Development of 3D joining surface geometries for shaft hub connections manufactured by lateral extrusion

开发通过横向挤压制造的轴毂连接的 3D 连接表面几何形状

基本信息

项目摘要

Frictional or form locking shaft-hub-connections for engineering applications are usually created by finished components. However, a straightforward assembly process requires clearance, which often causes harmful effects on the connection. For instance, cold joined connections are subject to operating clearance and suffer from fretting corrosion and premature failure under alternating loads. Warm joined connections on the other hand involve the risk of retempering already hardened components. Recent developments reveal possibilities of creating shaft-hub-connections by plastic deformation without the mentioned disadvantages. As an example, internal high pressure assembly is already implemented for different components in car manufacturing, but this process is only practicable for relatively thin and uniform hollow shafts. However, preliminary studies by IFU and project partner IKTD showed the feasibility of joining multiply stepped shafts by lateral extrusion. Promising results for the transmission capability of such connections were also achieved during following studies. Hereby, the possibility of cold joining with the simultaneous creation of a maintaining joint pressure is especially advantageous. In addition, close tolerances for the connection geometry are no longer needed, as the shaft remains unmachined in the initial state. However, it is disadvantageous that the convex shaft geometry, as a result of the lateral extrusion process, is not considered in the design of the contact surface geometry. Hence, inhomogeneous mold filling and joint pressure distribution are generated in the connection, which lead to increased fretting under cycling loads. In the proposed project the disregarded effects of the joining process will be considered in the fine design of the contact surface geometry with a fundamentally new approach. By introducing a three-dimensional design of the inner hub geometry, complete form-filling and controlled joint pressure modification are pursued for the connection. Hence, fretting can be minimized and the existing potentials for further increase of static and dynamical transmission capabilities can be exploited. Via thorough consideration of material properties in a coupled simulation methodology, including plastic deformation simulation and structural simulation, a universal model for geometry design is to be developed, which takes into account geometry, material, process and application requirements and is thus valid in an extensive field of application.
用于工程应用的摩擦或形状锁定轴毂连接通常由成品部件创建。然而,简单的组装过程需要间隙,这通常会对连接造成有害影响。例如,冷连接连接会受到操作间隙的影响,并在交变载荷下遭受微动腐蚀和过早失效。另一方面,热连接存在对已经硬化的部件进行重新回火的风险。最近的发展揭示了通过塑性变形创建轴毂连接而没有上述缺点的可能性。例如,汽车制造中的不同部件已采用内部高压组装,但该工艺仅适用于相对较薄且均匀的空心轴。然而,IFU 和项目合作伙伴 IKTD 的初步研究表明,通过横向挤压连接多层阶梯轴是可行的。在接下来的研究中,这种连接的传输能力也取得了有希望的结果。由此,冷接合同时产生维持接合压力的可能性是特别有利的。此外,不再需要连接几何形状的紧公差,因为轴在初始状态下保持未加工状态。然而,其缺点是,在接触表面几何形状的设计中没有考虑由于侧向挤压工艺而产生的凸轴几何形状。因此,连接中会产生不均匀的模具填充和接头压力分布,从而导致循环负载下的微动磨损增加。在拟议的项目中,将采用一种全新的方法在接触表面几何形状的精细设计中考虑连接过程的忽略影响。通过引入内轮毂几何形状的三维设计,实现了连接的完整成形填充和受控的接头压力修改。因此,可以最大限度地减少微动,并且可以利用进一步增加静态和动态传输能力的现有潜力。通过在耦合仿真方法(包括塑性变形仿真和结构仿真)中充分考虑材料特性,将开发一个通用的几何设计模型,该模型考虑到几何形状、材料、工艺和应用要求,因此在广泛的应用中有效。应用领域。

项目成果

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Numerical study on the applicability to manufacturing of contact-stress-optimised shaft-hub connections joined by lateral extrusion
横向挤压连接的接触应力优化轴毂连接制造适用性的数值研究
  • DOI:
    10.1051/mfreview/2020016
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Meissner; R.J.
  • 通讯作者:
    R.J.
An enhanced design method for 3D contact surfaces on shaft–hub connections joined through lateral extrusion
通过横向挤压连接的轴毂连接上的 3D 接触表面的增强设计方法
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通过考虑金属成形模拟中的残余应力和应变特性,改进了结构力学模拟
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