CN108799342B - 轴承锁紧装置及航空发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴承锁紧装置及航空发动机，其中，轴承锁紧装置包括转轴、支撑座和轴承(1)，轴承(1)设在转轴和支撑座之间，用于对转轴提供支撑，轴承(1)包括内环(11)和外环(12)，内环(11)的线膨胀系数低于转轴的线膨胀系数，外环(12)的线膨胀系数高于支撑座的线膨胀系数。本发明的轴承锁紧装置，能够通过减少零件数量简化轴承锁紧装置的结构，从而减小轴向整体尺寸，降低装配复杂程度，并减轻重量。在轴承工作的过程中，随着温度的逐渐升高，轴承内环与转轴、轴承外环与支撑座之间的配合紧度呈增大趋势，以保证轴承不会产生松动现象。

Description

轴承锁紧装置及航空发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种轴承锁紧装置及航空发动机。
背景技术
航空发动机涉及气动、热工、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术和材料等多种学科，一台发动机内有十几个部件和系统及数以万计的零件，其温度、压力、应力、转速、振动、间隙和腐蚀等工作条件远比飞机其他分系统复杂和苛刻，而且对性能、重量、适用性、可靠性、耐久性和环境特性等又有极高的要求。
而航空发动机中的转子作为主要的旋转工作部件，需要通过轴承进行支撑，对于轴承支撑结构要保证其轴向锁紧的可靠性，以保证转子的安全工作。传统航空发动机中一般采用如图1所示的结构实现轴承的装配和锁紧，轴承2a安装在转子1a与机匣之间，为了防止轴承2a从转子1a上松脱，在轴承2a的端面设有压紧螺母3a，压紧螺母3a通过螺纹连接结构旋合在转子1a的端部，以对轴承2a进行轴向限位。在压紧螺母3a的外端还设有锁片4a，以防止压紧螺母3a松动。
此种锁紧结构在功能上虽然能够实现轴承2a的锁紧，但是装配联接结构相对比较复杂，将锁片4a嵌入压紧螺母3a上的槽时安装困难，需要修磨压紧螺母3a的端面。这些缺点不仅增加了发动机的结构复杂程度与质量，导致发动机的可靠性下降，例如出现锁片4a被剪断的现象；而且会造成发动机结构不对称，增加了发动机工作时受到的不平衡力。因而亟需对现有技术中轴承的锁紧结构进行改进。
发明内容
本发明的目的是提出一种轴承锁紧装置及航空发动机，能够以更加简单的结构实现轴承的锁紧。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种轴承锁紧装置，包括转轴、支撑座和轴承，所述轴承设在所述转轴和所述支撑座之间，用于对所述转轴提供支撑，所述轴承包括内环和外环，所述内环的线膨胀系数低于所述转轴的线膨胀系数，所述外环的线膨胀系数高于所述支撑座的线膨胀系数。
进一步地，所述内环与所述转轴之间以第一过盈量配合，所述外环与所述支撑座之间以第二过盈量配合，所述第一过盈量大于所述第二过盈量。
进一步地，所述内环与所述转轴的配合面之一上设有防松脱结构，所述外环与所述支撑座的配合面之一上设有防松脱结构，所述防松脱结构能够增大配合面之间的摩擦力。
进一步地，所述防松脱结构设在所述内环的内表面和所述外环的外表面上的至少部分区域内。
进一步地，所述防松脱结构为螺旋线结构。
进一步地，在所述外环静止设置的情况下，所述内环对应的螺旋线结构的旋向与所述转轴的转动方向相反，所述外环对应的螺旋线结构的旋向与所述转轴的转动方向相同。
进一步地，在所述外环与支撑座随动设置的情况下，所述内环和外环对应螺旋线结构的旋向均与所述转轴的转动方向相反。
进一步地，所述螺旋线结构的深度为0.02mm～0.06mm。
