CN113635004A - 能实现淘汰用于扭杆的过程的设计改变 - Google Patents

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CN113635004A CN202110842367.8A CN202110842367A CN113635004A CN 113635004 A CN113635004 A CN 113635004A CN 202110842367 A CN202110842367 A CN 202110842367A CN 113635004 A CN113635004 A CN 113635004A
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Abstract

本申请涉及能实现淘汰用于扭杆的过程的设计改变。本发明的一方面在于提供了扭杆组件。所述组件包括具有第一钻孔的第一轴、具有第二钻孔的第二轴，以及放置在所述第一和第二钻孔之内的扭杆，所述第二轴操作地联接到所述第一轴。所述扭杆包括具有第一直径的花键第一端部，具有第二直径的花键第二端部，以及在所述花键第一端部和所述花键第二端部之间延伸的有效直径。所述第一端部延伸至具有与所述第一直径大体上相同的直径的第一端部面，所述第二端部延伸至具有与所述第二直径大体上相同的直径的第二端部面。所述扭杆是由具有大于C分度表示的洛氏硬度45的硬度的材料制造的。

Description

能实现淘汰用于扭杆的过程的设计改变
技术领域
本发明涉及一种扭杆，更具体地是，涉及一种用于动力转向组件的扭杆。本案为分案申请，其母案申请号为201510835688.X，申请日为2015年11月26日，发明名称为“能实现淘汰用于扭杆的过程的设计改变”。
背景技术
车辆的动力转向组件可以包括帮助车辆操作者转动方向盘的动力辅助设备。为了实现所述动力转向的功能，提供扭杆可能是必要的。然而，将所述扭杆制造到规定等级所要求的过程可能是昂贵且费时的，尤其是如果它包括轮廓磨削循环过程。另外，历史上地认为扭杆需要由相对的软材料制造，并且对所述材料仅有微硬化或者无硬化，这是因为装配过程通常涉及缩短工具寿命的钻孔和扩孔。因此，扭杆未被硬化以提高工具寿命。所述扭杆的第二功能是在所述方向盘被转动后重新获得所述方向盘的原始的中立的位置，并且此后释放扭矩，这通常被称为迟滞。这导致长的扭杆，所述长的扭杆在制造过程中要求多个加工步骤。因此，理想的是提供一种具有更短长度、更低迟滞的扭杆，并且所述扭杆经历更少的制造过程。
发明内容
本发明的这些和其他的优势和特征在结合附图的下述描述中将变得更加明显。
本发明的一个方面是提供了一种用于转向柱组件的扭杆。所述扭杆包括具有第一直径的花键第一端部、具有第二直径的花键第二端部和在所述花键第一端部和所述花键第二端部之间延伸的有效直径。所述第一端部延伸至具有与所述第一直径大体上相同的直径的第一端部面，所述第二端部延伸至具有与所述第二直径大体上相同的直径的第二端部面。
本发明的另一个方面是提供了一种用于转向柱组件的扭杆组件。所述扭杆组件包括具有第一钻孔的第一轴、具有第二钻孔的第二轴和放置在所述第一和第二钻孔之内的扭杆，所述第二轴操作地联接到所述第一轴。所述扭杆包括具有第一直径的花键第一端部、具有第二直径的花键第二端部和在所述花键第一端部和所述花键第二端部之间延伸的有效直径。所述第一端部延伸至具有与所述第一直径大体上相同的直径的第一端部面，所述第二端部延伸至具有与所述第二直径大体上相同的直径的第二端部面。
