Finite Element Analysis of Friction-Induced Stress Concentrations in Press Fits with Chamfer Hubs

Abstract

[EN] The interference fit is a common process for the assembly of mechanical parts on a shaft for diverse mechanical engineering applications. One of the manufacturing methods consists of introducing a shaft into a hub by applying a force being the hub diameter lower than the shaft diameter. This way, contact pressure is generated at the shaft–hub interface at the end of the process, enabling torque transmission. Thus, a non-uniformly distributed stress state appears at the shaft–hub interface with significant stress peaks at the hub edges. In addition, as a consequence of the manufacturing process, local plasticity is generated in the hub on the insertion side causing changes in stress distributions. In this paper, an analysis based on finite elements simulations is carried out to reveal the influence of, on one hand, manufacturing parameters such as friction on stress concentrations at the interface and, on the other hand, geometrical parameters such as hub chamfer angle, considering chamfer hubs and conventional hubs. To achieve this goal, different simulations of the mechanical manufacturing process of the axial assembly of press fits are carried out to reveal the stress fields at the interface. Thus, stress concentrations under different friction conditions from a case without friction to a dry friction case are revealed and analyzed. The results show, on one hand, the friction coefficient as a highly influential factor, causing asymmetrical stress distributions with high stress concentrations that reduce the mechanical performance of press fits and, on the other hand, the beneficial impact of chamfer hubs for lowering stress concentrations.

[ES] El ajuste por interferencia es un proceso común para el ensamblaje de piezas mecánicas en ejes para diversas aplicaciones de ingeniería mecánica. Uno de los métodos de fabricación consiste en introducir un eje en un cubo aplicando una fuerza cuyo diámetro es menor que el del eje. De esta manera, se genera presión de contacto en la interfaz eje-cubo al final del proceso, lo que permite la transmisión de par. Por lo tanto, se genera un estado de tensión distribuido de forma no uniforme en la interfaz eje-cubo, con picos de tensión significativos en los bordes del cubo. Además, como consecuencia del proceso de fabricación, se genera plasticidad local en el cubo en el lado de inserción, lo que provoca cambios en la distribución de tensiones. En este artículo, se realiza un análisis basado en simulaciones de elementos finitos para revelar la influencia de, por un lado, parámetros de fabricación como la fricción en las concentraciones de tensiones en la interfaz y, por otro, parámetros geométricos como el ángulo de chaflán del cubo, considerando cubos con chaflán y cubos convencionales. Para lograr este objetivo, se realizan diferentes simulaciones del proceso de fabricación mecánica del ensamblaje axial de ajustes a presión para revelar los campos de tensión en la interfaz. De este modo, se revelan y analizan las concentraciones de tensión en diferentes condiciones de fricción, desde un caso sin fricción hasta un caso de fricción en seco. Los resultados muestran, por un lado, que el coeficiente de fricción es un factor muy influyente, causando distribuciones asimétricas de tensión con altas concentraciones que reducen el rendimiento mecánico de los ajustes a presión y, por otro, el efecto beneficioso de los cubos chaflanados para reducir las concentraciones de tensión.