本公開總體上涉及車輛傳動系總成。特別地，本公開涉及用于將螺旋或準(zhǔn)雙曲面錐環(huán)形齒輪連接到差速器箱的方法，以及根據(jù)該方法設(shè)置的環(huán)形齒輪/差速器箱總成。

背景技術(shù)：

作為背景并且參考圖1A和1B，示出了代表性的差速器支架100，其是車輛動力傳動系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)將驅(qū)動動力從車輛發(fā)動機(jī)傳遞到車輛驅(qū)動輪。差速器支架100的所示實(shí)施例是用于后車軸差速器的。然而，這不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制性的，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員熟知差速器類型和設(shè)計的變化。

差速器支架100包括由輸入驅(qū)動軸104驅(qū)動的齒輪總成(總體由附圖標(biāo)記102表示)。齒輪總成102可操作地連接到一對輸出驅(qū)動軸106、106’，由此將扭矩和旋轉(zhuǎn)由車輛發(fā)動機(jī)108傳遞到車輪112(參見圖1B)。當(dāng)然，通常包括附加元件，用于將驅(qū)動動力(圖1B，參見箭頭)從發(fā)動機(jī)108傳遞到車輪112，例如變矩器114、變速器116等。

返回圖1A，準(zhǔn)雙曲面環(huán)形齒輪和差速器總成118可操作地連接到輸入驅(qū)動軸104。準(zhǔn)雙曲面環(huán)形齒輪和差速器總成118包括準(zhǔn)雙曲面環(huán)形齒輪122，其與差速器總成的準(zhǔn)雙曲面小齒輪119嚙合。眾所周知，螺旋形或準(zhǔn)雙曲面齒輪因其螺旋形的螺旋錐齒輪齒而命名，螺旋錐齒輪齒比具有直齒的常規(guī)縱切齒輪或直齒圓柱齒輪(spur-cut gear)產(chǎn)生更少的振動和噪聲。如圖所示，準(zhǔn)雙曲面環(huán)形齒輪和差速器總成118/輸入驅(qū)動軸104的軸線基本上垂直于差速器支架100/輸出驅(qū)動軸106、106’的軸線。在提供環(huán)形齒輪122和雙曲面小齒輪119之間所需的嚙合的配置中，環(huán)形齒輪122連接到差速器箱120的一部分，該差速器箱120是已知的用于差速器支架100的殼體。齒輪總成102也可以包括側(cè)齒輪126。當(dāng)輸入驅(qū)動軸104旋轉(zhuǎn)時，準(zhǔn)雙曲面小齒輪119也旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動環(huán)形齒輪122的旋轉(zhuǎn)。通過該旋轉(zhuǎn)，將扭矩和旋轉(zhuǎn)通過輸出驅(qū)動軸106、106’傳遞到車輪112。

在車軸或后驅(qū)動模塊組裝期間這些部件的對準(zhǔn)是重要的，因?yàn)槿缢忉尩?，環(huán)形齒輪122必須與完整車軸或后驅(qū)動模塊總成中的準(zhǔn)雙曲面小齒輪119嚙合，以傳遞所需的扭矩/旋轉(zhuǎn)到車輪122。通常，這些元件由不同的且可能不可以焊接接合的材料制成。例如，環(huán)形齒輪122通常由鋼或滲碳或不滲碳的合金制成，并且差速器箱120通常由球墨鑄鐵制成。至少由于不同的材料熔化溫度，焊接這樣的不同材料是具有挑戰(zhàn)性的。為此，用于連接兩者的最常見方法是使用常規(guī)緊固件提供螺栓連接。雖然有效，但是這種常規(guī)的連接方式增加了所需的勞動和伴隨的成本，并且還會增加不期望的重量和包裝尺寸。

