專利名稱：形成單件式部件的方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及金屬成型，具體涉及形成在自動變速器中傳遞扭矩的單件式部
件。更具體地，本發(fā)明涉及從冷成型或熱成型的預成型件形成作為單件的環(huán)形齒輪-駐車 制動鼓。
背景技術：
后輪驅動機動車輛的自動變速器的運動機構(kinematic arrangement)可以包括 拉威挪齒輪組(Ravigneaux gearset)，該齒輪組的部件包括兩個太陽齒輪、圍繞太陽齒輪 的環(huán)形齒輪，及兩組行星小齒輪。第一組小齒輪與第一太陽齒輪和環(huán)形齒輪嚙合，第二組小 齒輪與第二太陽齒輪和第一組小齒輪嚙合。變速器輸出扭矩由環(huán)形齒輪承載，并在軸向上 由駐車制動鼓傳遞到徑向盤并在徑向上傳遞到套管(sleeve)或套節(jié)(hub)，該套管或套節(jié) 由花鍵連接到變速器輸出軸并連接到徑向構件。 環(huán)形齒輪形成有螺旋內輪齒。駐車制動鼓形成有外齒，外齒可由駐車棘爪接合并 固定到變速箱上以用于在車輪制動器分離時防止車輛意外地移動。 根據(jù)目前的制造工藝，環(huán)形齒輪、駐車制動鼓、徑向盤及其套節(jié)是作為分離的部件
形成的，且每個部件均按照精確尺寸制造。環(huán)形螺旋齒輪(helical ring gear)激光焊接
到駐車制動鼓。輸出軸套節(jié)_徑向盤使用花鍵和卡環(huán)連接到駐車制動鼓。 駐車制動鼓、輸出軸套節(jié)和徑向盤廣泛地形成以用于在應用中承載主要的扭轉負
荷。每個部件均按照緊密公差機械加工。然而，不能將環(huán)形齒輪直接地機械加工到駐車制
動鼓中，因為必須對環(huán)形齒輪進行拉削(broached)，這需要長的拉刀(broachbar)完全地
穿過環(huán)形齒輪。 現(xiàn)有技術中存在這樣的需要使這些分離部件的組合整體形成，即形成為單個部 件，不需要部件之間的粘合、焊接或機械連接，而仍然提供到變速器軸的機械連接。

發(fā)明內容
—種用于形成在自動變速器中傳遞扭矩的部件的方法包括形成具有與軸線同心 并沿軸線延伸的套節(jié)的工件并在工件上形成與套節(jié)集成并在軸向上從套節(jié)向外延伸的盤。 中空預成型圓筒與盤整體形成、位于盤遠離套節(jié)的徑向端部、與軸線同心，并包括內表面和 外表面。使用位于中空預成型圓筒內并具有形成有輪齒的外表面的旋壓成型心軸使中空預 成型圓筒旋壓成型，以使中空預成型圓筒的內表面符合旋壓成型心軸的至少部分輪齒。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于形成與行星齒輪組接合的部件的方法。該 方法包括下述步驟(a)形成具有與軸線同心并沿軸線延伸的套節(jié)的工件；(b)形成與套節(jié) 集成并在徑向上從套節(jié)向外延伸的盤；(C)形成與盤集成、位于盤的徑向端部、沿軸線延伸 并與軸線同心的中空圓筒；及(d)使用位于中空圓筒內的心軸使中空圓筒旋壓成型，以使 中空圓筒的內表面符合心軸的至少部分外表面。 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于形成與行星齒輪組接合的部件的方法。該
3方法包括下述步驟(a)形成具有與軸線同心并沿軸線延伸的套節(jié)的工件；(b)形成與套節(jié) 集成并在徑向上從套節(jié)向外延伸的盤；(c)形成與盤集成、位于盤的徑向端部、沿軸線延伸 并與軸線同心的中空圓筒；及(d)使用位于中空圓筒內并具有形成有輪齒的外表面的旋壓 成型心軸使中空圓筒旋壓成型，以使中空圓筒的內表面符合旋壓成型心軸上的至少部分輪 齒。在一個實施例中，步驟(b)還包括使工件上將形成為所述盤的內表面的表面與拉延心 軸相互接觸，所述拉延心軸包括與工件上將形成為盤的部分接觸的表面；及迫使拉延環(huán)在 工件上移動并迫使第三模的表面靠住所述拉延心軸，以形成所述盤。 與多件式裝置相比，單件式環(huán)形齒輪-駐車制動鼓可以用較低成本制造且不需要
