形成单件式部件的方法

专利名称：形成单件式部件的方法
技术领域：
本发明总体上涉及金属成型，具体涉及形成在自动变速器中传递扭矩的单件式部
件。更具体地，本发明涉及从冷成型或热成型的预成型件形成作为单件的环形齿轮-驻车 制动鼓。
背景技术：
后轮驱动机动车辆的自动变速器的运动机构(kinematic arrangement)可以包括 拉威挪齿轮组(Ravigneaux gearset)，该齿轮组的部件包括两个太阳齿轮、围绕太阳齿轮 的环形齿轮，及两组行星小齿轮。第一组小齿轮与第一太阳齿轮和环形齿轮啮合，第二组小 齿轮与第二太阳齿轮和第一组小齿轮啮合。变速器输出扭矩由环形齿轮承载，并在轴向上 由驻车制动鼓传递到径向盘并在径向上传递到套管(sleeve)或套节(hub)，该套管或套节 由花键连接到变速器输出轴并连接到径向构件。 环形齿轮形成有螺旋内轮齿。驻车制动鼓形成有外齿，外齿可由驻车棘爪接合并 固定到变速箱上以用于在车轮制动器分离时防止车辆意外地移动。 根据目前的制造工艺，环形齿轮、驻车制动鼓、径向盘及其套节是作为分离的部件
形成的，且每个部件均按照精确尺寸制造。环形螺旋齿轮(helical ring gear)激光焊接
到驻车制动鼓。输出轴套节_径向盘使用花键和卡环连接到驻车制动鼓。 驻车制动鼓、输出轴套节和径向盘广泛地形成以用于在应用中承载主要的扭转负
荷。每个部件均按照紧密公差机械加工。然而，不能将环形齿轮直接地机械加工到驻车制
动鼓中，因为必须对环形齿轮进行拉削(broached)，这需要长的拉刀(broachbar)完全地
穿过环形齿轮。 现有技术中存在这样的需要使这些分离部件的组合整体形成，即形成为单个部 件，不需要部件之间的粘合、焊接或机械连接，而仍然提供到变速器轴的机械连接。

发明内容
—种用于形成在自动变速器中传递扭矩的部件的方法包括形成具有与轴线同心 并沿轴线延伸的套节的工件并在工件上形成与套节集成并在轴向上从套节向外延伸的盘。 中空预成型圆筒与盘整体形成、位于盘远离套节的径向端部、与轴线同心，并包括内表面和 外表面。使用位于中空预成型圆筒内并具有形成有轮齿的外表面的旋压成型心轴使中空预 成型圆筒旋压成型，以使中空预成型圆筒的内表面符合旋压成型心轴的至少部分轮齿。
根据本发明的另一方面，提供一种用于形成与行星齿轮组接合的部件的方法。该 方法包括下述步骤(a)形成具有与轴线同心并沿轴线延伸的套节的工件；(b)形成与套节 集成并在径向上从套节向外延伸的盘；(C)形成与盘集成、位于盘的径向端部、沿轴线延伸 并与轴线同心的中空圆筒；及(d)使用位于中空圆筒内的心轴使中空圆筒旋压成型，以使 中空圆筒的内表面符合心轴的至少部分外表面。 根据本发明的又一方面，提供一种用于形成与行星齿轮组接合的部件的方法。该
3方法包括下述步骤(a)形成具有与轴线同心并沿轴线延伸的套节的工件；(b)形成与套节 集成并在径向上从套节向外延伸的盘；(c)形成与盘集成、位于盘的径向端部、沿轴线延伸 并与轴线同心的中空圆筒；及(d)使用位于中空圆筒内并具有形成有轮齿的外表面的旋压 成型心轴使中空圆筒旋压成型，以使中空圆筒的内表面符合旋压成型心轴上的至少部分轮 齿。在一个实施例中，步骤(b)还包括使工件上将形成为所述盘的内表面的表面与拉延心 轴相互接触，所述拉延心轴包括与工件上将形成为盘的部分接触的表面；及迫使拉延环在 工件上移动并迫使第三模的表面靠住所述拉延心轴，以形成所述盘。 与多件式装置相比，单件式环形齿轮-驻车制动鼓可以用较低成本制造且不需要
机械连接、焊接或粘合连接。与四件式总成相比，装配期间的复杂性极大地降低。由于部件 较少且没有部件间连接，这可以减少保修期内部件故障的可能性进而降低保修成本。本发 明的部件内在地具有更高的刚性并且比多件式总成轻。 优选实施例的适用范围通过下面的详细说明、本申请的权利要求书和附图将变得 明晰可见。应理解，说明书和具体示例虽然表示出本发明的优选实施例，但仅用于说明目 的。对所述实施例和示例的各种改变和修改将对于本领域技术人员变得明晰可见。


