JP2006312946A - 差動アセンブリ用の最終形状の歯車を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】差動アセンブリ用の最終形状の歯車を製造する方法を提供すること。
【解決手段】自動車用の差動アセンブリは、複数の横歯車と噛合している複数の子歯車を備える。子歯車および横歯車の少なくとも一方は、鍛造金型内で、加熱された管状の予備成形品から形成される。差動アセンブリを製造するための方法もまた提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に、歯車を製造するための方法、より具体的には車両の差動装置で使用するように構成された差動横歯車、子歯車、ハイポイド・ポイント歯車、および歯車を製造するための方法に関する。

当技術分野でよく知られているように、自動車の差動アセンブリ用の典型的な差動横歯車および子歯車の製作は、複雑で、コストがかかり、そのため、差動アセンブリのコストを著しく増大させる。差動歯車を形成するための典型的な工程には、鍛造、焼きなまし、粗機械加工、浸炭、焼入れおよび仕上げ機械加工作業が含まれる。このような形成工程は、ほぼ一般的に使用されているにもかかわらず、いくつかの欠点が気づかれている。

このような欠点の１つは、鍛造を通じた差動歯車の初期形成に関する。当業者ならわかるように、差動歯車は、通常、固形の鋼片から鍛造作業で前加工（ｂｌａｎｋｅｄ）または粗形成される。「工程中」の鍛造物の形状が最終的に望まれる歯車の形状とかなり異なるため、この鍛造作業はかなり非効率的である。特に、本発明によって製造するように企図された差動歯車はそれぞれ、歯車の中心を通って延びる比較的大きな開口を備える。そのため、多くの機械加工作業が鍛造後に必要である。また鍛造材料のかなり大部分が機械加工で除去され、廃棄される。

別の欠点は、差動歯車の機械加工に関する。差動歯車に施される多数の機械加工作業は、通常、歯車の全体コストの７０％以上を占める。また、機械加工作業は、時間のかかる性質のものであり、１日以上の日数を超える長さの平均サイクル時間の結果に至ることがよくある。

さらに別の欠点は、差動歯車が形成される材料に関する。通常、歯車が形成される鋼片は、鍛造および機械加工に特に適した特性を有する低炭素鋼である。しかし、このような鋼は、一般に、歯車のための所望の強度が不足しており、そのため、時間を消費し、コストのかかる浸炭工程が、差動歯車の表面上に比較的高炭素の鋼の層を作成するために、通常採用される。浸炭は、通常、炭素を歯車材料内の所定の深さまで移植することを可能にするために、半仕上げの歯車を、加熱された高炭素の環境内に長時間配置することを伴う。差動歯車は、次に、炭素層が意図された用途に相応したレベルの強度および耐久性を提供することができるように熱処理される。

したがって、差動装置の歯車の設計の柔軟性の増加および、この製造のためのより低コストの工程を可能にする、改良型の差動歯車製造方法の必要性が当技術分野に残されている。

一形態では、本発明は、自動車用の差動アセンブリを提供する。差動アセンブリは、互いに噛合している複数の子歯車および横歯車を備える。子歯車および横歯車のうちの少なくとも一方は、金型内で、加熱された管状の予備成形品から形成される。差動アセンブリを製造するための方法もまた提供される。

本発明の適用可能性の別の領域は、以下で提供される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示の目的のみで意図されており、本発明の範囲を限定するように意図されたものではないことを理解されたい。

