Finite Element Analysis of the Influence of Chamfer Hub Geometry on the Stress Concentrations of Shrink Fits

Abstract

[EN] The theoretical expressions commonly used in the design of interference fits do not take into account the huge stress concentrations located at the edges of the hub. This underestimation of the real stress state can induce the incorrect performance of the shaft–hub assembly. Among the different methods to address this problem is the use of chamfer hubs, which are used for reducing such stress concentrations. In this paper, an analysis, performed via finite element method, of the influence of the geometric parameters of a shrink fit with chamfer hubs was carried out with the aim of determining the optimal dimensions for the design of this type of mechanical assembly. To achieve this goal, different chamfer hub geometries were considered: (i) full–chamfer hubs defined by the chamfer angle and (ii) partial–chamfer hubs defined by the chamfer angle and the chamfer height. According to the obtained results, stress concentrations can be reduced by using a full–chamfer hub with chamfer angles within the range 13°–15° depending on the hub thickness. In addition, similar results can be obtained by using partial–chamfer hubs with a chamfer height of half of the hub thickness and chamfer angles within the range 13°–15°. By using these design recommendations, the theoretical equations can be used without underestimating the real stress state.

[ES] Las expresiones teóricas comúnmente utilizadas en el diseño de ajustes por interferencia no consideran las altas concentraciones de tensión localizadas en los bordes del cubo. Esta subestimación del estado real de tensión puede inducir el funcionamiento incorrecto del conjunto eje-cubo. Entre los diferentes métodos para abordar este problema se encuentra el uso de cubos chaflanados, que se utilizan para reducir dichas concentraciones de tensión. En este trabajo, se realizó un análisis, realizado mediante el método de elementos finitos, de la influencia de los parámetros geométricos de un ajuste por contracción con cubos chaflanados con el objetivo de determinar las dimensiones óptimas para el diseño de este tipo de conjunto mecánico. Para lograr este objetivo, se consideraron diferentes geometrías de cubos chaflanados: (i) cubos con chaflán completo definidos por el ángulo del chaflán y (ii) cubos con chaflán parcial definidos por el ángulo y la altura del chaflán. De acuerdo con los resultados obtenidos, las concentraciones de tensión se pueden reducir utilizando un cubo con chaflán completo con ángulos de chaflán dentro del rango de 13° a 15°, dependiendo del espesor del cubo. Además, se pueden obtener resultados similares utilizando cubos con chaflán parcial, con una altura de chaflán de la mitad del espesor del cubo y ángulos de chaflán entre 13° y 15°. Con estas recomendaciones de diseño, se pueden aplicar las ecuaciones teóricas sin subestimar el estado de tensión real.