CN111438439A - 双层型变速器行星齿轮架的制造方法和行星齿轮架 - Google Patents

双层型变速器行星齿轮架的制造方法和行星齿轮架 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种双层型变速器行星齿轮架的制造方法和通过该方法制造的行星齿轮架，并且更具体地，涉及一种行星齿轮架的材料和材料的组合方法。本制造方法包括：通过对两种铝合金分别进行热锻而成形和加工载板和基板；以及焊接两个板之间的连接部。本双层架可以包括：载板；以及基板，焊接到载板的连接部上，其中两个板的材料是铝锻造合金。根据本公开，通过采用铝材料可以将双层型行星齿轮架的重量减少约60％，并且可以容易地制造由铝材料制成的双层型行星齿轮架。

Description

双层型变速器行星齿轮架的制造方法和行星齿轮架
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年1月17日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2019-0006408的韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的全部公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种双层型变速器行星齿轮架的制造方法和通过该方法制造的行星齿轮架，并且更具体地，涉及一种板的组合方法和板的材料。
背景技术
变速器行星齿轮架是指固定有用于改变自动变速器的齿轮比的行星齿轮组的结构件。构成行星齿轮组的小齿轮与太阳齿轮和环形齿轮啮合以形成各种齿轮比，而变速器行星齿轮架支撑由在相应齿轮之间传递驱动力而引起的负载，并为旋转部件供应润滑油。
存在结构上可区分的两种类型的变速器行星齿轮架。两种类型的变速器行星齿轮架包括：单层型行星齿轮架(参见图1的(a))，其上安装有具有相同长度的一组小齿轮；以及双层型行星齿轮架(参见图1的(b))，其上安装有具有不同长度的一组小齿轮，即一组长小齿轮和短小齿轮。
双层型行星齿轮架从具有不同长度的两个小齿轮接收大而复杂的负载。然而，行星齿轮架没有被设计成足以支撑相应负载，并且行星齿轮架的较重的重量在支撑相应负载方面是相对有利的。因此，通过将行星齿轮架的材料改变为铝来减轻行星齿轮架的重量是非常不利的。
因此，通过采用铝材料来减轻行星齿轮架的重量只能应用于单层型行星齿轮架，并且在所有情况下都采用通过压铸制成的材料。由于单层型行星齿轮架在垂直于轴的方向上设置了四个或五个滑动芯，从而容易实现模具，并且结构也相对简单，因此压铸加工方法适用于单层型行星齿轮架。然而，由于双层型行星齿轮架的结构，不可能通过将两层结合来实现四至五个滑动件，并且由于固定短小齿轮的中间板的位置而难以通过流道供应熔融金属，因此无法确保质量。
发明内容
做出本公开的目的是通过采用铝材料来减轻双层型行星齿轮架的重量。
做出本公开的目的还在于容易地制造由铝材料制成的行星齿轮架。
本公开的示例性实施例提供一种双层型变速器行星齿轮架的制造方法，该方法包括：通过对两种铝合金分别执行热锻而成形和加工载板和基板；以及焊接两个板之间的连接部。
两个板之间的连接部可以通过激光焊接来焊接。
两种铝合金中的至少一个可以包括10.5至13.5wt％的硅(Si)。包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的铝合金可以进一步包括3.0至5.0wt％的铜(Cu)和0.2至1.0wt％的镁(Mg)。
该方法可以进一步包括：在焊接两个板之前，对两个板进行T7热处理。
本公开的另一示例性实施例提供一种双层型变速器行星齿轮架，包括：载板；以及基板，焊接到载板的连接部上，其中两个板的材料是铝锻造合金。
两个板中的至少一个可以包括10.5至13.5wt％的硅(Si)。
包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的板可以包括初晶硅和共晶硅。
