CN102588430B - 一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构，由轴系外壳，轴载，轴承，内侧轴承盖，外侧轴承盖，内侧轴承座，外侧轴承座，内侧铝制压圈，内侧钢制压圈，外侧铝制压圈，外侧钢制压圈，以及8颗紧定螺钉装配组成。本轴系机械结构利用配对使用的钢铝配合件之间可自动发生的轴向相对滑动来补偿和消除工作温度在较大范围内变化时，结构零件之间可能产生的径向挤压热应力和径向热间隙，以此提高轴系机械结构对温度环境的适应性，从而满足航空航天等工作温度变化范围较大的应用场合的使用需求。

Description

一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构

技术领域

本发明属于机械设计领域，具体涉及一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构，该机械结构在工作温度在较大范围内变化时可以降低和消除轴系机械结构内部零件之间的径向热应力和热间隙。

背景技术

在现代机械制造领域，铝因具有密度较小，价格低廉，易于加工等特点，常被采用于对整体结构重量有严格限制的机械结构中。在航空航天精密机械设备和一些大型机械设备当中，铝材的使用已非常广泛。然而，在机械结构中的一些关键零部件(比如轴系结构当中的轴承)，为保证其力学性能则仍应使用钢材。于是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。具体到机械制造中常应用到的轴系机械结构，使用传统方法直接对钢制轴承和轴系外壳等其他铝制结构件进行装配时，由于钢材和铝材的热膨胀系数存在较大差异，在航空航天等需要在较大温度范围内(常指在-55℃到75℃的温度范围)工作的应用场合中，钢铝配件在使用过程中常常面临因热变形量不同产生的挤压热应力和热间隙问题。挤压热应力过大将导致机械结构出现材料变形和降低机械结构的寿命，而热间隙将降低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应用的轴系结构当中，热应力和热间隙问题的影响则体现得更为突出，采用传统装配方法将很可能无法满足设备的精度和寿命要求。为了使轴系机械结构适应大温度变化范围的工作条件，需要解决不同材料的机械零件在工作温度变化时产生热应力和热间隙的问题。为此，考虑选用热膨胀系数相近的机械材料来加工轴系零件或是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，(例如与轴承直接接触的结构零件如轴承座等可采用热膨胀系数与之相近的钛合金进行加工)，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，提供一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构形式，该结构形式可以有效释放工作温度在较大范围内变化时轴系机械结构内部零件因材料不同而产生的热应力，提高轴系零件的寿命和可靠性。同时也可消除轴系零件之间温度变化可能产生的热间隙，保证其工作精度，提高轴系机械结构整体的紧固程度和结构刚度。由此满足航空航天领域应用的精密轴系结构和其他大型机械设备适应较大工作温度变化范围的应用需求。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构，所述的可适应大温度变化范围的轴系机械结构是一种由特制轴承座压圈组合装配实现轴系结构内部不同材料的零件之间的装配连接的结构形式。由于轴承总是成对使用，本发明所述的轴系机械结构也具有对称性。为了简明和表述方便，以轴系结构的单侧结构进行说明。

本发明所述的轴系机械结构由轴系外壳，轴载，轴承，内侧轴承盖，外侧轴承盖，内侧轴承座，外侧轴承座，内侧铝制压圈，内侧钢制压圈，外侧铝制压圈，外侧钢制压圈，以及8颗紧定螺钉装配组成。其中轴承外壳，轴载，内侧轴承盖和外侧轴承盖之间的相对装配关系与传统装配方式一致。内侧轴承座和外侧轴承座分别沿径向装配于轴承内外两侧，并与轴承外壳和轴载作径向装配。内侧铝制压圈和内侧钢制压圈依次装配于内侧轴承座靠内侧轴承盖的轴向位置，外侧铝制压圈和外侧钢制压圈依次装配于外侧轴承座靠内侧轴承盖的轴向位置。紧定螺钉分别装配于轴系外壳和轴载上对应的调整孔中，可在装配过程中和装配完成后调整轴系结构的轴向紧固状态。

