專利名稱：粉末鍛造差速齒輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及鍛造粉末金屬齒輪，并且更具體而言，涉及用于在差速器組件中使用的鍛造粉末金屬錐齒輪。
背景技術(shù)：
常規(guī)的汽車包括將由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率傳輸?shù)杰囕喌牟钏倨?。雖然差速器可具有不同的構(gòu)造，但基本原理是獲取單個(gè)輸入軸的功率，并且將其傳遞到能接著以不同速度旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)輸出軸。根椐應(yīng)用于給定車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型，可能存在前差速器、后差速器和/或中央差速器。在用于汽車的一些差速器的情況中，這往往涉及不僅將功率輸出拆分，而且擇優(yōu)地分配功率輸出。存在連續(xù)的動(dòng)力以提供具有較小包裝尺寸的差速器，其能夠傳遞與具有較大包裝尺寸的現(xiàn)有差速器相當(dāng)或更大的扭矩負(fù)載。具有較小包裝尺寸的差速器提供更好的燃料效率并可提供空間以潛在地容納具有更多速度或特征的變速器。因此，需要具有較小包裝尺寸且因此用于較小部件的差速器，這將允許通過這樣的差速器組件傳遞較高功率密度的扭矩負(fù)載。

發(fā)明內(nèi)容
公開了粉末金屬錐 齒輪和能夠具有高密度功率傳遞的包括這些齒輪的差速器組件。差速器組件中的粉末金屬錐齒輪能夠通過小的包裝尺寸傳輸功率負(fù)載，從而允許減小整個(gè)差速器組件的占地面積。這減小了具有差速器組件的車輛的重量，提高了其燃料效率，并且為諸如變速器的車輛的其它部件的伸展提供了額外的空間。公開了一種用于在車輛的傳動(dòng)系中傳輸功率的差速器組件。差速器組件包括可圍繞輸出軸線旋轉(zhuǎn)的座架且具有在其中的具有球體直徑的空間，輸出軸線延伸穿過座架。一組相互嚙合的齒輪由座架承載并且包括兩個(gè)間隔開且同軸的側(cè)齒輪，每個(gè)側(cè)齒輪與兩個(gè)間隔開且同軸的小齒輪單獨(dú)地嚙合。一個(gè)側(cè)齒輪在小齒輪的一側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合，并且另一個(gè)側(cè)齒輪在小齒輪的相對(duì)側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合。這兩個(gè)側(cè)齒輪被軸頸支承為可圍繞輸出軸線旋轉(zhuǎn)，并且這兩個(gè)小齒輪被軸頸支承為可圍繞垂直于輸出軸線的軸線旋轉(zhuǎn)。此外，這兩個(gè)小齒輪能夠圍繞輸出軸線運(yùn)轉(zhuǎn)。具有這種結(jié)構(gòu)布置提供了從功率輸入到座架的差速器功率傳遞，這種功率傳遞通過小齒輪傳遞到側(cè)齒輪。在該差速器組件中，相互嚙合的齒輪組的齒輪中的至少一個(gè)為粉末金屬錐齒輪。該粉末金屬錐齒輪包括具有旋轉(zhuǎn)軸線的主體、形成于主體中的軸向延伸孔、以及形成于主體中的多個(gè)齒。多個(gè)齒包括相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線傾斜的部分。小齒輪的齒完全駐留在由球體直徑限定的空間內(nèi)。在加速模擬耐久性測試期間，在油浴中I小時(shí)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，差速器組件能夠通過座架傳輸至少X N m的功率輸入，并且球體直徑為Y mm或更小，其中X和Y通過公式Y(jié)=0.0068 *X+60而彼此相關(guān)。在一些形式的差速器組件中，X可以在1，000N m和12，000N *m的范圍內(nèi)，并且Y可以在60mm和140mm的范圍內(nèi)。此外，小齒輪和側(cè)齒輪可具有在多個(gè)齒中保持在0.55和0.85之間的彎曲應(yīng)力與接觸應(yīng)力比率的齒輪廓。粉末金屬錐齒輪可以是粉末鍛造的。粉末金屬錐齒輪可以是含鐵的，并且可包括在多個(gè)齒上的滲碳表面層。該滲碳表面層可具有圍繞齒的周邊變化的深度，并且可以是在鍛造期間改變形狀的。粉末金屬錐齒輪的主體的外周邊可具有形成于其上的扇形凹口。形成于粉末金屬錐齒輪上的扇形凹口的角位置可與形成于鍛造形成錐齒輪的預(yù)成形壓塊上的扇形凹口的角位置相對(duì)應(yīng)，從而使預(yù)成形壓塊在鍛造期間相對(duì)于鍛造工具角向?qū)R。粉末金屬錐齒輪的軸向延伸孔可包括多個(gè)軸向延伸花鍵，并且在孔中可鍛造保持槽。粉末金屬錐齒輪可具有HRC 20至HRC 50的心部硬度和在多個(gè)齒中大于HRC 50
的表面硬度。還公開了用于上述類型的差速器組件的粉末金屬錐齒輪和一組錐齒輪。另外，這些(多個(gè))齒輪能夠?qū)⒏吖β拭芏蓉?fù)載以可靠方式傳輸通過變速器。本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)將從詳細(xì)描述和附圖顯而易見。以下僅僅是對(duì)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例的描述。為了確定本發(fā)明的全部范圍，應(yīng)該關(guān)注權(quán)利要求，因?yàn)檫@些優(yōu)選實(shí)施例并非意圖成為權(quán)利要求范圍內(nèi)的僅有的實(shí)施例。


