專利名稱：用于鐵軌車聯(lián)接器的萬向接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為用于鐵軌車的聯(lián)接器系統(tǒng)領(lǐng)域，本發(fā)明尤其涉及一種革新的萬向接頭，該萬向接頭適于接合美國鐵路協(xié)會(“AAR”)規(guī)定的E類型和F類型聯(lián)接器。
背景技術(shù)：
在鐵軌車聯(lián)接器系統(tǒng)中，萬向接頭元件是兩個鐵軌車之間接觸的最終端，并且最容易失效。在某些意義上，萬向接頭的設計是不好的，因為如果聯(lián)接器系統(tǒng)中的任何元件失效的話，萬向接頭是最輕和最易接近的元件。然而，考慮到尺寸、形狀和重量的限制，仍舊希望的是萬向接頭應當制成盡可能抵抗疲勞和失效。每年估計有11，000次、或者每天大約30次火車分離歸因于萬向接頭失效。
傳統(tǒng)上，萬向接頭重大約78至88磅。然而，這種尺寸的固體金屬物體會比標準重量更重，超過lOOlbs。因此，傳統(tǒng)上，萬向接頭已經(jīng)被設計成利用鑄造工藝中的“芯”來形成內(nèi)部空隙以包含內(nèi)部空隙，從而減小總重量。例如，U. S.專利No. 7，337，826B2公開并請求保護利用芯來獲得具有內(nèi)部空隙的鑄造萬向接頭的方法。利用芯方法的一個明顯問題是該方法產(chǎn)生不一致的效果。芯在鑄造工藝中不可見，并且芯可以移動，從而使得內(nèi)部空隙的位置和內(nèi)壁厚度在最終成品中非常顯著，其結(jié)果是萬向接頭的平均疲勞壽命不一致。這會導致AAR驅(qū)動以形成疲勞壽命標準，如下面描述的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于形成在萬向接頭內(nèi)的應力升高，萬向接頭的接合部分的相對小的點對點接觸表面在聯(lián)接器系統(tǒng)中可以導致永久失效。本發(fā)明的發(fā)明人基于工業(yè)研究和研發(fā)已經(jīng)認識到，這些失效源于鑄造工業(yè)，例如模具沿分型線的移動以及在最終的萬向接頭中形成的損壞性點對點表面接觸。在熱處理之后，這種不完美表面的拋光和/或機加工可以明顯增加成本并且在表面上產(chǎn)生斷裂初始位置，籍此對聯(lián)接器萬向接頭增加應力并潛在的導致永久和不預期的萬向接頭的失效。萬向接頭失效的另一個原因是基本上需要拔模角度以便產(chǎn)生令人滿意的砂型鑄造。典型地，使用具有經(jīng)常在大約2度至3度范圍內(nèi)的稍微拔模角度的模板來制造模腔，以便允許模板從模腔中取出。沒有拔模角度，從模腔中取出模板會導致側(cè)壁部分地塌陷或以其它方式變形。然而，拔模角度在最終產(chǎn)品的拉動面上形成不均勻的接觸表面區(qū)域。本發(fā)明公開了一種改進的萬向接頭，該萬向接頭由于不具有拔模角度，因而具有與其他萬向接頭的改進的接觸表面接合。本發(fā)明在此提供了一種鑄造萬向接頭，該鑄造萬向接頭制成為沒有內(nèi)部空隙且沒有使用芯，而仍舊獲得標準重量和改進的平均疲勞壽命。根據(jù)本發(fā)明的鑄造沒有由兩個模具半部的接觸點引起的分型線。具有砂型鑄造工藝的另一個固有問題是由濕氣引起的多孔性。在砂型鑄造工藝中，需要濕氣來將砂保持在一起。當熔化金屬被澆注到模具內(nèi)時，濕氣閃現(xiàn)變?yōu)檎羝⑶铱梢栽谧罱K廣品中廣生內(nèi)部和表面多孔性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的用于鐵軌車的聯(lián)接器系統(tǒng)的萬向接頭包括前部分，該前部分包括大體上與拉動面相對的前面；鑄造通用孔，該孔延伸到萬向接頭的頂表面；樞轉(zhuǎn)銷孔，該樞轉(zhuǎn)銷孔從萬向接頭的頂表面延伸到萬向接頭的底表面；和后部分。萬向接頭沒有內(nèi)部空隙并且其前部分具有限定前外部重量減小凹窩的多個肋。尾部分具有限定后外部重量減小凹窩的第二組多個肋。