CN106224483A - 混合轴壳 - Google Patents

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Abstract

一种用于机器的轴壳可以包括中心壳和臂部分，该中心壳构造成容纳差速器壳和锥齿轮，这些臂部分固定地附装至中心壳并构造成容纳一个轴。该中心壳可由固溶强化铁素体(SSF)球墨铸铁形成。

Description

混合轴壳
技术领域
本发明大体上涉及轴壳，更具体地涉及由焊接在一起的由不同材料制成的单独部段构成的成本有效的混合轴壳。
背景技术
用于机器的轴壳支承驱动轴，该驱动轴驱动车轮以及传动装置例如锥齿轮和差速器，它们将转矩从输入传动轴传递至后轴。例如，差速器可以是锥形行星轮系，它可在机器转弯期间控制后轮的相对旋转速度。后轴壳设计可包括中心部分和空心管状端部部分，该中心部分容纳锥齿轮和差速器，该端部部分从该中心部分侧向延伸出以容纳后轴。另外，可以在端部部分附装法兰，该法兰直接连接至后轮(对于汽车应用)或连接至驱动后轮的最终传动总成(对于诸如轮式装载机、牵引机、挖掘机等的重型机器应用)。考虑到锥齿轮和差速器的与后驱动轴相比的复杂几何结构，后轴壳的中心部分可能具有比端部部分更复杂的几何结构，并且可能更难被模塑、制造或以其它方式形成为期望的结构。
当前的用于重型机器的后轴壳可由单件式铸造球墨铸铁件构成，该铸造球墨铸铁件包括形成一体的中心部分、端部部分和轮法兰。然而，诸如这些结构的大的单件式铸造结构可能具有低的生产率，并且可能制造成本高。另外，球墨铸铁可能很难或不可能焊接，阻碍了以多个部段形成后轴壳并然后通过焊接将该部段连接在一起的替代设计。
1927年3月15日授予Henry Ford的美国专利No.1,621,007公开了一种成本有效的后轴壳，其中以随后将被焊接在一起的部段形成后轴壳。具体地，所公开的后轴壳包括焊接在一起的一个中心部分部段和两个端部部分部段。该中心部分由一个或两个诸如铁的材料件构成，所述两个端部部分由另一个材料件构成。尽管有效，但仍然需要对后轴壳的其它设计改进，尤其对于土方移动机器而言，该土方移动机器具有更复杂的轴壳构型，即在端部容纳最终传动的更复杂的土方移动机器轴构型。
很明显，需要针对多种应用的后轴壳的更成本有效的设计。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于机器的轴壳。该轴壳可包括中心壳和臂部分，该中心壳构造成容纳差速器壳和锥齿轮，该臂部分固定地附装至该中心壳并构造成容纳一个轴(轮轴)。中心壳可由固溶强化铁素体(solution strengthened ferritic,SSF)球墨铸铁形成。
根据本发明的另一方面，公开了一种机器。该机器可包括发动机、多个前轮、多个后轮、在操作上与多个前轮和后轮中的一者相关联的轴、在操作上与该轴相关联的差速器壳和锥齿轮、以及在操作上与该轴相关联并构造成驱动这些轮的最终传动总成。该机器还可包括轴壳，该轴壳包括中心壳和臂部分，该中心壳容纳差速器壳和锥齿轮，该臂部分固定地附装至该中心壳并容纳该轴。该中心壳和该臂部分可以是使用焊接接头连接在一起的分开的(独立的)部件。该中心壳可由固溶强化铁素体(SSF)球墨铸铁形成。
根据本发明的另一方面，公开了一种制造轴壳的方法。该轴壳可包括中心壳、臂部分和法兰，该中心壳构造成容纳差速器壳和锥齿轮，该臂部分附装至中心壳并构造成容纳一轴，该法兰附装至各臂部分并构造成安装最终传动总成。该方法可包括用由固溶强化铁素体(SSF)球墨铸铁铸造中心壳、由SSF球墨铸铁铸造法兰和由碳钢管形成臂部分。该方法还可包括将各臂部分焊接至中心壳以及将各法兰焊接至一个臂部分。
附图说明
当结合附图阅读时，将更易于理解本发明的这些和其它方面和特征。
图1是根据本发明构建的机器的透视图。
图2是根据本发明构建的连接至最终传动总成的后轴壳以及摆动接头的透视图。
图3是根据本发明构建的经过图2的线3-3的剖视图。