為此，已經(jīng)考慮焊接作為將環(huán)形齒輪連接到差速器箱的常規(guī)緊固件的替代方案。已經(jīng)嘗試過激光焊接以提供牢固的連接，盡管制造準(zhǔn)雙曲面環(huán)形齒輪和差速器箱的材料不兼容。在激光焊接中，盡管上述材料的不相容性，但是通常使用鎳線來提供堅固且一致的焊接。不利的是，與激光焊接相關(guān)的高焊接溫度和快速冷卻速率可能導(dǎo)致驅(qū)動環(huán)形齒輪變形或翹曲，從而妨礙環(huán)形齒輪和配合小齒輪之間所需的精確對準(zhǔn)。此外，常規(guī)的激光焊接技術(shù)產(chǎn)生焊接飛濺，其可能粘結(jié)到環(huán)形齒輪的齒和車輛差速器總成的其他部件上，可能導(dǎo)致部件的磨損和壽命減少和/或故障。同樣，這種情況可能在最終的車軸/車輛總成中表現(xiàn)為不期望的噪聲/振動/粗糙度。為了避免這種焊接飛濺，需要提供屏蔽并實(shí)施焊后維護(hù)和清潔協(xié)定。此外，激光焊接與其它焊接技術(shù)相比是高能效的，并且由于使用激光技術(shù)而需要專門的安全和維護(hù)方案。此外，要激光焊接的部件必須非常干凈，最常見的是激光清潔。這些因素中的每一個不期望地增加了制造/組裝準(zhǔn)雙曲面環(huán)形齒輪/差速器箱總成的勞動需求和附帶成本。

因此，本領(lǐng)域中需要改進(jìn)用于在車輛傳動系統(tǒng)/動力傳動系統(tǒng)制造和組裝期間將環(huán)形齒輪接合到差速器箱的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本文所述的目的和益處并且為了解決上述總結(jié)的和其它問題，在一個方面，描述了一種制造環(huán)形齒輪/差速器箱總成的方法，包括提供和對準(zhǔn)具有差速器箱凸緣的差速器箱和具有環(huán)形齒輪凸緣的環(huán)形齒輪。環(huán)形齒輪凸緣和差速器箱凸緣被設(shè)置尺寸并保持彼此相鄰，以在附接時提供環(huán)形齒輪與配合的準(zhǔn)雙曲面小齒輪的所需對準(zhǔn)和嚙合。在環(huán)形齒輪的外徑和差速器箱凸緣的內(nèi)徑之間提供預(yù)定的公差或配合，例如通過配置用于保持兩個部件彼此相鄰以便附接的機(jī)械裝置，由此在兩者的至少一部分之間提供預(yù)定尺寸的間隙。在實(shí)施例中，這通過在差速器箱的每個轂處同軸地保持差速器箱來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)而，環(huán)形齒輪由適當(dāng)?shù)谋３制鞅３?，以?shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)和預(yù)定的公差。

接下來，使用摩擦焊接工藝將環(huán)形齒輪凸緣附接到差速器箱凸緣，由此預(yù)定間隙在環(huán)形齒輪和差速器箱之間提供流出通道，用于接收在摩擦焊接鐓鍛步驟期間產(chǎn)生的溢流材料或溢料。以這種方式，避免了由這種溢流材料對差速器部件的污染。此外，基本上避免了任何對焊后清理的需要，而不影響部件形狀、配合或功能。在實(shí)施例中，提供了從0.01到0.1英寸的預(yù)定間隙。

在本公開的其它方面，提供了根據(jù)所公開的方法制造的環(huán)形齒輪/差速器箱總成。

在下面的描述中，示出并描述了所公開的環(huán)形齒輪/差速器箱總成及其制造方法的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，所描述的總成和方法能夠具有其它不同的實(shí)施例，并且它們的一些細(xì)節(jié)能夠不脫離如所附權(quán)利要求中闡述和描述的裝置和方法在各種顯而易見的方面進(jìn)行修改。因此，附圖和說明書應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為本質(zhì)上是說明性的而不是限制性的。

附圖說明

結(jié)合在此處形成說明書一部分的附圖示出了所公開的環(huán)形齒輪/差速器箱總成及其制造方法的若干方面，并與說明書一起用于解釋其某些原理。在附圖中：

圖1A描繪了現(xiàn)有技術(shù)的車軸支架總成的分離視圖；

圖1B描繪了現(xiàn)有技術(shù)的車輛和車輛動力傳動傳動系統(tǒng)；

圖2示出了根據(jù)本公開的環(huán)形齒輪/差速器箱總成的橫截面?zhèn)纫晥D，用來闡釋背面焊接；

圖3示出了圖2的環(huán)形齒輪/差速器箱總成的橫截面?zhèn)纫晥D，用來闡釋內(nèi)部焊接；和

圖4示出了用于制造圖2的環(huán)形齒輪/差速器箱總成的典型的摩擦焊接裝置。

現(xiàn)在將詳細(xì)參考所公開的環(huán)形齒輪/差速器箱總成及其制造方法的實(shí)施例，其示例在附圖中示出，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的特征。