本发明的再一个方面是提供了一种制造具有第一端部和第二端部的扭杆的方法。所述方法包括在所述扭杆上执行剪切操作、在所述第一和第二端部上执行滚齿操作，以及在所述扭杆上执行硬化过程，所述硬化过程将所述扭杆硬化到以C分度表示的在48和55之间的洛氏硬度。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的结论处的权利要求中被具体地指出并且清楚地要求。本发明前述的和其他的特征和优势在结合附图的下述详细的描述中是明显的，其中：
图1是现有技术扭杆和根据本发明的示例性扭杆的对比的示意说明；
图2是现有技术扭杆组件和根据本发明的示例性扭杆组件的对比的横断面视图；
图3是在图2中示出的现有技术组件的轴和在图2中示出的示例性组件的轴的对比的横断面视图；
图4是根据本发明的示例性制造过程的示意说明；
图5是在图1中示出的多个示例性扭杆中的一个的设计改进的图表；
图6是在图1中示出的多个示例性扭杆中的一个的一部分的放大的侧视图；以及
图7是在图1中示出的多个示例性扭杆中的一个的设计改进的图表。
具体实施方式
在本文中描述的是用于制造与以前所知的扭杆相比具有更低的迟滞和更少的加工步骤的长度减小的扭杆的系统和方法。例如，在本文中描述的所述扭杆经历更多的硬化，所述更多的硬化促进生产更短的扭杆但是所述更短的扭杆却不要求比如水洗、轮廓磨削、或喷丸等加工步骤。
现在参照附图，其中本发明将参照特定实施例被描述，而不限制本发明。 图1说明了用于转向柱组件的现有技术扭杆10，根据本发明的用于转向柱组件的示例性扭杆100，和根据本发明的用于转向柱组件的另一个示例性扭杆200。图2说明了现有技术扭杆组件12、根据本发明的示例性扭杆组件102和根据本发明的另一个示例性扭杆组件202。
如图1所示，现有技术扭杆10包括弹头14，压斜面16、花键大直径18、交融部20和有效直径22。如图2和3所示，扭杆组件12包括第一轴24、第二轴26和现有技术扭杆10。第二轴26包括为了保持与有效直径22之间的间隙的而钻的间隙钻孔28、为了接合花键大直径18的压孔30和预钻孔32。
参照图1-3，扭杆10被压入在钻孔28中并且包括弹头14以安置在钻孔28的钻头尖锥34上。历史上地，在压操作中的压负载保持尽可能低。通常，保持小的压干涉以及因此保持小的所述花键和压孔直径的容差。所述紧容差迫使需要扩孔操作和在扭杆10的花键18的末端上进行的磨削操作，所述扩孔操作在轴24、26中建立孔30。在可以进行扩孔之前，执行预钻操作以移除大部分的材料，因为精确扩孔取决于只有轻微的材料移除。因此，在钻出了钻孔28之后，要求预钻操作以建立从钻锥30到间隙钻孔28的端部位置的钻孔32。然后，使用扩孔器形成压孔36和生产更紧的容差。然而，由于钻头尺寸、扩孔器尺寸和钻孔实际位置的变化，通过所述扩孔器建立的肩部38（图3）不是大到足以充当用于扭杆10的轴向压操作的最终止挡。这可能产生如下状况：扭杆10在它的底部负载和轴向压位置中具有大的变化。为了减轻可能出现的肩部38问题，在现有技术扭杆10上添加弹头14以通过接触钻锥30生产确定的可测的底部负载变化。然而，弹头14增加了扭杆10的长度，这要求钻孔28具有额外的钻孔深度。
在现有技术扭杆10上添加压斜面16不仅能最小化压负载还能减少卡死事件。有效直径22历史上地已经在疲劳寿命和迟滞所要求的许可扭转应力的上限被设计。大直径特征18通过增大到比有效直径22更大的直径提供了足够材料，以便从扭杆10传递扭矩到配合轴24、26。如果没有这额外的材料，扭转应力和来自于在扭杆10和轴24、26之间的界面的应力的结合将减小疲劳寿命并且添加迟滞。
在扭杆10上添加交融部20以防止当所述直径从有效直径22增大到大直径18时添加应力集中。由于有效直径22或者扭转率所要求的以及在界面大直径18处所要求的紧容差，在扭杆10的制造中使用了轮廓磨削过程以减少压干涉。弹头14、压斜面16、和交融部20在所述轮廓磨削过程中被额外地建立以减少加工步骤的数量。然而，所述轮廓磨削过程可能是耗时且昂贵的。另外，所述长的扭杆10要求更多的材料，这可能是费钱的，并且轴24和/或26可能要求配置到所述较长的扭杆的耗时且更加费钱的钻孔、扩孔和/或固定的步骤。
