过盈配合计算流程及仿真计算-压装过程(GB/T5371)

过盈压装概念及计算  

       过盈压装是一种利用零件间的过盈配合来实现连接的装配方法。其基本原理就是通过机械力或热力使零件产生变形，从而实现紧密连接。优点是具有结构简单、定心精度高、承载能力大；缺点是对配合面的加工精度要求高，拆装不方便。而压装设计中需要确定合适的公差范围，图1为基孔制和基轴制过盈配合的示意图。

图1.基孔制、基轴制过盈配合

那么这个公差范围如何确定呢？下面将阐述整个的设计及仿真的过程，设计过程参考GB/T5371-2004，具体设计的结构和尺寸如图2：上面的件为端盖(被包容件)，端盖与圆盘(包容件)为过盈配合，其中df为结合直径，lf为结合长度，da为包容件外径

图2.设计的结构件尺寸

1.1最小接触压力确定      

     过盈连接的目的是为了将两物体连接在一起，保证在外载作用下两者不分离，因此结合面间过盈压力产生的摩擦力要能够抵抗外载。假设图2结构在工作过程中所受的轴向力FA=5000N，结合面间的最小接触压力与轴向力的关系如下(下式中μ为摩擦系数)：

  .......（1）

1.2有效过盈量的确定   

     在接触压力作用下，包容件和被包容件的直径会发生变化，变化量见下式：

.......(2)

     为包容件的直径变化量，为被包容件的直径变化量(其中q为直径比，对于包容件q为结合直径/外径；对于被包容件q为内径/结合直径)，因此，两件的有效过盈量为：

.......(3)

      前面已经说明了最小接触压力与外载、结合面直径、结合面长度、摩擦系数的关系，通过最小接触压力就可以确定最小的有效过盈量；而在过盈连接中若要求在过盈连接过程中不产生塑性变形，此时就可以确定在要求下的最大接触压力，从而确定最大有效过盈量。因此对于塑性材料：

......(4)

      图2中的材料为6061-T6(铝合金)，泊松比为0.3，屈服强度为240MPa，结合图2的结构尺寸，qa=0.5，qi=0。然后经过式(1)~(4)可以计算出该结构设计的有效过盈量范围：

     然后根据上面的最大值和最小值，一般基本过盈量可以初定为：

    经过计算初定过盈量为0.09mm，因此端盖在半径上大于圆盘内径0.045mm。

仿真分析  

      因为分析结构为轴对称，所以采用轴对称分析，将结构沿轴截取一半，并在边角处加倒角，便于接触收敛。网格类型为CAX4H、CAX3H。材料的弹性模量为70000MPa，泊松比为0.3。

图3.轴对称网格划分

2.1接触关系及耦合关系建立

      首先在端盖上面建立参考点及耦合关系，连接参考点及端盖上表面，具体如下：

图4.耦合关系建立

       然后在结合面处建立接触面集，便于后续接触关系的建立：

图5.接触面集建立

      最后建立接触属性并建立接触对：

图6.接触对建立

2.2建立边界条件

       首先在圆盘底面建立轴对称固定约束，然后在参考点建立位移约束(按实际压装应该加Y向力载荷，但加力载荷一般不容易收敛，因此采用位移约束)：

图7.边界条件建立

2.3仿真结果

      完成以上操作后，提交仿真作业，应力结果如下，在该过盈量下，结合面应力在110~120MPa，没有超过材料的屈服强度(下图中的大应力为耦合约束处的应力集中，与实际相比偏大)。

图8.应力结果

       将轴对称结果进行扫掠，结果动图如下：

      最后可以对仿真结果进行校核，根据GB/T5371-2004，在结合面压强作用下包容件外径的变化量为：

     经过计算，圆盘外径的变化量0.052~0.057mm，然后在半径方向上的扩大量约为0.026~0.028mm。然后仿真中外径的扩大量为0.025mm。

      仿真与理论计算结果基本一致。