图4是根据本发明构建的后轴壳的剖视图，示出该后轴壳的中心壳内的差速器壳和锥齿轮。
图5是根据本发明构建的分离的后轴壳的正视透视图。
图6是根据本发明构建的后轴壳的后视透视图。
图7是根据本发明构建的后轴壳的分解图。
图8是根据本发明构建的经过图5的线8-8的剖视图。
图9是根据本发明方法的可涉及制造后轴壳的一系列步骤的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，尤其参考图1，示出了机器10。机器10可以是重型机器，它涉及土方搬运、材料搬运、建造或开采。例如，该机器可以是轮式装载机12、牵引机、挖掘机、大型卡车等。或者，机器10可以较小的机器，例如汽车或小型卡车等。通常，机器10可包括操作员驾驶室14、发动机16和由发动机16通过传动系(见下文)提供动力的多个前轮18和后轮20。另外，如果机器10是轮式装载机12，则它还可包括用于土方或材料搬运应用的动臂组件22和铲斗24。
现在转到图2-4，示出了机器10的轴壳26，具体地是后轴壳。然而，本发明的教导可同样地应用于具有差速器的前轴或其它轴。后轴壳26可容纳用于驱动后轮20的传动系的一部分。特别地，后轴壳26可容纳后轴28(见图3)以及差速器壳30和锥齿轮32，该差速器壳30和锥齿轮32将转矩从输入传动轴34传递至后轴28(见图4)。差速器壳30可容纳差速器，该差速器可以是行星轮系，该行星轮系在机器10转弯时控制后轮20的相对旋转速度。另外，各后轴28可在侧向外端处连接至最终传动总成36，该最终传动总成36可连接并驱动后轮20。特别地，最终传动总成36各自设置有另一轮副，该轮副减小速度和增加对后轮20的转矩。
后轴壳26可包括中心壳38和空心管状臂部分40，该中心壳38容纳锥齿轮32和差速器壳30，该臂部分40从中心壳38侧向延伸出并容纳后轴28(见图3-4)。具体地，后轴壳26可包括两个臂部分40，这些臂部分40固定地附装至中心壳38的相对的侧面42并从该侧面42延伸出。后轴壳26还可包括法兰44，该法兰44固定地附装至各臂部分40的外端部46。各法兰44可安装一个最终传动总成36，如在图2中最佳示出的。这与汽车应用形成对比，在汽车应用中，没有与后轴壳对应的法兰，因为没有连接至后轮的最终传动器。
中心壳38还可包括前开口48和后开口52，该前开口48具有前法兰50，该后开口52具有后法兰54(见图5-6)。输入传动轴34可穿进中心壳38的前开口48(图3-4)，前法兰50可连接至差速器座架56(见图2-4)。另外，后法兰54可经由耳轴60连接至摆动接头58的一半，差速器座架56可经由另一耳轴60连接至摆动接头58的另一半。如本领域技术人员充分理解的那样，摆动接头58与耳轴60和62可铰接连接至机器10，以便有助于防止机器10在行驶于不平的地面上时翻倒。
现在参考图5-8，示出了分离的后轴壳26。与现有技术的单件式球墨铸铁件或灰口铸铁铸件相反，本发明的后轴壳可以由分开的部件64构成，这些部件64通过焊接连接在一起(见图7)。与难以焊接的球墨铸铁件或灰口铸铁件相反，每个分开的部件64均可由易于焊接的材料制成。在本发明的一方面中，中心壳38、各臂部分40和各法兰44可分开地构成(见图7)，但后轴壳26同样可以由更多或更少的部件构成。另外，后轴壳26可具有混合结构，其中分开的部件64可以由不同的材料制成(见下文)。
在一种布置中，中心壳38和法兰44可由固溶强化铁素体(SSF)球墨铸铁制成。使用SSF球墨铸铁比现有技术的传统球墨铸铁具有多个优点。特别地，由于其更高的含硅量，SSF球墨铸铁比传统的球墨铸铁坚固。另外，与传统的球墨铸铁不同，SSF球墨铸铁可焊接至各种金属例如碳钢。这种性能是由于SSF球墨铸铁不含通常阻碍焊接性的铜的事实。另外，SSF球墨铸铁可易于通过铸造工艺焊接成复杂的形状。因此，对于中心壳38使用SSF球墨铸铁代替传统的球墨铸铁将不干扰将该中心壳被塑造成容纳锥齿轮32和差速器壳30所需的复杂几何形状的能力。
