专利名称：万向节用的叉的制作方法
本申请是本人的未决的美国专利申请129，765号的继续部分申请。
本发明涉及万向节用的叉，更具体地说是涉及万向节用的黑色金属制、重量轻、灵活性好的叉。
通常，万向节上有一叉，其上有一对通常称为臂或耳的相隔一定距离的零件。每一个臂或耳上有一贯穿孔，这些臂或耳上的开孔相互是同心的。这种万向节上还有一个通常称之为十字轴、耳轴或十字叉的十字形零件，其上有第一对相对放置的、同轴的臂，它们分别安装在叉的两臂的开孔内，并可在内转动。这种万向节上还有第三个零件，即第二叉，其上有一对开有贯穿同心孔的相隔一定距离的零件，十字轴的第二对相对放置的、同轴的臂装在该零件的两同心孔内，并可在内转动;十字轴的第二对相对放置的、同轴的臂的轴线方向与第一对的轴线垂直。使用这种万向节的目的是当驱动件的旋转轴和被驱动件的旋转轴不在同一直线上时把连接有第一叉和第二叉其中之一的驱动件上的力矩传送到连接有第一叉和第二叉中的另一个的被驱动件上。在驱动件和被驱动件之间加进多个万向节以及在每对万向节之间加进一中间被驱动件，就可以调节驱动件旋转轴与被驱动件旋转轴之间的轴向偏斜。上述各种形式的万向节广泛应用于发动机在前，后轮驱动的小汽车和卡车上，万向节与驱动轴装置连接，用来把汽车的传动装置上的力矩传递到差动装置上，以调节传动装置的输出轴的旋转轴与差动装置的输入轴的旋转轴之间的非同轴偏斜;在汽车跑动过程中由于受汽车悬挂系统的影响，上述两旋转轴之间的相对位置发生变化，此时更需使用万向节。
具有上述特点的各种形式的万向节，可以使用由铸铁、锻钢之类黑色金属制成的叉，或使用由铝、铝合金之类轻金属制成的叉;叉的材料的选用取决于所要求的强度，变形和重量，取决于是否要在上面焊接上驱动装置的其它零件(如果要焊就要使用锻钢叉)。当然，由于黑色金属制的叉的弹性模数比铝或铝合金制的叉的高出几乎两倍(前者为30，000，000磅/吋2，后者为10，300，000磅/吋2)，而铸铁叉的弹性模数(23，000，000磅/吋2)也远大于铝或铝合金的弹性模数，锻钢或铸铁制的叉的臂的刚性要高得多，在万向节正常运转中所受的力矩作用下产生的弯曲或扭曲也比铝或铝合金制的小得多。在设计万向节中，可能由于在万向节运转过程中所受到的力矩而使十字头发生扭曲或弯曲而产生问题。发生的扭曲或弯曲可使十字轴的每对臂中原先为同轴的两臂的轴线产生偏斜。迄今为止，在使用铸铁或锻钢制叉的万向节中，叉都比较厚大，以使在万向节运转过程中臂在扭矩作用下叉的臂产生的扭曲或弯曲尽可能小，从而限制与叉相接的十字轴上的两臂的扭曲或弯曲。但是，这种解决办法会产生局部不平衡负载，该负载作用在用来可转动地分隔叉臂和十字轴臂的径向轴承上以及这种径向轴承的针形轴承件上，从而使轴承提前破损，同时还使叉的臂的结构比较厚大。为了使叉和十字轴在扭矩作用下产生的扭曲尽可能小，就要使常规结构的黑色金属制的万向节的叉臂比较厚大，这就要加大叉和万向节的重量和材料费用。