圖1示出差速器組件的一部分；圖2是脫離差速器組件的相互嚙合的一組齒輪的詳細(xì)視圖；圖3是相互嚙合的小齒輪和側(cè)齒輪的詳細(xì)視圖；圖4是示出圖3的齒輪的接觸區(qū)域的詳細(xì)視圖；圖5是側(cè)齒輪的軸向延伸通孔的詳細(xì)視圖，其中軸向延伸花鍵和保持槽已形成于側(cè)齒輪中；圖6概括了形成粉末鍛造錐齒輪的方法；圖7是設(shè)計(jì)用于鍛造成錐齒輪的粉末金屬預(yù)成形件；圖8是穿過在鍛造前的齒區(qū)域中的粉末金屬預(yù)成形件截取的剖視圖的示例，該齒區(qū)域?qū)⒈诲懺煨纬勺罱K錐齒輪的齒，其中已沿表面形成均勻的滲碳層；圖9是從具有如圖8中的滲碳輪廓的預(yù)成形件鍛造而成的差速齒輪的剖視圖，其中滲碳層已通過鍛造可變地成形；圖10是示出包括粉末金屬錐齒輪的差速器組件的球體直徑與差速器功率輸入之間的關(guān)系的坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式參看圖1，示出了一種用于前輪驅(qū)動(dòng)車輛的差速器組件10。差速器組件10是車輛傳動(dòng)系的一部分，但整個(gè)傳動(dòng)系未被不出。傳動(dòng)系通常還包括驅(qū)動(dòng)變速器的發(fā)動(dòng)機(jī)，變速器又驅(qū)動(dòng)差速器組件10。當(dāng)差速器組件10接收來自變速器的功率輸入時(shí)，差速器組件10將該功率傳遞到沿輸出軸線A-A從差速器組件10延伸的兩個(gè)側(cè)軸。這兩個(gè)側(cè)軸將功率傳輸至IJ車輪(和它們的相關(guān)組件)以使車輛移動(dòng)。差速器組件10不但將功率傳遞到兩個(gè)側(cè)軸，而且能夠?qū)⒐β瘦斎敫鶕?jù)情況以不均勻方式分配到兩個(gè)側(cè)軸。例如，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，彎道外側(cè)的車輪比彎道內(nèi)側(cè)的車輪行駛得更快?？紤]到車輪的不同行駛距離，側(cè)軸中的一個(gè)將需要比另一個(gè)旋轉(zhuǎn)得更快。同樣，在一些情況下，車輪中的一個(gè)或多個(gè)可能滑動(dòng)，這是因?yàn)?多個(gè))車輪脫離與地面的接觸或在結(jié)冰或潮濕的路面上失去牽引力。在這些情況下，差速器可設(shè)計(jì)成擇優(yōu)分配扭矩到具有牽引力的車輪。首先來看差速器組件10的構(gòu)造，差速器組件10包括可圍繞輸出軸線A-A旋轉(zhuǎn)的座架12，輸出軸線延伸穿過座架12。座架12具有容納一組相互嚙合的齒輪16的內(nèi)室14，相互嚙合的齒輪16至少部分地駐留在油浴(未示出)中。這組相互嚙合的齒輪16包括兩個(gè)側(cè)齒輪18和20以及兩個(gè)小齒輪22和24。這些成對(duì)的齒輪均被軸頸支承到座架12，只不過以不同的方式。兩個(gè)側(cè)齒輪18和20沿輸出軸線A-A間隔開且彼此同軸。這些側(cè)齒輪18和20中的每一個(gè)聯(lián)接到兩個(gè)側(cè)軸之一，使得側(cè)齒輪18和20兩者以及它們對(duì)應(yīng)的側(cè)軸均圍繞輸出軸線A-A旋轉(zhuǎn)。由于座架12以及側(cè)齒輪18和20均可圍繞輸出軸線A-A旋轉(zhuǎn)，側(cè)齒輪18和20以適當(dāng)?shù)姆绞奖惠S頸支承到座架12，以便允許座架12與側(cè)齒輪18和20相對(duì)于彼此不同的旋轉(zhuǎn)速率。為了提供這種軸頸支承，例如，可以在座架12中形成接納墊圈或軸承的軸向內(nèi)孔。這些墊圈或軸承可夾在座架12與側(cè)齒輪18和20中的每一個(gè)的背面或轂之間，以允許側(cè)齒輪18和20在輸出軸線A-A上的旋轉(zhuǎn)獨(dú)立于座架12在輸出軸線A-A上的旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到兩個(gè)小齒輪22和24，兩個(gè)小齒輪22和24沿軸線B-B間隔開且彼此同軸，軸線B-B垂直于且相交于輸出軸線A-A。沿著軸線B-B，軸26延伸穿過座架12的內(nèi)室14并相對(duì)于座架12固定。該軸26支承兩個(gè)小齒輪22和24。為了適應(yīng)這種移動(dòng)，兩個(gè)小齒輪22和24可具有軸承、襯套或位于兩個(gè)小齒輪22和24與軸26和/或座架12的內(nèi)室14的內(nèi)壁之間的涂層。因此，兩個(gè)小齒輪22和24可圍繞由軸26限定的軸線B-B獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，并且此外當(dāng)座架12在輸出軸線A-A上旋轉(zhuǎn)時(shí)能隨座架12 —起圍繞輸出軸線A-A運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖2中最佳示出的，兩個(gè)側(cè)齒輪18和20與兩個(gè)小齒輪22和24兩者在差速器組件10中單獨(dú)地嚙合。