连杆的制作方法

专利名称：连杆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环境控制系统。具体地，本发明涉及一种用于飞机环境控制系统 的冲压空气风扇组件。
背景技术：
机载环境控制系统(ECS)向飞机机舱提供经过调节的空气。经过调节的空气是处 于为了保证飞机乘客的舒适性和安全性所需的温度、压力和湿度下的空气。在地面高度或 者在地面高度附近，环境空气温度和/或湿度经常足够高，以至于在将空气输送至飞机机 舱以前必须进行作为调节过程的一部分的空气冷却。在飞行高度，环境空气经常比期望值 冷得多，而且处于低压下以至于作为调节过程的一部分必须将其压缩至可接受的压力。在 飞行高度压缩环境空气会将得到的加压空气充分加热，以至于即使环境空气的温度非常低 也必须要冷却加压空气。因此，在大多数情况下，在将空气输送至飞机机舱以前必须通过 ECS从空气中移除热量。在从空气中移除热量时，热量通过ECS耗散到流入ECS、流过ECS 内的热交换器并且流到飞机以外随之带走多余热量的单独气流中。在飞机移动足够快的情 况下，冲入飞机内的空气压力足以移送足量的空气通过ECS并在热交换器上流过以带走多 余的热量。
尽管冲压空气在正常的飞行条件下工作良好，但是在较低的飞行速度下或者在飞 机位于地面时冲压空气的压力就会过低而无法提供足量的气流流过热交换器以用于从ECS 中充分地移除热量。在此情况下，ECS内的风扇即被用于提供流过ECS热交换器的必要气 流。这种风扇被称为冲压空气风扇。
就像任何机载系统一样，改进冲压空气风扇也很有价值，其中包括设计用于提高 冲压空气风扇工作效率或减少其重量的创新部件。发明内容
一种用于延伸在旋转组件内的风扇护罩和轴帽之间的连杆包括具有螺纹的第一 端；具有螺纹的第二端；以及第一端和第二端之间的狭长部分。连杆具有约I比40. 810到 约I比40. 768的直径长度比。
一种将连杆装入冲压空气风扇的旋转组件内的方法包括连接马达转子、止推轴、 风扇转子、入口护罩、轴承轴和轴帽；安置连杆穿过轴帽且穿过入口护罩；拉伸连杆；在连 杆第一端的螺纹上拧紧螺母；在连杆第二端的螺纹上拧紧螺母；然后释放对连杆的拉伸。


图1是冲压空气风扇组件的截面图。
图2A示出了用于冲压空气风扇的旋转组件的透视图。
图2B示出了图2A的截面图。
图3示出了连杆的透视图。
图4A示出了旋转组件一端的透视图。
图4B示出了图4A的截面图。
图5A示出了用于旋转组件的轴帽外侧的透视图。
图5B示出了图5A中轴帽内侧的透视图。
图5C示出了图5A中轴帽的截面图。
图示出了图5C中截面D的特写视图。
图6示出了一种将连杆装入冲压空气风扇的旋转组件内的方法框图。
具体实施方式
图1示出了包括本发明的冲压空气风扇组件。冲压空气风扇组件10包括风扇壳 体12、轴承壳体14、入口壳体16、外壳体18、内壳体20和风扇旋转组件21。风扇壳体12包 括风扇支柱22、马达24(包括马达转子25和马达定子26)、止推轴28、止推板30和止推轴 承32。轴承壳体14包括轴颈轴承轴34和轴帽36。风扇壳体12和轴承壳体14共同包括 连杆38和轴颈轴承40。入口壳体16除了一部分连杆38以外还包含风扇转子42和入口护 罩44。外壳体18包括接线盒46和增压室48。外壳体18内有扩散器50、马达轴承冷却管 52和线缆输送管54。旋转组件21包括马达转子25、止推轴28、轴承轴34、轴帽36、入口护 罩44和连杆38。风扇入口是在缺少足够的冲压空气压力时由冲压空气风扇组件10移送的 空气来源。旁路入口是在可以获得足够的冲压空气压力时通过冲压空气风扇组件10移送 的空气来源。
