СКРУЧЕННАЯ ОСЬ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ И ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В НЕЙ ТРУБЧАТАЯ ПОПЕРЕЧИНА Российский патент 2014 года по МПК B60G21/05 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к области трубчатых компонентов для конструкций подвески и шасси, а более конкретно, имеет отношение к созданию трубчатой скрученной оси автомобиля (транспортного средства).

Предпосылки к созданию изобретения

В автомобиле, скрученную балку или скрученную ось часто используют как конструкцию задней подвески. Скрученная ось имеет два продольных рычага для соединения колес с рамой автомобиля и поперечину (поперечную балку), соединяющую продольные рычаги, чтобы образовать неразъемную конструкцию. Каждый продольный рычаг шарнирно соединен с рамой автомобиля. Когда колеса перемещаются неодинаково относительно рамы автомобиля, например, когда колеса движутся по неровной поверхности или когда автомобиль совершает поворот, это неодинаковое перемещение побуждает продольные рычаги совершать поворот на различную величину, что приводит к скручиванию поперечины. Собственная жесткость при кручении или сопротивление кручению поперечины создает силу противодействия, чтобы неодинаково смещать колеса.

Для обеспечения комфорта поездки и управляемости (возможности управления) автомобиля, скрученные оси в основном должны соответствовать требованиям жесткости при кручении. Под соответствием требованиям жесткости при кручении понимают, что скрученная ось должна иметь жесткость при кручении в заданном диапазоне. С другой стороны, скрученная ось представляет собой нагруженный компонент и поэтому должна быть спроектирована так, чтобы иметь достаточную прочность, позволяющую выдерживать погонные нагрузки, такие как статический вес автомобиля, и динамические нагрузки, созданные при движении автомобиля.

Уже было сделано много предложений относительно создания скрученных осей, которые отвечают требованиям обеспечения жесткости при кручении или жесткости при крене и требованиям несения нагрузки. Например, было предложено делать скрученные оси, содержащие отдельную торсионную штангу (торсион). Торсионная штанга в этой конструкции обеспечивает требуемую жесткость при кручении или сопротивление кручению. В некоторых известных конструкциях, таких как описанные в международной публикации No. WO 2006/096980, торсионный элемент, приваренный к поперечине, заменяет торсионную штангу и обеспечивает требуемое сопротивление кручению. Отдельные детали конструкции позволяют применять отдельные конструктивные требования. Однако эти предложения повышают стоимость изготовления и стоимость материала. Также было предложено изготавливать поперечины из трубчатой заготовки, что описано, например, в патенте США No. 6,616,157 и в патенте США No. 6,487,886. Такая поперечина имеет среднюю секцию с низкой жесткостью при кручении, расположенную между двумя переходными секциями с высокой жесткостью при кручении, что позволяет обеспечить общие требования относительно жесткости при кручении. Средняя секция имеет U-образный, V-образный или звездообразный двустенный поперечный профиль с низкой жесткостью при кручении. Однако, когда скручивающее усилие приложено к такой поперечине, нагрузки имеют тенденцию к концентрации в переходных зонах, расположенных между средней секцией и концевыми секциями, что может приводить к снижению срока службы. Также уже было предложено, например, в патенте США No. 6,758,921 избирательно нагревать переходные зоны, чтобы придать желательные физические параметры переходным зонам, чтобы исключить образование трещин. Однако такой подход вводит дополнительные операции изготовления и, кроме того, требует использования дополнительного оборудования для термической обработки.

Задачей настоящего изобретения является устранение, ослабление или смягчение по меньшей мере одного из указанных недостатков.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание поперечины для использования в скрученной оси и на создание способа изготовления поперечины. В соответствии с широким аспектом настоящего изобретения, предлагается поперечина с переменной толщиной стенки, причем толщина стенки изменяется вдоль длины поперечины, чтобы обеспечить требования приема ожидаемых местных напряжений и требования обеспечения полной жесткости при кручении.

В соответствии с одним конструктивным вариантом, поперечина имеет две соединительные области и центральную среднюю секцию между двумя соединительными областями. Центральный участок является гибким при кручении, а соединительные области являются жесткими при кручении. Соединительные области представляют собой области, в которых продольные рычаги жестко прикреплены к поперечине или связаны с ней. Трубчатая поперечина имеет толщину стенки, которая изменяется продольно от гибкого при кручении центрального участка до каждой из жестких при кручении соединительных областей. В соответствии с одним из признаков настоящего изобретения, толщина стенки больше по меньшей мере на одном участке соединительных областей, чем в центральной секции. В соответствии с другим признаком настоящего изобретения, толщина стенки плавно изменяется вдоль поперечины, от гибкого при кручении центрального участка до каждой из жестких при кручении соединительных областей.

В соответствии с другим конструктивным вариантом, предлагается скрученная ось, которая имеет поперечину с переменной толщиной стенки. Поперечина представляет собой одинарную деталь и образована из трубчатой заготовки. Поперечина имеет гибкий при кручении центральный участок и две жесткие при кручении соединительные области. Толщина стенки поперечины изменяется (продольно) вдоль длины поперечины от гибкого при кручении центрального участка к каждой из жестких при кручении соединительных областей. В соответствии с одной из характеристик этого конструктивного варианта, поперечина имеет в целом U-образную форму и содержит два продольных рычага, каждый из которых выполнен в виде единого целого с одной из соединительных областей и идет от нее в направлении, перпендикулярном к направлению, заданному при помощи центральной секции. Конец каждого продольного рычага выполнен с возможностью соединения с колесом. В соответствии с другой характеристикой этого конструктивного варианта, скрученная ось имеет два продольных рычага, жестко прикрепленных к противоположным концам поперечины. Один конец продольного рычага выполнен с возможностью соединения с рамой автомобиля, а другой конец продольного рычага выполнен с возможностью соединения с колесом.

В соответствии с другими аспектами настоящего изобретения, предлагаются различные комбинации и подгруппы описанных выше аспектов.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан вид в перспективе скрученной оси, которая содержит поперечину в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 показан вид в перспективе поперечины, использованной в скрученной оси, показанной на фиг.1.