在小齒輪22和24的一側(cè)上，側(cè)齒輪18與兩個(gè)小齒輪22和24單獨(dú)地嚙合。在小齒輪22和24的相對(duì)側(cè)上，側(cè)齒輪20也與兩個(gè)小齒輪22和24單獨(dú)地嚙合?？紤]到差速器組件10的構(gòu)造，兩個(gè)側(cè)齒輪18和20與兩個(gè)小齒輪22和24的這種嚙合允許將分配的功率從座架12傳遞到附接到兩個(gè)側(cè)齒輪18和20的兩個(gè)側(cè)軸。在通常的操作中，當(dāng)座架12由于接收來自變速器的功率輸入而旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)小齒輪22和24隨座架12而移動(dòng),從而圍繞輸出軸線A-A運(yùn)轉(zhuǎn)。兩個(gè)小齒輪22和24與兩個(gè)側(cè)齒輪18和20嚙合，以便在座架12旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)側(cè)齒輪18和20以及它們所附接的側(cè)軸。根椐特定的牽引條件以及差速器組件10的剩余部分的構(gòu)造，兩個(gè)小齒輪22和24可有差別地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)側(cè)齒輪18和20，使得功率擇優(yōu)分配到側(cè)軸。當(dāng)兩個(gè)側(cè)軸被同等地驅(qū)動(dòng)時(shí)，小齒輪22和24將圍繞輸出軸線A-A運(yùn)轉(zhuǎn)，但不在軸線B-B上旋轉(zhuǎn)。當(dāng)側(cè)軸以不同速率被驅(qū)動(dòng)時(shí)，小齒輪22和24于是將既圍繞輸出軸線A-A運(yùn)轉(zhuǎn)又在軸線B-B上旋轉(zhuǎn)(這將隨座架12旋轉(zhuǎn))，以提供兩個(gè)側(cè)軸有差別的驅(qū)動(dòng)。值得注意的是，這組相互嚙合的齒輪16形成球體直徑。如本文所用，球體直徑是指具有其中駐留一對(duì)小齒輪22和24的所有齒的直徑的球體。在圖2所示形式中，球體直徑還對(duì)應(yīng)于在小齒輪22和24的背面的凸球表面56，這和與該凸表面56配合的座架12上的凹球表面相同。應(yīng)當(dāng)了解，雖然在圖示形式中限定內(nèi)室14的壁中的一些對(duì)應(yīng)于球體直徑，但內(nèi)室14不必是完全球形的，而是可以涉及容納齒輪和組件的相關(guān)聯(lián)特征所需的其它尺寸。由于座架12僅圍繞輸出軸線A-A旋轉(zhuǎn)，內(nèi)室14可以在側(cè)齒輪18和20側(cè)向向外的區(qū)域中被截短，以減小差速器組件10的總包裝尺寸。這種截短可以在不犧牲差速器組件10的功能性的情況下進(jìn)行。在任何情況下，當(dāng)齒輪尺寸減小時(shí)，將減小球體直徑。當(dāng)球體直徑減小時(shí)，座架12和差速器組件10的總尺寸可以相應(yīng)地更小。這通常被看作是有利的，因?yàn)檩^小的差速器組件減小了車輛的總重量并且還減小了由差速器組件所占據(jù)的車輛中的體積。這種多出的體積可用于減小傳動(dòng)系的總尺寸或允許增加其它傳動(dòng)系部件(例如，變速器)的尺寸。然而，當(dāng)齒輪和差速器組件的尺寸減小時(shí)，為了通過差速器組件傳遞等量的功率，差速器組件必須能夠支持更高功率密度的傳遞。這特別地意味著齒輪必須能夠進(jìn)行高功率密度傳輸并且在這些集中的負(fù)載下不失效。下文公開了能夠傳輸高功率密度負(fù)載的改進(jìn)的尺寸以及制備這種齒輪的方法?，F(xiàn)在另外參照?qǐng)D2至5，相互嚙合的齒輪中的一些顯示為與差速器組件10分開，以更好說明齒輪的結(jié)構(gòu)和齒形。圖2至5中所示所有齒輪均可使用下文將參照?qǐng)D6至9更詳細(xì)描述的方法而由粉末金屬形成。雖然在這些齒輪之間存在一些差別，但它們具有許多類似的特征。齒輪中的每一個(gè)包括具有旋轉(zhuǎn)軸線的主體28。主體28通過鍛造含鐵粉末金屬材料預(yù)成形件而形成，該預(yù)成形件在許多情況下可能已經(jīng)被滲碳。因?yàn)榉勰┙饘俨牧媳诲懺?，所以它將接近全密度。諸如圖3和4中的側(cè)齒輪20的未被修整的齒輪中的一些的主體28的外周邊具有形成于其上的扇形凹口 30。其它齒輪(例如圖2所示側(cè)齒輪18，以及小齒輪22和24)可能一度具有形成于其上的扇形凹口 ；然而，這些扇形凹口在鍛造之后已被加工掉，從而留下可以是截頭球形或截頭圓錐形的表面29。如下文將結(jié)合該方法更詳細(xì)描述的，這些扇形凹口 30在將齒輪的預(yù)成形件在鍛造模具中定向過程中起重要作用。主體28中形成有軸向延伸孔32。如上所述，軸向延伸孔32可用來將齒輪附接到對(duì)應(yīng)的軸(在兩個(gè)小齒輪22和24的情況中的軸26，或在兩個(gè)側(cè)齒輪18和20的情況中的側(cè)軸)。然而，在所示齒形中，并且如圖3和5中最佳示出的，側(cè)齒輪20具有孔32，孔32具有形成于其中的各種特征。特別參照?qǐng)D3和5，側(cè)齒輪20上的孔32形成有多個(gè)軸向延伸的花鍵34和周向保持槽36?？紤]到這些特征的精細(xì)性質(zhì)，它們可以在鍛造工藝期間被鍛造到孔32中。