Контактная прочность деталей машин
Работоспособность ряда деталей машин (зубчатых колес, подшипников качения и др.) определяется контактной прочностью, т. е. прочностью их рабочих поверхностей, контактирующих под нагрузкой. Поверхности разрушаются под действием контактных напряжений в месте контакта криволинейных поверхностей двух прижатых друг к другу деталей (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Эпюра контактных напряжений |
При отсутствии внешней нагрузки начальный контакт криволинейных поверхностей происходит в точке (контакт двух шаров) или по линии (контакт двух цилиндров с параллельными осями). После приложения внешней нагрузки начальный контакт переходит в контакт по малой по сравнению с размерами деталей площадке с высокими значениями контактных напряжений. Эти напряжения действуют только в пределах площадки контакта, сосредоточиваясь в узком поверхностном слое (см. рис. 14.6 и 14.7). По ширине площадки они распределены по эллиптическому закону (рис. 2.5). Наибольшее значение напряжения используют в расчетах работоспособности зубчатых, червячных и фрикционных передач, подшипников качения.
В случае начального контакта по линии, характерного для работы зубьев сопряженных забчатых колес или роликов и колец подшипников качения, наибольшее значение контактных напряжений определяют по формуле Герца, полученной для случая касания двух цилиндров (рис. 2.5):
(2.13)
где w = Fr/b — нормальная нагрузка на единицу длины контактной линии;
Fr — сила, нормальная к площадке контакта; b — длина контактной линии;
ρпр — приведенный радиус кривизны:
ρпр=ρ1ρ2/ρ1+-ρ2 (2.14)
где р, и р2 — радиусы кривизны в точках контакта (знак минус — для случая контакта выпуклой поверхности радиуса р, с вогнутой радиуса р2);
Условием контактной прочности является
(2.15)
где [σ]H — допускаемое контактное напряжение.
При вращении цилиндров под нагрузкой каждая точка их сопряженных поверхностей нагружается только во время прохождения зоны контакта, а контактные напряжения ан в этих точках изменяются по прерывистому отнулевому циклу (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Прерывистый отнулевой цикл изменения σ
Циклическое действие контактных напряжений является причиной усталостного разрушения сопряженных поверхностей. Если σн > [σ]н, то на поверхностях контакта зарождаются усталостные микротрещины. Под влиянием сил трения качения и вследствие пластического смещения металла эти микротрещины располагаются наклонно к поверхности (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей: 1 —смазочный материал
Развитию микротрещин способствует наличие в зоне контакта смазочного материала. В начальный момент контакта силы трения на ведомом цилиндре раскрывают трещины и масло затягивается в них (рис. 2.7, а). В зоне действия наибольших контактных напряжений края трещины смыкаются и давление масла внутри ее резко возрастает. Происходит расклинивание металла, что приводит к постепенному развитию трещины и выходу ее на поверхность с выламыванием частиц металла. На рабочих поверхностях деталей появляются мелкие раковины, едва заметные сначала и достигающие нескольких миллиметров в процессе развития (рис. 2.7, б; см. также рис. 12.2, б). Этот процесс разрушения называют усталостным выкрашиванием.
Увеличение поверхностной твердости, уменьшение шероховатости способствуют повышению сопротивляемости поверхностей выкрашиванию.
Развитие трещин при работе в масле не означает, что без него разрушение рабочих поверхностей было бы замедлено. Масло образует на поверхности защитную пленку, которая устраняет непосредственный металлический контакт и уменьшает трение. При взаимодействии через масляную пленку контактные напряжения снижаются, наработка до появления микротрещин увеличивается.
Если смазочный материал отсутствует, то поверхностный слой, в котором возникают первичные микротрещины, изнашивается раньше, чем в нем успевают образоваться раковины. Ресурс в этом случае существенно снижается.
Контрольные вопросы
1. Что следует понимать под циклом перемены напряжений? Характеристики цикла и соотношения между ними.
2. Какой из циклов самый неблагоприятный для работы детали?
3. Что называют усталостным разрушением и каковы его причины?
4. Что называют пределом выносливости?
5. Что такое концентрация напряжений и что ее вызывает?
6. Как определяют общий расчетный коэффициент запаса прочности при переменных напряжениях?
7. При каких обстоятельствах и где действуют контактные напряжения? По какой формуле определяют их наибольшее значение при начальном контакте по линии?
8. В чем сущность усталостного выкрашивания хорошо смазываемых контактирующих иод нагрузкой рабочих поверхностей? Как повысить сопротивляемость поверхностей выкрашиванию?
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Дата добавления: 2020-05-20; просмотров: 500;