专利名称：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的制作方法
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M8mm，内径 190mm，厚度40mm，其周向均布6个Φ 8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Imm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1.67Χ10_5πι/(Κ·πι)，介于LY12铝合金和 45钢的热膨胀系数之间，其中LYl2铝合金和45钢的热膨胀系数分别为2. 36 X 10_5m/ (K -m) 和12Χ1(Γ5πι/(Κ·πι)，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2 μ m,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°C 60°C升温和10°C _40°C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
本发明采用销钉连接的方式来对外壳和轴承座进行紧固，与传统的直接装配方式相比，可以避免铝制外壳和钢制轴承座之间在温度上升时可能出现的热间隙，由此提高整个机械结构的紧固程度和刚度；同时还能避免温度下降时外壳和轴承座之间相互挤压而引起的热应力和挤压热变形，提高机械结构的寿命和可靠性。随着不同材料之间的配合使用在航空航天等工作环境温度变化范围较大的场合应用的越来越多，不同材料之间配合可能产生的热应力和热间隙问题越来越突出。与传统装配方式相比，本发明可以在保证紧固状态和机械刚度的前提下有效减小热应力和消除热间隙，满足航空航天设备中对于不同材料配合使用的需要，提高不同材料配合使用的轴系机械结构的精度，寿命和可靠性。
图1本发明实例对应的轴系结构简图2本发明实例整体结构图3本发明实例整体结构剖面图4本发明实例铝制外壳结构图5本发明实例钢制轴承座结构图6本发明实例铜制销钉结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描叙。
如图1所示，本发明机械结构对应的轴系结构主要由铝制外壳1，钢制轴承座2，铸铜销钉3，轴承内侧板4，轴承外盖5，轴承6和轴7构成。其中可实现消热应力和热间隙的机械部分由铝制外壳1，钢制轴承座2，铸铜销钉3构成。配合使用的轴承为GB/T 276-1994 深沟球轴承，其内径为105mm，外径为190mm，轴向厚度为36mm。
如图2和图3所示，本发明轴系机械机构的功能部分主要由铝制外壳1，钢制轴承座2和6颗铸铜销钉3-1，3-2，3-3，3-4, 3-5, 3-6构成。参照图2所示，铝制外壳1和钢制轴承座2之间利用铸铜销钉进行紧固连接，销钉3-1，3-2，3-3，3-4，3-5, 3-6的底部与钢制轴承座2之上的沉孔之间有约2mm的间隙。整个机械结构厚度为40mm。
如图2和图3所示，铝质外壳1采用LY12铝合金加工制成，外径为300mm，内径为 250mm。如图3和图4所示，铝制外壳1周向均布6个Φ8通孔，并在通孔的边沿做45°的 Imm倒角。
如图2和图3所示，钢制轴承座2采用45号钢加工制成，外径为M8mm，内径为 190mm。如图3和图5所示，钢制轴承座2周向均布6个深18的Φ8盲孔，并在盲孔边沿做 45°的Imm倒角。
如图6所示，铸铜销钉3-1，3-2，3-3, 3-4, 3-5, 3-6均采用铸铜加工制成，长度为 50mm，直径为0 8，并带有211111的过盈量。
另外，本发明还有以下优化方案
(1)外壳内径和轴承座外径之间存在的间隙经过有限元分析优化。由于外壳和轴承座之间通过销钉进行连接紧固，外壳和轴承座之间所存在的间隙将显著影响温度环境变化时销钉的应力分布状态，以及承受轴承载荷时整个机械结构的紧固程度和结构刚度。为此，经过优化将外壳和轴承之间的径向间隙设计为1mm，(外壳内径为250mm而轴承座外径为M8mm)，可以在保证连接紧固和结构刚度的前提下，避免销钉在温度环境变化过程中出现过度的应力集中。
(2)由于外壳和轴承座之间通过销钉进行连接紧固，在工作温度变化过程中所产生的热应力与销钉数目，尺寸和过盈量均密切相关。为此销钉的数目，尺寸和过盈量均作了有限元优化设计。对于结构尺寸和本发明不同的其他类似机构，可根据本发明设计思想进行有限元优化设计后确定销钉的数目，尺寸和过盈量。
C3)外壳和轴承座的销孔边缘经过有限元优化设计。在有限元分析过程中发现，对外壳和轴承座的销孔做45°的边缘倒角，可以有效减小在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，从而提高销钉的使用寿命，提高整个机械结构的可靠性。
上述的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主要是为解决航空相机的轴承座和外壳的配合问题而设计的。根据有限元分析，本发明所涉及的机械结构若采用传统装配方式，在工作温度从10°C下降到-40°c的过程中，外壳和轴承座之间将产生33. 7ΜΙ^的热应力，而轴承座内圈将产生沈.3Mpa的热应力，而在工作温度从10°C上升到60°C的过程中，外壳和轴承座之间将出现热间隙。本发明可有效解决上述轴承座和外壳之间的热应力和热间隙问题。由于轴承尺寸和承受的载荷可能发生变化，本发明中的结构尺寸可能和实际产品有所差别。但按照本发明的设计思想，完全可以制造出尺寸和承载不同的消热应力和热间隙机械结构，为了适应更大的轴承负载和保证更紧固的连接状态，可以适当调整销钉的数目，尺寸和过盈量。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
权利要求
1.一种用于不同材料之间消热应力和热间隙的轴系机械结构，其特征在于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。
2.根据权利要求1所述的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， 其特征在于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Φ 8通孔；内部结构件采用机械性能良好的45钢，外径M8mm，内径190mm，厚度40mm，其周向均布6个Φ 8盲孔，盲孔深18mm。
3.根据权利要求1或2所述的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，其特征在于所述外壳和内部轴承座的销孔均做45°的Imm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。
4.根据权利要求1所述的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， 其特征在于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父10_5111/0(*111)，介于1^12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. 36X 10-5m/(K · m) 和1. 2X 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。
5.根据权利要求1所述的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， 其特征在于所采用的销钉数目为6颗，销钉尺寸为Φ8且过盈量为2 μ m,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。
6.根据权利要求2或5所述的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，其特征在于该机械结构可在10°c 60°C升温和10°C -40°c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。
全文摘要
本发明提供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，采用了利用销钉对不同材料的结构件进行转接的结构形式，由外壳，内部轴承座和销钉构成。外壳材料为LY12铝合金，内部轴承座材料为45钢，外壳和内部轴承座周向均布6个位置匹配的销孔，销钉材料为铸铜，销钉与外壳和内部轴承座上的销孔尺寸匹配并带有一定的过盈量以保证联接紧固。外壳和内部轴承座之间存在1mm的径向间隙。整个结构中销钉数目和销钉尺寸，以及销钉的过盈量均经过有限元分析优化。本结构可以避免环境温度剧烈变化时轴系外壳和内部轴承座之间的挤压热应力以及消除热间隙，同时保证外壳和内部轴承座之间的紧固状态以及整个结构的机械刚度。
文档编号F16C35/08GK102537089SQ20121003315
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者庄富强, 廖靖宇, 梁伟, 赵人杰, 高晓东 申请人:中国科学院光电技术研究所