进一步地，所述第一过盈量的取值范围为0.05mm～0.15mm，所述第二过盈量的取值范围为0.02mm～0.06mm。
为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种航空发动机，包括上述实施例所述的轴承锁紧装置。
进一步地，所述转轴为航空发动机的转子，所述支撑座为机匣。
基于上述技术方案，本发明的轴承锁紧装置，依靠轴承、转轴和支撑座的材料特性来保证轴承在工作过程中的轴向和径向预紧力，在对材料进行选择时，使轴承内环的线膨胀系数低于转轴的线膨胀系数，轴承外环的线膨胀系数高于支撑座的线膨胀系数。此种轴承锁紧装置能够通过减少零件数量简化轴承锁紧装置的结构，从而减小轴向整体尺寸，降低装配复杂程度，并减轻重量。在轴承工作的过程中，随着温度的逐渐升高，轴承内环与转轴、轴承外环与支撑座之间的配合紧度呈增大趋势，以保证轴承不会产生松动现象。
当本发明的轴承锁紧装置用于航空发动机时，依靠轴承、转子和机匣的材料特性来保证轴承在工作过程中的预紧力，能够通过减少零件数量简化航空发动机的结构，降低加工制造和装配难度，并减轻发动机重量；而且还能减小发动机转子和机匣轴承座的轴向尺寸，节约空间；另外，发动机重量的减轻可提高发动机的推重比，零件数量的减少可提高发动机工作的可靠性与安全性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中轴承锁紧装置的结构示意图；
图2为本发明轴承锁紧装置的一个实施例的结构示意图。
附图标记说明
1a、转子；2a、轴承；3a、压紧螺母；4a、锁片；1、轴承；2、转子；3、机匣；11、内环；12、外环；13、滚子。
具体实施方式
以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。
本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“周向”、“轴向”和“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
为了降低现有技术中航空发动机轴承锁紧结构的复杂程度，本发明提供了一种改进的轴承锁紧装置，不仅适用于航空发动机中轴承的锁紧，还可广泛地应用于其它通过轴承进行支撑的场合，例如地面燃机等。在一个示意性的实施例中，参考图2所示，包括转轴、支撑座和轴承1，轴承1套设在转轴和支撑座之间，轴承座通过轴承1对转轴提供支撑。轴承1包括内环11、外环12和滚子13，内环11与转轴配合，外环12与支撑座上的孔配合。在对轴承1的材料进行选择时，轴承1内环11的线膨胀系数低于转轴的线膨胀系数，轴承1外环12的线膨胀系数高于支撑座的线膨胀系数。线膨胀系数也称为线弹性系数，表示材料膨胀或收缩程度。
此种轴承锁紧装置优选地适用于基本不受轴向力的轴承和所受轴向力与脱出方向相反的轴承，对于这两种情况，通过材料的线膨胀系数设计主要是为了给轴承提供径向预紧力。另外，该轴承锁紧装置还可以用于所受轴向力与脱出方向一致且轴向受力较小的轴承，对于这种情况，通过材料的线膨胀系数设计可以同时为给轴承提供轴向和径向预紧力。例如，此种轴承锁紧装置对于滚棒轴承全部适用，对于滚珠轴承当发动机轴向力不换向时部分适用。
本发明该实施例的轴承锁紧装置取消了现有技术中的压紧螺母和锁片等联接固定结构，依靠轴承、转轴和支撑座的材料特性来保证轴承在工作过程中的轴向和径向预紧力，能够通过减少零件数量简化轴承锁紧装置的结构，从而减小轴向整体尺寸，降低装配复杂程度，并减轻重量。在轴承工作的过程中，随着温度的逐渐升高，轴承内环与转轴、轴承外环与支撑座之间的配合紧度呈增大趋势，以保证轴承不会产生松动现象。