图1示出用于制造预成型圆筒的一系列工艺步骤的示意图； 图2是图1所示预成型件通过旋压成型形成的轮廓的侧视图； 图3是从图1所示的杯状预成型件冷成型得到的圆筒的透视图； 图4是从图3所示圆筒切割得到的圆柱形坯件的透视图； 图5A至5D是示出形成环形齿轮和离合器环的工艺步骤的横截面； 图6是示出切割为片段之前的图5A至5D所示环形齿轮和离合器环的横截面； 图7是单向离合器的外环的正视图； 图8是具有螺旋内轮齿的环形齿轮的透视图； 图9是从预成型圆筒冷成型并切割得到并准备成型为离合器环的一系列片段的 透视图； 图10是从预成型圆筒冷成型并切割得到并准备成型为环形齿轮的一系列片段的 透视图； 图11是包含形成单件的集成的环形齿轮_驻车制动鼓的自动变速器的拉威挪齿 轮组的侧视图； 图12A至12D是示出形成图11所示环形齿轮_驻车制动鼓的工艺步骤的横截面； 图13是图11所示集成的环形齿轮_驻车制动鼓的透视图；及 图14是图11所示集成的环形齿轮_驻车制动鼓的透视图。
具体实施例方式
结合附图参考下面的说明，可以更容易地理解本发明。 现参考附图，图1示出工件10，该工件10优选地为板、圆棒的切片、或碳钢的板巻， 并通过常规的冷锻、热锻或拉延方法形成具有中孔11的拉长的杯形12。在使杯形的预成型 件12退火以软化材料从而使预成型件12较不脆并释放内部应力之后，通过各种方法、包括通过旋压成型操作加工杯形的预成型件12，以制造具有内表面16、外表面18和由径向法兰 22部分地封闭的端部20的净形预成型件14。 图2所示的旋压成型过程使用具有外表面26的心轴24。净形预成型件14套在心 轴上并通过尾座28夹持法兰22以在其端部20固定到心轴的端部。迫使围绕轴线32互相 成角度隔开的若干个滚子30与预成型件14的外表面接触。每个滚子30围绕各自的轴线 34旋转并沿轴32向左平移。 通过预成型件14和滚子30之间的接触压力及滚子在心轴24和预成型件上的运 动，使预成型件14的外表面18旋压成型为圆筒40。预成型件14的内表面16由于预成型 件14和心轴24的外表面之间的接触压力而旋压成型。当滚子30和滚子进给装置(roller feed) 36作为一个单元沿轴线32移动并在角度上和径向上相对于该轴线移动时，预成型件 14的圆柱形壁的材料在轴向和径向上相对于轴线32流动。 以此方式可以使预成型件14旋压成型，以使其外表面和内表面与如图3所示的长 圆筒40相同。 或者，预成型件14的外表面18可以不是均匀的圆柱形，而是使圆筒41形成有外 部特征(exterior features)，如由于当滚子30既在轴向上围绕轴线32移动又在径向上相 对于轴线32移动、如图2所示在轴线32上方移动时，预成型件的圆柱形壁的材料在轴向上 和径向上相对于轴线32流动，该圆筒41的壁厚可以变化。 类似地，心轴24的外表面26可以不同于圆柱形。例如，心轴24的外表面26可以 形成有沿心轴的至少部分长度延伸的螺旋轮齿，或心轴24的外表面可以形成有用于单向 离合器的外环的凸轮斜面(cam ramps)，这些凸轮斜面围绕轴线32设置并沿心轴的至少部 分长度延伸。在这些情况下，预成型圆筒14的内表面16将旋压成型为具有螺旋轮齿或者 凸轮斜面。 如图4所示，然后通过多种技术中的任何技术、包括激光切割，将旋压成型的圆筒 40、41相对于轴线32横向切割为多个环形片段或坯件15、42。优选地，通过从喷嘴44在轴 向上隔开的位置处引导至旋转的圆筒上的高压水集中喷射、优选地水中包含石榴石金刚砂 (garnet)，将圆筒40、41切割为片段42。然后，对片段42进行精加工(finish machined)、 热处理并上涂层。 参考图5A至5D描述称为模内成型(in-die forming)的用于形成预成型圆筒的 替代工艺。冲压具有中心导孔52且优选地由超低碳钢制成的圆板或片50，使中心导孔具有 约2. 54厘米(=1. 0英寸)的直径。板50具有上表面54和下表面56。如果板50由高碳 钢制成，则在执行渐进成型阶段之前使其退火。 板50放置在以轴线32为中心的实心模58上。模58包括具有内半径64的肩部 62和具有外表面68的主体66。液压机(未示出)迫使与板50的上表面54接触的拉延环 70在多个渐进的阶段中向下移动以使该板符合肩部62的表面、半径64及表面68。
