Finite Element Analysis of the Reduction in Stress Concentration Factors in Shrink Fits by Using Contact Rings

Abstract

[EN] As it is well known, shrink fits exhibit a stress concentration at the hub edges that can cause the failure of such mechanical components. A method for reducing such a stress concentration is placing a contact ring between the hub and the shaft. To achieve the desired effect, the Young Modulus of the material used for the contact ring must be lower than the one used in the hub and the shaft. Unfortunately, there are no design methods for estimating the optimal dimensions or materials of the contact ring. To fill this gap, in this study, diverse numerical simulations by the finite elements method (FEM) were carried out considering different geometries and materials in order to obtain recommendations that allow mechanical designers to significantly reduce the stress concentrations in these components. According to the obtained results, a contact ring of 25% of the hub thickness allows to significantly reduce up to 40% of the stress concentration. In addition, a linear influence of the stress reduction with the Young modulus was found thereby, and the most recommendable material for the contact ring is the one with the lowest Young modulus. On the other hand, according to the obtained results, the influence of the Poisson coefficient can be considered negligible.

[ES] Como es bien sabido, los ajustes por contracción presentan una concentración de tensiones en los bordes del cubo que puede provocar la falla de dichos componentes mecánicos. Un método para reducir dicha concentración consiste en colocar un anillo de contacto entre el cubo y el eje. Para lograr el efecto deseado, el módulo de Young del material utilizado para el anillo de contacto debe ser menor que el utilizado en el cubo y el eje. Desafortunadamente, no existen métodos de diseño para estimar las dimensiones o materiales óptimos del anillo de contacto. Para subsanar esta deficiencia, en este estudio se realizaron diversas simulaciones numéricas mediante el método de elementos finitos (MEF), considerando diferentes geometrías y materiales, con el fin de obtener recomendaciones que permitan a los diseñadores mecánicos reducir significativamente la concentración de tensiones en estos componentes. Según los resultados obtenidos, un anillo de contacto del 25 % del espesor del cubo permite reducir significativamente hasta un 40 % la concentración de tensiones. Además, se observó una influencia lineal de la reducción de tensiones con el módulo de Young, y el material más recomendable para el anillo de contacto es el que presenta el módulo de Young más bajo. Por otra parte, según los resultados obtenidos, la influencia del coeficiente de Poisson puede considerarse insignificante.