CN113389872A - 用于铸造塑料的冲压轮毂 - Google Patents

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Abstract

一种齿轮包括由金属材料形成的内轮毂，该内轮毂具有限定出多个外齿的外表面。该齿轮还包括由非金属材料形成的外环，该外环具有平滑的内径。该外环设置为与内轮毂的外齿过盈配合。

Description

用于铸造塑料的冲压轮毂
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年3月11日提交的第62/988,197号美国临时申请的优先权的权益，通过在此援引其整体而纳入该临时专利申请的公开内容。
技术领域
本发明涉及齿轮，更具体地，涉及包括冲压轮毂(stamped hub)和铸造塑料的齿轮。
背景技术
汽车承受着许多不同类型(例如粗糙的驾驶表面、内部振动以及暴露在各种环境中)的应力。汽车的各种部件比其他部件经历的这些困难更多，并且一个部件的故障往往导致相关部件的损坏和汽车突然故障。尽管钢和其他金属材料是坚固的且耐用的，但它们很重，大大降低了燃料经济性。为了平衡强度和重量，传统的金属部件正在被由非金属材料(例如聚合物或碳纤维基材料)制成的部件替代或整合。
对汽车的运行至关重要的部件的一个示例类别是在部件之间转换运动的众多齿轮。一些齿轮包括具有滚花外径(O.D.)的金属内轮毂和围绕并结合至滚花外径的非金属外环。尽管在某些应用中，这些利用内轮毂和外环的齿轮与更传统的齿轮相比具有某些优点，但在运行期间仍然可能存在问题。例如，内轮毂很重，会对燃料经济性产生负面影响，并且在运行期间，滚花外表面的几何形状可能导致应力断裂，并导致外环和轮毂完全分离或剥离。利用这些具有内轮毂和外环的齿轮的一种应用是在动力转向系统中。
因此，需要继续开发具有内轮毂和外环的齿轮，以使重量最小化并减少突然分离和不可操作性的发生。
发明内容
根据本公开的一个方面，齿轮包括由金属材料形成的内轮毂，该内轮毂具有限定出多个外齿的外表面。该齿轮还包括由非金属材料(non-metal material，不是金属的材料)形成的外环，该外环具有平滑的内径(具有内径，是平滑的)。该外环设置为与内轮毂的外齿过盈配合(interference fit，干涉配合)。
根据本公开的另一个方面，提供了形成齿轮的方法。该方法包括形成由金属材料形成的内轮毂，并在该内轮毂的外径上限定出多个外齿。该方法还包括形成由非金属材料形成的外环，并限定出该外环的平滑的内径。该方法进一步包括将外环的平滑的内径过盈配合到内轮毂的外齿上。
根据本公开的又一个方面，齿轮包括由冲压金属材料形成的内轮毂，该内轮毂具有限定出多个外齿的外表面，其中，多个外齿中的至少一些外齿具有一对外齿侧壁和外齿顶壁，一对外齿侧壁中的每个外齿侧壁垂直地从内轮毂的外表面延伸，其中，外齿顶壁与一对外齿侧壁成直角并连接一对外齿侧壁。该齿轮还包括由非金属材料形成的外环，该外环具有平滑的内径。该外环设置为与内齿过盈配合。
从本文提供的描述中，进一步的适用范围将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅出于所选实施例的说明性目的，并不旨在限制本公开的范围。通过结合附图参考以下描述，与本公开相关的发明概念将更容易理解，其中：
图1是包括内轮毂和外套筒的齿轮的立体分解图；
图2是内轮毂和外环的平面图，示出了内轮毂包括外径(O.D.)，该外径具有从外径延伸出的一系列齿；
图3是内轮毂的横截面图，示出了轮毂包括前表面和后表面；
图4A至图4E是一系列立体图，示出了可以根据本主题公开而利用的各种类型的齿；
图5A提供了示出齿轮上的应力分布的立体图，其中，内轮毂有滚花；
图5B提供了示出齿轮上的应力分布的立体图，其中，内轮毂有齿；
图6A以曲线方式示出了拉力测试结果，其是位移和载荷的函数；
图6B以曲线方式示出了剥离测试结果，其是位移和载荷的函数；以及
图7是用于形成具有内轮毂和外环的齿轮的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。通常，本主题实施例涉及具有内轮毂和外环的齿轮。然而，提供示例实施例仅为使得本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体部件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用一些具体细节，可以以许多不同形式实施示例实施例，并且这些都不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，不详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。
