传动轴的制作方法

专利名称：传动轴的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于机动车的传动轴组件。具体地，本发明是关于传动系中的一个具有加强特征的传动轴组件。
背景技术：
车辆传动系通常包括恒速万向节、半轴和传动轴，这些部件在各种不同的配置中为车辆提供动力。恒速固定万向节在各种设计中都是公知的。这种万向节主要用于在机动车传动系中驱动机动车车轮。其既可以用在传动轴上也可以用在半轴上。半轴从驱动桥延伸至被驱动的车轮；例如，其连接后桥差速器的输出端与车轮的被驱动轮毂。传动轴用于将动力从前轮驱动单元的变速箱输出传递到与后轴相连的后桥差速器。
至于本文所关注的传动轴，已存在多种不同的设计。它们可包括例如一个带有两个联轴节的轴，其中联轴节布置在轴的两端从而可以在前端连接变速箱输出，在后端连接动力输入。多节传动轴也是被普遍采用的。例如，通过一个中心轴承或者中间轴承将两个传动轴部分连接起来。通常，在传动轴的末端，即朝向变速箱输出和动力输入的端，布置有万向节。还在中心区域设置一个万向节。在中心区域也可以设有一个恒速倒转联轴节(plunging joint)。传动轴本身通常由金属制造，然而也可以使用碳纤维及其他材料。
在现有技术的组件中，机动车的驱动单元会产生振动以及固体传播噪声(structure-bome sound)，其中这种振动以运动振动的形式传递到传动轴上。而且，传动轴本身相对较高的转速也会引起振动。另外，在传动系组件的旋转运动传递过程中，转矩值和转速的变化也是经常发生的。负载值突然增加到额定转矩的10倍，转速突然增加到每分钟10000转也是不罕见的。
为了减小传到车辆客舱的振动及固体传播噪声，通常采用在传动轴组件的节点位置处带有中间轴承或者中心轴承的多节传动轴。沿着多节传动轴的中间部分还使用减振器来减小振动。在某些情况中，出于组装或者成本/重量的考虑，优选使用一个较小直径的传动轴。还需要设计出一种更具刚性的传动轴，从而使轴可以更长且无需设置中间轴承或者减振器。

发明内容
本发明提供了一种具有增强了的结构刚度的传动轴。该传动轴组件包括一个薄壁管状件，一个固定在管状件各端的连接件，和一个固定在管状件内部的支撑件。支撑件包括刚性泡沫塑料，该泡沫塑料在管状件内延伸一个第一长度并与管状件的内表面接合，从而增加该轴组件的弯曲振动频率(bendingfrequency)。
在另一实施例中，给出了一种生产刚性动力传递轴的方法。该方法包括提供一个薄壁金属或增强塑料管，并将一个支撑件同轴导入管的内部与管的内表面接合。该支撑件包括沿管长延伸的刚性泡沫塑料。
本发明的传动轴可以被制造的更长而同时降低或消除车辆传动系内的弯曲振动。由于这种增强了的刚度，在传动系中也可以使用较小直径的轴。
在阅读了下文的详细说明以及参照了以示例方式示出本发明特征的附图之后本发明的其他特征对于本领域技术人员来说是显而易见的。


为了更完整的理解本发明，现参考在附图中详细示出的以及在下文中用举例的方式详细描述的具体实施例。
附图中图1是一个具有传动轴组件的车辆传动系的示意图。
图2是本发明传动轴的剖面图。
图3是图2所示传动轴的纵向剖面图。
具体实施例方式
在下文的说明中，用不同的操作参数和组件来描述一个实施例。这些具体参数以及组件仅是为了举例说明而不是限制本发明。
虽然所描述的本发明是关于车辆传动系中提高了刚性的传动轴，但下文所述的装置也适于应用在多种用途中，包括汽车、使用传动轴的马达系统或者其他需要一个刚性转矩传递轴的车辆及非车辆应用。现参照附图，其中相同的附图标记用于指代各附图中的相同的组件，图1表示了一个具有传动轴组件的机动车典型传动系的示意图。图1中的传动系组件表示出了本发明传动轴的应用环境。其它的传动系设计也可以使用本文公开的传动轴，包括用于后轮驱动车辆或者四轮驱动车辆的整体传动轴配置或多节传动轴配置。根据本发明的轴也可以使用在半轴组件中或者非车辆的转矩轴应用中。
