CN106812909A - 精确对准、摩擦焊接的螺旋锥或准双曲面环形齿轮和差速器箱总成 - Google Patents

精确对准、摩擦焊接的螺旋锥或准双曲面环形齿轮和差速器箱总成 Download PDF

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Abstract

一种用于制造环形齿轮/差速器箱总成的方法，包括将环形齿轮附接到差速器箱。环形齿轮和差速器箱由具有不同性质的材料制成。该附接包括将环形齿轮的第一部分与差速器箱的第一部分置于紧密接触，从而在环形齿轮的另一部分和差速器箱的另一部分之间限定预定间隙。环形齿轮第一部分通过摩擦焊接工艺附接到差速器箱第一部分。预定间隙限定用于接收由摩擦焊接工艺的镦锻步骤产生的溢流材料的流出通道。描述了差速器总成和包括差速器总成的车辆。

Description

精确对准、摩擦焊接的螺旋锥或准双曲面环形齿轮和差速器 箱总成
技术领域
本公开总体上涉及车辆传动系总成。特别地，本公开涉及用于将螺旋或准双曲面锥环形齿轮连接到差速器箱的方法，以及根据该方法设置的环形齿轮/差速器箱总成。
背景技术
作为背景并且参考图1A和1B，示出了代表性的差速器支架100，其是车辆动力传动系统的一部分，负责将驱动动力从车辆发动机传递到车辆驱动轮。差速器支架100的所示实施例是用于后车轴差速器的。然而，这不应当被认为是限制性的，因为本领域技术人员熟知差速器类型和设计的变化。
差速器支架100包括由输入驱动轴104驱动的齿轮总成(总体由附图标记102表示)。齿轮总成102可操作地连接到一对输出驱动轴106、106’，由此将扭矩和旋转由车辆发动机108传递到车轮112(参见图1B)。当然，通常包括附加元件，用于将驱动动力(图1B，参见箭头)从发动机108传递到车轮112，例如变矩器114、变速器116等。
返回图1A，准双曲面环形齿轮和差速器总成118可操作地连接到输入驱动轴104。准双曲面环形齿轮和差速器总成118包括准双曲面环形齿轮122，其与差速器总成的准双曲面小齿轮119啮合。众所周知，螺旋形或准双曲面齿轮因其螺旋形的螺旋锥齿轮齿而命名，螺旋锥齿轮齿比具有直齿的常规纵切齿轮或直齿圆柱齿轮(spur-cut gear)产生更少的振动和噪声。如图所示，准双曲面环形齿轮和差速器总成118/输入驱动轴104的轴线基本上垂直于差速器支架100/输出驱动轴106、106’的轴线。在提供环形齿轮122和双曲面小齿轮119之间所需的啮合的配置中，环形齿轮122连接到差速器箱120的一部分，该差速器箱120是已知的用于差速器支架100的壳体。齿轮总成102也可以包括侧齿轮126。当输入驱动轴104旋转时，准双曲面小齿轮119也旋转，驱动环形齿轮122的旋转。通过该旋转，将扭矩和旋转通过输出驱动轴106、106’传递到车轮112。
在车轴或后驱动模块组装期间这些部件的对准是重要的，因为如所解释的，环形齿轮122必须与完整车轴或后驱动模块总成中的准双曲面小齿轮119啮合，以传递所需的扭矩/旋转到车轮122。通常，这些元件由不同的且可能不可以焊接接合的材料制成。例如，环形齿轮122通常由钢或渗碳或不渗碳的合金制成，并且差速器箱120通常由球墨铸铁制成。至少由于不同的材料熔化温度，焊接这样的不同材料是具有挑战性的。为此，用于连接两者的最常见方法是使用常规紧固件提供螺栓连接。虽然有效，但是这种常规的连接方式增加了所需的劳动和伴随的成本，并且还会增加不期望的重量和包装尺寸。
为此，已经考虑焊接作为将环形齿轮连接到差速器箱的常规紧固件的替代方案。已经尝试过激光焊接以提供牢固的连接，尽管制造准双曲面环形齿轮和差速器箱的材料不兼容。在激光焊接中，尽管上述材料的不相容性，但是通常使用镍线来提供坚固且一致的焊接。不利的是，与激光焊接相关的高焊接温度和快速冷却速率可能导致驱动环形齿轮变形或翘曲，从而妨碍环形齿轮和配合小齿轮之间所需的精确对准。此外，常规的激光焊接技术产生焊接飞溅，其可能粘结到环形齿轮的齿和车辆差速器总成的其他部件上，可能导致部件的磨损和寿命减少和/或故障。同样，这种情况可能在最终的车轴/车辆总成中表现为不期望的噪声/振动/粗糙度。为了避免这种焊接飞溅，需要提供屏蔽并实施焊后维护和清洁协定。此外，激光焊接与其它焊接技术相比是高能效的，并且由于使用激光技术而需要专门的安全和维护方案。此外，要激光焊接的部件必须非常干净，最常见的是激光清洁。这些因素中的每一个不期望地增加了制造/组装准双曲面环形齿轮/差速器箱总成的劳动需求和附带成本。
