專利名稱：制動蹄組件及其形成方法
本申請是1994年8月22日提交的，名稱為“制動蹄組件及其形成方法”的專利申請第08/294,101號的共同未決且共同擁有的部分繼續(xù)(CIP)申請。
本發(fā)明一般地涉及轉鼓式機動車制動制動器中使用的制動蹄，更具體來說，涉及提高可靠性、節(jié)約成本的上述制動蹄的制造方法。
轉鼓式制動器常用于從日常小汽車至大型越野工業(yè)用車的機動車輛中。轉鼓式制動器機構具有兩個主要的摩擦配合零件；一個通常裝在車輪上的轉鼓和一對裝在由車輛懸架承載的支承板上的制動蹄。為了制動車輪和有關的制動鼓，制動蹄由一驅動器相對于支承板移動使制動蹄外周上的摩擦面接合制動鼓的圓柱面。所產生的制動力通過制動蹄經由承載制動蹄的支承板傳至車輛懸架。
由于磨損，必須定期更換制動蹄和/或其上的摩擦材料。由于一般機動車上需要大量的制動蹄，而且由于需要定期更換或修復制動蹄，因而特別需要盡量降低制動蹄組件的成本。由于制動器有關安全，因而也非常需要提高可靠性。但是，制動蹄需要很強的結構，具有精密形成的表面，以便將制動蹄安裝在支承板和相關的制動器的致動器上。
制動蹄一般對稱地成對制造，每個制動蹄具有一個半圓筒形外表面，其上覆蓋摩擦材料。摩擦材料一般裝在金屬板件上，該板件形成形狀基本相應于有關制動鼓形狀的半圓筒形。一個腹板件在徑向內側且牢固地裝在板件上，所述腹板件一般是一沖壓鋼板，形成具有一對端部的拱形部分。制動蹄腹板的兩個端部與制動器的致動器配合工作，一靜止的支承銷安裝在支承板上，使制動器的致動器可在需要時同時偏壓兩個制動蹄，使其與制動鼓接合。
在重型制動蹄的情形中，制造方法包括借助高能接合方法連接腹板和板件。這種方法(一般是焊接)，由于在焊接過程中的熱量，會使腹板和板件產生相當大的變形。為了減輕這種有損于制動功能的變形，必須對制動蹄進行打擊整形(校準)操作，這個過程使制動蹄的外圓筒形面再成形。然而這個過程也改變在制動工作中使用的制動蹄腹板第一和第二端部的位置。因此，必須機加工制動蹄腹板第一和第二端部以形成相對于制動蹄外表面的精確定位點。另外，在傳統(tǒng)的方法中，由于粗糙邊緣的腹板沖壓件不適用于這種用途，通常必須機加工上述端部以形成精加工表面。
本發(fā)明的主要目的是要消除組裝后加工制動蹄組件的需要，從而降低制造制動蹄的總成本。本發(fā)明的目的還在于改善制動蹄的可靠性和耐用性，這將有利于制動蹄的最終用戶。
本發(fā)明的另一個目的是制造制動蹄組件而無需使用昂貴的合金鋼，也無需額外的或在成形前或后的熱處理過程。
按照本發(fā)明的制動蹄組件是按照下述方式形成的，即，用鋼沖壓形成有效形狀的腹板坯件，其基本呈拱形，具有第一和第二端部和半圓筒形外緣。腹板的外緣設有從其向外徑向延伸的多個直立凸舌。一板件也是類似地用鋼形成的，具有形狀相應于腹板半圓筒形邊緣的半圓筒形的形狀，并設有多個孔，孔的尺寸和位置相應于腹板坯件的直立凸舌。凸舌和孔便于暫時地連接腹板坯件和板件，以便在進行永久連接時保持其問的精確對準。板件和腹板是通過下述方式永久連接起來的，即，在多個腹板坯件凸舌和相應板件的孔的相交處永久連接腹板坯件和凸舌。接合部是使用熱鉚接工藝形成的，該工藝具有受控的時間和溫度作業(yè)程序，在凸舌中形成馬氏體，從而增加接合部的強度。所形成的接合部不超出板件的半圓筒形外表面，因而無需在接合后機加工板件的半圓筒形外表面。
附圖簡要說明如下