如图5C所示，当拉延环70沿轴线32向下移动时，孔52的直径增加，以期望的长 度形成径向法兰22，且由于迫使拉延环70在预成型板上移动时模和板之间的接触压力，迫 使预成型板50符合模58的外表面68的形状。 当板50成型为图2中的轴线32下方示出的预成型圆筒14的形状时，将模58从 预成型圆筒中移除并由心轴24替代该模。使用尾座28以将法兰22夹持到心轴24的轴向
5端部。然后迫使滚子30与预成型件14的外表面18接触。每个滚子30围绕各自的轴线34 旋转并沿轴线32平移。 预成型件14的外表面由预成型圆筒14和滚子30之间的接触压力及滚子在心轴 24和预成型件上的移动旋压成型。预成型圆筒14的内表面由于迫使预成型件与心轴24的 外表面26接触的接触压力而旋压成型。当滚子30在轴向上沿轴线32移动、在周向上围绕 该轴线移动，并在径向上相对于该轴线移动时，预成型件14的圆柱形壁的材料在轴向上和 径向上相对于轴线32流动。 优选地，心轴24的外表面26形成为具有圆筒71、螺旋轮齿72 (如在自动变速器的 行星齿轮组中的环形齿轮的内表面上形成的螺旋轮齿)，或凸轮斜面73(如在单向离合器 的离合器环的内表面上形成的凸轮斜面)。在执行旋压成型步骤时，预成型件14成为圆筒 40、41的形状且预成型件14的内表面符合心轴24的外表面26上的形状。以此方式，可以 在心轴24的外表面26上旋压成型出螺旋轮齿72、凸轮斜面73或圆筒71。
在执行旋压成型步骤之后，旋压成型的圆筒40、41将具有图6所示的形状。对内 表面16进行渗碳和感应加热。接下来，将圆筒40、41的外表面磨削为其最终形状。
然后，如参考图3和图4所述使用激光切割方法或高压水集中喷射将旋压成型的 圆筒40、41相对于轴线32横向切割为多个片段或环形坯件76。取决于心轴24的外表面 26的形状，片段76将具有直圆柱环78、环形齿轮80或单向离合器的离合器环82的形状。
图7示出单向离合器的离合器环82，该离合器环具有在离合器环的内表面上形成 的凸轮斜面74。离合器环82的凸轮斜面74在使用过程中由接合元件接合，如由滚子、楔块 (sprag)或球接合，以在离合器的内环和外环之间产生传动连接。 图8示出具有螺旋内轮齿84的用于自动变速器的行星齿轮组的环形齿轮80，该螺 旋内轮齿84是通过在模具(die tooling)中在预成型圆筒40、41的内表面上挤出成型产 生轮齿净形而冷成型得到的。 参考图9描述用于在模具中通过挤出成型产生凸轮斜面净形以冷成型得到离合 器环90的替代方法。如参考图1至图4或图5A至5D和图6所述，使预成型圆筒40、41旋 压成型并切割为具有圆柱形内表面16和外表面18的片段42。优选地，预成型圆筒40、41 的长度足以产生约十个片段42，并从每个片段42形成离合器环90。 对每个圆柱形片段42进行球化退火并用标准的磷酸盐/润滑皂涂层(phosphate/ so即coating)涂覆，这些处理是金属成型操作中的常规处理。 如图9所示，片段42靠住精确磨削成型心轴94放置在挤出成型模具 (extrusiontooling)上，该心轴94的外表面上形成有将在离合器环90的内表面上形成的 凸轮斜面74的互补形状(negative)。标准的液压机设备用于迫使心轴94沿轴线96进入 并穿过圆柱形片段42以在片段42的内表面16上形成凸轮斜面74。 在片段42的内表面上形成凸轮斜面74之后，在紧密公差之内磨削片段的外表面 18且内表面16具有围绕轴线96成角度设置并形成近净形(near net shape)的一系列凸 轮斜面74。然后，对离合器环90进行精加工、热处理并上涂层。 参考图10描述用于通过在模具中挤出成型产生轮齿净形以冷成型得到环形齿轮 100的替代方法。首先，参考图1至图4或图5A至5D和图6所述，使预成型圆筒40、41成 型并切割为具有圆柱形内表面16和外表面18的片段42。优选地，预成型圆筒40、41的长度足以产生约十个片段42，并从每个片段42形成环形齿轮100。 对每个圆柱形片段42进行球化退火并用标准的磷酸盐/润滑皂涂层涂覆，这些处 理是金属成型操作中的常规处理。 