具有可变纵向壁厚的扭力轴的制作方法

专利名称：具有可变纵向壁厚的扭力轴的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于悬挂和底盘结构的管状部件的领域，特别应用于车辆的管状扭力轴。
背景技术：
在车辆中，扭力梁或扭力轴经常用作后悬挂结构。扭力轴具有两个拖臂和一个横梁部件，其中拖臂用于将车轮连接至车架，横梁部件与拖臂连接以形成整体。每个拖臂枢转连接到车架。当车轮相对于车架作不相同的移动时，例如当车轮遇到不平坦的表面或者车辆正在转弯时，这种不相同的移动导致拖臂枢转不同的量，从而引起横梁部件的扭转。横梁部件固有的抗扭刚度或抗扭强度提供回复力给不均衡移动的车轮。为了车辆驾驶的舒适性和可控性(即，可操作性)，扭力轴一般需要满足抗扭刚度的服从性要求。满足抗扭刚度的服从性需求是指，扭力轴需要在特定的范围内具有抗扭刚度。另一方面，扭力轴是承重部件，必须设计为具有足够的强度来支持线性负载，例如车辆的静态重量和当车辆移动时产生的动态负载。已经有很多制造满足抗扭刚度或滚动刚度的需要和承载需要的扭力轴的建议。例如，已经有许多制造合并有单独扭杆的扭力轴的建议。这样设计的扭杆提供了所需的抗扭刚度或抗扭强度。在一些设计中，例如在第WO 2006/096980号国际公布中描述的设计，用焊接在横梁部件上的扭转组件来取代扭杆以提供所需的抗扭强度。独立的部分允许满足独立设计的需要。但是，这些建议需要额外的制造成本和材料成本。还有一些利用管状毛坯制造横梁部件的建议，例如在美国专利第6，616，157号和美国专利第6，487，886号中描述的。 这样的横梁部件在两个高抗扭刚度的过渡段之间具有低抗扭刚度的中间段，以满足总体抗扭刚度的需要。中间段具有U形、V形或星形的双壁的低抗扭刚度的横截面轮廓。但是，当扭转力施加在这样的横梁部件上时，压力往往会集中在中间段和尾段之间的过渡区域内， 可能会引起对耐久性的关注。已经存在了以下建议，例如美国专利第6，758，921号中所教导的，选择性地对过渡区域进行热处理，将期望的物理特性加在过渡区域上以防止开裂。但是，该方法引入了附加的制造步骤并且也需要附加的热处理装置。本发明的目的是减少或消除至少一个以上提到的缺陷。发明概述本发明针对用于扭力轴的横梁部件以及制造该横梁部件的方法。本发明广泛的方面包括具有可变壁厚的横梁部件，其中该壁厚沿着横梁部件的长度变化以满足预期的局部应力要求和整体抗扭刚度要求。在一个实施方式中，所述横梁部件具有两个连接区和位于两个连接区之间的中间部分。中间部分是扭转弹性的而连接区是扭转刚性的。所述连接区是拖臂刚性固定或者连接到横梁部件的区域。管状横梁部件的壁厚从扭转弹性的中间部分向每个扭转刚性的连接区纵向地变化。本发明的一个特征是至少一部分连接区的壁厚大于中间段的壁厚。本发明的另一特征是壁厚沿着横梁部件平滑地从扭转弹性的中间部分向每个扭转刚性的连接区变化。
在另一个实施方式中，扭力轴具有可变壁厚的横梁部件。横梁部件是由管状毛坯形成的整体件(unitary piece)。横梁部件具有扭转弹性的中间部分和两个扭转刚性的连接区。横梁部件的壁厚沿着横梁部件长度从扭转弹性的中间部分向每个扭转刚性的连接区纵向地变化。该实施方式的一个特征是横梁部件具有大致为U形的形状，横梁部件包括两个拖臂，每个拖臂在垂直于由中间段限定的方向上从其中一个连接区延伸并与该连接区整体成形。每个拖臂的末端适于将车轮附接于其上。该实施方式的另一特征是扭力轴具有两个刚性紧固至横梁部件的相对端的拖臂。拖臂的一端适于连接至车架，而拖臂的另一端适于连接至车轮。在其它方面中，本发明提供了以上描述的各方面的各种结合和子集。


