制动蹄组件及其形成方法 本申请是1994年8月22日提交的，名称为“制动蹄组件及其形成方法”的专利申请第08/294,101号的共同未决且共同拥有的部分继续(CIP)申请。
本发明一般地涉及转鼓式机动车制动制动器中使用的制动蹄，更具体来说，涉及提高可靠性、节约成本的上述制动蹄的制造方法。
转鼓式制动器常用于从日常小汽车至大型越野工业用车的机动车辆中。转鼓式制动器机构具有两个主要的摩擦配合零件；一个通常装在车轮上的转鼓和一对装在由车辆悬架承载的支承板上的制动蹄。为了制动车轮和有关的制动鼓，制动蹄由一驱动器相对于支承板移动使制动蹄外周上的摩擦面接合制动鼓的圆柱面。所产生的制动力通过制动蹄经由承载制动蹄的支承板传至车辆悬架。
由于磨损，必须定期更换制动蹄和/或其上的摩擦材料。由于一般机动车上需要大量的制动蹄，而且由于需要定期更换或修复制动蹄，因而特别需要尽量降低制动蹄组件的成本。由于制动器有关安全，因而也非常需要提高可靠性。但是，制动蹄需要很强的结构，具有精密形成的表面，以便将制动蹄安装在支承板和相关地制动器的致动器上。
制动蹄一般对称地成对制造，每个制动蹄具有一个半圆筒形外表面，其上覆盖摩擦材料。摩擦材料一般装在金属板件上，该板件形成形状基本相应于有关制动鼓形状的半圆筒形。一个腹板件在径向内侧且牢固地装在板件上，所述腹板件一般是一冲压钢板，形成具有一对端部的拱形部分。制动蹄腹板的两个端部与制动器的致动器配合工作，一静止的支承销安装在支承板上，使制动器的致动器可在需要时同时偏压两个制动蹄，使其与制动鼓接合。
在重型制动蹄的情形中，制造方法包括借助高能接合方法连接腹板和板件。这种方法(一般是焊接)，由于在焊接过程中的热量，会使腹板和板件产生相当大的变形。为了减轻这种有损于制动功能的变形，必须对制动蹄进行打击整形(校准)操作，这个过程使制动蹄的外圆筒形面再成形。然而这个过程也改变在制动工作中使用的制动蹄腹板第一和第二端部的位置。因此，必须机加工制动蹄腹板第一和第二端部以形成相对于制动蹄外表面的精确定位点。另外，在传统的方法中，由于粗糙边缘的腹板冲压件不适用于这种用途，通常必须机加工上述端部以形成精加工表面。
本发明的主要目的是要消除组装后加工制动蹄组件的需要，从而降低制造制动蹄的总成本。本发明的目的还在于改善制动蹄的可靠性和耐用性，这将有利于制动蹄的最终用户。
本发明的另一个目的是制造制动蹄组件而无需使用昂贵的合金钢，也无需额外的或在成形前或后的热处理过程。
按照本发明的制动蹄组件是按照下述方式形成的，即，用钢冲压形成有效形状的腹板坯件，其基本呈拱形，具有第一和第二端部和半圆筒形外缘。腹板的外缘设有从其向外径向延伸的多个直立凸舌。一板件也是类似地用钢形成的，具有形状相应于腹板半圆筒形边缘的半圆筒形的形状，并设有多个孔，孔的尺寸和位置相应于腹板坯件的直立凸舌。凸舌和孔便于暂时地连接腹板坯件和板件，以便在进行永久连接时保持其问的精确对准。板件和腹板是通过下述方式永久连接起来的，即，在多个腹板坯件凸舌和相应板件的孔的相交处永久连接腹板坯件和凸舌。接合部是使用热铆接工艺形成的，该工艺具有受控的时间和温度作业程序，在凸舌中形成马氏体，从而增加接合部的强度。所形成的接合部不超出板件的半圆筒形外表面，因而无需在接合后机加工板件的半圆筒形外表面。
附图简要说明如下：
图1是制动蹄组件的分解立体图；
图2是制动蹄组件的侧视图；
图3是腹板坯件的侧视图；
图4是腹板坯件的放大立体图，表示典型的直立凸舌；
图5是制动蹄板件的侧视图；
图6是沿图5中6-6线的平面状态的板件的平面图；
图7是暂时接合在一起的正在配合工作的凸舌和孔的放大剖开立体图；
图8是已焊接起来的配合工作的凸舌和孔的放大剖开立体图；
图9是暂时接合在一起的凸舌和孔的另一实施例的放大剖开立体图；
图10是沿图9中10-10线的横剖端视图，图中虚线表示铆接凸模；
图11是已铆接起来的相配合的凸舌和板孔的放大横剖图；
图12是沿图11中12-12线的横剖端视图；
图13是一框图，它表示制造已装好摩擦材料的完整制动蹄的步骤；
图14是组装前腹板和板件的分解图；
图14a～14d是在板件和腹板坯件上形成的孔和凸舌的放大局部视图；
图15是一接合部的放大横剖图，表示热铆接引起的硬度变化；以及
图16是一温度时间曲线图，它表示为取得所需要的接合部冶金特性所需要的时间和温度参数。