本発明の追加の利点および特徴は、添付の図面ともに、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

図１を参照すると、本発明の教示に従って製造された差動アセンブリを有する車両が、一般に符号１０によって示されている。車両１０は、伝動機構１４との接続部を介して駆動可能である駆動ライン１２を備える。伝導機構１４は、エンジン１６およびトランスミッション１８を備える。駆動ライン１２は、駆動シャフト２０、後部車軸２２および複数の車輪２４を備える。エンジン１６は、一列にすなわち車両１０の車軸に沿って長手方向に取り付けられており、その出力部は、その間で回転動力（すなわち駆動トルク）を伝達するために従来型のクラッチを介してトランスミッション１８の入力部と選択的に結合されている。トランスミッション１８の入力部は、通常、回転軸回りに回転するようにエンジン１６の出力部と並べられている。トランスミッション１８はまた、出力部および歯車減速ユニットを備える。歯車減速ユニットは、トランスミッション入力部をトランスミッション出力部と所定の歯車速度比で結合するために操作可能である。駆動シャフト２０は、トランスミッション１８の出力部とともに回転するように結合されている。駆動トルクは、駆動シャフト２０を通って後部車軸２２へ伝達され、そこで、それぞれ左後輪および右後輪２４ａおよび２４ｂへ、所定の方法で選択的に分配される。

図２および３は、差動アセンブリ３０、左車軸アセンブリ３２および右車軸アセンブリ３４を備えるための後部車軸２２を示している。差動アセンブリ３０は、ハウジング４０、差動ユニット４２および入力シャフト・アセンブリ４４を備える。ハウジング４０は、差動ユニット４２を、第１の軸４６回りに回転するように支持しており、さらに、入力シャフト・アセンブリ４４を、第１の軸４６に対して垂直である第２の軸４８回りに回転するように支持している。

ハウジング４０は、適切な鋳造工程で最初に形成され、その後必要に応じて機械加工される。ハウジング４０は、左車軸開口５４、右車軸開口５６および入力シャフト開口５８を有する中央空洞５２を画定する壁部材５０を備える。

左車軸アセンブリ３２は、左車軸開口５４に固定された第１の車軸チューブ６０と、第１の軸４６回りに第１の車軸チューブ６０内で回転するように支持された第１の車軸ハーフ・シャフト６２を備える。同様に、右車軸アセンブリ３４は、右車軸開口５６に固定され、第１の軸４６回りに回転するように第２の車軸ハーフ・シャフト６６を支持する第２の車軸チューブ６４を備える。

差動ユニット４２は、ハウジング４０の中央空洞５２内に配置されており、ケース７０と、ケース７０とともに回転するように固定されたリング・ギア７２と、ケース７０内に配置されたギア・セット７４とを備える。ギア・セット７４は、第１および第２の横歯車８２および８６と、１対の差動子歯車８８とを備え、差動子歯車８８はケース７０に取り付けられた子歯車シャフト９０上で回転自在に支持されている。ケース７０は、一対の筒耳９２および９６と、歯車空洞９８とを備える。１対の軸受アセンブリ１０２および１０６が、それぞれ筒耳９２および９６を第１の軸４６回りに回転するように支持することが示されている。第１の車軸ハーフ・シャフト６２および第２のハーフ・シャフト６６が、それぞれ左および右車軸開口５４、５６を通って延びており、そこで、それぞれ第１および第２の横歯車８２および８６とともに第１の車軸４６回りに回転するように結合されている。ケース７０は、差動子歯車８８を、歯車空洞９８内で第１の軸４６に対して垂直な１つまたは複数の軸回りに回転するように支持するように実施可能である。第１および第２の横歯車８２および８６はそれぞれ、差動子歯車８８上に形成された歯１１０と噛合している複数の歯１０８を備える。

入力シャフト・アセンブリ４４は、入力シャフト開口５８を通って延びており、入力子歯車シャフト１２０と、従来型のプロペラ・シャフト結合フランジ１２２と、１対の従来型の軸受アセンブリ１２４および１２６とを備える。図４に示すように、入力子歯車シャフト１２０は、参照によって本明細書に組み込まれる(incorporated by reference)米国特許出願第０９／９３０，６１１号に記載されているように、適切な結合手段で互いに固定結合されたステム１３０および歯車１３２を備えるように構成されてもよい。軸受アセンブリ１２４および１２６のそれぞれは、圧入でハウジング４０と係合する外輪を備える。軸受アセンブリ１２４および１２６は、ハウジング４０と協働して、入力シャフト開口５８内の第２の軸４８上で回転するように入力子歯車シャフト１２０を支持する。

