如何使用SW有限元求解过盈配合时的装配应力

机械设计中轴孔配合关系介绍

在机械设计中孔和轴的配合有间隙配合、过渡配合、过盈配合。

间隙配合允许轴和孔有相对转动，比如凸轮轴、曲轴和轴承的配合、增压器中心轴和粉末冶金轴承套的配合等等。

过渡配合用于配合比较紧密，需要消除震动的地方，比如滚动轴承内径和轴之间的配合、发动机的活塞销与活塞之间的配合，其中活塞销和活塞之间的配合比较有意思，在常温下活塞销和活塞有轻微过盈，当活塞处于工作状态下，活塞的温度上升，活塞销孔的直径就会变大，活塞销和活塞之间就会存在一定的间隙，活塞销可以转动，有利于活塞销的均匀磨损。

过盈配合根据过盈量的大小用在定位销、轴与齿轮的连接部位、飞轮齿圈与飞轮的连接等等，在传动机构中过盈量越大传递的扭矩越大，但是安装越困难。根据过盈量大小及安装方式，有压装法、热装法、冷装法。热装法用于齿轮或轮毂与轴的安装；冷装法用于气缸盖上气门座圈底孔和气门座圈的安装，通常使用液氮进行冷却，对于一些过盈量较大的滑动轴承衬套也可采用冷装法安装。

本例中选择的过盈配合

下面是机械设计手册中轴孔过盈配合的优选公差，从下面的表格中可以看出过盈量越大，材料的许用应力越大，对材料本身的强度要求越高。这里我们选择中等过盈H7/u6这种配合做为例子。

下图是机械设计手册中关于过盈连接配合面的摩擦系数，我们选用温差法中的0.14做为有限元计算中接触面之间的摩擦系数，在温差法中的加热温度为300摄氏度。

过盈配合分析建模

建立上面这个多实体模型，选用直径60长度80的轴，根据所选公差轴的外径设置为60.1mm，在轴的外侧有一个内径60.01mm的轮毂，轮毂的厚度为10mm，长度30mm。

有限元分析计算

过盈安装

• 打开solidworks simulation，新建一个静力学算例，将所有零件的材料设置为合金钢。
• 在连接中选择本地交互，交互类型选择手动选择本地交互，使用手动的方式设置接触面组，接触面组的类型选择冷缩配合（使用冷缩配合时轴的外径尺寸需要大于孔的内径尺寸，模型具备一定的干涉量冷缩配合才能起作用）。最后，我们将接触面组之间的摩擦系数设置为前面查找的0.14，设置好摩擦系数后，轮毂和轴之间就会产生一个摩擦力，我们就不需要担心没有摩擦力而导致模型在计算的过程中产生刚体位移出现求解失败的情况。
• 接触面组设置好后，我们使用夹具，将轴的一端固定。

• 采用3mm的标准网格对所有零件划分单元格。

• 前面的边界条件设置好后，可以直接运行求解。
• 注意：采用冷缩配合后轴和轮毂之间被强制变形，我们不需要增加额外的外部载荷，可以直接求解计算。

• 求解完成后，安装后的最大应力位于轮毂内侧最大应力为329Mpa。由于轴的刚度比外侧轮毂的刚度大，轴的变形小，因此轴上的应力值较小。

• 最后，再来看一下变形的情况。轴的单边变形约为0.01，轮毂的单边变形约为0.04。

轮毂加热过程

• 为了便于轮毂的安装，需要对轮毂进行加热，通过有限元计算，我们来观察一下轮毂加热后内径尺寸是如何变化的。
• 新建一个静应力分析，将轴排除在分析之外，只对轮毂添加温度载荷，选取实体添加300摄氏度的温度载荷。注意：这里如果选择所有的敞开面会造成计算结果不准确。

• 对加热后的轮毂进行求加，观察热胀冷缩后，轮毂内径的变化，在轮毂加热到300度后轮毂的内径位移变化为0.1mm，轮毂的内孔尺寸变大，可以很容易的安装到轴上。

• 加热后轮毂的热应力，由于轮毂是整体均匀加热，不存在温度不均匀的情况，因此轮毂加热后不存在热应力。

猫亮设计

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