为了更可靠地对轴承1进行预紧，轴承1内环11与转轴之间以第一过盈量配合，轴承1外环12与支撑座之间以第二过盈量配合，第一过盈量大于第二过盈量。这是因为内环11通常为转动件，设计较大的过盈量可防止转轴在起动过程中内环11发生周向旋转，外环12通常为静止件，设计较小的过盈量就能防止外环12相对于支撑座旋转。
在一个航空发动机的应用实例中，第一过盈量的取值范围为0.05mm～0.15mm，第二过盈量的取值范围为0.02mm～0.06mm。虽然第一过盈量和第二过盈量的分布区间存在重叠部分，但是在设计取值时，可以使第一过盈量大于第二过盈量。总体来讲，轴承1的配合可以采用0.02mm～0.15mm的过盈量，以保证配合紧度，但不限于此。
在上述实施例的基础上，为了增加轴承1的预紧力，轴承1内环11与转轴的配合面之一上设有防松脱结构，轴承1外环12与支撑座的配合面之一上设有防松脱结构，通过设有防松脱结构的面与光滑面之间的配合，在设计材料线膨胀系数以及过盈配合量的基础上，能够进一步增大轴承1与转轴和支撑座的配合面之间的摩擦力，以对轴承1提供更大的预紧力，防止轴承1在工作过程中发生脱出现象。防松脱结构可设在配合面的部分区域或整个面上。
优选地，防松脱结构设在轴承1内环11的内表面和外环12的外表面的至少部分区域内。如果只在轴承1内外表面的部分区域设置防松脱结构，能够降低加工和装配难度；如果在轴承1的整个内外表面设置防松脱结构，能够不改变转轴和支撑座结构，只对轴承1的结构形式进行优化，可增加此种轴承锁紧装置的通用性。
优选地，防松脱结构为螺旋线结构，例如，在轴承1内环11的内表面和外环12的外表面设置螺旋线结构，而转轴、支撑座与轴承相配合的表面仍为光滑表面，能够在装配时增加摩擦力以对轴承1预紧。螺旋线结构的深度小于普通螺纹配合结构中螺旋线的深度，为浅螺旋线结构，仅用于增加摩擦力，因而也完全不同于通过螺纹配合实现轴承安装的情况。可选地，螺旋线的深度为0.02mm～0.06mm，但不限于此。除此之外，防松脱结构还可以选择其它的结构形式，例如网纹状、沿周向间隔设置的直线或沿轴向间隔设置的圆环等。
在工程实际中，为了降低加工难度，在满足预紧力的情况下，如图2所示，可以只在轴承1沿轴线的两端区域内设置螺旋线结构，而在中间区域内轴承1的内环11与转轴不接触，可降低装配的难度。或者为了获得较大的预紧力以增加轴承1工作的可靠性，可以在轴承1内环11和外环12的整个表面上设置螺旋线结构。
在轴承1的外环12静止设置的情况下，内环11对应的螺旋线结构的旋向与转轴的转动方向相反，即对应于旋进或旋紧的方向，可起到防止轴承1内环11松动的作用；外环12对应的螺旋线结构的旋向与转轴的转动方向相同。
在轴承1的外环12相对于支撑座随动设置的情况下，内环11和外环12对应螺旋线结构的旋向均与转轴的转动方向相反，这样能起到较好的防松效果。
其次，本发明还提供了一种航空发动机，包括上述实施例所述的轴承锁紧装置。
如图2所示，上述实施例中提到的转轴为航空发动机的转子2，支撑座为机匣3，机匣3用于通过轴承1为转子2提供支撑。例如，轴承1可以是滚棒轴承，在工作时基本不受轴向载荷，为取消轴端锁紧结构提供了基础。
在一个实施例中，在对轴承1的材料进行选择时，内环11的线膨胀系数低于与之相配的转子2的线膨胀系数，外环12的线膨胀系数高于与之相配的机匣3的线膨胀系数。在转子2工作的过程中，发动机内的温度的逐渐升高，轴承内环11与转子2、轴承外环12与机匣3之间的配合紧度呈增大趋势，以保证轴承1不会产生松动现象。
本发明该实施例航空发动机，依靠轴承1、转子2和机匣3的材料特性来保证轴承在工作过程中的预紧力，至少可达到以下优点之一：
(1)通过减少零件数量简化轴承锁紧装置的结构，能够简化航空发动机的结构，降低加工制造和装配难度，并减轻发动机重量；
