一种轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法与流程

1.本发明涉及机械设计技术领域，尤其涉及一种轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法。


背景技术：

2.过盈配合连接是靠两被连接件间的过盈配合构成的连接，常用于轴与带毂零件的连接。圆柱面过盈配合连接在装配后，轴被压细，孔被胀大，配合表面间产生很大的径向压力，工作时靠相伴而生的摩擦力来传递扭矩和轴向力。过盈配合连接可以是不可拆的，也可以是可拆的，它具有构造简单、轴与毂孔的定心性好、承载能力高和在振动下工作可靠等优点，但对配合尺寸的精度要求较高。
3.采用过盈连接必须精确确定孔轴表面的接触压力，以确定许用传递扭矩，同时由于过盈配合引起的变形会导致装配处轴肩的应力集中和疲劳开裂，需要对采用过盈联接的零件的应力分布有全面的了解。现有技术中的轴孔过盈连接扭矩分析方法通常通过solidworks软件建立轮轴过盈装配三维数字化模型、通过simulation中轮轴相接触面组为冷缩配合的方式进行过盈接触应力分析、通过等差方式选定若干个规定范围内不同轮轴过盈量值进行分析处理、同时利用多次曲线拟合的方式确定该车型轮轴过盈装配过盈量—应力函数模型。
4.在计算时，首先获得配合面过盈产生随位置变化的接触面压力，然后对整个配合面的接触应力进行平均后得到精确的平均接触应力，通过摩擦关系产生摩擦力，进而可计算出可传递力矩。然而，传统的过盈装配接触应力计算往往通过一套计算公式，假定轴与轮毂是轴对称结构，接触面压沿轴向、环向均匀分布。但实际上轴往往存在诸如沟槽、平台等不对称结构特征，轮毂存在减重孔等不对称结构，并且由于边缘应力集中的原因，导致接触面压力沿轴线方向、环向方向分布不均匀，因此传统过盈接触应力算法不符合实际情况，不能得到准确的平均接触应力。
5.现有的方法不能直接获取轴与孔间的传动力矩，并且用于计算传动力矩的平均应力获取方法并不精确，该方法通过一条或多条沿轴线几何线，等距选取若干个点手动提取应力；由于只能获取接触面上的有限部位的接触面的压力，因此不能对整个接触面的接触面压进行平均计算，进而不能得到精确的平均接触应力，同时该方法为手动提取应力，效率较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法，能够准确快速地获取轴孔配合面上的应力，从而准确地计算出轴孔过盈连接所能传递的扭矩的大小。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.该轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法，包括步骤：s1、建立有限元几何模
型：有限元几何模型包括转轴和轮毂本体，转轴插设于轮毂本体的内孔中；s2、划分网格：对有限元几何模型划分计算网格；s3、确定计算参数，计算参数包括转轴材料参数、轮毂本体的材料参数以及转轴和内孔的过盈参数；s4、计算接触面压力：向仿真软件中输入计算网格和计算参数，计算并获得计算网格上转轴和内孔的连接处的每个节点的接触面压力；s5、计算传递扭矩：通过接触面压力计算获得传递扭矩。
9.可选地，步骤s3中，过盈参数为步骤s1中有限元几何模型中转轴外径和内孔的内径的差值。
10.可选地，步骤s3中，过盈参数为仿真软件中输入的转轴和内孔接触面的过盈量。
11.可选地，过盈参数的取值范围为0.18mm至0.218mm。
12.可选地，步骤s3中，转轴材料参数包括转轴材料类别、转轴弹性模量和转轴泊松比。
13.可选地，步骤s3中，轮毂本体材料参数包括轮毂本体材料类别、轮毂本体弹性模量和轮毂本体泊松比。
14.可选地，转轴材料类别和轮毂本体材料类别均为线弹性体材料。
15.可选地，步骤s5中，具体包括步骤：
16.s51、读取接触面压力pa：遍历并读取计算网格上转轴和内孔的连接处的每个节点的接触面压力pa；s52、计算平均接触应力将所有的pa值相加，并除以pa的个数n，得到平均接触应力计算公式为s53、计算传递扭矩t：计算公式为μ为转轴与内孔的摩擦系数，d为转轴的直径，l为转轴和内孔的连接处的轴向长度。
17.可选地，摩擦系数μ的取值范围为0.14至0.3。
18.可选地，轮毂本体为齿轮轮毂、皮带轮轮毂或过渡连接轮轮毂中的任意一种。
19.有益效果：
20.本实施例提供的轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法，首先建立有限元几何模型，然后对有限元几何模型划分计算网格，随后确定包括转轴材料参数、轮毂本体的材料参数以及转轴和内孔的过盈参数的计算参数，接着使用仿真软件计算并获得计算网格上转轴和内孔的连接处的每个节点的接触面压力，最后通过接触面压力计算获得传递扭矩。能够加快计算速度，从而能够准确并快速地直接计算出转轴与轮毂本体连接处的传递扭矩，准确地计算转轴和轮毂本体的内孔过盈连接时所能提供的传递扭矩，方便准确可靠地判断该轴孔过盈连接方式的可靠性，适用于不同的轴孔过盈连接结构，适用范围广。