因此，本领域中需要改进用于在车辆传动系统/动力传动系统制造和组装期间将环形齿轮接合到差速器箱的方法。
发明内容
根据本文所述的目的和益处并且为了解决上述总结的和其它问题，在一个方面，描述了一种制造环形齿轮/差速器箱总成的方法，包括提供和对准具有差速器箱凸缘的差速器箱和具有环形齿轮凸缘的环形齿轮。环形齿轮凸缘和差速器箱凸缘被设置尺寸并保持彼此相邻，以在附接时提供环形齿轮与配合的准双曲面小齿轮的所需对准和啮合。在环形齿轮的外径和差速器箱凸缘的内径之间提供预定的公差或配合，例如通过配置用于保持两个部件彼此相邻以便附接的机械装置，由此在两者的至少一部分之间提供预定尺寸的间隙。在实施例中，这通过在差速器箱的每个毂处同轴地保持差速器箱来实现。进而，环形齿轮由适当的保持器保持，以实现适当的对准和预定的公差。
接下来，使用摩擦焊接工艺将环形齿轮凸缘附接到差速器箱凸缘，由此预定间隙在环形齿轮和差速器箱之间提供流出通道，用于接收在摩擦焊接镦锻步骤期间产生的溢流材料或溢料。以这种方式，避免了由这种溢流材料对差速器部件的污染。此外，基本上避免了任何对焊后清理的需要，而不影响部件形状、配合或功能。在实施例中，提供了从0.01到0.1英寸的预定间隙。
在本公开的其它方面，提供了根据所公开的方法制造的环形齿轮/差速器箱总成。
在下面的描述中，示出并描述了所公开的环形齿轮/差速器箱总成及其制造方法的实施例。应当认识到，所描述的总成和方法能够具有其它不同的实施例，并且它们的一些细节能够不脱离如所附权利要求中阐述和描述的装置和方法在各种显而易见的方面进行修改。因此，附图和说明书应当被认为本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
结合在此处形成说明书一部分的附图示出了所公开的环形齿轮/差速器箱总成及其制造方法的若干方面，并与说明书一起用于解释其某些原理。在附图中：
图1A描绘了现有技术的车轴支架总成的分离视图；
图1B描绘了现有技术的车辆和车辆动力传动传动系统；
图2示出了根据本公开的环形齿轮/差速器箱总成的横截面侧视图，用来阐释背面焊接；
图3示出了图2的环形齿轮/差速器箱总成的横截面侧视图，用来阐释内部焊接；和
图4示出了用于制造图2的环形齿轮/差速器箱总成的典型的摩擦焊接装置。
现在将详细参考所公开的环形齿轮/差速器箱总成及其制造方法的实施例，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记表示相同的特征。
具体实施方式
如上所述，制造两个部件的不同材料(例如，用于环形齿轮122的钢或合金以及用于差速器箱120的球墨铸铁)在连接/接合两者中存在工程挑战。进而，必须解决部件精确对准从而为环形齿轮122和准双曲面小齿轮119提供适当啮合的问题。
摩擦焊接是固态焊接工艺，在此处通过在彼此接触放置的工件上施加机械摩擦产生热量。在该过程中，施加额外的侧向力(“镦锻(upset)”力)以塑性地置换和熔合工件的材料。在高水平下，不同材料的分子置于足够的摩擦热和压力下以形成接合。因为没有发生材料熔化，所以摩擦焊接不是传统意义上的焊接工艺，而是实际上是锻造技术。快速接合时间和在摩擦焊接提供的焊接界面处的直接热输入导致相对小的热影响区。此外，摩擦焊接技术基本上不熔融，避免了工程材料中的晶粒生长。此外，在摩擦焊接期间在表面之间产生的相对运动在待接合的材料的表面上提供清洁效果。因此，在摩擦焊接过程之前需要较少的工件表面准备，并且在之后需要较少的工件表面清洁。
摩擦焊接的有利之处还在于，可以实现极度不同的材料之间的强结合，而不需要额外的紧固件。不同材料(例如钢/合金和球墨铸铁)的熔化温度的差异妨碍了使用常规焊接技术。然而，如上所述，摩擦焊接不需要材料熔化，而是提供摩擦诱导的不同材料分子的塑性置换和熔接。这提供了不同材料之间的完全强度结合，而没有额外的重量，并且如上所述，不需要后焊接清理。摩擦焊接的多种变型在本领域中是已知的，包括旋转焊接、线性摩擦焊接、摩擦表面加工、线性振动焊接、角摩擦焊接和轨道摩擦焊接。每种方法具有相同的优点，即不需要熔化任一种材料，而是采用摩擦热以在两种不同材料之间产生塑性区域，由此施加外力(镦锻)将材料锻造成单一的均质材料界面。