所述轴系外壳采用LY12铝合金加工，轴向厚度最大为50mm，在靠外侧轴承座一侧有适合外侧轴承座装配的锥角为15°的锥形槽，在靠近轴载一侧对应轴承外圈的位置沿圆周方向均布有4个配合紧定螺钉的M3螺孔。在靠近轴载一侧靠近轴承内外圈结合处有一个起防尘作用的挡环结构。

所述轴载采用LY12铝合金加工，轴向最大厚度为69mm，在靠内侧轴承座一侧有适合内侧轴承座装配的锥角为15°的锥形台体结构，在对应轴承内圈的位置沿圆周方向均布有4个配合紧定螺钉的M3螺孔。轴载靠近轴承内外圈结合处的结构尺寸与轴系外壳尺寸形状匹配，并存在1mm的间隙，以方便涂抹油脂实现防尘功能。

所述轴承采用GB/T 276-1994深沟球轴承，其内径为110mm，外径为200mm，轴向厚度为38mm。

所述内侧轴承盖采用LY12铝合金加工，轴向厚度为16mm，在轴向靠近内侧轴承座的位置有宽约11.2mm，深约8mm的环形槽，以便内侧铝制压圈和内侧钢制压圈安装。内侧轴承盖和轴承内圈之间在轴向存在1mm的间隙，防止轴承在温度变化过程中因内外圈轴向位移不同而发生卡死。

所述外侧轴承盖采用LY12铝合金加工，轴向厚度15mm，在轴向靠近外侧轴承座的位置有宽约11.2mm，深约8mm的环形槽，以供外侧铝制压圈和外侧钢制压圈安装。

所述内侧轴承座采用45钢加工，轴向厚度为36mm，平均厚度为7mm。外径尺寸配合选用轴承的内径选定，为110mm。内侧轴承座内侧配合轴载尺寸，有15°锥角。

所述外侧轴承座采用45钢加工，轴向厚度为36mm，平均厚度为7mm。内径尺寸配合选用轴承的外径选定，为200mm。外侧轴承座内侧配合轴系外壳尺寸，有15°锥角。

所述内侧铝制压圈采用LY12铝合金加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.3mm，其径向内侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

所述内侧钢制压圈采用45钢加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.6mm，其径向外侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

所述外侧铝制压圈采用LY12铝合金加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.3mm，其径向外侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

所述外侧钢制压圈采用45钢加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.6mm，其径向内侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

所述紧定螺钉采用GB/T 71-1985开槽锥端紧定螺钉，其尺寸为M3长12mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明采用轴承座，铝制轴承压圈和钢制轴承压圈做轴向运动以自适应调整轴系零件径向紧固程度的方式来改善和消除轴系结构在工作温度大范围变化时的热应力和热间隙状态，提高了轴系结构的温度环境适应性。与传统的直接装配方式相比，本发明可以避免轴系外壳和轴载与轴承之间在温度上升时可能出现的热间隙，由此提高整个轴系结构的紧固程度和刚度；同时还能避免温度下降时轴系外壳和轴载与轴承之间相互挤压而引起的热应力和挤压热变形，提高轴系结构的寿命和可靠性。以此满足航空航天等工作环境温度变化较大的场合对不同材料之间配合使用的轴系结构的应用需求。

附图说明

图1本发明实例整体结构剖面图；

图2本发明实例轴承外圈附近机械结构剖面图；

图3本发明实例轴承内圈附近机械结构剖面图；

图4本发明实例内侧轴承盖剖面尺寸图；

图5本发明实例外侧轴承盖剖面尺寸图；

图6本发明实例内侧轴承座剖面尺寸图；

图7本发明实例外侧轴承座剖面尺寸图；

图8本发明实例内侧铝制压圈剖面尺寸图；

图9本发明实例内侧钢制压圈剖面尺寸图；

图10本发明实例外侧铝制压圈剖面尺寸图；

图11本发明实例外侧钢制压圈剖面尺寸图。

图中，轴系外壳1；轴载2；轴承3；内侧轴承盖4；外侧轴承盖5；内侧轴承座6；外侧轴承座7；内侧铝制压圈8；内侧钢制压圈9；外侧铝制压圈10；外侧钢制压圈11；紧定螺钉12。