圖1是制動蹄組件的分解立體圖；圖2是制動蹄組件的側視圖；圖3是腹板坯件的側視圖；圖4是腹板坯件的放大立體圖，表示典型的直立凸舌；圖5是制動蹄板件的側視圖6是沿圖5中6-6線的平面狀態(tài)的板件的平面圖；圖7是暫時接合在一起的正在配合工作的凸舌和孔的放大剖開立體圖；圖8是已焊接起來的配合工作的凸舌和孔的放大剖開立體圖；圖9是暫時接合在一起的凸舌和孔的另一實施例的放大剖開立體圖；圖10是沿圖9中10-10線的橫剖端視圖，圖中虛線表示鉚接凸模；圖11是已鉚接起來的相配合的凸舌和板孔的放大橫剖圖；圖12是沿圖11中12-12線的橫剖端視圖；圖13是一框圖，它表示制造已裝好摩擦材料的完整制動蹄的步驟；圖14是組裝前腹板和板件的分解圖；圖14a～14d是在板件和腹板坯件上形成的孔和凸舌的放大局部視圖；圖15是一接合部的放大橫剖圖，表示熱鉚接引起的硬度變化；以及圖16是一溫度時間曲線圖，它表示為取得所需要的接合部冶金特性所需要的時間和溫度參數。
圖1表示本發(fā)明的典型的制動蹄組件20的分解立體圖、制動蹄組件20包括一對腹板坯件22和22′、一板件24、一層摩擦材料26和緊固件28，腹板坯件22具有一半圓形外周緣30，其上設有從其向外徑向凸出的多個間隔開來的凸舌32。在圖示的推薦實施例中具有相應于第一系列凸舌34、中間凸舌36和第二系列凸舌38的三種稍許不同的凸舌幾何形狀。中間凸舌36在側視圖中基本呈矩形。第一和第二系列凸舌34和38設有斜面。在第一系列凸舌的情形中，斜面位于凸舌的最靠近腹板坯件22的第一端部42的角部。第二系列凸舌36設有一斜面，其位于凸舌的最靠近腹板坯件第二端部42的角部，如圖3和4所示。凸舌32的尺寸使其可配合在板24上形成的一系列矩形孔中，如圖1和圖6所示。
在設有橫向間隔開來的一對腹板坯件的圖示實施例中，如圖6所示，在板24上形成相應的橫向間隔開來的矩形孔排。在腹板坯件24上的凸舌具有適當的尺寸和相關于孔46的定向，以便于凸舌插入孔中，如圖7所示。位于第一和第二系列凸舌34和38上的斜面40有助于凸舌插入相應孔中。暫時裝配好時，凸舌和孔用于在永久接合凸舌和孔前使其精確定位。凸舌和相應的孔可用任何低熱、低扭曲的方法接合。凸舌和相應孔的幾何形狀根據永久接合的方法而稍有變化，圖7表示準備焊接的凸舌、孔，圖9表示準備鉚接的凸舌、孔。不管腹板和板永久固的方法如何，所得到的接合部并不顯著超出由板24限定的半圓筒形外表面48，與方法無關，板的功能是等同的。
為了充分獲取本發(fā)明的優(yōu)點，腹板件和板件最好都沖壓成它們所需要的有效形狀。這里所用的“有效形狀”應理解為包含基本為其最終形狀的構件，不過最終形狀與沖出的有效形狀可以有細小的偏差。當然在凸舌變形時，凸舌互鎖在相應的板孔上。這將引起有效形狀的稍許偏差。相似地，微小機加工可以在腹板件端部進行，這不在術語“有效成形”腹板件或板件的范圍內。因此，可以使用所得到的組件而無需對腹板坯件的半圓筒形外表面48或第一和第二端部42和44進行顯著的裝配后加工。
為了控制腹板坯件和板的幾何形狀公差，使用精密沖壓工藝成形零件，其中，尺寸公差與有效形狀成形零件密切相關。作為單級精密沖壓模的替代，可以使用多級漸進沖壓操作、精細下料法或類似手段以精心控制沖壓件周邊的形狀。
應當注意的是本發(fā)明可用來制造范圍廣泛的各種制動器尺寸和負載的制動蹄。
如圖7所示，一種典型的凸舌32，其長度L約為0.500英寸，其寬度W相應于鋼板厚度。相應的孔46和板件24將稍寬于孔以提供安裝間隙。但是，每側0.010英寸的間隙就足夠了，這個尺寸并不重要，只要不太大即可。當板件彎曲時，沿長度L的間隙減小，最好形成兩線間(line toline)或稍許干涉(slight inter-fence)配合。
