专利名称：传动轴及其制造方法
技术领域：
本发明涉及传动轴及其制造方法。特别是，本发明涉及加长的轴，例如变速器中间轴，和一种对锻制的节段通过摩擦或惯性焊接制造该轴的方法，这种方法对减轻重量、材料成本和/或所要求的强度方面发挥最大作用。
重型传动变速器和其中所用的轴在现有技术中是尽人皆知的，如美国专利第3105395；4754665和4944197号中均有记载，其内容通过引用结合在本文中。这种传动变速器通常使用由单体突心锻件经机械加工而成的中间轴并限定与其形成一体的一个或多个齿轮，通常这些齿轮是与低传动比和/或反传动比有关。
一种较新的组合式变速器设计使用一种从前壳壁延伸至后壳壁的更为加长的中间轴(参看美国专利第5390561号，其内容通过引用结合于本文中)。
现有技术的这种轴以及包括机械加工一个单体实心冷锻件生产这种轴的方法，特别是对于一根加长的中间轴，并不是完全令人满意的，因为这种轴的生产成本较高和/或比所要求的为重。
根据本发明，通过提供一种加长轴的结构和其制造方法可以减小或克服现有技术的缺点，这种加长轴与现有技术的传动轴结构及其制造方法相比非但造价较低而且重量也较轻。
上述的加长轴是通过提供一种用于加长轴工件的结构而完成的，这种结构包括至少一个热锻节段，在其一个端头或两个端头处具有一个杯状空腔，其最好用惯性焊接或摩擦焊接法焊接在一个相同的热锻节段上或一个棒料节段上。焊接成的节段形成一个空心的工件，该工件然后经过最后的精机械加工和/或热处理和/或表面处理制成成品轴。热锻节段被形成能提供组合轴最优化的重量减轻和所要求的强度。由于不同节段所要求的强度可能不同，可以为每个节段个别挑选最廉价的材料。
因此，本发明的一个目的是提供一种对加长的传动轴的新的和改进的结构和制造方法。
本发明的这个和其它的目的和优点通过下述结合附图对优选实施例所作的描述将更为明显。
图1A是用以从其加工成本发明变速器加长中间轴的焊接成的工件平面剖视图。
图1B是本发明变速器加长中间轴的平面图。
图2是一个第一锻制节段的剖视图。
图3是一个第二锻制节段的剖视图。
图4是一个第三棒料节段的剖视图。
图5是使用本发明的加长的前或主区段中间轴的重型车辆变速器的剖视图。
某些词汇将用在下面对优选实施例的描述中，这只是为了方便并不含有限制性。如术语“向上”，“向下”，“向右”和“向左”指的是所参看的附图中的方向。术语“向前”和“向后”分别指通常装在车辆中的传动系统构件的前端和后端，也就分别是如图5中所示的各种传动系构件的左侧和右侧。用语“向内”和“向外”分别指朝向和背离该装置的几何中心及其指定的部件的方向。所述的词汇包括以上具体提出的用词，其衍生词以及同义词。
图5显示出那种有利地使用本发明格外加长的前或主区段中间轴124类型的一个组合式重型车辆传动变速器110。关于这种传动变速器110的详细描述可以参看前述的美国专利第5390561号。
传动变速器110包括一个主区段112和一个辅助区段114，两者都被容纳在外壳116内。外壳116包括一个前端壁116A和一个后端壁116B，但是没有中间壁。
输入轴118带有一个为与其一起转动而固定在其上的输入齿轮120并由轴承118A所支承。主轴146带有主轴离合器148和150和主轴分隔离合器180并由输入轴118和输出轴158所支承。还设置有换档拨叉152和154用以分别对离合器148和150进行换档。主轴146可以相对于输入轴118和输出轴158独立地转动并且最好能自由地相对于其作有限的径向移动。
主区段112包括有两个基本上完全相同的主区段中间轴组合件122，各包括一根带有固定在其上的中间轴齿轮130，132，134，136和138的加长主区段中间轴124。齿轮副130，134，136和138总是分别与输入齿轮118，主轴齿轮140和142以及惰轮157相啮合，惰轮157又与回动主轴齿轮144相啮合。应注意到在较佳的设计中，中间轴齿轮136和/或138是整体地形成在轴124上。
主区段中间轴124向后延伸至辅助区段内，在那里其后端124A被直接或间接地支承在后壳端壁116B上。
辅助区段114包括有两个基本上完全相同的辅助中间轴组合件160，各包括一根带有为随其转动的辅助中间轴齿轮168，170和172的辅助中间轴162。辅助中间轴齿轮副168，170和172总是分别与分隔齿轮174，分隔/滑动换档齿轮176和滑动换档齿轮178相啮合。分隔离合器180固定在主轴146上用以有选择地将齿轮174或者齿轮176啮合在其上，而同步的滑动换档离合器182则固定在输出轴158上用以有选择地将齿轮176或齿轮178啮合在其上。
辅助中间轴162一般是管状的，形成一个通孔162A，用以接纳主区段中间轴124的向后延长部分。轴承或套筒162B和162C被设置来将辅助中间轴162可转动地支承在主区段中间轴124上。轴承162D直接地或间接地将中间轴124和162的后端头支承在后端壁116B上。
