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传动装置毂/轴过盈装配故障分析

C.E. Truman *, J.D. Booker

英国，布里斯托BS8 1TR，大学街，皇后大厦，布里斯托大学，机械工程系

于2006年3月21日收到；于2006年3月23日接收

于2006年5月15日上传网络

摘要

本文从研究传动装置毂/轴的过盈装配故障提出结果和结论。这工作从一个全面的故障研究形成一个因素并专门设置来确定微动和微滑移是否是故障原因。研究的基本原理是以假设运行条件而开始并且为了准确地考虑运行条件逐步完善模型。这种方法的认可结论是在考虑到传动装置毂/轴连接处滑动倾向的每个模型后得出的。新的分析法和有限元研究两个建模技术被并用。从这两种方法得出的结论是一致的并且有相对好的统一性。得出主要结论是注意到滑动和随后的微动损伤可能仅造成对增加传动装置毂的内部直径负责的另一、主要的、失效机理的结果。

2006年Elsevier公司版权所有。

关键词：过盈安装；微滑移；残余应力；微动破坏

1. 引言

过盈安装是一种半永久装配系统它能通过在它两个构成部分的链接处建立高的径向压力来抵抗相对运动或传递转矩。它提供了一种低成本的链接方法并广泛在工业上用于切割工具支架，有限元道的轮和毂，涡轮盘，电动马达和定位球的转子和滚动轴承。过盈安装也是一个装配机械原理的有效方法，比如一个传动装置和轴的配合来传递扭矩。其基本原理是通过它们径向表面的干涉来包括在传动装置毂内径和在轴外径建立压力。一般来说，通过加热或冷却轴的外部分的扩展被应用，这部分定位并整个组件装配回到为了传递扭矩而保持压力的地方的运行温度[1，2]。

为了实现所需功能，过盈安装必须以链接的方式正确地设计和生产，特别要参考以下方面：

过盈量：为了确定传动装置毂的轴和内径的最佳过盈量以在接口处的一个给定的标称尺寸和径向压力，参考标准[3]和/或设计指南[4]是必须的。

组件尺寸：通过检查组成部件，非常低的尺寸变化或精确的尺寸控制是需要的。

表面处理：为了在轴和毂的孔[5，6]之间提供足够的摩擦粘合，表面粗糙值应该在0.4到1.6 um 弧度之间。

工作应力：当组件在使用时，应力因收缩应力和附加应力而不能超过零件的强度。

应力集中：这是由于从压缩的压缩材料[1,7]突变的轴和毂的创建。

微动：机械零件的接触表面在摩擦和交变应力作用下出现的地方。一种收缩装配组件通过在接触元件表面之间的径向压力的作用下进行扭矩，所以自明显地，当界面压力不足以防止轴和轮毂之间的相对周向滑动时，可能发生微动。根据滑移的幅度，无论是微动磨损和疲劳，可能是导致过早失效的潜在原因。

装配要求：零件表面必须彻底清洗，并在部件加热/冷却后实现快速装配，避免不对准。

本文在考虑的问题上，涉及上述几个相互关联的项目。研究了干扰压力、部件尺寸和外加载荷对传动装置轮毂/轴缩合组件表观微动失效的影响。在本质上，采用机械的方法，在随后的微动损伤的条件下确定上述参数的组合，并将这些预测与故障传动装置毂/轴上的观测结果进行了预测。

1. 故障细节，调查范围和策略

2.1.失败的细节

本文提出的研究是由一个需要确定的过盈安装故障的原因，一个传动装置轮毂/轴组件。在大型工业应用中，传动装置轴/轴过盈安装包含在一个传动装置箱中。经过一个相对短的工作时间，传动装置证明不能发送应用的运行力矩，并必须从维修中删除，造成重大财务损失，由于长期停机时间和故障调查成本。需要确定故障的原因是提高了一个事实，即只有一个更换组件是可用的，它是必要的类似的故障并没有发生在更换。故障和拆卸后的传动装置轮毂/轴组件，轴是无聊的传动装置轮毂。观察到沿接触界面明显微动损伤，从轴的入口散发（驱动端）延伸到深度0.75a，其中一个是接触界面半径。传动装置轮毂内径进行测量，发现增加了一个数量0.00115a比原设计尺寸。在一个失败的组件单独的金相检验，在划痕长度0.000030弧度的角观察轴的表面在非焦虑的结束和0.000500弧度在苦恼的最后形式的周向滑移。

2.2.调查范围

委托一个完整的故障调查，其中包括一个元素的结果，特别是，确定的研究，以确定是否微动一直是主要的故障模式，或已经出现作为另一个的结果，主要的故障模式，造成了传动装置轮毂内部直径增加。要为这个问题提供答案，调查考虑了三种情况。首先，假定的传动装置轮毂和轴的初始的，或额定的，尺寸为那些是目前当组装进入维修，并为最终用户提供的运行条件被认为是正确的。然后将进行分析，这将确定的程度和幅度的任何微滑移沿轮毂/轴接口和比较的预测与后故障观测。第二，假定的传动装置轮毂和轴是初始的，或额定的尺寸，当装配进入维修时，被认为是目前的，但在维修扭矩过载的可能性被承认。然后将进行分析，这将确定所需的转矩过载的大小与所观察到的损害相一致。第三，如果一些其他的故障机制造成的传动装置轮毂的内部直径增加，无论是在维修开始或在维修期间，将假定在维修扭矩足以引起损害与观测相符。一旦这三个方案被认为是，它将有可能得出结论，无论是否微动是装配故障的主要原因。

