Контактные напряжения и контактная прочность

Контактные напряжения образуются в месте соприкосновения двух тел в тех случаях, когда размеры площадки касания малы по сравнению с размерами тел (сжатие двух шаров, шара и плоскости, двух цилиндров и т. п.). Если значение контактных напряжений больше допускаемого, то на поверхности деталей появляются вмя­тины, борозды, трещины или мелкие раковины. Подобные повреж­дения наблюдаются у зубчатых, червячных, фрикционных и цепных передач, а также в подшипниках качения.

При расчете контактных напряжений различают два характер­ных случая: первоначальный контакт в точке (два шара, шар и плос­кость и т. п.); первоначальный контакт по линии (два цилиндра с параллельными осями, цилиндр и плоскость и т. п.).

На рис. изображен пример сжатия двух цилиндров с парал­лельными осями. До приложения удельной нагрузки цилиндры соприкасались по линии. Под нагрузкой линейный контакт перехо­дит в контакт по узкой площадке. При этом точки максимальных нормальных напряжений од располагаются на продольной оси сим­метрии контактной площадки. Значение этих напряжений вычисля­ют по формуле

.

Для конструкционных ме­таллов коэффициент Пуассо­на располагается в пределах = 0,25... 0,35. Без существен­ной погрешности принима­ют = =0,3. Тогда

.

Здесь

,

,

где и - приведенные модуль упругости и радиус кривизны; , , и мо­дули упругости и радиусы цилиндров.

Формула справедлива не только для круговых, но и для любых других цилиндров. Для последних и - ра­диусы кривизны в точках контакта. При контакте цилиндра с плос­костью =∞. Знак минус в формуле относится к случаю внутреннего контакта (когда поверхность одного из цилиндров вогнутая).

При вращении цилиндров под нагрузкой отдельные точки их поверхностей периодически нагружаются и разгружаются, а контактные напряжения в этих точках изменяются по прерывисто­му отнулевому циклу. Каждая точка нагружается толь­ко в период прохождения зоны контакта и свободна от напряже­ний в остальное время оборота цилиндра. Переменные контакт­ные напряжения вызывают усталость поверхностных слоев деталей. На поверхности образуются микротрещины с последующим выкрашиванием мелких частиц металла. Если детали работают в мас­ле, то оно проникает в микротрещины. Попадая в зо­ну контакта, трещина закрывается, а заполняющее ее масло подвергается высокому давлению. Это давление спо­собствует развитию трещины до тех пор, пока не произойдет выкрашивание частицы металла. Выкрашивания не наблюда­ется, если значение контактных напряжений не превышает допуска­емого.