如图10所示，片段42靠住精确磨削成型的心轴104放置在挤出成型模具中，该 心轴104的外表面上形成有将在环形齿轮100的内表面上形成的螺旋轮齿84的互补形状 106。如其完整公开内容结合在此作为参考的美国专利5， 465， 597所述类型的标准的液压 机设备可用于迫使心轴104沿轴线96进入并穿过圆柱形片段42以在片段42的内表面16 上形成轮齿84。 在片段42的内表面上形成轮齿84之后，在紧密公差之内磨削片段42的外表面18 且内表面16具有围绕中心轴线96成角度设置并形成近净形的轮齿。然后，对环形齿轮IOO 进行精加工、热处理并上涂层。 参考图ll，用于后轮驱动机动车辆的自动变速器的运动机构的一部分包括拉威挪 齿轮组118，该齿轮组118的部件包括第一太阳齿轮120、第二太阳齿轮122、环形齿轮124， 及两组行星小齿轮126、128。第一组小齿轮126与第一太阳齿轮120和环形齿轮124啮合； 第二组小齿轮128与第二太阳齿轮122和第一组小齿轮126啮合。 通过环形齿轮-驻车制动鼓130将变速器输出扭矩传递给变速器输出轴140，该环 形齿轮-制动鼓130是整体形成的、即作为单个部件而不需要两个或多个部件之间的粘合、 焊接或机械连接。环形齿轮_驻车制动鼓130包括环形齿轮124、驻车制动鼓132、径向盘 134，及筒形套节(sleeve hub) 136。由环形齿轮124承载的变速器输出扭矩在轴向上通过 驻车制动鼓132传递到径向盘134，径向盘134传递扭矩到筒形套节136，而筒形套节136由 花键138连接到变速器输出轴140。环形齿轮124形成有螺旋内轮齿84。驻车制动鼓132 形成有外齿142，外齿142可由驻车棘爪接合并固定到变速箱上以用于在车轮制动器分离 时防止车辆意外地移动。 为了免除制造和互连多个分离部件的必要，如参考图12A至12D所述制造集成的 环形齿轮-驻车制动鼓130，首先冲压形成有与轴线154同心的孔152的平坦圆形钢板150。
通过外模156挤出或拉延板150的中心部分并使内模158穿过孔152以形成筒形 套节部分136，从而使图12所示的预成型件160冷成型得到筒形套节136的最终净形内径 162。对预成型件160进行球化退火并上涂层以用于挤出成型。 通过插入一系列的内部心轴164到预成型件160中并使一系列的拉延环166在预 成型件160上移动直到该预成型件获得具有基本上一致的壁厚的圆柱形预成型件170的形 状，预成型件160渐进地冷成型为图12C和12D所示的形状。或者，可以使用滚子30在内 部成型心轴上从图12C所示的中间形状旋压成型预成型件160，直到预成型件160获得图 12D所示圆柱形预成型件170的形状。 在预成型件160形成为具有均匀壁厚或变化壁厚的圆柱形预成型件170的形状 时，从预成型件中移除模158和心轴164并将旋压成型心轴172插入到圆柱形预成型件中。 尾座28用于将预成型件170夹持到心轴172上。然后迫使滚子30与预成型件170的外表 面174接触。每个滚子30围绕其各自的轴线34旋转并沿轴线154平移。
通过预成型件170和滚子30之间的接触压力及滚子在预成型件上的移动使外表 面174旋压成型。
预成型件170的内表面176由于预成型件170和心轴172之间的接触压力而旋压 成型，该接触压力迫使预成型件与心轴172的外表面180接触。 心轴172的外表面180可以形成或机械加工为具有外轮齿182。如上文所述在液 压机中使用单步骤工艺在单独的操作中使精确的螺旋内轮齿84反向挤出成型。以此方式， 螺旋轮齿84如图13所示形成在环形齿轮_驻车制动鼓130的环形齿轮124部分的内表面 上。 在驻车制动鼓部分132的外表面188上机械加工或滚刀切割(hob cut)得到驻车 制动齿142，其中如图12D和图14所示，该部分的壁厚沿驻车制动鼓部分的长度增加。
在筒形套节136的内表面上拉削形成花键138，从而形成与在输出轴140的外表面 上的花键接合的传动连接。 最后，对集成的环形齿轮_驻车制动鼓130进行热处理。 该工艺可以这样实现使用压力机将精确磨削心轴插入到工件内以产生净形螺旋 内轮齿而不需要模具穿过该部件，在该情况下，该部件为杯形工件。 根据专利法律的规定，已描述了优选实施例。然而，应注意，可以实施与具体示出 和描述的实施例不同的替代实施例。
