加强的车轴接头的制作方法

本申请要求2016年10月31日提交的美国临时专利申请序列号62/414,924的权益。

本申请的主题总体涉及用于车辆的车轴和车轮端部组件。特别地，本主题涉及重型车辆的车轴和车轮端部组件，其形成有加强主轴和车轴之间的焊接接头的结构。

背景技术：

重型车辆工业通常在一个或多个车轴的相对端部上使用车轮端部组件。每个车轮端部组件通常包括安装在轴承组件上的轮毂。轴承组件安装在车轮端部组件的主轴的外侧端上，以使轮毂能够相对于主轴旋转。

主轴通常通过焊接操作连接到车轴的管状端部部分，以形成车轴和车轮端部组件。主轴和车轴的管状部分之间的焊接接头承受重载，这引起焊接接头周围的局部挠曲、变形和应力。在焊接接头附近还存在这样的区域，所述区域可能受到焊接操作期间产生的热量和应力集中的不利影响。因此，车轴的管状部分和主轴部件的端部部分通常被选择为具有能够承受重型车辆在操作中遇到的载荷和应力以及在车轴和车轮端部组件的制造期间产生的热量和应力集中的尺寸和材料。

先前已知的用于重型车辆的车轴和车轮端部组件通常包括车轴的标准尺寸管状部分。当前已知的连接的一个问题是它可能对部件的几何形状敏感。也就是说，主轴的裙壁厚度需要与车轴的管状部分的壁厚基本相似，以便在连接操作期间获得所需的焊接残余材料的卷曲形状。主轴裙部的内径和外径以及车轴的管状部分的内径和外径也影响焊接残余材料的卷曲形状。没有尖锐边缘的期望的卷曲形状对于从车轴管状部分到主轴焊接接头获得可接受的完整性和疲劳寿命是重要的。具有不期望的卷曲形状的接头通常会导致车轴和车轮端部组件的报废，从而增加了制造总成本。

车轴和车轮端部组件还包括制动器部件保持或安装结构，其通常称为支架或扭矩板(spiderortorqueplate)。制动器部件保持或安装结构通常固定到车轴上或主轴。支架或扭矩板的沿着车轴的位置通常由制动器系统结构和用户要求确定。支架或扭矩板的位置通常与主轴和车轴之间的焊接接头轴向间隔开。

先前已知的车轴和车轮端部组件往往相对较重，这对重型车辆的总重量有贡献，并因此限制了重型车辆可合法承载的货物量。先前已知的车轴和车轮端部组件可能在制造期间浪费材料，这增加了成本和现有库存。适当的已知连接方法可能是有限制的并且需要对设备进行大量的资金投入。

与先前已知的车轴和车轮端部组件相关的限制、劣势和缺点使得期望提供改进的车轴和车轮端部组件以及制造改进的车轴和车轮端部组件的方法。

技术实现要素：

提供发明内容以介绍下文描述的概念。本发明内容不旨在标识所公开主题的关键因素或基本特征，也不旨在用于限制所公开的主题和权利要求的范围。根据所公开的主题的概念，通过这样的车轴和车轮端部组件克服与已知的车轴和车轮端部组件相关的劣势和缺点，所述车轴和车轮端部组件在主轴和车轴壳体之间形成有焊接接头，所述焊接接头由包围接头的结构加强。

所公开的主题的概念提供了相对更轻的车轴和车轮端部组件，其在焊接接头处具有较小的挠曲、变形和应力，减少了材料成本和库存，允许可由重型车辆运载相对更重的货物量，并允许较低的资本成本。所公开的主题的概念还允许使用先前在制造车轴和车轮端部组件时不期望的各种连接过程。根据所公开主题的概念制造的车轴和车轮端部组件对部件的几何形状相对较为不敏感。也就是说，具有给定裙壁厚度的主轴可以与具有不同壁厚的车轴管状部分一起使用。这可以减少必须制造和承载在库存中的不同的相对昂贵的主轴的数量。根据所公开主题的概念制造的车轴和车轮端部组件的加强接头也可减少废料。

根据所公开主题的一个方面，一种车轴和车轮端部组件，包括具有环形端面的管状车轴管壳体。车轴和车轮端部组件还包括具有环形端面的主轴，所述主轴的环形端面在附接周边处连接到管状车轴壳体的环形端面。可以通过任何适当类型的连接来完成连接操作。车轴和车轮端部组件还包括固定到管状车轴壳体和主轴的加强结构。加强结构定位成跨越并包围附接周边的至少一部分。