機械連接、焊接或粘合連接。與四件式總成相比，裝配期間的復雜性極大地降低。由于部件 較少且沒有部件間連接，這可以減少保修期內部件故障的可能性進而降低保修成本。本發(fā) 明的部件內在地具有更高的剛性并且比多件式總成輕。 優(yōu)選實施例的適用范圍通過下面的詳細說明、本申請的權利要求書和附圖將變得 明晰可見。應理解，說明書和具體示例雖然表示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但僅用于說明目 的。對所述實施例和示例的各種改變和修改將對于本領域技術人員變得明晰可見。


圖1示出用于制造預成型圓筒的一系列工藝步驟的示意圖； 圖2是圖1所示預成型件通過旋壓成型形成的輪廓的側視圖； 圖3是從圖1所示的杯狀預成型件冷成型得到的圓筒的透視圖； 圖4是從圖3所示圓筒切割得到的圓柱形坯件的透視圖； 圖5A至5D是示出形成環(huán)形齒輪和離合器環(huán)的工藝步驟的橫截面； 圖6是示出切割為片段之前的圖5A至5D所示環(huán)形齒輪和離合器環(huán)的橫截面； 圖7是單向離合器的外環(huán)的正視圖； 圖8是具有螺旋內輪齒的環(huán)形齒輪的透視圖； 圖9是從預成型圓筒冷成型并切割得到并準備成型為離合器環(huán)的一系列片段的 透視圖； 圖10是從預成型圓筒冷成型并切割得到并準備成型為環(huán)形齒輪的一系列片段的 透視圖； 圖11是包含形成單件的集成的環(huán)形齒輪_駐車制動鼓的自動變速器的拉威挪齒 輪組的側視圖； 圖12A至12D是示出形成圖11所示環(huán)形齒輪_駐車制動鼓的工藝步驟的橫截面； 圖13是圖11所示集成的環(huán)形齒輪_駐車制動鼓的透視圖；及 圖14是圖11所示集成的環(huán)形齒輪_駐車制動鼓的透視圖。
具體實施例方式
結合附圖參考下面的說明，可以更容易地理解本發(fā)明。 現(xiàn)參考附圖，圖1示出工件10，該工件10優(yōu)選地為板、圓棒的切片、或碳鋼的板巻， 并通過常規(guī)的冷鍛、熱鍛或拉延方法形成具有中孔11的拉長的杯形12。在使杯形的預成型 件12退火以軟化材料從而使預成型件12較不脆并釋放內部應力之后，通過各種方法、包括通過旋壓成型操作加工杯形的預成型件12，以制造具有內表面16、外表面18和由徑向法蘭 22部分地封閉的端部20的凈形預成型件14。 圖2所示的旋壓成型過程使用具有外表面26的心軸24。凈形預成型件14套在心 軸上并通過尾座28夾持法蘭22以在其端部20固定到心軸的端部。迫使圍繞軸線32互相 成角度隔開的若干個滾子30與預成型件14的外表面接觸。每個滾子30圍繞各自的軸線 34旋轉并沿軸32向左平移。 通過預成型件14和滾子30之間的接觸壓力及滾子在心軸24和預成型件上的運 動，使預成型件14的外表面18旋壓成型為圓筒40。預成型件14的內表面16由于預成型 件14和心軸24的外表面之間的接觸壓力而旋壓成型。當滾子30和滾子進給裝置(roller feed) 36作為一個單元沿軸線32移動并在角度上和徑向上相對于該軸線移動時，預成型件 14的圓柱形壁的材料在軸向和徑向上相對于軸線32流動。 以此方式可以使預成型件14旋壓成型，以使其外表面和內表面與如圖3所示的長 圓筒40相同。 或者，預成型件14的外表面18可以不是均勻的圓柱形，而是使圓筒41形成有外 部特征(exterior features)，如由于當滾子30既在軸向上圍繞軸線32移動又在徑向上相 對于軸線32移動、如圖2所示在軸線32上方移動時，預成型件的圓柱形壁的材料在軸向上 和徑向上相對于軸線32流動，該圓筒41的壁厚可以變化。 