专利名称：使用磁脉冲焊接技术适合固定到管上的轴叉结构的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及使用磁脉冲焊接技术将诸如车辆传动轴组件(driveshaft assembly)中的轴叉(yoke)和传动轴管的两个金属元件紧固在一起。具体地说，本发明涉及一种用于轴叉或类似端部接头(end fitting)的改进结构，当利用这种磁脉冲焊接操作将传动轴管紧固在轴叉或类似端部接头上时，能够将出现不希望的变形减少到最小。
在这种通常类型的车辆传动装置中，通常需要将第一和第二端部接头分别永久地固定在传动轴管的两端。通常使用普通焊接技术将第一和第二端部接头分别永久地连接在传动轴管的两端。众所周知，普通焊接技术涉及对两个金属元件局部区域进行加热，使得两个金属元件接合在一起。这种普通焊接技术可以施加压力或不施加压力，可以使用或不使用填充金属。虽然普通焊接技术在过去已经令人满意地实现了其功能，但是在将第一和第二端部接头分别连接在传动轴管的两端时存在一些缺陷。首先，如上所述，普通焊接技术涉及对两个金属元件局部区域进行加热。这种加热可以导致金属元件出现不希望的变形和低强度。其次，普通焊接技术适合于连接两个由类似材料制成的金属元件，但是在连接两个由不同金属材料制成的元件时多少更困难。第三，普通焊接技术不适合连接两个具有不同计量厚度(gaugethicknesses)的元件。由于车辆传动轴总成的制造是一种大批量过程，希望提供一种改进的方法，从而采用一种能够避免普通焊接技术缺陷的方式将这些金属元件永久地连接在一起。
磁脉冲焊接技术是另一种已经被提出的用于将第一和第二端部接头分别连接在传动轴管两端的工艺。为了实现这个目的，首先提供具有一端部的中空传动轴管和具有颈部的端部接头。传动轴管的端部可以是中空的，从而允许端部接头的颈部同轴地设置在其内。另外一种情况是，端部接头的颈部可以是中空的，允许传动轴管的端部被套叠地设置在所述中空颈部内。在每一种情况下，在传动轴端部和端部接头颈部之间都存在环形间隙。然后，将电感应器同心地设置围绕或在传动轴管和端部接头同轴重叠的部分内。该感应器被通电(energized)，从而产生磁场，所述磁场使外元件向内塌陷与内元件接合，或使内元件向外扩展与外元件接合。在任何一种情况下，两个元件的高速冲击和作用在其上的高压力导致它们永久地结合在一起。
一个典型的端部接头包括具有一对位置相对的轴叉臂的本体部分，所述轴叉臂沿第一轴线方向从其伸出。穿过轴叉臂上形成一对对准的开口，所述开口用于安放横跨于其内的普通万向节十字轴的轴承外圈。通常中空的颈部沿第二轴方方向从本体部分伸出。为了执行磁脉冲焊接操作，传动轴管的端部被安置成同轴地围绕端部接头的颈部。当采用这种方式组装传动轴管和端部接头时，在传动轴管端部的内表面和端部接头的颈部外表面之间限定环形间隙或空间。电感应器在传动轴管和端部接头组件周围设置。通电该感应器，产生围绕传动轴管端部的强大的且瞬时电磁场。电磁场对传动轴管端部的外表面施加很大的力，使其以高速向内塌陷至端部接头的颈部上。传动轴管端部的内表面与端部接头颈部的外表面由此产生的冲击导致两者之间出现焊接或分子焊接(molecular bond)。
不幸的是，已经发现，在磁脉冲焊接操作期间，在某些情况下，传动轴管端部高速冲击端部接头的颈部能导致端部接头的轴叉臂相对于另一个永久地偏转。例如，如果传动轴管端部塌陷到端部接头的颈部，所述颈部向内变形可以导致端部接头上的另一端上的轴叉臂离开另一个轴叉臂而向外伸展。还有，通过端部接头传播的由所述冲击导致的冲击波会轻微地扩大穿过轴叉臂而形成的开口的尺寸。当端部接头由相对较轻的材料组成时，如铝合金，很容易出现上述情况。由于会导致形成在其上相应的开口彼此不对准，不希望轴叉臂出现这种偏转。当穿过轴叉臂形成的开口没有准确对准时，很难恰当地安装万向节的剩余部分且使万向节平衡以便于转动。因此希望提供一种用于轭或类似端部接头的改进结构，以便当利用磁脉冲焊接操作将传动轴管固定在轴叉或类似端部接头上时，使轴叉或类似端部接头上的不希望的偏转量最小。