包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的板可以进一步包括3.0至5.0wt％的铜(Cu)和0.2至1.0wt％的镁(Mg)。
板的疲劳强度可以为99至129Mpa。
板的伸长率可以为1.7至2.4％。
连接部的断裂强度可以为板的断裂强度的65％以上。
根据本公开，通过将铝材料应用于双层型行星齿轮架，可以将双层型行星齿轮架的重量减少约60％。
根据本公开，可以容易地制造由铝材料制成的行星齿轮架。
附图说明
图1的(a)是示出单层型变速器行星齿轮架的视图，图1的(b)是示出双层型变速器行星齿轮架的视图。
图2是根据本公开的双层型变速器行星齿轮架的制造方法的流程图。
图3的(a)是示出载板的视图，图3的(b)是示出基板的视图，图3的(c)是示出通过焊接两个板而制成的行星齿轮架的视图。
图4是示出根据本公开的示例性实施例的共晶硅和初晶硅的视图。
图5是示出基于重量变化量评估可以用于评估耐磨性并比较耐磨性的往复摩擦的综合结果的图。
图6是D+D材料的激光焊接表面和焊接部位的X射线照片，并且示出当在焊接期间不使用填充材料时拍摄的焊道的横截面的光学显微镜(OM)照片。
图7的(a)、图7的(c)和图7的(d)是由图6中的D+D材料制成的焊道的横截面的OM照片，图7的(b)是CT照片。
图8是C+D材料的激光焊接表面和焊接部位的X射线照片，并且示出当在焊接期间不使用填充材料时拍摄的焊道的横截面的OM照片。
图9的(a)、图9的(c)和图9的(d)是由图8中的C+D材料制成的焊道的横截面的OM照片，图9的(b)是CT照片。
图10是B+C材料的激光焊接表面和焊接部位的X射线照片，并且示出当在焊接期间不使用填充材料时拍摄的焊道的横截面的光学显微镜(OM)照片。
图11的(a)、图11的(c)和图11的(d)是由图10中的B+C材料制成的焊道的横截面的OM照片，图11的(b)是CT照片。
图12的(a)和图12的(b)是根据本公开的示例性实施例的完全执行热锻、热处理和加工的载板和基板的照片。
图12的(c)是通过完全焊接图12的(a)和图12的(b)中的板而制成的行星齿轮架的照片。
图12的(d)是通过组装用于组装双层架所需的诸如太阳齿轮的所有齿轮组而制成的完整组装产品的照片。
图13是焊接部位的气泡缺陷的CT照片，其中图13的(b)是行星齿轮架的侧横截面的CT照片。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本公开。然而，本公开不受示例性实施例的约束或限制。根据以下描述，可以自然地理解本公开的目的和效果，或者可以使本公开的目的和效果更加清楚，并且本公开的目的和效果不仅限于以下描述。另外，在本公开的描述中，当确定与本公开相关的公知技术的特定描述可能不必要地使本公开的主题模糊时，将省略特定描述。
图2是根据本公开的双层型变速器行星齿轮架的制造方法的流程图。图3的(a)是示出载板的视图，图3的(b)是示出基板的视图，图3的(c)是示出通过焊接两个板而制成的行星齿轮架的视图。在下文中，将“双层型变速器行星齿轮架”称为“双层架”。
参照图2和图3，本公开包括通过对两种铝合金进行热锻而成形和加工载板和基板的步骤S101，以及焊接两个板之间的连接部10的步骤S102。
在通过使用铝合金制造双层架的情况下，载板和基板可以不一体成形。可以将压铸法和重力铸造法视为能够将载板和基板一体成形的方法，但是这些方法中的每一个都会引起以下问题。
在压铸法的情况下，需要使用最小数目为四个且最大数目为八个的滑动模具，因此，模具结构复杂，因而难以确保内部质量。其中，由于严格限制每个部位的脱模斜度(draft)引起的形状，很难确保耐久性。在重力铸造法的情况下，可以通过使用砂模芯来解决上述问题，但是由于厚度增加，不利于减轻重量。另外，在成本上是不利的，因为需要额外地进行热处理步骤。
