粉末金属毂和处理的制作方法
【专利摘要】本发明涉及粉末金属毂和处理。具体而言，提供了一种制造蜗形齿轮的方法。该方法包括由粉末金属材料形成齿轮毂。之后密封齿轮毂的外表面。
【专利说明】
粉末金属毂和处理
技术领域
[0001 ] 本主题发明涉及一种蜗形齿轮毂(worm gear hub)，且更具体而言，涉及适合用于在电动助力转向单元和系统中使用的蜗形齿轮毂组件。
【背景技术】
[0002]在电动助力转向(EPS)单元中，电动马达驱动蜗杆轴(worm shaft)和蜗形齿轮，以对转向轴的转动提供辅助转矩。这减少了使车辆转向所需的力。目前，在这些系统中使用的蜗形齿轮已使用实心钢圆盘制成。然后各圆盘在周边上加工滚花。于是圆盘是蜗形齿轮组件的基座或毂。
[0003]对滚花表面进行喷砂(bead blast)以准备用于硅烷溶液处理，该硅烷溶液处理准备金属以用于结合。将通过旋铸方法制成的塑料环放置在金属上。在塑料被压上之后，加热蜗形齿轮组件，以导致塑料熔化到轮毂的滚花表面中并结合于钢。这之后跟着退火周期，以使塑料应力消除。毂组件被压到轴上，且齿被滚铣(或切削)到塑料环中，以完成齿轮组件。如在电动助力转向应用或其他应用中使用的，滚花对塑料的结合将辅助转矩从蜗杆轴通过蜗形齿轮组件传递到转向轴。制造一个齿轮毂组件的方法可在美国专利号N0.6,638,390中找到。
[0004]加工齿轮毂以形成滚花表面(利用该滚花表面来结合塑料)需要额外的工艺和处理。
[0005]因此，期望提供一种能够在蜗杆轴与转向轴之间传递转矩而没有现有技术缺点的蜗形齿轮毂和蜗形齿轮毂组件。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个示范实施例，提供了一种制造蜗形齿轮的方法。该方法包括由粉末金属材料形成齿轮毂。之后密封齿轮毂的外表面。
[0007]在本发明的另一示范实施例中，还提供了一种齿轮毂。其包括由粉末金属材料形成的齿轮毂主体。齿轮毂主体具有密封的外表面。
[0008]在本发明的又一不范实施例中，提供了一种电动助力转向系统。该电动助力转向系统包括转向轴，该转向轴在一端处连接到转向轮且在相反端处连接到齿条和小齿轮转向机构。提供了转向辅助单元，其包括电动马达，该电动马达由控制器操作并驱动蜗杆。蜗形齿轮置于蜗杆和转向轴之间，蜗杆具有蜗杆齿且该蜗杆齿装配在转向轴上。蜗形齿轮还包括由粉末金属材料形成的盘。该盘具有密封的外表面。提供覆盖盘的一部分的聚合物环。该环具有在环的外边缘表面上的齿轮齿，以用于与蜗杆齿啮合。
[0009]当结合附图理解时，容易地从本发明的以下详细描述中明白本发明的以上特征和优点及其他特征和优点。
【附图说明】
[0010]其他目的、特征、优点和细节仅作为例子出现在实施例的以下详细描述中，该详细描述参照附图，在附图中:
[0011]图1是根据本发明的动力转向系统的示意图；
[0012]图2是示出形成并处理粉末金属齿轮毂的方法的流程图；
[0013]图3A是根据本发明的齿轮毂的正视图；
[0014]图3B是根据本发明的齿轮毂的等距视图；
[0015]图4A是齿轮毂的处理过的表面的显微图；
[0016]图4B是齿轮毂的处理过的表面的另一显微图；
[0017]图5是示出本发明的另一个方面的示图；
[0018]图6是根据本发明的一个方面的成品蜗形齿轮的示图；且
[0019]图7是正视图，部分地以横截面示出本发明的另一方面。
【具体实施方式】
[0020]现在参考附图，其中本发明将在参考特定实施例而不对进行限制的情况下来描述，且根据本发明的示范实施例，图1示出了用于机动车辆的电动助力转向(EPS)系统10。EPS系统10包括齿条-小齿轮型转向机构12，该齿条-小齿轮型转向机构12包括位于齿轮壳体14下方的齿条(未示出)和小齿轮(未示出)。转向轮16联接到上转向轴18。在转向轮16被转动时，上转向轴18 (其连接到下转向轴20和万向接头22)转动小齿轮。小齿轮的旋转移动齿条，齿条移动系杆24(仅示出一个)，系杆24又移动转向关节26(仅示出一个)，转向关节26转动轮28 (仅示出一个)。