通过下文结合附图
对本发明最佳实施例所进行的详细的介绍，本发明的不同目的和优点将变得更加清楚。
图6是沿着图5的线6-6作的端部接头的第三实施例的断面视图；图7是类似于图3的放大的断面视图，图示出了按照本发明的端部接头的第四实施例；图8是图7所示的端部接头的第四实施例的俯视平面视图。
所述传动轴管20通常是中空的和圆柱形的，可以由任何所希望的金属材料制成，例如6061 T6铝合金。最好传动轴管20具有外表面和内表面，该外表面限定基本上恒定的外径，所述内表面限定基本上恒定的内径。因此，虽然没有要求，所图示传动轴管20具有基本上圆柱形和均匀的壁厚。传动轴管20具有终止于端面22的端部21。
所图示端部接头30是一种由金属材料制成的管形轴叉，该种金属材料与形成传动轴管20的金属材料相同或不同，例如钢或铝合金。端部接头30包括具有一对沿第一轴向延伸的相对的轴叉臂32的本体部分31。一对对准的开口33穿过轴叉臂32而形成，并适合安放其内的万向节十字轴的传统轴承外圈(未示出)。如果需要，可以在每个开口33内形成环形槽33a(看图2和图3)以便于采用公知的方式利用相应的卡环(未示出)将所述轴承外圈保持在其内。通常中空的颈部34以第二轴向从本体部分31轴向地延伸。2002年3月6日申请的同时待审申请序列号60/362,215详细地说明了颈部34的结构，该专利申请为本发明的专利受让人所拥有。该专利申请的公开被结合在此作参考。
图2显示了在执行符合本发明方法的用于将两个元件固定在一起的磁脉冲焊接操作之前一种围绕传动轴管20和端部接头30的第一实施例而设置的感应器40。感应器40可以是任何所希望的结构，例如授予Yablochnikov的美国专利4,129,846号所示的结构，该专利的公开结合在此作参考。感应器40与示意性显示的用于选择性地操作感应器的控制电路相连。如图2所示，感应器40的第一端与第一电导体41相连，同时感应器40的第二端通过放电开关42与第二电导体43相连。多个高压电容器44或类似能量存储设备被连接在第一和第二电导体41和43之间。第一电导体41也与电源45相连，同时第二电导体43通过充电开关46与电源45相连。控制电路的结构和操作在专利权人Yablochnikov的美国专利5,981,921号中被详细地介绍。该专利申请的公开结合在此作参考。
感应器40执行磁脉冲焊接操作的操作是本领域公知常识，专利权人Yablochnikov的上述美国专利5,981,921号在此再次参考以详细地解释。简要的说，通过首先打开放电开关42和关闭充电开关46，来控制感应器40。这允许电能从电源45传送到每个电容器44。当电容器44被充电到预定电压时，打开充电开关46。此后当希望操作感应器40时，关闭放电开关42。因此电流的高能脉冲从电容器44流过感应器40，由此产生巨大和瞬时的围绕传动轴管20端部21的电磁场。这个电磁场向传动轴管20的端部21的外表面施加非常大的力，导致其以高速向内塌陷到端部接头30的颈部34上。传动轴管20端部21的内表面与端部接头30颈部34的外表面之间的撞击导致两者之间出现焊接或分子焊接。焊接区域的尺寸和位置将随多种因素而改变，例如间隙36的尺寸、用于形成传动轴管20和端部接头30的金属材料的尺寸、形状、和特性、感应器40的形状和尺寸、传动轴管20端部21与端部接头30颈部34之间撞击的速度和角度等等。
如上所述，已经发现在磁脉冲焊接操作期间，传动轴管20的端部21对普通端部接头的颈部的高速撞击可以至少在某些情况下导致端部接头的轴叉臂相对于另一个轴叉臂永久地偏转。这是因为，由于传动轴管20的端部21对颈部的撞击，普通端部接头的本体部分可能发生塑性变形。当端部接头由例如铝合金的较轻材料制成时，特别可能出现这种情况。此外，这种高速撞击可以导致冲击波沿普通端部接头从颈部传播到轴叉臂，导致穿过其形成对准开口的形状的一些变形。