本发明提出一种万向节用的黑色金属制的叉和使用这种叉的万向节，在这种叉的每一个臂上有一剪切中心(有时称为“弯曲中心”)，该中心在臂的内侧，也就是在臂和叉的旋转轴之间。采用这种结构可以使叉臂的扭转弯曲和扭曲特性与万向节的十字轴的臂的扭转弯曲和扭曲特性相匹配。按照本发明，可使叉臂具有这种剪切中心特性，具体办法是至少使臂的一部分大体成向外的C形结构;其大体平坦的腹板部与叉的旋转轴平行;而其两个分离的、大体平坦的凸缘部相互平行，并与腹板部垂直地向外突出。这种结构使叉的剪切中心向内侧移动，从而加在该臂上的扭曲负载的扭曲力矩加大了，使臂的扭曲变形加大，因而使其与十字轴的臂的自由扭曲和弯曲变形相匹配;同时可减少叉的臂的材料用量，降低叉的重量和成本。同时，叉臂的材料用量的减少可以增加其在扭曲负荷作用下的横向位移，因而同样可以使叉在扭曲负荷作用下的形状变化与十字轴臂的形状变化相匹配。EP074625号欧洲专利就提出了一种C形横剖面的叉臂;这种结构，与普通结构的叉臂相比，其在扭曲负荷作用下的弯曲较大。但是该专利所提出牟姹鄣腃形结构是朝向里面的，因此在剪切负荷作用下每个叉臂产生的扭曲的方向与使剪切中心向外移动来增加叉臂扭曲是相反的。本申请的发明可应用于如下类型汽车中的驱动轴装置中的万向节的各种叉发动机在前面的后轮驱动的小汽车和卡车中用的万向节，例如管叉、伸缩叉和外叉。
下面对各图作简要介绍。
图1A是老式结构叉臂的正视图;
图1B是采用本发明所提出的结构的叉臂的正视图;
图2是图1A中2-2处的剖视图;
图3是图1B中3-3处的剖视图;
图4是汽车用驱动装置的正视图(部分剖开)，该驱动装置中装有多个使用本发明的万向节叉;
图5是图4中所示的一个万向节叉的正视图(部分剖开);
图6是图5中6-6处的剖视图;
图7是图4中所示的另一个万向节叉的斜视图;
图8是图7所示的万向节叉的正视图(部分剖开);
图9是图8中9-9处的横剖面图;
图10是图4中所示的第三个万向节叉的正视图(部分剖开);
图11是图10中11-11处的横剖面图;
图12是图10、图11中所示的万向节叉的端视图。
下面对本发明的推荐结构形式作详细介绍。
图1A和图1B分别表示一个万向节的两半部;图1A中的那半个以代号20′表示，这是老式结构的，而图1B中的那半个以代号20表示，这是采用本发明的结构形式。叉20和叉20′的结构通常称作为外叉，它们是用铸铁、锻钢之类较重，较强固的黑色金属制作。叉20和叉20′上分别有环形毂部22和22′，上面开有贯穿孔24和24′。环形毂部22和22′的中心轴线就是万向节运转过程中叉20和20′的旋转轴;叉20和20′上分别有两个相隔一定距离的臂26和26′，但图1A和图1B中只表示出一个臂两臂是从毂部22、22′的端部突出，两臂相互平行，并大体与叉20和20′的旋转轴平行。叉20′的臂26′是采用老式结构，而叉20的臂26是按本发明设计的。臂26上开有贯穿孔28，臂26′上开有贯穿孔28′。在叉20和20′处于非受力状态，该叉的两臂的孔28和28′是同心的，其轴线垂直穿过叉20和20′的旋转轴，还装有径向轴承(未画出)，在径向轴承上装有普通十字形十字轴的两个臂的端头。
当臂26′处于工作状况时，作用在叉20′上，作用力的方向是沿着轴X′-X′。该臂26′中有一剪切中心，该中心位置是沿着轴Y′-Y′方向;臂26′在沿X′-X′轴的作用力的作用下产生弯曲的大小与臂26′内扭曲力臂的大小有关(扭曲力臂即轴X′-X′和轴Y′-Y′之间的距离Z′)，当然弯曲的大小还与其它设计因素有关(例如臂的长度，臂与毂的连接方式)。正如图2中所示那样，普通结构的万向节的叉臂的扭曲力臂(即距离Z′)是很小的，因而在受到扭曲负荷时臂只产生极小的扭曲变形，其变形幅度将远小于十字头30的臂的自由变形，从而会对处于该十字头臂和万向节的叉臂之间的径向轴承施加巨大的不平衡负荷。
