具有整体凸缘构件的可变壁轻型半轴及用于制造该半轴的方法

摘要

本发明提供一种驱动半轴及用于制造该驱动半轴的方法。将管状坯件插入包括孔口的第一模具中。管状坯件通过孔口挤出，以形成具有纵向轴线的伸长管状主体。加热管状主体的第一纵向端部。将管状主体插入支撑设备的镗孔中。支撑设备在一端处限定围绕镗孔的第二模具，并且管状主体的第一纵向端部从镗孔向外伸出。第三模具包括经配置接收在管状主体内的心轴。通过使支撑设备和第三模具中的至少一个移向支撑设备和第三模具中的另一个，以使管状主体的第一纵向端部在第二模具和第三模具之间变形而形成车轮凸缘。

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2014年4月8日提交的美国专利申请No.14/247,747的权益和优先权，其全部公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及半轴。具体地，本发明涉及具有整体凸缘构件的可变壁轻型驱动半轴以及用于形成该驱动半轴的方法。

背景技术

半轴经常承受显著的负载。车辆驱动半轴例如向车辆车轮传送显著的扭矩并且在操作中易于快速启动和停止。由于经常强加于半轴的显著负载，所以大多数半轴由实心金属形成以提供足够的刚性和强度。然而，实心半轴需要大量的材料且相对重。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。

由于与实心驱动半轴相关联的缺点，已经开发出空心驱动半轴，如例如在美国专利No.5,213,250中所示，该专利全部公开内容以引用方式并入本文。然而，用于形成空心半轴的现有方法使既快速制造多个半轴同时又改变轴的内径和/或外径以实现轴的特别应用的目的变得困难。此外，现有的空心驱动半轴包括管状主体和分开锻造的车轮凸缘，该车轮凸缘通过使凸缘和主体中的一个或两个相对于彼此旋转而摩擦焊接到主体。将车轮凸缘连接到主体的过程需要相对大量的时间并且需要制造装备，并且在凸缘和主体之间产生接头，该接头在一定的负载下保持易于疲劳和潜在的分离。

本发明人在此已认识到对最小化和/或消除上述缺陷中的一个或多个的驱动半轴以及用于形成该驱动半轴的方法的需要。

发明内容

本发明涉及半轴。具体地，本发明涉及具有整体凸缘构件的可变壁轻型驱动半轴以及用于形成该驱动半轴的方法。

根据本发明的一个实施例的用于形成驱动半轴的方法包括将管状坯件插入第一模具中的步骤。第一模具包括模口。该方法进一步包括通过模口挤出管状坯件以形成具有纵向轴线的伸长管状主体的步骤，以及加热管状主体的第一纵向端部的步骤。该方法进一步包括将管状主体插入支撑设备中的镗孔中的步骤。支撑设备在一端处限定围绕镗孔的第二模具，并且管状主体的第一纵向端部从镗孔向外伸出。该方法进一步包括提供第三模具的步骤。第三模具包括经配置接收在管状主体内的心轴。该方法进一步包括，通过使支撑设备和第三模具中的至少一个移向支撑设备和第三模具中的另一个，以使管状主体的第一纵向端部在第二模具和第三模具之间变形而形成车轮凸缘的步骤。

根据本发明的一个实施例的驱动半轴包括围绕纵向轴线设置的伸长管状主体。管状主体具有第一纵向端部、中间部分和经配置与差速器半轴齿轮联接的第二纵向端部。驱动半轴进一步包括经配置支撑设置在管状主体的第一纵向端部处的车辆车轮的车轮凸缘。伸长管状主体和车轮凸缘形成为单一主体而在它们之间没有任何焊缝。

在另一个实施例中，用于形成驱动半轴的方法包括将管状坯件插入包括具有模口的出口端的第一模具中。该方法进一步包括通过模口挤出管状坯件以形成具有纵向轴线的伸长管状主体。该方法进一步包括选择性地加热管状主体的第一纵向端部。该方法进一步包括将管状主体插入支撑设备的镗孔中，使得管状主体的第一纵向端部从镗孔向外伸出，并且主体大体上由支撑设备支撑。支撑设备在一端处限定围绕镗孔的第二模具。该方法进一步包括提供第三模具，第三模具包括经配置接收在所述管状主体内的心轴。该方法进一步包括，通过使所述支撑设备和所述第三模具中的至少一个移向所述支撑设备和所述第三模具中的另一个，以使管状主体的所述第一纵向端部夹在第二模具和第三模具之间而形成车轮凸缘。