具體實(shí)施方式

如上所述，制造兩個部件的不同材料(例如，用于環(huán)形齒輪122的鋼或合金以及用于差速器箱120的球墨鑄鐵)在連接/接合兩者中存在工程挑戰(zhàn)。進(jìn)而，必須解決部件精確對準(zhǔn)從而為環(huán)形齒輪122和準(zhǔn)雙曲面小齒輪119提供適當(dāng)嚙合的問題。

摩擦焊接是固態(tài)焊接工藝，在此處通過在彼此接觸放置的工件上施加機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱量。在該過程中，施加額外的側(cè)向力(“鐓鍛(upset)”力)以塑性地置換和熔合工件的材料。在高水平下，不同材料的分子置于足夠的摩擦熱和壓力下以形成接合。因?yàn)闆]有發(fā)生材料熔化，所以摩擦焊接不是傳統(tǒng)意義上的焊接工藝，而是實(shí)際上是鍛造技術(shù)?？焖俳雍蠒r間和在摩擦焊接提供的焊接界面處的直接熱輸入導(dǎo)致相對小的熱影響區(qū)。此外，摩擦焊接技術(shù)基本上不熔融，避免了工程材料中的晶粒生長。此外，在摩擦焊接期間在表面之間產(chǎn)生的相對運(yùn)動在待接合的材料的表面上提供清潔效果。因此，在摩擦焊接過程之前需要較少的工件表面準(zhǔn)備，并且在之后需要較少的工件表面清潔。

摩擦焊接的有利之處還在于，可以實(shí)現(xiàn)極度不同的材料之間的強(qiáng)結(jié)合，而不需要額外的緊固件。不同材料(例如鋼/合金和球墨鑄鐵)的熔化溫度的差異妨礙了使用常規(guī)焊接技術(shù)。然而，如上所述，摩擦焊接不需要材料熔化，而是提供摩擦誘導(dǎo)的不同材料分子的塑性置換和熔接。這提供了不同材料之間的完全強(qiáng)度結(jié)合，而沒有額外的重量，并且如上所述，不需要后焊接清理。摩擦焊接的多種變型在本領(lǐng)域中是已知的，包括旋轉(zhuǎn)焊接、線性摩擦焊接、摩擦表面加工、線性振動焊接、角摩擦焊接和軌道摩擦焊接。每種方法具有相同的優(yōu)點(diǎn)，即不需要熔化任一種材料，而是采用摩擦熱以在兩種不同材料之間產(chǎn)生塑性區(qū)域，由此施加外力(鐓鍛)將材料鍛造成單一的均質(zhì)材料界面。

摩擦焊接的另一個優(yōu)點(diǎn)是不同材料可以精確地對準(zhǔn)用于接合，因?yàn)橥ㄟ^控制材料鐓鍛的量，可以在自動化工藝中提供非常窄的公差。繼而，因?yàn)槟Σ梁附庸に囆枰瘸Ｒ?guī)焊接技術(shù)更低的溫度，所以部件可以在制造或機(jī)械加工過程的后期階段(例如在最終組裝時)連接，而不需要后焊接清理或其他工藝。甚至，由于與摩擦焊接相關(guān)的較低溫度，還降低了部件翹曲/變形的風(fēng)險。

在實(shí)施摩擦焊接以將環(huán)形齒輪122連接到差速器箱體120上時需要克服的工程挑戰(zhàn)是產(chǎn)生溢流材料或“溢料”，即工件材料的小顆粒，其在摩擦焊接/鐓鍛工藝期間由工件中壓出。這些小顆粒可能沉積在差速器支架100的其它元件內(nèi)，導(dǎo)致對齒輪總成102和其中的其它部件的損壞，并且減少部件的使用壽命。雖然這可以通過摩擦焊接后清潔步驟來解決，但希望避免額外的勞動和伴隨的成本。

為了解決這個問題和其它問題，參考圖2，單獨(dú)示出了根據(jù)本公開的環(huán)形齒輪/差速器箱總成200。如圖所示，總成200包括差速器箱202，如上所述，差速器箱202通常由諸如球墨鑄鐵的第一材料制成。差速器箱202包括或限定具有內(nèi)徑的凸緣204。