(2)由于压紧螺母和锁片的取消，能够减小发动机转子2和机匣3轴承座的轴向尺寸，进一步降低结构重量；
(3)由于发动机重量的减轻，能够提高发动机的推重比，由于发动机零件数量的减少，能够提高发动机工作的可靠性；
(4)可增加发动机结构的对称性，以减小发动机工作时受到的不平衡力。
进一步地，为了更可靠地对轴承1进行预紧，考虑到轴承1的内环11通常随转子2转动，外环12通过静止，将轴承1的内环11与转子2之间以第一过盈量配合，轴承1的外环12与机匣3之间以第二过盈量配合，第一过盈量大于第二过盈量。第一过盈量和第二过盈量可在前述给出的范围中选择。
在此基础上，在轴承1内环11的内表面和外环12的外表面设置螺旋线结构，而转子2、机匣3与轴承1相配合的表面仍为光滑表面，这种设置于轴承1内外表面上的浅螺旋线结构能够在装配时增加摩擦力以对轴承1预紧。这种设计方式无需改变原有转子2和机匣3的结构形式。优选地，螺旋线的深度为0.02mm～0.06mm，但不限于此。
在轴承1的外环12静止设置的情况下，内环11对应的螺旋线结构的旋向与转子2的转动方向相反，即对应于旋进或旋紧的方向，可起到防止轴承1内环11松动的作用；外环12对应的螺旋线结构的旋向与转子2的转动方向相同。
在中介轴承的外环12与机匣3随动设置的情况下，内环11和外环12对应螺旋线结构的旋向均与转子2的转动方向相反，这样能起到较好的防松效果。
本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种航空发动机，包括轴承锁紧装置，其特征在于，所述轴承锁紧装置包括转轴、支撑座和轴承(1)，所述转轴为航空发动机的转子(2)，所述支撑座为机匣(3)，所述轴承(1)设在所述转子(2)和所述机匣(3)之间，所述轴承(1)为滚棒轴承，用于对所述转子(2)提供支撑，所述轴承(1)包括内环(11)和外环(12)，所述内环(11)的线膨胀系数低于所述转子(2)的线膨胀系数，所述外环(12)的线膨胀系数高于所述机匣(3)的线膨胀系数，以便仅依靠所述轴承(1)、所述转子(2)和所述机匣(3)的材料特性来保证所述轴承(1)在工作过程中的预紧力；
其中，所述内环(11)与所述转子(2)之间以第一过盈量配合，所述外环(12)与所述机匣(3)之间以第二过盈量配合，所述第一过盈量大于所述第二过盈量。
2.根据权利要求1所述的航空发动机，其特征在于，所述内环(11)与所述转子(2)的配合面之一上设有防松脱结构，所述外环(12)与所述机匣(3)的配合面之一上设有防松脱结构，所述防松脱结构能够增大配合面之间的摩擦力。
3.根据权利要求2所述的航空发动机，其特征在于，所述防松脱结构设在所述内环(11)的内表面和所述外环(12)的外表面上的至少部分区域内。
4.根据权利要求2所述的航空发动机，其特征在于，所述防松脱结构为螺旋线结构。
5.根据权利要求4所述的航空发动机，其特征在于，在所述外环(12)静止设置的情况下，所述内环(11)对应的螺旋线结构的旋向与所述转子(2)的转动方向相反，所述外环(12)对应的螺旋线结构的旋向与所述转子(2)的转动方向相同。
6.根据权利要求4所述的航空发动机，其特征在于，在所述外环(12)与机匣(3)随动设置的情况下，所述内环(11)和外环(12)对应螺旋线结构的旋向均与所述转子(2)的转动方向相反。
7.根据权利要求4所述的航空发动机，其特征在于，所述螺旋线结构的深度为0.02mm～0.06mm。
8.根据权利要求1所述的航空发动机，其特征在于，所述第一过盈量的取值范围为0.05mm～0.15mm，所述第二过盈量的取值范围为0.02mm～0.06mm。
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