Influence of the Friction Coefficient on the Stress Distributions and Contact Pressure in Press-Fits via Finite Element Analysis

Abstract

[EN] Press fits are a simple and effective method for assembling a shaft into a hub for different applications in the mechanical engineering field. This method consists of forcing to pass a shaft into a hub via axial insertion. As a result of the difference in the diameters of both components of the shaft and hub, a radial interference is generated, causing a contact pressure at the interface shaft–hub. Contact pressure and the friction coefficient are key factors influencing the maximum transmitted torque. So, in this study, different scenarios for the assembly of a press fit were simulated using finite elements (FE) in order to reveal the influence of this key parameter on the manufacturing-induced stresses in the hub. This way, different friction conditions were considered in terms of the friction coefficient from the frictionless case to a case of high dry friction. In addition, different hub geometries were analyzed including conventional hubs and chamfer hubs with optimal geometry that allows lowering the localized stress concentrations at the hub edges. This way, a more realistic estimation of the final stress state of a press fit is obtained. According to the obtained results, the friction coefficient is revealed as a key parameter in the resulting stress field, causing a non-uniform distribution of stress that can affect the mechanical performance of the press-fit assembly.

[ES] Los ajustes a presión son un método simple y efectivo para ensamblar un eje en un cubo para diversas aplicaciones en ingeniería mecánica. Este método consiste en forzar el paso de un eje en un cubo mediante inserción axial. Como resultado de la diferencia en los diámetros de ambos componentes, el eje y el cubo, se genera una interferencia radial que genera una presión de contacto en la interfaz eje-cubo. La presión de contacto y el coeficiente de fricción son factores clave que influyen en el par máximo transmitido. Por lo tanto, en este estudio, se simularon diferentes escenarios para el ensamblaje de un ajuste a presión mediante elementos finitos (EF) para revelar la influencia de este parámetro clave en las tensiones inducidas por la fabricación en el cubo. De esta manera, se consideraron diferentes condiciones de fricción en términos del coeficiente de fricción, desde un caso sin fricción hasta un caso de alta fricción en seco. Además, se analizaron diferentes geometrías de cubo, incluyendo cubos convencionales y cubos chaflanados con una geometría óptima que permite reducir las concentraciones de tensión localizadas en los bordes del cubo. De esta manera, se obtiene una estimación más realista del estado de tensión final de un ajuste a presión. De acuerdo con los resultados obtenidos, el coeficiente de fricción se revela como un parámetro clave en el campo de tensiones resultante, provocando una distribución no uniforme de la tensión que puede afectar al rendimiento mecánico del conjunto prensado.