在一些实施中，该方法进一步包括提供第四模具，第四模具包括经配置接收在所述管状主体内的心轴。该方法可进一步包括在所述成形步骤之前，将所述支撑设备和所述第四模具中的至少一个移向所述支撑设备和所述第四模具中的另一个，以使管状主体的所述第一纵向端部在第二模具和第四模具之间径向地向外展开。

在一些实施中，第四模具心轴的一部分包括在轴向方向上朝向第四模具的基座增大的外径。

在一些实施中，从第四模具的基座测量的第四模具的心轴的长度大于从第三模具的基座测量的第三模具的心轴的长度。

在一些实施中，第三模具和第四模具安装在往复装置上，该往复装置经配置使第三模具和第四模具在径向方向和轴向方向上移动。

在一些实施中，形成车轮凸缘进一步包括，当往复装置将第三模具和第四模具中的至少一个移动到适当位置中时，使管状主体的第一纵向端部在轴向方向上远离第二模具移位。

在一些实施中，使管状主体的第一纵向端部移位包括在轴向方向上向管状主体的第二纵向端部施加力。

在一些实施中，该方法进一步包括从支撑设备顶出管状主体的步骤。

在一些实施中，顶出管状主体包括向管状主体的第二纵向端部施加力。

在一些实施中，加热管状主体的第一纵向端部包括经由电磁感应选择性地加热第一纵向端部。

在一些实施中，第三模具被支撑在基座上，并且心轴具有在整个长度的一些部分中变化的外径。

在一些实施中，该方法进一步包括，通过向管状主体的第二纵向端部施加力而使所述管状主体在所述支撑内暂时移位，从而引导第一纵向端部远离第二模具。

在一些实施中，伸长管状主体沿管状主体的整个长度是空心的。

在一些实施中，车轮凸缘沿车轮凸缘的整个长度是空心的。

在一些实施中，伸长管状主体的壁厚沿伸长管状主体的长度变化。

根据本发明的驱动半轴及用于形成该驱动半轴的方法表示相对于常规驱动半轴及成形方法的改进。通过使用连续的坯件以及定位坯件和工具，本发明方法在允许半轴的快速生产同时还允许轴形成有变化的内径和外径。另外，直接由挤出的轴体生产车轮凸缘减少了生产半轴需要的时间，并且消除了摩擦焊接凸缘和轴体需要的某些装备，从而导致较低的制造费用。进一步地，通过消除凸缘和轴体间的接头，半轴的强度增加。最后，直接由挤出的轴体形成车轮凸缘可生产空心凸缘，从而进一步减轻半轴的重量。

通过阅读以下描述和权利要求，并且通过参照附图，本发明的前述的以及其他方面、特征、细节、功用和优点将显而易见。

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半轴的透视图。

图2是图1的半轴的剖视图。

图3A至图3K是示出根据本发明的各种实施例的用于形成半轴的方法中的步骤的示意图和剖视图。

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标识相同部件，图1至图2示出可使用根据本发明的方法形成的半轴10的一个实施例。轴10特别适用于车辆驱动桥，并且更具体地适用于后驱动桥。然而，应该理解，本文公开的方法可用于形成用于前驱动桥的半轴，并且用于其他车辆的和非车辆的动力传动应用中。轴10可包括管状主体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，诸如从车辆动力传动系统(未示出)传递到一个或多个车辆车轮(未示出)。主体12可由常规的金属和金属合金制成。主体12是伸长的且绕旋转轴线16设置，并且可围绕旋转轴线16居中。主体12的一个纵向端部18可形成为凸缘14，凸缘14经配置支撑车辆车轮。主体12的另一个纵向端部20可联接到差速器中的半轴齿轮(未示出)。主体12还包括在端部18和端部20之间的中间部分22。再次参考图1，端部20的径向外表面可限定多个轴向延伸的花键24，花键24经配置接合半轴齿轮的镗孔中的对应花键以便联接轴10，用于随半轴齿轮一起旋转。花键24可通过例如轧制或型锻形成。主体12是管状的或空心的，以便相对于常规的实心半轴减轻半轴10的重量，并且限定沿主体12长度的一部分或全部延伸的镗孔26。主体12的外径和/内径可变化以沿主体12长度限定具有变化的厚度的壁28(以及具有变化的直径的镗孔26)，以便适应沿主体12长度的负载变化。然而，应该理解，主体12中示出的壁28的变化仅是示例性的，并且壁28的内径和/或外径可根据应用而变化，以适应在强度、封装和其他参数方面的预期需要。镗孔26可在任一端部18、20处进行机械加工，以限定经配置接收塞子或其他类型的密封件(未示出)的内部螺纹、凹槽或其他构造，或者其他类型的密封件(未示出)，密封件用于防止差速器内的流体液面和流体动力学的改变以及差速器流体和部件的任何潜在污染。