如图1和2所示，扭杆100是具有圆截面的圆柱型扭杆，所述扭杆100包括花键第一端部108、花键第二端部110、大直径118、交融部120、以及有效直径122。花键第一端部108延伸至第一端部面109，并且第一端部面109具有与花键第一端部108的直径大体上相同的直径。如在本文中使用的那样，术语“大体上相同”意思是相同的直径或者天然发生的或者只是权宜地形成的以促进装配的直径差异，如本文中将进一步描述的那样。花键第二端部110延伸至第二端部面111，并且第二端部面111具有与花键第二端部110的直径大体上相同的直径。有效直径122的直径小于花键第一和第二端部108、110的大直径118。
扭杆100的长度“L1”小于现有技术扭杆10的长度“L”。例如，在一个实施例中，长度“L”是大约126mm以及长度“L1”在90mm和110mm之间或者在大约90mm和大约110mm之间。在另一个实施例中，“L1”在95mm和105mm之间或者在大约95mm和大约105mm之间。在再一个实施例中，“L1”在100mm和104mm之间或者在大约100mm和大约104mm之间。
如图2所示，扭杆组件102包括第一轴124、第二轴126、和钻孔128。然而，钻孔128的深度“D1”小于现有技术钻孔28（图3）的深度“D”，并且所述钻孔128不包括扩大孔30或者肩部38。因此，与现有技术扭杆10相比，扭杆100要求更少的材料和用于钻孔128的更短的钻孔时间。在一个实施例中，深度“D1”比深度“D”短20mm到30mm或者短大约20mm到大约30mm。在另一个实施例中，深度“D1”比深度“D”短大约25mm到27mm或者比深度“D”短大约25mm到27mm。
在示例性实施例中，扭杆100经历了硬化步骤以增大扭杆100的硬度，这样使得所述扭杆100比现有技术扭杆10更硬。这使得扭杆100能以比现有技术长度“L”短的长度“L1”被制造且减少了迟滞（例如，减少了大约50%）。虽然现有技术扭杆10可能经受了轻微的硬化过程，但是这只是为了减少在所述压操作过程中的卡死，并且杆10仅仅被硬化到的上限是以C分度表示的洛氏硬度40。因此，现有技术扭杆10仍然被认为是“软”扭杆。
相比之下，扭杆100经受了硬化过程并且被硬化到高于或等于以C分度表示的洛氏硬度45。在一个实施例中，扭杆100被硬化到在以C分度表示的洛氏硬度48和55之间的硬度或者在以C分度表示的洛氏硬度大约48和大约55之间的硬度。扭杆100具有比扭杆10更高的硬度，这在能提供减小的迟滞的同时能具有减小的长度“L1”。另外，增大的硬度允许更多的压干涉，这允许对压孔128和所述花键主直径都给予更多的尺寸容差。
由于扭杆100的增大的硬度，所述扭杆不必像现有技术扭杆10一样经历喷丸过程。喷丸过程是软扭杆10所要求的一个过程以便增大扭杆10的疲劳寿命。因此，扭杆100不要求喷丸步骤因为更高的硬度显著地增大了屈服点，以及最大扭转角度的减小减小了所述应力。也就是说，扭转应力是施加的扭矩、直径、和扭转角度的函数，并且减小所述扭转角度减小了所述应力。
如前所述，弹头14被包括在扭杆10中以便抵达肩部38附近，所述肩部被建立在所述预钻孔和所述扩孔特征之间的界面处。这是为了保证所述杆10降到最低以位于钻头尖锥34上从而使得所述压力与位移的关系曲线更容易读取和预测。然而，对于扭杆100来说，所述扩孔操作的消除允许消除弹头，所述弹头的消除增大了所述磨轮（未示出）的寿命并且进一步减小了成本，增大的所述磨轮（未示出）的寿命归因于所述弹头是所述轴的最深的磨削部分的事实。