[0021]EPS辅助转矩通过转向辅助单元30来提供，转向辅助单元30包括控制器32和电动马达34。控制器32由车辆电源36通过供应线路38来供能。控制器32通过信号线40接收指示车辆速度的信号。转向小齿轮角度由位置传感器42测量，并通过线路44传送到控制器32。在转向轮16被转动时，转矩传感器43感测由车辆操作者施加到转向轮16的转矩。转矩传感器43可包括扭力条(未示出)和可变电阻型传感器(未示出)，可变电阻型传感器与扭力条上的扭曲量相关地通过线路46对控制器32输出可变电阻信号。
[0022]响应于线路40、44和46上的输入，控制器32通过线路48对电动马达34发送指令信号。马达34又通过蜗杆50和蜗形齿轮52对转向系统10供应辅助转矩，以便对转向系统10提供转向转矩辅助，该转向转矩辅助补充由车辆操作者施加的转向力。
[0023]在示范实施例中，齿轮毂用于形成蜗形齿轮52。在示范实施例中，齿轮毂由粉末金属形成。图2示出了流程图，该流程图例示由粉末金属形成的齿轮毂的制造。在步骤202中，压制粉末金属以形成齿轮毂。粉末金属可以是任何适合的粉末金属。在示范实施例中，粉末金属模具用于形成齿轮毂，诸如在图3A和3B中示出的齿轮毂。
[0024]图3A和3B示出了齿轮毂110。在示范实施例中，齿轮毂110包括由多个齿112限定的直径。在示范实施例中，齿112是以螺旋角从中心轴线“X”径向向外地延伸的螺旋齿112。在某些实施例中，螺旋齿112相对于“X”轴线以19度的近似角度配置。
[0025]齿轮毂110还包括内周向边缘114。毂110的主体部115在外周向边缘111和内周向边缘114之间延伸。齿轮毂110的相反的内面132和相反的外面133在主体部分115上通常为非对称的。在某些实施例中，孔116穿过面132、133而形成。有利地，孔116可节省质量，同时便于EPS单元的组装，诸如图1和7中所示的EPS单元。
[0026]有利地，齿轮毂110的几何形状，诸如多个螺旋齿112，允许容易地从粉末金属模具移除所形成的齿轮毂110，从而便于简化的操作。另外，齿轮毂110和螺旋齿112的几何形状允许相对大的表面面积，和在其上形成的聚合物环的优良的轴向和径向固持，从而促进高品质结合。在某些实施例中，螺旋齿112被底切，以进一步促进成形期间塑料的流动。
[0027]回头参照图2，在步骤204中，可烧结所压制的粉末金属，以形成齿轮毂，诸如齿轮毂110。由于材料和形成工艺的特点，在烧结之后，粉末金属可为多孔的。为了促进金属齿轮毂和聚合物环之间的强结合，可应用粘附促进剂，诸如硅烷溶液。然而，粉末金属部件的孔隙率可损害粉末金属齿轮毂与聚合物环之间的粘附，以及硅烷溶液的应用。因此，可处理齿轮毂的表面，以促进粘附并提高硅烷溶液处理的效果，如在步骤206a和206b中描述的。
[0028]在示范实施例，如步骤206a中所示，齿轮毂的外表面可利用蒸汽来处理。在示范实施例中，利用蒸汽处理齿轮毂的外表面以形成氧化，来密封表面并降低表面孔隙率。在某些实施例中，齿轮毂暴露于范围从925华氏度至1000华氏度的蒸汽约I小时。在这种蒸汽处理之后，在表面上形成黑色氧化物，从而使表面孔隙率最小化。有利地，在蒸汽处理期间还形成表面粗糙度，从而进一步便于硅烷溶液的应用且促进与聚合物环的粘附。蒸汽处理的粉末金属齿轮毂的相对表面粗糙度示于图4A和4B中。
[0029]在其他实施例中，如步骤206b中所示，密封或以其他方式用树脂处理外表面的小孔。可将树脂浸渍到粉末金属齿轮毂的外表面中，以便于硅烷溶液的应用。
[0030]在某些实施例中，如步骤208中所示，将硅烷溶液应用到齿轮毂的外表面。硅烷溶液可以包括聚合物链，聚合物链便于粉末金属齿轮毂与聚合物(诸如用于形成蜗形齿轮的聚合物环)之间的粘附。在示范实施例中，硅烷溶液的应用在齿轮毂的表面处形成单原子层，其中，一侧结合于无机化合物，诸如粉末金属表面，而另一侧结合于有机化合物，诸如聚合物环。在示范实施例中，粉末金属齿轮毂的之前的表面处理允许硅烷溶液处理保持在齿轮毂的表面处，而不被多孔粉末金属构造吸收。