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半轴10用于随其旋转。如下文更加详细描述的，主体12和凸缘14可作为单一的主体形成而在它们之间没有任何焊缝。例如但不限于，凸缘14可在用于形成主体12的(在下文更详细描述的)挤出过程之后的“热成形”过程期间与主体12的纵向端部18一体形成。凸缘14包括轴向延伸的环形轮毂30。轮毂30的外侧端部可用塞子或密封件封闭，以防止异物和元件进入主体12中的镗孔26。凸缘14还包括从轮毂30向外径向延伸的车轮底座32。车轮底座32通常可以是圆形形状且可包括多个镗孔(未示出)，所述镗孔与轴线16平行延伸并且经配置接收用于支撑车辆车轮的螺栓(未示出)。车轮底座32限定内侧面34和外侧面36。内侧面34可包括向内轴向延伸的环形圈38，环形圈38径向地设置在轮毂30与车轮底座32的径向外周边之间。

现在参考图3A至3K，将描述根据本发明的各种实施例的用于形成半轴诸如半轴10的方法。参考图3A，该方法可开始于将管状坯件40插入模具42中的步骤。坯件40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40可从所选材料的较长杆切割成一定的长度。坯件40具有前端44和后端46，其中前端44在后端46之前插入模具42中。坯件40还限定在端部44、46之间沿坯件40的长度延伸的镗孔48。在将坯件40插入模具42中之前，可将反应形成的润滑剂施加到坯件40。模具42是管状形状，是预加应力的，并且限定入口端50和出口端52。在入口端50处形成的开口具有尺寸设定为在未变形状态下接收坯件40的直径。在出口端52处形成的开口的直径小于在入口端50处的开口(以及未变形的坯件40)的直径，并且在出口端52处形成的开口包括模口或挤出喉部54，坯件40从模口或挤出喉部54挤出，挤出开始于坯件40的前端44并且结束于坯件40的后端46。在模具42中紧接出口端52之前的区域包括还原区，并且该区域的直径可变化以产生成角度的表面从而促进有效的材料流动。

参考图3B至3E，该方法可继续进行通过模口54挤出坯件40以使坯件40伸长并且形成主体12的步骤。参考图3B，挤出可开始于将工具56插入模具42中的子步骤。工具56可包括冲床或类似的工具。工具56包括主体58和从主体58延伸的心轴60。主体58的直径大约等于模具42的内径和坯件40的外径。主体58在一端处限定经配置接合坯件40的后端46的表面62。心轴60经配置接收在坯件40的镗孔48和模具42的挤出喉部54内。心轴60可具有沿其长度变化的直径。在所示实施例中，心轴60包括具有第一直径d₁的第一部分64和具有第二直径d₂的第二部分66，其中直径d₂与直径d₁不同。在所示实施例中，直径d₂大于直径d₁。心轴还可包括在部分64和部分66之间的锥形部分68。应该理解，心轴60可具有一个或多于一个的具有不同直径的部分，并且所述直径在沿心轴60的长度从部分到部分移动时可增大或减小。挤出步骤可继续在模具42内移动工具56的子步骤，使得表面62接合坯件40的后端46，并且心轴60的部分64的前端70离开坯件40且延伸超出坯件40的前端44。

参考图3C，挤出步骤可继续进行向工具56施加力的步骤，以使工具56朝向模具42的出口端52移动，并且通过孔口54挤出坯件40以开始形成半轴10的管状主体12。当坯件40的前端44通过模具42挤出时，前端44围绕心轴60塌缩，并且主体12的端部18(凸缘14可由其形成)呈现一种形状，该形状具有通过喉部54限定的外径和通过心轴60的部分64的后端72限定的内径和长度。当工具56继续朝向模具42的出口端52移动时，心轴60的部分64离开模具42，并且心轴60的部分66移动到模具42中并且通过模具42的喉部54。因此，主体12的中间部分22呈现一种形状，该形状具有通过喉部54限定的外径和通过心轴60的部分66限定的内径和长度。根据心轴60(并且具体地，心轴60的部分68)的形状，在端部18和中间部分22之间可形成阶状的或渐变的过渡部分。