在图1的示例中，显示了一个四轮驱动车辆的传动系。两个前轮1和两个后轮2受到驱动。图1还显示了具有变速箱输出4的变速箱3。在后轴区域中给出了带有动力输入6的驱动桥5。两个前轮1被半轴7驱动。两个后轮2被半轴8驱动，半轴8由驱动桥5带动。变速箱3与驱动桥5之间的连接是由包括两个传动轴部分9和10的传动轴组件来完成的。传动轴组件另外又由中间轴承11支撑在车辆的底板组件上，该轴承在这个示例中被布置在近似中央的位置处。中间或中心轴承11可以为一个中心支承调谐减震器(center bearing tuned absorber)，即一个减振器。
在第一传动轴部分9中，传动轴组件包括一个布置在变速箱输出4附近的第一旋转联轴节12。为了连接两个传动轴部分9和10还设有一个第二旋转联轴节13。在第二传动轴部分10的端部设置有一个第三旋转联轴节14，其借助一个连接机构来连接到后轴区域的驱动桥5的动力输入6上。在许多应用中，传动轴部分9、10可以以一个高于发动机产生的速度的速度旋转。后轮2的减速过程是发生在驱动桥5中的。例如，尽管带有传动轴部分9、10的传动轴组件及所连的旋转联轴节12、13、14可以以高达每分钟10000转的速度旋转，但驱动后轮2的半轴8的速度只能达到大概每分钟2500转。
这样，图1中传动系是一个多节传动轴动力传递系统组件，其包括两个传动轴部分9、10，其中至少一个为本发明的具有增强结构刚性的传动轴。本发明也可以用在前轮驱动、全轮驱动、后轮驱动或者其它四轮驱动的传动系配置中。本发明的增强传动轴还可以用在具有单个传动轴(省略第二联轴节13)的传动系组件中，或者用在具有多于两个的传动轴部分的传动轴组件中。实际上，由于增强的刚性，第二联轴节13在理想的降低传动系的NVH特性时也是不必要的。
现在参照图2，其表示了一个根据本发明一个实施例的传动轴的剖面图。图2表示了根据本发明的传动轴组件的中间管状部分，其构成了例如图1所示的传动轴9或10的中间部分。轴9、10包括一个具有一个内表面22和一个外表面24的薄壁中空管20。管20的内表面22确定了一个内部空间26。轴9、10的管状部分20通常由金属制造，然而，这种中空轴也可以由碳纤维、纤维增强塑料或者其它的碳或化学组合物制成。管状部分20可以是一个单层结构例如一个金属管，或者是一个多层结构例如纤维增强塑料或者薄板包层碳结构。
在管20的内部26中，插入一个支撑件30，其起到一个增强管的侧向刚度的作用，即提高了管20的刚性从而增加了整个轴组件的弯曲振动频率。对于给定直径的管20，支撑结构30使得可以将轴9、10设计的更长。支撑件30包括一个轻的刚性结构。在图2所示的例子中，支撑结构是一个粘合剂或者浸环氧树脂的开孔型泡沫塑料插入物。开孔型泡沫塑料的优越性在于其易于处理、很轻且可以容易地制成可以容纳粘合剂或者环氧树脂的结构。其可作为树脂或粘合剂的柔性承载装置，当树脂或粘合剂与泡沫塑料相结合时就形成了一个高模数轻重量的结构从而提高了管的刚度。开孔型泡沫塑料是一种中空管的形式，其具有一个由内径确定的内表面32和一个由外径确定的外表面34。当有泡沫塑料结构时，开孔型泡沫塑料管的外径可以选择大于或者等于管20的内径。这确保在泡沫塑料30的外表面34与管20的内表面22之间存在一个足够大的干涉配合，从而使得支撑件30可以增加整个组件的结构刚度。开孔型泡沫塑料还可以是一个实心圆柱体，尽管增加的支撑结构的重量会超过由这种结构提供的附加刚度所带来的益处。为了减小结构重量，可以在泡沫管或者泡沫柱上设置径向开口36。该开口可以沿泡沫结构的长度在圆周方向上和在轴方向上间隔布置。为了维持泡沫插入物的平衡，各开口36的组38应该在圆周方向上等间隔布置。例如，如果需要四个开口36，那它们在圆周方向上应互相间隔大约90°。若需要三个开口36，那它们应该互相间隔120°，诸如此类。