図５〜９を参照すると、第１の横歯車８２およびその製造方法が記載されている。しかし、第２の横歯車８６、差動子歯車８８および歯車１３２を含む多くのタイプの歯車を、本発明の教示を組み込んで製造することができることを理解されたい。明瞭化のため、第１の横歯車８２のみが詳細に説明されているが、差動ユニット４２内の歯車のいずれも以下で説明するように製造することができる。

第１の横歯車８２は、開口１４２を囲む円周上に複数の歯１０８を備える。歯１０８は、前面１４４から背面１４６へ延びている。円筒形のスリーブ１４８が、背面１４６から外側に延びている。円筒形のスリーブ１４８は、外表面１５０および端面１５２を備える。内部スプライン１５４が、開口１４２内に形成され、第１の横歯車を通って前面１４４から端面１５２へ延びている。内部スプライン１５４は、第１の横歯車８２と第１の車軸ハーフ・シャフト６２を駆動可能に相互接続するために有用である。

図６および７は、第１の横歯車８２を鍛造するためのツール１６０を示している。工程中、ほぼ円筒形のチューブの１セクションが、それを通る開口１６３を有する予備成形品１６２を画定するような長さに切断される。予備成形品１６２は、加熱されて、下側金型１６４上に配置される。ピン１６６が、下側金型１６４上で予備成形品１６２を正確に位置決めするために開口１６３を通って延びている。上側金型１７０は、図６に示す第１の位置から図７に示す第２の位置へ移動可能である。図６での上側金型１７０の位置は、開いた金型位置に対応している。図７での上側金型の位置は、上側金型１７０と下側金型１６４とがその間に空洞１７２を画定する閉じた金型位置に対応している。ラフ・ギア１７４と呼ばれる仕掛品が、上側金型１７０を第１の位置から第２の位置へ移動させることによって形成される。上側金型１７０を閉じる運動中、予備成形品１６２は、収縮し、変形して空洞１７２を充填する。図示した金型形状は、封入金型デザインであることを当業者なら理解されよう。封入金型内では、予備成形品１６２の材料のほとんど全部が、鍛造工程中に空洞１７２内に拘束される。逆に、開放金型の概念は、鍛造工程中に余分な材料が出ていく通路を提供する。封入金型デザインは、有利なことに、鋳ばりのほとんどないラフ・ギアを提供し、それによって次の機械加工作業の必要性を最小化する。

上側金型１７０が、最終形状の歯のセットとして歯１０８を形成するために予備成形品１６２を圧縮する。最終形状とは、完全に形成され、歯の幾何形状を正確に形成するための次の機械加工作業を必要としない歯１０８の状態のことを呼ぶ。このようにして、完成された第１の横歯車８２を形成するために必要な時間およびコストが最小化される。管状の予備成形品１６２をツール１６０とともに使用することが、歯車製造中に生成するスクラップ材料の量を実質上最小化することも理解されたい。前に述べたように、鍛造工程から出る標準的なラフ・ギアは、開口１４２を作成するための、費用が高く、時間がかかる穿孔作業を必要とする。開口１４２内に前に存在した材料は廃棄される。

本発明の工程では、「クリーン・アップ」タイプの穿孔作業のみが、真直ぐな中心付けされた仕上げ開口１４２を作成するために実施される。この作業は、少量の材料の最小の機械加工しか必要としない。また、ツール１６０が封入金型として構成されているため、ラフ・ギア１７４は、幾何学的に仕上げられた横歯車を作成するための、円筒形のスリーブ１４８の外表面１５０、および端面１５２への機械加工をほとんど必要としない。

一実施形態では、予備成形品１６２は、図８に示す溶接チューブ１７６から製造される。溶接チューブ１７６は、円筒形の形状のほぼ平坦なシートを第１の縁部１７８を第２の縁部１８０と並べて丸めることによって製造される。第１の縁部１７８は、溶接部１８２によって第２の縁部１８０と接合される。溶接部１８２は、溶接チューブ１７６の長手方向軸１８４に対してほぼ平行に延びている。異なるサイズの最終的な歯車を製造するとき、適切なサイズの予備成形品を作成するために様々なサイズの溶接チューブが形成されてもよいことを理解されたい。同様に、溶接チューブ１７６は、適切な量の鍛造用材料を提供するために、いかなる所望の長さにも切断することができる。