可使用多种SSF球墨铸铁配方/等级制造中心壳38和法兰44。下面的表1示出SSF球墨铸铁配方及其对应的性能(拉伸强度、屈服强度和伸长率)的三种可能示例，当然也可使用其它SSF球墨铸铁配方。表2示出典型的传统球墨铸铁配方的成分和性能以进行比较。如从表1-2可以看到的，传统的球墨铸铁具有少于2.8％的含硅量，而SSF球墨铸铁配方含有多于3％的硅。另外，传统的球墨铸铁可能含有阻碍焊接性的铜，而SSF球墨铸铁可以不含铜。还应注意，SSF球墨铸铁的强度(通过拉伸强度和屈服强度测量)比球墨铸铁高，该强度随着含硅量在一定范围内的增加而稳定地增加。就这一点而言，可通过选择SSF球墨铸铁配方，为即将进行的应用调整中心壳38和法兰44的强度。
表1：SSF球墨铸铁配方示例(不含铁)a
元素或特性 配方1 配方2 配方3
碳 3.05％-3.45％ 2.85％-3.25％ 2.65％-3.05％
锰 至多0.50％ 至多0.50％ 至多0.50％
硅 3.05％-3.35％ 3.65％-3.95％ 4.15％-4.45％
磷 至多0.05％ 至多0.05％ 至多0.05％
硫 至多0.025％ 至多0.025％ 至多0.025％
铬 至多0.10％ 至多0.10％ 至多0.10％
钛 至多0.025％ 至多0.025％ 至多0.025％
镁 0.06％-0.20％ 0.06％-0.20％ 0.06％-0.20％
拉伸强度 420MPa 460MPa 560MPa
屈服强度(0.2％偏移) 340MPa 390MPa 430MPa
50mm内的伸长率 12％ 10％ 6％
a至多＝最大；MPa＝兆帕
表2：球墨铸铁配方示例(不含铁)a
元素或特性
碳 3.5％-3.9％
硅 2.0％-2.8％
锰 至多0.60％
硫 至多0.025％
磷 至多0.05％
铬 至多0.10％
铜 至多0.80％
锡 至多0.05％
钛 至多0.025％
镁 0.02-0.60％
拉伸强度 415MPa
屈服强度 275MPa
伸长率 10％
a至多＝最大；MPa＝兆帕
中心壳38和法兰44可由SSF球墨铸铁铸塑成形为期望的形状。对于该铸造过程，可将熔化的SSF球墨铸铁倒入具有期望的中心壳38或法兰44的形状的模具的腔中。然后可允许熔化的SSF球墨铸铁凝固并将其从腔中移走以提供中心壳38或法兰44。
后轴壳26的臂部分40可以是金属管、例如碳钢管。如本领域技术人员将理解的，碳钢是铁和碳的合金，其中存在处于0.03％至2.0％的范围内的碳。当然可包括多种百分比的其它元素以改变碳钢的性能。
在本发明的一方面中，用于臂部分40的碳钢管可从商业供应商购买并切割成期望的长度。可选择地，如果碳钢管已经具有适当的尺寸，则可直接将该碳钢管用作臂部分40。作为另一替代，臂部分40可使用诸如但不限于挤压成形、冷加工、铸造或锻造那样的适当技术由碳钢制成。通过减小由铸塑成形制成的后轴壳26的部件64的尺寸和数量，使用可商业获得的碳钢作为后轴壳26的臂部分40可显著降低制造成本。
可通过诸如但不限于弧焊(例如焊条或送丝)、摩擦焊接或激光焊接的适当焊接方法将分开的部件64—包括中心壳38、法兰44和臂部分40—连接在一起。中心壳38和法兰44的SSF球墨铸铁材料可以是容易地焊接至臂部分40的碳钢材料，由此有助于将分开的部件64最终装配成后轴壳26。具体地，可使用焊接接头66(见图5-7)将两个臂部分40各自连接到中心壳38的相对的侧面42的每个上。另外，可使用焊接接头68(见图5-7)将两个法兰44中的每个连接到臂部分40的两个外端部46的每个上。
还应注意，本文公开的后轴壳26的替代布置可使用中心壳38、臂部分40和法兰44的替代结构。例如，法兰44可由与SSF球墨铸铁不同的可焊接材料制成，或臂部分40可由与碳钢不同的材料制成。另外，根据应用，后轴壳26可具有替代结构布置，例如到中心壳38的替代部分连接或臂部分40和法兰44的替代数量或结构。诸如这些变型的变型属于本发明的范围和精神。