因此，为了确保耐久性并减轻重量，可以分别制造载板和基板，然后将载板和基板进行焊接，并且更具体地，可以通过对两种铝合金分别进行热锻来制造板，然后可以焊接两个板之间的连接部。为了确保耐久性，可以将焊接部位设置在焊道窄且焊接深度深的部分，并且在考虑双层架的结构时，两个板之间的连接部可以适合作为焊接部位。
两个板之间的连接部可以通过激光焊接来焊接。有必要使由焊接引起的热变形和焊接部位的物理性质的变化最小化。因为焊道的宽度为2mm以下并且焊道的高度为0.3mm以下，所以可以在焊接条件下进行激光焊接。因此，可以将在激光焊接期间受热影响的部分最小化为焊道宽度的两倍以下。
在焊接长度为约40mm的部分内，焊接深度从至少4mm到至多9mm改变。考虑到行星齿轮架旋转时的负载方向，可以在激光输出从具有最小厚度的部位到具有最大厚度的部位增加的同时进行焊接。
两种铝合金中的至少一种合金可以包括10.5至13.5wt％的硅(Si)。在此，至少一种合金是指选自用于制造载板的铝合金和用于制造基板的铝合金中的一种或两种。
在激光焊接期间，在焊接部位可能出现热裂纹。铝合金可以包括4wt％以上的硅(Si)以防止出现热裂纹。同时，铝合金的硅(Si)含量可以优选为10.5wt％以上，因为当铝合金包括10.5wt％以上的硅(Si)时可以提高双层架的耐磨性。
当铝合金中包括的10.5wt％以上的硅(Si)成为共晶硅和初晶硅时，耐磨性得到提高。已知铝-硅二元态下的共晶点为约12.7wt％，但是在合金态下，即使硅含量低于约12.7wt％，也可能产生初晶硅。
图4是示出根据本公开的示例性实施例的共晶硅和初晶硅的视图。参照图4，当硅(Si)含量保持为至少10.5wt％以上时，形成一些块初晶硅20的组织和多块共晶硅30的组织，从而提高了耐磨性。这是因为如果耐磨性颗粒小但是基板的强度高，则防止了硅(Si)颗粒的脱落，因此保持了耐磨性。
同时，如果铝合金中的硅(Si)含量超过13.5wt％，则在通过使用连续铸造制造坯料时可能产生多块粗初晶硅，并且粗初晶硅使得在随后的锻造过程中难以进行成形加工，并降低最终产品的物理性质。因此，铝合金可以包括13.5wt％以下的硅(Si)。
采用垫圈以防止双层架和齿轮的接触表面磨损。由于铝行星齿轮架的耐磨性低于普通钢行星齿轮架的耐磨性，因此提出了将垫圈的材料从钢变为铜或增加垫圈数量的方法。然而，当通过使用包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的铝合金来制造板时，可以在不改变垫圈的材料和数量的情况下原样使用垫圈。
同时，在通过使用包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的铝合金制造两个板并且然后如下所述对两个板进行焊接的情况下，还有一个优点是在不使用填充材料的情况下可以防止热裂纹的出现。
在下文中，将“包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的铝合金”称为“本铝合金”或“本合金”。
表1
分类 Cu Mg Si Ni Al
6082MF 0.2至0.4 0.6至1.2 0.7至1.3 - 余量
本合金 3.0至5.0 0.2至1.0 10.5至13.5 - 余量
比较例 0.5至1.3 0.8至1.3 11.0至13.5 0.5至1.3 余量
表2
Figure BDA0002287576340000071
表1示出了作为铝锻造合金的6082MF、本铝合金以及根据比较例的铝合金的铜(Cu)、镁(Mg)、硅(Si)、镍(Ni)和铝(Al)的组成范围的综合数据。表1示出了五种元素的组成范围，但是本铝合金可以包括0.5wt％以下的铁(Fe)、0.1wt％以下的锰(Mn)、0.1wt％以下的锌(Zn)、0.25wt％以下的钛(Ti)和0.1wt％以下的铬(Cr)。
参照表1，本铝合金比铝锻造合金6082MF包括更多量的铜(Cu)和硅(Si)，本合金比根据比较例的合金包括更多量的铜(Cu)，但是本合金不包括比较例中包含的镍(Ni)。