側(cè)齒輪18和20上的軸向延伸花鍵34可用來與側(cè)軸上的花鍵配合以將側(cè)齒輪18和20的旋轉(zhuǎn)鎖定到對(duì)應(yīng)的半軸。保持槽36可用來防止側(cè)軸相對(duì)于側(cè)齒輪18和20的軸向移動(dòng)，并且另外減小部件的數(shù)量和將側(cè)軸組裝到側(cè)齒輪18和20的復(fù)雜性。在主體28中形成有多個(gè)齒38。如圖3的附圖標(biāo)記所指，多個(gè)齒38包括:趾部分40，其大體垂直于旋轉(zhuǎn)軸線且可見于齒輪的前半部附近；傾斜部分42，其相對(duì)于齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線傾斜；以及踵部分44，其可見于齒輪的外周邊46處。因?yàn)槎鄠€(gè)齒38以這種方式形成，所以齒輪按照定義為錐齒輪，這意味著齒輪的齒能彼此成角度地嚙合。因此，如圖1至4所示，側(cè)齒輪18和20的齒與小齒輪22和24的齒嚙合，即使側(cè)齒輪18和20的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于小齒輪22和24的旋轉(zhuǎn)軸線。要注意的是，由于下文將更詳細(xì)描述的齒輪形成的方式，齒輪可鍛造成使得齒38的側(cè)翼的更大部分在側(cè)齒輪18和20與小齒輪22和24之間的嚙合或接觸期間可用。特別地，由下文所述方法鍛造的齒輪也可具有小于0.8mm的齒尖圓角半徑，這允許嚙合的齒之間的更高接觸比率。還應(yīng)當(dāng)了解，齒尖圓角半徑的常規(guī)鍛造的典型下限此時(shí)為0.8_。使用下文所述方法制造的鍛造粉末金屬錐齒輪可具有小于目前的典型下限的齒尖圓角半徑，并且可低至0.2_，這是因?yàn)椴捎昧祟A(yù)成形件形成和鍛造技術(shù)。如圖4中最佳示出的，嚙合的齒之間的接觸區(qū)域48以一定的旋轉(zhuǎn)角度從趾部分40的頂部附近的區(qū)域延伸到踵部分44附近的區(qū)域。接觸區(qū)域?qū)⒃邶X輪組的旋轉(zhuǎn)期間沿齒38的側(cè)翼平移。優(yōu)選地，接觸區(qū)域48在操作條件期間將負(fù)載均勻地分布在齒38的側(cè)翼的趾部分40和踵部分44之間。結(jié)合最優(yōu)化的接觸區(qū)域48，由較低齒尖圓角半徑導(dǎo)致的增加的接觸比率導(dǎo)致在差速器的操作期間在嚙合的齒輪之間的改進(jìn)的負(fù)載共享和負(fù)載傳遞。通過減小齒尖圓角半徑和優(yōu)化接觸區(qū)域圖形并結(jié)合變化的滲碳層深度(下文將解釋)的有益效果，齒輪組的設(shè)計(jì)可適于允許更大的齒輪接觸應(yīng)力，從而減小彎曲應(yīng)力與接觸應(yīng)力的比率，這導(dǎo)致差速器性能的總體提高。通過這些對(duì)齒輪齒形的改進(jìn)，接觸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的比率可達(dá)到0.55至0.85的范圍。對(duì)于由常規(guī)方法制造的齒輪來說，該比率通常接近1.0。因此，較低的接觸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的比率導(dǎo)致較低的峰值彎曲應(yīng)力，從而導(dǎo)致較少的齒斷裂。雖然在圖2至5中無法看到，但多個(gè)齒38還具有滲碳表面層。如下文更詳細(xì)描述的，通過在形成錐齒輪期間可變地鍛造或成形具有開始均勻的厚度的滲碳層，使得齒具有類似于圖9所示輪廓的輪廓，形成這種滲碳表面層。由于齒的表面被滲碳，齒可具有HRC 50至HRC 60或更大的表面硬度，同時(shí)錐齒輪的心部硬度在大約HRC 20至HRC 50的范圍內(nèi)。也可在齒輪中形成其它特征，具體取決于齒輪的特定類型以及特定差速器組件的構(gòu)造。例如，雖然未示出，但離合器齒可形成于側(cè)齒輪上以便在差速器鎖定系統(tǒng)中使用。作為可見于齒輪中的一些上的特征的另一示例，小齒輪22和24包括施壓于內(nèi)室14的壁上的半球形后表面56。當(dāng)然，這些和其它特征可能與差速器的其它設(shè)計(jì)考慮有關(guān)，并且不應(yīng)以任何方式視為限制性的。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖6，示出了一種用于制造這類錐齒輪的方法。根據(jù)步驟58，首先選擇或確定最終錐齒輪形狀，包括在錐齒輪的多個(gè)齒中的最終滲碳輪廓。知道了這種最終形式之后，根據(jù)步驟60，基于最終錐齒輪形狀而導(dǎo)出預(yù)成形件形狀。根據(jù)步驟62，將粉末金屬材料壓實(shí)，并且根據(jù)步驟63將其燒結(jié)成預(yù)成形件形狀。根據(jù)步驟64，與燒結(jié)同時(shí)(未示出，但將為步驟63和64的組合)或在燒結(jié)之后，將預(yù)成形件滲碳成基本上恒定或均勻的滲碳深度。優(yōu)選地，燒結(jié)和滲碳步驟同時(shí)進(jìn)行，以消除額外的工序并降低成本。然后，根據(jù)步驟66，將經(jīng)燒結(jié)和滲碳的預(yù)成形件置于鍛爐中以將預(yù)成形件形狀鍛造成錐齒輪的最終形狀。雖然在圖6中未指出，但該工藝還可包括鍛造后的加工，以便例如從齒輪移除扇形凹口周邊或者精修其它特征或確定其尺寸。
