射流盤組件過盈聯接裝配過程仿真分析

摘 要：文章采用有限元軟件ANSYS Workbench對射流盤組件過盈聯接的裝配過程進行仿真研究。通過建立模型、劃分網格、載荷與約束設置及仿真計算，分別計算射流盤組件中間件壓裝過程中，等效應力和裝配力的變化情況；并在零件裝配完成后，根據等效應力和裝配力的極限情況確定過盈量的合理范圍。

關鍵詞：過盈聯接；射流盤組件；等效應力；仿真研究

1 概述

過盈聯接是利用兩個被聯接件本身的過盈配合來實現的。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，載荷就靠著相伴而生的摩擦應力來傳遞[1]。在機械裝配中過盈配合聯接占有重要的地位，應用廣泛。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生了應力。工作時，依靠此應力產生的摩擦力傳遞力矩、軸向力或兩者均有的復雜載荷[2]。當像軸承或者齒輪這樣的部件裝入一個軸的時候，導致了過盈量在界面產生了一個應力。由于零部件的表面存在加工誤差，因此導致組件裝配質量較差[3]。

根據過盈聯接的上述特性和實際生產中存在的問題，很多專家學者對過盈聯接的裝配過程展開了研究。冷縮配合的溫度取決于聯接件配合的實際過盈量，選用的冷縮后的裝配間隙，冷凍件材料的線脹系數[4]。冷縮配合裝配廣泛在工業中應用廣泛，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，電動機回轉軸等。這些裝配高效的抵抗高壓力和比單獨一個零件需要還要少的材料[5]。過盈聯接配合系統的可靠性取決于實際過盈量、最小過盈量和最大過盈量之間的關系，影響因素十分復雜，即使忽略設計中實際存在的模糊信息和各隨機因素均服從簡單正態分布，也很難用常規方法確定其可靠度的解析[6]。

綜上所述，由于過盈配合聯接是通過兩界面產生的摩擦應力來固定的。同時包容件和被包容件之間通過過盈量產生很大的壓力。當摩擦力和壓力的值過大的時候，會產生嚴重的變形和引起零件的破壞，導致不能完成所需的功能。同時，由于過盈量的存在，在裝配過程中，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在于確定過盈量的合理范圍，從而保證組件的壓裝質量。

2 射流盤組件裝配過程仿真

文章所研究的內容是將中間件壓入殼體中，射流盤組件的具體結構如圖1所示。各零件間的配合均為過盈聯接，根據生產實際情況，暫定過盈量范圍是1～4μm。需要分析不同的過盈量對應的裝配過程，即裝配過程中所需要的裝配力，零件和殼體的變形與應力分布。并且分析出當裝配結束后，零件和殼體的變形和應力狀態。

組件中各個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，當材料為45鋼時，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GB5371-2004，當材料為鋼-鋼的時候，在無潤滑的情況下，摩擦系數為0.07～0.16，在有潤滑的情況下，摩擦系數為0.05～0.13。射流盤組件裝配過程不使用潤滑沒，因此選擇摩擦系數為0.11。

上述相關條件和參數確定后，建立射流盤組件的仿真模型，由于該模型不是規則的，因此采用四面體網格。具體網格劃分如圖2所示。

網格劃分后，需進行載荷和約束設置。對射流盤組件而言，其殼體底面應采用固定約束，即殼體的六個自由度全都被限制；而中間件頂面要施加一個軸向位移，目的在于模擬中間件被壓入過殼體孔的過程。

3 結果與結論

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

從上表還可看出過盈量每增加1μm，等效應力增加約110MPa，當過盈量增加至4μm時，組件等效應力為668.56MPa，這就意味著過盈量再繼續增加，等效應力就會超過抗拉強度，導致組件在裝配過程中出現損壞，因此過盈量范圍的上限應為4μm；根據多年來的生產實踐，總結出當過盈量低于800N左右時，中間件和殼體孔之間的聯接力將無法滿足使用要求，因此過盈量的下限是1μm。通過對組件裝配過程的仿真研究，確定了過盈量的合理范圍，為判斷裝配質量是否合格提供了理論依據。

參考文獻

[1]李紅，劉玉山.淺談過盈聯接[J].酒鋼科技，2002（3）：47-50.

[2]張士斌，唐杰.機械裝配中的過盈聯接裝配[J].一重技術，2006（2）：23-24.

[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盈聯接中的應用[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.過盈聯接的模糊可靠性分析與仿真研究[J].機械強度，2007，29（1）：081-085.

作者簡介：由博（1983-），男，漢族，畢業于大連理工大學，工學博士學位，講師，現就職于吉林化工學院。