6. Распределение энергии двигателя между несколькими исполнительными элементами машины.

Рисунок 30 – Лобовой вариатор

Контактные напряжения возникают при взаимодействии тел, размеры площадки контакта которых малы по сравнению с размерами самих соприкасающихся тел: например, контакт двух стальных круговых цилиндров по общей образующей, рис. 31 (аналог зубчатого зацепления, фрикционной передачи, роликовых подшипников), контакт шаpa и тора (шариковые подшипники качения). Контакт при перекатывании в передачах и опорах качения происходит по малым площадкам (начальный контакт по линии или в точке), вследствие чего в поверхностном слое возникают высокие напряжения. Материал в районе этой площадки испытывает объемное напряженное состояние. Впервые исследованием контактных напряжений занимался физик Герц (Hertz). В его честь контактные напряжения обозначают с индексом Н: σ_H.

Рисунок 31 – Возникновение контактных напряжений

Контакт ненагруженных прижимающей силой цилиндров с параллельными осями происходит по линии (по образующей). Под действием прижимающей силы F_n, вследствие упругих деформаций цилиндров первоначальный контакт по линии переходит в контакт по прямоугольной площадке (очень узкой полоске) шириной 2а. Особенностью действия нормальных контактных напряжений является то, что они не распространяются глубоко в тело деталей, сосредотачиваясь в тонком поверхностном слое.

Кроме нормального напряжения σ_H в зоне контакта возникают также касательные напряжения . Наибольшее касательное напряжение _max=0,3σ_Hmax имеет место в точке, расположенной на линии действия прижимающей силы F_n и отстоящей от поверхности соприкосновения на 0,78а.

Максимальное значение σ_Hmax используют в качестве основного критерия контактной прочности:

, (44)

где [ σ]_H – допускаемое контактное напряжение, полученное из эксперимента или опыта эксплуатации при аналогичных условиях в зоне контакта.

Для вычисления максимального контактного напряжения на площадке контакта используют формулу Герца, полученную из решения контактной задачи теории упругости (индекс "max" при этом опускают):

, (45)

Характер и причины отказов под действием контактных напряжений

1 Смятие контактирующих поверхностей. Происходит при ударном, а также при вибрационном приложении нагрузки или при действии значительных по величине нагрузок, когда помимо упругих имеют место пластические деформации.

2 Усталостное выкрашивание. Каждая точка на поверхности при вращении цилиндров испытывает циклическое действие контактных напряжений [σ]_H (т. А, рис. 32,а и б), а сама поверхность — циклическое деформирование. Усталостная трещина 2, возникающая в результате повторных микропластических сдвигов, обычно зарождается у поверхности 1 цилиндра (рис. 33,а), в месте концентрации напряжений из–за микронеровностей или неметаллических включений, всегда присутствующих в стали.

Рисунок 32 – Циклическое действие контактных напряжений [σ]_H

В пределах деформированного слоя трещина развивается наклонно к поверхности, а затем – по границе деформированного слоя. Развитие усталостных трещин в более глубокие слои связывают с "расклинивающим" действием смазочного материала.

Рисунок 33 – Зарождение трещин в месте концентраций напряжений

Смазочный материал 3 перед площадкой контакта попадает в раскрытую силами трения трещину 2 (рис. 33,б). В пределах площадки контакта под нагрузкой трещина закрывается, создается повышенное давление смазочного материала (рис. 33,в), что способствует развитию трещины вплоть до отрыва частицы металла 4 с поверхности (рис. 33,г), образованию вначале мелких выемок, а затем в результате скалывания их краев и крупных раковин. Выкрашивание нарушает условия образования сплошной масляной пленки (масло выжимает в выемки), что приводит к изнашиванию и задиру поверхностей.

При малой толщине упрочненного слоя, а также при значительных контактных напряжениях трещины могут зарождаться в глубине — под упрочненным слоем или на границе упрочненного слоя. Нарушение равновесия внутрикристаллических связей приводит к отслаиванию упрочненного слоя.

3 Изнашивание. Силы трения в контакте вызывают на поверхности ведущего цилиндра перед площадкой контакта деформации сжатия в окружном направлении, а после – деформации растяжения. На ведомом цилиндре – наоборот: перед площадкой контакта – деформации растяжения), после – деформации сжатия. Для наглядности деформации условно показаны на рис. 34 в виде изменения расстояния в окружном направлении между радиальными отрезками. При прохождении площадки контакта наблюдают относительное перемещение точек ведущего и ведомого цилиндров, т.е. относительное скольжение, которое и является причиной изнашивания.

Рисунок 34 – Деформации растяжения и сжатия в контактирующих телах

4 Заедание. При отсутствии смазочного материала или в случае прорыва под большой нагрузкой смазывающего слоя относительное скольжение приводит к местному значительному повышению температуры и молекулярному сцеплению (микросварке) с последующим разрывом и переносом вырванной части материала на сопряженную поверхность.