低炭素鋼やその他のより複雑な合金を含む様々な材料から溶接チューブ１７６は、製造することができる。低炭素鋼の溶接チューブを最終的な横歯車８２を製造するために使用する場合、歯１０８の少なくとも表面に追加の炭素原子を添加するために浸炭工程が使用される。浸炭後、第１の横歯車８２の一部分が、硬化された磨耗表面を提供するために急冷される。

別法として、溶接チューブ１７６は、１５Ｖ４１などのマイクロ合金材料から製造されてもよい。１５Ｖ４１マイクロ合金材料の使用は、浸炭ステップの除去を可能にする。第１の横歯車が仕上加工された後、歯の磨耗表面が、歯車の加工を仕上げるために誘導焼入れをされる。浸炭は、通常低炭素材料の特定の高炭素の雰囲気への高温で数時間の曝露を必要とするため、浸炭工程の除去は歯車製造効率を大いに改善する。したがって、可能ならば浸炭ステップを除去することは、有利である。

別の実施形態では、予備成形品１６２は、シームレス・チューブ１８６から製造される。シームレス・チューブ１８６は、熱間押出成形を含む様々な技術によって準備することができる。シームレス・チューブ１８６はまた、低炭素鋼またはその他の合金を使用して製造することができる。前に述べたように、予備成形品１６２を製造するために使用される材料のタイプが、浸炭の必要性を決定する。用途に応じて、溶接チューブまたはシームレス・チューブのいずれかが、歯車予備成形品として使用するための利点を提供する。たとえば、溶接チューブの使用は、壁厚の素晴らしい寸法制御と、管の内直径と外直径の同心性という利点を提供する。しかし、管の外直径対壁厚の比は、材料の成形性によって制限される。他方、シームレス・チューブは、極度に低いコストと、ほとんど制限のない壁厚という利点を提供する。たとえば、シームレス・チューブは、３または４対１という低い外直径対壁厚の比を有するように形成することができる。したがって、シームレス・チューブは、比較的大きい歯幅に対して小さい直径を有する歯車を作成するために使用することができる。差動子歯車を製造するための有用な予備成形品の一例は、２．６２５インチの外直径および約０．６５インチの厚さを有するシームレス・チューブの、長さをカットされたセクションを含む。このように、いずれのタイプのチューブの使用も企図されており、本発明の範囲内にあることを当業者なら理解されよう。

また、前の議論は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示し説明しているに過ぎない。このような議論から、また添付の図面および特許請求の範囲から、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正および変形を、発明の精神および範囲を逸脱せずに行うことができる当業者なら容易に理解されよう。

本発明の教示によって構成された自動車の概略図である。 後部車軸をより詳細に示す、図１の自動車の一部分の部分透視図である。 図２に示された後部車軸の一部分の断面図である。 本発明の教示によって構成された差動横歯車の斜視図である。 入力子歯車の車軸をより詳細に示す、後部車軸の一部分の分解斜視図である。 金型が開いた状態の、円筒形の予備成形品から歯車を形成するための金型の部分横断面図である。 閉位置で示された図６の金型の部分横断面図である。 本発明の歯車の予備成形品を構成するために使用される例示的な溶接チューブの斜視図である。 歯車の予備成形品を構成するために使用される例示的なシームレス・チューブである。

