机械零件接触强度的优化设计

机械零件的强度有整体强度和接触强度之分。前面所述的强度为机械零件的整体强度，是指零件受载时在较大的体积内产生应力，零件的破坏也发生在较大的体积范围内。对于理论上点接触或线接触的两个零件，当有载荷作用时，由于局部变形使接触处形成小的接触区，在面积很小的接触区表层产生很大的应力，称为接触应力。接触应力的分布如图1－6所示，其最大值用σH表示，在接触应力作用下零件的强度称为接触强度，它属于表面强度。如齿轮、滚动轴承等机械零件，都是通过很小的接触面积传递载荷的，因此它们的承载能力不仅取决于整体强度，还取决于表面的接触强度。机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，它们在交变应力的重复作用下，其表层先是产生疲劳裂纹，如有润滑油进入疲劳裂纹，在裂纹封口压缩的情况下，裂纹中产生极高的油压，迫使裂纹加速扩展，直至表层金属呈小片状剥落下来，在零件表面形成小坑（图1－6），这种现象称为疲劳点蚀。点蚀出现后，使得零件接触面积减小，零件光滑的表面被损坏了，既降低了承载能力，并且还会引起振动和噪声。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式。

图1－6　接触应力与疲劳点蚀

接触应力的计算是一个弹性力学问题。对于线接触，弹性力学给出的计算公式为

式中，Fn为作用于接触线上的总压力；b为接触长度；ρ1、ρ2分别为零件1和零件2接触处的曲率半径，通常令，称为综合曲率，称为综合曲率半径，其中正号用于外接触，负号用于内接触；μ1、μ2分别为零件1和零件2材料的泊松比；E1、E2分别为零件1和零件2材料的弹性模量；σH为最大接触应力（亦叫赫兹应力）。(www.xing528.com)

设计时应满足的接触疲劳强度条件为

式中，［σH］为材料的许用接触应力；σHlim为实验材料的接触疲劳强度极限；S为接触疲劳强度安全系数。考虑到接触应力的局部性及离开接触中心应力迅速减小等因素，可取SH等于1或稍大于1。

图1－7　两圆柱体的接触应力