形成具有摩擦焊接凸缘的可变壁轻型车轴的方法与流程

本申请要求于2014年4月8日提交的美国专利申请No.14/247,709的权益和优先权，其全部公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种车轴。具体地，本发明涉及一种用于形成具有可变内径和外径的轻型车轴的方法。

背景技术：

车轴经常经受显著负载。车辆驱动车轴例如将显著扭矩传递到车辆车轮，并且在操作中易受到快速启动和停止。由于经常强加于车轴的显著负载，大部分车轴由固态金属形成以提供足够的刚性和强度。然而，实心车轴需要大量的材料且相对沉重。在车辆中，该重量对燃料经济性有负面影响，且将额外负载强加于其他车辆部件。

由于与实心驱动车轴相关联的缺点，已经开发了空心驱动车轴，如例如在美国专利No.5,213,250中所示，其全部公开内容以引用的方式并入本文。然而，用于形成空心车轴的现有方法很难既快速制造多个车轴，同时又改变该轴的内径和/或外径，从而实现该轴的特定应用的目标。

本发明人在此已经认识到需要一种用于形成车轴的方法，该方法将最小化和/或消除上述缺陷中的一个或多个。

技术实现要素：

本发明涉及一种车轴。具体地，本发明涉及一种用于形成具有可变内径和外径的轻型车轴的方法。

一种根据本发明的一个实施例的用于形成车轴的方法包括将具有前端和后端的第一管状坯件插入模具中。该模具具有入口端和限定挤出喉部的出口端，第一管状坯件通过该挤出喉部被挤出，所述挤出开始于第一管状坯件的前端并且结束于第一管状坯件的后端。该方法进一步包括将工具插入模具中。该工具限定被配置成接合第一管状坯件的后端的表面，并且具有被配置成被接收在模具的挤出喉部和第一管状坯件内的心轴。该心轴包括具有第一直径的第一部分以及具有与第一直径不同的第二直径的第二部分。该方法进一步包括将工具移动到模具内，使得该工具的表面接合第一管状坯件的后端，并且心轴的第一部分的前端离开第一管状坯件并延伸超出第一管状坯件的前端。该方法进一步包括将力施加到工具以将工具朝向模具的出口端移动，并通过挤出喉部挤出第一管状坯件从而形成车轴。车轴的第一端部部分呈现具有由挤出喉部限定的外径以及由心轴的第一部分的后端限定的内径的形状。车轴的中间部分呈现具有由挤出喉部限定的外径以及由心轴的第二部分限定的内径的形状。该方法进一步包括从模具取回工具并且将具有前端和后端的第二管状坯件插入模具中。第二管状坯件的前端接合第一管状坯件的后端。

在一些实施方式中，该方法进一步包括将工具重新插入模具中并将工具移动到冲模模具内，使得工具的表面接合第二管状坯件的后端，并且心轴的第一部分的前端离开第二管状坯件并延伸超出第二管状坯件的前端进入第一管状坯件的后端。该方法进一步包括将力施加到工具以将工具朝向模具的出口端移动，使得车轴的第二端部部分呈现具有由挤出喉部限定的外径和由心轴的第一部分的前端限定的内径的形状。

在一些实施方式中，该方法进一步包括将第二工具插入模具中。第二工具限定被配置成接合第二管状坯件的后端的表面，并具有被配置成被接收在模具的挤出喉部和第一管状坯件内的心轴。第二工具的心轴具有小于第二直径的第三直径。该方法进一步包括将第二工具移动到模具内，使得第二工具的表面接合第二管状坯件的后端，并且第二工具的心轴设置在第一管状坯件和第一模具的挤出喉部内。该方法进一步包括将力施加到第二工具以将第二工具朝向模具的出口端移动，使得车轴的第二端部部分呈现具有由挤出喉部限定的外径以及由第二工具的心轴限定的内径的形状。

在一些实施方式中，该方法进一步包括通过第二模具挤出车轴的第一端，以减小车轴第一端的直径。

在一些实施方式中，该方法进一步包括在车轴的第一端上形成多个花键。

在一些实施方式中，该方法进一步包括定位车轮凸缘，使得车轮凸缘接合车轴的第一端。该方法进一步包括将车轴和车轮凸缘中的至少一个相对于车轴和车轮凸缘中的另一个旋转，以将车轴和车轮凸缘焊接在一起。

