黄鹏 卢绪波 王琰华
中车青岛四方车辆研究所有限公司
摘 要：针对轴套过盈装配问题，采用压力装配方法进行装配并对过程进行力学分析，建立了零件压装力和压入位移之间的函数关系，并利用Abaqus软件，对装配过程压装力进行了仿真分析，得出了过盈量、摩擦系数以及压装速度对压装力的影响。结果表明，压装力与过盈量和摩擦系数均呈正比的线性关系，而与压装速度无关，理论计算的结果与仿真分析的结果基本吻合。压装力的分析对指导数字伺服压力机压装工艺具有一定的参考意义。通过对零件压装曲线的仿真计算，可与数字伺服压力机反馈的压装曲线进行比对预测，便于及时发现压装过程中出现的问题。
关键词：轴套；压装力；有限元分析
1 前言
过盈配合作为机械工业中常见的零部件组装方式，多应用于轴套类等紧密装配件中[1]。轴套具有低摩擦、高耐磨性、稳定可靠的特性，在轨道交通车辆钩缓装置中具有广泛的应用。轴套采用过盈连接方式，通过过盈配合产生的摩擦力来平衡工作时承受的径向载荷和轴向载荷，其压装质量对车辆的行驶安全性和质量可靠性等都有重要的影响[2]。
轴套的装配质量直接关系着其使用性能的优劣，但是从研究现状来看[3]，对于影响轴套压装质量的相关因素研究较少，因此开展轴套装配质量及其影响因素的研究是十分必要的[4]。大连理工大学的符杰[5]通过仿真分析和装配实验确定了不同过盈装配方法中计算配合表面摩擦系数的方法。国防科技大学的李伟建[6]等对过盈连接由弹性变形过渡到塑性变形的条件进行了研究，推导了在弹性与塑性情况下连接体内的应力计算公式，并通过对毂内应力的分析，发现随着过盈量的增加毂内塑性区变大。中南大学的尹珊波、胡军科[7]等研究了压力位移曲线在火车轮对中滚动轴承压装过程中的应用。许军富[8]应用有限元软件Abaqus对不同过盈量的装配进行有限元计算分析，研究了配合面之间的应力、接触压力分布规律以及不同过盈量对装配的影响。陶德峰[9]以风电锁紧盘为研究对象，探讨了多层圆筒过盈配合中过盈量与各配合面接触压力之间的关系。殷丹华[10]利用弹性力学理论，推导了圆柱过盈联接传递的扭矩与结合压力、摩擦系数等参数之间的关系。张松等[11]针对高速旋转主轴与电机转子间过盈配合问题，对高速主轴过盈联结的动态特性进行了研究，分析了离心力、过盈量对过盈配合面间的接触压力、位移和应力的影响。
在实际装配中，压力机会对压装力曲线进行反馈，为了能够对压装曲线进行比对评估，及时发现压装过程中出现的问题，本文通过Abaqus软件分析了不同过盈量、不同摩擦因数以及不同压装速度下轴套与安装座之间的压装力，结合实际装配前测量结果进行分析，为装配人员提供最准确的修配指导数据，提高装配效率和装配质量。
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2 轴套过盈装配压装力分析
过盈装配实现的过程，即是提供的压装力大于零件配合面间的摩擦力，迫使被包容件压入包容件中实现装配[1]。橡胶轴承与拉环装配多采用过盈连接，装配比较困难，工程上多使用压力机对轴承进行压装，压装力对压装质量具有重要的影响。如果压装力不足，会导致零件压装不到位，需退卸后重新压装，影响生产效率[2]。反之，如果压装力过大会造成拉环局部产生塑性变形，影响压装质量[3]。而压装力的大小受多种因素影响，使得压装力难以准确确定，所以对于压装力的研究具有十分重要的意义。
在实际工程中，如果我们把如图所示的组合筒进行分解，对于外筒来说，只受到作用于内表面的内压力即组合筒的结合压力，对于内筒只受到作用于外表面的压力。
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根据相关参考文献对零件过盈压装的压装力计算公式进行推导，具体推导过程如下[4]：
由弹性力学理论可以列出被包容件外半径处的径向位移为
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因此，压装力的理论计算公式为:
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由上述公式推导可知，当包容件与被包容件确定的情况下，压装力随着过盈量和摩擦系数的增大而增大，且不受压装速度的影响。
3 过盈装配影响因素分析
3.1 轴套与安装座建模
轴套的材料为非金属材料，安装座为金属材料。根据轴套及安装座属性查表得到其弹性模量、泊松比等信息。轴套与安装座上有许多复杂的细节，对轴套和安装座进行简化。简化后如图2所示。
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使用Abaqus软件建立零件的三维模型并进行有限元分析，在分析开始将轴套预先安装一段距离，再开始安装分析。先进行一组仿真，其中摩擦系数f=0.2，过盈量为0.075mm，导出压装力-位移曲线图3。