類似地，心軸24的外表面26可以不同于圓柱形。例如，心軸24的外表面26可以 形成有沿心軸的至少部分長度延伸的螺旋輪齒，或心軸24的外表面可以形成有用于單向 離合器的外環(huán)的凸輪斜面(cam ramps)，這些凸輪斜面圍繞軸線32設置并沿心軸的至少部 分長度延伸。在這些情況下，預成型圓筒14的內表面16將旋壓成型為具有螺旋輪齒或者 凸輪斜面。 如圖4所示，然后通過多種技術中的任何技術、包括激光切割，將旋壓成型的圓筒 40、41相對于軸線32橫向切割為多個環(huán)形片段或坯件15、42。優(yōu)選地，通過從噴嘴44在軸 向上隔開的位置處引導至旋轉的圓筒上的高壓水集中噴射、優(yōu)選地水中包含石榴石金剛砂 (garnet)，將圓筒40、41切割為片段42。然后，對片段42進行精加工(finish machined)、 熱處理并上涂層。 參考圖5A至5D描述稱為模內成型(in-die forming)的用于形成預成型圓筒的 替代工藝。沖壓具有中心導孔52且優(yōu)選地由超低碳鋼制成的圓板或片50，使中心導孔具有 約2. 54厘米(=1. 0英寸)的直徑。板50具有上表面54和下表面56。如果板50由高碳 鋼制成，則在執(zhí)行漸進成型階段之前使其退火。 板50放置在以軸線32為中心的實心模58上。模58包括具有內半徑64的肩部 62和具有外表面68的主體66。液壓機(未示出)迫使與板50的上表面54接觸的拉延環(huán) 70在多個漸進的階段中向下移動以使該板符合肩部62的表面、半徑64及表面68。
如圖5C所示，當拉延環(huán)70沿軸線32向下移動時，孔52的直徑增加，以期望的長 度形成徑向法蘭22，且由于迫使拉延環(huán)70在預成型板上移動時模和板之間的接觸壓力，迫 使預成型板50符合模58的外表面68的形狀。 當板50成型為圖2中的軸線32下方示出的預成型圓筒14的形狀時，將模58從 預成型圓筒中移除并由心軸24替代該模。使用尾座28以將法蘭22夾持到心軸24的軸向
5端部。然后迫使?jié)L子30與預成型件14的外表面18接觸。每個滾子30圍繞各自的軸線34 旋轉并沿軸線32平移。 預成型件14的外表面由預成型圓筒14和滾子30之間的接觸壓力及滾子在心軸 24和預成型件上的移動旋壓成型。預成型圓筒14的內表面由于迫使預成型件與心軸24的 外表面26接觸的接觸壓力而旋壓成型。當滾子30在軸向上沿軸線32移動、在周向上圍繞 該軸線移動，并在徑向上相對于該軸線移動時，預成型件14的圓柱形壁的材料在軸向上和 徑向上相對于軸線32流動。 優(yōu)選地，心軸24的外表面26形成為具有圓筒71、螺旋輪齒72 (如在自動變速器的 行星齒輪組中的環(huán)形齒輪的內表面上形成的螺旋輪齒)，或凸輪斜面73(如在單向離合器 的離合器環(huán)的內表面上形成的凸輪斜面)。在執(zhí)行旋壓成型步驟時，預成型件14成為圓筒 40、41的形狀且預成型件14的內表面符合心軸24的外表面26上的形狀。以此方式，可以 在心軸24的外表面26上旋壓成型出螺旋輪齒72、凸輪斜面73或圓筒71。
在執(zhí)行旋壓成型步驟之后，旋壓成型的圓筒40、41將具有圖6所示的形狀。對內 表面16進行滲碳和感應加熱。接下來，將圓筒40、41的外表面磨削為其最終形狀。
然后，如參考圖3和圖4所述使用激光切割方法或高壓水集中噴射將旋壓成型的 圓筒40、41相對于軸線32橫向切割為多個片段或環(huán)形坯件76。取決于心軸24的外表面 26的形狀，片段76將具有直圓柱環(huán)78、環(huán)形齒輪80或單向離合器的離合器環(huán)82的形狀。