图4说明了用于扭杆100的制造过程104，其包括剪切步骤140、无心磨削步骤142、滚齿步骤144、洗涤步骤146、硬化步骤148、洗涤步骤150、轮廓磨削步骤152、以及洗涤和上油步骤154。剪切步骤140可以包括将所述扭杆毛坯切割至正确的长度，无心磨削步骤142可以包括喂送通过磨床，以及滚齿步骤144可以包括在扭杆100中形成花键。在洗涤步骤146中，扭杆可以被润滑剂淹没和洗涤，在硬化步骤148中，扭杆100可以被放置在炉中并被加热（例如，被加热到大约1500°）然后淬火，以及在洗涤步骤150中，扭杆100可以被洗涤以去除淬火油。在洗涤和上油步骤154中，可以从扭杆100上洗涤掉污垢物（例如，铁粉）并且所述扭杆100被给予防锈的油涂层。
如图所示，与现有技术制造工艺相比，过程104淘汰了喷丸过程156，这归因于扭杆100的增加的硬度，如前所述。
如图5所示，与现有技术扭杆10相比，扭杆100的设计改变或改进提供了示出在图表106中的以下属性。在示例性实施例中，（1）所述弹头160的消除促进消除所述扩孔操作162；（2）增大的扭杆硬度164促进增大扭杆屈服应力166，这促进消除所述喷丸过程168、增大最大允许压干涉170（与增大压力机负载能力172一起），以及减小扭杆长度174。所述增大的最大允许压干涉170促进增大花键外直径容差176和增大压孔容差178，所述增大的压孔容差178促进消除所述扩孔操作162；（3）减小的最大角扭转184降低了扭杆扭转应力186并且促进减小扭杆长度174；以及（4）减小的扭杆长度174促进减小在轴124、126中的钻孔深度188。因此，如图所示，设计改进160、164、174、178、以及184促进制造改善162、168、176、以及188。
如图1和2所示，扭杆200是具有圆截面的圆柱型扭杆，所述扭杆200包括第一和第二花键端部208和210。花键第一端部208延伸至第一端部面209，并且第一端部面109具有与花键第一端部208的直径大体上相同的直径。如在本文中使用的那样，术语“大体上相同”意思是相同的直径或者天然发生的或者只是权宜地形成的以促进装配的直径差异。花键第二端部210延伸至第二端部面211，并且第二端部面211具有与花键第二端部210的直径大体上相同的直径。
扭杆200的长度“L2”小于现有技术扭杆10的长度“L”。 例如，在一个实施例中，长度“L”是大约126mm；长度“L2”在90mm和110mm之间或者在大约90mm和大约110mm之间。在另一个实施例中，长度“L2”在95mm和105mm之间或者在大约95mm和大约105mm之间。在再一个实施例中，长度“L2”在100mm和104mm之间的或者在大约100mm和大约104mm之间。
如图2所示，扭杆组件202包括第一轴224、第二轴226、和钻孔228。然而，钻孔228的深度“D2”小于现有技术钻孔28（图3）的深度“D”，并且所述钻孔228不包括扩大孔30或者肩部38。另外，扭杆200不需要弹头、压斜面、大直径、交融部、或者轮廓磨削步骤。因此，与现有技术扭杆10相比，扭杆100要求更少的材料和用于钻孔228的更短的钻孔时间。在一个实施例中，深度“D2”比深度“D”短20mm到30mm或者短大约20mm到大约30mm。在另一个实施例中，深度“D2”短了大约25mm到27mm或者短了大约25mm到27mm。
在示例性实施例中，扭杆200经历了硬化步骤以增大扭杆200的硬度，这样使得所述扭杆200比现有技术扭杆10更硬。这使得扭杆20能以比现有技术长度“L”短的长度“L2”被制造且减少了迟滞（例如，减少了大约50%）。虽然现有技术扭杆10可能经受了轻微的硬化过程，但是这只是为了减少在所述压操作过程中的卡死，并且杆10仅仅被硬化到的上限是以C分度表示的洛氏硬度40。因此，现有技术扭杆10仍然被认为是“软”扭杆。
