如，可能有用的是，具有的插入件的半径与组合式轴的总半径的比值比图示的实施例中示出的更大或更小。类似地，虽然插入件的长度在示例性附图中被示为约等于轴主体的长度，但是中心插入件的长度相对于组合式轴的总长度可以变化。另外，中心插入件的横截面可以不同于轴主体的横截面，合适的中心插入件横截面包括但不限于圆形、正方形、三角形、六边形、多角星以及其他正多边形。

也可以利用多重组合式轴或多层组合式轴。例如，两个或更多个中心插入件可以安装在单个轴主体内。例如，三个同心层可以组成组合式轴，其中每个层均选自不同材料。三层组合式轴的一个实施方式可以包括钢轴主体、位于钢轴主体内的第一环形聚合物插入件、以及位于第一聚合物插入件内的第二圆柱形聚合物或钢插入件。还可能的是，多个中心插入件可以例如作为平行的圆柱形插入件被布置在单个轴主体内，该单个轴主体包括用以接收所述插入件的多个平行的通道。

总之，本公开既提供固定轴又提供旋转轴。所公开的中心插入件被示为或描述为通过使用销而固定地安装至关联的轴主体，并因而被使得随着轴主体一起旋转。然而，中心插入件可以被布置为独立于它所安装至的轴主体而旋转。类似地，轴主体和中心插入件中的任一个或二者都可以被布置为独立于与组合式轴关联的齿轮或其他零件而旋转。

现在参见图1，示出了组合式轴构造的示例性实施方案的示意图。具体地，图1示出了行星齿轮总成10，为清楚起见省去了多个零件。行星齿轮总成10包含能够支撑多个行星齿轮14的行星齿轮架12。然而，为清楚起见，仅示出一个行星齿轮14。行星齿轮架12具有带有径向向内花键20的轴向圆筒形通道16。车轴、驱动轴等(未示出)可以容纳在通道16内并且联接至花键20，以使行星齿轮总成10旋转，如在本领域中所理解的。虽然未在图1中明确示出，所述行星齿轮总成还可以包括其他部件，诸如但不限于，中心定位的太阳齿轮、围绕行星齿轮14沿圆周定位的齿圈、以及可变数量的行星齿轮14。另外，虽然为了向本公开的组合式轴提供使用环境的目的示出了行星齿轮总成10，但是包含轴的任何系统或装置都可受益于本公开的系统和方法。每个行星齿轮14都可以通过组合式轴21联接至行星齿轮架12，该组合式轴延伸穿过行星齿轮14的中心开口24(在图2中示出)并且延伸到行星齿轮架12的相对面中的开口26中。紧固件或止动环27可以将组合式轴21联接至行星齿轮架12，并因此将行星齿轮14连接至行星齿轮架12。

现在转向图2至4，可以看出行星齿轮14可以除了与组合式轴21以及止动环27同轴定位之外还与滚柱轴承28和垫片30同轴定位。图2还示出组合式轴21可以包括中空的环形轴主体22以及实心圆柱形中心插入件32，该中心插入件可以布置在形成于轴主体22中的内孔或内腔34中。

更具体地，轴主体22具有第一端40和第二端42。径向流体口38可以贯穿轴主体22而形成并且可以通到轴主体22的表面36。径向流体口38可以允许流体(诸如润滑剂或冷却剂)在轴主体22的外部和中空腔34的内部之间穿过。当中心插入件32位于中空腔34内时，所述径向流体口可以允许流体到达中心插入件32以及到达包含在所述中心插入件中的任何管道或通道。在本公开的系统和方法的实施方案中，可以使用任意合适材料来形成轴主体22。例如，轴主体22可以由钢、铝、碳纤维等、合金以及它们的组合物进行机加工、铸造或以其他方式形成。

根据本公开的组合式轴21的第二部件为中心插入件32，该中心插入件可以定位在轴主体22内并且可以将尺寸确定为占据中空腔34的大部分或全部。一方面，中心插入件32的外径可以基本上等于中空腔34的内径。中心插入件32可以具有分别与轴主体22的第一端40和第二端42对应的第一端46和第二端48。轴向管道50从中心插入件32的第一端46延伸到靠近中心插入件32的第二端48的点，并且还可以与沿纵向间隔开的径向管道52和54连通，所述径向管道从轴向管道50沿径向向外延伸并且通到中心插入件32的外表面56。中心插入件32还可以具有形成在外表面56中的纵向凹槽58，所述纵向凹槽从中心插入件32的第一端46延伸到靠近中心插入件32的第二端48的中间位置60，并且通到第一端46。图3和图4示出插入件32的外表面56可以沿轴主体22的大部分长度大致与腔34的内表面接触。一个例外可能是，包含容纳销61的凹槽58可能导致中心插入件32的一部分不与轴主体22的内部接触。