采用图2所示的老式结构所产生的问题，如改用图3所示的臂26就可以避免，其中臂26的横剖面大体成C形，腹板部26a表面大体平直，两个分离的凸缘部26c和26b相互平行，并与腹板部垂直地向外突出。因而臂26的剪切中心就大大地移向臂26的内侧，接近该臂所在的那个万向节叉的旋转轴;在图3所示的结构形式中，该剪切中心处于Y-Y轴上。在采用臂26结构形式之后，尽管其剪切中心的位置相对于臂26′的剪切中心位置移动了，但作用在其上的扭曲负荷产生的力的位置并不相应地移动，在图3所示的结构形式中，力沿X-X轴作用。因此，与图2中所示的老式结构的臂26′相比，采用本发明的如图3所示的臂26的扭矩Z就要大得多，从而在扭曲负荷作用下产生的扭曲也就大得多。这样，臂26就在扭曲负荷淖饔孟路⑸で浞较蛴胧种岜鄣恼Ｍ湫蜗嗤蚨上种岜凵系暮捅 6内的轴承上的局部负荷(此轴承未画出，十字轴的臂安装在轴承上)。由于臂26所用的材料比臂26′的少，所以臂26在扭曲负荷作用下产生的横向位移比臂26′的大;而这也有助于降低十字轴臂上的和轴承上的局部负荷。
如图4中所示，用代号40表示的驱动装置是用来把该驱动装置的输入端42来的力矩传送到其输出端44。图4中的驱动装置40是用来为前发动机、后轮驱动汽车的传送装置传送力矩，其输入端42可看作为汽车传动装置的附件;而驱动装置40的输出端44用作为汽车差动装置的附件。
驱动装置40上有一个称之为第一叉的伸缩型叉48，在该叉的两臂之中装有第一十字轴46的第一对臂50、52(可以在里面转动)。叉48和第一十字轴46所在的万向节上通常还有另一个零件(或许是另一个叉，图中未表示出)，后者的两臂上装有十字轴46的另一对臂(在图中只表示出一个臂54)。叉48还有长环形毂部56，正如图所示，其内部有内花键。驱动装置40上还有零件60，其轴部插在叉48的内花键58之内(可在内滑动)，其另一端是粗大的端部62。驱动装置40上还有筒形件64，其一端套在上述粗大端部62之上，两者并在66处焊接起来。筒形件64的另一端套在第二个叉72的毂部70的端部68上。第二叉72是一种管叉，它必须是用锻钢制的，以使筒形件64的另一端能焊接上;第二叉72内装有十字轴78的第一对臂74和76。第二十字轴78还有第二对臂，但在图中只表示出一个臂80。第二对臂从十字轴78的第一对臂74和76上横向伸出;且第二对臂装在另一对臂中(两者可作相对转动)，后者与法兰84相连接，而法兰84再与汽车的差动装置相连接(图中未表示出)。在设计叉72时，应使臂86和88与环形毂部56之间的连接部在横向延伸平面内有足够的厚度，从而不会像薄板那样发生变形，此外还应使臂与环形毂部之间连接部处的倒圆比较短。在按本发明设计叉时，都要遵循上述设计要求。
图5和图6中更详细地表示出叉48，叉上有一对分离的臂86和88;两臂从长毂部56的一端向驱动装置40的输入端42伸展，而且与用锻钢或铸铁等黑色金属制的毂56成为一体。叉48的两臂86和88在结构上是相似的，在图6中画的是臂86;两臂都是用C形剖面，以使其剪切中心移至该臂的内侧，从而在第一万向节运转时臂上所受的扭曲负荷会形成更大的力臂。正如结合图1B介绍臂26时所说那样，臂86和88的剪切中心向内侧移动可以使臂86和88能根据或严格的根据十字轴的自由变形作自由变形。臂86上有一大体平坦的腹板部86a和从腹板部86a垂直外伸的两个凸缘86b和86c，这两个凸缘(臂)相隔一定距离且相互大体平行。此外，臂86和88上分别有粗大的端部(分别用代号90和92表示);其上开有贯穿孔94和96，孔内装有径向轴承(图中未表示出)，轴承使十字轴78的臂在内转动。臂86和88的开孔94和96内开有放大的定位槽98，后者用来固定外部固定型的定位环(图中未表示出)，以便使径向轴承(图中未表示出)在开孔内精确定位。
