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工程上經(jīng)常使用過(guò)盈、過(guò)渡及間隙三種裝配方式。過(guò)盈裝配后，軸孔之間存在較大正壓力，零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力較大，可以不借助鍵的輔助就傳遞較大載荷，且傳遞載荷比較平穩(wěn)，在工業(yè)上運(yùn)用廣泛。比如軸承內(nèi)圈與安裝軸之間、軸承外圈與安裝孔之間，經(jīng)常使用過(guò)盈裝配。過(guò)盈裝配主要通過(guò)機(jī)械壓裝、熱裝、冷裝等方式實(shí)現(xiàn)。機(jī)械壓裝工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低，但裝配困難，較大的裝配壓力存在損壞零部件的風(fēng)險(xiǎn)，壓入過(guò)程也可能誘發(fā)不可避免的磨損，降低過(guò)盈可靠性。熱裝與冷裝均通過(guò)熱脹冷縮原理實(shí)現(xiàn)過(guò)盈，裝配容易，過(guò)盈可靠，但工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備與操作的要求較高。本文對(duì)某混合動(dòng)力汽車(chē)用交流永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間的過(guò)盈裝配展開(kāi)有限元分析研究。該電機(jī)采用了近年來(lái)運(yùn)用廣泛的永磁體內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，裝配示意圖如圖所示。永磁體受到定子通電線(xiàn)圈的反作用力，產(chǎn)生扭矩，該扭矩通過(guò)轉(zhuǎn)軸傳遞。
目前的設(shè)計(jì)方案基本在轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間選擇間隙或過(guò)渡裝配，扭矩通過(guò)周向?qū)ΨQ(chēng)的平鍵傳遞。在該電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸間使用了過(guò)盈裝配。由于過(guò)盈后，相互接觸的軸孔間正壓力大，構(gòu)件內(nèi)的裝配應(yīng)力較高，且轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，離心力誘發(fā)較大集中應(yīng)力，需要在設(shè)計(jì)階段通過(guò)CAE方法對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行校核.司，避免使用過(guò)程中硅鋼片應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉極限。深入研究發(fā)現(xiàn)，合理的過(guò)盈量選擇，對(duì)降低轉(zhuǎn)子硅鋼片在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的應(yīng)力波動(dòng)，改善零部件的抗疲勞性能，也有積極作用。
為摸清硅鋼片材料的力學(xué)性能，為CAE分析提供準(zhǔn)確的材料參數(shù)，對(duì)硅鋼片樣件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：硅鋼片材料的真應(yīng)力滇應(yīng)變關(guān)系屬典型的雙線(xiàn)性硬化模型；硅鋼片材料在不同雜質(zhì)方向呈明顯的各向同性。試驗(yàn)得到的硅鋼片材料真應(yīng)力－真應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖所示，其屈服強(qiáng)度為381MPa，抗拉極限為476MPa。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，CAE分析時(shí)選擇各向同性材料模型，并將真應(yīng)力應(yīng)變材料曲線(xiàn)簡(jiǎn)化為雙線(xiàn)性硬化本構(gòu)模型。電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)盈裝配時(shí)，首先將0.35mm厚的硅鋼片疊到一定厚度并通過(guò)內(nèi)圓預(yù)留的焊槽進(jìn)行內(nèi)圓焊接，然后對(duì)硅鋼片內(nèi)圓加工，通過(guò)設(shè)計(jì)尺寸保證過(guò)盈量。接著裝入磁鋼并用膠水固定。最后對(duì)硅鋼片加熱，通過(guò)熱套方式實(shí)現(xiàn)硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間的過(guò)盈。硅鋼片磁橋等關(guān)鍵位置設(shè)計(jì)尺寸較小，最小位置的徑向?qū)挾葍H1.2mm。熱套后，這些位置可能存在較大的裝配應(yīng)力，屬設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)。
為驗(yàn)證裝配應(yīng)力是否超過(guò)硅鋼片材料的抗拉極限，需通過(guò)CAE方法進(jìn)行校核。本文所述電機(jī)的輸出峰值扭矩M為170Nm，硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間的設(shè)計(jì)過(guò)盈量s為0.1mm。由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，分析只選用了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的模型。經(jīng)過(guò)分析，得到電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)過(guò)盈后的裝配應(yīng)力分布，如圖所示。分析結(jié)果顯示，過(guò)盈后整個(gè)裝配體的最大應(yīng)力發(fā)生在硅鋼片磁橋根部位置，此處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大von Mises應(yīng)力為264.5MPa。對(duì)比試驗(yàn)得到的屈服強(qiáng)度與抗拉極限，該電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)盈裝配后，硅鋼片及轉(zhuǎn)軸上的裝配應(yīng)力滿(mǎn)足使用要求。之所以在硅鋼片磁橋根部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，是因?yàn)榇艠蚩梢缘刃閮啥斯讨Я海鵀榱颂岣唠姍C(jī)的電磁效率，磁橋根部位置設(shè)計(jì)尺寸較小。過(guò)盈后，徑向的擠壓載荷通過(guò)磁鋼傳遞到磁橋上，造成固支梁兩端出現(xiàn)集中應(yīng)力。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)軸之間選過(guò)盈裝配，必須對(duì)薄弱位置的集中應(yīng)力進(jìn)行校核，判斷設(shè)計(jì)是否合理。僅僅計(jì)算過(guò)盈裝配應(yīng)力，并判斷硅鋼片設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足使用要求是不夠的。電機(jī)在工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)子會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，磁鋼質(zhì)量產(chǎn)生的離心力會(huì)全部施加到硅鋼片磁橋上。旋轉(zhuǎn)離心力在磁橋根部產(chǎn)生較大離心應(yīng)力。
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