可以采用多种类型的开孔型泡沫塑料，且大多作为树脂或粘合剂的柔性承载装置以提供所需的支撑结构。在当前应用中，词“泡沫塑料”是包括了所有聚合物基材料且具有一个分散在固态塑化相中的气相的泡沫。这种结构通常是指各种泡沫塑料、塑料泡沫、多孔塑料。这些词可以互换使用，且不管孔型结构为何都指的是泡沫塑料。本发明使用的是开孔型结构的泡沫塑料。通常泡沫塑料被划分为开孔型或闭孔型。在开孔型泡沫材料中，各单独的孔互连形成一个基体。有时用“海绵体(sponge)”这个词来指代开孔型泡沫塑料。通常，泡沫材料不会只有一种类型的孔结构。因此，“开孔”这个词指的是泡沫材料中大多数孔的类型。开孔型泡沫塑料还应该是柔性的从而使得该结构可以插入管20的开口内。开孔型塑料泡沫优选作为本发明的支撑结构是由于其可以为液体或者气体的通过提供较小的阻力。因此，其可作为粘合剂或树脂的一种较好的承载结构。
通过柔性开孔型塑料泡沫来承载一种高模数的环氧树脂或粘合剂。
现参照图3，其表示了图2所示的传动轴的一个纵向剖面图。如图3所示，支撑件30的长度(L1)可以与管20的长度(L2)不同。同样，为了简化结构，端部连接件例如短轴或内侧联轴节部分或外侧联轴节部分可以从图3中省略。这种端部连接件通常由塞子46代表，然而除了轴连接件之外仍然可以使用塞子46。
关于轴9、10的结构，轴的尺寸是由特定的动力传递应用所需的自然弯曲振动频率决定的。传动轴管的尺寸在长度(L2)上通常在40mm到2500mm之间变化。足够短的管轴已提供了足够高的刚度，因而可以不再需要支撑件30。至于支撑件30的轴向长度(L1)，长度比L1/L2不应该小于0.25且不能大于1.0。若支撑件30的跨距不满管20的整个长度，轴组件的结构刚度只在边缘部分被增强。简单来说，当支撑件30的长度超过管20的长度时，轴组件的结构刚度也不会被进一步增强。因此，大于1.0的管组件比L1/L2是不必要的。
当为金属管时，管20的厚度范围为1mm到4mm，为复合材料或者碳纤维管时为1mm到8mm。此外，管20的外径应该在大约40mm到300mm之间变化。当用于车辆传动系中，过小直径的金属管即便在管内或者轴内使用支撑装置也不能令人满意地传递转矩。同样，过大直径的传动轴则存在组装问题，因为其很可能与车体下侧的其他车辆组件发生干涉。
该最终传动轴组件可以通过几种方式生产。其中一种方法是采用多个管状柔性开孔型塑料泡沫。泡沫塑料的外径大于或者等于管20的内径。将高模数树脂或粘合剂施加在泡沫塑料件上从而使树脂或粘合剂充满开孔泡沫塑料中。充满了的泡沫塑料随后被插入管20中。当树脂凝固后，泡沫塑料变得刚硬，从而增加了管的硬度特性。
在另一实施例中，高模数的、非柔性的泡沫塑料被插入管20中。该泡沫塑料可以是闭孔型的也可以是开孔型的。泡沫塑料插入支撑件30可以在管20加固之前或者之后插入管20中。同样，在泡沫塑料插入件与管20的内表面22之间需要保证一个紧密配合。这可以通过使刚性泡沫塑料插入件的外径略大于或者等于管20的内径来实现。若泡沫塑料插入物的直径大于管20的直径，在将支撑件30插进管20的过程中泡沫塑料插入物和/或管20会产生一些变形。