萬向接頭的總重量在大約75至大約901bs的范圍內(nèi)。而且，本發(fā)明的萬向接頭由熔模鑄造制成以產(chǎn)生平滑的拉動面，沒有分型線和/或拔模角度。本發(fā)明還涉及一種方法，用于通過使用熔模鑄造而在萬向接頭中增加疲勞壽命。該方法包括形成如上所述的萬向接頭的可破壞原型。因此，原型具有拉動面并且包括限定前外部重量減小凹窩的多個肋和限定后外部重量減小凹窩的多個肋，從而對拉動面不提供拔模角度?？善茐脑屯扛灿邪胗谰锰沾尚屯繉樱孕纬膳R時模具。可破壞原型被移除/毀壞，隨后在臨時模具中鑄造最終的萬向接頭，隨后毀壞臨時模具。根據(jù)該方法制成的萬向接頭具有大約751bs至901bs范圍的重量(優(yōu)選是在大約801bs至大約851bs范圍的重量)。優(yōu)選地，由革新的工藝制成的萬向接頭具有由至少600，000循環(huán)的標準M-216確定的平均疲勞壽命，和至少400，000循環(huán)的最小疲勞壽命，如相同標準確定的。由于不需要濕氣來將模具保持在一起，因而使用熔模鑄造工藝制成的萬向接頭具有減小的多孔性，并且臨時模具甚至可以在澆注到熔化金屬之前被預加熱。這些因素，與陶瓷壓模表面處理結(jié)合，形成具有小于300微英寸(RMS)，優(yōu)選地在大約120至200微英寸(RMS)范圍內(nèi)的表面粗糙度的表面光潔度。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的萬向接頭的透視圖。
具體實施例方式如在此使用的，方向是相對于鐵軌車的正常取向。因此，“水平”意味著大體上平行于地面，并且豎直為垂直方向。術(shù)語“向前”和“前面”指的是遠離鐵軌車的方向，而“尾部”和“后部”指的是相反方向。這就意味著位于相鄰鐵軌車上的兩個聯(lián)接器系統(tǒng)的“前”端部 沿相反方向彼此面對?！癊型”和“F”型被用來指示普通的聯(lián)接器頭部的類型，沒有參考特殊AAR標準的細節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解根據(jù)本發(fā)明的萬向接頭可以附接到“E型”聯(lián)接器頭部，即使聯(lián)接器可以稍微地與一個或多個AAR標準偏離。兩個F型聯(lián)接器之間的相對豎直運動由位于聯(lián)接器頭部上的互鎖結(jié)構(gòu)消除，該互鎖結(jié)構(gòu)不存在于E型聯(lián)接器頭部上。雖然萬向接頭具有稍微不同的幾何結(jié)構(gòu)，但是在所有的材料結(jié)構(gòu)方面中，兩個萬向接頭是相等的。在此參考特定的AAR標準，對AAR標準的參考在本申請?zhí)峤坏耐瑫r。當具體尺寸在本發(fā)明的說明書中給出時，將理解的是公差是允許的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解小于4英寸的給定尺寸典型地允許大約±1/16英寸的公差；4英寸至24英寸的尺寸典型地允許大約±3/32英寸的公差；大于24英寸的尺寸典型地允許大約±1/8英寸的公差。根據(jù)本發(fā)明，萬向接頭優(yōu)選地由在可破壞媒介，例如蠟、膨脹的泡沫塑料、或其他可破壞塑料中形成部件的可破壞原型制成，該原型在單次使用之后被毀壞。原型被涂覆有半永久涂層，例如陶瓷粉漿，該粉漿硬化以圍繞原型形成臨時的殼體。臨時的殼體形成有多層。然后，原型從臨時殼體中移除，在殼體內(nèi)留下具有稱為門的開口的腔。例如，當原型由蠟制成時，蠟可以被熔化并且移除，在臨時殼體內(nèi)留下腔。殼體可以被預加熱以去除濕氣。該步驟可以在例如400° F下進行。然后，部件可以通過澆注鋼或其他合適的高張力強度金屬通過門而在殼體內(nèi)鑄造。在金屬固化之后，殼體破裂并且被移除。與傳統(tǒng)的“綠色砂型”方法相比，在本文中熔模鑄造的特殊優(yōu)點是在模具的側(cè)面之間沒有形成如傳統(tǒng)方法中的分型線。而且，不需要提供拔模角度，從而模具可以從鑄造萬向接頭中移除。