出于说明而非限制的目的，参考附图更详细地解释本发明前面叙述的内容和其它方面，其中图1是根据本发明的实施方式的包括横梁部件的扭力轴的立体图；图2示出了用于如图1所示的扭力轴的横梁部件的立体图；图3示出了图2中的横梁部件沿着直线3-3的剖面图；图4示出了图2中的横梁部件沿着直线4-4的剖面图；图5示出了图2中的横梁部件沿着直线5-5的剖面图；图6示出了图2中的横梁部件沿着直线6-6的剖面图；图7A图解说明了用于制造图2中示出的横梁部件的管状毛坯的纵向剖面图；图7B图解说明了具有恒定壁厚并且用于形成如图7A所示的管状毛坯的初始毛坯；图7C图解说明了由图7A中所示出的管状毛坯形成的局部压扁的管状毛坯；图8A示出了壁厚的纵向轮廓示例(仅显示出一半；另一半是其镜像)；图8B示出了图2中横梁部件的壁厚的纵向轮廓的另一示例，其中横梁部件的过渡段被分成三个设计区域(仅显示出一半；另一半是其镜像)；图8C示出了图2中横梁部件的壁厚的纵向轮廓的又一示例，其中该横梁部件具有逐渐变小的壁厚(仅显示出一半；另一半是其镜像)；图8D示出了壁厚的纵向轮廓的进一步示例，其中该壁厚沿着横梁部件的一半逐渐缩小(仅显示出一半；另一半是其镜像)；图9A是作为如图2所示的可选实施方式的一个实施例的横梁部件的俯视图；图9B图解说明了图9A中所示的横梁部件的壁厚的纵向轮廓的示例(仅显示出一半；另一半是其镜像)；图9C示出了制造图9A所示的横梁部件的工序的步骤。
具体实施例方式随后的说明以及其中描述的实施方式是通过图解说明本发明原理的特殊实施方式的一个或多个实施例来提供的。出于解释那些原理和本发明的目的提供了这些实施例， 而非对其进行限制。在随后的描述中，在整个说明书和附图中的类似部件分别用相同的参考标号标记。图1示出了悬挂结构中、特别在后悬挂结构中的扭力轴100。扭力轴100包括横梁部件102。该横梁部件一般是细长的，具有两个相对端104。扭力轴100通常被提供有两个侧向拖臂106。每个拖臂106具有如图1所示的第一端108和第二端110。第一端108适合于枢转连接至车架(未示出)，例如通过连接管件(connection fitting) 112枢转连接。每个拖臂106都具有邻近第二端110紧固至其上的车轮安装架114，用来支撑车轮(未示出)。弹簧座116或者其它用于支撑悬挂部件或其它附属装置的支撑结构，也可以紧固至拖臂106， 和/或紧固至横梁部件102。每个拖臂106通过焊接、栓接、或者任何其它适当的方式刚性紧固至横梁部件102。将拖臂连接至横梁部件102的区域是连接区118，并且在这种情况下， 所述区域位于横梁部件102的一端104处。当车辆沿着不平坦的路面移动时，其车轮会随着路面上下移动。当车辆两侧的车轮相对于车身的上下移动量不同时，车轮不平衡的垂直位移会导致两个拖臂106枢转不同的角度量。当横梁部件102的两端104附接至拖臂106时，拖臂106在横梁部件102的相对端不同角度量的枢转将导致相对端转动不同的量，从而引起横梁部件102的扭转。横梁部件因为其固有的抗扭刚度而提供回复力来响应这种扭转。同样地，当车辆转弯时，作用在车辆的簧上质量的重心上的离心力导致重量从车辆的一侧移动到另一侧，并因此导致重量从一个车轮移动到另一个车轮，这种情况也会导致拖臂由于横梁部件的抗扭强度的原因作不同的枢转。期望横梁部件具有足够的抗扭刚度，但又不是太大的抗扭刚度来提供良好的驾驶舒适性，以及提供轮胎与地面良好的接触，从而提供良好的可控性。图2-6图解说明了孤立的横梁部件102以及其在几个选定的位置处的横向横截面形状。正如所提到的，横梁部件102—般是细长的，具有两个相对端104，端104定义了纵向方向。横梁部件102具有中央部分，即中间段202，和两个端部。每个端部包括尾段204和过渡段206，其中尾段在相对端104的其中一个处形成，过渡段在尾段204和中间段202之间形成。中间段202具有扭转弹性并且提供所需的抗扭强度。在该实施方式中的尾段204 是连接区118，并且具有扭转刚性。过渡段206提供从扭转弹性的中间段向扭转刚性的尾段的过渡。正如以下将要讨论的，横梁部件102优选地由管状毛坯形成，由此中间段202、过渡段206和尾段204形成一个整体。尾段204优选地适合附接至侧向拖臂106。横梁部件102的横向横截面形状，即，垂直于纵向方向的横截面形状，沿着横截面部件的长度方向变化。中间段202的横向横截面具有大致开放的轮廓，即，轮廓至少有两个腿，这些腿连接在一起或者至少在一端连接并且一般垂直于纵向方向延伸，使得另一端相互隔开以形成开放的轮廓。这种大致开放的轮廓的一些实例包括U形、V形、C形、X形或者大致星形轮廓。这种大致开放的轮廓允许中间段202具有扭转弹性，当作用在横梁部件上的扭矩引起腿沿着纵向方向发生扭转和弯曲时，就会导致腿发生弹性形状的改变，当扭矩被移除时，腿随后回弹。