Исследование НДС шлицевого соединения

Заданием на курсовой проект необходимо было построить в CAD системе SolidWorks модель шлицевого соединения вала со ступицей зубчатого колеса и при помощи САЕ системы ANSYS Workbench определить контактные давления, напряжения и перемещения. Проанализировать напряжённо деформированное состояние при передаче валом крутящего момента на ступицу.

Шлицевым называется разъемное соединение составных частей изделия с применением пазов (шлицев) и выступов. Шлицевые соединения бывают подвижные и неподвижные. Шлицевое соединение можно представлять как многошпоночное, у которого шпонки выполнены за одно целое с валом. Шлицевые соединения по сравнению со шпоночными обладают значительными преимуществами, a именно: меньшее число деталей в соединении, значительно большая нагрузочная способность за счет большей площади контакта рабочих поверхностей вала и ступицы, меньшая концентрация напряжений в материале вала и ступицы, лучшее центрирование соединяемых деталей и более точное направление при осевом перемещении, высокая надежность при динамических и реверсивных нагрузках.

Построение модели

Для построения модели была использована система Solidworks. Сначала необходимо было построить отдельные детали, после чего нужно было собрать их в сборке и подготовить модель для  последующего расчета в САЕ системе ANSYS Workbench.

Далее необходимо разрезать деталь на четверть, т.к. вал со ступицей имеют две плосокости симметрии, то для расчета в Ansys будет достаточно только 1/4 модели. Это сохранит ресурсы компьютера, но в то же время надо правильно задать симметрию. 

Далее модель была загружена в Ansys. Модель была закреплена, втулку зафиксировали в месте, где приблизительно смоделирован зуб зубчатого колеса. К модели был приложен момент равный 230 Н*м и установлены настройки контакта. Контактными в данной модели являются боковые поверхности шлицев и наружный диаметр шлицевого вала и внутренний диаметр шлицевой втулки. Контакт без натягов.

      Следующим этапом курсового проекта необходимо было построить сетку. В модели к телу вала и наружным частям ступицы была применена более грубая сетка, т.к. эти части модели не играют большой роли в расчете. А места контакта подроблены более мелкой сеткой. Полученная сетка содержала 291000 узлов и 88000 элементов.

После расчета были получены результаты показанные на скриншотах приведенных ниже.

Напряжение

Деформация

Зона контакта

Pressure

Penetration

По полученным результатам можно сказать, что проникновение для данной модели небольшое и соответственно контактная задача решена корректно с точки зрения сетки и начальных условий. Напряжения концентрируются в области контакта, где зафиксирована ступица (где зуб шестерни упирается в сопряженный зуб другого зубчатого колеса). Деформации зависят от момента и смещаются в направлении вращения. Данные нагрузки для вала не критичны и при данных обстоятельствах он будет работать.