具体实施方式

如图1所示，本发明机械结构对应的轴系结构主要由轴系外壳1，轴载2，轴承3，内侧轴承盖4，外侧轴承盖5，内侧轴承座6，外侧轴承座7，内侧铝制压圈8，内侧钢制压圈9，外侧铝制压圈10，外侧钢制压圈11，以及八颗紧定螺钉12装配组成(由于是剖面图，紧定螺钉仅四颗可见)。

如图1所示，轴系外壳1采用LY12铝合金加工制成，其外径为250mm，厚度为50mm，在靠外侧轴承座7一侧有适合轴承和外侧轴承座装配的锥角为15°的环形槽，在靠近轴载2一侧对应轴承外圈的位置沿圆周方向均布有4个配合紧定螺钉的M3螺孔。在靠近轴载2一侧靠近轴承内外圈结合处有一个起防尘作用的挡环结构。

如图1所示，所述轴载2采用LY12铝合金加工，轴向厚度为69mm，在靠内侧轴承座6一侧有适合轴承和内侧轴承座装配的锥角为15°的锥形台体结构，在对应轴承内圈的位置沿圆周方向均布有4个配合紧定螺钉的M3螺孔。轴载2靠近轴承内外圈结合处的结构尺寸与轴系外壳尺寸形状匹配，方便涂抹油脂实现防尘功能。

如图1所示，所述轴承3采用GB/T 276-1994深沟球轴承，其内径为110mm，外径为200mm，轴向厚度为38mm。

如图1所示，轴系外壳1和轴载2靠近轴承内圈和轴承外圈的位置安装有紧定螺钉12，紧定螺钉的作用在于，在装配过程中和装配完成后，可通过调整紧定螺钉改变轴承的轴向紧固状态，避免轴系结构内部发生松动。

如图1所示，轴系外壳1和轴载2靠近轴承内外圈结合处有一个起防尘作用的挡环结构，该部位可通过涂抹油脂进行密封，防止灰尘进入轴承。

如图2所示，为清楚表述将本发明轴系机械机构的轴承外圈附近机械结构进行了放大。该机械结构部分主要包括轴系外壳1，轴承3，外侧轴承盖5，外侧轴承座7，外侧铝制压圈10，外侧钢制压圈11，以及紧定螺钉12。轴系外壳1和外侧轴承盖5可采用传统方式进行装配。本发明的特点在于，轴承外圈的径向采用了带15°锥角的外侧轴承座7进行紧固约束，外侧轴承座7和轴系外壳1之间可沿锥面进行相对滑动；并且采用同样带有15°锥角的外侧铝制压圈10和外侧钢制压圈11，对外侧轴承座进行轴向约束定位。外侧铝制压圈10和外侧钢制压圈11同样可沿锥面发生相对运动。

当工作温度上升时，由于铝的热膨胀系数大于钢，轴系外壳1和外侧轴承座7之间存在产生径向间隙的趋势，同时外侧铝制压圈10因热膨胀系数大于外侧钢制压圈11，径向热膨胀量大于外侧钢制压圈11，于是将相对外侧钢制压圈11有径向过盈趋势。由于外侧钢制压圈11的轴向运动被外侧轴承盖5约束，所以外侧铝制压圈10将自动沿轴向向外侧轴承座7的方向运动，并致使外侧轴承座随之运动，从而减小轴系外壳1和外侧轴承座7之间的径向间隙。