图1表示本发明的典型的制动蹄组件20的分解立体图、制动蹄组件20包括一对腹板坯件22和22′、一板件24、一层摩擦材料26和紧固件28，腹板坯件22具有一半圆形外周缘30，其上设有从其向外径向凸出的多个间隔开来的凸舌32。在图示的推荐实施例中具有相应于第一系列凸舌34、中间凸舌36和第二系列凸舌38的三种稍许不同的凸舌几何形状。中间凸舌36在侧视图中基本呈矩形。第一和第二系列凸舌34和38设有斜面。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设有一斜面，其位于凸舌的最靠近腹板坯件第二端部42的角部，如图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，如图1和图6所示。
在设有横向间隔开来的一对腹板坯件的图示实施例中，如图6所示，在板24上形成相应的横向间隔开来的矩形孔排。在腹板坯件24上的凸舌具有适当的尺寸和相关于孔46的定向，以便于凸舌插入孔中，如图7所示。位于第一和第二系列凸舌34和38上的斜面40有助于凸舌插入相应孔中。暂时装配好时，凸舌和孔用于在永久接合凸舌和孔前使其精确定位。凸舌和相应的孔可用任何低热、低扭曲的方法接合。凸舌和相应孔的几何形状根据永久接合的方法而稍有变化，图7表示准备焊接的凸舌、孔，图9表示准备铆接的凸舌、孔。不管腹板和板永久固的方法如何，所得到的接合部并不显著超出由板24限定的半圆筒形外表面48，与方法无关，板的功能是等同的。
为了充分获取本发明的优点，腹板件和板件最好都冲压成它们所需要的有效形状。这里所用的“有效形状”应理解为包含基本为其最终形状的构件，不过最终形状与冲出的有效形状可以有细小的偏差。当然在凸舌变形时，凸舌互锁在相应的板孔上。这将引起有效形状的稍许偏差。相似地，微小机加工可以在腹板件端部进行，这不在术语“有效成形”腹板件或板件的范围内。因此，可以使用所得到的组件而无需对腹板坯件的半圆筒形外表面48或第一和第二端部42和44进行显著的装配后加工。
为了控制腹板坯件和板的几何形状公差，使用精密冲压工艺成形零件，其中，尺寸公差与有效形状成形零件密切相关。作为单级精密冲压模的替代，可以使用多级渐进冲压操作、精细下料法或类似手段以精心控制冲压件周边的形状。
应当注意的是本发明可用来制造范围广泛的各种制动器尺寸和负载的制动蹄。
如图7所示，一种典型的凸舌32，其长度L约为0.500英寸，其宽度W相应于钢板厚度。相应的孔46和板件24将稍宽于孔以提供安装间隙。但是，每侧0.010英寸的间隙就足够了，这个尺寸并不重要，只要不太大即可。当板件弯曲时，沿长度L的间隙减小，最好形成两线间(line toline)或稍许干涉(slight inter-fence)配合。
暂时装配的腹板和板件被放置在一夹具(未画出)中。当腹板和板件固定在夹具中时，多个相应的凸舌和孔接合起来以便形成永久连接。最好所有焊接凸舌被接合起来，但是，在某些应用场合，可以只需接合有限数目的相应凸舌和孔。
在图7和8所示本发明的实施例中，凸舌和孔是通过焊接而接合起来的。在图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，因此不会引起板件和腹板坯件的翘曲和变形。焊接熔核50是由集中能源如等离子或从能源52指向凸舌和紧密包围的板件的激光束形成的，能源52位于板件的半圆筒形外周48之外。
焊接完成时，裸制动蹄组件即告完工，无需对半圆筒形外表面或与支承板和制动器驱动机构配合工作的腹板第一和第二端部进行焊接后加工。此时，裸制动蹄本身可以出售，或者也可与摩擦材料组装形成完整的可以使用的制动蹄组件。在这种情形中，裸制动蹄首先涂覆一层防腐蚀材料。摩擦材料层26借助目前的方法固定在板件24的半圆筒形外表面上。装好摩擦材料后，制动蹄组件即作好了在汽车上安装的准备。
本发明的第二实施例表示在图9-12中。在第二实施例中，板件54设有孔56，其具有倒棱的端部58和倒棱的侧部60，如图9和10所示。腹板坯件62设有类似于图7所示凸舌32但高度增加了的凸舌64。凸舌34的高度H可以超过板件54的厚度T。当腹板和板件暂时组装如图9和10所示时，如图所示，凸舌64的自由端可伸过板件54的外圆柱面。