圖7示出單向離合器的離合器環(huán)82，該離合器環(huán)具有在離合器環(huán)的內表面上形成 的凸輪斜面74。離合器環(huán)82的凸輪斜面74在使用過程中由接合元件接合，如由滾子、楔塊 (sprag)或球接合，以在離合器的內環(huán)和外環(huán)之間產(chǎn)生傳動連接。 圖8示出具有螺旋內輪齒84的用于自動變速器的行星齒輪組的環(huán)形齒輪80，該螺 旋內輪齒84是通過在模具(die tooling)中在預成型圓筒40、41的內表面上擠出成型產(chǎn) 生輪齒凈形而冷成型得到的。 參考圖9描述用于在模具中通過擠出成型產(chǎn)生凸輪斜面凈形以冷成型得到離合 器環(huán)90的替代方法。如參考圖1至圖4或圖5A至5D和圖6所述，使預成型圓筒40、41旋 壓成型并切割為具有圓柱形內表面16和外表面18的片段42。優(yōu)選地，預成型圓筒40、41 的長度足以產(chǎn)生約十個片段42，并從每個片段42形成離合器環(huán)90。 對每個圓柱形片段42進行球化退火并用標準的磷酸鹽/潤滑皂涂層(phosphate/ so即coating)涂覆，這些處理是金屬成型操作中的常規(guī)處理。 如圖9所示，片段42靠住精確磨削成型心軸94放置在擠出成型模具 (extrusiontooling)上，該心軸94的外表面上形成有將在離合器環(huán)90的內表面上形成的 凸輪斜面74的互補形狀(negative)。標準的液壓機設備用于迫使心軸94沿軸線96進入 并穿過圓柱形片段42以在片段42的內表面16上形成凸輪斜面74。 在片段42的內表面上形成凸輪斜面74之后，在緊密公差之內磨削片段的外表面 18且內表面16具有圍繞軸線96成角度設置并形成近凈形(near net shape)的一系列凸 輪斜面74。然后，對離合器環(huán)90進行精加工、熱處理并上涂層。 參考圖10描述用于通過在模具中擠出成型產(chǎn)生輪齒凈形以冷成型得到環(huán)形齒輪 100的替代方法。首先，參考圖1至圖4或圖5A至5D和圖6所述，使預成型圓筒40、41成 型并切割為具有圓柱形內表面16和外表面18的片段42。優(yōu)選地，預成型圓筒40、41的長度足以產(chǎn)生約十個片段42，并從每個片段42形成環(huán)形齒輪100。 對每個圓柱形片段42進行球化退火并用標準的磷酸鹽/潤滑皂涂層涂覆，這些處 理是金屬成型操作中的常規(guī)處理。 如圖10所示，片段42靠住精確磨削成型的心軸104放置在擠出成型模具中，該 心軸104的外表面上形成有將在環(huán)形齒輪100的內表面上形成的螺旋輪齒84的互補形狀 106。如其完整公開內容結合在此作為參考的美國專利5， 465， 597所述類型的標準的液壓 機設備可用于迫使心軸104沿軸線96進入并穿過圓柱形片段42以在片段42的內表面16 上形成輪齒84。 在片段42的內表面上形成輪齒84之后，在緊密公差之內磨削片段42的外表面18 且內表面16具有圍繞中心軸線96成角度設置并形成近凈形的輪齒。然后，對環(huán)形齒輪IOO 進行精加工、熱處理并上涂層。 參考圖ll，用于后輪驅動機動車輛的自動變速器的運動機構的一部分包括拉威挪 齒輪組118，該齒輪組118的部件包括第一太陽齒輪120、第二太陽齒輪122、環(huán)形齒輪124， 及兩組行星小齒輪126、128。第一組小齒輪126與第一太陽齒輪120和環(huán)形齒輪124嚙合； 第二組小齒輪128與第二太陽齒輪122和第一組小齒輪126嚙合。 通過環(huán)形齒輪-駐車制動鼓130將變速器輸出扭矩傳遞給變速器輸出軸140，該環(huán) 形齒輪-制動鼓130是整體形成的、即作為單個部件而不需要兩個或多個部件之間的粘合、 焊接或機械連接。