專利名稱：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)的制作方法
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)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，鋁材因具有相對于鋼材密度小，價格低廉，易于加工等特點(diǎn)，常被采用于對機(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)用得越來越多。然而使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行裝配時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)用場合，鋼鋁配件在使用過程中容易出現(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產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱間隙的問題，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M8mm，內(nèi)徑 190mm，厚度40mm，其周向均布6個Φ 8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Imm的倒角；該倒角的作用是 避免因環(huán)境溫度變化時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1.67Χ10_5πι/(Κ·πι)，介于LY12鋁合金和 45鋼的熱膨脹系數(shù)之間，其中LYl2鋁合金和45鋼的熱膨脹系數(shù)分別為2. 36 X 10_5m/ (K -m) 和12Χ1(Γ5πι/(Κ·πι)，有利于盡量減少環(huán)境溫度變化時機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱變形和熱應(yīng)力；同時由于鑄銅的熱傳導(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且過盈量為2 μ m,銷釘?shù)臄?shù)目， 形狀和過盈量均經(jīng)過有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使整個結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度變化的過程中熱應(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°C 60°C升溫和10°C _40°C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，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
本發(fā)明采用銷釘連接的方式來對外殼和軸承座進(jìn)行緊固，與傳統(tǒng)的直接裝配方式相比，可以避免鋁制外殼和鋼制軸承座之間在溫度上升時可能出現(xiàn)的熱間隙，由此提高整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊固程度和剛度；同時還能避免溫度下降時外殼和軸承座之間相互擠壓而引起的熱應(yīng)力和擠壓熱變形，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的壽命和可靠性。隨著不同材料之間的配合使用在航空航天等工作環(huán)境溫度變化范圍較大的場合應(yīng)用的越來越多，不同材料之間配合可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力和熱間隙問題越來越突出。與傳統(tǒng)裝配方式相比，本發(fā)明可以在保證緊固狀態(tài)和機(jī)械剛度的前提下有效減小熱應(yīng)力和消除熱間隙，滿足航空航天設(shè)備中對于不同材料配合使用的需要，提高不同材料配合使用的軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度，壽命和可靠性。
圖1本發(fā)明實(shí)例對應(yīng)的軸系結(jié)構(gòu)簡圖2本發(fā)明實(shí)例整體結(jié)構(gòu)圖3本發(fā)明實(shí)例整體結(jié)構(gòu)剖面圖4本發(fā)明實(shí)例鋁制外殼結(jié)構(gòu)圖5本發(fā)明實(shí)例鋼制軸承座結(jié)構(gòu)圖6本發(fā)明實(shí)例銅制銷釘結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描敘。
如圖1所示，本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)對應(yīng)的軸系結(jié)構(gòu)主要由鋁制外殼1，鋼制軸承座2，鑄銅銷釘3，軸承內(nèi)側(cè)板4，軸承外蓋5，軸承6和軸7構(gòu)成。其中可實(shí)現(xiàn)消熱應(yīng)力和熱間隙的機(jī)械部分由鋁制外殼1，鋼制軸承座2，鑄銅銷釘3構(gòu)成。配合使用的軸承為GB/T 276-1994 深溝球軸承，其內(nèi)徑為105mm，外徑為190mm，軸向厚度為36mm。
如圖2和圖3所示，本發(fā)明軸系機(jī)械機(jī)構(gòu)的功能部分主要由鋁制外殼1，鋼制軸承座2和6顆鑄銅銷釘3-1，3-2，3-3，3-4, 3-5, 3-6構(gòu)成。參照圖2所示，鋁制外殼1和鋼制軸承座2之間利用鑄銅銷釘進(jìn)行緊固連接，銷釘3-1，3-2，3-3，3-4，3-5, 3-6的底部與鋼制軸承座2之上的沉孔之間有約2mm的間隙。整個機(jī)械結(jié)構(gòu)厚度為40mm。
如圖2和圖3所示，鋁質(zhì)外殼1采用LY12鋁合金加工制成，外徑為300mm，內(nèi)徑為 250mm。如圖3和圖4所示，鋁制外殼1周向均布6個Φ8通孔，并在通孔的邊沿做45°的 Imm倒角。
如圖2和圖3所示，鋼制軸承座2采用45號鋼加工制成，外徑為M8mm，內(nèi)徑為 190mm。如圖3和圖5所示，鋼制軸承座2周向均布6個深18的Φ8盲孔，并在盲孔邊沿做 45°的Imm倒角。
如圖6所示，鑄銅銷釘3-1，3-2，3-3, 3-4, 3-5, 3-6均采用鑄銅加工制成，長度為 50mm，直徑為0 8，并帶有211111的過盈量。
另外，本發(fā)明還有以下優(yōu)化方案
(1)外殼內(nèi)徑和軸承座外徑之間存在的間隙經(jīng)過有限元分析優(yōu)化。由于外殼和軸承座之間通過銷釘進(jìn)行連接緊固，外殼和軸承座之間所存在的間隙將顯著影響溫度環(huán)境變化時銷釘?shù)膽?yīng)力分布狀態(tài)，以及承受軸承載荷時整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊固程度和結(jié)構(gòu)剛度。為此，經(jīng)過優(yōu)化將外殼和軸承之間的徑向間隙設(shè)計(jì)為1mm，(外殼內(nèi)徑為250mm而軸承座外徑為M8mm)，可以在保證連接緊固和結(jié)構(gòu)剛度的前提下，避免銷釘在溫度環(huán)境變化過程中出現(xiàn)過度的應(yīng)力集中。