参考图3D，一旦工具56已经到达预定位置，挤出步骤就可继续从模具42撤回工具56以及将另一个管状坯件40A插入模具42中的步骤。坯件40A在模具42内移动直到坯件40A的前端44A接合坯件40的后端46。挤出步骤可进一步继续指将工具56重新插入模具42中并且使工具56在模具42内移动直到工具56的表面62接合坯件40A的后端46A的子步骤。此时，心轴60延伸通过坯件40A的镗孔48A，并且心轴60的部分64的前端70离开坯件40A且延伸超出坯件40A的前端44A进入坯件40的后端46。在本发明的另选实施例中，与将工具56重新插入模具42中相反，可将不同的工具插入模具42中。使用不同的工具容许坯件40的内径和主体12的壁厚的形成进一步变化。例如但不限于，不同工具的心轴可经配置以这样的方式形成主体12的端部20，即端部20的部分74(在图2示出)相对厚以为随后的花键形成操作和/或用于接收保持夹的环形凹槽的形成提供支撑，保持夹用于防止轴12从车辆差速器向外移动，而端部20的在部分74内侧的另一部分76(在图2示出)相对薄，以在形成接收塞子或密封件的端部20的内径时减少去除材料的需要。

参考图3E，挤出步骤可继续进行向工具56施加力的子步骤，以使工具56朝向模具42的出口端52移动，使得轴10的主体12的端部20呈现一种形状，该形状具有通过喉部54限定的外径和通过心轴60的部分64的前端70限定内径。一旦坯件40的后端46从模具42被顶出，坯件40A的挤出就可以与坯件40相同的方式开始。在所示实施例中，坯件40A的挤出可在不去除工具56的情况下开始。另选地，如果使用不同的工具形成主体12的端部20，则该不同的工具可被去除且将工具56重新插入模具42中。

现在参考图3F，该方法可继续进行加热主体12的纵向端部18的步骤。端部18的加热允许随后形成凸缘14的车轮底座32。加热可以是选择性的(即，有目标的)，使得仅将形成为车轮底座32的端部18的节段可被加热。在本发明方法的一个实施例中，加热可通过感应加热实现。在所示实施例中，线圈78和主体12的端部18被定位成使得线圈78围绕主体12的纵向端部18。线圈78由电源(未示出)通电且生成磁场。该磁场在由导电材料例如合金钢组成的主体12的纵向端部18中感应涡流。纵向端部18中的电阻导致端部18的电阻加热或焦耳加热。尽管在本文描述和示出的本发明的实施例依靠感应加热，但本领域的技术人员应该理解，加热主体12的纵向端部18的步骤可以除了感应加热以外的各种方式实现。

参考图3G，该方法可继续进行将主体12插入支撑设备82中的镗孔80的步骤。支撑设备82通常经配置当主体12的纵向端部18从镗孔80向外伸出时支撑主体12的未加热部分(例如，主体12的端部20和中间部分22中的至少一个)。支撑设备82可在支撑设备82的一端86处限定模具84。模具84可在设备82的端面中在设备82的外表面上形成，并且可围绕镗孔80。模具84具有与车轮底座32的内侧面34的期望形状互补的形状，并且可因此限定对应于在车轮底座32的内侧面34上形成的环形圈38的空腔88。在所示实施例中，支撑设备82是单一主体。然而，应该理解，支撑设备82可由多个零件形成，并且应该进一步地理解，支撑设备82(以及模具84)可根据应用以各种方式配置。

仍参考图3G，该方法可继续进行提供另一个模具90的步骤，模具90包括经配置接收在主体12的镗孔26内的心轴92。模具90可由基座94支撑。模具90可经配置预成形或准备主体12的纵向端部18以用于随后的处理。在一个实施例中，心轴92的外径在其整个长度的一些部分上变化。在所示实施例中，心轴92紧邻基座94径向向外弯曲，使得心轴92的外径在从心轴92的远离基座94的一端移向心轴92的邻近基座94的相对端时在轴向方向上增大。本领域的技术人员应该理解，心轴92的直径的变化率可以是常量(如在圆锥形中)或者可以变化。