当工作温度下降时，由于铝的热膨胀系数大于钢，轴系外壳1径向热收缩量大于外侧轴承座7，因此轴系外壳1和外侧轴承座7之间存在产生径向过盈的趋势，为消除过盈状态，外侧轴承座7将自动沿轴向向着外侧铝制压圈10和外侧钢制压圈11做轴向运动。此轴向运动正好可以补偿和消除由于外侧铝制压圈10收缩量大于外侧钢制压圈11而产生的热间隙。

值得注意的是，外侧钢制压圈11仅轴向方向与外侧轴承盖5接触，外侧铝制压圈10和外侧钢制压圈11的径向均与外侧轴承盖5存在大于0.2mm的间隙，以避免它们之间径向接触可能的产生摩擦力对零件的轴向滑动产生限制。

如图3所示，将本发明轴系机械机构的轴承内圈附近机械结构进行放大以方便表述其结构细节。轴承内圈附近机械结构部分主要包括轴载2，轴承3，内侧轴承盖4，内侧轴承座6，内侧铝制压圈7，内侧钢制压圈8，以及紧定螺钉12。轴载2和内侧轴承盖4之间可采用传统方式进行装配。本发明的特点在于，轴承内圈的径向采用了带15°锥角的内侧轴承座6进行紧固约束，内侧轴承座6和轴载2之间可沿锥面进行相对滑动；并且采用带有15°锥角的内侧铝制压圈7和内侧钢制压圈8，对内侧轴承座进行轴向约束定位。内侧铝制压圈7和内侧钢制压圈8同样可沿锥面发生相对运动。

当工作温度上升时，由于铝的热膨胀系数大于钢，轴载2的径向热膨胀量大于内侧轴承座6，因此轴载2和内侧轴承座6之间存在产生径向过盈的趋势，同时内侧铝制压圈7因热膨胀系数大于内侧钢制压圈8，径向膨胀量大于内侧钢制压圈8，于是将相对内侧钢制压圈8有产生径向间隙的趋势。在热过盈产生的挤压应力作用下，内侧轴承座6将自动沿轴向向内侧轴承盖4的方向运动以消除过盈状态，并致使内侧铝制压圈7和内侧钢制压圈8随之运动，使得内侧铝制压圈7和内侧钢制压圈8轴向距离减小从而消除其径向间隙，以保证轴系结构的紧固状态。

当工作温度下降时，由于铝的热膨胀系数大于钢，轴载2和内侧轴承座6之间存在产生径向间隙的趋势，同时内侧铝制压圈7因热膨胀系数大于内侧钢制压圈8，有相对内侧钢制压圈8有径向过盈趋势。由于内侧钢制压圈8的轴向运动被内侧轴承盖4约束，所以内侧钢制压圈8将自动沿轴向向内侧轴承座6的方向运动以消除和时内侧铝制压圈7之间的径向过盈状态，并致使内侧轴承座6随之运动，从而消除轴载2和内侧轴承座6之间的径向间隙。

与轴承外圈附近的机械结构类似，内侧钢制压圈8仅轴向方向与内侧轴承盖4接触，内侧铝制压圈7和内侧钢制压圈8的径向均与内侧轴承盖4存在大于0.2mm的间隙，以避免它们之间径向接触可能的产生摩擦力对零件的轴向滑动产生限制。

如图1和图4所示，内侧轴承盖采用LY12铝合金加工，轴向厚度为16mm，在轴向靠近内侧轴承座的位置有宽约11.2mm，深约8mm的环形槽，以便内侧铝制压圈和内侧钢制压圈安装。内侧轴承盖和轴承内圈之间在轴向存在1mm的间隙，可防止轴承在温度变化过程中因内外圈轴向位移不同而发生的卡死现象。

如图1和图5所示，外侧轴承盖采用LY12铝合金加工，轴向厚度为15mm，在轴向靠近外侧轴承座的位置有宽约11.2mm，深约8mm的环形槽，以供外侧铝制压圈和外侧钢制压圈安装。

