[發(fā)明專利]一種用于不同材料之間消熱應(yīng)力和熱間隙的軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210033155.6
• 申請(qǐng)日: 2012-02-15
• 公開（公告）號(hào): CN102537089A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁偉;廖靖宇;高曉東;莊富強(qiáng);趙人杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): F16C35/08
• 分類號(hào): F16C35/08;F16C35/12
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 許玉明;顧煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及一種消除軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部因材料不同，在工作溫度變化時(shí)發(fā)生的熱應(yīng)力和熱間隙的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式。

背景技術(shù)

在現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域，鋁材因具有相對(duì)于鋼材密度小，價(jià)格低廉，易于加工等特點(diǎn)，常被采用于對(duì)機(jī)械性能要求不非常嚴(yán)格的一些結(jié)構(gòu)中。而軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)中的一些關(guān)鍵零部件(如軸承座等)，為保證其力學(xué)性能則仍應(yīng)使用鋼材，鋼件和鋁件的配合使用在當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用得越來(lái)越多。然而使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行裝配時(shí)由于鋼材和鋁材的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，在航空航天等工作溫度在較大溫度范圍內(nèi)變化的應(yīng)用場(chǎng)合，鋼鋁配件在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)因熱變形量不同產(chǎn)生的擠壓熱應(yīng)力和熱間隙等問(wèn)題。熱應(yīng)力較大將導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)材料變形而降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的壽命，而熱間隙將影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作精度和系統(tǒng)的機(jī)械剛度。在大型機(jī)械設(shè)備和精密機(jī)械設(shè)備中，熱應(yīng)力和熱間隙問(wèn)題的影響體現(xiàn)更為突出，采用傳統(tǒng)裝配方法將很可能無(wú)法滿足設(shè)備的性能和壽命要求。為解決不同材料的機(jī)械件在工作溫度變化時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱間隙的問(wèn)題，考慮采用熱膨脹系數(shù)相近的機(jī)械材料或引入一些特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式是比較合理的技術(shù)途徑。如果采用熱膨脹系數(shù)相近的機(jī)械材料，例如內(nèi)部軸承座采用45鋼，而軸承外殼改用熱膨脹系數(shù)與之相近的鈦合金，此方法雖可適當(dāng)改善熱應(yīng)力和熱間隙狀況，但由于受到制造成本高，加工工藝難度加大，機(jī)械結(jié)構(gòu)重量不易控制等方面因素的限制而難以得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為：克服傳統(tǒng)裝配技術(shù)的不足，提供一種用于消除軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同材料之間的熱應(yīng)力和熱間隙的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式可有效減小工作溫度變化時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部因材料不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時(shí)保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊固狀態(tài)和機(jī)械剛度，滿足大型機(jī)械設(shè)備和精密機(jī)械設(shè)備適應(yīng)較大工作溫度變化范圍的應(yīng)用需求。

本發(fā)明解決上述的技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案為：一種用于不同材料之間消熱應(yīng)力和熱間隙的軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)，所述軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)由內(nèi)部軸承座、外殼和若干顆銷釘裝配而成，外殼和內(nèi)部軸承座上周向均布有若干位置匹配的銷孔，外殼和內(nèi)部軸承座之間利用具有一定過(guò)盈量銷釘進(jìn)行連接固定；所述銷釘可以在保證連接緊固狀態(tài)和機(jī)械剛度的前提下，避免環(huán)境溫度變化時(shí)產(chǎn)生熱間隙，以及有效避免外殼和內(nèi)部軸承座因熱膨脹系數(shù)不同而可能引起的相互擠壓變形。

優(yōu)選的，所述外殼采用密度較小的LY12鋁合金，外徑300mm，內(nèi)徑250mm，厚度40mm，其周向均布6個(gè)Φ8通孔；內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用機(jī)械性能良好的45鋼，外徑248mm，內(nèi)徑190mm，厚度40mm，其周向均布6個(gè)Φ8盲孔，盲孔深18mm。

優(yōu)選的，所述外殼和內(nèi)部軸承座的銷孔均做45°的1mm的倒角；該倒角的作用是：避免因環(huán)境溫度變化時(shí)銷釘與銷孔邊緣接觸部分因熱變形量不同而相互擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力集中，而導(dǎo)致的銷釘發(fā)生變形。

優(yōu)選的，所述軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)中采用銷釘將徑向存在間隙的外殼和內(nèi)部軸承座進(jìn)行緊固；所采用銷釘?shù)牟牧蠟殍T銅，其熱膨脹系數(shù)為1.67×10^-5m/(K·m)，介于LY12鋁合金和45鋼的熱膨脹系數(shù)之間，其中LY12鋁合金和45鋼的熱膨脹系數(shù)分別為2.36×10^-5m/(K·m)和12×10^-5m/(K·m)，有利于盡量減少環(huán)境溫度變化時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱變形和熱應(yīng)力；同時(shí)由于鑄銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)可達(dá)386W/(K·m)，大于多數(shù)常見金屬材料，因此可使外殼和內(nèi)部軸承座發(fā)生有效的熱傳遞，由此避免工作溫度變化過(guò)程中機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度出現(xiàn)差異引起額外的熱變形和熱應(yīng)力。

優(yōu)選的，所采用的銷釘數(shù)目為6顆，銷釘尺寸為Φ8且過(guò)盈量為2μm，銷釘?shù)臄?shù)目，形狀和過(guò)盈量均經(jīng)過(guò)有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使整個(gè)結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度變化的過(guò)程中熱應(yīng)力合理分布，可有效減小應(yīng)力集中。

優(yōu)選的，該機(jī)械結(jié)構(gòu)可在10℃～60℃升溫和10℃～-40℃降溫的工作環(huán)境下不產(chǎn)生明顯變形，并且在上述溫度環(huán)境中承受1000N的軸承載荷時(shí)，其緊固程度和機(jī)械剛度仍能得到保證，其一階固有頻率可達(dá)到1930Hz。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：