另外參照?qǐng)D7至9，出于說明目的而示出了該方法的具體實(shí)施?，F(xiàn)在進(jìn)一步詳細(xì)地描述該實(shí)施以解釋該方法的步驟可以進(jìn)行的特定方式，并且為了突出該方法的各種優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)步驟58，必須首先確定最終錐齒輪形狀。該步驟可包括不但確定錐齒輪的最終形狀，而且確定齒輪表面上的滲碳層的輪廓。圖9示出一個(gè)特別有益的輪廓，其中滲碳在齒的齒尖處最厚，在齒的根部處具有減小的厚度，并且具有在齒尖和根部之間，例如在節(jié)圓直徑處的中間厚度?？紤]到錐齒輪的特定幾何形狀，將容易了解，齒的橫截面的滲碳輪廓可根據(jù)到旋轉(zhuǎn)軸線的距離而變化。這種有益的可變滲碳輪廓使齒輪能在滲碳較厚的節(jié)圓直徑處經(jīng)受更高的接觸應(yīng)力，同時(shí)避免在彎曲應(yīng)力通常較高的根部處脆斷。反之，該有益效果實(shí)際上不能用常規(guī)鍛造和滲碳的齒輪來實(shí)現(xiàn)，由于擴(kuò)散工藝的限制，該齒輪在節(jié)線和根部直徑處的滲碳深度將是相似的。知道這種最終錐齒輪形狀和滲碳輪廓之后，接著根據(jù)步驟60導(dǎo)出預(yù)成形件形狀。在了解錐齒輪的最終目標(biāo)形狀、最終錐齒輪的齒中的滲碳輪廓以及預(yù)成形件在鍛造之前將被滲碳至基本上均勻或恒定的深度的事實(shí)之后，可以導(dǎo)出預(yù)成形件形狀，該形狀將導(dǎo)致鍛造之后的所需最終部件形狀。這種推導(dǎo)將理想地使用建模軟件進(jìn)行，或者可使用大量的人工計(jì)算來進(jìn)行。一旦導(dǎo)出這種預(yù)成形件形狀，就形成使預(yù)成形件能具有這種形狀的工具組(或者更準(zhǔn)確地說，該工具組將導(dǎo)致在燒結(jié)之后將具有目標(biāo)預(yù)成形件形狀的粉末壓塊)。出于說明目的，圖7中示出了用于錐齒輪的預(yù)成形件68，并且圖8中示出了通過預(yù)成形件68的剖面的剖視圖。預(yù)成形件68包括帶軸向延伸孔72的主體70。多個(gè)預(yù)成形的齒74形成為相對(duì)于預(yù)成形件68的軸線成傾斜的角度。多個(gè)預(yù)成形齒74具有預(yù)成形的齒尖76和預(yù)成形的根部78。應(yīng)當(dāng)注意到，多個(gè)預(yù)成形齒74的輪廓與鍛造的齒輪的最終齒輪廓不同。此外，在圖7中應(yīng)當(dāng)注意到，預(yù)成形件68的外周邊80具有形成于其上的扇形凹口82，這與多個(gè)預(yù)成形齒74的角向定位有關(guān)。一旦預(yù)成形件68被壓實(shí)，即如圖6所示順序地或通過組合步驟63和64而同時(shí)地對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)和滲碳。滲碳深度線在圖8中示出為附圖標(biāo)記84。應(yīng)該指出，由于滲碳為擴(kuò)散工藝，滲碳深度不是如圖所示離散的。相反，該線旨在示出有效滲碳深度。在對(duì)預(yù)成形件68進(jìn)行燒結(jié)和滲碳之后，根據(jù)步驟66對(duì)預(yù)成形件68進(jìn)行鍛造。當(dāng)預(yù)成形件68被插入鍛爐時(shí)，將預(yù)成形件68的外周邊80上的扇形凹口 82對(duì)齊鍛造工具中(最可能地，在鍛爐的模具中)的預(yù)成形件68。扇形凹口 82的放置對(duì)齊鍛造工具內(nèi)的預(yù)成形件68，使得鍛造模具能以所需方式對(duì)預(yù)成形的齒74成形。鍛造模具的接觸表面將具有圖9所示最終齒形狀的倒置的輪廓，并且扇形凹口 82有助于確保預(yù)成形的齒74與鍛造模具接觸表面適當(dāng)?shù)亟窍驅(qū)R。在鍛造期間，預(yù)成形件68鍛造成最終錐齒輪形狀，該齒輪的齒在圖9中示出為剖面。如在圖8和9的剖面的比較中可以看出，在鍛造期間，完全形成具有齒尖88和根部90的多個(gè)齒86，其帶有可變厚度的最終滲碳輪廓92。在各個(gè)點(diǎn)處的可變滲碳輪廓的厚度取決于均勻滲碳層在鍛造期間可變地成形的特定方式。應(yīng)當(dāng)了解，使用現(xiàn)有粉末金屬方法不大可能形成具有本文所述性能的錐齒輪。要注意的是，如果燒結(jié)的預(yù)成形件包含實(shí)現(xiàn)表面硬度要求所需的均勻碳含量，則該預(yù)成形件將由于過大的模具應(yīng)力而很難鍛造成這種復(fù)雜的幾何形狀。在沒有帶多個(gè)預(yù)成形齒74的預(yù)成形件68的情況下，燒結(jié)的預(yù)成形件坯料將具有需要在其中鍛造出齒的截頭圓錐形表面。引入滲碳層的流以形成齒將需要滲碳材料從初始的截頭圓錐表面開始的顯著移位或移動(dòng)，這將對(duì)鍛造的工具施加較大的應(yīng)力，并且常常導(dǎo)致工具失效。這還將為滲碳層的形式設(shè)置嚴(yán)重的限制。同樣，如果未滲碳的部件被鍛造然后滲碳，則不能使用傳統(tǒng)的氣體滲碳來形成所公開的可變輪廓，這是由于純擴(kuò)散滲碳工藝的限制。通過形成帶有多個(gè)預(yù)成形齒74的預(yù)成形件68并在鍛造之前使預(yù)成形的齒74相對(duì)于鍛造模具上的倒置齒輪廓對(duì)齊，可以形成最終齒輪廓，而不將滲碳層的材料移動(dòng)得像預(yù)鍛造的齒表面為截頭圓錐時(shí)那么遠(yuǎn)。