環(huán)形齒輪_駐車制動鼓130包括環(huán)形齒輪124、駐車制動鼓132、徑向盤 134，及筒形套節(jié)(sleeve hub) 136。由環(huán)形齒輪124承載的變速器輸出扭矩在軸向上通過 駐車制動鼓132傳遞到徑向盤134，徑向盤134傳遞扭矩到筒形套節(jié)136，而筒形套節(jié)136由 花鍵138連接到變速器輸出軸140。環(huán)形齒輪124形成有螺旋內輪齒84。駐車制動鼓132 形成有外齒142，外齒142可由駐車棘爪接合并固定到變速箱上以用于在車輪制動器分離 時防止車輛意外地移動。 為了免除制造和互連多個分離部件的必要，如參考圖12A至12D所述制造集成的 環(huán)形齒輪-駐車制動鼓130，首先沖壓形成有與軸線154同心的孔152的平坦圓形鋼板150。
通過外模156擠出或拉延板150的中心部分并使內模158穿過孔152以形成筒形 套節(jié)部分136，從而使圖12所示的預成型件160冷成型得到筒形套節(jié)136的最終凈形內徑 162。對預成型件160進行球化退火并上涂層以用于擠出成型。 通過插入一系列的內部心軸164到預成型件160中并使一系列的拉延環(huán)166在預 成型件160上移動直到該預成型件獲得具有基本上一致的壁厚的圓柱形預成型件170的形 狀，預成型件160漸進地冷成型為圖12C和12D所示的形狀?；蛘?，可以使用滾子30在內 部成型心軸上從圖12C所示的中間形狀旋壓成型預成型件160，直到預成型件160獲得圖 12D所示圓柱形預成型件170的形狀。 在預成型件160形成為具有均勻壁厚或變化壁厚的圓柱形預成型件170的形狀 時，從預成型件中移除模158和心軸164并將旋壓成型心軸172插入到圓柱形預成型件中。 尾座28用于將預成型件170夾持到心軸172上。然后迫使?jié)L子30與預成型件170的外表 面174接觸。每個滾子30圍繞其各自的軸線34旋轉并沿軸線154平移。
通過預成型件170和滾子30之間的接觸壓力及滾子在預成型件上的移動使外表 面174旋壓成型。
預成型件170的內表面176由于預成型件170和心軸172之間的接觸壓力而旋壓 成型，該接觸壓力迫使預成型件與心軸172的外表面180接觸。 心軸172的外表面180可以形成或機械加工為具有外輪齒182。如上文所述在液 壓機中使用單步驟工藝在單獨的操作中使精確的螺旋內輪齒84反向擠出成型。以此方式， 螺旋輪齒84如圖13所示形成在環(huán)形齒輪_駐車制動鼓130的環(huán)形齒輪124部分的內表面 上。 在駐車制動鼓部分132的外表面188上機械加工或滾刀切割(hob cut)得到駐車 制動齒142，其中如圖12D和圖14所示，該部分的壁厚沿駐車制動鼓部分的長度增加。
在筒形套節(jié)136的內表面上拉削形成花鍵138，從而形成與在輸出軸140的外表面 上的花鍵接合的傳動連接。 最后，對集成的環(huán)形齒輪_駐車制動鼓130進行熱處理。 該工藝可以這樣實現(xiàn)使用壓力機將精確磨削心軸插入到工件內以產(chǎn)生凈形螺旋 內輪齒而不需要模具穿過該部件，在該情況下，該部件為杯形工件。 根據(jù)專利法律的規(guī)定，已描述了優(yōu)選實施例。然而，應注意，可以實施與具體示出 和描述的實施例不同的替代實施例。
權利要求