本合金中的铜(Cu)和镁(Mg)用于通过热处理提高强度、固定硅(Si)颗粒并提高性能来通过Al2Cu和Mg2Si的析出相来提高铝合金的物理性质。本合金的铜(Cu)和镁(Mg)的组成范围是适合于通过最大程度地形成过饱和固溶体并在快速冷却期间诱发细共格析出相来最大程度地提高强度的组成范围。
表2示出了本合金与根据比较例的合金之间在硬度、屈服强度、抗拉强度、伸长率和冲击值方面的综合比较。在室温(RT)、100℃和150℃下测量了硬度。参照表2，可以看出，本合金的物理性质优于根据比较例的合金的物理性质。根据比较例的合金的主要增强相是镁(Mg)和镍(Ni)，而本合金的主要增强相是铜(Cu)和镁(Mg)，因此存在物理性质的差异。
图5是示出基于重量变化量评估用于评估耐磨性并比较耐磨性的往复摩擦的综合结果的图。待进行关于耐磨性的评估和比较的对象是本合金、根据比较例的合金、目前大量生产的SCR420HB、由4000系列材料制成的耐磨过共晶合金K14和ADC14以及压铸材料ADC12。
参照图5，可以看出，与现有技术的压铸材料相比，本合金的耐磨性提高了约10倍以上。如上所述，根据比较例的合金的铜(Cu)和镁(Mg)的组成范围不同于本合金的组成范围，但是本合金和根据比较例的合金的硅(Si)的组成范围在硅含量为11.0至13.5wt％时彼此重叠，并且硅(Si)是为了提高耐磨性而添加的元素，因此，根据比较例的合金的耐磨性的评估结果可以视为本合金的耐磨性的评估结果。可以看出，本合金的耐磨性的水平等于由4000系列材料制成的耐磨过共晶合金的耐磨性的水平。因此，可以看出，本合金适合作为双层架的材料，因为本合金表现出优异的抗齿轮摩擦的耐磨性。
根据本公开的双层架的制造方法可以进一步包括在焊接两个板之前对两个板进行T7热处理。进行T7热处理步骤以补偿包括大量硅(Si)的铝材料的脆性。T7热处理步骤是稳定化热处理，可以通过减少锻造材料的残余应力、抑制操作后尺寸变化并提高焊接部位的伸长率和疲劳强度来确保行星齿轮架所需的耐久性。
表3
Figure BDA0002287576340000081
表3示出当对本合金进行T6热处理(以下称为“A材料”)时、当对本合金进行T7(1)热处理(以下称为“B材料”)时、当对本合金进行T7(2)热处理(以下称为“C材料”)时以及当对铝锻造合金6082MF进行T6热处理(以下称为“D材料”)时的综合机械性质和物理性质。在此，T7(1)热处理和T7(2)热处理是指T7热处理，但是意味着改变了热处理条件。更具体地，T7(1)热处理是指在480℃下进行4小时的热处理，然后在180℃下进行16小时的热处理。T7(2)热处理是指在480℃下进行4小时的热处理，然后在195℃下进行8小时的热处理。这两种情况的循环次数(number of cycles)为5.0E+8。
参照表3，可以看出，B材料的强度低于A材料的强度但B材料的伸长率高于A材料的伸长率，C材料的疲劳强度高于A材料的疲劳强度，C材料的伸长率增加50％，B材料和C材料的强度优于D材料的强度。因此，可以看出，T7热处理步骤是能够确保抵抗从齿轮施加的间歇负载的耐久性的热处理。
表4
材料 断裂强度(％,与基材比较) 断裂伸长率
A+A 266.3MPa(66.0％) 1.09
B+C 242.8MPa(68.0％) 1.56
C+D 221.5MPa(64.2％) 1.49
D+D 121.3MPa(47.2％) 0.68
表4示出了当A至D材料的组合被不同地设置时的断裂强度和断裂伸长率的测量值，并且可以评估每种材料在焊接部位的强度劣化。待被评估的对象是通过组合A材料制成的材料(以下称为“A+A材料”)、通过组合B材料和C材料制成的材料(以下称为“B+C材料”)、通过组合C材料和D材料制成的材料(以下称为“C+D材料”)和通过组合D材料制成的材料(以下称为“D+D材料”)。参考焊接面积为实际焊接面积的70％至80％，断裂伸长率是测量的延伸值。将焊接部位的断裂强度与基材的断裂强度之比为65％以上的组合材料称为更优选的组合材料或更优异的组合材料。