如图1所示，入口壳体16和外壳体18在风扇支柱22处被连接至风扇壳体12。轴 承壳体14被连接至风扇壳体12并且内壳体20将马达轴承冷却管52和线缆输送管54连 接至轴承壳体14。马达轴承冷却管52将内壳体20连接至外壳体18处的冷却空气源。线 缆输送管54在接线盒46处将内壳体20连接至外壳体18。马达定子26和止推板30连接 至风扇壳体12。马达转子25被包含在马达定子26内并且将轴颈轴承轴34连接至止推轴 28。轴颈轴承轴34、马达转子25和止推轴28界定出用于冲压风扇组件10的旋转轴线。利 用连杆38将风扇转子42连接至止推轴28，连杆38沿旋转轴线从位于轴颈轴承轴34末端 的轴帽36穿过马达转子25、止推轴28和风扇转子42延伸至入口护罩44。螺母(参见图 2A-2B)在连杆38的一端将轴帽36固定至轴颈轴承轴34并且在连杆38的相对端将入口 护罩44固定至风扇转子42。止推板30和风扇壳体12包含止推轴28的凸缘状部分，其中 止推轴承32位于止推轴28的凸缘状部分和止推板30之间以及止推轴28的凸缘状部分和 风扇壳体12之间。轴颈轴承40位于轴颈轴承轴24和轴承壳体14之间以及止推轴28和 风扇壳体12之间。入口护罩44、风扇转子42和一部分风扇壳体12被包含在入口壳体16 内。扩散器50被连接至外壳体18的内表面。增压室48是将冲压空气风扇组件10连接至 旁路入口的一部分外壳体18。入口壳体16被连接至风扇入口并且外壳体18被连接至风扇 出口。
在工作时，冲压空气风扇组件10被装入机载环境控制系统内并且被连接至风扇 入口、旁路入口和风扇出口。当飞机确实移动得不够快从而无法生成足够的冲压空气压力 以满足ECS的冷却需求时，就通过从接线盒46穿过线缆输送管54、内壳体20和轴承壳体 14延伸的线缆向马达定子26供电。
给马达定子26通电就促使转子25围绕冲压风扇组件10的旋转轴线旋转，从而转 动旋转组件21。马达转子25旋转连接的轴颈轴承轴34和止推轴28。风扇转子42和入口 护罩44也通过它们连接至止推轴28而旋转。连杆38通过连接至旋转组件21的入口护罩 44和轴帽36而确保旋转组件21整体一致地旋转。轴颈轴承40和止推轴承32为旋转部件 提供了低摩擦的支撑。在风扇转子42旋转时，它就移送空气从风扇入口通过入口壳体20， 流过风扇支柱22并流入风扇壳体12和外壳体18之间的空间内，增加外壳体18内的空气 压力。随着空气转移通过外壳体18，空气流过扩散器50和内壳体20，在此空气压力由于扩 散器50的形状和内壳体20的形状而减小。一旦经过内壳体20，空气就在风扇出口处流出 外壳体18。轴承壳体14和风扇壳体12内的部件特别是止推轴承32、轴颈轴承40、马达定 子26和马达转子24会产生很多热量并且必须加以冷却。冷却空气由马达轴承冷却管52 提供，其引导冷却空气流向内壳体20。内壳体20引导冷却空气流向轴承壳体14，在此冷却 空气流过轴承壳体14和风扇壳体12内的部件以冷却这些部件。一旦飞机移动得足够快从 而生成足够的冲压空气压力以满足ECS的冷却需求时，就将冲压空气从旁路入口引入增压 室48内。冲压空气在增压室48处流入外壳体18内并且在风扇出口处流出外壳体18。
图2A示出了用于冲压空气风扇10的旋转组件21的透视图。图2B示出了图2A 的截面图。图2A-2B包括止推轴28、止推轴承32、轴颈轴承轴34、轴帽36、连杆38 (具有第 一端56和第二端58)、风扇转子42、入口护罩44、第一螺母60和第二螺母62。
风扇入口护罩44在第一端56被连接至连杆38。螺母60连接至入口护罩44附近 的连杆38。入口护罩连接至风扇转子42，风扇转子42连接至止推轴28。止推轴28连接 至风扇转子25，风扇转子25连接至轴颈轴承轴34。轴颈轴承轴34牢固地连接至轴帽36， 轴帽36连接至连杆38的第二端58。第二螺母62固定至轴帽36附近的连杆38的第二端 58。
当冲压空气风扇10工作时，止推轴28、轴颈轴承轴34、轴帽36、连杆38、风扇转子 42和入口护罩44全都一起旋转。连杆38用预加载的作用力连接旋转组件21的末端(入 口护罩44和轴帽36)以确保旋转组件21所有部件之间的牢固连接。这些牢固连接用于保 证旋转组件21各部件之间的一致旋转。同时旋转是确保旋转组件21正常工作以及延长旋 转组件21各部件寿命的关键。各个部件在没有一体地旋转时很容易退化和磨损。连杆38 上预加载的作用力可以约为4000磅。