这种中间段的扭转弹性或抗扭刚度是可以调整的，例如通过调整具有大致开放的横向轮廓的中间段的长度、其横截面形状、或者横梁部件在中间段的壁厚来实现。也可以选择任何其它适合于提供扭转弹性的中间段的横向横截面轮廓。图3和4中图解说明的横梁部件的横截面轮廓210是大致U形的。该U形的横向横截面轮廓210具有两个腿212和连接这些腿的中央连接部分214。中间段202的横向横截面轮廓具有扁平环的形状。这样的轮廓可以通过先将管状毛坯压扁进而将压扁的部分成型为U形来得到。这可以是两步工序，即，压扁然后成型，或者可以是组合成一步的成型工序。从图6中可以看出，尾段204的端部横截面形状可以是圆形、椭圆形、或者其它非圆形形状。这种形状适于将尾段附接至侧向拖臂。这样的横向横截面形状也可以提供扭转刚性的尾段，正如前面所提到的，该尾段是连接区。过渡段206的横向横截面形状从中间段 202的横向横截面形状过渡到尾段204的横向横截面形状。图5示出的是一个示例。优选地，这种过渡是平滑而平缓的。当横梁部件由于施加在相对端104上的相反的扭转力发生扭曲时，过渡段将这些扭转力传递给中间段。当中间段由于施加在尾段并通过过渡段传递的扭转力发生扭曲时，平滑的过渡有助于避免过渡段上出现任何集中积聚的压力。过渡段的横截面形状从中间段的横截面形状，例如U形或V形，过渡到尾段的端部横截面形状，例如椭圆形。由于过渡段沿着垂直于纵向向内的方向被局部加压，所以过渡段的形状的改变也会传递一些扭转弹性给过渡段。由于过渡段的横截面形状的改变，其在靠近中间段的位置比在靠近尾段的位置具有更大的扭转弹性。过渡段的横截面形状和横截面形状的纵向变化可通过成型工序确定，例如，在对中间段加压和成型的同时保持尾段固定， 或者可以通过为过渡段设计的成型模具来确定，这种成型模具可以更精确地控制过渡段的扭转弹性和纵向变化。还可以理解的是，过渡段的壁厚及其纵向变化也将影响过渡段的扭转弹性和纵向变化。参见图2，本发明的横梁部件102优选地被提供有沿着长度变化的壁厚t，其中t 在图2典型的纵向轮廓222中示出。从图3至6中可以看出，横梁部件102的示例具有沿着圆周方向大致均勻的壁厚，并且从图2中可以看出，其沿着横梁部件纵向地变化。典型地， 纵向轮廓222通常是对称的。也就是说，从横梁部件的中心向其任何一端移动时横梁部件的壁厚的变化是相同的。但是，非对称的纵向轮廓也是有可能的，例如，当需要适应任何非对称形状或适应负载情况时。图2图解说明了壁厚的纵向变化的示例，即壁厚沿着横梁部件102的纵向长度的变化。图2中所图解说明的中间段202具有最薄的壁，S卩，厚度最小。横梁部件的更大的壁厚出现在过渡段206。在优选实施方式中，如整体纵向轮廓222所示，壁厚t从一个段到下一个段平滑地过渡。与过渡段的横向横截面轮廓的平滑过渡类似，壁厚从一个壁厚到下一个壁厚的平滑过渡，或者从一个段的壁厚到另一个段的平滑过渡，也有助于防止局部应力的集中积聚，特别是防止在非平滑过渡的任何区域中应力的集中积聚。如前所述，横梁部件必须满足抗扭刚度的服从性要求。横梁部件也是承重部件，也必须拥有所需的强度以符合由扭转负载、弯曲负载、切变负载和轴向负载产生的应力水平。 正如指出的，过渡段将施加在相对端的扭转力传递给中间段。当横梁部件扭曲时，横截面形状的过渡可能造成应力在过渡段集中。在过渡段的高应力区域由于频繁的扭转而引起的任何潜在的断裂都会影响耐久性，这是另一个应该关注的问题。能够理解的是，较大的厚度能减少在任何给定结构上的应力，但是也会成比例地增加刚度。为横梁部件选择可变的壁厚而不是选择恒定的壁厚将是在低刚度需求与最大容许应力需求之间的妥协，壁厚及其沿横梁部件长度的变化都是“可调谐的”。换句话说，壁厚及其纵向的变化都是根据设计需求来调整的，例如总体承载和扭转刚度的需求以及预期局部应力的集中。选择壁厚的变化以支持局部应力的集中。例如，在期待有较大应力集中的区域壁厚较大，而在期待没有这种较大的应力集中的区域壁厚较小。在需要区域更服从需求时也可以减少壁厚。壁厚的变化也可以用于将局部应力集中最小化，这样的结果就是有分布更均勻的局部应力。