工业适用性
本发明的教导可在诸如但不限于重型车辆应用的多种环境中找到工业适用性。本文公开的混合后轴壳可由多个分开的部件构成，这些部件被焊接在一起以提供最终结构。具体地，支承锥齿轮和差速器齿轮的中心壳可由铸造SSF球墨铸铁构成，而支承轴的臂部分可由碳钢管构成。另外，附装至臂部分并安装至最终传动总成的法兰也可由SSF球墨铸铁构成。
图9示出在本发明的后轴壳26的制造中可包括的一系列步骤。可按照任何顺序通过块70、72和74实现对各分开的部件64(即中心壳38、法兰44和臂部分40)的制造。块70可包括用SSF球墨铸铁将中心壳38铸造成适合于支承锥齿轮32和差速器壳30的期望的复杂形状。另外，块72可包括一个一个地由SSF球墨铸铁铸造各法兰44，块74可包括由碳钢管形成臂部分40。将理解的是，块74可包括从商业供应商获得碳钢管并将这些管切割成适当的尺寸或直接使用它们，或使用适当的冶金工艺制造碳钢管。
根据块76，可通过焊接将分开的部件64连接在一起以提供成品壳26。即，块76可包括块78和块80，该块78和块80可按照任何顺序执行。块78可包括将臂部分40焊接至中心壳38。具体地，可通过将各臂部分40焊接至中心壳38的相对的侧面42中的每个上来执行块78。另外，根据块80，可将各法兰44焊接至臂部分40的外端部46的每个上。
用SSF球墨铸铁代替传统的球墨铸铁以铸造如本文所公开的中心壳不妨碍形成具有复杂几何结构的中心壳的能力，因为SSF球墨铸铁可被铸造成多种复杂的形状。另外，与现有技术的传统球墨铸铁相比，使用SSF球墨铸铁可具有多个优点。特别地，SSF球墨铸铁比传统的球墨铸铁坚固，并可焊接至碳钢。实际上，在本文公开的混合后轴壳结构中，不能使用传统的球墨铸铁作为中心壳，因为其不能焊接至碳钢。另外，与现有技术的大的单件式铸造球墨铸铁后轴壳相比，由焊接在一起的分开的部件制造后轴壳可显著降低制造成本。与当前的单件式铸造球墨铸铁壳相比，初始投资估计显示出在本文公开的混合后轴壳的制造成本中，成本显著降低。本文公开的后轴壳在重量上还可显著地比单件式铸造球墨铸铁壳轻。另外，本发明的后轴壳设计可允许后轴壳的模块化构造，其中基于根据即将进行的应用的尺寸或其它性能选择和装配后轴壳的分开的部件。可期望的是，本文公开的技术可在广泛的领域找到广泛的工业适用性，例如但不限于重型车辆应用，例如轮式装载机、牵引机、挖掘机和大型卡车。

Claims (10)

1.一种用于机器的轴壳，包括：
中心壳，该中心壳构造成容纳差速器壳和锥齿轮；和
臂部分，所述臂部分固定地附装至该中心壳并且构造成容纳一轴，该中心壳由固溶强化铁素体(SSF)球墨铸铁形成。
2.根据权利要求1所述的轴壳，其中，该中心壳被铸塑成形为与臂部分分开的部件。
3.根据权利要求2所述的轴壳，其中，各臂部分是碳钢管。
4.根据权利要求3所述的轴壳，还包括固定地附装至各臂部分的法兰。
5.根据权利要求4所述的轴壳，其中，各法兰由SSF球墨铸铁构成。
6.根据权利要求5所述的轴壳，其中，各法兰被铸塑成形为与中心壳和臂部分分开的部件。
7.根据权利要求6所述的轴壳，其中，中心壳、臂部分和法兰通过焊接接头连接在一起。
8.根据权利要求7所述的轴壳，其中，该轴壳是后轴壳。
9.根据权利要求8所述的轴壳，其中，各法兰构造成安装最终传动总成。
10.一种机器，包括：
发动机；
多个前轮；
多个后轮；
与所述多个前轮和多个后轮中的一者操作性地相关联的轴；
与后轴操作性地相关联的差速器壳和锥齿轮；
与该轴操作性地相关联并构造成驱动这些轮的最终传动总成；和
轴壳，该轴壳包括中心壳和臂部分，该中心壳容纳差速器壳和锥齿轮，该臂部分固定地附装至中心壳并容纳该轴，中心壳和臂部分是由焊接接头连接的分开的部件，该中心壳由固溶强化铁素体(SSF)球墨铸铁形成。
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