射流盤組件過(guò)盈聯(lián)接裝配過(guò)程仿真分析

摘 要：文章采用有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)射流盤組件過(guò)盈聯(lián)接的裝配過(guò)程進(jìn)行仿真研究。通過(guò)建立模型、劃分網(wǎng)格、載荷與約束設(shè)置及仿真計(jì)算，分別計(jì)算射流盤組件中間件壓裝過(guò)程中，等效應(yīng)力和裝配力的變化情況；并在零件裝配完成后，根據(jù)等效應(yīng)力和裝配力的極限情況確定過(guò)盈量的合理范圍。

關(guān)鍵詞：過(guò)盈聯(lián)接；射流盤組件；等效應(yīng)力；仿真研究

1 概述

過(guò)盈聯(lián)接是利用兩個(gè)被聯(lián)接件本身的過(guò)盈配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。分為包容件和被包容件，其配合面通常為圓柱面、也有為圓錐面的。工作時(shí)，載荷就靠著相伴而生的摩擦應(yīng)力來(lái)傳遞[1]。在機(jī)械裝配中過(guò)盈配合聯(lián)接占有重要的地位，應(yīng)用廣泛。在裝配完成后，由于材料的彈性變形在包容件和被包容件的配合面間產(chǎn)生了應(yīng)力。工作時(shí)，依靠此應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力傳遞力矩、軸向力或兩者均有的復(fù)雜載荷[2]。當(dāng)像軸承或者齒輪這樣的部件裝入一個(gè)軸的時(shí)候，導(dǎo)致了過(guò)盈量在界面產(chǎn)生了一個(gè)應(yīng)力。由于零部件的表面存在加工誤差，因此導(dǎo)致組件裝配質(zhì)量較差[3]。

根據(jù)過(guò)盈聯(lián)接的上述特性和實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，很多專家學(xué)者對(duì)過(guò)盈聯(lián)接的裝配過(guò)程展開(kāi)了研究。冷縮配合的溫度取決于聯(lián)接件配合的實(shí)際過(guò)盈量，選用的冷縮后的裝配間隙，冷凍件材料的線脹系數(shù)[4]。冷縮配合裝配廣泛在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，像主軸齒輪，操縱桿，軸-套筒，刀架，滾珠，滾柱軸承，傳送帶，渦輪盤，電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)軸等。這些裝配高效的抵抗高壓力和比單獨(dú)一個(gè)零件需要還要少的材料[5]。過(guò)盈聯(lián)接配合系統(tǒng)的可靠性取決于實(shí)際過(guò)盈量、最小過(guò)盈量和最大過(guò)盈量之間的關(guān)系，影響因素十分復(fù)雜，即使忽略設(shè)計(jì)中實(shí)際存在的模糊信息和各隨機(jī)因素均服從簡(jiǎn)單正態(tài)分布，也很難用常規(guī)方法確定其可靠度的解析[6]。

綜上所述，由于過(guò)盈配合聯(lián)接是通過(guò)兩界面產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力來(lái)固定的。同時(shí)包容件和被包容件之間通過(guò)過(guò)盈量產(chǎn)生很大的壓力。當(dāng)摩擦力和壓力的值過(guò)大的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和引起零件的破壞，導(dǎo)致不能完成所需的功能。同時(shí)，由于過(guò)盈量的存在，在裝配過(guò)程中，需要在零件的表面施加一定的裝配力，因此文章的研究目標(biāo)在于確定過(guò)盈量的合理范圍，從而保證組件的壓裝質(zhì)量。

2 射流盤組件裝配過(guò)程仿真

文章所研究的內(nèi)容是將中間件壓入殼體中，射流盤組件的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。各零件間的配合均為過(guò)盈聯(lián)接，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，暫定過(guò)盈量范圍是1～4μm。需要分析不同的過(guò)盈量對(duì)應(yīng)的裝配過(guò)程，即裝配過(guò)程中所需要的裝配力，零件和殼體的變形與應(yīng)力分布。并且分析出當(dāng)裝配結(jié)束后，零件和殼體的變形和應(yīng)力狀態(tài)。

組件中各個(gè)零件的材料為普通的鋼材料，文章選用的是45鋼，中間件和殼體內(nèi)部孔的直徑的基本尺寸均為9.2mm。

在使用ANSYS Workbench有限元分析軟件前，需要確定研究的參數(shù)，當(dāng)材料為45鋼時(shí)，其彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。

由于兩接觸面之間存在摩擦，根據(jù)GB5371-2004，當(dāng)材料為鋼-鋼的時(shí)候，在無(wú)潤(rùn)滑的情況下，摩擦系數(shù)為0.07～0.16，在有潤(rùn)滑的情況下，摩擦系數(shù)為0.05～0.13。射流盤組件裝配過(guò)程不使用潤(rùn)滑沒(méi)，因此選擇摩擦系數(shù)為0.11。

上述相關(guān)條件和參數(shù)確定后，建立射流盤組件的仿真模型，由于該模型不是規(guī)則的，因此采用四面體網(wǎng)格。具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

網(wǎng)格劃分后，需進(jìn)行載荷和約束設(shè)置。對(duì)射流盤組件而言，其殼體底面應(yīng)采用固定約束，即殼體的六個(gè)自由度全都被限制；而中間件頂面要施加一個(gè)軸向位移，目的在于模擬中間件被壓入過(guò)殼體孔的過(guò)程。

3 結(jié)果與結(jié)論

通過(guò)表1可以看出，隨著過(guò)盈量的增加，零件的等效應(yīng)力、摩擦應(yīng)力以及裝配所需的裝配力隨之增加。在整個(gè)壓入過(guò)程中，裝配力的變化呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，分析是由于接觸面積的增加導(dǎo)致了壓入時(shí)阻尼增加，因此需要采用更大的裝配力；隨著過(guò)盈量的增加所需的裝配力也不斷的增加，這是由于過(guò)盈量的增大而直接導(dǎo)致阻尼增加所致。

從上表還可看出過(guò)盈量每增加1μm，等效應(yīng)力增加約110MPa，當(dāng)過(guò)盈量增加至4μm時(shí)，組件等效應(yīng)力為668.56MPa，這就意味著過(guò)盈量再繼續(xù)增加，等效應(yīng)力就會(huì)超過(guò)抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致組件在裝配過(guò)程中出現(xiàn)損壞，因此過(guò)盈量范圍的上限應(yīng)為4μm；根據(jù)多年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出當(dāng)過(guò)盈量低于800N左右時(shí)，中間件和殼體孔之間的聯(lián)接力將無(wú)法滿足使用要求，因此過(guò)盈量的下限是1μm。通過(guò)對(duì)組件裝配過(guò)程的仿真研究，確定了過(guò)盈量的合理范圍，為判斷裝配質(zhì)量是否合格提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[3]R Lewis， M B Marshall， R S Dwyer-Joyce. Measurement of interface pressure in interference fits [J]. Measurement of interface pressure in interference fits，2005，219：127-139.

[4]張連興.熱漲冷縮配合法在過(guò)盈聯(lián)接中的應(yīng)用[J].航天工藝，1987 （4）：18-21.

[5]F Ozturk. Finite-element modelling of two-disc shrink fit assembly and an evaluation of material pairs of discs [J]. Mechanical Engineering Science，2010，225：263-273.

[6]陳連.過(guò)盈聯(lián)接的模糊可靠性分析與仿真研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2007，29（1）：081-085.

作者簡(jiǎn)介：由博（1983-），男，漢族，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，工學(xué)博士學(xué)位，講師，現(xiàn)就職于吉林化工學(xué)院。