DETERMININATION OF CONTACT STRESSES USING PHOTOELASTICITY

• Main Author: ANTONIO LOPES GAMA
• Other Authors: JOSE LUIZ DE FRANCA FREIRE
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 1991
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=24918@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=24918@2

O conhecimento da concentração de tensões provocada pelas bordas de corpos que interagem e do efeito das rugosidades sobre as tensões de contato é de grande importância para o projeto de elementos de máquinas que tenham no contato a sua principal causa de falhas. Estas ocorrem normalmente por fadiga superficial (tais como em rolamentos e engrenagens) e também em aplicações onde estão envolvidos atrito, desgaste superficial e contato elétrico. Neste trabalho, procurou-se estudar a influência da rugosidade nestas distribuições de tensões. O método da fotoelasticidade foi utilizado para análise dos campos de tensões provocados pelo contato de corpos rugosos. As situações envolvendo o contato de superfícies cilíndricas rugosas com o plano liso foram preferidas em virtude das facilidades apresentadas para confecção dos modelos. Primeiramente, realizou-se um estudo de similitude para definir os termos adimensionais considerando as variáveis físicas relevantes às tensões de contato. Posteriormente, comprovou-se que estes termos são adequados através de ensaios fotoelásticos. Nestes ensaios foram variadas as dimensões dos corpos de prova, sua rugosidade e materiais. Foram utilizados diversos materiais, tais como vidro, resinas epoxi e poliester e acrílico. Também foram realizados testes onde materiais metálicos foram submetidos à contato com materiais birrefringentes. Os resultados experimentais fotoelásticos mostraram que a rugosidade superficial provoca grandes reduções sobre a tensão cisalhante máxima e sobre a pressão de contato. Constatou-se que a rugosidade provoca um aumento de largura de contato entre cilindros, aumentando desta forma a área de contato. Os resultados foram apresentados segundo gráficos que oferecem ao projeto de componentes cilíndricos, meios para que se possa conhecer a influência da rugosidade nas tensões de contato e determinar os limites para os quais a teoria de Hertz pode ser aplicada a estas situações, sem implicar em resultados demasiadamente conservativos. Finalmente, os experimentos fotoelásticos com cilindros também forneceram uma comprovação experimental para a teoria de Lo sobre o contato de cilindros rugosos. === The knowlegeof the stress concentration generated by the edge of contacting bodies and the effect of roughness on the contact stresses are of great importance to the design of machine elements which have in the contact stresses their principal sources of failures. These failures usually occur due to surface fatigue (as in bearings and gears) and in applications where friction, wear and eletric contact are present. In this thesis the influence of roughness on the contact stress distribution is studied. The method of 2D photoelasticity is employed to analyse stress distributions fields generated by the contact of rough surfaces of cylindrical bodies. At first, a similitude study was carried out to define the dimensionless parameters which would be important for the problem of contact stresses. It was shown that these parameters were adequate by means of photoelastic experiments, where the dimensions of the models, their roughness and the materials were varied. Different materials were utilized, such as glass, epoxy, polyester resins and flexiglass. Experiments were carried out with contacting cylinders of metals (steel and aluminum) and birrefringent materials. The photoelastic experimental results showed that surface roughness causes great reduction on the maximum shear stress and on the maximum contact pressure. It was verified that roughness causes an increase in the width of contact of cylinders and also an increase in the contact area. The results are furnished in plots that help the design of cylindrical components by presenting the influence of roughness on the contact stresses and the limits for the application of Hertz theory. Finally, the photoelastic experiments gave an experimental validation to the theory of Lo for the contact of rough cylinders.