相比之下，扭杆200经受了硬化过程并且被硬化到大于或等于以C分度表示的洛氏硬度45。在一个实施例中，扭杆200被硬化到在以C分度表示的洛氏硬度48和55之间的硬度或者在以C分度表示的洛氏硬度大约48和大约55之间的硬度。扭杆200具有比扭杆10更高的硬度，这在能提供减小的迟滞的同时能具有减小的长度“L2”。另外，增大的硬度允许更多的压干涉，这允许对压孔228和所述花键主直径都给予更多的尺寸容差。
由于增大了扭杆200的硬度，所述扭杆不必像现有技术扭杆10一样经历喷丸过程。喷丸过程是在软扭杆10中为了钻孔/扩孔/销系统所要求的一个过程，例如，为了增大扭杆10的疲劳寿命。因此，扭杆200不要求喷丸步骤因为其更高的硬度显著地增加了所述屈服点，以及减小最大扭转角度减小了所述应力。
如前所述，弹头14被包括在扭杆10中以便抵达肩部38附近，所述肩部38被建立在所述预钻孔和所述扩孔特征之间的界面处。这是为了保证所述杆10降到最低点以位于钻头尖锥34上从而使得所述压力与位移的关系曲线更容易读取和预测。然而，对于扭杆200来说，所述扩孔操作的消除允许消除弹头，这增大了所述磨轮（未示出）的寿命并且进一步降低了成本。
大直径18被包括在扭杆10中以便提供足够的材料以在不扭曲所述扭杆的情况下传递扭矩，这可能导致减小的寿命和迟滞。然而，扭杆10的硬度级别是受限的因为在硬化的材料中钻孔减少工具寿命并使所述钻头的频繁更换成为必须。相比之下，扭杆200不再要求所述大直径形状，并且淘汰了在添加所述齿之后的制造过程。
此外，花键端部208、 210的滚齿前直径与有效直径222（图1）相等或者基本上相等。照此，在所述滚齿过程之后，所述齿的最小直径小于有效直径222的直径。
另外，与现有技术扭杆10相比，扭杆200具有更小的花键直径和更少的齿，这是通过减小在扭杆200中允许的最大扭转角度达成的。为了实现所述减小在扭杆200中允许的最大扭转角度，提供了新的扭杆定心机，其在定心过程中保持更好的容差。这个定心的减小随后使得最大扭转角度能被减小。
在示例性实施例中，扭杆200消除了压斜面16。然而，如图6所示，由于扭杆200的端部是未受约束的，因此出现了天然的交融部234。因此，在滚齿过程中，所述金属沿着具有最少阻力的路径从而导致了在扭杆200的外部边缘236处的轴向生长。这导致在模具中非充满的状态，然后这可以作为用于所述压操作的导入斜面/交融部使用。需要指出的是天然的交融部234是自然地发生的，然而专门的过程被使用以在扭杆10中形成压斜面16和交融部20。
图4示出了用于扭杆200的制造过程204，其包括剪切步骤240、无心磨削步骤242、滚齿步骤244、洗涤步骤246、硬化步骤248、以及洗涤和上油步骤254。如图所示，与现有技术的制造工艺相比，过程204消除了洗涤步骤250、轮廓磨削步骤252、和喷丸过程256，所述喷丸过程256的消除是由于增大了扭杆100的硬度，如上面所讨论的那样。
如图7所示，与现有技术扭杆10相比，扭杆200的设计改变或改进提供了示出在图表206中的以下属性。在示例性实施例中，（1）所述弹头260的消除促进消除所述扩孔操作262；（2）扭杆硬度264的增大促进增大扭杆屈服应力266，这促进消除所述喷丸过程268、增大最大允许压干涉270（同时增大压力机负载能力272），和减小扭杆长度274。所述增大的最大允许压干涉270促进增大花键外直径容差276，以及增大压孔容差278，所述增大的压孔容差278促进消除所述扩孔操作262；（3）减小的最大角扭转284降低了扭杆扭转应力286。