暫時裝配的腹板和板件被放置在一夾具(未畫出)中。當腹板和板件固定在夾具中時，多個相應的凸舌和孔接合起來以便形成永久連接。最好所有焊接凸舌被接合起來，但是，在某些應用場合，可以只需接合有限數目的相應凸舌和孔。
在圖7和8所示本發(fā)明的實施例中，凸舌和孔是通過焊接而接合起來的。在圖8中，焊接熔核50固定在接合腹板22和板件24。焊接熔核50十分集中，因此不會引起板件和腹板坯件的翹曲和變形。焊接熔核50是由集中能源如等離子或從能源52指向凸舌和緊密包圍的板件的激光束形成的，能源52位于板件的半圓筒形外周48之外。
焊接完成時，裸制動蹄組件即告完工，無需對半圓筒形外表面或與支承板和制動器驅動機構配合工作的腹板第一和第二端部進行焊接后加工。此時，裸制動蹄本身可以出售，或者也可與摩擦材料組裝形成完整的可以使用的制動蹄組件。在這種情形中，裸制動蹄首先涂覆一層防腐蝕材料。摩擦材料層26借助目前的方法固定在板件24的半圓筒形外表面上。裝好摩擦材料后，制動蹄組件即作好了在汽車上安裝的準備。
本發(fā)明的第二實施例表示在圖9-12中。在第二實施例中，板件54設有孔56，其具有倒棱的端部58和倒棱的側部60，如圖9和10所示。腹板坯件62設有類似于圖7所示凸舌32但高度增加了的凸舌64。凸舌34的高度H可以超過板件54的厚度T。當腹板和板件暫時組裝如圖9和10所示時，如圖所示，凸舌64的自由端可伸過板件54的外圓柱面。
當板件和腹板暫時裝在一起并放在一夾具中時，圖10所示的熱鉚接工具66將移動，與凸舌64的自由端接觸，并開始加熱凸舌。當凸舌達到需要的熱成形溫度時，熱鉚接工具就伸展到圖12所示的位置，使孔端蘑菇形外翻，變得與板件54的外圓筒形表面齊平或者也可以稍許凹下。如圖11所示，所形成的接合部形成一個使凸舌64和板件54互鎖的牢固連接而不會引起板件和腹板件的變形或翹曲。這樣接合的零件構成一種裸制動蹄組件，象前述裸制動蹄組件一樣，它本身可以出售，或者也可以設置摩擦材料層和防腐蝕涂層。
現對照圖14～16描述本發(fā)明的第三實施例。在第三實施例中，板件70具有一系列孔72，它們具有倒棱端部74和側部76，如圖14和14a所示。腹板坯件78設有多個基本類似于圖3和7所示的凸舌32的凸舌80。凸舌80有三種基本形狀；一種基本呈矩形的中間凸舌82，其表示在圖14b中，處于基本兩等分腹板坯件和板件的縱向中心線22上。在該中心線兩側的凸舌基本互為鏡像。位于中心線兩側的凸舌的外側緣都設有向著有關腹板端部傾斜的斜面。示于圖14d的凸舌84具有較陡的27的斜面角β，而最外側的凸舌14d中具有等于52？的較緩的斜面角θ′。
由于斜面88和90，在外側邊緣的凸舌86和84的高度減小，但是，該高度最好為板件厚度的40％-50％。在組裝過程中，當板件和腹板坯件組裝在一起時，凸舌和板件彈性變形。當組裝時，凸舌和孔以線對線(line to line)或稍許干涉的關系相配合，以保持適當的幾何形狀和板件和腹板坯件之間的良好導熱和導電性。
板件70彎曲得最好形成一個稍小于腹板坯件半圓形外周緣的相應外徑R′的內徑R。下面用表來說明用于卡車制動器中的板件和腹板坯件70和78的典型尺寸