在一些实施方式中，该方法进一步包括配置车轴的第一端的径向内表面以接收密封件。

在一些实施方式中，配置车轴的第一端的径向内表面包括加工径向内表面以限定内螺纹或凹槽中的至少一个来接收密封件。

在一些实施方式中，该方法进一步包括将热施加到车轴以硬化车轴。

在一些实施方式中，该方法进一步包括在将第一管状坯件插入第一模具中之前将润滑剂施加到第一管状坯件。

在一些实施方式中，心轴的第二部分的第二直径大于该心轴的第一部分的第一直径。

在一些实施方式中，第一模具在形状上是管状的且是预加应力的。

在一些实施方式中，第一模具包括紧接出口端之前的还原区，该还原区具有沿第一模具的长度变化以在其中产生成角度的表面的直径。

在一些实施方式中，车轴限定沿车轴长度的至少一部分延伸的孔。

在一些实施方式中，车轴的外径和内径中的至少一个沿车轴的长度而变化，以限定具有变化的厚度的壁。

本发明的前述以及其他方面、特征、细节、效用和优点通过阅读以下描述和权利要求并且通过观察附图将变得显而易见。

附图说明

图1是按照根据本发明的一个实施例的方法形成的车轴的透视图。

图2是图1的车轴的剖视图。

图3是图1-2的车轴的部分的剖视图。

图4A至图4G是示出根据本发明的各种实施例的用于形成车轴的方法中的步骤的剖视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中在各附图中类似的参考标号用于识别相同元件，图1-2示出车轴10的一个实施例，该车轴10可以使用根据本发明的方法形成。轴10特别适合于在车辆驱动桥中使用，并且更具体地，适合于在后驱动桥中使用。然而，应当理解，本文所公开的方法可用于前驱动桥的车轴的形成并且用在在其他车辆和非车辆动力传输应用中。轴10可包括主体12和车轮凸缘14。

主体12可用于在驱动构件和从动构件之间传递扭矩，诸如将扭矩从车辆传动系(未示出)传递到一个或多个车辆车轮(未示出)。主体12可以由常规金属和金属合金制成。主体12是细长的，并且可围绕旋转轴线16设置且围绕该旋转轴线16置于中心。主体12的一个纵向端18可联接到凸缘14，并且可被配置成支撑车辆车轮。主体12的另一纵向端20可联接到差速器中的半轴齿轮(未示出)。再次参照图1，端部20的径向外表面可以限定多个轴向延伸的花键22，花键22被配置成接合半轴齿轮的孔内的对应花键以便联接轴10，以与半轴齿轮一起旋转。花键可通过例如轧制或型锻形成。主体12也是管状的或空心的，以便减少车轴10相对于常规实心车轴的重量，并限定沿主体12的长度的一部分或全部延伸的孔24。主体12的外径和/或内径可变化以沿主体12的长度限定具有变化的厚度的壁26(和具有变化的直径的孔24)，以便适应负载沿主体12的长度的变化。参照图3，在靠近端部18的主体12的端部部分27处的壁可以是相对厚的，并且具有外径OD₁和内径ID₁。在内侧方向上移动时，壁26的内径可以增大，使得在主体12的中间部分28处的壁26是相对薄的，并且具有等于外径OD₁的外径OD₂以及大于内径ID₁的内径ID₂。继续在内侧方向上，壁26的内径可以减小，使得在主体12的中间部分29处的壁26是相对厚的，并且具有等于外径OD₁的外径OD₃以及小于内径ID₂的内径ID₃。内径ID₃可以等于内径ID₁，但相对于内径ID₁也可以发生变化。继续在内侧方向上，壁26的外径和直径两者都可以减小，使得在靠近主体12的端部20的主体12的端部部分30处的壁26是相对厚的，并且具有小于外径OD₁的外径OD₄以及小于内径ID₂和ID₃的内径ID₄。内径ID₄也可以小于ID₁。最后，在主体12的端部20处的主体12的端部部分31也可以是相对厚的，并且具有等于外径OD₄的外径OD₅以及大于内径ID₄的内径ID₅，其目的在下文描述。应当理解，在主体12中所示的壁26的变化仅仅是示例性的，并且壁18的内径和/或外径可以根据应用而变化，以适应在强度、包装和其他参数方面的预期需要。再次参照图2，孔24可以在端部20处加工，以限定内螺纹、凹槽或被配置成接收插头或其他类型的密封件(未示出)的其他形成物。