因?yàn)闈B碳的材料不需要移動(dòng)很遠(yuǎn)，所以能形成包括上述減小的齒尖圓角半徑的更細(xì)小特征，這提供了允許提高性能的改進(jìn)的齒形。此外，因?yàn)樽罱K部件尺寸在鍛造步驟時(shí)確定，鍛造前的滲碳可以在比鍛造后進(jìn)行滲碳時(shí)高的溫度下進(jìn)行。如果鍛造的部件隨后被滲碳，則進(jìn)行滲碳的溫度需要保持相對(duì)較低，以避免最終部件尺寸的變形或部件的各部分的松垂。因?yàn)闅怏w滲碳為擴(kuò)散工藝，并且與溫度高度相關(guān)，所以在較低溫度下的滲碳將花費(fèi)更長時(shí)間來完成。相比之下，所述工藝允許預(yù)成形件的鍛造前滲碳，此時(shí)，保持預(yù)成形件中的尺寸精度是不太關(guān)鍵的。滲碳能以更高的溫度進(jìn)行，并且滲碳至預(yù)定深度能更迅速地實(shí)現(xiàn)。另外，當(dāng)部件被同時(shí)燒結(jié)和滲碳時(shí)，部件的初始孔隙率在滲碳過程期間可以進(jìn)一步提高滲透速度和深度。由于通過所述工藝制造的齒輪的最終部件尺寸在鍛造期間確定，最終的粉末金屬錐齒輪仍將具有優(yōu)良的尺寸精度。因此，可由具有非常精確控制的滲碳輪廓和最終齒輪形式的滲碳預(yù)成形件形成錐齒輪。傳統(tǒng)地，因?yàn)闈B碳只能在鍛造之后進(jìn)行，所以對(duì)滲碳層的最終輪廓的形狀具有限制。使用該方法制造的齒輪已在類似于差速器組件10的差速器組件中測試出此前未見過的性能?，F(xiàn)在來看圖10，將 由上述方法形成的齒輪置于差速器組件中并經(jīng)受模擬操作條件的差速器組件的加速耐久性測試。該測試在多軸機(jī)床上進(jìn)行，其向差速器輸送扭矩輸入并控制兩個(gè)側(cè)軸之間的速度差(通常在5至20轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi))和扭矩差(通常在20至50%的范圍內(nèi))。加速耐久性測試可以在差速器殼體鎖定就位的情況下以低速進(jìn)行(即，以小于全速度的速度，但以足以在兩個(gè)側(cè)軸之間建立所需速度差的速度)。也通過在合適的油的油浴中在合適的條件下操作測試來模擬實(shí)際潤滑條件。這樣，可以模擬最產(chǎn)生應(yīng)力的潛在操作條件以便為差速器提供最大應(yīng)力條件，這種最大應(yīng)力條件通過恒定地差異化要模擬的差速器，例如在阻力較大的泥濘中在很小的圓圈中高速駕駛車輛而造成。為了形成圖10的坐標(biāo)圖，評(píng)價(jià)具有不同球體直徑和不同應(yīng)用要求的各種尺寸的差速器組件。如上所述，球體直徑為小齒輪的所有齒駐留在其中的球體。評(píng)價(jià)差速器組件以確定具有各種球體直徑的組件能可靠傳遞的差速器輸入扭矩的量。為了能夠在這些條件下可靠地操作，差速器組件的齒輪需要能夠在如上所述最極端的模擬耐久性測試條件下進(jìn)行至少一小時(shí)。應(yīng)當(dāng)了解，在實(shí)際使用中，最極端的條件可能僅周期性地和瞬間發(fā)生。因此，這種加速測試旨在評(píng)估差速器的性能，而不是實(shí)際使用中典型的。在下表1中可找到各種尺寸的差速器的評(píng)估參數(shù)。表權(quán)利要求
1.一種用于在車輛的傳動(dòng)系中傳輸功率的差速器組件，包括: 座架，所述座架可圍繞延伸穿過所述座架的輸出軸線旋轉(zhuǎn)，所述座架具有在其中的具有球體直徑的空間； 一組相互嚙合的齒輪，所述一組相互嚙合的齒輪由所述座架承載并且包括兩個(gè)間隔開且同軸的側(cè)齒輪，每個(gè)側(cè)齒輪與兩個(gè)間隔開且同軸的小齒輪單獨(dú)地嚙合，一個(gè)側(cè)齒輪在所述小齒輪的一側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合，并且另一個(gè)側(cè)齒輪在所述小齒輪的相對(duì)側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合，其中，所述兩個(gè)側(cè)齒輪被軸頸支承為可圍繞所述輸出軸線旋轉(zhuǎn)，并且所述兩個(gè)小齒輪被軸頸支承為可圍繞垂直于所述輸出軸線的軸線旋轉(zhuǎn)且能夠圍繞所述輸出軸線運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提供從功率輸入到所述座架的差速器功率傳遞，所述功率傳遞通過所述小齒輪傳遞到所述側(cè)齒輪，所述一組相互嚙合的齒輪的齒輪中的至少一個(gè)為粉末金屬錐齒輪，所述粉末金屬錐齒輪包括: 主體，所述主體具有旋轉(zhuǎn)軸線； 軸向延伸孔，所述軸向延伸孔形成于所述主體中；以及 多個(gè)齒，所述多個(gè)齒形成于所述主體中，所述多個(gè)齒包括相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸線傾斜的部分； 其中，所述小齒輪的齒完全駐留在由所述球體直徑限定的所述空間內(nèi)；并且 其中，在加速模擬耐久性測試期間，在油浴中I小時(shí)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，所述差速器組件能夠通過所述座架傳輸至少X N !!!