当板件和腹板暂时装在一起并放在一夹具中时，图10所示的热铆接工具66将移动，与凸舌64的自由端接触，并开始加热凸舌。当凸舌达到需要的热成形温度时，热铆接工具就伸展到图12所示的位置，使孔端蘑菇形外翻，变得与板件54的外圆筒形表面齐平或者也可以稍许凹下。如图11所示，所形成的接合部形成一个使凸舌64和板件54互锁的牢固连接而不会引起板件和腹板件的变形或翘曲。这样接合的零件构成一种裸制动蹄组件，象前述裸制动蹄组件一样，它本身可以出售，或者也可以设置摩擦材料层和防腐蚀涂层。
现对照图14～16描述本发明的第三实施例。在第三实施例中，板件70具有一系列孔72，它们具有倒棱端部74和侧部76，如图14和14a所示。腹板坯件78设有多个基本类似于图3和7所示的凸舌32的凸舌80。凸舌80有三种基本形状；一种基本呈矩形的中间凸舌82，其表示在图14b中，处于基本两等分腹板坯件和板件的纵向中心线22上。在该中心线两侧的凸舌基本互为镜像。位于中心线两侧的凸舌的外侧缘都设有向着有关腹板端部倾斜的斜面。示于图14d的凸舌84具有较陡的27的斜面角β，而最外侧的凸舌14d中具有等于52？的较缓的斜面角θ′。
由于斜面88和90，在外侧边缘的凸舌86和84的高度减小，但是，该高度最好为板件厚度的40％-50％。在组装过程中，当板件和腹板坯件组装在一起时，凸舌和板件弹性变形。当组装时，凸舌和孔以线对线(line to line)或稍许干涉的关系相配合，以保持适当的几何形状和板件和腹板坯件之间的良好导热和导电性。
板件70弯曲得最好形成一个稍小于腹板坯件半圆形外周缘的相应外径R′的内径R。下面用表来说明用于卡车制动器中的板件和腹板坯件70和78的典型尺寸。腹板坯件材料SAE 1022腹板坯件厚度8mm.最大凸舌高度4.9m.最大凸舌长度14mm.凸舌高度(斜面侧)2.1Θ(β＝12-37？)53？Θ′(β＝50？)27？R200mm.板件材料SAE 1008板件厚度4.5mm.槽宽(形成前)8.28mm.槽长(形成前)14.98mm.R198mm.倒棱角度45？倒棱深度2.0mm.
在第三推荐实施例中，板件是由1008或1010SAE钢形成的，而腹板坯件78是由1022ASE钢形成的。当腹板坯件使用1022ASE钢时，必须精心控制热铆接工艺的时间和温度参数，以便改变凸舌的冶金特性以增加马氏体含量，从而增加金属强度。如图5所示，已形成的接合部铆接的凸舌与板件70的半圆筒形外表面齐平或比其稍低。凸舌在邻近接合板件的孔的端部的区域，其最小硬度为洛氏硬度C标20，而腹板的未热处理部分如图15所示成形后的硬度为洛氏硬度B标78。这是金属硬度的显著变化，只要精心控制铆接参数就可以使用1022SAE钢。
使用针对第三实施例所述的板件和腹板坯件，为了获得需要的冶金特性，一个热铆接电极工具朝向板件周面的径向外侧，而腹板坯件和板件的组件接地。然后使热铆接电极工具通电预定的周期数。在本实施例中，45周或0.75秒的电施加在电极上，电流为20,000安培。与凸舌的电阻加热有关，一轴向负荷加在铆接电极上，如图15所示，使凸舌变形。由于电极通电时间短，加热很集中，板件和凸舌远离接合部的区域用作冷源，其在通电一终止就使接合部迅速淬火。
为了在接合部中充分形成马氏体和贝氏体，在图16所示的预定范围内控制峰值温度、电力和持续时间是很重要的。所需要的操作区域标号为100。区域100由曲线102界定，该曲线表示形成足够奥氏体所需要的最短时间。边界曲线104限定一极限，在其上方可以出现晶粒粗化、开始熔化及排放。边界曲线106是时间极限，超过该极限，周围材料就会过度加热，从而产生从奥氏体向马氏体或贝氏体的自淬转变。显然，上述参数会随不同的几何形状的接合部及材料而变化。本专业技术人员需要进行日常试验，以便对于具体的材料规格和板件尺寸。显然也可以采用喷气淬火以补充自淬效果，从而可以把图16中的边界曲线106移向右侧。
每个板件最好电阻加热短于1秒，长于0.3秒。板件中的峰值温度最好超过2100°F，最好在2200°F至2450°F之间。
应注意的是，上述过程是在很短时间发生的，很难精确描述其特征，这是由于板件温度变化很快，不能象普通热处理那样达到一稳定的温度。温度在通电时迅速上升，而在停止通电时达到峰值。然后，温度快速下降，随着能量被周围板件和腹板坯件材料吸收，温度进一步逐渐下降。为了便于对比，图16中还示出了普通感应加热的温度/时间区域108及为了实现炉奥氏体化而进行的普通热处理的时间/温度区域110。
当然，本申请中所图示和描述的本发明的形式构成本发明的推荐实施例，而并不是本发明的全部可能的形式。本说明书只是用于描述而不是用于限定，显然可以作出各种变化而并不超出本发明的范围。