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工程上經(jīng)常使用過盈、過渡及間隙三種裝配方式。過盈裝配后，軸孔之間存在較大正壓力，零部件相對運動的摩擦阻力較大，可以不借助鍵的輔助就傳遞較大載荷，且傳遞載荷比較平穩(wěn)，在工業(yè)上運用廣泛。比如軸承內(nèi)圈與安裝軸之間、軸承外圈與安裝孔之間，經(jīng)常使用過盈裝配。過盈裝配主要通過機械壓裝、熱裝、冷裝等方式實現(xiàn)。機械壓裝工藝簡單，對設(shè)備要求低，但裝配困難，較大的裝配壓力存在損壞零部件的風(fēng)險，壓入過程也可能誘發(fā)不可避免的磨損，降低過盈可靠性。熱裝與冷裝均通過熱脹冷縮原理實現(xiàn)過盈，裝配容易，過盈可靠，但工藝復(fù)雜，對設(shè)備與操作的要求較高。本文對某混合動力汽車用交流永磁同步電機轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間的過盈裝配展開有限元分析研究。該電機采用了近年來運用廣泛的永磁體內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，裝配示意圖如圖所示。永磁體受到定子通電線圈的反作用力，產(chǎn)生扭矩，該扭矩通過轉(zhuǎn)軸傳遞。
目前的設(shè)計方案基本在轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間選擇間隙或過渡裝配，扭矩通過周向?qū)ΨQ的平鍵傳遞。在該電機設(shè)計過程中，轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸間使用了過盈裝配。由于過盈后，相互接觸的軸孔間正壓力大，構(gòu)件內(nèi)的裝配應(yīng)力較高，且轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，離心力誘發(fā)較大集中應(yīng)力，需要在設(shè)計階段通過CAE方法對轉(zhuǎn)子強度進行校核.司，避免使用過程中硅鋼片應(yīng)力超過材料的抗拉極限。深入研究發(fā)現(xiàn)，合理的過盈量選擇，對降低轉(zhuǎn)子硅鋼片在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的應(yīng)力波動，改善零部件的抗疲勞性能，也有積極作用。
為摸清硅鋼片材料的力學(xué)性能，為CAE分析提供準(zhǔn)確的材料參數(shù)，對硅鋼片樣件進行準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸試驗。試驗發(fā)現(xiàn)：硅鋼片材料的真應(yīng)力滇應(yīng)變關(guān)系屬典型的雙線性硬化模型；硅鋼片材料在不同雜質(zhì)方向呈明顯的各向同性。試驗得到的硅鋼片材料真應(yīng)力－真應(yīng)變關(guān)系曲線如圖所示，其屈服強度為381MPa，抗拉極限為476MPa。為簡化分析過程，CAE分析時選擇各向同性材料模型，并將真應(yīng)力應(yīng)變材料曲線簡化為雙線性硬化本構(gòu)模型。電機轉(zhuǎn)子過盈裝配時，首先將0.35mm厚的硅鋼片疊到一定厚度并通過內(nèi)圓預(yù)留的焊槽進行內(nèi)圓焊接，然后對硅鋼片內(nèi)圓加工，通過設(shè)計尺寸保證過盈量。接著裝入磁鋼并用膠水固定。最后對硅鋼片加熱，通過熱套方式實現(xiàn)硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間的過盈。硅鋼片磁橋等關(guān)鍵位置設(shè)計尺寸較小，最小位置的徑向?qū)挾葍H1.2mm。熱套后，這些位置可能存在較大的裝配應(yīng)力，屬設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)。
為驗證裝配應(yīng)力是否超過硅鋼片材料的抗拉極限，需通過CAE方法進行校核。本文所述電機的輸出峰值扭矩M為170Nm，硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間的設(shè)計過盈量s為0.1mm。由于對稱關(guān)系，分析只選用了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的模型。經(jīng)過分析，得到電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)過盈后的裝配應(yīng)力分布，如圖所示。分析結(jié)果顯示，過盈后整個裝配體的最大應(yīng)力發(fā)生在硅鋼片磁橋根部位置，此處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大von Mises應(yīng)力為264.5MPa。對比試驗得到的屈服強度與抗拉極限，該電機轉(zhuǎn)子過盈裝配后，硅鋼片及轉(zhuǎn)軸上的裝配應(yīng)力滿足使用要求。之所以在硅鋼片磁橋根部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，是因為磁橋可以等效為兩端固支梁，而為了提高電機的電磁效率，磁橋根部位置設(shè)計尺寸較小。過盈后，徑向的擠壓載荷通過磁鋼傳遞到磁橋上，造成固支梁兩端出現(xiàn)集中應(yīng)力。如果電機轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間選過盈裝配，必須對薄弱位置的集中應(yīng)力進行校核，判斷設(shè)計是否合理。僅僅計算過盈裝配應(yīng)力，并判斷硅鋼片設(shè)計是否滿足使用要求是不夠的。電機在工作過程中，轉(zhuǎn)子會高速旋轉(zhuǎn)，磁鋼質(zhì)量產(chǎn)生的離心力會全部施加到硅鋼片磁橋上。旋轉(zhuǎn)離心力在磁橋根部產(chǎn)生較大離心應(yīng)力。
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