优选地，加强结构是制动器部件安装结构，其跨越并包围基本上全部的附接周边。在端面连接在一起的位置，产生在附接周边附近的热影响区。制动器部件安装结构优选地包围基本上全部的热影响区，以加强和增强焊接接头和热影响区。车轴壳体和主轴的端面可以通过摩擦焊接操作连接在一起，所述摩擦焊接操作产生热影响区。车轴壳体和主轴的端面可以通过激光焊接操作连接在一起，所述激光焊接操作产生相对较小的热影响区。

车轴壳体和主轴的端面各自具有外径基本相等的环形形状。车轴壳体和主轴的端面可以具有内径基本相等的端面。车轴壳体和主轴的端面可以具有不同内径的端面。加强和增强的焊接接头使得到的结构加固，因此车轴和车轮端部组件能够更好地抵抗挠曲并承受应力，从而提高车轴的耐用性和使用寿命。

根据另一方面，一种制造车轴和车轮端部组件的方法，包括提供具有管状壳体的车轴的步骤，所述管状壳体具有环形端面。该方法还包括将主轴的环形端面连接到管状车轴壳体的环形端面，以形成附接周边。可以通过任何适当类型的连接来完成连接操作。该方法还包括将加强结构固定到管状车轴壳体和主轴，以跨越并包围附接周边的至少一部分。

该方法优选地包括将加强结构定位成跨越并包围基本上全部的附接周边的步骤。该方法包括以在附接周边附近产生热影响区的方式将主轴的环形端面连接到车轴中央管壳体的环形端面。加强结构定位成跨越并包围基本上全部的热影响区。

附图说明

以下描述和附图阐述了所公开主题的某些说明性方面和实施方式。这些仅指示了可以采用的一个或多个实施例、方面和实施方式的多种方式中的一些。通过参考附图阅读以下描述，所公开的主题的其它特征对于本领域技术人员将变得显而易见，其中：

图1是根据一个方面构造的车轴和车轮端部组件的整体局部透视图，其示出了安装在车轴和车轮端部组件的车轴和主轴上的加强结构；

图2是图1的车轴管状部分和车轮端部组件的一部分的大致沿着图1中的线2-2截取的局部剖视图，其示出了安装在车轴和主轴上的加强结构；

图3是图2的根据一种类型的连接操作制造的车轴和车轮端部组件的一部分的放大的局部剖视图；和

图4是类似于图3的根据另一种类型的连接操作制造的车轴和车轮端部组件的一部分的放大的局部剖视图。

具体实施方式

参考附图描述了所公开的主题，其中在整个说明书中相同的附图标记用于表示相同的元件。在说明书中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对所公开主题的理解。然而，应该理解，可以在没有这些特定细节的情况下采用、实践和实现所公开的主题。

改进的车轴和车轮端部组件20(图1-3)旨在用于重型车辆，例如拖车。根据一个方面，提供了这样的车轴和车轮端部组件20，其有利地能够使用相对较薄且因此重量较轻的部件，例如包括管状中央部分或车轴壳体22的车轴10、和管状主轴24。通过为车轴和车轮端部组件20提供这样的接头26来实现这种改进，所述接头用加强结构40保护和加强，所述加强结构例如支架、扭矩板或制动器保持结构。加强结构40在周向方向上完全包围或环绕，并且在轴向方向上桥接或跨越接头26和接头附近的热影响区haz(图3)。热影响区haz可能是应力集中区域。通过添加加强结构40而获得的关于接头26和热影响区haz的截面模量的增加加强并保护车轴和车轮端部组件20免受在重型车辆运行期间和/或可能通过连接过程产生的在焊接接头处的挠曲、变形和应力。

热影响区haz通过连接操作产生并且位于接头26或附接周边附近。热影响区haz在相反的轴向方向上从接头26延伸相对短的距离。热影响区haz延伸的确切距离可取决于许多因素，例如所使用的材料、管状车轴壳体22和主轴24的相应厚度和/或所使用的连接方法。应当理解的是，可以使用将主轴24永久地连接到管状车轴壳体22的任何适当的手段，例如摩擦、mig、tig、电弧、氧燃料、气体、激光、投射、对接或电容焊接等。

改进的车轴和车轮端部组件20的管状车轴壳体22具有优选地圆形的横截面并且具有环形端面42。管状车轴壳体22可以由任何适当的材料制成，例如钢。车轴和车轮端部组件20的主轴24也具有优选地圆形的横截面的管状端部部分或裙部并且具有环形端面44。主轴24可由任何适当的材料制成，例如钢，并且通常通过镦锻锻造(upsetforging)形成一体件。管状车轴壳体22和主轴24的裙部可具有任何适当的横截面形状和尺寸。优选地，根据一个方面，管状车轴壳体22和主轴24的内径和外径在它们各自的环形端面42、44处基本相同。可以想到的是，管状车轴壳体22和主轴24的内径可以是不同的，例如管状车轴壳体具有相对较大的内径，这本在以前认为不合期望的。这将允许减少相对昂贵的主轴24的库存，原因在于主轴的内径不必匹配管状车轴壳体22的内径。