特别是在恶劣的负载情况下，由于在这些高应力地段较小的应力集中会引发较少的早期故障，因此均勻分布的局部应力有助于延长部件的使用寿命。可以理解的是，横梁部件的中间段、过渡段和尾段中的任何一个都能够被“调谐” 并且经常为了优化沿着横梁部件长度的质量分布而被调谐，并同时满足设计的要求，比如局部应力分布、整体扭转刚度等要求。例如，根据承载的需要，中间段的壁厚可大于过渡段的壁厚、大于尾段的壁厚或者比过渡段和尾段的壁厚都要大，或者和其它段之一的壁厚大致相同。类似地，其它段根据需要也可以具有较大或较小的壁厚。任何两段，例如尾段和过渡段，也可能有相同的壁厚。此外，将横梁部件划分为中间段、两个过渡段和两个尾段并且将每个段处理为具有基本相同的壁厚都仅是为了描述的方便。如果需要或者必要，这些段中的任何一个都可以被划分出在该段内具有可变壁厚的分段。一般来说，根据需要横梁部件的壁厚纵向变化。例如，每段自身可以有可变的壁厚。各段之间以及每段内的壁厚变化可以被调谐，即，被调整，这种调整是根据预期的局部应力进行的并且受制于附加的因素，例如抗扭刚度的整体需求、承载需求、所选的材料、横梁部件整体大小和每段的长度、耐久性需求，等等。图2所示的纵向轮廓仅是一个示例。也可以理解，横梁部件102可具有其它形状，并不局限于图2示出的情况。横梁部件形状的改变也可导致不同的局部应力分布、不同的整体抗扭强度和不同的承载能力，这些不同也可引起壁厚的不同的纵向变化。如图2所示的具有可变壁厚的横梁部件可以由管状毛坯700形成，该管状毛坯具有如图7所示的可变的内径和恒定的外径，这一点将在下面描述。具有可变壁厚的管状毛坯700本身可以运用任何适当的技术形成，例如PCT申请第PCT/CA2002/00464号中描述的，该申请全部的内容通过引用并入本文。简单来说，具有均勻外径和可变壁厚的管状毛坯 700是由具有恒定壁厚的初始管720 (图7B)利用作往复运动的心轴和压模装置通过冷成型工序形成的。该模具的模腔具有与管状毛坯700的外径相配的开口。心轴具有不同直径的多个段或者可以逐渐变细。当对管状毛坯进行冷成型时，心轴被置于管内并有选择地从模具开口中被移进或被移出，或者有选择地与不同直径的节段一起被置于模具开口内。模具开口的尺寸比初始管的初始外径要小。初始管720通过模具开口被拉出。当迫使初始管穿过模具开口时，已成型管的外径减小为模具开口的尺寸。穿过模具的管的壁在期望的位置受到心轴和模具开口的限制，从而控制壁厚为由放置在模具开口的心轴的段和模具开口本身之间的间隙所限定的厚度。如果从模具开口中移出心轴，就不可能有这样的限制并且壁厚也不会受心轴的影响。当从模具开口中拉出管时，通过选择性地将心轴移入模具开口和从模具开口中移出并且在模具开口中选择性地放置不同直径的心轴段，就可以得到可变壁厚的管状毛坯。当管状毛坯达到需要的长度或设计的长度后，就从初始管上切下或割下该管。例如，当通过模具开口第一次拉出初始管720时，放置在模具开口中的心轴段的直径使得心轴的直径和模具开口的直径之间的差异是尾段壁厚的两倍以形成具有期望壁厚的尾段。当具有期望长度的尾段形成后，心轴的不同段逐渐地进入模具开口以形成过渡段。该区域的心轴直径和模具开口直径之间的差异是过渡段壁厚的两倍。随着心轴的逐渐重新定位，引起壁厚的改变，也就是说从尾段的壁厚到过渡段的壁厚之间的过渡也趋向于平滑。当过渡段形成所期望的长度后，将心轴的另一个不同段逐渐地移进模具开口。模具开口直径和该区域的心轴直径之间的差异是中间段壁厚的两倍。当中间段形成后，心轴又重新定位以形成第二个过渡段，之后，又重新定位以形成第二个尾段。于是将管切断从而得到具有对应于横梁部件的壁厚的可变壁厚的管状毛坯。当以这种方式将初始的均勻壁厚的管状毛坯冷成型为变化壁厚的管状毛坯时，冷成型过程经常在变形的区域引入应力，以至于使冷成型的管状毛坯对于进一步加工而言变得太硬或太脆。优选地，冷成型管状毛坯的应力在管状毛坯进一步成型为横梁部件之前消失。可以理解的是，虽然图7A所示的管状毛坯700具有均勻的外径，但是运用这样的管状毛坯仅是为了方便。特别地，使用固定的模具开口的模具是为了制造管状毛坯的方便。 其它类型的模具和其它成型技术都可以用来生产管状毛坯700。因此管状毛坯可以具有可变壁厚的原因在于其内径的变化，外径的变化或者内径和外径变化的结合。