(2)由于外殼和軸承座之間通過銷釘進(jìn)行連接緊固，在工作溫度變化過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力與銷釘數(shù)目，尺寸和過盈量均密切相關(guān)。為此銷釘?shù)臄?shù)目，尺寸和過盈量均作了有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于結(jié)構(gòu)尺寸和本發(fā)明不同的其他類似機(jī)構(gòu)，可根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)思想進(jìn)行有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)后確定銷釘?shù)臄?shù)目，尺寸和過盈量。
C3)外殼和軸承座的銷孔邊緣經(jīng)過有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)。在有限元分析過程中發(fā)現(xiàn)，對外殼和軸承座的銷孔做45°的邊緣倒角，可以有效減小在環(huán)境溫度變化時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，從而提高銷釘?shù)氖褂脡勖岣哒麄€機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性。
上述的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)主要是為解決航空相機(jī)的軸承座和外殼的配合問題而設(shè)計(jì)的。根據(jù)有限元分析，本發(fā)明所涉及的機(jī)械結(jié)構(gòu)若采用傳統(tǒng)裝配方式，在工作溫度從10°C下降到-40°c的過程中，外殼和軸承座之間將產(chǎn)生33. 7ΜΙ^的熱應(yīng)力，而軸承座內(nèi)圈將產(chǎn)生沈.3Mpa的熱應(yīng)力，而在工作溫度從10°C上升到60°C的過程中，外殼和軸承座之間將出現(xiàn)熱間隙。本發(fā)明可有效解決上述軸承座和外殼之間的熱應(yīng)力和熱間隙問題。由于軸承尺寸和承受的載荷可能發(fā)生變化，本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)尺寸可能和實(shí)際產(chǎn)品有所差別。但按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想，完全可以制造出尺寸和承載不同的消熱應(yīng)力和熱間隙機(jī)械結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)更大的軸承負(fù)載和保證更緊固的連接狀態(tài)，可以適當(dāng)調(diào)整銷釘?shù)臄?shù)目，尺寸和過盈量。
本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一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)，其特征在于所述軸系機(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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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)， 其特征在于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Φ 8通孔；內(nèi)部結(jié)構(gòu)件采用機(jī)械性能良好的45鋼，外徑M8mm，內(nèi)徑190mm，厚度40mm，其周向均布6個Φ 8盲孔，盲孔深18mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的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)，其特征在于所述外殼和內(nèi)部軸承座的銷孔均做45°的Imm的倒角；該倒角的作用是 避免因環(huán)境溫度變化時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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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)， 其特征在于所述軸系機(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父10_5111/0(*111)，介于1^12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. 36X 10-5m/(K · m) 和1. 2X 10-5m/(K · m)，有利于盡量減少環(huán)境溫度變化時機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱變形和熱應(yīng)力； 同時由于鑄銅的熱傳導(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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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)， 其特征在于所采用的銷釘數(shù)目為6顆，銷釘尺寸為Φ8且過盈量為2 μ m,銷釘?shù)臄?shù)目，形狀和過盈量均經(jīng)過有限元法優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使整個結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度變化的過程中熱應(yīng)力合理分布，可有效減小應(yīng)力集中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的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)，其特征在于該機(jī)械結(jié)構(gòu)可在10°c 60°C升溫和10°C -40°c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，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。
全文摘要
本發(fā)明提供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)，采用了利用銷釘對不同材料的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)接的結(jié)構(gòu)形式，由外殼，內(nèi)部軸承座和銷釘構(gòu)成。外殼材料為LY12鋁合金，內(nèi)部軸承座材料為45鋼，外殼和內(nèi)部軸承座周向均布6個位置匹配的銷孔，銷釘材料為鑄銅，銷釘與外殼和內(nèi)部軸承座上的銷孔尺寸匹配并帶有一定的過盈量以保證聯(lián)接緊固。外殼和內(nèi)部軸承座之間存在1mm的徑向間隙。整個結(jié)構(gòu)中銷釘數(shù)目和銷釘尺寸，以及銷釘?shù)倪^盈量均經(jīng)過有限元分析優(yōu)化。本結(jié)構(gòu)可以避免環(huán)境溫度劇烈變化時軸系外殼和內(nèi)部軸承座之間的擠壓熱應(yīng)力以及消除熱間隙，同時保證外殼和內(nèi)部軸承座之間的緊固狀態(tài)以及整個結(jié)構(gòu)的機(jī)械剛度。
文檔編號F16C35/08GK102537089SQ20121003315
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者莊富強(qiáng), 廖靖宇, 梁偉, 趙人杰, 高曉東 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所