根据一个方面，车轴中央管壳体22和主轴24的相应端面42、44连接在一起。主轴24的环形端面44在焊接接头26或附接周边处连接到管状车轴壳体22的环形端面42。优选地，焊接接头26围绕车轴和车轮端部组件20的整个附接周边连续延伸360°。焊接接头26还具有至少等于管状车轴壳体22和主轴24的壁厚t的径向厚度或尺寸，如图3所示。由于连接过程，可能形成表面不连续部分60，这可能影响疲劳寿命并产生应力集中。通常通过适当的工艺，例如剪切、车削或磨削移除在在车轴和车轮端部组件20的外表面上形成的焊接接头26处的任何表面不连续部分。在管状车轴壳体22和主轴24的内表面上形成的接头26处的表面不连续部分60(图3)通常留在位置上。

车轴和车轮端部组件20还包括加强结构40，优选地为通常已知为支架、扭矩板或制动器部件安装结构的制动器保持结构的形式，其固定到管状车轴壳体22和主轴24。可以使用任何合适的手段将加强结构40永久地附接到主轴24和管状车轴壳体22，诸如，例如焊接以形成围绕管状车轴壳体和主轴的整个周向周边延伸的焊接部46。加强结构40定位成包围焊接接头26的至少一部分，从而增强和保护焊接接头。优选地，加强结构40定位成在围绕车轴中央管壳体22和主轴24的周边或周向方向上以360°包围或围绕基本上全部的焊接接头26和热影响区haz。加强结构40还优选地定位成在沿着管状车轴壳体22和主轴24的纵向中央轴线a(图2)的方向上跨越或桥接热影响区haz。意图将焊接部46视为与加强结构40分开(separate)并且不形成加强结构40的一部分。加强结构40具有轴向相对的侧端面48。侧端面48中的第一侧端面轴向地位于焊接接头26的一侧而另一个第二侧端面轴向地位于焊接接头的相对侧。

车轴和车轮端部组件20通常从重型车辆的框架构件(未示出)悬垂并跨其横向延伸。典型的重型车辆，例如拖车包括从拖车悬挂的一个或多个非驱动车轴，其中，每个车轴22均具有安装在车轴的相应相对端部上的车轮端部24。显而易见的是，所公开的概念也可以应用于驱动车轴以及其他重型车辆，例如采用驱动车轴和非驱动车轴的卡车。虽然在附图中仅示出了一个车轴和车轮端部组件20，但是显然车轴和车轮端部组件位于管状车轴壳体22的轴向相对的端部上。为了清楚起见，描述了车轴和车轮端部组件20的仅仅一个端部部分。

车轴和车轮端部组件20包括轴承组件，所述轴承组件具有安装在主轴24上的内侧轴承82(图2)和外侧轴承84。即，内侧轴承82安装在主轴24的外径上，其中，其内侧表面与形成在主轴中的肩部86抵接。外侧轴承84在主轴的外侧端部部分附近安装在主轴24上。内侧和外侧轴承82、84在沿着车轴和车轮端部组件20的纵向中央轴线a的方向上间隔开。可选的轴承间隔件88可以位于轴承82、84之间以保持适当的间距，并且预加载轴承。螺母组件100以已知的方式拧到主轴24的外侧端部上，并将轴承82、84和轴承间隔件88固定就位。如已知的那样，螺母组件100通常可包括内侧螺母、锁紧垫圈、外侧螺母和固定螺钉。

轮毂102支撑在内侧和外侧轴承82、84上，以用于以已知的方式相对于主轴24旋转。轮毂盖(未示出)安装在轮毂102的外侧端部上，以封闭车轴和车轮端部组件20的外侧端部。周向连续的主密封件104安装在轮毂102的内侧端部上并封闭轮毂的内侧端部。多个过盈配合螺柱106(仅示出一个)从轮毂102延伸。螺柱106用于将轮胎轮辋和轮胎(未示出)的部件抵靠轮毂102的安装面108安装，并因此安装在车轴和车轮端部组件20的端部上。