使用加长的前或主区段中间轴124同时使辅助区段中间轴套叠地支承在其上，可以容许不用或尽量缩小中间壁，并且在类似的负荷下，可以容许大量缩短和/或减轻变速器。请参看前述的美国专利第5390561号和名为“高负荷组合式变速器”的待批的美国专利申请NO.08/345092(已转让给Eaton Corporation-即本申请的受让人)，其中的内容通过引用结合在本文中。
由于加长主区段中间轴124极大的长度(大约18.9英寸或48.0厘米，其外径为大约2.6至4.5英寸或7.0至11.3厘米)，若以寻常的方式(即由一个单件实体冷锻件进行机械加工)制造它，将导致该轴比较重并且昂贵。
参看图1A-图4，可以看到加长主区段中间轴124得以从其加工制成的工件200。在图1A中，点划线202显示出中间轴124的最后加工成的形状。工件200是由一个第一热锻节段204，一个第二热锻节段206，和一个第三棒料节段208形成的。节段204，206和208分别单独地显示在图2，3和4中。
第一和第二节段204和206连接在焊接接头210处，而第二和第三节段206和208则连接在焊接接头212处。该焊接工作最好是用所谓的“摩擦熔焊”或“惯性焊接”法形成。在这方法中，其中之一的节段被致使相对于另一个节段快速地转动，然后两个节段被轴向地移近成持续的强行接触。这种焊接法以及可接受的改进和变换在业内是非常熟悉的。
节段204，206和208最好是通常用于重型传动装置的标准轴或齿轮级的钢材，例如，SAE8620H，SAE4120RH，SAE8627H，SAE4130RH，SAEPS18，SAE4130，SAE4817H或SAE4817RH。节段204和206最好相对于它们的直径在长度上比较短，以便容许用普通的热锻法生产，这种方法比用冷锻法来锻制一个单独锻件的轴124这样的工件要便宜。
摩擦熔焊或惯性焊接法容许不同合金节段的连接，因此，每个单独节段可以选择最大强度的材料同时考虑其材料的价格。举例来说，对节段204和208的要求比节段206的要小，因此可以允许将一种较昂贵的合金仅用作节段206，而不是用于整个的轴，例如如果轴124是用现有技术方法制成具有现有技术的结构那样。
虽然摩擦熔接是连接节段的最佳方法，但是在本发明范围内的其它连接节段的方法也都是可行的，例如，作为非限制性的例子，其它形式的焊接或粘接都可以。
如从图1A和1B中可以看到，工件200和轴124内形成有两个封装的内空腔214和216，它与现有技术的实心结构相比大大地减轻了轴124的重量和材料成本。如从图中可见到的，内空腔214由第一节段204中向后敞开的空腔218和在第二节段206中向前敞开的空腔220形成。内空腔216由在第二节段206中向后敞开的空腔222和在第三节段208中浅薄的向前敞开的空腔224形成。空腔的具体形状和位置的选择需根据能最大强度地减轻重量和节省材料而仍能保持所要求的轴的强度和耐用性并保留容易锻制和焊接等性能来决定。
第一节段204配置有一个增大的凸缘区域226用以形成外齿轮齿以限定中间轴齿轮136，而第二节段206配置有一个增大的凸缘区域228用以形成外齿轮齿以限定中间轴齿轮138。在第二节段206内将空腔220和222分开的肋条230轴向上与凸缘区域228对中。
各个不同节段以及已装配的工件200的内部和外部尺寸都是相对于轴124的旋转轴心232对称的。
在节段的锻制以及如果需要中间机械加工都完成之后，工件200就可以通过焊接予以装配。在工件装配后，工件就可以机械加工并经热处理和表面处理成最后的构形，以便将作为主区段的中间轴124装入变速器110中。
因此，可以见到提供了一种可以尽量减少或消除现有技术缺点的新的和改进的加长传动轴结构及其制造方法。
虽然本发明被描述成具有某种程度的特殊性，但不言而喻这种对较佳实施例的描述仅是举例性质的，而在不偏离附后权利要求所声称的本发明精神和范围的各种对形式和细节的改变都是可能的。
权利要求
1.一种加长的传动轴，它包括一个环形横截面的第一节段，该第一节段具有一个向其一端敞开的杯状空腔；和一个环形横截面的第二节段，该第二节段在所述第一节段的所述一端处同轴地连接在所述第一节段上以在其间限定一个内封空腔。
2.如权利要求1所述的轴，其特征在于其中所述第一和第二节段是钢质的并且在焊接接头处予以连接。
3.如权利要求2所述的轴，其特征在于其中所述焊接接头是一个摩擦熔焊的焊接接头。
4.如权利要求1所述的轴，其特征在于其中所述第一节段由一个锻件经精机械加工而成并在其外周边上限定一系列整体外齿轮齿。
5.如权利要求2所述的轴，其特征在于其中所述第一节段由一个锻件经精机械加工而成并在其外周边上限定一系列整体外齿轮齿。