权利要求
一种用于形成与行星齿轮组接合的部件的方法，包括以下步骤(a)形成具有与轴线同心并沿轴线延伸的套节的工件；(b)形成与套节集成并在径向上从套节延伸的盘；(c)形成与盘集成、位于盘的径向端部、沿轴线延伸并与轴线同心的中空预成型圆筒；(d)使用位于中空预成型圆筒内并具有形成有轮齿的外表面的心轴使中空预成型圆筒旋压成型，以使中空预成型圆筒的内表面符合心轴上的至少部分轮齿；及(e)在中空预成型圆筒的外表面上形成齿。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤在形成具有套节的工件之前，冲压形式为具有与所述轴线同心的孔的圆板的初始工 件；及其中步骤(a)还包括迫使内模穿过所述孔以形成具有与所述孔同心并沿所述轴线延 伸的中空圆柱形套节的工件的步骤。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)还包括下述步骤 将包括直径大于所述孔的直径的圆柱形内表面的第一模定位在工件的第一表面上并与所述孔同心；将包括圆柱形外表面的第二模定位在工件的第二表面上，所述第二表面与所述第一表 面相反；及使第二模沿所述轴线通过所述孔并通过第一模的圆柱形内表面以形成所述套节。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括下述步骤 使工件上将形成为所述盘的内表面的表面与拉延心轴相互接触，所述拉延心轴包括与工件上将形成为盘的部分接触的表面；及迫使拉延环在工件上移动并迫使第三模的表面靠住所述拉延心轴，以形成所述盘。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)还包括下述步骤 使工件上将形成为中空预成型圆筒的一部分的表面与包括圆柱形外表面的拉延心轴相互接触；及迫使拉延环在工件上移动并迫使工件上将形成为中空预成型圆筒的内表面的表面靠 住拉延心轴的圆柱形外表面，以形成中空预成型圆筒。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)还包括下述步骤 在中空预成型圆筒内放置旋压成型心轴，所述旋压成型心轴的外表面上形成有围绕所述轴线设置并沿旋压成型心轴的至少部分长度延伸的轮齿。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)还包括下述步骤 在中空预成型圆筒的外表面上形成驻车制动齿。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)还包括下述步骤 在套节的内表面上形成轴向上的花键齿。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)还包括下述步骤 使工件上将形成为所述盘的内表面的表面与心轴相互接触，所述心轴包括与工件上将形成为盘的部分接触的表面；及迫使拉延环在工件上移动并迫使工件上将形成为所述盘的内表面的表面靠住所述拉 延心轴，以形成所述盘。
全文摘要
本发明涉及形成单件式部件的方法，提供一种用于形成在自动变速器中传递扭矩的部件的方法，该方法包括在工件上形成与轴线同心并沿轴线延伸的套节和在该工件上形成与套节集成并在径向上从套节向外延伸的盘。中空预成型圆筒与该盘整体形成、位于盘远离套节的径向端部、与轴线同心，并包括内表面和外表面。使用位于该圆筒内并具有形成有轮齿的外表面的旋压成型心轴使该圆筒旋压成型，以使该圆筒的内表面符合旋压成型心轴上的至少部分轮齿。通过本发明，在自动变速器中传递扭矩的部件可以用较低成本制造且不需要机械连接、焊接或粘合连接，装配复杂性降低，且重量减轻。
文档编号B23P15/14GK101712114SQ200910179319
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年10月3日
发明者约瑟夫·斯祖巴, 罗德·G·怀特贝克 申请人:福特汽车公司