一種用于形成與行星齒輪組接合的部件的方法，包括以下步驟(a)形成具有與軸線同心并沿軸線延伸的套節(jié)的工件；(b)形成與套節(jié)集成并在徑向上從套節(jié)延伸的盤；(c)形成與盤集成、位于盤的徑向端部、沿軸線延伸并與軸線同心的中空預成型圓筒；(d)使用位于中空預成型圓筒內并具有形成有輪齒的外表面的心軸使中空預成型圓筒旋壓成型，以使中空預成型圓筒的內表面符合心軸上的至少部分輪齒；及(e)在中空預成型圓筒的外表面上形成齒。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括下述步驟在形成具有套節(jié)的工件之前，沖壓形式為具有與所述軸線同心的孔的圓板的初始工 件；及其中步驟(a)還包括迫使內模穿過所述孔以形成具有與所述孔同心并沿所述軸線延 伸的中空圓柱形套節(jié)的工件的步驟。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(a)還包括下述步驟 將包括直徑大于所述孔的直徑的圓柱形內表面的第一模定位在工件的第一表面上并與所述孔同心；將包括圓柱形外表面的第二模定位在工件的第二表面上，所述第二表面與所述第一表 面相反；及使第二模沿所述軸線通過所述孔并通過第一模的圓柱形內表面以形成所述套節(jié)。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)還包括下述步驟 使工件上將形成為所述盤的內表面的表面與拉延心軸相互接觸，所述拉延心軸包括與工件上將形成為盤的部分接觸的表面；及迫使拉延環(huán)在工件上移動并迫使第三模的表面靠住所述拉延心軸，以形成所述盤。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)還包括下述步驟 使工件上將形成為中空預成型圓筒的一部分的表面與包括圓柱形外表面的拉延心軸相互接觸；及迫使拉延環(huán)在工件上移動并迫使工件上將形成為中空預成型圓筒的內表面的表面靠 住拉延心軸的圓柱形外表面，以形成中空預成型圓筒。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(d)還包括下述步驟 在中空預成型圓筒內放置旋壓成型心軸，所述旋壓成型心軸的外表面上形成有圍繞所述軸線設置并沿旋壓成型心軸的至少部分長度延伸的輪齒。
7. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(e)還包括下述步驟 在中空預成型圓筒的外表面上形成駐車制動齒。
8. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(e)還包括下述步驟 在套節(jié)的內表面上形成軸向上的花鍵齒。
9. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)還包括下述步驟 使工件上將形成為所述盤的內表面的表面與心軸相互接觸，所述心軸包括與工件上將形成為盤的部分接觸的表面；及迫使拉延環(huán)在工件上移動并迫使工件上將形成為所述盤的內表面的表面靠住所述拉 延心軸，以形成所述盤。
全文摘要
本發(fā)明涉及形成單件式部件的方法，提供一種用于形成在自動變速器中傳遞扭矩的部件的方法，該方法包括在工件上形成與軸線同心并沿軸線延伸的套節(jié)和在該工件上形成與套節(jié)集成并在徑向上從套節(jié)向外延伸的盤。中空預成型圓筒與該盤整體形成、位于盤遠離套節(jié)的徑向端部、與軸線同心，并包括內表面和外表面。使用位于該圓筒內并具有形成有輪齒的外表面的旋壓成型心軸使該圓筒旋壓成型，以使該圓筒的內表面符合旋壓成型心軸上的至少部分輪齒。通過本發(fā)明，在自動變速器中傳遞扭矩的部件可以用較低成本制造且不需要機械連接、焊接或粘合連接，裝配復雜性降低，且重量減輕。
文檔編號B23P15/14GK101712114SQ200910179319
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2008年10月3日
發(fā)明者約瑟夫·斯祖巴, 羅德·G·懷特貝克 申請人:福特汽車公司