过去的系统通常包括的连杆具有将连杆38连接至马达转子25或轴杆(34，28)的 中心支撑件。本发明中的连杆38被成形为使得不需要附加的支撑件，节约了在旋转组件21 中增加支撑件的重量和成本。另外，不再有对另外支撑件的需求就确保了连杆38不会阻挡 冷却气流通过旋转组件21。
图3示出了标有尺寸的连杆38的视图。连杆38包括具有螺纹57的第一端56、具 有螺纹59的第二端58、狭长的中间部分64、用于连接入口护罩44的部分66以及用于连接 轴帽36的部分68。连杆38是直径为D的圆形并且可以由钛制成。连杆38的尺寸包括 全长L，螺纹长度LT，无螺纹部分的长度Lu以及延伸在用于轴帽36的连接部68和用于入口 护罩44的连接部66之间的狭长部分的长度Le。
在连杆38的第一端56，螺纹57从第一端56延伸的螺纹长度Lt是约O. 97英寸 (24. 638mm)到约1. 03英寸(26. 162mm)。用于连接风扇入口护罩44的部分66可以是轴向约O.5英寸(12. 7mm)并且与第一端56相距约2. O英寸(50. 8mm)到约2. 5英寸(63. 5mm)。连 杆38从第一端56到第二端58的总长L可以是约15. 06英寸(382. 524mm)到约15. 12英寸 (384. 048mm)。连杆的直径D可以是约O. 3695英寸(9. 385mm)到约O. 3705英寸(9. 411mm)。 在连杆38的第二端58，螺纹59从末端58轴向延伸约O. 97英寸(24. 638mm)到约1. 03英 寸(26. 162mm)。用于连接轴帽36的部分68可以是轴向约O. 5英寸(12. 7mm)并且与第二 端58相距约2. O英寸(50. 8mm)到约2. 5英寸(63. 5mm)。两部分66和68之间的狭长部分 的长度Le可以是约10. 06英寸(255. 524mm)到约10. 12英寸(257. 048mm)。连杆38的无 螺纹长度Lu可以是约13. 06英寸(331. 724mm)到约13. 12英寸(333. 248mm)。连杆38的 直径长度比可以是约1:40.810到约1:40. 768。
如上所述，连杆38的尺寸设置为具有特定的长度L、无螺纹长度Lu、连至轴帽36 和入口护罩44的两部分(66，68)之间的长度Le和直径D以使得不需要将另外的支撑件用 于连杆38。特定的尺寸包括长度L与直径D的独特比值在内也要认真选择以避免连杆38 在系统工作范围内具有共振模式。旋转机械例如冲压空气风扇具有特定的工作范围例如 20，000RPM。如果旋转组件21的转动频率与系统工作模式的频率相同，那么连杆38就会共 振和振动。这种振动将在旋转组件21内引起失衡，在旋转组件21的部件和轴承32，40上 施加高负荷。这些高负荷能够导致部件退化并且可能会导致部件故障。
图4A示出了用于冲压空气风扇10的旋转组件21 —端的透视图。图4B示出了图 4A的截面图。图4A-4B包括轴颈轴承轴34、轴帽36 (具有圆形部分70、圆锥形部分72和先 导段74)、连杆38以及螺母62。
轴帽36在先导段74处通过过盈配合(先导段74的外径大于轴杆34的内径)牢 固地连接至轴杆34。轴帽36在圆形部分70处连接至连杆38。螺母62螺接在连杆38上 以将轴帽36牢固地固定在连杆38上。当冲压空气风扇10工作时，连杆38、轴帽36和轴 杆34就一起旋转。这种同时旋转是确保旋转组件21正常工作以及延长旋转组件21各部 件寿命的关键。各个部件在失衡并且不一起旋转时很容易退化和磨损。
将轴帽36与轴杆34单独制作就允许有更便宜和更简单的制造工艺。过去的系统 将轴杆34和轴帽36制作为一个部件。由于几何形状复杂，因此机械加工有孔的轴杆以及 具有圆锥形部分和用于连杆的中心孔的盖帽部分就会非常困难并且成本高昂。单独机械加 工轴帽36和轴杆34并且使用过盈配合将它们固定在一起即可得到制作更简单和更便宜的 部件，同时仍然能够在系统工作状态下具有强连接以一起旋转。