在第三推薦實施例中，板件是由1008或1010SAE鋼形成的，而腹板坯件78是由1022ASE鋼形成的。當腹板坯件使用1022ASE鋼時，必須精心控制熱鉚接工藝的時間和溫度參數，以便改變凸舌的冶金特性以增加馬氏體含量，從而增加金屬強度。如圖5所示，已形成的接合部鉚接的凸舌與板件70的半圓筒形外表面齊平或比其稍低。凸舌在鄰近接合板件的孔的端部的區(qū)域，其最小硬度為洛氏硬度C標20，而腹板的未熱處理部分如圖15所示成形后的硬度為洛氏硬度B標78。這是金屬硬度的顯著變化，只要精心控制鉚接參數就可以使用1022SAE鋼。
使用針對第三實施例所述的板件和腹板坯件，為了獲得需要的冶金特性，一個熱鉚接電極工具朝向板件周面的徑向外側，而腹板坯件和板件的組件接地。然后使熱鉚接電極工具通電預定的周期數。在本實施例中，45周或0.75秒的電施加在電極上，電流為20,000安培。與凸舌的電阻加熱有關，一軸向負荷加在鉚接電極上，如圖15所示，使凸舌變形。由于電極通電時間短，加熱很集中，板件和凸舌遠離接合部的區(qū)域用作冷源，其在通電一終止就使接合部迅速淬火。
為了在接合部中充分形成馬氏體和貝氏體，在圖16所示的預定范圍內控制峰值溫度、電力和持續(xù)時間是很重要的。所需要的操作區(qū)域標號為100。區(qū)域100由曲線102界定，該曲線表示形成足夠奧氏體所需要的最短時間。邊界曲線104限定一極限，在其上方可以出現晶粒粗化、開始熔化及排放。邊界曲線106是時間極限，超過該極限，周圍材料就會過度加熱，從而產生從奧氏體向馬氏體或貝氏體的自淬轉變。顯然，上述參數會隨不同的幾何形狀的接合部及材料而變化。本專業(yè)技術人員需要進行日常試驗，以便對于具體的材料規(guī)格和板件尺寸。顯然也可以采用噴氣淬火以補充自淬效果，從而可以把圖16中的邊界曲線106移向右側。
每個板件最好電阻加熱短于1秒，長于0.3秒。板件中的峰值溫度最好超過2100°F，最好在2200°F至2450°F之間。
應注意的是，上述過程是在很短時間發(fā)生的，很難精確描述其特征，這是由于板件溫度變化很快，不能象普通熱處理那樣達到一穩(wěn)定的溫度。溫度在通電時迅速上升，而在停止通電時達到峰值。然后，溫度快速下降，隨著能量被周圍板件和腹板坯件材料吸收，溫度進一步逐漸下降。為了便于對比，圖16中還示出了普通感應加熱的溫度/時間區(qū)域108及為了實現爐奧氏體化而進行的普通熱處理的時間/溫度區(qū)域110。
當然，本申請中所圖示和描述的本發(fā)明的形式構成本發(fā)明的推薦實施例，而并不是本發(fā)明的全部可能的形式。本說明書只是用于描述而不是用于限定，顯然可以作出各種變化而并不超出本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種形成制動蹄組件(20)的方法，所述方法包括精密地用鋼沖壓出有效形狀的腹板坯件(22，22′)，其具有半圓形外周緣(30)，從該外周緣徑向向外伸出多個凸舌(32)；精密地用鋼沖壓出板件(24)，其具有多個在其上形成的孔(46)，孔的尺寸可緊密地接受腹板坯件(22，22′)上的凸舌(32)，孔在間距上也與所述凸舌相對應；彎曲板件(24)以形成一個半圓筒形部分；但裝腹板坯件(22，22′)和板件(24)，使所述凸舌(32)和板件的孔(46)互鎖，將兩個零件暫時安放在一起；將多對凸舌(32)和孔(46)熱鉚接起來，這是通過下述方式實現的，即，將凸舌電阻加熱至一個足以生成奧氏體，但又低于晶粒粗化溫度極限的溫度，電阻加熱時間短得足以使接合部基本自淬火，在凸舌內生成馬氏體和貝氏體，從而提高接合部的強度和韌性，其中，所形成的接合部基本不超出板件(24)的半圓筒形外表面(48)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于每個凸舌被電阻加熱的時間短于一秒鐘。