根据另外一种方法，一种高模数、非柔性的泡沫塑料可以直接形成在管20的内部。因此，当在管20内的泡沫塑料或粘合剂设置好后就形成了支撑件30。这种方法的优越性在于其采用在管内部的形式从而保证了一个紧密配合。在发泡沫过程中将一个心轴(图中未示)置于管20内，然后在发泡沫过程之后取出心轴，从而在支撑件30的中心处形成一个空间48以减小重量。
如前文所述，可以看出本文给本领域带来了一种新颖的、改良的传动轴。尽管本发明是结合一个或多个实施例来进行描述的，但可以理解本发明并不仅限于这些实施例。相反地，本发明涵盖了由所附权利要求限定的范围及宗旨内的所有可选方案、改型及等效物。
权利要求
1.一种轴组件，包括一个薄壁管状件(20)和一个固定在管状件(20)内部的支撑件(30)，支撑件(30)包括刚性泡沫塑料，该泡沫塑料在管状件(20)内延伸一个第一长度(L1)并与管状件(20)的内表面(22)接合，从而增加该轴组件的弯曲振动频率。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于该支撑件(30)包括注入高模数树脂或者粘合剂的开孔型泡沫塑料。
3.如权利要求1所述的组件，其特征在于该支撑件(30)是管状的。
4.如权利要求3所述的组件，其特征在于该支撑件(30)包括沿第一长度(L1)形成的多个开口(36)以减小支撑件(30)的重量。
5.如权利要求2所述的组件，其特征在于该开孔型泡沫塑料是柔性的。
6.如权利要求1所述的组件，其特征在于该管状件(20)含有金属或增强塑料。
7.如权利要求1所述的组件，其特征在于该管状件(20)具有一个第二长度(L2)且比值L1/L2小于1.0。
8.如权利要求1所述的组件，其特征在于还包括一个固定在管状件(20)的各端的联轴节元件或者短轴。
9.如权利要求1所述的组件，其特征在于该轴组件是一个动力传递轴或一个传动轴。
10.一种制造刚性动力传递轴的方法，包括提供一个薄壁金属或增强塑料管；和将一个支撑件同轴导入管的内部与管的内表面接合，该支撑件包括沿管长延伸的刚性泡沫塑料。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于导入步骤包括将开孔型泡沫塑料内注入一种高模数树脂或粘合剂，并将注入后的塑料泡沫导入管内。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于导入步骤包括在管内的发泡形成塑料或粘合剂支撑件的过程。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于导入步骤包括在管内同轴放置一个心轴并在心轴与管之间的区域中发泡形成一个塑料或粘合剂支撑件。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于将注入后的塑料泡沫导入管内的步骤是在注入后的泡沫塑料设置好之前完成的。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于将注入后的塑料泡沫导入管内的步骤是在注入后的泡沫塑料设置好之后完成的。
全文摘要
一种轴组件，包括一个薄壁管状件(20)和一个固定在管状件(20)内部的支撑件(30)。该支撑件(30)包括一个充满高模数树脂或粘合剂的泡沫塑料，该泡沫塑料在管状件(20)内延伸一个第一长度(L1)并与管状件(20)的内表面(22)接合，从而增加该轴组件的弯曲振动频率。
文档编号B60K17/22GK1600594SQ20041007941
公开日2005年3月30日 申请日期2004年8月20日 优先权日2003年8月20日
发明者D·W·戴恩, C·A·坎普尔 申请人:Gkn动力传动系统北美有限公司