摩擦焊接的另一个优点是不同材料可以精确地对准用于接合，因为通过控制材料镦锻的量，可以在自动化工艺中提供非常窄的公差。继而，因为摩擦焊接工艺需要比常规焊接技术更低的温度，所以部件可以在制造或机械加工过程的后期阶段(例如在最终组装时)连接，而不需要后焊接清理或其他工艺。甚至，由于与摩擦焊接相关的较低温度，还降低了部件翘曲/变形的风险。
在实施摩擦焊接以将环形齿轮122连接到差速器箱体120上时需要克服的工程挑战是产生溢流材料或“溢料”，即工件材料的小颗粒，其在摩擦焊接/镦锻工艺期间由工件中压出。这些小颗粒可能沉积在差速器支架100的其它元件内，导致对齿轮总成102和其中的其它部件的损坏，并且减少部件的使用寿命。虽然这可以通过摩擦焊接后清洁步骤来解决，但希望避免额外的劳动和伴随的成本。
为了解决这个问题和其它问题，参考图2，单独示出了根据本公开的环形齿轮/差速器箱总成200。如图所示，总成200包括差速器箱202，如上所述，差速器箱202通常由诸如球墨铸铁的第一材料制成。差速器箱202包括或限定具有内径的凸缘204。
图2还示出了具有限定外径的环形齿轮凸缘208的环形齿轮206。环形齿轮206通常由第二材料制成，诸如钢或具有与第一材料不同的物理性质(例如硬度、熔化温度等)的合金。如图所示，环形齿轮凸缘208必须连接到差速器箱凸缘204，由此在组装之后，提供环形齿轮206与配合的准双曲面小齿轮(在该视图中不可见)所需的对准和啮合。
为了实现这一点，环形齿轮凸缘208和差速器箱凸缘204被保持以用于摩擦焊接过程，由此提供沿着环形齿轮凸缘208和差速器箱凸缘204的一部分的紧密接触，同样由此使间隙214被限定在环形齿轮凸缘208的外径的一部分和差速器箱凸缘204的内径之间。这在一个实施例中通过配置自动机械装置来实现，该自动机械装置被用来保持两个部件彼此相邻以进行连接，从而提供期望的齿轮啮合/对准、环形齿轮凸缘208的一部分和差速器箱凸缘204之间的紧密接触以及预定间隙214。
在实施例中，这通过在差速器箱202的每个毂处同轴地保持差速器箱202来实现。继而，提供固定环形齿轮206的保持器，用于实现适当的对准和预定间隙214。在一个实施例中，预定间隙214为至少0.01英寸，但是应当理解，可能需要根据不同的差速器总成构造和/或尺寸选择替代的间隙/公差。
接下来，使用摩擦焊接工艺将环形齿轮肩部208连接到差速器箱导向件(differential case pilot)204。如上所述并且如本领域技术人员已知的，摩擦焊接源于由摩擦焊接机(见图4)在环形齿轮凸缘208和差速器箱凸缘204的接触表面上施加的机械摩擦产生的热。在该过程中，由摩擦焊接机施加额外的侧向力(通常称为镦锻步骤)以塑性置换并融合环形齿轮凸缘208和差速器箱凸缘204的不同材料，从而在两者之间形成焊接或融合216。摩擦焊接工具控制器被配置为将环形齿轮206的节线(pitch line)212设定为相对于差速器箱202的取向的期望角度。
参考图3，如图所示，提供的预定间隙214还在环形齿轮凸缘208和差速器箱凸缘204之间产生流出通道，用于接收在摩擦焊接镦锻过程期间产生的溢流材料218或溢料。如图所示，溢流材料218分散到间隙214中，而不接触差速器总成的各种所述元件中的任何一个。以这种方式，基本上避免了溢流材料对任何差速器部件的污染、焊后清理等，而不影响部件形状、配合或功能。
摩擦焊接机的基本元件在本领域中是已知的，并且在本文中不需要过多的讨论。然而，图4示出了可应用于制造如上所述的环形齿轮206/差速器箱204总成的代表性摩擦焊接机400。基座402支撑机器400。该机器包括旋转部分404和固定部分406。固定部分406包括偏置元件408，例如气动或液压缸，其推动(参见箭头A)由合适的保持器410保持的环形齿轮206朝向由旋转部分404保持的差速器箱204移动。可以设想任何合适的保持器410，包括但不限于具有如图所示的抗旋转销412的夹爪，齿套板(tooth nest plate)等。