参考附图，其中，类似的附图标记在所有视图中指示相应的部件，本主题齿轮旨在提供增强结构，该结构通过设计变得更轻并且不易出现困扰先前版本的破裂和分层。
首先参考图1至图3，描绘了处于分解状态的齿轮10。齿轮10包括内轮毂12和外环14。内轮毂12包括绕轴线A延伸以限定外径(O.D.)的前表面16和后表面18。外径表面20隔开前表面16和后表面18。一系列外齿22绕轴线A在外径表面20上周向隔开，并在前表面16和后表面18之间延伸。前表面16和后表面18限定了与外齿22相邻的锥形部分24和从锥形部分24径向向内延伸至轴连接孔26的平坦部分16。如图3最佳所示，轴连接孔26包括轴向延伸的内套筒部分28。外齿22位于轴向延伸的外套筒部分30上。内轮毂12由金属材料形成，例如，内轮毂12可以由钢材冲压而成。或者，内轮毂12可以通过其他方法形成，例如铸造、锻造、由固体机加工等。外环14包括外表面32，该外表面径向向内延伸至内径表面34，该内径表面34包括内径(I.D.)，该内径的尺寸适于过盈配合以与内轮毂12的外径表面20接合。内径表面34是平滑的/平坦的表面。外环14可以由非金属的第二材料形成，例如，外环14可以由聚合物或更具体地由尼龙材料铸造、挤出或模制而成。每个外齿22包括径向向外延伸至外齿顶壁40的外齿侧壁38。
现在参考图4A至图4E，提供了一系列立体图，其示出了根据本主题公开可以被利用的各种类型的齿。在图4A中，内轮毂12由未冲压的实心钢形成。内轮毂12的每个外齿22包括朝向外齿顶壁40渐缩(tapered，锥化)的外齿侧壁38。渐缩可以沿外齿侧壁38的径向延伸的全部或仅一部分。
在图4B中，内轮毂12由已冲压的钢形成。内轮毂12的每个外齿22包括朝向外齿顶壁40渐缩的外齿侧壁38。渐缩仅沿外齿侧壁38的径向延伸的一部分延伸，使得外齿侧壁部分地渐缩。外环14的内表面34是平滑的且与轮毂12的外径过盈配合。
在图4C中，内轮毂12由已冲压的钢形成。内轮毂12的每个外齿22包括朝向外齿顶壁40渐缩的外齿侧壁38。渐缩沿外齿侧壁38的径向延伸的全部延伸，使得外齿侧壁完全地渐缩。外环14的内表面34是平滑的且与轮毂12的外径过盈配合。
在图4D中，内轮毂12由已冲压的钢形成。内轮毂12的每个外齿22包括不朝向外齿顶壁40渐缩的外齿侧壁38。外齿侧壁38是直的且平行的，并且每个外齿侧壁与外齿顶壁40成直角，使得齿通常是直线的。外环14的内表面34是平滑的且与轮毂12的外径过盈配合。
在图4E中，内轮毂12由已冲压的钢形成。内轮毂12的每个外齿22包括远离外齿顶壁40渐缩的外齿侧壁38。渐缩沿外齿侧壁38的径向延伸的全部或仅一部分延伸，使得每个外齿22形成燕尾形。外环14的内表面34是平滑的且与轮毂12的外径过盈配合。
图5A提供了示出齿轮上的应力分布的立体图，其中，内轮毂有滚花。应力分布以灰度显示，其中，应当理解，应力分布形成了相对笔直的应力线(S.L.)，表明由于接合面处的应力集中，外环14有从内轮毂12分离的倾向。
图5B提供了示出齿轮上的应力分布的立体图，其中，内轮毂有齿。应力分布再次以灰度显示，其中，应当理解，应力分布形成一系列分叉的应力线(S.L.)，表明由于接合面处的应力分布增加，外环14从内轮毂12分离的倾向降低。在从外环14到内轮毂12的表面存在裂纹的情况下，可具有一定的运行时间，其中，该运行是“粘性的(sticky)”，且表示需要进行更换，而不是完全而突然地分开。
图6A以曲线方式以灰度示出了拉力测试结果，其是位移和载荷的函数。曲线包括对图4A至图4E所示的各种类型的齿进行的拉力测试的结果，还包括用滚花表面代替齿的测试结果。应当理解，滚花表面中较小的载荷产生较大的位移，而各种齿在较大的位移下仍保持较大的载荷。
图6B以曲线方式以灰度示出了剥离测试结果，其是位移和载荷的函数。曲线包括对图4A至图4E所示的各种类型的齿进行的剥离测试的结果，还包括用滚花表面代替齿的测试结果。应当理解，滚花表面中较大的位移产生较小的载荷，而直齿和燕尾形齿在较大的位移下仍保持较高的载荷。应当理解，直齿和燕尾形齿的表面的峰值载荷增加。