2.3.策略

在轮毂和轴的过盈安装在一起已在文献中多年所产生的应力公式，可以追溯到Lameacute;的工作，并在标准教科书都是现成的，例如[ 8 ]。然而，这些模型是不容易扩展到包括施加的转矩的影响。传统的方法来确定的过盈安装的故障转矩的基础上确定所需的转矩，导致滑动沿总的接触界面。引起这一总滑移的转矩的值通常被称为组件的保持转矩。收缩装配组件的保持转矩是一个函数的摩擦，轮毂和轴之间的径向压力，其直径和接触面积的长度。然而，这种方法，未能考虑局部周向滑移的可能性，这是不恒定的幅度，沿接口在显着较低的应用扭矩比传统的保持转矩。第一支路的点，通常是在入口的轴成的枢纽，直接相邻的所施加的转矩。这局部滑移是一个关键的驱动参数的微动损伤，因此它是必要的，更现实的模型的应力在收缩所造成的应用扭转载荷的应力的完整性评估，如在本文中考虑的。最近的工作[ 12-9 ]提供了一个框架的解决方案，这种类型的问题，本文提出的结果代表了第一次应用程序的方法，这种解决方案的实际工业故障。

图1传动装置中心/轴收缩装配图的示意图。该井已从调质钢和渗碳钢传动装置轮毂制造。对过盈装配后，接触界面的半径为a=Di / 2，接触界面的长度L = 3.10a和传动装置轮毂外径为Do= 3.84a。存在干扰压力rr（r，z）沿轮毂轴接口。为方便起见，干扰压力定义为 0的rr值（r，z）认为在装配存在的根据Lameacute;理论。这将在以后的章节中详细的详细说明。在随后被归为绝对尺寸的所有的尺寸是具有商业敏感的。同样，压力在某方面会被归结为o。

图1.示出传动装置/轴、整体尺寸和定义坐标系示意图。

假设在运行扭矩的传动装置是。还认为，在运行过程中，轴在温度从30℃到60℃的温度上升到，和传动装置轮毂在温度从30℃至100℃的温度升高。摩擦系数，f，最初被认为是0.15以下的建议包含在多个来源[ 2,7,12,13 ]，虽然这个假设进行了研究。

该解决方案的策略是最初采用假定的运行条件，并逐步完善的模型，以便更准确地考虑到真实的运行条件。这种方法允许得出的结论后，每一个模拟的倾向，滑动沿传动装置轮毂/轴接口，从而获得一个定量知识的可能性微动。因此，对于每一个模型，它是必需的，以确定是否有任何可能的相对圆周滑动之间的轮毂和轴，多远沿接触面将此滑移传播，和滑移幅度本身。这些结果可以与后故障观测。

它强调的是，虽然在整个文章中使用的是标准量，求解过程在下一节中详细的完全是线性的弹性，所以结果是性质完全一般可以适当规模的其他类似问题。下一节总结分析程序和模型的研究。第4节，然后提出了一系列的微观滑移分析的增加的复杂性，使用的额定的几何，材料和负载参数。第5节介绍了从失败的传动装置轮毂和轴提取的试样上的摩擦测量的结果，然后使用这些值在相同的模型作为第4节（假设摩擦系数为0.15）。第6节包含一个“反向”的分析，在测量后的故障数据被用来推断所需的维修所造成的损害所造成的损害。本文的最后一节提出的结论和讨论的结果的一致性。

1. 解决方法

本节介绍的分析和有限元模型，用于确定的可能性，微动沿传动装置轮毂/轴组件。的关键机械变量，以评估可能的微动损伤的程度和范围内的轮毂和轴之间的相对圆周滑动，或微滑。微滑的预测主要采用了一种新的分析方法和验证[10,11]，通过有限元分析提供。其基本原理是测定剪切应力沿传动装置轮毂轴接口，(r = a,z), 并确定它们是否足以使轮毂与轴的周向相对运动，如果是这样的话，到什么程度。所采用的分析方法的优点是，它准确地模拟陡峭的应力梯度，预计在这个问题附近的轴/轮毂入口，而有限元预测传统的斗争模型陡峭的应力梯度，需要非常精细的网格。微滑移的第一点，预计将接近轴/轮毂入口，其中的应力梯度是在其最严重的。然而，分析方法假定的轮毂和轴的弹性半空间，即，接触界面是远大于收缩拟合半径。在这个问题上的接触界面的长度是3.1a，对分析结果的可接受性足够长。通过进行分析和并同时有限元预测，在结果中额外的置信度将获得。