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于每個凸舌被加熱到至少2100°F。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于凸舌(32)是按下述方式電阻加熱的，即，使腹板和板件組件接地，并使每個凸舌(32)的外側端部與一個徑向朝著板件(24)的外周(30)的外側的熱鉚接電板(66)相接合，使低壓高電流強度的電流通過凸舌(32)一個短時間，以便加熱凸舌并使其徑向向內變形。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述短時間是在0.3至1.0秒之間。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述短時間是在0.5至0.8秒之間。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于用于形成腹板坯件(22，22′)的鋼的含碳量在0.15％至0.50％之間。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在所述彎曲的步驟中，板件(24)被彎曲而形成一個小于腹板坯件(22，22′)的半圓形外周緣(30)的相應直徑的內徑。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在組裝過程中，一扁平的板件(24)被組裝過程形成一個與腹板半徑相匹配的半徑。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于腹板坯件(22，22′)有一條縱向中心線將腹板坯件二等分為分別相應于腹板第一端部(42)和第二端部(44)的第一部分(34)和第二部分(38)，其中，位于腹板第一部分(34)中的多個凸舌具有朝向腹板第一端部傾斜的斜面，腹板第二部分設有多個凸舌(38)，其具有朝向腹板第二端部(44)傾斜的斜面，以便于凸舌(32)干涉配合在板件(24)的孔(46)中。
11.一種制動蹄組件，它包括一個用鋼沖壓形成的有效形狀的腹板坯件(22，22′)，它具有一個基本為拱形的形狀，第一端部(42)和第二端部(44)，以及一個半圓形外緣(30)其帶有徑向向外伸出的多個直立凸舌(32)；以及一個用于鋼沖壓形成的有效形狀的板件(24)，其形成一個形狀基本相應于腹板半圓形外緣(30)的半圓筒形部分，所述板件(24)具有在其上形成的多個孔，其尺寸和位置可緊密接受腹板坯件的凸舌(32)，以便于在組裝中暫時將腹板坯件連接于板件(24)；其中，板件(24)和腹板坯件(22，22′)在多個腹板凸舌(32)和相應板件的孔(46)的相交處通過熱鉚接多個凸舌和孔對的方式接合起來，熱鉚接是按下述方式進行的將凸舌(32)電阻加熱至一個足以形成奧氏體，但又低于晶粒粗化溫度極限的溫度，所述電阻加熱時間短得足以使接合部基本自淬火，在凸舌(32)內形成馬氏體和貝氏體，從而增加接合部的強度，以便牢固連接腹板坯件(22，22′)和板件(24)，形成一個制動蹄組件(20)而無需顯著的接合后的機加工。
