專利名稱：圓弧倒圓結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及渦輪發動機動力渦輪軸領域，特別地，涉及一種圓弧倒圓結構。
背景技術：
航空燃氣渦輪發動機的轉子軸在運行過程中需承受較大的彎曲載荷和扭轉載荷，使得其在不同直徑的軸段轉接處極易出現應力集中現象。尤其是中小型航空渦軸/渦槳發動機，其轉子軸受結構布局的限制，通常設計為細長臺階軸，此細長臺階軸的軸段轉接處是極易出現應力集中的部位。現在通常在轉子軸軸段的臺階處，采用單個倒圓弧過渡連接兩個不同直徑的軸段來改善此處的應力集中。但在實際的工程設計中，單個倒圓弧受軸向長度和徑向高度的實際尺寸限制，倒圓半徑不可能增大很多，因此對改善應力集中的能力有限。而對于使用工況較復雜的轉子軸而言，應力集中將嚴重影響其疲勞強度、降低使用壽命，進而影響整個發動機的使用性能和使用壽命。
實用新型內容本實用新型目的在于提供一種圓弧倒圓結構，以解決轉子軸的臺階軸段轉接處易出現應力集中影響疲勞強度、降低使用壽命的技術問題。為實現上述目的，根據本實用新型提供了一種圓弧倒圓結構，包括第一軸段、軸徑小于第一軸段的第二軸段，圓弧倒圓結構還包括順次連接第一軸段和第二軸段的多段弧線，相鄰兩段弧線之間均平滑過渡連接，弧線和第二軸段相切過渡連接。進一步地，多段弧線為兩段弧線，兩段弧線為第一弧線和第二弧線。進一步地，第一弧線和第二弧線相交連接于第二交點，第一弧線和第二弧線于第二交點處相切。進一步地，第二弧線和第二軸段相交連接于第三交點，第二弧線和第二軸段于第三交點處相切。本實用新型具有以下有益效果本實用新型的圓弧倒圓結構的第一軸段和第二軸段之間通過平滑過渡的多段弧線連接，可明顯降低第一軸段和第二軸段轉接處的應力集中系數，改善應力集中現象，提高軸的疲勞強度及壽命，且加工簡單，易于實現，不受結構布局的限制。除了上面所描述的目的、特征和優點之外，本實用新型還有其它的目的、特征和優點。下面將參照圖，對本實用新型作進一步詳細的說明。
構成本申請的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中[0012]圖1是本實用新型優選實施例的圓弧倒圓結構示意圖；圖2是本實用新型優選實施例的圖1的a處局部放大示意圖；圖3是本實用新型優選實施例的圓弧倒圓結構中涉及的相關參數曲線示意圖；圖4是本實用新型優選實施例的圓弧倒圓結構中涉及的相關參數曲線示意圖；以及圖5是本實用新型優選實施例的圓弧倒圓結構中涉及的相關參數曲線示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明，但是本實用新型可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。參見圖1，本實用新型提供了一種圓弧倒圓結構，其包括第一軸段1、軸徑小于第一軸段I的第二軸段2、順次連接第一軸段I和第二軸段2的多段弧線，相鄰兩段弧線之間均平滑過渡，弧線和第二軸段2相切過渡連接。本實用新型的優選實施例中，多段弧線為兩段弧線，即第一弧線3和第二弧線4，第一弧線3和第二弧線4順次連接第一軸段I和第二軸段2，既降低了軸肩轉接處的應力，又方便加工。結合參見圖2，第一軸段I和第一弧線3相交連接于第一交點31，第一弧線3和第二弧線4相交連接于第二交點32，第二弧線4和第二軸段2相交連接于第三交點41。優選地，第一弧線3和第二弧線4于第二交點32處相切。優選地，第二弧線4和第二軸段2于第三交點41處相切過渡。其中，第一弧線3的半徑為rl，第二弧線4的半徑為r2，第一交點31和第三交點41的軸向和徑向距離分別為Lx和Ly，rl和r2的取值需受Lx和Ly的約束限制。經第二交點32和第三交點41的垂直于軸線形成的截面分別為截面I和截面II，截面I和截面II的應力集中系數分別為KtI和Ktll。根據模擬仿真和有限元分析可知，本實用新型的圓弧倒圓結構在截面I和截面II兩處為較大的應力集中區，第一弧線3的半徑rl和第二弧線4的半徑r2的大小分別影響截面I和截面II的應力的大小。優選地，在滿足Lx和Ly約束范圍的情況下，優化得到最大的rl和r2使得KtI和KtII相等，此時截面I和截面II處的剪切應力最小。實際工程的具體設計時，對于給定的軸段，已知第一軸段I和第二軸段2的直徑分別為D和d，先假定采用單個倒圓結構的應力集中系數為Kt。再根據軸段選定的安全系數和極限應力等參數，并假設KtI=KtII的前提下，來推導出KtI和KtII的值。通過經驗和分析的變化規律得出變化的相關曲線，參見圖3和圖4，可以得出r2/rl的比值。最后，定義Ly= (D_d)/2，參見圖5的曲線，得出r2的取值，再根據上述r2/rl的比值得出rl的值。按上述方法進行多次的有限元分析驗證的評估，從而得出最優的rl和r2。本實用新型的圓弧倒圓結構的第一軸段I和第二軸段2之間通過平滑過渡的多段弧線連接，可明顯降低第一軸段I和第二軸段2轉接處的應力集中系數，改善應力集中現象，提高軸的疲勞強度及壽命，且加工簡單，易于實現，不受結構布局的限制。以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種圓弧倒圓結構，包括第一軸段(I)、軸徑小于所述第一軸段(I)的第二軸段(2)，其特征在于，所述圓弧倒圓結構還包括順次連接所述第一軸段(I)和所述第二軸段(2)的多段弧線，相鄰兩段所述弧線之間均平滑過渡連接，所述弧線和所述第二軸段(2)相切過渡連接。
2.根據權利要求1所述的圓弧倒圓結構，其特征在于，所述多段弧線為兩段弧線，所述兩段弧線為第一弧線(3)和第二弧線(4)。
3.根據權利要求2所述的圓弧倒圓結構，其特征在于，所述第一弧線(3)和所述第二弧線(4)相交連接于第二交點(32)，所述第一弧線(3)和所述第二弧線(4)于所述第二交點(32)處相切。
4.根據權利要求3所述的圓弧倒圓結構，其特征在于，所述第二弧線(4)和所述第二軸段(2)相交連接于第三交點(41)，所述第二弧線(4)和所述第二軸段(2)于所述第三交點(41)處相切。
專利摘要本實用新型提供了一種圓弧倒圓結構，其包括第一軸段、軸徑小于第一軸段的第二軸段，及順次連接第一軸段和第二軸段的多段弧線，相鄰兩段弧線之間均平滑過渡連接，弧線和第二軸段相切過渡連接。本實用新型的圓弧倒圓結構的第一軸段和第二軸段之間通過平滑過渡的多段弧線連接，可明顯降低第一軸段和第二軸段轉接處的應力集中系數，改善應力集中現象，提高軸的疲勞強度及壽命，且加工簡單，易于實現，不受結構布局的限制。
文檔編號F16C3/02GK202851613SQ20122049856
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者徐魯兵, 陳競煒 申請人:中國航空動力機械研究所