形成的物品具有更好的尺寸公差，諸如在設計尺寸的±3%的范圍內(nèi)，對鑿邊或拋光的需要減小，尤其是在分型線區(qū)域處。研究已經(jīng)示出萬向接頭的該區(qū)域是導致一般形式失效的區(qū)域。萬向接頭的許多結(jié)構(gòu)，包括外部重量減小凹窩可以由熔模鑄造工藝的革新應用制成。在許多情況下，熔模鑄造聯(lián)接部件具有平滑的表面光潔度，而不需要任何的拋光加工，從而總體上它們比現(xiàn)有技術(shù)的設計更加美觀。使用熔模鑄造制成的萬向接頭可以在標準重量781bs至881bs下制成，沒有內(nèi)部空隙，并且仍舊滿足或超過AAR手動標準和推薦的實踐鑄造M-216和M-211 (在此結(jié)合作為參考)中設定的標準。根據(jù)標準M-211，根據(jù)本發(fā)明的萬向接頭在靜態(tài)張力測試中承受650，OOOlbs的最小最終張力。M-216標準在載荷循環(huán)下反應疲勞壽命。根據(jù)M-216標準，改進的機器被用來通過AAR授權(quán)的標準制造聯(lián)接器主體將拔模(張力)載荷輸入到萬向接頭。測試輸入載荷是正弦的并且以具有最小和最大載荷范圍的一系列節(jié)段被施加。在標準中描述的節(jié)段被重復直到失效發(fā)生。為了滿足M-216標準，四個萬向接頭測試必須呈現(xiàn)至少600，000循環(huán)的平均壽命，并且沒有單個萬向接頭可以呈現(xiàn)低于400，000循環(huán)的壽命。如圖I所示，用于本發(fā)明的鐵軌車聯(lián)接器系統(tǒng)的萬向接頭包括具有大體上與拉動面20相對的前面10的前部分30。樞轉(zhuǎn)銷孔25從萬向接頭的頂表面延伸到萬向接頭的底表面，并且大體上位于前部分30和尾部分40之間。鑄造通用孔35延伸到萬向接頭的頂表面內(nèi)(放置標志物，例如)。在優(yōu)選的實施例中，鑄造通用孔延伸通過萬向接頭的底表面。萬向接頭沒有內(nèi)部空隙，并且前部分30包括限定前外部減小凹窩15的多個肋，并且所述尾部分40包括限定后外部重量減小凹窩45的第二組多個肋(在該視圖中不可見)。凹窩位于萬向接頭的前部分和尾部分上的位置處，從而某些載荷承載區(qū)域保持固定和穩(wěn)固。因此，拉動表面當然是不受干擾表面。位于樞轉(zhuǎn)銷孔和鑄造通用孔35之間的前面表面10也是不受凹窩干擾。由于該區(qū)域易于與聯(lián)接器頭部或相鄰鐵軌車的萬向接頭碰撞，因而表面10在結(jié)構(gòu)上保持盡可能的穩(wěn)固。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的革新的重量減小凹窩形成閉合的幾何形狀，諸如圖I中所示的正方形、三角形，或者圓形。凹窩的容積從凹窩的邊緣測量。通過本發(fā)明的革新的設計獲得的基本上所有的重量減小從形成在萬向接頭的外周表面上的這些凹窩的使用中獲得。凹窩的容積累計地為至少23in3并且可以達到131in3，導致至少71bs至371bs的重量減小。優(yōu)選地，凹窩的容積累計地為大約50in3至大約70in3，節(jié)省大于151bs至大約201bs的鑄鋼。重量減小凹窩的放置選擇成不會引起與聯(lián)接器頭部上的結(jié)構(gòu)，諸如F型聯(lián)接器頭部的互鎖結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，并且還將應力升高位于不關(guān)鍵區(qū)域中。有限元分析軟件被用來確定拔模(張力)載荷的應用下的最高應力區(qū)域，并且凹窩被放置成維持應力水平盡可能合理的接近“實心”萬向接頭。凹窩的尺寸和數(shù)量被設計、成使得形成的萬向接頭具有751bs至901bs范圍的重量，更優(yōu)選的781bs至881bs范圍的重量，最優(yōu)選地具有大約801bs至大約851bs范圍的重量。熔模鑄造技術(shù)可以用來在本發(fā)明的范圍內(nèi)制備E型萬向接頭或F型萬向接頭?！