提供车轮凸缘14以支撑从动构件诸如车辆车轮，并且将从动构件联接到车轴10以与该车轴10一起旋转。凸缘14可以由常规金属和金属合金锻造。凸缘14包括轴向延伸的环形轮毂32，该环形轮毂32被配置为联接到主体12的端部18。轮毂32的内侧端部在形状上可以是环形的，并且具有等于主体12的端部18的内径ID₁和外径OD₁的内径和外径。轮毂32的外侧端部可以闭合，以防止异物和元素进入主体12中的孔24。凸缘14还包括从轮毂32径向向外延伸的车轮安装部分34。部分34在形状上通常可以是是圆形的，并且可以包括多个孔(未示出)，所述多个孔平行于轴线16延伸并且被配置成接收用于支撑车辆车轮的螺栓(未示出)。

现参照图4A至图4G，将描述根据本发明的各种实施例的用于形成车轴诸如车轴10的方法。参照图4A，该方法可以从将管状坯件36插入模具38中的步骤开始。坯件36由常规金属和金属合金制成，其中根据应用的需要选择材料成分和尺寸。坯件36可以从所选择的材料的较长杆切割成一定长度。坯件36具有前端40和后端42，其中前端40在后端42之前插入模具38内。坯件36还限定在端部40、42之间沿坯件38的长度延伸的孔44。在将坯件36插入模具38中之前，可将反应形成的润滑剂施加到坯件36。模具38在形状上是管状的，是预加应力的，并且限定入口端46和出口端48。在入口端46处形成的开口具有经设定尺寸以接收处于未变形状态的坯件36的直径。在出口端48处形成的开口具有比在入口端46处的开口(和未变形的坯件36)的直径小的直径，并且包括挤出喉部50，坯件36通过该挤出喉部50被挤出，所述挤出开始于坯件36的前端40并结束于坯件36的后端42。在紧接出口端48之前的模具38中的区域包括还原区，并且该区域的直径可变化以产生促进有效材料流动的成角度的表面。

参照图4B，所述方法可继续进行将工具52插入模具38中的步骤。工具52可包括冲压机或类似工具。工具52包括主体54和从主体54延伸的心轴56。主体54具有大约等于模具38的内径以及坯件36的直径的直径。主体54在一端限定被配置成接合坯件36的后端42的表面58。心轴56被配置成被接收在坯件36的孔44和模具38的挤出喉部50内。心轴56沿其长度可具有变化的直径。在例示的实施例中，心轴56包括具有第一直径d₁的第一部分60以及具有与直径d₁不同的第二直径d₂的第二部分62。在例示的实施例中，直径d₂大于直径d₁。应当理解，心轴56可以具有两个以上的部分，其具有不同直径，并且直径在沿心轴56的长度从部分到部分移动时可增大或减小。该方法可以继续进行将工具52移动到模具38内的步骤，使得表面58接合坯件36的后端42，并且心轴56的部分60的前端64离开坯件36并延伸超出坯件36的前端40。

参考图4C，所述方法可继续进行以下步骤，即将力施加到工具52以将工具52朝向模具38的出口端48移动并且通过喉部50挤出坯件36从而开始形成车轴10的管状主体12。当坯件38的前端40通过模具38挤出时，前端围绕心轴56塌缩，并且主体12的一个端部部分27呈现具有由喉部50限定的外径以及由心轴56的部分60的后端66限定的内径和长度的形状。当工具52继续朝向模具38的出口端48移动时，心轴56的部分60离开模具38，并且心轴56的部分62移入并移动通过模具38的喉部50。因此，主体12的中间部分28呈现具有由喉部50限定的外径以及由心轴56的部分62限定的内径和长度的形状。根据心轴56的形状，在端部部分27和中间部分28之间可以形成阶梯状或渐变的过渡部分。

