[发明专利]一种用于不同材料之间消热应力和热间隙的轴系机械结构

说明书

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种消除轴系机械结构内部因材料不同，在工作温度变化时发生的热应力和热间隙的机械结构形式。

背景技术

在现代机械制造领域，铝材因具有相对于钢材密度小，价格低廉，易于加工等特点，常被采用于对机械性能要求不非常严格的一些结构中。而轴系机械结构中的一些关键零部件(如轴承座等)，为保证其力学性能则仍应使用钢材，钢件和铝件的配合使用在当今机械设计领域应用得越来越多。然而使用传统方法进行装配时由于钢材和铝材的热膨胀系数存在较大差异，在航空航天等工作温度在较大温度范围内变化的应用场合，钢铝配件在使用过程中容易出现因热变形量不同产生的挤压热应力和热间隙等问题。热应力较大将导致机械结构出现材料变形而降低机械结构的寿命，而热间隙将影响机械结构的工作精度和系统的机械刚度。在大型机械设备和精密机械设备中，热应力和热间隙问题的影响体现更为突出，采用传统装配方法将很可能无法满足设备的性能和寿命要求。为解决不同材料的机械件在工作温度变化时产生热应力和热间隙的问题，考虑采用热膨胀系数相近的机械材料或引入一些特殊的机械结构形式是比较合理的技术途径。如果采用热膨胀系数相近的机械材料，例如内部轴承座采用45钢，而轴承外壳改用热膨胀系数与之相近的钛合金，此方法虽可适当改善热应力和热间隙状况，但由于受到制造成本高，加工工艺难度加大，机械结构重量不易控制等方面因素的限制而难以得到广泛应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服传统装配技术的不足，提供一种用于消除轴系机械结构内部不同材料之间的热应力和热间隙的机械结构形式。该结构形式可有效减小工作温度变化时机械结构内部因材料不同而产生的热应力，同时保证机械结构的紧固状态和机械刚度，满足大型机械设备和精密机械设备适应较大工作温度变化范围的应用需求。

本发明解决上述的技术问题的技术方案为：一种用于不同材料之间消热应力和热间隙的轴系机械结构，所述轴系机械结构由内部轴承座、外壳和若干颗销钉装配而成，外壳和内部轴承座上周向均布有若干位置匹配的销孔，外壳和内部轴承座之间利用具有一定过盈量销钉进行连接固定；所述销钉可以在保证连接紧固状态和机械刚度的前提下，避免环境温度变化时产生热间隙，以及有效避免外壳和内部轴承座因热膨胀系数不同而可能引起的相互挤压变形。

优选的，所述外壳采用密度较小的LY12铝合金，外径300mm，内径250mm，厚度40mm，其周向均布6个Φ8通孔；内部结构件采用机械性能良好的45钢，外径248mm，内径190mm，厚度40mm，其周向均布6个Φ8盲孔，盲孔深18mm。

优选的，所述外壳和内部轴承座的销孔均做45°的1mm的倒角；该倒角的作用是：避免因环境温度变化时销钉与销孔边缘接触部分因热变形量不同而相互挤压产生的应力集中，而导致的销钉发生变形。

优选的，所述轴系机械结构中采用销钉将径向存在间隙的外壳和内部轴承座进行紧固；所采用销钉的材料为铸铜，其热膨胀系数为1.67×10^-5m/(K·m)，介于LY12铝合金和45钢的热膨胀系数之间，其中LY12铝合金和45钢的热膨胀系数分别为2.36×10^-5m/(K·m)和12×10^-5m/(K·m)，有利于尽量减少环境温度变化时机械结构内部的热变形和热应力；同时由于铸铜的热传导系数可达386W/(K·m)，大于多数常见金属材料，因此可使外壳和内部轴承座发生有效的热传递，由此避免工作温度变化过程中机械结构内部温度出现差异引起额外的热变形和热应力。

优选的，所采用的销钉数目为6颗，销钉尺寸为Φ8且过盈量为2μm，销钉的数目，形状和过盈量均经过有限元法优化设计，可使整个结构在环境温度变化的过程中热应力合理分布，可有效减小应力集中。

优选的，该机械结构可在10℃～60℃升温和10℃～-40℃降温的工作环境下不产生明显变形，并且在上述温度环境中承受1000N的轴承载荷时，其紧固程度和机械刚度仍能得到保证，其一阶固有频率可达到1930Hz。

本发明与现有技术相比的优点在于：