参考图3H，该方法可继续进行将支撑设备82和模具90中至少一个移向支撑设备82和模具90中的另一个的步骤，以使主体12的纵向端部18在模具84和模具90之间径向地向外展开。模具90可固定在往复装置96上，往复装置96经配置使模具90相对于轴线16至少在径向方向和轴向方向上移动。往复装置96的移动可用流体(液压的或气动的)致动器控制，并且往复装置96可包括将模具90保持在往复装置96上的保持夹具。在一个实施例中，当往复装置96将模具90移向支撑设备82时，支撑设备82保持静止。往复装置96可经配置沿轴线16停在预定位置处，使得模具90不接触模具84。设备82和模具90朝向彼此的运动压紧主体12的纵向端部18，并且引起主体12的纵向端部18在径向方向上展开。本领域的技术人员应该理解，可以不需要图3G和图3H示出的用于预成形或准备纵向端部18以用于随后处理的步骤。此外，应该理解，纵向端部18的进一步预成形可在使用附加模具或其他工具时发生。在预成形步骤完成后，该方法可任选地包括通过向主体12的端部20施加力而使主体12在设备82内暂时移位的步骤，从而迫使至少主体12的附加部分离开镗孔80。以这种方式，主体12的加热端部18远离模具84偏移，以防止在未发生成形操作的那些时间期间(例如，当往复装置96在运动中时)向模具84传递不必要的热量。常规的脱模器组件(未示出)的端盖98可延伸通过设备82的与端部86相对的端部中的镗孔，并且接合主体12的端部20，从而实现来自脱模器组件的力的传递。

参考图3I，该方法可继续进行提供另一个模具100的步骤。模具100可经配置形成凸缘14的车轮底座32的外侧面36(在图1至图2中示出)。模具100可包括基座102、从基座102延伸且经配置接收在主体12内的心轴104、空腔106和径向设置在心轴104与空腔106之间的周向阶状件108。在一个实施例中，心轴104的外径可在其整个长度的一些部分上变化。在所示实施例中，心轴104紧邻基座102径向地向外弯曲，使得心轴104的外径在从心轴104的远离基座102的一端移向心轴104的邻近基座102的相对端时在轴向方向上增大。本领域的技术人员应该理解，心轴104的直径的变化率可以是常量(如在圆锥形中)或者可以改变。在所示实施例中，如从基座102测量的心轴104的长度小于如从模具90的基座94测量的模具90上的心轴92的长度。然而，应该理解，心轴92、104(以及通常，模具90、100)的形状和配置可根据应用而改变。

参考图3J，该方法可继续进行通过将所述支撑设备82和模具100中至少一个移向支撑设备82和模具100中的另一个以使主体12的纵向端部18在模具84和模具100之间变形而形成凸缘14的车轮底座32的步骤。模具100可固定在往复装置96上，使得往复装置96可相对于轴线16在至少径向方向和轴向方向上移动模具100。在其他实施例中，模具100可安装在另一个往复装置上。然而，将模具84、100安装在同一个往复装置96上实现制造过程的更加快速和精确的控制。在一个实施例中，当往复装置96将模具100移向支撑设备82时，支撑设备82保持静止。往复装置96可经配置沿轴线16停在预定位置处，使得支撑设备82上的模具84接触模具100的基座104。此运动引起主体12的纵向端部18变形且展开(在径向方向和轴向方向上)到模具100的空腔106和模具84的空腔88中，从而分别形成凸缘14的车轮底座32的内侧面32和外侧面34(在图1至图2中示出)。从凸缘14突出的任何过量的材料可通过机械加工操作或剪切(修整)操作在随后去除。一旦形成凸缘14的车轮底座32的步骤完成，往复装置96就可在径向方向和/或轴向方向上收回，使得主体12可从支撑设备82被顶出。

参考图3K，该方法可继续进行从设备82顶出主体12的步骤。如上文所述，该步骤可包括向主体12的端部20(例如，通过端盖98)施加力的子步骤，以推动主体12离开设备82的镗孔80。其后，可允许完成的半轴10冷却。

根据本发明的驱动半轴10及用于形成驱动半轴10的方法表示相对于常规的驱动半轴及成形方法的改进。通过使用连续的坯件36、36A以及定位坯件36、36A和工具52，本发明的方法允许半轴10的快速生产同时还允许轴10形成有变化的内径和外径。另外，直接由挤出的轴体12生产车轮凸缘14减少了生产半轴10需要的时间，并且消除了摩擦焊接凸缘14和轴体12需要的某些装备，从而导致较低的制造费用。进一步地，通过消除凸缘14和轴体12间的接头，半轴10的强度增加。本发明的方法还可产生如同主体12的空心凸缘14，从而进一步减轻半轴10的重量。

虽然本发明已经示出和描述了一个或多个特定实施例，但本领域技术人员应该理解，在未背离本教导的精神和保护范围的情况下，可做出各种改变和修改。