单独机械加工轴帽36 (与如果将轴帽36和轴杆34机械加工为一个部件所能实现 的情况相比)还允许机械加工出角度更大的圆锥形截面。正如参照图1所述的那样，存在流 过旋转组件21以用于冷却马达24和轴承32，40的冷却气流。该冷却气流有时候可能会带 有碎屑。轴帽36角度更大的圆锥形截面能够使碎屑转向以避免进入轴杆34中的狭槽内， 这不然会导致可以影响轴杆34性能和寿命的积聚。
图5A示出了用于旋转组件21的轴帽36外侧的透视图。图5B示出了轴帽36内 侧的透视图。图5C示出了轴帽36的截面图。图示出了图5C中截面的特写视图。
图5A- 包括具有圆形部分70、圆锥形部分72和先导段74的轴帽36。先导段74 包括外唇缘76、底切部分78和内部80 (具有斜边79)。轴帽36可以由单块金属例如不锈 钢机械加工而成。示出的尺寸有轴帽36中心轴线和内部80的边缘之间的径向距离D1 ;轴帽36中心轴线和外唇缘76 (或圆锥形截面72)的边缘之间的径向距离％ ;圆锥形截面的角 度A。；先导段74的外唇缘76和底切部分78之间的角度A1 ;底切部分78的深度Du ;底切部 分78的半径Ru ;外唇缘76和内部80末端之间的轴向距离Dp ;斜边的轴向跨度D2 ;以及斜 边在先导段74内部80处所成的角度A2。
轴帽36中心轴线和内部80的边缘之间的径向距离0工可以是约1. 5655英寸 (39. 764mm)到约1. 5665英寸(39. 789mm)。轴帽36中心轴线和外唇缘76 (或圆锥形截面72) 的边缘之间的径向距离Do可以是约1. 759英寸(44. 679mm)到约1. 761英寸(44. 729mm)。 轴帽36中心轴线和外唇缘76 (或圆锥形截面72)的边缘之间的径向距离Dq可以是约1. 759 英寸(44. 679mm)到约1. 761英寸(44. 729mm)。圆锥形截面的角度A。可以是约48度到约 52度。先导段74的外唇缘76和底切部分78之间的角度A1可以是约43度到约47度。底 切部分78的半径Ru可以是约O. 035英寸(O. 889mm)到约O. 045英寸(1. 143mm)。底切部分 78的深度Du可以是约O. 042英寸(1. 067mm)到约O. 052英寸(1. 321mm)。外唇缘76和内 部80末端之间的轴向距离Dp可以是约O. 265英寸(6. 731mm)到约O. 275英寸(6. 985mm)。 斜边的轴向跨度D2可以是约O. 030英寸(O. 762mm)。斜边在先导段74的内部80处所成的 角度A2可以是约28度到约32度。
先导段74的尺寸是在所有工作状态下提供轴帽36和轴杆34之间过盈连接的关 键。尺寸必须精确，原因是系统的工作状态可以在从约负65华氏度直到约200华氏度的温 度范围内变动。这些极端的温度变化可能会导致轴帽36略微膨胀或收缩，但是必须无法影 响轴杆34和轴帽36之间的连接。底切部分78是围绕先导段74的半圆形凹口，并且用作 轴杆34和轴帽36之间连接内的应力释放。底切78确保过盈配合不会在轴帽36可能于高 工作温度下膨胀时导致先导段74破裂。
图6示出了组装冲压空气风扇10中旋转组件21的方法82的框图。方法82包括 以下步骤用过盈配合将轴帽36连接至轴杆34(步骤83);连接马达转子25、止推轴28、 风扇转子42、入口护罩44、轴承轴34和轴帽36(步骤84)，安置连杆38穿过轴帽36且穿 过入口护罩44 (步骤86);拉伸连杆38 (步骤88);在连杆38第一端56的螺纹上拧紧螺母 60 (步骤90);在连杆38第二端58的螺纹上拧紧螺母62 (步骤92);释放对连杆38的拉伸 (步骤94);第二次拉伸连杆38 (步骤96);拧紧连杆38第一端56和第二端58上的螺母 60，62 (步骤98)，然后释放对连杆38的拉伸(步骤100)。