附图说明
21.图1是本发明具体实施方式提供的轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法的流程图；
22.图2是本发明具体实施方式提供的有限元几何模型的示意图；
23.图3是本发明具体实施方式提供的转轴的示意图；
24.图4是本发明具体实施方式提供的计算传递扭矩的流程图。
25.图中：
26.100、转轴；200、轮毂本体；210、内孔。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
28.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
31.请参考图1至图4，在本实施例中，该轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法，包括步骤：
32.s1、建立有限元几何模型：请参考图2，本实施例中的有限元几何模型为三维模型，当该有限元几何模型为轴对称时，可使用1/2几何模型或1/4几何模型，已减少计算的网格数并提高仿真计算的速度。该有限元几何模型具体包括转轴100和轮毂本体200，转轴100插设于轮毂本体200的内孔210中；具体地，轮毂本体200为齿轮轮毂、皮带轮轮毂或过渡连接轮轮毂中的任意一种，本实施例不作具体限制。在本实施例中，该转轴100为直轴、曲轴、阶梯轴等多种形式轴，本实施例不作具体限制。如图3所示，在计算轴孔过盈连接传递扭矩时，需要先获得转轴100的轴与孔的连接处的轴直径d和连接处配合面的轴向长度l。
33.s2、划分网格：对有限元几何模型划分计算网格；
34.s3、确定计算参数，计算参数包括转轴100材料参数、轮毂本体200的材料参数以及转轴100和内孔210的过盈参数；在本实施例中，过盈参数为步骤s1中有限元几何模型中转轴100外径和内孔210的内径的差值；过盈参数为仿真软件中输入的转轴100和内孔210接触面的过盈量；具体地，过盈参数的取值范围为0.18mm至0.218mm。
35.进一步地，转轴100材料参数包括转轴100材料类别、转轴100弹性模量和转轴100泊松比；轮毂本体200材料参数包括轮毂本体200材料类别、轮毂本体200弹性模量和轮毂本体200泊松比。在本实施例中，转轴100材料类别和轮毂本体200材料类别均为线弹性体材
料。
36.s4、计算接触面压力：向仿真软件中输入计算网格和计算参数，计算并获得计算网格上转轴100和内孔210的连接处的每个节点的接触面压力；
37.s5、计算传递扭矩：通过接触面压力计算获得传递扭矩。请参考图4，本实施例中的计算传递扭矩的具体包括步骤：s51、读取接触面压力pa：遍历并读取计算网格上转轴100和内孔210的连接处的每个节点的接触面压力pa；s52、计算平均接触应力将所有的pa值相加，并除以pa的个数n，得到平均接触应力计算公式为计算传递扭矩t：计算公式为μ为转轴100与内孔210的摩擦系数，d为转轴100的直径，l为转轴100和内孔210的连接处的轴向长度；s54、输出传递扭矩t。
38.在一具体的实施例中，转轴100与轮毂本体200的连接处的轴向长度l＝24.5mm，轴直径d＝55mm，轴与轮毂间的过盈配合范围为0.18mm至0.218mm，本实施例中设置轴与轮毂间的最小过盈量0.18mm，进行计算接触面压力；随后读取连接处网格所有节点的接触面压力pa，计算所有节点接触应力的总和节点总数n＝4644，接触应力总和与节点总数的比值即为精确的平均接触应力摩擦系数μ范围为0.14至0.3，本实施例中选取最小摩擦系数0.14，之后得到精确的最小可传动力矩最后直接输出仿真计算结果。
39.本实施例提供的轴孔过盈连接传递扭矩的有限元分析方法，首先建立有限元几何模型，然后对有限元几何模型划分计算网格，随后确定包括转轴100材料参数、轮毂本体200的材料参数以及转轴100和内孔210的过盈参数的计算参数，接着使用仿真软件计算并获得计算网格上转轴100和内孔210的连接处的每个节点的接触面压力，最后通过接触面压力计算获得传递扭矩。能够加快计算速度，从而能够准确并快速地直接计算出转轴100与轮毂本体200连接处的传递扭矩，准确地计算转轴100和轮毂本体200的内孔210过盈连接时所能提供的传递扭矩，方便准确可靠地判断该轴孔过盈连接方式的可靠性，适用于不同的轴孔过盈连接结构，适用范围广。
40.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。