参照表4，通过组合通过对铝合金进行T7(2)热处理而形成的C材料和通过对铝锻造合金6082MF进行T6热处理而形成的D材料而制成的C+D材料被测量为比D+D材料具有更大的断裂强度与基材的断裂强度之比以及更大的断裂伸长率。
通过对本铝合金进行热处理而形成的材料以及通过将这些材料组合而形成的A+A材料和B+C材料在焊接部位具有良好的断裂强度，比基材的断裂强度提高65％以上。另一方面，即使热处理条件改变，进行T7热处理的B和C材料以及通过组合B材料和C材料制成的B+C材料的焊接部位的断裂强度比进行T6热处理的断裂强度低。然而，可以看出，B+C材料的断裂强度与基材的断裂强度之比比A+A材料的断裂强度与基材的断裂强度之比相对更好。
另一方面，由于本铝合金包括10.5至13.5wt％的硅(Si)，因此本铝合金可以容易地通过激光焊接来焊接。在铝合金难以焊接的原因中，最重要的原因是在焊接部位出现热裂纹。在最广泛用作铝锻造合金的所谓6000系列合金的情况下，必须使用填充材料以防止焊接期间的热裂纹。
图6是D+D材料的激光焊接表面和焊接部位的X射线照片，并且示出当在焊接期间不使用填充材料时拍摄的焊道的横截面的光学显微镜(OM)照片。图7的(a)、图7的(c)和图7的(d)是由图6中的D+D材料制成的焊道的横截面的OM照片，图7的(b)是CT照片。参照图6至图7的(d)，可以看出，在焊接期间不使用填充材料时，在焊道的横截面中出现热裂纹40。此外，焊缝熔深的深度为9mm的总深度的70至80％，并且在总深度的50至80％的深度处出现0.5至1.7mm的多个气泡缺陷，特别是1.66mm的气泡缺陷41。
图8是C+D材料的激光焊接表面和焊接部位的X射线照片，并且示出了当在焊接期间不使用填充材料时拍摄的焊道的横截面的OM照片。
图9的(a)、图9的(c)和图9的(d)是由图8中的C+D材料制成的焊道的横截面的OM照片，图9的(b)是CT照片。参照图8至图9的(d)，可以看出，即使在焊接期间不使用填充材料，在焊道的横截面中也不出现热裂纹。此外，焊缝熔深的深度为9mm的总深度的70％至80％，并且在总深度的50至80％的深度处出现0.5至1.7mm的多个气泡，特别是2.3mm的气泡缺陷51。
图10是B+C材料的激光焊接表面和焊接部位的X射线照片，并且示出当在焊接期间不使用填充材料时拍摄的焊道的横截面的光学显微镜(OM)照片。图11的(a)、图11的(c)和图11的(d)是由图10中的B+C材料制成的焊道的横截面的OM照片，图11的(b)是CT照片。参照图10至图11的(d)，可以看出，即使在焊接期间不使用填充材料，在焊道的横截面中也不出现热裂纹。此外，焊缝熔深的深度是9mm的总深度的80至90％，使得焊缝熔深的深度相对均匀。同时，在焊接的起点观察到背面的焊道，在整个焊接范围内观察到气泡，最大气泡缺陷61的尺寸为1.7mm。
在焊接期间使用填充材料的情况下，焊道宽度不可避免地增加了2至3倍，这造成了行星齿轮架布局的不利，并且由于与填充材料相关的附加设备而造成损失以及循环时间增加。因此，可以说，根据本公开的方法在焊接铝方面是有利的。
图12的(a)和图12的(b)是根据本公开的示例性实施例的完全执行热锻、热处理和加工的载板和基板的照片，图12的(c)是通过完全焊接图12的(a)和12的(b)中的板而制成的行星齿轮架的照片，以及图12的(d)是通过组装用于组装双层架所需的诸如太阳齿轮的所有齿轮组而制成的完整组装产品的照片。
更详细的制造方法如下。通过对坯料进行镦锻并进行两阶段的热锻和修整来制造材料，对该材料进行车削加工，并且对包括大量硅(Si)的材料进行热锻。因此，以比普通材料的退火温度高20度的退火温度对材料进行镦锻，然后进行热锻。因此，进行T7热处理。在大气压力条件下，采用双聚焦法作为激光焊接。焊接条件示于下面的表5中。在总深度为10mm时，焊接深度为8mm，焊接宽度为2mm。
表5
Figure BDA0002287576340000121
图13是焊接部位的气泡缺陷的CT照片，图13的(b)是行星齿轮架的侧横截面的CT照片。参照图13，可以看出，气泡缺陷的尺寸为1mm以下，缺陷面积为焊接部位的10％以下。