例如，图7A所示的管状毛坯具有沿着管状毛坯700的长度变化的内径710和恒定的外径712。内径和外径之间的距离就是壁厚。随着该差值沿着管状毛坯的长度变化，壁厚也相应地改变。在如图7A所示的示例中，管状毛坯壁厚的变化以及因此由管状毛坯构成的横梁部件的壁厚的变化，仅是由于内径的变化，而外径仍然保持大致恒定。还可以使内径710保持恒定同时使外径712沿着管状毛坯的长度改变。那么臂厚的变化就仅是因为外径的变化而发生的。当然，内径和外径都可以沿着管状毛坯的长度发生改变，并且促成壁厚沿着管状毛坯的变化以及因此引起的横梁部件壁厚的变化。图7A示出了管状毛坯700的一个示例，该管状毛坯具有与图2所示的横梁部件壁厚对应的壁厚702的纵向轮廓。图7A所示的管状毛坯具有两个相对的尾部区706、两个中间的过渡区708和一个中心区704，其中尾部区706与尾段204相对应，过渡区708在尾部区706和中心区704之间形成而中心区704在两个过渡区708之间形成。过渡区708与过渡段206相对应并且中心区704与中间段202相对应。除了一些可能由下述成型工序造成的壁厚的小变化之外，尾部区的壁厚基本与横梁部件尾段204的壁厚相同，过渡区708的壁厚基本与过渡段206的壁厚相同并且中心区704的壁厚基本与横梁部件中间段的壁厚相同。得到这样的管状毛坯700后，将管状毛坯变形，例如加压成形，以得到横梁部件。为了形成横梁部件102，首先管状毛坯700在其大致中间的部分被压扁而后在中心区704进一步变形为U形横截面轮廓。例如，将中心区704成形为U形轮廓可以由两步工序得到。如图7C所示，在两步工序中，第一步是将中心区、中心区的实质部分、或者中心区和过渡区附近的部分压扁，以得到部分压扁的管状毛坯730。接下来将部分压扁的管状毛坯730的压扁部分732弯曲以形成U形横截面轮廓。当然，这两个步骤，即压扁和弯曲，也可以结合成一步工序执行。例如，管状毛坯700可以被置于具有纵向U形表面的成型模具中，而后管状毛坯的实质部分被压扁并且同时变形以符合成型模具的U形表面。当中心区 704变形，例如通过成型模具塑形或受压并被弯曲时，中间的过渡区708受到由正在变形的中心区704施加的力而产生变形。横梁部件的横截面轮廓优选地从一个尾段，经过过渡段和中间段，平滑地过渡到另一个尾段。具有纵向轮廓222的壁厚以及从中心区大致U形过
10渡到靠近端部大致变平的椭圆形的横截面轮廓的横梁部件102可以由管状毛坯形成。如前所述，尾段、过渡段和中间段一般都不需要具有恒定的壁厚。尾段、过渡段和中间段中的任何一个都可以具有壁厚不同的区域以满足对这些段的设计要求。图8A示出了代表横梁部件的纵向轮廓的示例，该横梁部件的过渡段被分割成两个区域，邻近尾段的区域具有较大的壁厚而另一个区域的壁厚较小。图8B示出了另一个示例，其中过渡段206 被分割成三个区域，即区域1、区域2和区域3，区域1邻近尾段204而区域3邻近中间段 202。区域2位于区域1和区域3之间。每个区域都可以被调谐，即，壁厚根据设计的需要被调整，因此被称为设计区域。举一个示例，区域1的壁厚可以比区域2的壁厚大，也可以比区域3的壁厚大，反过来可以比中间段的壁厚大。再举一个示例，区域3的壁厚可以最小， 而区域2的壁厚最大，中间段的壁厚在区域2的壁厚和区域3的壁厚之间。当然，根据对不同的特定车辆的特定设计需要和限制，每段中不同的设计区域数量，这些设计区域中其他的壁厚分布以及它们相对于中间段和尾段的壁厚的值也是可能的。图8C举例说明了壁厚变化的另一个示例。尾段204的壁厚比中间段202的壁厚大。在尾段204和中间段202之间的过渡段206具有逐渐减小的壁厚，即，过渡段的壁厚朝着中间段连续地减小。图8D还提供了另一个示例，其中在三段，即尾段204、过渡段206和中间段202中，壁厚全部朝着横梁部件的中间连续地减小。图9A图解说明了扭力轴100'的另一实施方式的实施例。扭力轴100'没有大致笔直的横梁部件，而是具有大致U形的横梁部件102'。U形横梁部件102'具有大致笔直的中间段202和两个过渡段206，同时有两个一体化的拖臂120以形成该U形的腿。每个构成整体的拖臂120从U形横梁部件102'的连接区118'延伸出。