的功率輸入，并且所述球體直徑為Y mm或更小，其中X和Y通過公式Y(jié)=0.0068 X+60而彼此相關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速器組件，其特征在于，X在1，000N m和12，000N m的范圍內(nèi)，并且Y在60mm和140mm的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速器組件，其特征在于，所述小齒輪和所述側(cè)齒輪具有將在它們的多個(gè)齒中的彎曲應(yīng)力與接觸應(yīng)力的比率保持在0.55和0.85之間的齒輪廓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速器組件，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪為粉末鍛造齒輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的差速器組件，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪為含鐵的，并且包括在所述多個(gè)齒上的滲碳表面層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的差速器組件，其特征在于，所述滲碳表面層具有圍繞所述齒的周邊的可變深度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的差速器組件，其特征在于，所述滲碳表面層在鍛造期間可變地成形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速器組件，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪的所述主體的外周邊具有形成于其上的扇形凹口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的差速器組件，其特征在于，形成于所述粉末金屬錐齒輪上的扇形凹口的角位置與形成于鍛造形成所述錐齒輪的預(yù)成形壓塊上的扇形凹口的角位置相對(duì)應(yīng)，從而在鍛造期間使所述預(yù)成形壓塊相對(duì)于鍛造工具角向?qū)R。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速器組件，其特征在于，所述軸向延伸孔包括鍛造在其中的多個(gè)軸向延伸花鍵。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的差速器組件，其特征在于，所述軸向延伸孔還包括鍛造在其中的保持槽。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速器組件，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪具有HRC20至HRC 50的心部硬度和在所述多個(gè)齒中大于HRC 50的表面硬度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速器組件，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪具有小于0.8mm的齒尖圓角半徑。
14.一種用于包括座架的差速器組件的粉末金屬錐齒輪，所述座架可圍繞延伸穿過所述座架的輸出軸線旋轉(zhuǎn)，所述座架具有在其中的具有球體直徑的空間，所述粉末金屬錐齒輪為由所述座架承載的一組相互嚙合的齒輪的齒輪中的至少一個(gè)，所述一組齒輪包括兩個(gè)間隔開且同軸的側(cè)齒輪，每個(gè)側(cè)齒輪與兩個(gè)間隔開且同軸的小齒輪單獨(dú)地嚙合，一個(gè)側(cè)齒輪在所述小齒輪的一側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合，并且另一個(gè)側(cè)齒輪在所述小齒輪的相對(duì)側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合，其中，所述兩個(gè)側(cè)齒輪被構(gòu)造成被軸頸支承為可圍繞所述輸出軸線旋轉(zhuǎn)，并且所述兩個(gè)小齒輪被構(gòu)造成被軸頸支承為可圍繞垂直于所述輸出軸線的軸線旋轉(zhuǎn)且能夠圍繞所述輸出軸線運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提供從功率輸入通過所述座架的差速器功率傳遞，所述功率傳遞通過所述小齒輪傳遞到所述側(cè)齒輪，所述粉末金屬錐齒輪包括: 主體，所述主體具有旋轉(zhuǎn)軸線； 軸向延伸孔，所述軸向延伸孔形成于所述主體中；以及 多個(gè)齒，所述多個(gè)齒形成于所述主體中，所述多個(gè)齒包括相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸線傾斜的部分； 其中，所述小齒輪的齒完全駐留在由所述球體直徑限定的所述空間內(nèi)；并且 其中，在加速模擬耐久性測試期間，在油浴中I小時(shí)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，所述一組嚙合的齒輪能夠通過所述座架傳輸至少X N !!!