衬套与接头过盈配合仿真分析

赵天宇

摘 要：文章主要针对工程实践中衬套、接头叉耳过盈配合的设计方案，提供一种仿真分析方法，用以分析过盈配合情况下衬套的应力分布，以及衬套内径装配后的尺寸变化情况，探究应力大小与过盈量大小的关系。

关键词：衬套;接头;过盈配合

中图分类号：V214.1;O343.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）02-001-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.001

文章主要关注孔轴配合中的过盈配合装配，其是指依靠轴相对于孔在直径上的过盈值实现零件表面间产生弹性压力，从而获得紧固连接的装配。该配合方式在结构设计上简易可靠性较好，相比于过渡配合、间隙配合同轴性更好，也能承受更大的轴向力、扭矩以及动载荷，但也需要更高要求的加工精度以及装配面的粗糙度。

1 衬套和接头过盈配合仿真

文章主要针对工程实践中衬套、接头过盈配合的设计方案，提供一种仿真分析方法，用以分析过盈配合情况下衬套的应力以及衬套内径装配后的尺寸变化，讨论过盈量对装配的影响，指导工程设计中装配参数的选择。主承力件承力面装配的衬套，在具体的工程设计中一般被要求“衬套外径尺寸及公差需确保与配合孔有一定的过盈量”。为了提升衬套刚度并为衬套提供机械限位，一般选择凸肩衬套与接头叉耳配合，凸肩对衬套外径有垂直度要求，且凸肩端面有较高的尺寸及行为公差要求。装配后，在无特殊情况下，保证内部螺栓连接过渡配合[1]。

仿真简化模拟接头一处叉耳、叉耳耳片上开孔装配凸肩衬套。在建模过程中省略接头台阶以及粗、精加工界限，省略砂轮越程槽的倒角，建模如图1所示。

在装配时需冷却衬套使其收縮，收缩后便能与接头叉耳孔配合。温度恢复正常后，衬套的膨胀会迫使接头叉耳孔也随之膨胀，从而导致二者相互挤压，表面间产生接触压力并影响连接强度与零件应力分布、产生应变。衬套和接头材料均选用45#钢材料，主要参数杨氏模量E=210 GPa，泊松比为0.29，密度为7 800 kg/m3。暂假设静摩擦系数为0.2，具体受工况润滑脂选用影响[2]。

设定自变量为接触面的过盈量d=0.04[mm]*n，具体n的取值为{0.1，0.25，0.75，1}，仿真应力分布云图如图2所示。

总结图2仿真应力分布云图结果，得到衬套最大应力随衬套半径过盈量变化曲线，如图3所示。

具体研究n=1，即过盈量为d=0.04[mm]时的仿真结果，选取计算后的Z方向的网格位移，并截取法相平面[3]，获得位移分布云图如图4、图5所示。过盈装配表面接触压力分布如图6所示。

2 结语

由图2、图3可知，衬套应力最值与计算选用的过盈量成正比。且应力最值出现在接头叉耳端部靠近衬套轴肩一侧。由图4、图5可知，在配合顶部及水平方向，衬套的变形量最值约为0.03mm且变形集中于孔内区域;在配合底部，衬套的变形量最值约为0.04mm，接头的变形量约为0.01mm分布较均匀，二者共同分担0.04mm径向过盈量。竖直方向的衬套形变量要大于水平方向，故衬套内径呈类椭圆状。由图6可知，过盈装配表面接触压力越靠近两侧越大，且轴肩一端压力更大，最值出现于接头外径曲率变化处。由于接触压力来自于接头衬套的弹性形变，衬套形变量周向不一致引起了接触压力分布不均[4]。

参考文献

[1] 冯春宇，刘远日，梁栋，等.厚壁圆筒过盈结合力的影响因素研究[J].流体机械，2019（8）：42-44.

[2] 许军富.不同过盈量对零件装配影响的有限元分析[J].制造业自动化，2017（1）：56-58.

[3] 周娟利.基于有限元法的过盈配合应力分析[J].机械设计与制造工程，2016（8）：34-36.

[4] 李伟建，潘存云.圆柱面过盈连接的应力分析[J].机械科学与技术，2008（3）：8-10.