En el diseño mecánico, los cambios de temperatura son un factor indispensable.que pueden alterar las tolerancias de precisión originales e incluso afectar al funcionamiento normal de la máquinaSi los factores de temperatura no se tienen en cuenta adecuadamente durante el diseño, pueden producirse problemas tales como ensamblaje suelto, ajuste de interferencia excesivo, atascos o fallas mecánicas.Este artículo explorará cómo los cambios de temperatura afectan a las tolerancias y proporciona estrategias de diseño razonables.

1¿Cómo afecta el cambio de temperatura al tamaño de la pieza?

El factor principal que afecta al cambio de tamaño es el coeficiente de expansión lineal (coeficiente de expansión térmica, α),que se calcula como sigue::

Entre ellas:

ΔL: Cambio de longitud

L0: longitud original

α: coeficiente de expansión lineal del material (unidad: 1/°C1/°C1/°C)

ΔT: cambio de temperatura (unidad: °C)

Influencia de la tolerancia de ajuste en el cambio de temperatura

1El ajuste de interferencia puede convertirse en un ajuste de separación.

Si el eje se expande más que el agujero, el ajuste de interferencia original puede convertirse en un ajuste de espacio suelto.causando que las piezas se resbalen o incluso fallenPor ejemplo, en el caso de una funda de rodamiento de aluminio montada en una carcasa de acero, dado que el aluminio tiene un coeficiente de expansión térmica mucho mayor que el acero,el ajuste puede aflojarse a medida que aumenta la temperatura.

2El ajuste de separación puede convertirse en un ajuste de interferencia.

Por el contrario, en un ambiente de baja temperatura, tanto el eje como el agujero se contraerán.el ajuste de distancia original puede convertirse en un ajuste de interferenciaPor ejemplo, en la instalación de rodamientos de motores de aeronaves en ambientes fríos, el orificio de la carcasa del rodamiento puede contraerse, impidiendo una instalación adecuada.

3La expansión bajo un ambiente de alta temperatura conduce a un atasco.

En algunas aplicaciones de alta temperatura (como equipos de tratamiento térmico, motores), si las dos partes se expanden de manera diferente, puede dar lugar a un movimiento relativo limitado entre las partes.el ajuste de un pistón y un cilindro, si no está diseñado correctamente, el pistón puede interferir con el desgaste del cilindro después del aumento de la temperatura.

4La tensión térmica causada por la diferencia de temperatura afecta la resistencia de la estructura.

Si la distribución de temperatura de una pieza es desigual, puede producirse un estrés térmico (Thermal Stress), causando deformación o incluso grietas de la pieza.en la conexión de brida de una caja de cambios de tren de alta velocidad, si la diferencia de temperatura es demasiado grande, los tornillos y las bridas pueden experimentar una concentración de esfuerzo debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica, lo que conduce a la falla de fatiga.

3¿Cómo considerar los factores de temperatura en el diseño?

✅1. Elija los materiales adecuados

En un entorno con grandes cambios de temperatura, los materiales con coeficientes de expansión similares deben seleccionarse en la medida de lo posible para reducir la variación de coordinación.

Por ejemplo, la proporción de acero y aluminio es más estable que la del acero y el aluminio.

En entornos de temperaturas extremas (como la aviación y el espacio), se pueden utilizar aleaciones de baja expansión (como la aleación INVAR, que tiene un coeficiente de expansión muy bajo).

✅2. Utilice el diseño de compensación de temperatura

En las partes importantes, se puede establecer una brecha de expansión o una estructura de compensación.

Por ejemplo, el husillo de la máquina herramienta generalmente utiliza rodamientos flotantes o anillos de compensación térmica para evitar la deformación a altas temperaturas que afecta la precisión de mecanizado.

✅3. Calcular y corregir la tolerancia de ajuste

De acuerdo con el rango de temperatura de trabajo, calcular la expansión de las piezas y ajustar la tolerancia adecuada.

Por ejemplo, para el ajuste de interferencia de trabajo a alta temperatura, se puede seleccionar una interferencia ligeramente mayor a temperatura ambiente para compensar el efecto de la expansión a alta temperatura.

✅4. Utilice un proceso de ensamblaje especial

ensamblaje en frío: para piezas con ajuste de interferencia, el eje puede enfriarse primero (como el enfriamiento de nitrógeno líquido) y luego instalarse en el orificio,y el endurecimiento se logra mediante la expansión de la recuperación de temperatura.

Montaje en caliente: Para las piezas que necesitan ser ensambladas apretadamente, el agujero se puede calentar primero para hacer que se expanda, y luego se instala el eje.

Análisis del caso: diseño de la compensación de temperatura de la unión del carril

✅ Antecedentes: Los carriles de los ferrocarriles de alta velocidad se extienden en verano y se contraen en invierno.

✅ Rx:

Utilizando líneas sin costuras de ferrocarril soldado continuo (CWR), la tensión de temperatura se distribuye uniformemente a través del dispositivo de fijación de la vía para reducir la deformación.

Las juntas de expansión se colocan en la unión del carril para permitir que la vía se expanda y contraiga libremente con los cambios de temperatura.

Seleccionar los materiales de las vías adecuados para garantizar la estabilidad estructural en entornos de diferencia de temperatura.

✅ Los cambios de temperatura pueden afectar a los ajustes de tolerancia, lo que conduce a la flexibilidad, el atasco o la falla mecánica; los factores de temperatura deben considerarse en el diseño.✅ Diferentes materiales tienen diferentes coeficientes de expansión térmicaSe debe seleccionar una combinación de materiales adecuada para evitar desajustes dimensionales debidos a cambios de temperatura.Reservar las lagunas de expansiónEn la práctica de la ingeniería, la reducción de los efectos de las temperaturas se realiza mediante el uso de técnicas especiales de ensamblaje.el uso racional de las propiedades de expansión térmica puede optimizar los procesos de ensamblaje y mejorar la fiabilidad mecánica.