机械零件表面接触疲劳强度优化分析

当两个零件以点、线相接触时，其接触的局部会引起较大的应力，这种局部的应力称为接触应力。零件在交变接触应力的作用下会产生表面疲劳破坏，称为疲劳点蚀。

疲劳点蚀的过程如图2-12所示，零件在交变接触应力的作用下，表层材料产生塑性变形，进而导致表面硬化，并在表面接触处产生初始裂纹。当润滑油被挤入初始裂纹中后，与之接触的另一个零件表面在滚过该裂纹时将裂纹口封住，使裂纹中的润滑油产生很大的压力，迫使初始裂纹扩展。当裂纹扩展到一定深度后，必将导致表层材料的局部脱落，在零件表面出现鱼鳞状的凹坑。润滑油的黏度越低，越易进入裂纹中，疲劳点蚀的发生也就越迅速。零件表面发生疲劳点蚀后，破坏了零件的光滑表面，减小了接触面积，因而降低了承载能力，并引起振动和噪声。疲劳点蚀常是齿轮、滚动轴承等零部件的主要失效形式。为了防止零件发生疲劳点蚀失效，除了采取相应的措施外，一般需要进行零件的接触疲劳强度计算。

图2-12　疲劳点蚀过程

在图2-13所示的计算模型中，由弹性力学可知，当两个曲率半径为ρ1、ρ2，宽度为L的圆柱体以力F相互压紧时，初始的接触为线接触。由于表面材料的弹性变形，接触线变成宽度为2a的狭长矩形面，在矩形面内产生接触应力σH。

图2-13　接触应力计算简图

由分析可得到接触应力的分布规律：接触应力沿接触面宽度呈半椭圆形分布，最大值σHmax位于初始接触线处，即狭长矩形中线的各点，且两个圆柱体上的接触应力相等。接触变应力只能在0～σHmax的范围内变化，总是为脉动循环。

根据赫兹（Hertz）公式，最大接触应力σHmax为(https://www.xing528.com)

于是接触疲劳强度条件为

式中　E1、E2——两个接触体材料的弹性模量；

μ1、μ2——两个接触体材料的泊松比；

ρΣ——综合曲率半径，ρΣ=ρ1ρ2/（ρ1±ρ2），外接触（图2-13a）时取“+”，内接触（图2-13b）时取“-”；

L——接触线长度；

［σH］——接触体材料的许用接触应力，一般［σH1］≠［σH2］，计算时应取较小者。