皹藴省比f向接頭的外部尺寸在公開的AAR標準中沒有完全描述。然而，用于E型萬向接頭的樞轉(zhuǎn)銷孔的輪廓和細節(jié)在AAR標準S-106中進行描述，并且互鎖F型萬向接頭的輪廓在AAR標準S-117中進行描述。例如從位于頂表面上的樞轉(zhuǎn)銷孔25到位于底表面上的相應孔的轂的高度對于每個萬向接頭來說是一樣的。在優(yōu)選的實施例中，根據(jù)本發(fā)明制備的萬向接頭滿足這些標準，盡管沒有重量減小凹窩的存在。使用比較板測量的表面粗糙度相對于表面上的谷峰高度可以具有各種不同的統(tǒng)計值。在此使用的根部平均平方(RMS)值對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。而砂型鑄造部件典型地具有在300至420微英寸范圍之內(nèi)的RMS表面粗糙度，優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明實施例的熔模鑄造萬向接頭具有小于300微英寸(RMS)的表面粗糙度，并且更優(yōu)選地，具有大約 120至大約200微英寸(RMS)范圍內(nèi)的表面粗糙度。減小的多孔性導致平滑的表面，雖然減小的多孔性不是導致改進的表面光潔度的唯一因素。陶瓷臨時模具(與封裝的砂型模具相對)還有利于表面多孔性的減小。上面描述的所提出的疲勞壽命標準沒有提及外部尺寸，或者內(nèi)部尺寸(如果芯被用來減小鑄造的重量)。為了進行比較測試，利用激光掃描工藝制備的電子“主計量器”來代表標準萬向接頭。鑄鋼的實心萬向接頭滿足重量大約為103.41bs的“標準”尺寸，而根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的萬向接頭重量為85. 21bs，大約18%的重量減小。激光掃描和“主計量器”的制備也可以用來確保革新的鑄造凹窩的位置定位成使得它們的位置將不會引起與聯(lián)接器系統(tǒng)的其他元件的干涉。在另一個革新的實施例中，在鑄件形成之后，殘余壓縮應力通過噴丸處理拉動面表面而形成在革新的萬向接頭的拉動面上。噴丸處理涉及利用以高速突出的小的球形介質(zhì)沖擊表面。該工藝對在使用期間施加的趨于引起斷裂開始的張力應力起反作用。這就增加了疲勞壽命和性能，而沒有增加材料或部件的總體強度。
權(quán)利要求
1.一種用于鐵軌車聯(lián)接器系統(tǒng)的萬向接頭，該萬向接頭包括 前部分，該前部分包括大體上與拉動面相對的前面； 鑄造通用孔，該鑄造通用孔位于所述萬向接頭的頂表面中； 樞轉(zhuǎn)銷孔，該樞轉(zhuǎn)銷孔從所述萬向接頭的頂表面延伸到所述萬向接頭的底表面； 尾部分； 其中，所述樞轉(zhuǎn)銷孔大體上位于所述前部分和所述尾部分之間； 其中，所述萬向接頭沒有內(nèi)部空隙，所述前部分包括限定前外部重量減小凹窩的多個肋，所述尾部分包括限定后外部重量減小凹窩的第二組多個肋；和 其中，所述萬向接頭的總重量在大約751bs至大約901bs的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述萬向接頭的重量在大約781bs至大約881bs的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述萬向接頭適于連接到E型聯(lián)接器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述萬向接頭適于連接到F型聯(lián)接器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述拉動面不具有拔模角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述拉動面形成為沒有分型線。