На фиг.3 показан разрез поперечины по линии 3-3 фиг.2

На фиг.4 показан разрез поперечины по линии 4-4 фиг.2.

На фиг.5 показан разрез поперечины по линии 5-5 фиг.2.

На фиг.6 показан разрез поперечины по линии 6-6 фиг.2.

На фиг.7 показано продольное сечение трубчатой заготовки, предназначенной для изготовления поперечины, показанной на фиг.2.

На фиг.7В показана исходная трубчатая заготовка с постоянной толщиной стенки, которая может быть использована для образования трубчатой заготовки, показанной на фиг.7А.

На фиг.7С показана частично сплющенная трубчатая заготовка, образованная из трубчатой заготовки, показанной на фиг.7А.

На фиг.8А показан пример продольного профиля толщины стенки (показана только одна половина; другая половина является ее зеркальным изображением).

На фиг.8В показан другой пример продольного профиля толщины стенки поперечины, показанной на фиг.2, которая имеет переходную секцию, подразделенную на три конструктивных зоны (показана только одна половина; другая половина является ее зеркальным изображением).

На фиг.8С показан еще один пример продольного профиля толщины стенки поперечины, показанной на фиг.2, которая имеет секцию перехода с конической толщиной стенки (показана только одна половина; другая половина является ее зеркальным изображением),

На фиг.8D показан еще один пример продольного профиля толщины стенки с конической толщиной стенки вдоль всей половины поперечины (показана только одна половина; другая половина является ее зеркальным изображением).

На фиг.9А показан вид сверху поперечины в качестве примера варианта, альтернативного показанному на фиг.2.

На фиг.9В показан пример продольного профиля толщины стенки (показана только одна половина; другая половина является ее зеркальным изображением) поперечины, показанной на фиг.9А.

На фиг.9С показаны операции способа изготовления поперечины, показанной на фиг.9А.

Подробное описание изобретения

Последующее описание и описанные варианты приведены в качестве примера, или примеров, специфических вариантов осуществления принципов настоящего изобретения. Эти примеры приведены для пояснения принципов настоящего изобретения и не имеют ограничительного характера. В последующем описании и на чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.

На фиг.1 показана скрученная ось 100 в конструкции подвески, в частности, в конструкции задней подвески. Скрученная ось 100 содержит поперечину 102. Поперечина обычно является удлиненной и имеет два противоположных конца 104. Скрученная ось 100 типично снабжена двумя боковыми продольными рычагами 106.

Каждый продольный рычаг 106 имеет первый конец 108 и второй конец 110, как это показано на фиг.1. Первый конец 108 выполнен с возможностью шарнирного соединения с рамой автомобиля (не показана), например, при помощи соединительного фитинга 112. Каждый из продольных рычагов 106 имеет крепление 114 колеса, прикрепленное к нему рядом со вторым концом 110 и предназначенное для поддержки колеса (не показано). Гнездо 116 пружины, или другая опорная конструкция для поддержки компонентов подвески или других элементов, также могут быть прикреплены к продольному рычагу 106 и/или к поперечине 102. Каждый из продольных рычагов 106 может быть жестко прикреплен к поперечине 102 при помощи сварки, при помощи болтов или при помощи любого другого подходящего средства крепления. Область соединения продольного рычага с поперечиной 102 представляет собой соединительную область 118, которая, в этом случае, расположена у конца 104 поперечины 102.

Когда автомобиль движется по ухабистой дороге, его колеса могут перемещаться вверх и вниз в соответствии с неровностями дорожного полотна. Когда колеса на разных сторонах автомобиля движутся вверх и вниз на разную величину относительно корпуса автомобиля, неодинаковые вертикальные перемещения колес заставляют два продольных рычага 106 поворачиваться на различные величины углов. Так как каждый конец 104 поперечины 102 прикреплен к (соответствующему) продольному рычагу 106, то поворот продольных рычагов 106 на различную величину у противоположных концов поперечины 102 приводит к повороту противоположных концов поперечины на различную величину, в результате чего происходит скручивание поперечины 102. В ответ на скручивание, поперечина создает силу противодействия, за счет своей собственной жесткости при кручении. Аналогично, когда автомобиль совершает поворот, центробежная сила, воздействующая на центр тяжести подрессоренной массы автомобиля, вызывает сдвиг веса от одной стороны автомобиля к другой стороне, а следовательно, от одного колеса к другому, что также приводит к различному повороту продольных рычагов, за счет сопротивления кручению поперечины. Желательно, чтобы поперечина имела достаточную жесткость при кручении, но не слишком высокую жесткость при кручении, чтобы обеспечивать комфорт поездки и хороший контакт шин с дорожным полотном, а поэтому и хорошую управляемость.

На фиг.2-6 показан пример отдельной поперечины 102 и формы ее поперечного сечения в нескольких выбранных местах. Как уже было указано здесь выше, поперечина 102 обычно является удлиненной и имеет два противоположных конца 104, которые ограничивают ее протяженность в продольном направлении. Поперечина 102 имеет центральный участок, то есть среднюю секцию 202, и два концевых участка. Каждый концевой участок содержит концевую секцию 204, образованную у одного из противоположных концов 104, и переходную секцию 206, образованную между концевой секцией 204 и средней секцией 202. Средняя секция 202 является гибкой при кручении, что обеспечивает требуемое сопротивление кручению. Концевые секции 204 в этом конструктивном варианте представляют собой соединительные области 118 и являются жесткими при кручении. Переходные секции 206 образуют переход от гибкой при кручении средней секции к жестким при кручении концевым секциям. Как это описано далее более подробно, поперечина 102 преимущественно изготовлена из трубчатой заготовки, за счет чего средняя секция 202, переходные секции 206 и концевые секции 204 образуют единую конструкцию. Концевые секции 204 преимущественно выполнены с возможностью прикрепления к боковым продольным рычагам 106.