为了得到与实心轴相比具有降低质量的组合式轴，可以为中心插入件32选择低密度材料。替代地，或者另外，可以选择更容易加工的材料，使得与轴主体材料(诸如钢)相比，可以更容易地形成流体管道或其他通道。例如，中心插入件32可以由合适的聚合物制成，诸如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、以及它们的共聚物和合成物。此外，任意合适的制造方法可以用来制造中心插入件32。例如，中心插入件32可以被模制或铸造成圆柱形形状，然后可以被机加工来提供所述一个或多个管道以及口。一方面，中心插入件32可以被铸造在轴主体22的腔34内。再例如，所述管道被形成作为模制或铸造工艺的一部分。通常，组装后的组合式轴21可以包含轴主体22以及定位在内部的中心插入件32，并且轴主体22由比中心插入件32密度更大的材料制成。

在一些实施方式中，组合式轴21可以能够围绕轴线自由旋转，而在其他实施方式中，组合式轴的角位置可以是固定的。一方面，组合式轴21的位置可以通过在轴主体22中提供通道44而部分固定，如图2至4所示。通道44可以在靠近轴主体22的第二端42处通到表面36。在轴主体22被定位在行星齿轮架12中的情况下，在将中心插入件32定位在中空腔34内之前，可以将销61定位在通道44中。销61包括第一端62和第二端64。第一端62可以被倒角，该第一端穿过通道44并可以被容纳在行星齿轮架12的通道66中。销61的第二端64包括增大的头部，该头部的尺寸被确定为装配在中心插入件32的凹槽58内。因而，当将中心插入件32定位在轴主体22内时，凹槽58可以与销61的第二端64对准，并且中心插入件32可以伸缩地穿入到中空腔34内。在插入过程期间，第二端64沿着凹槽58的长度行进，直到销61在靠近中心插入件32的第二端48的位置60处抵接该凹槽的径向边缘壁。

销61提供固定中心插入件32相对于轴主体22和行星齿轮架12二者的角位置的作用。例如，行星齿轮架12可以围绕容纳在通道16中且联接至花键20的车轴、驱动轴等旋转。当利用销61组装后，随着行星齿轮架12旋转，组合式轴21(包括中心插入件32和轴主体22)可以被保持在相对于行星齿轮架12的固定角位置中。具体地，组合式轴21不能在行星齿轮架12的相对面中的开口26内旋转。另一方面，中心插入件32不能相对于轴主体22旋转。然而，行星齿轮14能够围绕组合式轴21旋转，更具体地，围绕轴主体22旋转。

销61也可以帮助将包含在组合式轴21的设计中的任何管道、口或通道对准。如图3和图4所示的，轴主体22与行星齿轮架12和中心插入件32的对准进一步导致管道52和54与口38和通道68的对准。该对准可以使得流体源能够与轴向通道50连通，例如向行星齿轮总成10的部件(诸如滚柱轴承28)提供润滑和/或冷却。

在图示的构造中，径向管道54可以与通道68连通，该通道68又可以与诸如冷却剂或润滑剂的流体源连通。结果，可以将流体从所述源供应到轴向管道50和径向管道52。可以利用塞子或挡块70防止流体排出，所述塞子或挡块可以布置在管道50的靠近中心插入件32的第一端46的端部中。挡块70防止流体在第一端46处从管道50排出。

图3和图4还示出销61相对于行星齿轮架12、轴主体22和中心插入件32的位置。具体地，可以看到齿轮架12中的通道66可以与轴主体22中的通道44以及凹槽58的靠近中心插入件32的第二端的端部对准，以容纳销61。如上所述，销61阻止组合式轴21相对于行星齿轮架12旋转。

应注意，在一些实施方式中，可以省略销61和凹槽58这些特征。例如，可以通过使用环氧树脂粘合剂或其他粘合剂来相对于轴主体22固定中心插入件32。或者，可以使用各种紧固件(诸如螺钉、螺栓、铆钉等)来将中心插入件32联接至轴主体22，或者可以利用压配合或其他摩擦式安装方法。

虽然图1至4中示出一种管道布置，但是可以根据具体系统或设备的布置而实施多种选择的管道布置。一方面，中心插入件32可以不包括管道，而另一方面，中心插入件32可以包括多个管道，所述多个管道既是内部的且又与中心插入件32的外表面56连通。另外，虽然示出的管道实质上为大致圆柱形，但是可以使用任意合适几何形状和横截面的管道，诸如具有矩形或其他几何形状的横截面或非几何形状的横截面的管道。

另外，中心插入件32和轴主体22二者的几何结构都可以由附图中所示的大致圆柱形形状而变化。例如，中心插入件32和轴主体22可以具有非圆形(诸如正方形或其他几何形状或非几何形状)横截面。中心插入件32的横截面也可以不同于轴主体22的横截面，并且在又一实施例中，轴主体22或中心插入件32的横截面可以在纵向方向上变化。

为了图示和描述的目的已给出本公开的描述，但该描述并非意在穷举或者限制以此形式公开的公开内容。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多改型和变化对本领域技术人员来说是明显的。为了更好地说明本公开的原理及其实际应用，以及为了使本领域其他技术人员理解本公开并意识到许多对所描述实施例的替换、改进和变化，选择和描述了本文中详细讨论的实施方式。

