Контакт рабочих поверхностей деталей сопряжения

При расчете элементов машин на прочность и долговечность необходимо правильно оценить влияние давления на рабочие поверхности. Для этого необходимо определить площадь контакта деталей сопряжения.

Поверхности деталей сопряжения в процессе работы контактируют по площади, определяемой шероховатостью и физико-механическими свойствами материалов. Различают номинальную, контурную и фактическую площади контакта (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Схема контактирования рабочих поверхностей деталей

Номинальную площадь А_а = l х l / (здесь l — размер рабочей поверхности) контакта рассчитывают как геометрическую площадь соприкосновения рабочих поверхностей деталей сопряжения без уче­та неровностей. Вследствие волнистости и шероховатости рабочих поверхностей касание происходит в отдельных точках, а не по всей номинальной площади.

Волнистость и макроотклонения поверхности приводят к тому, что детали сопряжения контактируют только по площадкам вершин волн и макроотклонений, в то время как участки поверхности, расположенные во впадинах, в работе не участвуют. Высокие удельные нагрузки в точках касания приводят к взаимному внедрению неровностей. Неодинаковая высота неровностей обусловливает разную глубину их взаимного внедрения. Контурная площадь касания (здесь m — число контурных площадок касания) представляет собой площадь, образованную в местах касания рабочих поверхностей, обусловленных волнистостью и макроотклонениями. Контурная площадь зависит от шероховатости поверхности, ее геометрических очертаний, а также от нагрузки.

На контурной площади касания расположены площадки фактического контактирования микронеровностей А.. Фактическая площадь (здесь n — число точек фактического контакта) контакта дискретна и представляет собой алгебраическую сумму площадей соприкосновения отдельных неровностей.

Пятна фактического контакта, образованные вследствие деформации отдельных микронеровностей, очень малы и имеют размеры от 3 до 50 мкм, поэтому соотношение номинальной и фактической площадей контакта A_a/A_r =10³ ÷ 10⁴. Это необходимо учитывать при расчетах деталей на прочность, износостойкость и долговечность. Если при расчете нормальную нагрузку N на рабочую поверхность детали отнести к номинальной площади контакта, то давление р_а = N/A_a = N / l x l, что в 1000 раз будет меньше действительного зна­чения. Поэтому определение фактической площади контакта является очень важной задачей.

Зависимость контурной и фактической площадей контакти­рования от параметров шероховатости деталей описывается кривой опорной поверхности (см. рис. 3.4). Кривая опорной поверхности дает представление о распределении материала по высоте неровностей и, та­ким образом, позволяет оценить возможную площадь контактирования поверхности на разных уровнях высоты профиля.

Контурная и фактическая площади контактирования рабочих поверхностей в большой степени зависят от нагрузки. С увеличением нагрузки (рис. 3.11) площадь контакта значительно возрастает. Это объясняется смятием микронеровностей под действием давлений, превышающих предел текучести материала.

Рис. 3.11. Зависимость фактической площади А_r контакта рабочих поверхностей деталей от нормальной нагрузки N: I - при твердости HВ₁, 2 - при твердости

НВ₂ < НВ₁

Нормальная нагрузка, отнесенная к единице фактической площади контакта, называется фактическим давлением p_r = N/A_r = N/

При пластическом контакте неровностей значение фактического давления приближается к значению твердости материала, а при упругом контакте — значительно меньше.

Фактическая площадь контакта кроме нагрузки зависит от па­раметров профиля рабочих поверхностей и от механических свойств материалов деталей сопряжения, которые характеризуются твердостью, модулем упругости и пределом текучести. Чем выше твердость поверхностей деталей, тем меньше фактическая площадь контактирования.

Площадь контакта и характер взаимодействия деталей зависят от соотношения твердости контактирующих поверхностей. При взаимодействии деталей из металлических материалов, твердости которых соизмеримы, происходит постепенное сближение поверхностей, сопровождающееся появлением новых пятен контакта. Если поверхности деталей обладают различной твердостью, то сближение происходит в основном вследствие смятия микронеровностей менее твердой поверхности и внедрения в нее выступов шероховатости, обладающих более высокой твердостью.

Если твердость одной из деталей несоизмеримо мала по сравнению с твердостью контактирующей поверхности, то микронеровности твёрдого основания полностью погружаются в материал противоположной поверхности. Такая схема контактирования характерна для уплотнений, манжет, сальников и других деталей из неметаллических материалов.

Особый интерес представляет механизм контактирования эластомеров с твердыми неровностями. Поверхность эластомера легко облегает профиль твердой поверхности и благодаря своим эластичным свойствам выдерживает значительные упругие деформации без разрушения. В этом случае фактическая площадь контактирования приближается к номинальной и зависит в основном от упругости эластомера, нагрузки, параметров и формы микронеровностей твердой поверхности. Условия трения, изнашивания и долговечность деталей из эластомерных матери­алов в значительной степени определяются радиусом вершин выступов, углом наклона и направлением неровностей твердой поверхности относительно направления перемещения эластомера. При малых радиусах вершин выступов в сочетании с неровностями, направленными в сторону, противоположную направлению движения поверхности эластомера, ухудшаются условия взаимодействия деталей и резко сокращаются сроки службы сопряжения.

Фактическую и контурную площади контакта рабочих поверхностей деталей измеряют методами, основанными на регистрации электрической проводимости контакта, переноса материала одной поверхности на другую, методом радиоактивных изотопов, а также оптико-физическими методами.