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述拉動面具有噴丸處理表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述萬向接頭具有由熔模鑄造形成的平滑表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，由所述前外部重量減小凹窩和所述后外部重量減小凹窩限定的容積累計地在大約50in3至大約70in3的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，最終形成的所述萬向接頭具有如標準M-216確定的600，000循環(huán)的最小平均壽命。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，最終形成的所述萬向接頭具有如標準M-216確定的400，000循環(huán)的最小壽命。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的萬向接頭，其中，所述萬向接頭具有由表面粗糙度表示的表面光潔度，該表面粗糙度在大約120微英寸(RMS)到大約200微英寸(RMS)的范圍內(nèi)。
13.—種在用于鐵軌車聯(lián)接器系統(tǒng)的萬向接頭中增加疲勞壽命的方法，該方法包括以下步驟 形成所述萬向接頭的可破壞原型，所述原型具有拉動面并且包括限定前外部重量減小凹窩的多個肋和限定后外部重量減小凹窩的多個肋，其中，沒有拔模角度提供給所述拉動面； 對所述可破壞原型涂覆半永久涂層，以形成臨時模具； 從所述臨時模具中移除所述可破壞原型； 在所述臨時1吳具中鑄造最終形成的萬向接頭；和 毀壞所述臨時模具； 其中，所述最終形成的萬向接頭具有在大約751bs至大約901bs范圍內(nèi)的重量；和 其中，所述最終形成的萬向接頭具有如標準M-216確定的400，000循環(huán)的最小疲勞壽命。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括對至少最終形成的所述萬向接頭的所述拉動面進行噴丸處理以形成殘余壓縮應力，從而改進所述拉動面在張力下的疲勞壽命曲線的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，最終形成的所述萬向接頭具有如標準M-216確定的600，000循環(huán)的最小平均壽命。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，最終形成的所述萬向接頭在所述拉動面上沒有分型線。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，最終形成的所述萬向接頭具有在大約SOlbs至大約851bs范圍內(nèi)的重量。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述模具限定在大約50in3至大約70in3范圍 內(nèi)的重量減小凹窩。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，還包括在移除所述可破壞原型之后并且在所述臨時模具中鑄造之前預加熱所述臨時模具，以便從所述臨時模具中移除濕氣的步驟。
全文摘要
一種用于鐵軌車聯(lián)接器系統(tǒng)的萬向接頭，該萬向接頭制成沒有內(nèi)部空隙或芯。實際上外部凹窩形成在前面和尾部分表面上，以便減小重量。萬向接頭由熔模鑄造形成，該熔模鑄造允許提供拉動面，而沒有具有鑄造部分的拔模角度或分型線。由于這些革新的結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的萬向接頭具有改進的疲勞壽命。
文檔編號B61G3/00GK102753419SQ201080041249
公開日2012年10月24日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者A·史密斯 申請人:思創(chuàng)通公司