本文中所用的术语是仅为了描述具体实施方式的目的，而不旨在限制本公开。如在本文中所用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”也旨在包括复数形式，除非文中另有明确规定。还应理解，术语“包括”，当用在说明书中时，表示所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或他们的组合的存在或增加。

因此，除了明确描述的实施方式和实施方案之外的许多实施方式和实施方案也在随附的权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种组合式轴，该组合式轴包括：

长形的环形轴主体，该轴主体具有外表面并且限定中空腔，所述轴主体具有形成在该轴主体中的至少一个流体口；以及

插入件，该插入件布置在所述中空腔内并具有与所述至少一个流体口对准的至少一个流体管道；

其中，所述轴主体具有第一密度，并且所述插入件具有比所述第一密度小的第二密度，

其中，所述插入件具有形成在该插入件的外表面中的纵向凹槽，并且所述组合式轴还包括布置在所述纵向凹槽中的销，并且在所述插入件插入所述轴主体的过程中，所述销能够沿着所述纵向凹槽的长度行进。

2.根据权利要求1所述的组合式轴，其中，所述轴主体和所述插入件是同轴的。

3.根据权利要求1所述的组合式轴，其中，所述销具有第一端和第二端，其中所述第一端布置在所述凹槽中，并且所述第二端布置在形成于所述轴主体中的径向通道中，并且其中所述销阻止所述插入件相对于所述轴主体旋转。

4.根据权利要求1所述的组合式轴，其中，所述轴主体为钢，并且其中所述插入件为聚合物。

5.根据权利要求1所述的组合式轴，其中，所述流体口与流体源处于流体连通。

6.根据权利要求1所述的组合式轴，其中，所述流体为冷却剂和润滑剂中的一种。

7.一种组合式轴，该组合式轴包括：

长形的环形轴主体，该轴主体包含：

外表面；

限定了中空腔的内表面；

形成在所述内表面和所述外表面之间的至少一个流体口；

布置在所述中空腔内的中心插入件，该中心插入件包含：

外表面；

轴向流体管道，该轴向流体管道在所述中心插入件的第一端和第二端之间至少部分地延伸；

至少一个径向流体管道，所述至少一个径向流体管道与所述轴向流体管道和所述中心插入件的所述外表面连通并且与所述至少一个流体口对准；

销，该销将所述轴主体连接至所述中心插入件，所述销阻止所述中心插入件相对于所述轴主体旋转，

其中，所述轴主体由第一材料制成，并且所述中心插入件由第二材料制成，其中所述第一材料的密度大于所述第二材料的密度，

其中，所述中心插入件具有形成在该中心插入件的外表面中的纵向凹槽，并且所述销布置在所述纵向凹槽中，并且在所述中心插入件插入所述轴主体的过程中，所述销能够沿着所述纵向凹槽的长度行进。

8.根据权利要求7所述的组合式轴，其中，所述轴主体和所述中心插入件是同轴的。

9.根据权利要求7所述的组合式轴，其中，所述销具有第一端和第二端，其中所述销的所述第一端布置在所述凹槽中，并且所述销的所述第二端布置在形成于所述轴主体中的径向通道中。

10.根据权利要求7所述的组合式轴，其中，所述第一材料为钢，并且其中所述第二材料为聚合物。

11.根据权利要求7所述的组合式轴，其中，所述流体口与流体源处于流体连通。

12.根据权利要求7所述的组合式轴，其中，所述流体为冷却剂和润滑剂中的一种。

13.一种用于传递转矩的行星齿轮总成，该行星齿轮总成包括：

行星齿轮架，该行星齿轮架支撑至少一个行星齿轮；

长形的环形轴主体，该轴主体将所述行星齿轮联接至所述行星齿轮架，所述轴主体包含：

外表面；

限定了中空腔的内表面；

形成在所述内表面和所述外表面之间的至少一个流体口；

布置在所述中空腔内的中心插入件，该中心插入件包含：

外表面；

轴向流体管道，该轴向流体管道在所述中心插入件的第一端和第二端之间至少部分地延伸；以及

至少一个径向流体管道，所述至少一个径向流体管道与所述轴向流体管道和所述中心插入件的所述外表面连通并且与所述至少一个流体口对准；

其中，所述轴主体由第一材料制成，并且所述中心插入件由第二材料制成，其中所述第一材料的密度大于所述第二材料的密度。

14.根据权利要求13所述的行星齿轮总成，其中，所述轴主体和所述中心插入件是同轴的。

15.根据权利要求13所述的行星齿轮总成，其中，所述中心插入件具有形成在该中心插入件的所述外表面中的纵向凹槽。

16.根据权利要求15所述的行星齿轮总成，该行星齿轮总成还包括具有第一端和第二端的销，其中，所述销的所述第一端布置在所述凹槽中，并且所述销的所述第二端布置在形成于所述轴主体中的径向通道中，并且其中所述销阻止所述中心插入件相对于所述轴主体旋转。

17.根据权利要求13所述的行星齿轮总成，其中，所述第一材料为钢，并且其中所述第二材料为聚合物。

18.根据权利要求13所述的行星齿轮总成，其中，所述流体口与润滑剂源处于流体连通。