符号の説明

１０ 車両
１２ 駆動ライン
１４ 伝動機構
１６ エンジン
１８ トランスミッション
２０ 駆動シャフト
２２ 後部車軸
２４ 車輪
２４ａ 左後輪
２４ｂ 右後輪
３０ 差動アセンブリ
３２ 左車軸アセンブリ
３４ 右車軸アセンブリ
４０ ハウジング
４２ 差動ユニット
４４ 入力シャフト・アセンブリ
４６ 第１の軸
４８ 第２の軸
５０ 壁部材
５２ 中央空洞
５４ 左車軸開口
５６ 右車軸開口
５８ 入力シャフト開口
６０ 第１の車軸チューブ
６２ 第１の車軸ハーフ・シャフト
６４ 第２の車軸チューブ
６６ 第２の車軸ハーフ・シャフト
７０ ケース
７２ リング・ギア
７４ ギア・セット
８２、８６ 横歯車
８８ 差動子歯車
９０ 子歯車シャフト
９２、９６ 筒耳
９８ 歯車空洞
１０２、１０６、１２４、１２６ 軸受アセンブリ
１０８、１１０ 歯
１２０ 入力子歯車シャフト
１２２ プロペラ・シャフト結合フランジ
１３０ ステム
１３２ 歯車
１４２ 開口
１４４ 前面
１４６ 背面
１４８ スリーブ
１５０ 外表面
１５２ 端面
１５４ 内部スプライン
１６０ ツール
１６２ 予備成形品
１６３ 開口
１６４ 下側金型
１６６ ピン
１７０ 上側金型
１７２ 空洞
１７４ ラフ・ギア
１７６ 溶接チューブ
１７８ 第１の縁部
１８０ 第２の縁部
１８２ 溶接部
１８４ 長手方向軸
１８６ シームレス・チューブ

Claims (14)

1. ケースと、
   管状の予備成形品と、
   前記ケースに回転自在に結合された複数の子歯車と、
   前記ケースに回転自在に結合された複数の横歯車とを備え、前記横歯車のそれぞれが、前記子歯車のそれぞれと噛合している自動車用の差動アセンブリであって、前記子歯車および前記横歯車のうちの少なくとも一方が前記管状の予備成形品を備える差動アセンブリ。
2. 前記管状の予備成形品が、所定の長さと、前記管状の予備成形品の長手方向軸とほぼ平行に延びる溶接部を有する、請求項１に記載の差動アセンブリ。
3. 前記子歯車および前記横歯車のうちの少なくとも一方が、最終形状の歯を備える、請求項２に記載の差動アセンブリ。
4. 前記最終形状の歯が、隣接する歯車の歯と係合している、請求項３に記載の差動アセンブリ。
5. 前記最終形状の歯が、前記最終形状の歯への炭素の添加なしで硬化される、請求項２に記載の差動アセンブリ。
6. 前記管状の予備成形品が、所定の長さのシームレス・チューブである、請求項１に記載の差動アセンブリ。
7. 前記シームレス・チューブが、０．４パーセントより大きい炭素含量を有する、請求項６に記載の差動アセンブリ。
8. 予備成形品を画定するために、ある長さの金属チューブを切断するステップと、
   前記予備成形品を加熱するステップと、
   複数の最終形状の歯を有するラフ・ギアを画定するために前記予備成形品を金型内で鍛造するステップと、
   前記最終形状の歯の少なくとも一部分を硬化させるステップと、
   差動歯車を画定するために前記ラフ・ギアの一部分を機械加工するステップと、
   前記差動歯車を差動ケース内に回転自在に取り付けるステップとを含む、差動アセンブリを製造するための方法。
9. 前記金属チューブを形成するために、ほぼ平坦なパネルを円筒形の形状に丸めて、前記パネルの隣接する縁部を溶接するステップをさらに含む、請求項７の差動アセンブリを製造するための方法。
10. 前記硬化ステップが、前記予備成形品に炭素を添加することなく完了される、請求項９に記載の差動アセンブリを製造するための方法。
11. シームレス金属チューブを押出し加工するステップをさらに含み、前記チューブが約３から１０の範囲の外直径対壁厚の比を有する請求項８に記載の差動アセンブリを製造するための方法。
12. 前記差動歯車が、横歯車、差動子歯車およびハイポイド子歯車から成る群から選択される、請求項８に記載の差動アセンブリを製造するための方法。
13. 前記差動歯車を前記差動ケースに回転自在に結合すること、および前記差動ケース内に配置された別の歯車を最終形状の歯と噛合するように位置決めすることをさらに含む、請求項１２に記載の差動アセンブリを製造するための方法。
14. 前記鍛造が、封入金型内で行われる、請求項８に記載の差動アセンブリを製造するための方法。
    

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