齿轮接触分析

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1、1.1弹性固体的Hertz接触理论1」」模型简化及其条件为了计算局部的变形我们对接触模型引入一些简化：•每个物体均看作一个弹性的半空间体•载荷作用于平表面上•表面间无摩擦，只传递法向压力按照这种简化，根据两物体中的一般应力分布由物体的形状及它们被支承的方式而引起。此外，己经充分发展了的解决弹性半空间休边值问题的方法，对解决接触问题是有效的。为使这种简化合理，必须满足如下两个条件：•接触区的冇效尺寸远远小于物体的尺寸•接触区的有效尺寸远远小于相对曲率半径笫一个条件显然是必要的，用以保证以无限延伸的物体为基础所计算的应力场，不因其边界靠近高应力区而受重大影响。笫二个条

2、件也是必耍的，首先，为了保证紧靠接触区外的表而大体上近似于半空间的平表而；其次，为了保证接触区的应变足够小，吋期处于线弹性理论的范围内。当然，把该理论的结果应用于低弹性模量的材料时必须小心，比如橡皮，很容易产生超出小应变限制的变形。我们假设表面是无摩擦的，因此在两表血之间只传递法向压力。虽然从物理上讲接触压力必须垂直于作用而，而作用而不一定是平的，但是线弹性理论并不计及由于它们产生的变形所造成的边界力的改变。因此，鉴于每个物体都理想化为具有一个平表面的半空间体，我们取作用面上法向力平行于Z轴作用。1.1.2非协调接触几何描述当两个为协调固体接触的时候，它们最初是在

3、一个点上或一条线上接触。我们在列出弹性力学问题的方程之前，对接触面做儿何学上的分析是必要的。我们建立一个亿初始接触点为坐标原点的宜角坐标系，建立接触的几何模型，如图1・1所示。在広观尺度上，表面外形函数以及它的一阶和二阶导数在接触区都是连续的。于是我们可以用如下形式的表达式来近似地表示原点附近的曲面Z]=Ax2+B{y24-CjXy-F(1.1)通过选择x和y轴的方位，使得xy项消失，式(4.1)可写成：习弓(寺力+話闻(12a)式小的&和斤是该Illi面在原点的主Illi率半径。是外形的一切可能的截面屮Illi率半径的最人和最小值。对于另一个曲面，可以写出类似的

4、表达式勺=扌(右“+点歹2)(1.2b)两个曲面的间隙，则由h=z、_s给出。从而有h=Ax2+By2=+—^y2>(1.3)2RR/图1-1中，变形前两表面上的对应点S](x,y,zJ和S2(x,y,Z2)Z间的间隙由式(1.3)给出。在压缩过程中，两物体内远处的点7；和3分别向看0点平行于z轴移动位移莎和每个物体的表面由于接触压力而平行于0Z发生位移，其人小相对于远处点7；和◎为冬

5、和u:2o如果变形后S】和S2在接触区面内垂合，则uzX+uz2+/?=5]+爲（1.4）对于二维物体而言，接触区是半宽为a的无限长窄条。图1・1接触几何模型1.1.2圆柱体的

6、二维接触当两个圆柱体的轴部平行于处标系中的y轴，由单位长度上的力P压紧而接触吋，问题就变成二维问题。它们在平行于y轴、宽度为2a的长条上构成接触。关于圆柱体加载前两表面对应点之间间隙的式（1.3）变成式中，相对曲率%=%、+%2>宀护（1・5）O加载示，对于接触区内的点的条件变为一一’112Uzl+Uz2=^1+^2~2~^X（"）我们将每一个物体看成弹性半空间体，为了求局部接触应力需耍通过微分来避免所遇到的闲难，得到了表面梯度的关系。于是4(L7)du.du.勺+dxex作用在-Q

7、.du.12p(s)^+^=--x=一一Nf-^ds(1.8)fix6xRtie从而得出/心)=-兀Wx2-ci2/2f2R/tJ(q2_兀2)p兀J(a?-x2)(1.9)只有半接触宽度a与载荷P有关时，才能唯一地确定压力分布。首先，压力在整个接触区必须是正的。即ph晋,若果収大于号，则压力在兀=±d处上升至无穷大的值。这样变形后的外形显然不符合耍求，因此必须取等号，即(1.10)24PRa=7TE于是压力在接触区边缘降为零。最大压力其中相对曲率半径“急，等效弹性模量心1・2接触物体内部应力121弹性半空间非协调弹性接触物体必然在尺寸比未变形表而的曲率半径小的

8、而积上接触。接触应力在接触区附近高度集中，其强度随离接触点的距离还迅速的减小。因而实际关系的区域位于接触交界面附近。于是，只要物体木身的尺寸与接触面尺寸相比很人，则在此区域屮的应力就不大依赖于物体远离接触区的形状，也不依赖于支承物体的确切方式。通过将每一物体看作是以平表而为界的半无限弹性固体即弹性半空间，就能非常近似地计算应力。所载荷的窄带与y轴平行，在x方向的宽度为(a+b)。它所可能承受的法向力即切向力,部仅是X的函数。也就是线载荷在半空间屮产生平面应变状态(£、,=0)。当然，为了保证平血应变的假设是正确的，固体的厚度与受载区的宽度相比应该是很大的，通常情况

9、正是如此。