每个一体化的拖臂 120具有末端122，用于将车轮连接于此，例如将车轮安装架114紧固于此。该U形横梁部件102'包括中间段202、过渡段206、连接区118'和一体化地形成的拖臂120，正如以下将详细描述的，该横梁部件是一整块并且由一个管状毛坯形成。除了连接区118的弯曲之外，中间段202、过渡段206以及连接区118'的大致形状和横向横截面轮廓都与扭力轴100 的大致笔直的横梁部件102中的这些段的大致形状和横向横截面轮廓基本上相同，因此在这里将不再详细描述。扭力轴100'还具有一对侧臂124，该侧臂与图2中示出的扭力轴100的拖臂106 的前部相符。每个侧臂1 具有一个端部，该端部适合紧固至横梁部件102'的连接区。这可以通过例如焊接、栓接或其它适当的方式实现。在图9A示出的示例中，侧臂IM在连接区118'处与弹簧座116焊接并且与横梁部件102'焊接。每个侧臂124的另一端适合连接至车架，例如通过连接管件112连接。侧臂IM可以是管状的或者是被冲压出的。它们还可以具有开放的或封闭的横截面形状。横梁部件102'具有沿着长度变化的可变壁厚。壁厚的变化提供了扭转弹性的中间段和扭转刚性的连接区。至少，每个连接区118'中形成整体成形的拖臂106的部分是扭转刚性的。壁厚沿着横梁部件从一个末端122向另一个末端122大致平滑地变化。图9B示出了横梁部件102'的壁厚的示例性纵向轮廓(仅显示了一半，另一半是其镜像)。一体化的拖臂120的壁厚是约2. 7mm而后在连接区118'处壁厚增加到约3. 4mm。 在这个示例中，中间段202的壁厚最小，约1. 7mm。图9B示出的横梁部件102'的示例也具有过渡段206，过渡段206在每个连接区118'和中间段202之间形成。在这个示例中的过
11渡段206的壁厚处于连接区的壁厚和中间段的壁厚之间，约是2. 3mm。当然，可以理解的是在这个示例中不同区域的相对壁厚和壁厚值仅是为了举例说明，并且根据针对不同的特定车辆的特定设计要求和限制可以不同。为了形成横梁部件102'，典型地将需要一系列的步骤。图9C图解说明了工序的步骤，该工序还包括一些用于形成横梁部件102'的可选步骤。工序900开始于形成具有可变壁厚的管状毛坯700(步骤910)。形成具有可变壁厚的管状毛坯的细节已经在有关横梁部件102的形成中提供，在此就不重述了。管状毛坯700的壁厚的纵向轮廓与横梁部件 102'的相对应，图9B显示了其中的一个示例。接下来管状毛坯700在预期有显著变形的区域应力消失(步骤912)，例如在与横梁部件的中间段和连接区相对应的区域。接下来并且可选择地，在预弯曲步骤914中，应力消失的管状毛坯在连接区被弯曲以使应力消失的管状毛坯成形为“U”形。接下来在步骤916，中间段按照之前关于形成大致笔直的横梁部件 102所描述的方式，形成大致开放的横向轮廓，这里将不再重述。然后，在步骤918，形成一体化的拖臂120。在这个步骤形成的一体化的拖臂120必要时可以进一步调整尺寸。最后并且可选择地，可以在需要更高力量的地方或希望有更高力量的地方应用加热和淬火(步骤920)，例如在连接区或过渡段，并且在这些区域可以进一步应用喷丸强化(步骤92 。方便地或者优选地，加热和淬火可以应用到整个横梁部件102'。同样地，无论是在局部表面还是在全部表面进行喷丸强化都是可预期的。在管状横梁部件102'的内表面或外表面或者既在内表面又在外表面都可以应用喷丸强化。如前所述，以上所描述的步骤中的一些是可选择的。例如，根据特定的应用或生产需要，加热和淬火(步骤920)以及紧随其后的喷丸强化步骤922可以是不必要的。此外， 可以理解的是，一些步骤不必遵循举例说明和描述的顺序。例如，加热和淬火(步骤920) 以及紧随其后的喷丸强化步骤922也可以在预弯曲步骤(步骤914)之前进行，当然取决于设计需要。可以理解的是，对于任何给定的负载要求和抗扭强度要求，臂厚受到所选材料的影响。一种适合制造横梁部件的材料是HSLA钢材，例如HSLA80F钢材(屈服强度(YS)SO 肯埃斯(ksi)，极限抗拉强度(UTS) 95肯埃斯，20%均勻延伸率(Uniform Elongation)). HSLA钢材通常是优选的，因为它为一些典型的应用提供所需的高强度却不需要在横梁部件形成以后的淬火和回火操作。