Форма поперечного сечения поперечины 102, то есть форма сечения в направлении, перпендикулярном к продольному направлению, изменяется вдоль длины поперечины. Поперечное сечение средней секции 202 имеет в основном открытый профиль, то есть профиль, который имеет по меньшей мере две ветви, причем эти ветви соединены или по меньшей мере связаны у одного конца и идут в основном перпендикулярно к продольному направлению, так что другие их концы смещены друг от друга, чтобы образовать открытый профиль. Некоторыми примерами такого в основном открытого профиля являются U-образный профиль, V-образный профиль, С-образный профиль, Х-образный профиль или, в целом, профиль в виде звезды. Такой в основном открытый профиль позволяет средней секции 202 быть гибкой при кручении, так как скручивание и изгиб ветвей вдоль продольного направления, вызванные крутящим моментом, приложенным к поперечине, обеспечены за счет упругого изменения формы ветвей и последующего пружинного возврата при снятии крутящего момента. Упругость при кручении или жесткость при кручении такой средней секции можно регулировать, например, путем изменения длины средней секции, имеющей в основном открытый поперечный профиль, а также формы поперечного сечения или толщины стенки поперечины в средней секции. Также могут быть использованы любые другие поперечные профили, которые подходят для создания гибкой при кручении средней секции.

Поперечный профиль 210 поперечины, показанный на фиг.3 и 4, представляет собой в целом U-образный профиль. Поперечный U-образный профиль 210 имеет две ветви 212 и центральный соединительный участок 214, соединяющий эти ветви. Поперечный профиль в средней секции 202 имеет форму сплющенной петли. Такой профиль может быть получен за счет сплющивания участка трубчатой заготовки и дополнительного придания сплющенному участку U-образной формы. Это может быть сделано за счет двухстадийного процесса, то есть за счет сплющивания и затем формообразования, или за счет комбинированного одностадийного процесса изготовления.

Как это лучше всего показано на фиг.6, концевая секция 204 имеет концевую форму поперечного сечения, которая может быть кольцевой, овальной или некоторой другой не кольцевой формой. Такая форма подходит для прикрепления концевой секции к боковому продольному рычагу. Такая форма поперечного сечения также обеспечивает жесткость при кручении концевой секции, которая, как уже было указано здесь выше, представляет собой соединительную область. Форма поперечного сечения переходной секции 206 образует переход от формы поперечного сечения средней секции 202 к форме поперечного сечения концевой секции 204. Пример показан на фиг.5. Такой переход преимущественно является плавным и постепенным. Когда поперечина скручена за счет воздействия противоположных усилий скручивания, воздействующих на ее противоположные концы 104, переходные секции передают усилия скручивания к средней секции. Плавный переход помогает избежать любой концентрации напряжений в переходной секции, когда средняя секция скручивается за счет скручивающих усилий, приложенных к концевым секциям и переданных через переходные секции.

Форма поперечного сечения переходной секции образует переход от формы поперечного сечения в средней секции, например, от U-образной формы или V-образной формы, к концевой форме поперечного сечения в концевой секции, такой как овальная форма. Так как переходные секции частично сжаты внутрь перпендикулярно продольному направлению, то изменение формы поперечного сечения в переходных секциях также в некоторой степени влияет на упругость при кручении переходных секций. Переходная секция является более гибкой при кручении поблизости от средней секции, чем поблизости от концевой секции, за счет изменения ее формы поперечного сечения. Форма поперечного сечения переходной секции и продольное изменение формы поперечного сечения могут быть заданы при помощи процесса формоизменения, например, за счет удержания неподвижными концевых секций при прессовании и формоизменения средней секции, или могут быть заданы за счет формующей матрицы, предназначенной для переходной области, что позволяет обеспечивать более точное управление упругостью при кручении и ее изменением в переходной области. Также следует иметь в виду, что толщина стенки и ее продольное изменение в переходной секции также влияет на упругость при кручении и ее изменение.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой показана поперечина 102 в соответствии с настоящим изобретением, которая преимущественно имеет изменяющуюся толщину τ стенки вдоль ее длины, как это показано в представительном продольном профиле 222 на фиг.2. Примерная поперечина 102 имеет толщину стенки, которая является в основном постоянной по окружности, как это показано на фиг.3-6, и изменяется продольно вдоль поперечины, как это показано на фиг.2. Продольный профиль 222 типично является в основном симметричным, то есть толщина стенки поперечины изменяется в равной степени при перемещении от центра поперечины к каждому концу. Однако также могут быть использованы и не симметричные продольные профили, например, когда необходимо учесть любые не симметричные формы или режимы нагрузки.

На фиг.2 показан пример продольного изменения толщины стенки, то есть изменения толщины стенки продольно вдоль длины поперечины 102. Средняя секция 202, показанная на фиг.2, имеет самую тонкую стенку, то есть толщина ее стенки является самой малой. Более значительные толщины стенки поперечины имеются в переходной секции 206. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, толщина τ стенки плавно переходит от одной секции к следующей, как это показано в полном продольном профиле 222. Аналогично гладкому переходу поперечного профиля в переходной секции, гладкий переход толщины стенки от одной толщины стенки к следующей, или от толщины стенки в одной секции к толщине стенки в другой секции, также помогает избежать концентрации местных напряжений, которая возникает, в частности, в любых областях не гладкого перехода.

Как уже было указано здесь выше, поперечина должна соответствовать требованиям жесткости при кручении. Поперечина также представляет собой несущий нагрузку компонент и поэтому также должна иметь прочность, которая требуется для того, чтобы нести уровни напряжений, возникающие за счет скручивающих, изгибных, сдвигающих и осевых нагрузок. Как уже было указано здесь выше, переходные секции передают усилия скручивания, приложенные к противоположным концам, к средней секции. Переход формы поперечного сечения может вызывать концентрацию напряжений в переходных секциях, когда поперечина скручивается. На срок службы могут влиять любые потенциальные трещины в областях высоких напряжений в переходных секциях, вызванные частым скручиванием, что представляет собой другую проблему. Следует иметь в виду, что увеличение толщины позволяет понизить напряжения в любой данной конструкции, но это также потенциально повышает жесткость. Вместо выбора постоянной толщины стенки для поперечины, что является компромиссом между требованиями низкой жесткости и максимально допустимых напряжений, в соответствии с настоящим изобретением толщина стенки и ее изменение вдоль длины поперечины являются "настроенными". Другими словами, толщина стенки и ее продольное изменение выбраны в соответствии с конструктивными требованиями, такими как требования полной нагрузочной способности и жесткости при кручении, и в соответствии с прогнозируемой концентрацией местных напряжений. Изменение толщины стенки производят в соответствии с концентрацией местных напряжений. Например, толщина стенки больше в тех областях, в которых ожидают более значительную концентрацию местных напряжений, и меньше там, где не ожидают такую большую концентрацию местных напряжений. Толщина стенки также может быть уменьшена в той области, которая должна быть более гибкой. Изменения толщины стенки также могут быть выбраны так, чтобы снизить до минимума концентрацию местных напряжений, что приводит к более однородному распределению местных напряжений. Однородное распределение местных напряжений, особенно при работе в тяжелых режимах нагружения, помогает повысить срок службы компонента, так как меньшая концентрация напряжений создает меньше преждевременных отказов в этих областях высоких напряжений.