参考图4D1，一旦工具52已到达预定位置，该方法就可以继续进行以下步骤，即从模具38取回工具52并且将另一管状坯件36A插入模具38中。坯件36A移动到模具38内直到坯件36A的前端40A接合坯件36的后端42。该方法可进一步继续进行以下步骤，即将工具52重新插入模具38内，并且将工具52移动到模具38内直到工具52的表面58接合坯件36A的后端42A。此时，心轴56延伸通过坯件36A的孔44A，并且心轴56的部分60的前端64离开坯件36A并延伸超出坯件36A的前端40A进入坯件36的后端42。参照图4D2，在本发明的另选实施例中，与将工具52重新插入模具38中相反，不同的工具68可插入模具38中。如同工具52，工具68包括主体70，该主体70具有被配置成接合坯件36A的后端42A的表面72，以及心轴74，该心轴74被配置成延伸通过坯件36A的孔44A超出坯件36A的前端40A并进入坯件36的后端42。使用不同的工具68允许坯件36的内径和主体12的壁厚的形成的进一步变化。在例示的实施例中，例如，工具68的心轴74包括部分76、78，所述部分76、78具有彼此不同(其中在例示的实施例中，部分78具有大于部分76的直径)并且可与工具52上的心轴56的部分60、62不同的直径。参照图3，部分76、78被配置成以这样的方式形成主体12的端部20，即端部20的部分30是相对厚的，以为随后花键形成操作和/或环形凹槽的形成提供支撑，该环形凹槽用来接收用于防止轴12从车辆差速器的外侧移动的固定夹，同时端部20的另一部分31是相对薄的，以在形成接收插头或密封件的端部20的内径时减少去除材料的需要。

参照图4E1，该方法可以继续进行以下步骤，即将力施加到工具52以将工具52朝向模具38的出口端48移动，使得轴10的主体12的另一端部部分呈现具有由喉部50限定的外径以及由心轴56的部分60的后端64限定的内径的形状。一旦坯件36的后端42从模具38喷出，坯件36A的挤出可以与坯件36相同的方式开始。在例示的实施例中，坯件36A的挤出可在不去除工具52的情况下开始。参照图4E2，在使用不同的工具68的另选的实施例中，该方法类似地可以继续进行以下步骤，即将力施加到工具68以将工具68朝向模具38的出口端48移动，使得轴10的主体12的端部30、31呈现具有由喉部50限定的外径以及分别由工具68的心轴74的部分74、78限定的内径的形状。一旦坯件36的后端42从模具38喷出，就可以取回工具68且重新插入工具52，并且坯件36A的挤出可以与坯件36相同的方式开始。

参照图4F和图4G，可以执行附加的形成步骤以产生适合用作驱动桥的车轴。例如，该方法可以继续进行以下步骤，即通过另一模具80挤出主体12的一个端部18或20以减小端部18或20的内径和外径。该方法可进一步继续进行以下步骤，即通过例如轧制、型锻或切割操作在端部20上形成多个花键来配置主体12以用于联接到车辆差速器的半轴齿轮。类似地，该方法可以包括配置主体12的一个或两个端部18、20的径向内表面的步骤。例如，端部20的内表面可被配置成接收密封件以便插入孔24，并防止差速器中的润滑剂进入孔24并由此改变差速器流体动力学和油填充水平，并且防止污染物引入到差速器和差速器部件中的润滑剂。

该方法还可以包括用于将车轮凸缘14组装到主体12的若干步骤。具体地，该方法可包括将热施加到主体12以便硬化主体12的至少一部分诸如端部18。例如通过将主体12或主体12的一部分插入线圈内并在线圈中生成电流经感应可生成热。然后，该方法可以包括以下步骤，即定位车轮凸缘14使得凸缘14接合主体12的端部18，并且将主体12和车轮凸缘14中的至少一个相对于另一个旋转，以生成足够的热来熔化主体12和车轮凸缘14的接合表面。该方法可进一步包括将轴向力施加到主体12和车轮凸缘14中的一个或两个以保持接合和压力的步骤。旋转速度、旋转的持续时间和施加的压力可根据主体12和车轮缘14的材料成分、接合表面的表面粗糙度和其他因素改变。该方法可进一步包括停止主体12和/或车轮凸缘14的旋转以允许熔化的接合表面的熔合的步骤。所得的焊缝是连续的且均匀的。来自熔化表面的一些材料形成防水板且通常被称为“羊角钩”。在主体12的孔24内向内位移的任何材料固化并且保持在孔24内。向外位移的任何材料通常可通过剪切或另一机械加工去除。

一种根据本发明的用于形成车轴10的方法表示相对于常规方法的改进。通过使用连续坯件36、36A并且精确定位坯件36、36A和工具52、68，本发明的方法允许车轴10的快速生产，同时还允许轴10形成有变化的内径和外径。进一步地，本发明的方法允许具有相对厚的端部节段18、20的空心车轴10的形成，以适应来自将车轴10的端部18、20联接到其他部件的负载。至于例如后驱动车轴，该方法允许在车轮凸缘接头处的相对厚的壁，从而增加焊接接头的强度。

虽然本发明已经参考其一个或多个特定实施例进行示出和描述，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变和修改。