图7是用于形成具有内轮毂和外环的齿轮的方法的流程图。方法200包括形成具有外齿的内轮毂202。步骤202可以包括：通过冲压、锻造、铸造、机加工等形成内轮毂204；形成部分锥形的齿206；形成完全锥形的齿208；形成直齿210；和/或形成燕尾形齿212。方法200通过形成具有平滑的内径的外环214而继续。步骤214可以包括通过铸造216、挤出218或通过注塑成型(injection molding)220形成外环。方法200通过以下步骤继续：加热外环14并将其压到内轮毂12上226；感应加热内轮毂12以熔化外环14的塑料内径表面，使其流入内轮毂12的齿中，并将塑料环结合至轮毂齿228(例如经由粘合剂或热应用)；并且将齿轮装配至汽车的转向系统(例如电动助力转向系统)中230。
尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于所公开的这些实施例。相反，可以对本发明进行修改以结合迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等效布置。另外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受到前述描述的限制，而仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种齿轮，包括：
内轮毂，由金属材料形成，所述内轮毂具有限定出多个外齿的外表面；
外环，由非金属材料形成，所述外环具有平滑的内径；并且
其中，所述外环设置为与所述内轮毂的外齿过盈配合。
2.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述多个外齿中的至少一些外齿具有一对外齿侧壁和一外齿顶壁，所述一对外齿侧壁中的每个外齿侧壁从所述内轮毂的外表面垂直地延伸，其中所述外齿顶壁与所述一对外齿侧壁成直角并连接所述一对外齿侧壁。
3.根据权利要求2所述的齿轮，其中，所述多个外齿中的全部外齿均具有一对外齿侧壁和一外齿顶壁，所述一对外齿侧壁中的每个外齿侧壁从所述内轮毂的外表面垂直地延伸，其中所述外齿顶壁与所述一对外齿侧壁成直角并连接所述一对外齿侧壁。
4.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述多个外齿中的至少一些外齿具有燕尾几何形状，其中每个燕尾几何形状齿具有一对外齿侧壁和一外齿顶壁，所述一对外齿侧壁中的每个外齿侧壁随着每个侧壁远离所述内轮毂的外表面延伸而彼此远离地延伸，其中所述外齿顶壁连接所述一对外齿侧壁。
5.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述多个外齿中的至少一些外齿具有锥形几何形状，其中每个锥形几何形状齿具有一对外齿侧壁和一外齿顶壁，所述一对外齿侧壁中的每个外齿侧壁随着每个侧壁远离所述内轮毂的外表面延伸而朝向彼此延伸，其中所述外齿顶壁连接所述一对外齿侧壁。
6.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述内轮毂是冲压金属部件。
7.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述内轮毂是铸造部件。
8.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述内轮毂是锻造部件。
9.根据权利要求1所述的齿轮，其中，所述内轮毂由实心坯料机加工而成。
10.一种形成齿轮的方法，包括：
形成由金属材料形成的内轮毂，并在所述内轮毂的外径上限定出多个外齿；
形成由非金属材料形成的外环，并限定出所述外环的平滑的内径；以及
将所述外环的平滑的内径过盈配合到所述内轮毂的外齿上。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述内轮毂包括冲压一金属部件。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述内轮毂包括铸造一金属部件。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述内轮毂包括锻造一金属部件。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述内轮毂包括对金属部件进行机加工。
15.一种齿轮，包括：
内轮毂，由冲压的金属材料形成，所述内轮毂具有限定出多个外齿的外表面，其中所述多个外齿中的至少一些外齿具有一对外齿侧壁和一外齿顶壁，所述一对外齿侧壁中的每个外齿侧壁从所述内轮毂的外表面垂直地延伸，其中所述外齿顶壁与所述一对外齿侧壁成直角并连接所述一对外齿侧壁；
外环，由非金属材料形成，所述外环具有平滑的内径；并且
其中，所述外环设置为与所述内齿过盈配合。
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