Следует иметь в виду, что любая секция, выбранная из группы, в которую входят средняя секция, переходные секции и концевые секции поперечины, может быть "настроена", причем ее часто настраивают для того, чтобы оптимизировать распределение массы вдоль длины поперечины, при соблюдении конструктивных требований, таких как распределение местных напряжений, соответствие полной жесткости при кручении, и т.п. Например, когда это необходимо в соответствии с требованиями несения нагрузки, средняя секция может иметь толщину стенки больше чем в переходных секциях, в концевых секциях или в тех и других секциях, или же средняя секция может иметь толщину ориентировочно такую же как в других секциях. Аналогично, другие секции также могут иметь большую или меньшую толщину стенки, в соответствии с требованиями. Любые две секции, например, концевые секции и переходные секции, также могут иметь одинаковую толщину стенки. Кроме того, следует иметь в виду, что подразделение поперечины на среднюю секцию, две переходные секции и две концевые секции, когда каждая секция имеет в основном постоянную толщину стенки, приведено только для удобства описания изобретения. Любая из этих секций может быть разбита на подсекции, которые могут иметь переменную толщину стенки внутри секции, если это желательно или необходимо.

В общем, толщина стенки поперечины может изменяться продольно в соответствии с требованиями. Например, каждая секция сама может иметь переменную толщину стенки. Изменение толщины стенки каждой из секций и внутри каждой секции настроено, то есть отрегулировано в соответствии с прогнозируемым местным напряжением, с учетом дополнительных факторов, таких как, среди прочего, общие требования жесткости при кручении, требования несения нагрузки, выбранный материал, полные размеры поперечины и длина каждой из секций, а также требования срока службы. Следует иметь в виду, что показанный на фиг.2 продольный профиль приведен только в качестве одного примера. Также следует иметь в виду, что поперечина 102 может иметь другие формы, так что показанный на фиг.2 пример не является ограничительным. Изменение формы поперечины также может приводить к другому распределению местных напряжений и полной жесткости при кручении и к другим возможностям несения нагрузки, что также может приводить к другому продольному изменению толщины стенки.

Поперечина, которая имеет переменную толщину стенки, как это показано на фиг.2, может быть образована из трубчатой заготовки 700, имеющей переменный внутренний диаметр и постоянный внешний диаметр, как это показано на фиг.7, что описано далее более подробно. Трубчатая заготовка 700, которая сама имеет переменную толщину стенки, может быть образована с использованием любой подходящей технологии, как это описано в заявке РСТ No. PCT/CA 2002/00464, содержание которой полностью включено в данное описание в качестве ссылки. Вкратце, трубчатая заготовка 700, имеющая постоянный внешний диаметр и переменную толщину стенки, может быть образована из исходной трубы 720 с постоянной толщиной стенки (фиг.7В), с использованием совершающего возвратно-поступательное движение блока дорна и матрицы, в процессе холодной штамповки. Матрица имеет полость матрицы с отверстием, соответствующим внешнему диаметру трубчатой заготовки 700. Дорн имеет секции с различными диаметрами или может быть коническим. В процессе холодной штамповки трубчатой заготовки, дорн помещают внутрь трубы и избирательно вводят в отверстие матрицы и выводят из него, или же его секции различных диаметров избирательно вводят в отверстие матрицы. Отверстие матрицы имеет размер меньше чем начальный внешний диаметр исходной трубы. Исходную трубу 720 протягивают через отверстие матрицы. При принудительном пропускании исходной трубы через отверстие матрицы, внешний диаметр образованной трубы уменьшается до размера отверстия матрицы. Стенку трубы, проходящей через матрицу, сужают в заданных местах при помощи дорна и отверстия матрицы, за счет чего стенка будет иметь толщину, определяемую зазором между секциями дорна, введенными в отверстие матрицы, и самим отверстием матрицы. Если дорн извлечь из отверстия матрицы, то такое сужение невозможно, при этом дорн не влияет на толщину стенки. За счет избирательного перемещения дорна в отверстие матрицы и из него, и за счет избирательного введения секций дорна различных диаметров в отверстие матрицы, когда трубу протягивают через отверстие матрицы, получают трубчатую заготовку с переменной толщиной стенки. После того как будет достигнута желательная или заданная длина трубчатой заготовки, ее отрезают от исходной трубы.

Например, когда исходную трубу 720 сначала протягивают через отверстие матрицы, секция дорна, введенная в отверстие матрицы, имеет такой диаметр, что разность между диаметром дорна и диаметром отверстия матрицы в два раза больше толщины стенки концевой секции, чтобы образовать концевую секцию с желательной толщиной стенки. После образования желательной длины концевой секции, другие области дорна постепенно вводят в отверстие матрицы, чтобы образовать переходную секцию. При этом разность между диаметром дорна в этой области и диаметром отверстия матрицы в два раза больше толщины стенки переходной секции. Так как изменение положения дорна производят постепенно, то полученное изменение толщины стенки, а именно, переход от толщины стенки концевой секции к толщине стенки переходной секции, также будет гладким. После образования желательной длины переходной секции, другую иную область дорна постепенно вводят в отверстие матрицы (чтобы образовать среднюю секцию). При этом разность между диаметром дорна в этой области и диаметром отверстия матрицы в два раза больше толщины стенки средней секции. После образования (желательной длины) средней секции, изменяют положение дорна, чтобы образовать вторую переходную секцию, и затем вновь изменяют положение дорна, чтобы образовать вторую концевую секцию. Трубу затем отрезают, чтобы получить трубчатую заготовку, которая имеет переменную толщину стенки, соответствующую толщине стенки поперечины.