为了减少或是防止发生这类情况，在该端部接头30的内部形成一环形槽50或是其他凹入区域，如图2和3所示。所示的槽50通常是圆环形，具有通常垂直于端部接头30的旋转轴而延伸的侧面部分50a。所示的槽50形成在本体部分31中，靠近该处颈部34轴向伸出。但是，槽50可以形成在端部接头30的任意想要的位置处且可具有任意所需的形状。设置槽50的目的是限定在端部接头30上的桥形部分51，桥形部分由相对较小体积的材料构成。因此，桥形部分51就在该端部接头30的颈部34和轴叉臂32之间提供了一区域，该区域在轴向方向上比存在于普通端部接头更具柔性。但是，槽50的形状和尺寸最好不要不利地影响该端部接头30在使用中传送扭矩和旋转能的能力。槽50的深度和宽度(以及，因此桥形部分51的尺寸和柔性)能根据端部接头30的具体特性和被认为所需要或是期望的机械性质而变化。
桥形部分51的柔性特点当上述磁脉冲焊接操作在颈部34执行时，能允许端部接头30的轴叉臂32弹性变形。因此，槽50和桥形部分51降低或是防止因为在颈部34上执行磁脉冲焊接操作而引起的轴叉臂32的不希望有的永久性偏转量。槽50和桥形部分51也能限制在执行磁脉冲焊接操作时通过该端部接头30从颈部34到轴叉臂32的冲击波的传播。这种冲击波至少在某些情况下会改变形成在轴叉臂32上的各自开口33的形状，而这种改变是不希望看到的。
图4是类似于图3所示的按照本发明通常在30′处指示出的端部接头的第二实施例的放大横截面示意图。端部接头30′的第二实施例通常类似于上面所述的端部接头30的第一实施例，并且相同的附图标记被用来表示这里类似的结构。但是，这里改进的端部接头30′具有在其内形成的改进槽60。改进槽60通常也是环形。但是，改进槽60的侧面部分60a相对于改进的端部接头30′的旋转轴成角度或是渐渐变细的。类似于三角形槽，如需要，这类侧面部分60a既能以所示的变化的角度，也能以恒定的角度形成角度或是渐渐变细。该改进槽60的最终结果是从该改进端部接头30′的本体部分去掉附加材料。因此，改进槽限定的桥形部分61比上面所述的桥形部分51具有更大的柔性。
图5是类似于图3所示的按照本发明的通常由30″表示的端部接头的第三实施例放大横截面示意图。端部接头30″的第三实施例通常类似于上面所述的端部接头30的第一实施例，并且相同的附图标记被用来表示这里类似的结构。但是，这里改进的端部接头30″具有一对形成在其内的改进槽70。改进槽70彼此相对且通常每个为半圆形形状，最好如图6所示，改进槽70具有侧面部分70a，该部分70a通常垂直于端部接头30″的旋转轴延伸。但是，该侧面部分70a如需要可以如上面所讨论的相对于改进端部接头30″的旋转轴形成角或是渐渐变细。两个槽70优选与改进端部接头30″的轴叉臂32同轴向对准，如图5所示，尽管这是不要求的。因此，改进槽70限定一具有长轴的椭圆形凹槽，该长轴平行于改进端部接头30″的通过轴叉臂32形成的对准开口33的对中(alignment)轴，该椭圆形凹槽还有一短轴，该短轴垂直于该对准的开口33的对中轴。因此，改进槽70限定的各自的桥形部分71也是与轴叉臂32轴向对准。
图7是类似于图3所示的按照本发明的通常由30表示的端部接头的第四实施例的放大横截面示意图。端部接头30的第四实施例通常类似于上面所述的端部接头30的第一实施例，并且相同的附图标记被用来表示这里类似的结构。但是，改进的端部接头30具有一对形成在本体部分31的外表面上的槽80。改进槽80是彼此相对的，并且通常是椭圆形，最好如图8所示，槽80具有侧面部分80a或侧面部分80b；侧面部分80a通常垂直于端部接头30的旋转轴而延伸；所述侧面部分80b按照需要相对于改进的端部接头30的旋转轴形成角度或是渐渐变细。两个槽80优选是与改进的端部接头30的轴叉臂32轴向对准的，如图7所示，尽管这样并不是所要求的。这样，改进槽80限定的各自的内部桥形部分81也是与轴叉臂32同轴向对准的。尽管本发明考虑到单一的环形外部槽绕改进端部接头30的本体部分31的外表面延伸，也已经发现这类环形外部槽可能不受欢迎地削弱改进的端部接头30。