用过盈配合将轴帽36连接至轴杆34(步骤83)可以通过例如将轴帽36浸没在液 氮中促使轴帽36冷冻和收缩或者利用液压机首先使轴帽缩小来完成。然后将轴帽36安置 在轴杆34 —端以使先导段74的内部80和底切部分78位于轴杆34内。斜边79能够有助 于轴帽36容易进入轴杆34。然后就允许轴帽36膨胀并返回其正常状态以与轴杆34 —起 形成牢固的连接。步骤83由于轴帽36内部80的外径大于轴杆34的内径而在轴帽36和 轴杆34之间形成牢固的连接。因此，轴帽36牢固地连接至轴杆并在冲压空气风扇10工作 时与轴杆34 —起旋转。
连接马达转子25、止推轴28、风扇转子42、入口护罩44、轴承轴34和轴帽36 (步 骤84)可以用各种不同的连接例如过盈配合连接、螺栓或其他方法完成。连接必须牢固以 使所有部件都一起旋转。
然后，在拉伸连杆38 (步骤88)之前先安置连杆38穿过轴帽36且穿过入口护罩44(步骤86)。连杆38可以利用机器在第一端56和第二端58牵拉而拉伸。
在连杆38第一端56的螺纹上拧紧螺母60 (步骤90)和在连杆38第二端58的螺 纹上拧紧螺母62 (步骤92)以及释放对连杆的拉伸(步骤94)就保证了连杆38上的预加 载。连杆38上的预加载将旋转组件21的部件紧固在一起以确保牢固的连接并促进旋转组 件21的一致旋转。
拉伸连杆38 (步骤96);拧紧连杆38第一端和第二端上的螺母60，62 (步骤98)以 及释放对连杆38的拉伸(步骤100)的步骤可以第二次执行以对连杆38施加更多的预加载。
总之，连杆38包括有特定的尺寸以能够扩展旋转组件21的长度而无需附加支撑 件。连杆38包括长度L与直径D的独特比值在内的尺寸也用于在冲压空气风扇的工作范 围内避免连杆的共振模式，确保旋转组件21有效工作以及旋转组件21中各个部件良好的 工作寿命。
尽管已经参照示范性实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员应该理解可以进 行各种修改并且可以用等价形式代替其中的元素而并不背离本发明的保护范围。另外，可 以进行许多改变，以使特定的情况或材料适合于本发明的教导而并不背离其实质的保护范 围。例如可以根据系统要求而修改尺寸。因此，应该理解本发明并不局限于公开的一个或 多个特定实施例，而且本发明应该包括落入所附权利要求保护范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于延伸在旋转组件内的风扇护罩和轴帽之间的连杆，所述连杆包括具有螺纹的第一端；具有螺纹的第二端；以及第一端和第二端之间的狭长部分，其中所述连杆具有约I比40. 810到约I比40. 768 的直径长度比。
2.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述连杆具有约O.3695英寸(9. 385mm) 到约O. 3705英寸(9.411mm)的直径以及约15. 06英寸(382.524mm)到约15. 12英寸 (384. 048mm)的长度。
3.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述连杆延伸在轴帽和风扇护罩之间，并没有附加支撑件。
4.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述连杆具有约13.06英寸(331. 724mm)到约13. 12英寸(333. 248mm)的无螺纹长度。
5.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述连杆在轴帽和入口护罩之间延伸约 10. 06 英寸(255. 524mm)到约 10. 12 英寸(257. 048mm)。
6.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述连杆要被安置在用于冲压空气风扇的旋转组件内。
7.如权利要求6所述的连杆，其特征在于，所述连杆具有特定尺寸以确保它在冲压空气风扇的工作范围内没有共振模式。