如图1和图6所示，内侧轴承座采用45钢加工，轴向厚度为36mm，平均厚度为7mm(“平均厚度”是机械设计人员常用的交流语言，常用来对一个不等厚物体的厚度进行表述。其含义是一个不等厚物体沿厚度变化方向的平均厚度，具体到这里的内侧轴承座，就是其轴向中心位置的内外径之差)。外径尺寸配合选用轴承的内径选定，为110mm。内侧轴承座内侧配合轴载尺寸，有15°锥角。

如图1和图7所示，外侧轴承座采用45钢加工，轴向厚度为36mm，平均厚度为7mm(“平均厚度”是机械设计人员常用的交流语言，常用来对一个不等厚物体的厚度进行表述。其含义是一个不等厚物体沿厚度变化方向的平均厚度，特别的，对于外侧轴承座，就是指其轴向中心位置内外径的差值)。内径尺寸配合选用轴承的外径选定，为200mm。外侧轴承座内侧配合轴系外壳尺寸，有15°锥角。

如图1和图8所示，内侧铝制压圈采用LY12铝合金加工，轴向厚度为8mm，外径为109mm，径向厚度6.3mm，其径向内侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

如图1和图9所示，内侧钢制压圈采用45钢加工，其轴向厚度为8mm，内径为87.4mm，径向厚度为6.6mm，其径向外侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

如图1和图10所示，外侧铝制压圈采用LY12铝合金加工，轴向厚度为8mm，内径为201mm，径向厚度6.3mm，其径向外侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

如图1和图11所示，外侧钢制压圈采用45钢加工，轴向厚度为8mm，，外径为222.6mm，径向厚度为6.6mm，其径向内侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配。

本发明还有以下优化方案：

轴系外壳，轴载，轴承座，轴承铝制压圈和轴承钢制压圈的配合锥角经过理论计算和有限元分析优化。因为根据本发明的设计思想，是通过轴承座，轴承铝制压圈和轴承钢制压圈之间的相对轴向位移调整轴系零件之间的径向紧固程度，选定合理的锥角是实现设计意图的必要前提。当锥角过小时，零件接触面之间的相互作用力在轴向的分量不足将无法使零件做轴向运动，进而使整个轴系结构无法体现设计意图而不能适应大温度变化范围的应用需求；当锥角过大时，很小的轴向运动就将较大地改变零件之间的径向约束状态，可能导致径向约束状态难以得到适当调整，降低系统紧固程度的可靠性，这也与设计意图不符合。本发明将锥角设计为15°，则当温度变化幅度为75℃时，轴承外圈所对应的轴向位移约为0.35mm，轴承内圈对应的轴向位移约为0.19mm。

上述的一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构主要是为解决航空相机的轴系机械结构的温度适应性问题而设计的。依照设计意图，本轴系机械结构在温度变化过程中，可利用轴承座以及轴承压圈之间的轴向相对运动来调整零件之间的径向紧固状态，从而减小热应力和消除热间隙。在实际应用中，机械结构的设计尺寸可能与本专利不同，但依照本发明的设计思想，完全可以制造出其他几何尺寸不同的可适应大温度变化范围的轴系机械结构。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种可适应较大温度变化范围的轴系机械结构，所述的可适应较大温度变化范围的轴系机械结构是一种由特制轴承座压圈组合装配实现轴系机械结构内部不同材料的零件之间的装配连接的结构形式，由于轴承总是成对使用，所述的轴系机械结构也具有对称性，为了简明和表述方便，以轴系机械结构的单侧结构进行说明，其特征在于：