降低的扭转应力286促进减小扭杆长度274并且消除了大直径或者任何直径（大于所述有效直径的直径）形状290，所述消除了大直径或者任何直径（大于所述有效直径的直径）形状290促进消除轮廓磨削步骤292。增大的花键外直径容差276也促进消除轮廓磨削步骤292；（4）减小的扭杆长度274促进在轴124、 126中减小钻孔深度288；以及（5）消除轮廓磨削292有利于生产带尖的花键尖端294，这促进所述压孔材料从一侧到另一侧（非径向地）的变形296。所述压孔材料从一侧到另一侧（非径向地）的变形促进增大所述最大允许压干涉270。因此，如图所示，设计改进260、 264、 274、 276、278、284和290促进制造改善262、268、288、和292。
在本文中所描述的是用于改善扭杆制造的系统和方法。通过在所述扭杆制造中进行设计改进，以前所需的多个过程可以被减少或者被消除。例如，所述扭杆可以经历硬化过程，这使得所述扭杆能比以前的扭杆设计更短。照此，曾经扭杆所要求的弹头、大直径、和斜面现在都可以被消除。另外，加工步骤比如喷丸、扩孔、和轮廓磨削等可以被消除。据此，在本文中所描述的改进的扭杆提供了与以前的扭杆相同的功能，但是降低了成本和加工时间。
虽然仅结合了有限数量的实施例已经详细描述了本发明，但是很容易地被理解的是本发明不受限于这样的已公开的实施例。相反，本发明可以被修改以包含任何数量的未在这之前未被描述但是符合本发明的精神和范围的变型、改变、替换物、或者等同布置。额外地，虽然本发明的各种实施例已经被描述，应理解的是本发明的多个方面可以仅包括所描述的实施例的一些。据此，本发明不应被视为局限于上述描述。

Claims (10)

1.一种制造具有第一端部和第二端部的扭杆的方法，所述方法包括：
在所述扭杆上执行剪切操作；
在所述第一端部和所述第二端部上执行滚齿操作以形成花键第一端部和花键第二端部，所述第一花键端部的小直径小于在所述花键第一端部和所述花键第二端部之间延伸的有效直径；
在所述扭杆上执行硬化过程，所述硬化过程硬化所述扭杆到以C分度表示的洛氏硬度48和55之间的硬度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，不在所述扭杆上执行喷丸过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，不在所述扭杆上执行轮廓磨削过程。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述硬化过程之后在所述扭杆上执行洗涤和上油过程。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述硬化过程之前在所述扭杆上执行无心磨削过程。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述无心磨削过程包括将所述扭杆喂送通过磨床。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述硬化过程之前在所述扭杆上执行洗涤过程。
8.根据权利要求7所述的方法，其中， 所述洗涤过程包括用润滑剂淹没所述扭杆。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硬化过程包括将所述扭杆放置在被加热到大约1500°F的炉中并且然后使所述扭杆淬火。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述花键第一端部包括延伸到第一端部面的第一主直径，并且所述花键第二端部包括延伸到第二端部面的第二主直径。
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