機械設計：接觸應力

接觸應力是指兩個接觸物體相互擠壓時在接觸區及其附近產生的應力。

定義

兩個接觸物體相互擠壓時在接觸區及其附近產生的應力。

影響

滾動軸承﹑齒輪和凸輪等零件﹐在較高的接觸應力的反覆作用下﹐會在接觸表面的局部區域產生小塊或小片金屬剝落﹐形成麻點和凹坑﹐使零件運轉噪聲增大﹐振動加劇﹐溫度昇高﹐磨損加快﹐最後導致零件失效。因此設計這類零件時﹐必須考慮接觸強度﹐包括接觸靜強度和接觸疲勞強度。
物體表面的接觸狀況﹐按初始幾何條件可分為點接觸和線接觸兩類。施載入荷後﹐接觸點或接觸線實際上變成接觸面(圓﹑橢圓﹑矩形或梯形)。在計算接觸面積時假設﹕彈性體材料各向同性﹔接觸區域的應力不超過彈性極限﹔接觸面積比接觸物體總表面積小得多﹔壓力垂直於物體的接觸表面。根據上述假設﹐兩個彈性物體接觸面的普遍形式為一橢圓。最大壓應力(即最大接觸應力)發生在接觸面的中心。在整個接觸面上的壓力分布呈圖 接觸壓力分布圖 中的半橢球形。
兩彈性物體接觸時﹐最大接觸切應力出現在接觸點下方某一深度處與接觸面成45°角的平面上。在該平面上的切應力分布﹐隨表層向下而增大﹐達到最大值後又隨離表層距離增大而減小。當兩物體滾動接觸時﹐切應力由最大值變到零﹐再由零到最大值﹐形成脈動循環應力﹐使物體產生接觸疲勞破壞﹐其裂紋方向與接觸表面成45°角。這種理論廣泛套用在傳統的齒輪接觸疲勞強度計算中。在滾動軸承的接觸疲勞計算中﹐認為裂紋源是由於在ZY 平面內(見圖 接觸壓力分布圖 )一定深度處的切應力對稱循環作用引起的。的數值也隨離表面的深度而變化。接觸疲勞裂紋主要在達到最大值處產生。然後裂紋平行於表面擴展直到局部表層突然斷裂。
在機械設計中﹐可採用提高接觸強度的措施來提高零件的使用壽命。例如﹐提高表面光潔度﹐在兩滾動體接觸表面間加潤滑劑﹐用各種熱處理工藝提高滾動體接觸表面的硬度等(見表面強化)。