图7、图8和图9也是用来表示图4中的万向节用的叉。叉72有一个环形毂部112，后者由一横向伸展的腹板部110阻挡而形成端部;从毂部112的端部伸展出的一对分离的臂114和116，与毂部112成为一个整体，用锻钢、铸钢之类黑色金属制成。叉72的臂114和116的结构是相似的，而在图8和图9中画的是臂114;每个臂都是采用面向外的C形剖面，以使其剪切中心移至该臂的内侧，从而在叉72所在的万向节运转时臂上所受的扭曲负荷会形成更大的力臂。正如结合图1B介绍臂26时所说那样，叉72的臂114和116的剪切中心向内侧移动可以使臂114和116能根据或严格地根据十字轴的自由弯形作自由变形。臂114上有一腹板部114a和从腹板部114a垂直外伸的两个凸缘114b和114c，这两个凸缘(臂)相隔一定距离且相互大体平行。此外，臂114和116上分别有粗大的端部(分别用代号118和120表示);其上开有贯穿孔122和124，孔内装有径向轴承(图中未表示出)，轴承使十字轴的臂在里面转动，开孔122和124内开有放大的定位槽126，后者用来固定外部固定型的定位环(图中未表示出)，以便使径向轴承(图中未表示出)在开孔内精确定位。
图10、图11和图12表示按本发明设计的万向节用叉，该叉用代号130表示，这是一种外叉。叉130有环形毂部132和一对从毂部132的端部伸展出的臂134和136，两臂与毂部132成为一个整体，用锻钢、铸铁之类黑色金属制成。叉130的臂134和136的结构是相似的，而在图11中画的是臂134;每个臂都是采用面向外的C形剖面，以使其剪切中心移至该臂的内侧，从而在叉130所在的万向节运转时臂上所受的扭曲负荷会形成更大的力臂。正如结合图1B介绍臂26彼的茄 34和136的剪切中心向内侧移动可以使臂134和136能根据或严格地根据十字轴的自由变形作自由变形。臂134有一大体平坦的腹板部134a和从腹板部134a垂直外伸的两个凸缘134b和134c，这两个凸缘(臂)相隔一定距离且相互大体平行。此外，臂134和136上分别有粗大的端部(分别用代号138和140表示);其上开有贯穿孔142和144，孔内装有径向轴承(图中未表示出)，轴承使十字轴的臂在里面转动(十字轴未在图中表示出)。半圆筒形的孔眼142和144，在放进轴承之后，用金属带146和148封闭起来;金属带146和148上分别有半圆筒形的中心部146a和148a，它们分别与半圆筒形的孔眼142和144形成圆筒形的轴承安装孔。在图12中表示出叉130的臂136，用螺钉150和152把金属带146固定到臂136上(可拆卸下)，螺钉150和152是靠螺纹拧入臂136的锥形孔154和156。金属带148也是用类似方法固定到臂136上(图中未表示出)。
权利要求