[0031]在示范实施例中，如步骤210中所示，在齿轮毂的一部分上形成聚合物环。现在参考图5，聚合物环160放置在齿轮毂110上，以形成齿轮坯料170。表面处理和硅烷溶液可提高聚合物环160与齿轮毂110之间的粘附性。聚合物环160包括内环面161、外环面162、和外边缘表面163。外边缘表面163具有比齿轮毂110的直径大的外径。齿轮毂110的螺旋齿112由聚合物环160覆盖，并封闭在其中。在示范实施例中，聚合物环160注塑模制到齿轮毂110上，由螺旋齿112促进。在其他实施例中，聚合物环160由切成环的旋铸管形成，其中，将所得的聚合物环160压到齿轮毂110上。在某些实施例中，感应地加热齿轮毂110和聚合物环160，以熔化聚合物环160的内表面，以流入并在冷却之后粘附到螺旋齿112。有利地，螺旋齿112可底切，以允许注塑模制的聚合物在其中流动。此外，通过在放在下面的螺旋齿112上形成聚合物环，蜗形齿轮52可具有增大的强度、负载传递、聚合物环160的轴向固持、和聚合物环160的径向固持。另外，减小轴向偏移且增大转矩传递。以大体上矩形的横截面注塑模制聚合物环160，从而形成大体上圆的形状，从而完成如图5中所见的齿轮坯料170。
[0032]之后，将齿轮坯料170被压到轴上，且在所示的示例中，压倒下转向轴20上。按压步骤之后跟着滚铣过程，如在图2的步骤212中例示的，其将多个单独的齿轮齿180切削到齿轮坯料170的聚合物环160的外边缘表面163中。在某些实施例中，齿轮齿180的角度与在齿轮毂中形成的螺旋齿112的角度匹配。有利地，通过形成具有与放在下面的螺旋齿相同的角度的齿轮齿180，蜗形齿轮52可具有提高的强度、负载传递、和聚合物环160的轴向固持。减少此外，轴向偏移且增大转矩传递。结果是图6中所示的置于图7的转向机构12内的蜗形齿轮
52。如所例示的，图7示出了下转向轴20和连接到扭力条45的扭矩传感器43。在截面中示出的蜗形齿轮52被压在下转向轴20上并由蜗杆50驱动，蜗杆50又由电动马达34(图1中所示)驱动。
[0033]使用粉末金属构造允许节约重量和成本，同时实现诸如螺旋齿112的特征而无需二次过程，诸如加工。在所示的非限制性实施例中，蜗形齿轮52的螺旋齿112承载下轴20与蜗杆50之间的扭转刚度，从而允许EPS系统10在显著的成本降低下可靠地运行。
[0034]虽然已参照示范实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可作出各种改变且可等同物可替代其要素而不偏离本发明的范围。此外，可作出许多修改，以使特定的情况或材料适应本发明的教导而不偏离其实质范围。因此，意图本发明不限于作为用于实现本发明而构想的最佳实施方式所公开的具体实施例，而是本发明将包括落入本申请的范围内的所有实施例。
【主权项】
1.一种制造蜗形齿轮的方法，其包括: 由粉末金属材料形成齿轮毂;且 密封所述齿轮毂的外表面。2.根据权利要求1所述的方法，还包括氧化所述齿轮毂的外表面。3.根据权利要求1所述的方法，还包括蒸汽处理所述齿轮毂的外表面。4.根据权利要求1所述的方法，还包括用树脂浸渍所述齿轮毂的外表面。5.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述外表面暴露于硅烷溶液。6.根据权利要求1所述的方法，还包括压制所述粉末金属材料以形成所述齿轮毂。7.根据权利要求1所述的方法，还包括烧结所述粉末金属材料以形成所述齿轮毂。8.根据权利要求1所述的方法，还包括沿所述齿轮毂的外周向边缘形成多个齿。9.根据权利要求1所述的方法，还包括形成或放置覆盖所述齿轮毂的一部分的聚合物环。10.一种齿轮毂，其包括: 由粉末金属材料形成的齿轮毂主体，其中，所述齿轮毂主体具有密封的外表面。11.根据权利要求10所述的齿轮毂，其中，所述密封的外表面被氧化。12.根据权利要求10所述的齿轮毂，其中，所述密封的外表面被蒸汽处理。13.根据权利要求10所述的齿轮毂，其中，所述密封的外表面被树脂浸渍。14.根据权利要求10所述的齿轮毂，其中，所述密封的外表面被利用硅烷溶液来处理。
【文档编号】F16H55/22GK105889460SQ201610208050
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】A·G·图尔克, J·E·贝耶莱因, N·A·冯马特
【申请人】操纵技术Ip控股公司