虽然大多数车轴和车轮端部组件20包括典型特征，但是每个车轮端部组件以及车轴的特定部件的设计和布置根据特定车辆设计及其预期载荷和用途而变化。例如，一些重型车辆包括这样的车轴和车轮端部组件20，其包括用于重型商用车辆的具有约5.0英寸的外径和约0.562英寸的相对大的壁厚的标准尺寸车轴。典型的标准尺寸5.0英寸外径车轴的壁厚介于约0.526英寸至约0.750英寸的范围内。

管状车轴壳体22可具有约5.0英寸的外径。将所公开的主题的一个方面结合到车轴和车轮端部组件20中使得能够将相对较薄壁的管用于车轴中央管壳体22甚至主轴24。例如，管状车轴中央管壳体22的厚度t(图3)对于相同的gawr而言可以介于约0.425英寸至约0.640英寸的范围内，并且优选地为约0.460英寸而不是之前的0.562英寸。这导致显著的重量减轻而又不影响车轴和车轮端部组件20的性能特征、强度和耐久性。然而，应该显而易见的是，车轴和车轮端部组件可以将加强结构与壁厚相对较大的具有标准尺寸的车轴结合在一起。

当车轴中央管壳体22对于重型商用车辆而言具有约5.75英寸的相对大的外径时，所公开的主题还具有适用性。一些重型车辆包括这样的车轴和车轮端部组件20，其包括标准尺寸的车轴，所述车轴具有约5.75英寸的外径和约0.562英寸的相对大的壁厚。典型的标准尺寸5.75英寸外径车轴的壁厚介于约0.301英寸至约0.400英寸的范围内。将所公开的主题的方面结合到车轴和车轮端部组件20中使得能够将相对较薄壁的管用于管状车轴壳体22并且甚至可能用于主轴24。例如，具有5.75英寸外径的管状车轴中央管壳体22的厚度t对于相同的gawr而言可以介于0.225英寸至0.300英寸的范围内，并且优选地为约0.250英寸而不是之前约0.310英寸的厚度。这导致显著的重量减轻而又不影响车轴和车轮端部组件20的性能特征、强度和耐用性。

根据所公开的主题的另一方面并且在图4中示出，提供了车轴和车轮端部组件120。车轴110的管状车轴壳体122和主轴124的端面142、144可以激光焊接在一起。主轴124的环形端面144在焊接接头126或附接周边处激光焊接到管状车轴壳体122的环形端面142。焊接接头26通过激光焊接工艺制成并围绕车轴和车轮端部组件120的整个周边延伸360°。由于激光焊接工艺的结果，因此几乎没有形成表面不连续部分并且消除了卷曲形状的应力集中。

通过激光焊接操作在焊接接头126或附接周边附近产生热影响区haz-l。热影响区haz-l从焊接接头126沿着相反的纵向或轴向方向延伸相对短的距离。热影响区haz-l从焊接接头126延伸的轴向距离相对小于例如通过摩擦焊接产生的在车轴和车轮端部组件20的焊接接头26处的热影响区haz。通过激光焊接产生的热影响区haz-l通常在焊接接头126附近具有很小的变形或没有变形并且消除或最小化诸如轴承轴颈之类的对象的焊后加工。热影响区haz-l延伸的确切轴向距离可取决于许多因素，例如所使用的材料、激光设备施加的能量以及车轴和车轮端部组件120与激光发射器之间的相对运动速度。

将车轴中央管壳体122激光焊接到主轴124是相对有效的材料使用。这是因为不需要管状车轴壳体122和/或主轴124的额外长度来产生残余焊接材料，其具有足够大的卷曲形状以排出在摩擦焊接过程中可能形成的氧化物。这减少了形成成品车轴和车轮端部组件120所需的钢材量。另外，完全消除了由表面不连续部分产生的卷曲形状应力集中。

管状车轴壳体122和主轴124的外径在图4中示出为在它们各自的环形端面142、144处基本相同。管状车轴壳体122和主轴124的内径示出为在它们各自的环形端面142、144处不同。例如，管状车轴壳体122具有比主轴124的裙部的内径相对更大的内径。即，管状车轴壳体122的壁厚小于主轴124的裙部的壁厚，从而有助于相对较轻的车轴和车轮端部组件120。由于主轴的裙部的端面144的内径不必与管状车轴壳体122的端面142的内径匹配，因此可以减少相对昂贵的主轴124的库存。可以设想车轴中央管壳体122的内径和主轴124的内径可以是相同的。