3.1.分析方法

使Lameacute;s著名方程在厚壁圆筒应力使用，由于毂的内表面压力o直径变化与轴外表面分别[ 8 ]，

在式中，是外直径的嵌入式轴，是Young的模型的轴和轮毂，分别，是轴与轮毂的泊松比，是轮毂的外径，是轮毂的内径。径干扰是由两者的轴与轮毂变形，所以情商。（1）和（2）可以重新安排在方面找到o，

一旦被称为接口的压力，在轴和轮毂的径向和周向应力可能被发现。对于轴这些应力是独立的径向位置，r，

而对于桨毂

传统的保持转矩的装配，然后发现

其中，L是接触界面的长度，f摩擦系数是摩擦系数。

所产生的扭矩的应用到非滑动轴半径的嵌在弹性半空间应力状态可以模拟使用的入口处， z = 0,的边界条件的两种假设，该轴，作为对真实情况的边界，如图1所示[ 10 ]。如果轴是非常严格的，周向位移在这个位置将径向位置比例，到轴的半径a。这种情况以所谓Reissner–sagoci形式（RS）问题，而剪应力，，在半径R和Z轴的位置了

另外，如果轴是非常灵活的，剪应力，，在轴在其进入半空间点规定是径向位置的比例，和剪切半径R和Z轴向位置的应力是由不同的表达，

其中，

在上面的表达式中，K（.）和E（.），分别在第一和第二类完全椭圆积分，W和P是无量纲的圆柱坐标系和，是无量纲的扁球面坐标系的定义

由于过盈装配滑动的应力场是基于解决方案的无限弹性空间的应力剪切模量由于圆脱位桡骨和Burgers矢量，在径向位置r和z相对深度计算位错，

其中，

确定的剪切应力和滑移的渗透随着传动装置轮毂轴组件的接口，形成一个完整的方程，体现了事实上的界面剪应力滑移区域内是有限的plusmn;f (r = a,z)f是摩擦系数。这个积分方程必须满足沿着一个区域的未知长度的收缩安装接口，其中滑移发生。这是一个具有柯西核的奇异积分方程，并利用高斯–切比雪夫正交方案详细介绍了数值计算[ 10 ]。

轴和轮毂之间的相对圆周滑动的幅度在任何轴向位置，可能然后被确定使用

其中，是位错密度。表面相对滑动位移是。

3.2.有限元模型

在平行的传动装置毂/轴连接处的微滑移的分析模型，建立有限元模型。这提供了一个独立的分析解决方案的验证，但是，它被假定为有限元模型，一般会提供不准确的结果，在陡峭的应力梯度，如附近的表面入口处的轮毂/轴。

该模型在ABAQUS CAE创造和ABAQUS 6.4执行。假设的线性弹性材料模型，使用由制造商提供的材料特性。材料性质是典型的一般类的材料在第2节中描述的。该模型包含3775个元素和4042个节点，87个元素，目前沿传动装置/轴接口。网格细化界面的入口端，从而导致0.01A的元件尺寸，单元类型为一四节点cgax4t，广义轴对称，热耦合，四边形双线性位移和温度元件可包括捻。这一选择的元件允许最通用的，扭转分析的传动装置轮毂和轴进行。使用接触表面性能的摩擦模型。硬接触是正常的接触，r的方向假设，但微滑动在切线方向是被允许的。摩擦系数设置在输入文件中。

1. 采用额定的传动装置轴/轴尺寸和假定载荷参数的微滑移评价

4.1.模拟1：市场分析

图2显示了在静止条件下，传动装置轴/毂的计算的接触压力，即为立即装配后，但在轴旋转和忽略任何热梯度可能存在。这一提法被称为“基线”的情况。三行显示。线标记的分析压力，恒定的代表使用式确定干扰压力的恒定值（3），假设一个恒定的外轮毂直径3.84a。这种干扰的压力值，，与其他应力归一化。线标记分析压力，分段再利用式（3）可采用3.84a外毂直径在中心的两端，3.00a，如图1所示。线标记的“有限元分析”显示的结果从有限元分析，详细的3.2节。

球面的（或传统）保持转矩，为过盈装配和相应的安全系数可能会经常从图2确定采用式（6）在分段的依据。假设f= 0.15的值是与相应的安全系数为20.69，为一个常数，分析确定的值 ,与相应的安全系数为19.7的分段常数分析(r = a,z),和与相应的安全系数20.13确定的有限元(r = a,z).

图2.和有限元干涉压力，静止状态。

因此，有一个高度安全的情况下，和任何微滑移本不会造成滑动沿完整的轴/毂接口。

剪应力的预测，(r = a,z), 沿传动装置轴/毂接口如图3所示。线标记的“极限分析”和“极限有限元”是最大的剪切应力的值，可以支撑沿界面滑移开始之前。这些线是图 (r = a,z) = f (r = a,z),从图2中所取的接口压力。线标记的“牵引bc”和“卢比前bc”的计算值(r = a,z)

图3.预测的剪切应力，

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