12.根據權利要求10所述的制動蹄組件(20)，其特征在于用于形成腹板坯件(22，22′)的鋼是含碳量在0.18％至0.26％之間的熱軋鋼。
13.根據權利要求10所述的制動蹄組件(20)，其特征在于用于形成板件(24)的鋼是含碳量低于0.15％的熱軋鋼。
14.根據權利要求10所述的制動蹄組件(20)，其特征在于在熱鉚接過程中，凸舌(32)向內徑向受壓而膨脹，使凸舌(32)機械地互鎖在其相應的板件的孔(46)中。
15.根據權利要求13所述的制動蹄組件(20)，其特征在于所述板件的孔(46)設有倒棱的外周緣(60)，使凸舌(64)可膨脹形成一個牢固地使腹板坯件端部(62)和板件(54)互鎖的蘑菇頭。
16.根據權利要求10所述的制動蹄組件(20)，其特征在于多個腹板坯件凸舌(64)設有一個自由端部，其具有一個斜面，以便于對準和組裝板件(54)和腹板坯件(62)。
17.根據權利要求10所述的制動蹄組件(20)，其特征在于所述腹板坯件(24)有一縱向中心線將腹板坯件(24)平分成分別相應于腹板坯件第一端部(42)和第二端部(44)的第一和第二部分，其中，位于腹板第一部分(34)中的多個凸舌具有朝向腹板第一端部(42)傾斜的斜面，腹板第二部分設有多個凸舌(38)，其具有朝向腹板第二端部(44)傾斜的斜面。
18.按照權利要求1所述方法制成的制動蹄組件。
19.按照權利要求4所述方法制成的制動蹄組件。
20.按照權利要求7所述方法制成的制動蹄組件。
21.一種制動蹄組件，它包括一個用含碳量0.18至0.26％的熱軋鋼沖壓形成的有效形狀的腹板坯件，所述腹板坯件具有一個基本呈拱形的形狀，一個第一端部(42)和一個第二端部(44)，以及一個半圓形外緣(30)，其帶有多個從其徑向向外伸出的直立凸舌(32)；以及一個用低碳鋼沖壓成形的有效形狀的板件(24)，其形成一個基本在形狀上相應于腹板半圓形外緣(30)的半圓筒形部分，所述板件(24)具有多個在其上形成的孔(46)，其尺寸和位置可緊密地接納腹板坯件凸舌(32)，以便于在組裝過程中將腹板坯件(22，22′)暫時地連接于板件(24)；其中，板件(24)和腹板坯件(22)通過熱鉚接多個凸舌和孔對在多個腹板坯件凸舌(32)和相應板件的孔(46)的相交處接合起來，所述熱鉚接是通過下述方式進行的將凸舌電阻加熱至一個高于2100°F的峰值溫度，以便形成奧氏體，但是低于晶粒粗化溫度極限，加熱時間短于1.0秒，因而接合部將基本自淬火，在凸舌(32)內形成馬氏體，從而增加接合部的強度，以便牢固地將腹板坯件(22，22′)和板件(24)連接起來而無需顯著的接合后的機加工。
全文摘要
一種制動蹄組件(20)是通過下述步驟形成的:精密地用鋼沖壓有效形狀的腹板坯件(22),形成從其外伸的一系列凸舌(32),沖壓設有凸舌接納孔(46)的相應板件(24),以及將板件彎曲成半圓筒形部分。將腹板坯件(22)和板件(24)組裝起來,使腹板凸舌(32)和板件的孔(46)互鎖,暫時地確定零件的位置。然后使用熱鉚接工藝使凸舌快速加熱,徑向變形及自淬火以提高接合部的強度,從而使相配合的凸舌和凸起永久地接合。
文檔編號F16D65/08GK1177067SQ9711848
公開日1998年3月25日 申請日期1997年9月16日 優(yōu)先權日1996年9月16日
發(fā)明者克里斯托弗·安德魯·雷德格雷夫, 邁克爾·露易斯·席爾瓦西, 史蒂文·托馬斯·雷諾, 拉里·弗蘭克·科塞爾斯基 申請人:尹頓公司