Когда трубчатую заготовку с переменной толщиной стенки формуют в холодном состоянии указанным образом из исходной трубчатой заготовки с постоянной толщиной стенки, то процесс холодной штамповки часто вводит напряжения в деформированные области, так что отформованная в холодном состоянии трубчатая заготовка может стать слишком жесткой или слишком хрупкой для дополнительной обработки. Преимущественно, производят снятие напряжений отформованной в холодном состоянии трубчатой заготовки, ранее дополнительного образования поперечины из трубчатой заготовки.

Следует иметь в виду, что, несмотря на то, что трубчатая заготовка 700, показанная на фиг.7А, имеет постоянный внешний диаметр, такую трубчатую заготовку используют только для удобства. В частности, такую трубчатую заготовку используют только для удобства изготовления с использованием комплекта штампа с фиксированными отверстиями матрицы. Однако также могут быть использованы и другие типы комплектов штампа и другие технологии формообразования, чтобы получить трубчатую заготовку 700. Поэтому могут быть использованы исходные трубчатые заготовки, имеющие переменную толщину стенки, полученную за счет изменения внутренних диаметров, за счет изменения внешних диаметров или за счет комбинации изменения внутренних и внешних диаметров. Например, трубчатая заготовка, показанная на фиг.7А, имеет внутренний диаметр 710 трубы, который изменяется вдоль длины трубчатой заготовки 700, и постоянный внешний диаметр 712. Разность между внутренним и внешним диаметрами представляет собой толщину стенки. Так как эта разность изменяется вдоль длины трубчатой заготовки, то толщина стенки также изменяется соответствующим образом. В примере, показанном на фиг.7А, изменение толщины стенки трубчатой заготовки и, следовательно, изменение толщины стенки поперечины, образованной из трубчатой заготовки, вызвано изменением только внутреннего диаметра, при этом внешний диаметр остается в основном постоянным. Также можно сохранять постоянным внутренний диаметр 710 и изменять внешний диаметр 712 вдоль длины трубчатой заготовки. Изменения толщины стенки при этом будут происходить за счет изменения только одного внешнего диаметра. Само собой разумеется, что как внутренний диаметр, так и внешний диаметр могут изменяться вдоль длины трубчатой заготовки, что может способствовать изменению толщины стенки вдоль трубчатой заготовки, и, следовательно, изменению толщины стенки поперечины.

На фиг.7А показан пример трубчатой заготовки 700, которая имеет продольный профиль толщины стенки 702, соответствующий продольному профилю поперечины, показанной на фиг.2. Трубчатая заготовка, показанная на фиг.7А, имеет две противоположные концевые области 706, соответствующие концевым секциям 204, и две промежуточные, переходные области 708, образованные между концевыми областями 706 и центральной областью 704, образованной между переходными областями 708. Переходные области 708 соответствуют переходным секциям 206, а центральная область 704 соответствует средней секции 202. Кроме некоторых возможных изменений толщины стенки, вызванных описанным здесь ниже процессом формообразования, толщина стенки концевых областей является по существу такой же, как толщина стенки концевых секций 204 поперечины, толщина стенки переходных областей 708 является по существу такой же, как толщина стенки в переходных секциях 206, и толщина стенки центральной области 704 является по существу такой же, как толщина стенки в средней секции поперечины. После получения такой трубчатой заготовки 700, трубчатую заготовку деформируют, то есть формуют при помощи пресса, чтобы получить поперечину.

Для того чтобы образовать поперечину 102, трубчатая заготовка 700 может быть сначала расплющена на значительном участке посредине и дополнительно деформирована для получения U-образного поперечного профиля в центральной области 704. Деформирование центральной области 704 для получения U-образного поперечного профиля может быть осуществлено, например, при помощи двухстадийного процесса. В двухстадийном процессе, первой операцией является расплющивание значительного участка центральной области, или центральной области и части соседних переходных областей, чтобы получить частично расплющенную трубчатую заготовку 730, такую как показанная на фиг.7С. Расплющенный участок 732 частично расплющенной трубчатой заготовки 730 затем изгибают, чтобы образовать U-образный поперечный профиль. Само собой разумеется, что эти две операции, то есть сплющивание и изгиб, также могут быть осуществлены в одной комбинированной операции способа. Например, трубчатая заготовка 700 может быть введена в формующую матрицу, которая имеет продольную U-образную поверхность, что позволяет одновременно расплющивать и деформировать значительный участок трубчатой заготовки в соответствии с U-образной поверхностью формующей матрицы. В процессе деформирования центральной области 704, например, деформирования при помощи формующей матрицы или за счет прессования и изгиба, промежуточные, переходные области 708 деформируются за счет усилий, оказываемых центральной областью 704 при ее деформировании. Поперечный профиль поперечины преимущественно переходит плавно от одной концевой секции, через переходные секции и среднюю секцию, к другой концевой секции. Таким образом, поперечина 102, имеющая продольный профиль 222 толщины стенки и поперечный профиль, который переходит от в целом U-образной формы в центральной области к в основном расплющенной овальной форме поблизости от концов, может быть образован из трубчатой заготовки.