虽然HSLA钢材是优选的，但是也可以使用其它材料。例如， 虽然优选地不进行加热处理，但是为了减少重量或进一步满足特别低的刚度值，也可以计划使用其它具有更高强度但需要加热处理的材料。这样的一种材料就是硼钢。硼钢因为其具有相当高的强度，可以比HSLA钢更容易满足负载要求，而重量更小或轴的刚度更低。横梁部件可以由硼钢制成，例如Mn22B5钢材。但是，一般需要对过渡段进行加热处理以使得该加热处理段变硬到需要的屈服点。可以在中间段成型为U形横截面轮廓之前或之后对过渡段进行热处理。在某些特殊的需要具有更高强度的区域也可以进行加热处理。以上在关于形成U形横梁部件的描述中提供了这样的示例。现在已经详细描述了本发明的各个实施方式。本领域技术人员可以理解对实施方式做出的不偏离本发明范围的许多修改、改动和变化。既然可以对以上描述的最优方式做出的改变和添加、改变或添加不偏离本发明的本质、精神或范围，那么本发明不限于这些详细描述而是限于所附的权利要求书。
权利要求
1.一种用于车辆扭力轴的整体型管状横梁部件，所述扭力轴被提供有两个拖臂，所述横梁部件在所述拖臂之间延伸并且在其两个连接区处与所述拖臂连接，从而形成成一体的轴，所述横梁部件包括在所述两个连接区之间形成的中间段，所述中间段是扭转弹性的，而且每个所述连接区在靠近与每个所述拖臂连接的所述连接区的至少一部分处是扭转刚性的，所述横梁部件具有沿着圆周方向大致均勻的壁厚并沿着纵向方向从所述扭转弹性的中间段向每个所述扭转刚性的连接区变化。
2.如权利要求1所述的横梁部件，其中，所述横梁部件的壁厚从所述扭转弹性段到每个所述扭转刚性的连接区平滑地变化。
3.如权利要求1所述的横梁部件，其中，所述连接区的至少一部分的壁厚大于所述中间段的壁厚。
4.如权利要求1所述的横梁部件，其中，所述连接区的至少一部分的壁厚小于所述中间段的壁厚。
5.如权利要求1所述的横梁部件，其中，所述中间段具有大致开放的横向轮廓以提供扭转弹性。
6.如权利要求1所述的横梁部件，其中，所述横梁部件具有两个相对端并且每个所述连接区在所述两个相对端之一处形成，并且其中每个所述连接区进一步包括尾段和过渡段，所述尾段在所述横梁部件的每个所述相对端处形成并且是扭转刚性的，所述中间段在所述尾段和所述中间段之间形成。
7.如权利要求6所述的横梁部件，其中，所述横梁部件具有横向横截面轮廓，所述横向横截面轮廓在所述中间段处具有大致U形或V形的形状而且从所述过渡段的所述大致U形或V形的形状平滑地过渡到所述尾段的端部横截面形状。
8.如权利要求6所述的横梁部件，其中，所述壁厚在所述中间段、所述过渡段和所述尾段的其中一段或其中几段变化。
9.如权利要求6所述的横梁部件，其中，所述过渡段的壁厚大于所述中间段的壁厚。
10.如权利要求6所述的横梁部件，其中，所述过渡段的壁厚小于所述中间段的壁厚。
11.如权利要求6所述的横梁部件，其中，所述过渡段的壁厚大于所述尾段的壁厚。
12.如权利要求6所述的横梁部件，其中，所述过渡段的壁厚小于所述尾段的壁厚。
13.如权利要求1所述的横梁部件，其中，所述横梁部件具有大致U形的形状并且进一步包括所述两个拖臂，每个所述拖臂与所述连接区之一一体化地形成并且沿着垂直于所述连接区所限定的纵向方向从所述连接区之一延伸出。
14.如权利要求13所述的横梁部件，其中，每个所述一体化的拖臂具有末端，所述末端适于使车轮连接至其上。
15.一种制造用于车辆扭力轴的整体型管状横梁部件的方法，其中，所述横梁部件具有限定纵向方向的两个连接区和在所述连接区之间形成的中间段，所述中间段是扭转弹性的并且具有大致开放的横向轮廓，所述连接区的至少一部分是扭转刚性的，所述横梁部件具有沿圆周方向大致均勻的壁厚并且从所述扭转弹性的中间段向每个所述扭转刚性的连接区纵向地变化，所述方法包括a)将均勻壁厚的初始管状毛坯冷成型为可变壁厚的管状毛坯，所述管状毛坯具有与所述中间段相对应的中心区，并且所述管状毛坯的可变壁厚与所述横梁部件的壁厚相对应，以及b)使所述管状毛坯的所述中心区变形以符合所述中间段的大致开发的横向轮廓从而得到所述横梁部件。