圖2還示出了具有限定外徑的環(huán)形齒輪凸緣208的環(huán)形齒輪206。環(huán)形齒輪206通常由第二材料制成，諸如鋼或具有與第一材料不同的物理性質(zhì)(例如硬度、熔化溫度等)的合金。如圖所示，環(huán)形齒輪凸緣208必須連接到差速器箱凸緣204，由此在組裝之后，提供環(huán)形齒輪206與配合的準(zhǔn)雙曲面小齒輪(在該視圖中不可見)所需的對準(zhǔn)和嚙合。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，環(huán)形齒輪凸緣208和差速器箱凸緣204被保持以用于摩擦焊接過程，由此提供沿著環(huán)形齒輪凸緣208和差速器箱凸緣204的一部分的緊密接觸，同樣由此使間隙214被限定在環(huán)形齒輪凸緣208的外徑的一部分和差速器箱凸緣204的內(nèi)徑之間。這在一個實(shí)施例中通過配置自動機(jī)械裝置來實(shí)現(xiàn)，該自動機(jī)械裝置被用來保持兩個部件彼此相鄰以進(jìn)行連接，從而提供期望的齒輪嚙合/對準(zhǔn)、環(huán)形齒輪凸緣208的一部分和差速器箱凸緣204之間的緊密接觸以及預(yù)定間隙214。

在實(shí)施例中，這通過在差速器箱202的每個轂處同軸地保持差速器箱202來實(shí)現(xiàn)。繼而，提供固定環(huán)形齒輪206的保持器，用于實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)和預(yù)定間隙214。在一個實(shí)施例中，預(yù)定間隙214為至少0.01英寸，但是應(yīng)當(dāng)理解，可能需要根據(jù)不同的差速器總成構(gòu)造和/或尺寸選擇替代的間隙/公差。

接下來，使用摩擦焊接工藝將環(huán)形齒輪肩部208連接到差速器箱導(dǎo)向件(differential case pilot)204。如上所述并且如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，摩擦焊接源于由摩擦焊接機(jī)(見圖4)在環(huán)形齒輪凸緣208和差速器箱凸緣204的接觸表面上施加的機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱。在該過程中，由摩擦焊接機(jī)施加額外的側(cè)向力(通常稱為鐓鍛步驟)以塑性置換并融合環(huán)形齒輪凸緣208和差速器箱凸緣204的不同材料，從而在兩者之間形成焊接或融合216。摩擦焊接工具控制器被配置為將環(huán)形齒輪206的節(jié)線(pitch line)212設(shè)定為相對于差速器箱202的取向的期望角度。

參考圖3，如圖所示，提供的預(yù)定間隙214還在環(huán)形齒輪凸緣208和差速器箱凸緣204之間產(chǎn)生流出通道，用于接收在摩擦焊接鐓鍛過程期間產(chǎn)生的溢流材料218或溢料。如圖所示，溢流材料218分散到間隙214中，而不接觸差速器總成的各種所述元件中的任何一個。以這種方式，基本上避免了溢流材料對任何差速器部件的污染、焊后清理等，而不影響部件形狀、配合或功能。

摩擦焊接機(jī)的基本元件在本領(lǐng)域中是已知的，并且在本文中不需要過多的討論。然而，圖4示出了可應(yīng)用于制造如上所述的環(huán)形齒輪206/差速器箱204總成的代表性摩擦焊接機(jī)400。基座402支撐機(jī)器400。該機(jī)器包括旋轉(zhuǎn)部分404和固定部分406。固定部分406包括偏置元件408，例如氣動或液壓缸，其推動(參見箭頭A)由合適的保持器410保持的環(huán)形齒輪206朝向由旋轉(zhuǎn)部分404保持的差速器箱204移動?？梢栽O(shè)想任何合適的保持器410，包括但不限于具有如圖所示的抗旋轉(zhuǎn)銷412的夾爪，齒套板(tooth nest plate)等。

如圖所示的旋轉(zhuǎn)部分404包括在伺服馬達(dá)的控制下的計算機(jī)數(shù)字控制(CNC)致動的主軸414。主軸414配置成通過伺服馬達(dá)418的作用使由夾具416(見箭頭B)保持的差速器箱204旋轉(zhuǎn)。如上所述，由CNC控制的伺服馬達(dá)422致動的滾珠絲杠420推動夾緊的差速器箱204(參見箭頭C)抵靠由固定部分406保持的環(huán)形齒輪206。通過差速器箱204的旋轉(zhuǎn)和由滾珠絲杠420/偏置元件408施加的鐓鍛鍛造力的組合，環(huán)形齒輪206和差速器箱204如上所述地被摩擦焊接。

出于說明和描述的目的呈現(xiàn)前述內(nèi)容。其并不旨在窮舉或?qū)?shí)施例限制為所公開的精確形式。根據(jù)上述教導(dǎo)，顯而易見的修改和變化是可能的。當(dāng)根據(jù)所附權(quán)利要求公平、合法和公正地享有的寬度來解釋時，所有這些修改和變化在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。