表6
Figure BDA0002287576340000122
表6示出了在改变基板和载板的材料的同时，在组装如图12的(d)所示的完整组装产品之后的强度和耐久性的评估结果。在该评估中，将赋予实际行星齿轮架的转速和扭矩均等地赋予完整组装产品，从而将评估条件设置为与实际使用条件最大相似。表6中所示的A至D材料在上面已经进行了描述。
参照表6，可以看出，当基板和载板均由C材料制成或仅载板由C材料制成时，在扭转耐久性评估期间可以实现五十万次循环。
在下文中，将描述通过根据本公开的双层架的制造方法制造的双层架。但是，由于已经在上面详细描述了双层架的构造，因此将简要描述双层架的构造。
双层架包括载板和焊接在载板上的基板。两个板的材料是铝锻造合金。两个板中的至少一个可以包括10.5至13.5wt％的硅(Si)，并且包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的板可以包括初晶硅和共晶硅，并可以进一步包括3.0至5.0wt％的铜(Cu)和0.2至1.0wt％的镁(Mg)。另外，包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的板的疲劳强度可以是99至129MPa，并且板的伸长率可以是1.7至2.4％。连接部的断裂强度可以是板的断裂强度的65％以上。
尽管以上参照代表性示例性实施例详细描述了本公开，但是本公开所属领域的技术人员将理解的是，可以在不脱离本公开的范围的情况下对示例性实施例进行各种修改。因此，本公开的范围不应当限于所描述的示例性实施例，而是不仅应当由所附权利要求书限定，而且还应当由从与权利要求书等同的概念导出的所有改变或修改形式限定。

Claims (12)

1.一种双层型变速器行星齿轮架的制造方法，所述方法包括：
通过对两种铝合金分别进行热锻而成形和加工载板和基板；以及
焊接两个板之间的连接部。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述两个板之间的所述连接部通过激光焊接来焊接。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述两种铝合金中的至少一种包括10.5至13.5wt％的硅(Si)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，
包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的铝合金进一步包括3.0至5.0wt％的铜(Cu)和0.2至1.0wt％的镁(Mg)。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在焊接所述两个板之前，对所述两个板进行T7热处理。
6.一种双层型变速器行星齿轮架，包括：
载板；以及
基板，焊接到所述载板的连接部上，
其中两个板的材料是铝锻造合金。
7.根据权利要求6所述的双层型变速器行星齿轮架，其中，
所述两个板中的至少一个包括10.5至13.5wt％的硅(Si)。
8.根据权利要求7所述的双层型变速器行星齿轮架，其中，
包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的板包括初晶硅和共晶硅。
9.根据权利要求7所述的双层型变速器行星齿轮架，其中，
包括10.5至13.5wt％的硅(Si)的板进一步包括3.0至5.0wt％的铜(Cu)和0.2至1.0wt％的镁(Mg)。
10.根据权利要求9所述的双层型变速器行星齿轮架，其中，
所述板的疲劳强度为99Mpa以上。
11.根据权利要求9所述的双层型变速器行星齿轮架，其中，
所述板的伸长率为1.7％以上。
12.根据权利要求9所述的双层型变速器行星齿轮架，其中，
所述连接部的断裂强度为所述板的断裂强度的65％以上。
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