所述的轴系机械结构由轴系外壳，轴载，轴承，内侧轴承盖，外侧轴承盖，内侧轴承座，外侧轴承座，内侧铝制压圈，内侧钢制压圈，外侧铝制压圈，外侧钢制压圈，以及8颗紧定螺钉装配组成；其中轴承外壳，轴载，内侧轴承盖和外侧轴承盖之间的相对装配关系与传统装配方式一致；内侧轴承座和外侧轴承座分别沿径向装配于轴承内外两侧，并与轴承外壳和轴载作径向装配；内侧铝制压圈和内侧钢制压圈依次装配于内侧轴承座靠内侧轴承盖的轴向位置，外侧铝制压圈和外侧钢制压圈依次装配于外侧轴承座靠外侧轴承盖的轴向位置；紧定螺钉分别装配于轴系外壳和轴载上对应的调整孔中，调整孔为螺孔，可在装配过程中和装配完成后调整轴系机械结构的轴向紧固状态；

所述轴系外壳采用LY12铝合金加工，轴向厚度最大为50mm，在靠外侧轴承座一侧有适合外侧轴承座装配的锥角为15°的锥形槽，在靠近轴载一侧对应轴承外圈的位置沿圆周方向均布有4个配合紧定螺钉的M3螺孔；在靠近轴载一侧靠近轴承内外圈结合处有一个起防尘作用的挡环结构；

所述轴载采用LY12铝合金加工，轴向最大厚度为69mm，在靠内侧轴承座一侧有适合内侧轴承座装配的锥角为15°的锥形台体结构，在对应轴承内圈的位置沿圆周方向均布有4个配合紧定螺钉的M3螺孔，轴载靠近轴承内外圈结合处的结构尺寸与轴系外壳尺寸形状匹配，并存在1mm的间隙，以方便涂抹油脂实现防尘功能；

所述轴承采用GB/T276-1994深沟球轴承，其内径为110mm，外径为200mm，轴向厚度为38mm；

所述内侧轴承盖采用LY12铝合金加工，轴向厚度为16mm，在轴向靠近内侧轴承座的位置有宽约11.2mm，深约8mm的环形槽，以便内侧铝制压圈和内侧钢制压圈安装；内侧轴承盖和轴承内圈之间在轴向存在1mm的间隙，防止轴承在温度变化过程中因内外圈轴向位移不同而发生卡死；

所述外侧轴承盖采用LY12铝合金加工，轴向厚度15mm，在轴向靠近外侧轴承座的位置有宽约11.2mm，深约8mm的环形槽，以供外侧铝制压圈和外侧钢制压圈安装；

所述内侧轴承座采用45钢加工，轴向厚度为36mm，平均厚度为7mm；“平均厚度”是机械设计人员常用的交流语言，常用来对一个不等厚物体的厚度进行表述，其含义是一个不等厚物体沿厚度变化方向的平均厚度，具体到这里的内侧轴承座，就是其轴向中心位置的内外径之差；外径尺寸配合选用轴承的内径选定，为110mm，内侧轴承座内侧配合轴载尺寸，有15°锥角；

所述外侧轴承座采用45钢加工，轴向厚度为36mm，平均厚度为7mm；“平均厚度”是机械设计人员常用的交流语言，常用来对一个不等厚物体的厚度进行表述，其含义是一个不等厚物体沿厚度变化方向的平均厚度，特别的，对于外侧轴承座，就是指其轴向中心位置内外径的差值；内径尺寸配合选用轴承的外径选定，为200mm；外侧轴承座外侧配合轴系外壳尺寸，有15°锥角；

所述内侧铝制压圈采用LY12铝合金加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.3mm，其径向内侧有15°锥角以配合内侧钢制压圈进行装配；

所述内侧钢制压圈采用45钢加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.6mm，其径向外侧有15°锥角以配合内侧铝制压圈进行装配；

所述外侧铝制压圈采用LY12铝合金加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.3mm，其径向外侧有15°锥角以配合外侧钢制压圈进行装配；

所述外侧钢制压圈采用45钢加工，轴向厚度为8mm，径向厚度为6.6mm，其径向内侧有15°锥角以配合外侧铝制压圈进行装配；

所述紧定螺钉采用GB/T71-1985开槽锥端紧定螺钉，其尺寸为M3长12mm。