8.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述入口护罩在与第一端相距约2英寸 (50. 8mm)处连接至所述连杆。
9.如权利要求1所述的连杆，其特征在于，所述轴帽在与第二端相距约2英寸 (50. 8mm)处连接至所述连杆。
10.一种用于冲压空气风扇的马达驱动旋转组件，所述旋转组件包括由马达旋转的马达转子；连接至马达转子以与马达转子一起旋转的止推轴；连接至止推轴以与止推轴一起旋转的风扇转子；连接至风扇转子的入口护罩；连接至马达转子以与马达转子一起旋转的轴承轴；连接至轴承轴的轴帽；以及延伸在入口护罩和轴帽之间用于确保马达转子、止推轴、风扇转子、轴承轴和轴帽全都一起旋转的连杆，其中所述连杆延伸在入口护罩和轴帽之间，但没有任何支撑件。
11.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述连杆具有约I比40.810到约I 比40. 768的直径长度比。
12.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述连杆具有约13.06英寸 (331. 724mm)到约13. 12英寸(333. 248mm)的无螺纹长度。
13.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述连杆要被安置在用于发动机冲压空气风扇的旋转组件内。
14.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述连杆具有约O.3695英寸 (9. 385mm)到约 O. 3705 英寸(9. 411mm)的直径。
15.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述连杆具有约15.06英寸 (382. 524mm)到约 15. 12 英寸(384. 048mm)的长度。
16.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述入口护罩在与第一端相距约2英寸(50.8mm)处连接至所述连杆。
17.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述轴帽在与第二端相距约2英寸 (50. 8mm)处连接至所述连杆。
18.如权利要求10所述的旋转组件，其特征在于，所述连杆在轴帽和入口护罩之间延伸约 10. 06 英寸(255. 524mm)到约 10. 12 英寸(257. 048mm)。
19.一种将连杆装入冲压空气风扇的旋转组件内的方法，所述旋转组件具有马达转子、 止推轴、风扇转子、入口护罩、轴承轴和轴帽；所述方法包括连接马达转子、止推轴、风扇转子、入口护罩、轴承轴和轴帽；安置连杆穿过轴帽且穿过入口护罩；拉伸连杆；在连杆第一端的螺纹上拧紧螺母；在连杆第二端的螺纹上拧紧螺母；然后释放对连杆的拉伸。
20.如权利要求19所述的方法，并且进一步包括第二次拉伸连杆；以及拧紧所述连杆第一端和第二端上的螺母。
21.如权利要求19所述的方法，其中拉伸所述连杆以赋予其预加载，从而在将释放所述连杆后将所述旋转组件的所有部件都牢固地固定在一起。
全文摘要
本发明涉及连杆。一种用于延伸在旋转组件内的风扇护罩和轴帽之间的连杆包括具有螺纹的第一端；具有螺纹的第二端；以及第一端和第二端之间的狭长部分。连杆具有约1比40.810到约1比40.768的直径长度比。
文档编号F04D29/00GK103062093SQ20121040946
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者D.A.科森, C.M.比尔斯 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司