车轴和车轮端部组件120还包括加强结构140，优选地为通常已知为支架、扭矩板或制动器部件安装结构的制动器保持结构的形式，其固定到管状车轴壳体122和主轴124两者。可以使用任何适当的手段将加强结构140永久地附接到主轴124和管状车轴壳体体122，诸如，例如焊接以形成围绕管状车轴壳体122和主轴124的整个外周延伸的焊接部146。加强结构140定位成跨越并包围焊接接头126的至少一部分，从而加强和保护焊接接头。优选地，加强结构140定位成在围绕管状车轴壳体122和主轴124的周边或周向方向上以360°包围或围绕基本上全部的焊接接头126和热影响区haz-l。此外，加强结构140定位成在车轴中央管壳体122和主轴124的纵向或轴向方向上跨越或桥接热影响区haz-l。意图是焊接部146被认为与加强结构140分开并且不形成加强结构140的任何部分。加强结构140具有轴向相对的侧端面148。侧端面148中的第一侧端面轴向地位于焊接接头126的一侧，而另一个第二侧端面轴向地位于焊接接头的相对侧。

这种改进是通过为车轴和车轮端部组件120提供这样的激光焊接接头126来实现的，通过加强结构140(例如支架、扭矩板或制动器安装结构)保护和加强所述激光焊接接头，所述加强结构完全包围或围绕以及桥接或跨越焊接接头126和接头附近的热影响区haz-l(图4)。通过加强结构140导致的关于焊接接头126和热影响区haz-l的截面模量的增加增强并保护了车轴和车轮端部组件120。

改进的车轴和车轮端部组件20、120通过使用不同类型的焊接提供灵活性。改进的车轴和车轮端部组件20、120潜在地使用较少的材料，这可以降低成本和库存。改进的车轴和车轮端部组件20、120和制造方法也可以减少废料。

所公开的主题成功地将相对轻质的车轴结合到用于重型车辆的车轴/悬架系统中。更具体地，所公开的主题可以通过利用具有相对薄的车轴壁的相对较大直径的车轴来减轻重量，但仍然提供运输业中需要的车轴和车轮端部组件20、120的刚度性能特性、强度和耐久性。

根据另一方面，公开了一种制造车轴和车轮端部组件20的方法。该方法包括提供具有环形端面42的管状车轴壳体22。主轴24的环形端面44连接到管状车轴壳体22的环形端面42，以形成附接周边或焊接接头26。加强结构40，例如支架、扭矩板或制动器安装结构固定到管状车轴壳体22和主轴24，以包围焊接接头26的至少一部分。

中央管壳体22与主轴24的连接可以通过任何合适的工艺完成，例如摩擦焊接工艺，其往往在焊接接头26附近产生热影响区haz。加强结构40优选地定位成包围基本上全部的焊接接头26。可以使用任何适当的手段将加强结构40永久地附接到主轴24和管状车轴壳体22，诸如，例如焊接以形成围绕管状车轴壳体和主轴的整个周向周边延伸的焊接部46。加强结构40定位成包围接头26的至少一部分，从而加强和保护接头。优选地，加强结构40定位成在围绕车轴中央管壳体22和主轴24的周边或周向方向上以360°包围或围绕基本上全部的接头26和热影响区haz。此外，加强结构40定位成在沿着管状车轴壳体22和主轴24的纵向中央轴线a的方向上跨越或桥接热影响区haz。

应当理解，加强结构40的位置不必在沿着车轴和车轮端部组件20的纵向轴线a的方向上在焊接接头26上移动。焊接接头26和加强结构40的位置由特定应用的制动器和/或轮胎/车轮组件的要求决定。调节车轴中央管壳体22的长度和主轴24的长度以适应加强结构40所需的位置。可以设想，加强结构40可用于安装鼓式或盘式制动器部件。还可以设想，所描述的方法可用于制造车轴和车轮端部组件120。

应当理解，在不影响所公开构思的整体概念或操作的情况下，用于重型车辆的具有加强的焊接接头26、126的车轴和车轮端部组件20、120的结构可以被改变或重新布置或者省略或添加某些部件。例如，加强结构40、140可以是除制动器保持结构之外的形式，例如围绕焊接接头26、126和热影响区haz、haz-l定位的加强材料的“包裹”或套管。词语“包围”的使用旨在包括周向环绕和/或轴向桥接或跨越。

还应理解，在不影响构思或操作的情况下，所公开的主题可应用于全部类型的车轴和车轮端部组件，所述车轴和车轮端部组件包括除了上面示出和描述的那些之外的其他类型的车轴和车轮端部组件。虽然为了方便起见总体参考重型车辆，但是应该理解的是，这种参考包括卡车、牵引车-拖车或半挂车及其拖车。

已经参考具体方面描述了所公开的主题。应理解，本描述和说明是示例性而非限制性的。在阅读和理解所公开的主题时，其他人将想到潜在的修改和变更，并且应理解所公开的主题和权利要求包括全部这些修改和变更及其等效物。