4. Взаимодействие рабочих поверхностей деталей. Оценка процессов внешнего и внутреннего трения.
При расчете элементов машин на прочность и долговечность необходимо правильно оценить влияние давления на рабочие поверхности. Для этого необходимо определить площадь контакта деталей сопряжения.
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 детали
Номинальную площадь контакта:
Аа = ℓxℓ
Рассчитывают как геометрическую площадь соприкосновения рабочих поверхностей деталей сопряжения без учета неровностей.
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.
Контурная площадь касания:
m — число контурных площадок касания)
Представляет собой площадь, образованную в местах касания рабочих поверхностей, Высокие удельные нагрузки в точках касания приводят к взаимному внедрению неровностей. Неодинаковая высота неровностей обусловливает разную глубину их взаимного внедрения.
Контурная площадь зависит от шероховатости поверхности, ее гео-метрических очертаний, а также от нагрузки.
Фактическая
площадь:
n — число точек фактического контакт.
и представляет собой алгебраическую сумму площадей соприкосновения отдельных неровностей.
На контурной площади касания расположены площадки фактического контактирования микронеровностей Аj
Взаимодействие рабочих поверхностей деталей. 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
Aa/Ar=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
ра = N/Aa = N/(ℓ x ℓ),
что в 1000 раз будет меньше действительного значения. Поэтому определение фактической площади контакта является очень важной задачей.
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.
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
ра = N/Aa = N/(ℓ x ℓ),
что в 1000 раз будет меньше действительного значения. Поэтому определение фактической площади контакта является очень важной задачей.
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 Аr 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
При пластическом контакте неровностей значение фактического давления приближается к значению твердости материала, а при упругом контакте — значительно меньше.
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.
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.