Как уже было указано здесь выше, ни одна из концевых секций, переходных секций и средней секции не нуждается в том, чтобы в целом иметь постоянную толщину стенки. Любая из них может иметь области с различными толщинами стенок, чтобы удовлетворять конструктивные требования для этих секций. На фиг.8А показан пример продольного профиля поперечины, которая имеет переходную секцию 206, подразделенную на две области, причем область поблизости от концевой секции 204 имеет большую толщину стенки, а другая область (поблизости от средней секции 202) имеет меньшую толщину стенки. На фиг.8 В показан другой пример, в котором переходная секции 206 подразделена на три зоны, а именно, на зону 1, зону 2 и зону 3, причем зона 1 расположена рядом с концевой секцией 204, а зона 3 расположена рядом со средней секцией 202. Зона 2 образована между зоной 1 и зоной 3. Каждая из этих зон может быть настроена, то есть толщина стенки внутри зоны может быть выбрана в соответствии с конструктивными требованиями, причем такие зоны называют спроектированными зонами. В одном из примеров, толщина стенки в зоне 1 может быть больше чем в зоне 2, которая может быть больше чем в зоне 3, которая, в свою очередь, может быть больше чем в средней секции. В другом примере, зона 3 может иметь самую малую толщину стенки, а зона 2 может иметь самую большую толщину стенки, при этом средняя секция имеет толщину стенки между толщинами стенки зоны 2 и зоны 3. Само собой разумеется, что также возможны различное число спроектированных зон в каждой секции, другие распределения толщин стенки в этих спроектированных зонах и другие отношения толщин стенки в средней секции и концевых секциях, в зависимости от специфических конструктивных требований и ограничений для различных специфических автомобилей. На фиг.8С показан другой пример изменения толщины стенки, в котором толщина стенки концевой секции 204 больше чем толщина стенки средней секции 202. Переходная секция 206 между концевой секцией 204 и средней секцией 202 имеет коническую толщину стенки, то есть толщина стенки в переходной секции непрерывно снижается в направлении средней секции. На фиг.8D показан еще один пример, в котором толщина стенки непрерывно снижается в направлении середины поперечины во всех трех секциях, а именно, в концевой секции 204, переходной секции 206 и средней секции 202.

На фиг.9А показан пример другого конструктивного варианта скрученной оси 100'. Вместо в основном прямой поперечины, скрученная ось 100' имеет в основном U-образную поперечину 102'. U-образная поперечина 102” имеет в основном прямую среднюю секцию 202 и две переходные секции 206, с двумя объединенными с ними продольными рычагами 120, образующими ветви U. Каждый объединенный продольный рычаг 120 идет от соединительной области 118' U-образной поперечины 102'. Каждый объединенный продольный рычаг 120 имеет (хвостовой) конец 122, который выполнен с возможностью присоединения колеса и имеет прикрепленный к нему держатель 114 колеса. U-образная поперечина 102', которая содержит среднюю секцию 202, переходные секции 206, соединительные области 118' и неразрывно образованные продольные рычаги 120, представляет собой одинарную деталь, которая образована из одной трубчатой заготовки, как это описано далее более подробно. В целом форма и поперечный профиль средней секции 202, переходных секций 206 и соединительных областей 118' являются по существу такими же, как и в прямой поперечине 102 скрученной оси 100, за исключением изгибов в соединительных областях 118, так что их подробное описание не требуется.

Скрученная ось 100' также имеет пару боковых рычагов 124, которые соответствуют переднему участку продольных рычагов 106 скрученной оси 100, показанной на фиг.2. Каждый боковой рычаг 124 имеет один конец, предназначенный для прикрепления к соединительной области поперечины 102'. Прикрепление может быть осуществлено, например, при помощи сварки, при помощи болтов или при помощи любого другого подходящего средства крепления. В примере, показанном на фиг.9А, боковой рычаг 124 приварен к гнезду 116 пружины и к поперечине 102' в соединительной области 118'. Каждый боковой рычаг 124 имеет другой конец, предназначенный для прикрепления к раме автомобиля, например, при помощи соединительного фитинга 112. Боковые рычаги 124 могут быть трубчатыми или могут быть штампованными. Они также могут иметь открытую или закрытую форму поперечного сечения.

Поперечина 102' имеет переменную толщину стенки вдоль длины. Изменение толщины стенки позволяет создать гибкую при кручении центральную секцию и жесткие при кручении соединительные области. По меньшей мере участок каждой соединительной области 118', где неразрывно образован продольный рычаг 106, является жестким при кручении. Толщина стенки в основном плавно изменяется вдоль поперечины от одного конца 122 до другого конца 122.

На фиг.9В показан примерный продольный профиль толщины стенки поперечины 102' (показана только одна половина; другая половина является ее зеркальным изображением). Толщина стенки составляет около 2.7 мм в секции объединенного продольного рычага 120 и затем увеличивается ориентировочно до 3.4 мм в соединительной области 118'. Толщина стенки в этом примере является самой малой в центральной секции 202 и составляет около 1.7 мм. Примерная поперечина 102', показанная на фиг.9 В, также имеет переходную секцию 206, образованную между каждой из соединительных областей 118' и центральной секцией 202. Переходная секция 206 в этом примере имеет промежуточную толщину стенки между толщиной стенки соединительной области и толщиной стенки центральной секции, которая составляет около 2.3 мм. Само собой разумеется, следует иметь в виду, что относительные толщины стенки и их величины в различных областях приведены здесь только в качестве примера, причем они могут быть другими, в зависимости от конструктивных требований и ограничений различных специфических автомобилей.

Для изготовления поперечины 102', типично необходимо произвести ряд операций. На фиг.9С показаны операции способа изготовления поперечины 102', в том числе ряд факультативных операций. Способ 900 начинают с формования (операция 910) трубчатой заготовки 700, которая имеет переменную толщину стенки. Подробности формования трубчатой заготовки с переменной толщиной стенки уже были описаны здесь выше для поперечины 102 и поэтому дополнительно не обсуждаются. Трубчатая заготовка 700 имеет продольный профиль толщины стенки, соответствующий продольному профилю поперечины 102', один пример которого показан на фиг.9В. Трубчатая заготовка 700 затем подвергается снятию напряжений (операция 912) в областях, в которых ожидаются значительные деформации, в таких как области, соответствующие центральной секции и соединительным областям поперечины. После этого может быть проведена факультативная операция 914 предварительного изгиба в соединительных областях трубчатой заготовки со снятыми напряжениями, чтобы образовать U-образную трубчатую заготовку. Затем образуют центральную секцию в операции 916, чтобы получить в основном открытый поперечный профиль, аналогично описанному здесь выше для в основном прямой поперечины 102, так что дополнительное пояснение не требуется. Затем, в операции 918, образуют объединенные продольные рычаги 120. Размеры образованных в этой операции объединенных продольных рычагов 120 при необходимости могут быть дополнительно изменены. Наконец, проводят факультативную операцию 920 нагревания и быстрого охлаждения (закалки) в тех областях, в которых требуется или желательна более высокая прочность, в таких как соединительные области или переходные области, после чего в этих областях может быть дополнительно осуществлено дробеструйное упрочнение (операция 922). Операцию нагревания и быстрого охлаждения преимущественно проводят для всей поперечины 102', что является более удобным. Аналогично, дробеструйное упрочнение может быть проведено для всех поверхностей или для их части. Дробеструйное упрочнение также может быть осуществлено только на внутренней поверхности, только на внешней поверхности или на внутренней и внешней поверхностях трубчатой поперечины 102'.