所有各种槽50、60、70和80以任意需要的方式形成在相关的端部接头里。例如，这类槽50、60、70和80可在制造该端部接头时形成，例如通过铸造的方式形成。可选择地，这类槽50、60、70和80也可在端部接头制成后形成，如通过机加工的方式形成。在执行磁脉冲焊接处理后，任意这类槽50、60、70和80都能以填充料填充，例如环氧树脂填充，以恢复端部接头由于槽50、60、70和80的存在而使其丧失的一部分或所有刚度，也可以用于其它目的，例如为旋转而平衡端部接头。
按照本专利法的规定，本发明的操作原理和模式已经在优选实施例中解释和说明。但应理解的是本发明可以在不背离其主旨或范围的情况下除所专门描述外实施。
权利要求
1.一种进行磁脉冲焊接操作以将第一和第二金属元件固定在一起的方法，其包括以下步骤(a)提供包括第一部分和第二部分的第一金属元件，并且一桥形部分隔开该第一部分和第二部分；(b)提供具有一端部的第二金属元件；(c)将第二金属元件的端部以轴向重叠方式相对于第一金属元件的第一部分布置；(d)进行磁脉冲焊接操作以将第二金属元件的端部固定到第一金属元件的第一部分。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于通过提供一包括第一部分和第二部分的轴叉来执行所述步骤(a)；所述第一部分包括一本体部分，所述第二部分包括一对相对的轴叉臂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过提供一在第一金属元件上的槽来执行所述步骤(a)，该槽限定所述桥形部分。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过提供一在第一金属元件的外表面上的槽来执行步骤(a)，该槽限定所述桥形部分。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过提供一在第一金属元件的内表面上的槽来执行所述步骤(a)，该槽限定所述桥形部分。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过提供一具有侧面部分的槽来执行所述步骤(a)，该侧面部分通常垂直于第一金属元件的旋转轴延伸。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过提供一具有侧面部分的槽来执行所述步骤(a)，该侧面部分相对于第一金属元件的旋转轴是形成角度或是渐渐变细。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在第一金属元件上提供一对槽来执行所述步骤(a)，该槽限定所述桥形部分。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过提供一对彼此相对的槽来执行所述步骤(a)，所述每个槽通常是半圆环形。
全文摘要
一种用于将第一和第二金属元件，如车辆传动轴组件中的轴叉和传动轴管固定到一起的磁脉冲焊接操作。该轴叉包括第一部分，如本体部分，和第二部分，如一对相对的轴叉臂，第一部分和第二部分由一桥形部分隔开。传动轴管的端部绕轴叉的本体部分同轴设置，并以磁脉冲焊接操作将传动轴管端部固定到轴叉的本体部分。该桥形部分由形成在轴叉的外表面或内表面上形成的槽限定。槽有侧面部分，既可以通常垂直于轴叉的旋转轴延伸，也可以与其成夹角或是相对其逐渐变细。如需要，也可在轴叉中形成一对相对的、半圆形的槽以限定桥形部分。该桥形部分允许轴叉臂的弹性变形，并且也能限制磁脉冲焊接操作产生的沿轴叉的冲击波的传播。
文档编号B23K20/06GK1453093SQ03138448
公开日2003年11月5日 申请日期2003年3月6日 优先权日2002年3月6日
发明者鲍里斯·A·亚布洛奇尼科夫 申请人:达纳公司