的功率輸入，并且所述球體直徑為Y _或更小，其中X和Y通過公式Y(jié)=0.0068 X+60而彼此相關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的粉末金屬錐齒輪，其特征在于，X在l，000N*m和12，000N m的范圍內(nèi)，并且Y在60_和140_的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的粉末金屬錐齒輪，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪為含鐵的，并且包括在所述多個(gè)齒上的滲碳表面層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的粉末金屬錐齒輪，其特征在于，所述滲碳表面層具有圍繞所述齒的周邊的可變深度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的粉末金屬錐齒輪，其特征在于，所述滲碳表面層在鍛造期間可變地成形。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的粉末金屬錐齒輪，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪的所述主體的外周邊具有形成于其上的扇形凹口，并且其中形成于所述粉末金屬錐齒輪上的扇形凹口的角位置與形成于鍛造形成所述錐齒輪的預(yù)成形壓塊上的扇形凹口的角位置相對(duì)應(yīng)，從而在鍛造期間使所述預(yù)成形壓塊的所述角位置相對(duì)于鍛造工具對(duì)齊。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的粉末金屬錐齒輪，其特征在于，所述粉末金屬錐齒輪具有小于0.8mm的齒尖圓角半徑。
21.一組用于差速器組件的錐齒輪，所述差速器組件具有座架，所述座架可圍繞延伸穿過所述座架的輸出軸線旋轉(zhuǎn)，所述座架具有在其中的具有球體直徑的空間，所述一組錐齒輪包括:兩個(gè)間隔開且同軸的側(cè)齒輪和兩個(gè)間隔開且同軸的小齒輪，一個(gè)側(cè)齒輪被構(gòu)造成在所述小齒輪的一側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合，并且另一個(gè)側(cè)齒輪被構(gòu)造成在所述小齒輪的相對(duì)側(cè)上與兩個(gè)小齒輪嚙合，所述兩個(gè)側(cè)齒輪被構(gòu)造成被軸頸支承為可圍繞所述輸出軸線旋轉(zhuǎn)，并且所述兩個(gè)小齒輪被構(gòu)造成被軸頸支承為可圍繞垂直于所述輸出軸線的軸線旋轉(zhuǎn)且能夠圍繞所述輸出軸線運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提供從功率輸入通過所述座架的差速器功率傳遞，所述功率傳遞通過所述小齒輪傳遞到所述側(cè)齒輪，所述一組錐齒輪的齒輪中的至少一個(gè)包括: 主體，所述主體具有旋轉(zhuǎn)軸線； 軸向延伸孔，所述軸向延伸孔形成于所述主體中；以及 多個(gè)齒，所述多個(gè)齒形成于所述主體中，所述多個(gè)齒包括相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸線傾斜的部分； 其中，所述小齒輪的齒完全駐留在由所述球體直徑限定的所述空間內(nèi)；并且 其中，在加速模擬耐久性測試期間，在油浴中I小時(shí)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，所述一組嚙合的齒輪能夠通過所述座架傳輸至少X N !!!的功率輸入，并且所述球體直徑為Y _或更小，其中X和Y通過公式Y(jié)=0.0068 X+60而彼此相關(guān)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的一組錐齒輪，其特征在于，X在1，000N m和12，000N m的范圍內(nèi)，并且Y在60mm和140mm的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的一組錐齒輪，其特征在于，所述小齒輪和所述側(cè)齒輪具有將在它們的多個(gè)齒中的彎曲應(yīng)力與接觸應(yīng)力的比率保持在0.55和0.85之間的齒輪廓。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的一組錐齒輪，其特征在于，所述齒輪中的至少一個(gè)具有小于0.8mm的齒尖圓角半徑。`
全文摘要
公開了一種差速器組件、用于該組件的錐齒輪以及制造該錐齒輪的方法。錐齒輪具有以可靠方式提供高功率密度傳遞的形式?？蓽p小齒輪的球體直徑和差速器組件的總體尺寸。
文檔編號(hào)B22F5/08GK103118820SQ201180031191
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者A·J·切薩, D·E·蘭哈特, H·J·諾特, T·E·蓋曼 申請(qǐng)人:Gkn燒結(jié)金屬有限公司