如图所示的旋转部分404包括在伺服马达的控制下的计算机数字控制(CNC)致动的主轴414。主轴414配置成通过伺服马达418的作用使由夹具416(见箭头B)保持的差速器箱204旋转。如上所述，由CNC控制的伺服马达422致动的滚珠丝杠420推动夹紧的差速器箱204(参见箭头C)抵靠由固定部分406保持的环形齿轮206。通过差速器箱204的旋转和由滚珠丝杠420/偏置元件408施加的镦锻锻造力的组合，环形齿轮206和差速器箱204如上所述地被摩擦焊接。
出于说明和描述的目的呈现前述内容。其并不旨在穷举或将实施例限制为所公开的精确形式。根据上述教导，显而易见的修改和变化是可能的。当根据所附权利要求公平、合法和公正地享有的宽度来解释时，所有这些修改和变化在所附权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种用于制造环形齿轮/差速器箱总成的方法，包括：
将环形齿轮附接到差速器箱，由此使所述环形齿轮与所述差速器总成的准双曲面小齿轮对准并且可操作地接合，所述附接包括将所述环形齿轮的第一部分与所述差速器箱的第一部分置于紧密接触，由此在所述环形齿轮的另一部分与所述差速器箱的另一部分之间限定预定间隙；和
通过摩擦焊接工艺将所述环形齿轮第一部分附接到所述差速器箱的第一部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定间隙限定用于接收由所述摩擦焊接工艺的镦锻步骤产生的溢流材料的流出通道。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述预定间隙为至少0.01英寸。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述对准包括将所述环形齿轮的中心线轴线定位成与所述准双曲面小齿轮的中心线轴线大体垂直的关系。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述环形齿轮由第一材料制成，并且所述差速器箱由不同于所述第一材料的第二材料制成。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一材料和所述第二材料至少在熔融温度性质方面不同。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述第一材料是钢或钢合金，并且所述第二材料是球墨铸铁。
8.一种通过权利要求1所述的方法制造的环形齿轮/差速器箱总成。
9.一种车辆，包括通过权利要求1所述的方法制造的环形齿轮/差速器箱总成。
10.一种车辆环形齿轮/差速器箱总成，包括：
差速器箱；和
附接到所述差速器箱的环形齿轮，由此使所述环形齿轮对准所述差速器总成的准双曲面小齿轮并且与所述准双曲面小齿轮可操作地接合；
所述环形齿轮的第一部分被摩擦焊接到所述差速器箱的第一部分，从而在所述环形齿轮的另一部分和所述差速器箱的另一部分之间限定预定间隙。
11.如权利要求10所述的总成，其中所述预定间隙限定用于接收由所述摩擦焊接的镦锻步骤产生的溢流材料的流出通道。
12.如权利要求11所述的总成，其中所述预定间隙为至少0.01英寸。
13.如权利要求10所述的总成，其中，所述环形齿轮的中心线轴线以与所述准双曲面小齿轮的中心线轴线大体垂直的关系定向。
14.如权利要求10所述的总成，其中所述环形齿轮由第一材料制成，并且所述差速器箱由不同于所述第一材料的第二材料制成。
15.如权利要求14所述的总成，其中所述第一材料和所述第二材料至少在熔融温度性质方面不同。
16.如权利要求14所述的总成，其中所述第一材料是钢或钢合金，并且所述第二材料是球墨铸铁。
17.一种车辆，包括如权利要求10所述的总成。
CN201611056018.9A 2015-11-30 2016-11-23 精确对准、摩擦焊接的螺旋锥或准双曲面环形齿轮和差速器箱总成 Active CN106812909B (zh)

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