16.如权利要求15所述的方法，其中，步骤a)包括提供从所述中心区到所述连接区的壁厚的逐渐过渡。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述横梁部件具有两个相对端并且每个所述连接区在所述两个相对端之一处形成，所述横梁部件进一步包括尾段和过渡段，所述尾段在所述横梁部件的每个所述相对端处形成并且所述中间段在所述尾段和所述中间段之间形成，步骤b)进一步包括将中心区变形同时保持每个所述尾段的端部横截面轮廓不变并允许所述横梁部件的横向横截面轮廓在每个所述过渡段逐渐地变化。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述横梁部件具有沿着所述横梁部件的长度纵向地变化的横向横截面轮廓，所述横向横截面轮廓在所述中间段具有U形或V形，其中步骤 b)包括将对应于所述中间段的中心区压扁以得到局部压扁的管状毛坯，和将已压扁的区域弯曲以形成所述U形或V形的横向轮廓，其中允许所述横梁部件的所述横向横截面轮廓从所述中间段的U形或V形平滑地变化到所述连接区的端部横截面轮廓。
19.如权利要求15所述的方法，其中，步骤a)包括提供具有均勻壁厚和初始外径的初始管状毛坯，将所述初始管状毛坯从心轴和模具组件拉出，所述心轴和压模装置包括模具和心轴， 所述模具的模具开口小于所述初始外径并且所述心轴具有不同直径的区域，其中当从所述模具开口中拉出所述初始管状毛坯时，将所述心轴选择性地置于所述模具开口中以得到所述管状毛坯的可变壁厚。
20.如权利要求15所述的方法，进一步包括在步骤b)之前释放可变壁厚的管状毛坯中的应力。
21.如权利要求15所述的方法，其中，所述横梁部件具有大致为U形的形状并包括两个拖臂，每个所述拖臂与所述连接区之一一体化地形成并且沿着垂直于所述连接区所限定的纵向的方向从所述连接区之一延伸，所述方法进一步包括c)在每个所述连接区处将所述横梁部件弯曲以形成所述一体化的拖臂。
22.如权利要求15所述的方法，进一步包括bl)在步骤b)之前，将所述管状毛坯预弯曲以得到U形的预变形的管状毛坯。
23.如权利要求21所述的方法，进一步包括d)在步骤c)之后或者在步骤b)之前，对所述横梁部件进行加热和淬火。
24.如权利要求23所述的方法，其中，在所述连接区内应用所述加热和淬火。
25.如权利要求23所述的方法，进一步包括e)紧随步骤d)之后对所述横梁部件进行喷丸强化。
26.如权利要求25所述的方法，其中，在所述连接区进行喷丸强化。
27.一种用于车辆的扭力轴，包括两个拖臂，其中每个所述拖臂具有第一端，所述第一端适于附接至车架； 管状的整体型横梁部件，所述横梁部件在所述拖臂之间延伸并且在其两个连接区处与所述拖臂连接以形成成一体的轴；所述管状横梁部件进一步包括在所述两个连接区之间形成的中间段，所述中间段是扭转弹性的，而且每个所述连接区在靠近与每个所述拖臂连接的所述连接区的至少一部分处是扭转刚性的，所述管状横梁部件具有沿圆周方向大致均勻的壁厚并且沿着所述横梁部件从所述扭转弹性的中间段到每个所述扭转刚性的连接区纵向地变化。
28.如权利要求27所述的扭力轴，其中，每个所述拖臂具有适于将车轮连接至其上的A-Ap ■上山弟一顺。
29.如权利要求27所述的扭力轴，其中，所述横梁部件具有大致U形的形状并且进一步包括两个一体化的拖臂，每个所述拖臂与所述连接区之一一体化地形成并沿着垂直于所述连接区所限定的纵向的方向从所述连接区之一延伸。
30.如权利要求四所述的扭力轴，其中，每个所述一体化的拖臂具有末端，所述末端适于将车轮连接至其上。
全文摘要
本发明涉及一种扭力轴，其包括横梁和两个拖臂，每个拖臂在该横梁的两个连接区之一处与该横梁刚性紧固或者与两个连接区之一一体化地形成并且从两个连接区之一延伸。该横梁由管状毛坯形成并具有扭转弹性的中间部分和两个扭转刚性的连接区。该横梁具有沿着该横梁的长度方向从扭转弹性的中间部分向每个扭转刚性的连接区纵向地变化的壁厚。
文档编号B60G21/05GK102177036SQ200980139911
公开日2011年9月7日 申请日期2009年10月15日 优先权日2008年10月17日
发明者斯特法诺·莱普尔 申请人:阿瑟奥米特尔·特布拉产品加拿大公司