Как уже было указано здесь выше, некоторые описанные операции являются факультативными. Например, в зависимости от специфического вида применения или от производственных требований, нагревание и быстрое охлаждение (операция 920) и непосредственно следующее дробеструйное упрочнение (операция 922) могут не потребоваться. Кроме того, следует иметь в виду, что приведенный порядок чередования описанных операций не является обязательным. Например, нагревание и быстрое охлаждение (операция 920) и последующее дробеструйное упрочнение (операция 922) также могут быть проведены ранее операции 914 предварительного изгиба, также в зависимости от конструктивных требований.

Следует иметь в виду, что на толщину стенки, при заданных требованиях нагрузки и требованиях к жесткости при кручении, влияет выбранный материал. Одним из материалов, который подходит для изготовления поперечины, является высокопрочная низколегированная сталь (HSLA сталь), такая как сталь марки HSLA80F (предел текучести 80 ksi, предел прочности при растяжении 95 ksi, однородное удлинение 20%). HSLA сталь в основном является предпочтительной потому, что она обеспечивает высокую прочность, которая требуется для некоторых типичных применений, без необходимости последующих операций закалки и отпуска после образования поперечины. Несмотря на то, что HSLA сталь является предпочтительной, могут быть использованы и другие материалы. Например, несмотря на то, что термообработка преимущественно исключена, можно также предусмотреть, для дополнительного снижения веса или для получения особенно низких уровней жесткости, использование других материалов, которые имеют более высокую прочность, но которые требуют применения термообработки. Одним таким материалом является борсодержащая сталь. Борсодержащая сталь, которая имеет значительно более высокую прочность, позволяет легче выполнить требования нагрузки, чем HSLA сталь, при снижении веса или при меньшей жесткости оси. Поперечина может быть изготовлена, например, из борсодержащей стали марки Мn22В5. Однако, при этом обычно требуется термообработка переходных секций, чтобы их упрочнить и обеспечить желательный предел текучести. Термообработка переходных секций может быть осуществлена до или после образования U-образного поперечного профиля средней секции. Термообработку также предусматривают, когда требуется более высокая прочность в некоторых специфических областях. Один такой пример был приведен здесь выше, в связи с описанием образования U-образной поперечины.

Несмотря на то, что были подробно описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены различные изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Изобретение относится к скрученной оси. Скрученная ось содержит два продольных рычага и трубчатую одинарную поперечину. Каждый продольный рычаг жестко соединен с поперечиной в одной из двух соединительных областей поперечины или выполнен в виде единого целого с поперечиной. Поперечина образована из трубчатой заготовки и имеет гибкий при кручении центральный участок и две жесткие при кручении соединительные области. Центральная секция имеет в основном открытый поперечный профиль U-образной или V-образной формы. Толщина стенки поперечины изменяется продольно вдоль длины поперечины от центра поперечины к каждому ее концу. Способ изготовления поперечины включает холодную штамповку, снятие напряжений в трубчатой заготовке, нагрев и быстрое охлаждение заготовки, деформирование центральной области, дробеструйное упрочнение. Деформирование предусматривает сплющивание центральной области и ее изгиб. Достигается исключение концентрации местных напряжений в поперечине. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Одинарная трубчатая поперечина для использования в скрученной оси автомобиля, причем скрученная ось снабжена двумя продольными рычагами, а поперечина идет между продольными рычагами и соединена с ними в двух соединительных областях поперечины, чтобы образовать неразъемную ось, причем поперечина содержит центральную секцию, образованную между двумя соединительными областями, при этом центральная секция является гибкой при кручении, а каждая из соединительных областей является жесткой при кручении, по меньшей мере, рядом с участком соединительной области, соединенным с каждым из продольных рычагов, причем поперечина имеет толщину стенки, которая в основном является постоянной тангенциально и изменяется продольно от центра поперечины к каждому ее концу.

2. Поперечина по п.1, в которой толщина стенки поперечины плавно изменяется от гибкой при кручении центральной секции к каждой из жестких при кручении соединительных областей.

3. Поперечина по п.1, в которой толщина стенки, по меньшей мере, участка соединительных областей больше толщины стенки в центральной секции.

4. Поперечина по п.1, в которой толщина стенки, по меньшей мере, на одном участке соединительных областей меньше толщины стенки в центральной секции.

5. Поперечина по п.1, в которой центральная секция имеет в основном открытый поперечный профиль, чтобы обеспечить упругость при кручении.

6. Поперечина по п.1, которая имеет два противоположных конца, при этом каждая из соединительных областей образована у одного из концов, причем каждая из соединительных областей дополнительно содержит концевую секцию, образованную у каждого из противоположных концов поперечины, и переходные секции, образованные между концевой секцией и центральной секцией, причем концевые секции являются жесткими при кручении.

7. Поперечина по п.6, которая имеет поперечный профиль U-образной формы или V-образной формы в центральной секции и плавно переходит в переходной секции от U-образной формы или V-образной формы к концевой форме поперечного сечения в концевых секциях.

8. Поперечина по п.6, в которой толщина стенки изменяется в одной или нескольких секциях, выбранных из группы, в которую входят центральная секция, переходные секции и концевые секции.

9. Поперечина по п.6, в которой толщина стенки больше в переходных секциях, чем в центральной секции.

