射流盤組件過盈聯(lián)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(lián)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(lián)接；射流盤組件；等效應力；仿真研究

1 概述

過盈聯(lián)接是利用兩個被聯(lián)接件本身的過盈配合來實現(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，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(lián)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(lián)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(lián)接的裝配過程展開了研究。冷縮配合的溫度取決于聯(lián)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(shù)[4]。冷縮配合裝配廣泛在工業(yè)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(lián)接配合系統(tǒng)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(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，由于過盈配合聯(lián)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(lián)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(tài)。

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(shù)，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(shù)為0.07～0.16，在有潤滑的情況下，摩擦系數(shù)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(shù)為0.11。

上述相關條件和參數(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(xiàn)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(xù)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(xiàn)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(lián)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

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[2]張士斌，唐杰.機械裝配中的過盈聯(lián)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.

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[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(lián)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(yè)于大連理工大學，工學博士學位，講師，現(xiàn)就職于吉林化工學院。