6.如权利要求2所述的轴，其特征在于其中所述第二节段由一根棒料经精机械加工而成。
7.如权利要求5所述的轴，其特征在于其中所述第二节段由一根棒料经精机械加而成。
8.一种用于组合式传动变速器(110)的加长中间轴(124)，它包括一个环形横截面的第一节段(204)，该第一段具有一个向其后端敞开的第一杯状空腔(218)；一个环形横截面的第二节段(206)，该第二节段具有一个向其前端敞开的第二杯状空腔(220)和一个向其后端敞开的第三杯状空腔(222)，所述第二节段的所述前端在一个第一接头(210)处同轴地连接在所述第一节段的所述后端上，以在其间限定一个第一内封空腔(214)；和一个环形横截面的第三节段(208)，该第三节段具有一个前端在第二接头(212)处同轴地连接在所述第二节段的所述后端上以在其间限定一个第二内封空腔(216)。
9.如权利要求8所述的轴，其特征在于其中所述第一和第二接头是摩擦熔焊的接头。
10.如权利要求9所述的轴，其特征在于其中所述第一和第二节段是由钢质锻件经机械加工而成。
11.如权利要求8所述的轴，其特征在于其中所述第三节段是由一根具有大致为环形横截面的钢质棒料经机械加工而成。
12.如权利要求9所述的轴，其特征在于其中所述第三节段是由一根具有大致为环形横截面的钢质棒料经机械加工而成。
13.如权利要求10所述的轴，其特征在于其中所述第三节段是由一根具有大致为环形横截面的钢质棒料经机械加工而成。
14.如权利要求8所述的轴，其特征在于其中所述第一和第二节段中的至少一个节段在其外周边上限定有一系列的整体外齿轮齿(136/138)。
15.如权利要求9所述的轴，其特征在于其中所述第一和第二节段中的至少一个节段在其外周边上限定有一系列的整体外齿轮齿(136/138)。
16.如权利要求10所述的轴，其特征在于其中所述第一和第二节段中的至少一个节段在其外周边上限定有一系列的整体外齿轮齿(136/138)。
17.如权利要求12所述的轴，其特征在于其中所述第一和第二节段中的至少一个节段在其外周边上限定有一系列的整体外齿轮齿(136/138)。
18.一种形成一根加长传动轴的方法，该方法包括通过锻制提供一个具有一个向其一端敞开的杯状空腔的环形截面的第一钢质节段；提供一个环形截面的第二钢质节段；和将所述第二节段在所述第一节段的所述一端处周轴地连接在所述第一节段上以在其间限定一个内封空腔。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于它还包括在所述第一节段的外周边上形成一系列整体外齿轮齿。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于其中的连接步骤包括摩擦熔焊。
21.一种为组合式传动变速器(110)设置一根加长中间轴(124)的方法，它包括(a)通过下述程序提供一个工件(200)(i)通过锻制提供一个具有一个向其后端敞开的第一环状空腔(218)的环形截面的第一钢质节段(204)；(ii)通过锻制提供一个具有一个向其前端敞开的第二杯状空腔(220)和一个向其后端敞开的第三杯状空腔(222)的环形截面的第二钢质节段(206)；(iii)将所述第二节段的所述前端在第一焊接接头(210)处同轴地连接在所述第一节段的所述后端上以在其间限定一个第一内封空腔(214)；(iv)提供一个具有一个前端的环形截面的第三钢质节段；和(v)将所述第三节段的所述前端在第二焊接接头(212)处同轴地连接在所述第二节段的所述后端上以在其间限定一个第二内封空腔(216)；和(b)精机械加工所述工件。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于其中所述第三节段是由一根钢质棒料制成的。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于它还包括在所述第一节段的外周边上设置一系列整体外齿轮齿。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于它还包括在所述第一节段的外周边上设置一系列整体外齿轮齿。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于其中所述步骤(iii)和(v)的所述连接包括摩擦熔焊。
全文摘要
一种用于组合式传动变速器(110)的加长轴(124)以及其制造方法。该轴由一个工件(200)经精机械加工而制成,工件由三个节段(204、206,208)在摩擦熔焊接头(210,212)处连接而成。
文档编号F16H57/02GK1177065SQ9711719
公开日1998年3月25日 申请日期1997年8月5日 优先权日1996年8月5日
发明者D·R·布伊 申请人:易通公司