1.一种万向节用的黑色金属制叉它包括一个有中心轴和端部的毂部，从上述毂部的上述端部向中心轴的两侧伸展的第一和第二臂，第一臂和第二臂互相之间相隔一定距离，上述叉作为一个整体制造，上述第一臂和第二臂上都有开孔，用来安装十字轴的臂(臂可在里面转动)，上述第一、第二臂上的开孔基本上是同心的，上述第一臂和第二臂上都有一个C形剖面部(处于上述毂端部和上述开孔之间)；该部上有一大体平坦的腹板部和两个从大体平坦的腹板部向外垂直伸展出的凸缘，两凸缘互相之间大体平行；上述第一臂和第二臂上都有一剪切中心，该中心处在上述叉的中心轴和上述大体平坦的腹板部之间的一轴线上。
2.根据权利要求1要求的黑色金属制的叉，该叉是用铸造整体制造的。
3.根据权利要求2要求的黑色金属制的叉，该叉是用铁制造的。
4.根据权利要求1要求的黑色金属制的叉，该叉是用钢整体锻造而成的。
5.根据权利要求1要求的黑色金属制的叉，其中毂部是环形结构的。
6.根据权利要求5要求的黑色金属制的叉，其中毂部内有内花键。
7.根据权利要求1要求的黑色金属制的叉，其中毂部上有一环形部和一腹板，该腹板在上述端部横切环形部伸展。
8.一种万向节，它包括十字轴，该十字轴包括第一对处于第一轴上的相对的同轴臂，第二对处于第二轴上的相对的同轴臂(第二轴与第一轴垂直交叉)，旋转中心轴(该轴与第一轴和第二轴垂直交叉);黑色金属制的叉，该叉包括如下部分一个有中心轴和端部的毂部。从上述毂部的上述端部向中心轴的两侧伸展的第一臂和第二臂，第一臂和第二臂互相之间相隔一定距离，上述叉作为一个整体制造，上述第一臂和第二臂上都有开孔，用来安装十字轴的第一对臂(可在里面转动)。上述第一臂和第二臂上都有一个C形剖面部(处于上述毂端部和上述开孔之间);该部上有一大体平坦的腹板部和两个从大体平坦的腹板部向外垂直伸展出的凸缘，两凸缘互相之间大体平行;上述第一臂和第二臂上都有一剪切中心，该中心处在上述叉的中心轴和上述大体平坦的腹板部之间的一轴线上。上述第一臂、第二臂和十字轴的第一对臂(后者可旋转地装在前者里)在扭曲负荷作用下具有非常接近的自由变形特性，扭曲负荷绕着上述十字轴的一根中心轴和上述叉毂的中心轴作用;绕中心轴旋转的旋转装置(中心轴与上述叉的中心轴相交)，里面可旋转地装有十字轴的相对的且同心的第二对臂，这样力矩就可以通过十字轴从上述叉和旋转装置传送到另一个叉和旋转装置上去。
9.根据权利要求7要求的万向节，其中叉是整体铸造的。
10.根据权利要求9要求的万向节，其中叉是用铁制造的。
11.根据权利要求8要求的万向节，其中叉是用钢整体锻造成的。
12.根据权利要求8要求的万向节，其中叉的毂部采用环形结构。
13.根据权利要求12要求的万向节，其中毂部里有内花键。
14.根据权利要求8要求的万向节，其中叉的毂部由一环形部和腹板组成，腹板在端部横切环形部伸展。
全文摘要
一种万向节的叉，该叉有一中心轴线、一个环形毂体和从该毂端向中心轴的两侧伸展的两个臂。两个臂上有同心的贯穿孔，贯穿孔用来安装十字轴的第一对臂；叉的每个臂上有一剪切中心，该中心在臂和叉的中心轴之间，在毂端和臂的开孔之间采用一个朝外的C形剖面件，该件上有一大体平坦的腹板部和两个从腹板部向外垂直伸展的凸缘，两凸缘互相大体平行。以使叉臂和十字轴臂之间在中心轴施加扭曲负荷时具有非常相近的自由变形特性。
文档编号F16D3/40GK1036440SQ8810836
公开日1989年10月18日 申请日期1988年12月6日 优先权日1987年12月7日
发明者雷·阿·吉尔 申请人:达纳公司