10. Поперечина по п.6, в которой толщина стенки меньше в переходных секциях, чем в центральной секции.

11. Поперечина по п.6, в которой толщина стенки больше в переходных секциях, чем в концевых секциях.

12. Поперечина по п.6, в которой толщина стенки меньше в переходных секциях, чем в концевых секциях.

13. Поперечина по п.1, которая имеет в целом U-образную форму и дополнительно содержит два продольных рычага, каждый из которых выполнен в виде единого целого с одной из соединительных областей и идет от нее в направлении, перпендикулярном продольному направлению, заданному при помощи соединительных областей.

14. Поперечина по п.13, в которой каждый из указанных объединенных продольных рычагов имеет конец, выполненный с возможностью соединения с колесом.

15. Способ изготовления одинарной трубчатой поперечины для использования в скрученной оси автомобиля, причем поперечина имеет две соединительные области, задающие продольное направление, и центральную секцию, образованную между соединительными областями, при этом центральная секция является гибкой при кручении и имеет в основном открытый поперечный профиль, а соединительные области являются жесткими при кручении, по меньшей мере, на их участке, причем поперечина имеет толщину стенки, которая является в основном постоянной тангенциально и изменяется продольно от центра поперечины к каждому ее концу, причем способ включает в себя следующие операции:
a) холодную штамповку исходной трубчатой заготовки с постоянной толщиной стенки, чтобы получить трубчатую заготовку с переменной толщиной стенки, причем трубчатая заготовка имеет центральную область, соответствующую центральной секции, а переменная толщина стенки трубчатой заготовки соответствует толщине стенки поперечины, и
b) деформирование центральной области трубчатой заготовки, чтобы образовать в основном открытый поперечный профиль центральной секции и получить поперечину.

16. Способ по п.15, в котором операция а) предусматривает образование постепенного перехода толщины стенки от центральной секции к соединительным областям.

17. Способ по п.15, в котором поперечина имеет два противоположных конца и каждая из соединительных областей образована у одного из противоположных концов, причем поперечина дополнительно содержит концевую секцию, образованную у каждого из противоположных концов поперечины, и переходные секции, образованные между концевой секцией и центральной секцией, причем операция b) дополнительно предусматривает:
деформирование центральной области при сохранении неизменным концевого поперечного профиля каждой из концевых секций, и создание условий для постепенного изменения поперечного профиля поперечины в каждой из переходных секций.

18. Способ по п.15, в котором поперечный профиль поперечины изменяется продольно вдоль длины поперечины, причем поперечный профиль имеет U-образную форму или V-образную форму в центральной секции, причем операция b) предусматривает:
сплющивание центральной области в соответствии с центральной секцией, чтобы получить частично расплющенную трубчатую заготовку, и изгиб расплющенной области, чтобы образовать U-образный или V-образный поперечный профиль, с созданием условий для плавного изменения поперечного профиля поперечины от U-образной или V-образной формы в центральной секции к концевому поперечному профилю соединительных областей.

19. Способ по п.15, в котором операция а) предусматривает: использование исходной трубчатой заготовки с постоянной толщиной стенки и с начальным внешним диаметром, вытяжку исходной трубчатой заготовки через блок дорна и матрицы, причем указанный блок дорна и матрицы содержит матрицу с отверстием меньшим, чем начальный внешний диаметр, а дорн имеет области различных диаметров, причем дорн избирательно устанавливают в отверстие матрицы, когда исходную трубчатую заготовку протягивают через отверстие матрицы, чтобы получить трубчатую заготовку с переменной толщиной стенки.

20. Способ по п.15, который дополнительно предусматривает:
снятие напряжений в трубчатой заготовке с переменной толщиной стенки до проведения операции b).

21. Способ по п.15, в которой поперечина имеет в целом U-образную форму и содержит два продольных рычага, каждый из которых выполнен в виде единого целого с ней и идет от одной из соединительных областей в направлении, перпендикулярном к продольному направлению, заданному при помощи соединительных областей, причем способ дополнительно предусматривает:
c) изгиб поперечины в каждой из соединительных областей, чтобы образовать объединенные продольные рычаги.

22. Способ по п.21, который дополнительно предусматривает:
до проведения операции b) предварительный изгиб трубчатой заготовки, чтобы получить U-образную предварительно деформированную трубчатую заготовку.

23. Способ по п.21, который дополнительно предусматривает
после проведения операции с) или до проведения операции b) операцию d) нагревания и быстрого охлаждения поперечины.

24. Способ по п.23, в котором нагревание и быстрое охлаждение проводят в соединительных областях.

25. Способ по п.23, который дополнительно предусматривает непосредственно после проведения операции d) операцию e) дробеструйного упрочнения поперечины.

26. Способ по п.25, в котором дробеструйное упрочнение проводят в соединительных областях.

27. Скрученная ось для автомобиля, которая содержит:
два продольных рычага, причем каждый из продольных рычагов имеет первый конец, выполненный с возможностью прикрепления к раме автомобиля;
трубчатую одинарную поперечину, которая идет между продольными рычагами и соединена с ними в двух соединительных областях поперечины, чтобы образовать неразъемную ось,
причем трубчатая поперечина дополнительно содержит центральную секцию, образованную между соединительными областями, при этом центральная секция является гибкой при кручении, а каждая из соединительных областей является жесткой при кручении, по меньшей мере, рядом с участком соединительной области, соединенным с каждым из продольных рычагов, при этом трубчатая поперечина имеет толщину стенки, которая в основном является постоянной тангенциально и изменяется продольно вдоль поперечины от центра поперечины к каждому ее концу.

28. Скрученная ось по п.27, в которой каждый из продольных рычагов имеет второй конец, выполненный с возможностью соединения с колесом.

29. Скрученная ось по п.27, в которой поперечина имеет в целом U-образную форму и дополнительно содержит два объединенных продольных рычага, каждый из которых выполнен в виде единого целого с одной из соединительных областей и идет от нее в направлении, перпендикулярном продольному направлению, заданному при помощи соединительных областей.

30. Скрученная ось по п.29, в которой каждый из указанных объединенных продольных рычагов имеет конец, выполненный с возможностью соединения с колесом.