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由图3可得，在一开始，在压装的起始位置，虽然压入位移很小但压装力变化很大，这是由于初始接触有一个冲击的暂态过程，后期逐渐趋于线性函数，与理论趋势相同。图4表示压装过程中应力变化及分布图，在压装过程中与安装座接触的部分，接触应力几乎相同。
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3.2 不同过盈量分析
在摩擦系数f=0.2的情况下，分别选取过盈量为0.035、0.055、0.075、0.095、0.115进行了分析，结果如图5所示。
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由图5可以看出，随着过盈量的不断增大压装力也逐渐线性增大。将过盈量与最终压装力的数据进行整理，得到压装力-过盈量曲线，并与理论计算曲线对比，如图6所示。可以看出压装力与过盈量呈正比例函数关系，符合理论推导。
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3.3 不同摩擦系数分析
在其他条件相同的情况下，选取过盈量为0.075，摩擦系数f选取0.16、0.18、0.20、0.22、0.24进行了分析，结果如图7所示。
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由图7可得，随着摩擦系数的不断增大压装力也随着线性增大。将摩擦系数与压装力的数据进行整理，得到压装力-摩擦系数曲线，并与理论计算曲线对比，如图8所示。可以看出压装力与摩擦系数呈正比例函数关系。
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3.4 不同压装速度分析
为了研究压装速度对压装力-位移曲线的影响，取零件的结构尺寸不变、两者滑动摩擦系数为0.20及过盈量0.075mm的情况下，对轴套和安装座分别以 0.5s、1s、1.5s、2s四组不同的压装速度进行压装仿真分析，得到压装力-位移曲线，如图9所示。
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通过图9可以看出，在一定速度范围内，压装速度虽然不同，但压装力-位移曲线走势一致，即一定速度范围内，压装力-位移曲线几乎不随压装速度变化而变化。
4结论
针对轴套在压装过程中压装力的大小受多种因素影响的问题，本文首先介绍了压装力的计算理论，然后运用有限元软件分析了不同过盈量、摩擦因数和压装速度对压装力的影响。研究表明：随着过盈量的增大压装力也将增大；摩擦因数的增大对压装力影响也为正比例的线性关系；压装速度则对于压装力没有明显的影响。通过本项目的研究，我们得到了轴套的压装力曲线，依据仿真曲线，可以对数字伺服压力机在压装过程中反馈的压力曲线进行对比，实现实时对压装过程的监测。
参考文献
[1]张强，廖盼, 郑华山．过盈配合公差优化的有限元分析[J]．航天制造技术, 2012(5): 60-63．
[2]王庆辛, 刘振, 李晓龙,等. 前轮毂轴承压装力分析与计算[J]. 中小企业管理与科技, 2016(4):247.
[3]胡宏伟. 轴承压装力-位移曲线作轴承压装合格判定的可行性分析[J]. 机车车辆工艺, 2010,(5):7-10.
[4]姜荣飞. 基于有限元仿真的轴承压装与收口工艺研究[D]. 南京: 南京航空航天大学2015.
[5]符杰. 过盈配合的摩擦系数研究[D]. 大连理工大学, 2007.
[6]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):39-43.
[7]尹珊波, 胡军科. 铁路货车轴承压装机液压同步控制措施[J]. 铁道车辆, 2005(9):36-38.
[8]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,2017,39(1):67-68,79.
[9]陶德峰. 多层圆筒过盈连接设计方法及试验研究[D]. 太原: 太原科技大学, 2013.
[10]殷丹华. 收缩盘联接的应力分析方法研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2011.
[11]张松,艾兴.高速主轴过盈联结特性研究[J].制造技术与机床,2003(10):87-90,103.
[12]刘思聪. 过盈联接零件装配的力-位移在线监控系统的研究[D]. 重庆: 重庆理工大学, 2015.
[13]岑军健. 非标准设备设计手册[M].