Глава 5. Подбор материалов для узлов трения
Узлы трения обобщенно можно подразделить на сопряжения, в которых реализуется сила трения покоя (посадки с натягом, крепежные соединения) и подвижные сопряжения.
При подборе материалов для узлов трения покоя необходимо руководствоваться следующими рекомендациями:
- в узле трения должно реализовываться внешнее трение, определяемое условием:
(5.1)
где HB - твердость по Бринеллю менее твердого тела, МПа;
- комплексная характеристика шероховатости;
n=0+ ·HB,
где 0, - фрикционные характеристики (табл. 5.1);
-
контурное давление, МПа, определяемое
из зависимости:
(5.2)
где
-натяг
в соединении, м;
-
диаметр вала, м;
-наружный
диаметр ступицы, м;
- для предотвращения заедания поверхностей при разборке соединения шероховатость более твердой поверхности должна соответствовать условию
(5.3)
где =(1-2)/E;
- коэффициент Пуассона;
E - модуль упругости, МПа;
- избегать контурных давлений, соответствующих переходу упругопластических деформаций в пластические:
>7,5 ·-2 ·HB5 ·4; (5.4)
- учитывать возможность схватывания материалов в парах трения:
полное схватывание
Al-Cu, Fe-Cu, Pb-Cu, Al-Ag;
частичное схватывание
Al-Fe, Fe-Ti, Al-Ni, Zn-Al, Cu-Ag;
не происходит схватывания
Fe-Pb, Fe-Аg.
Таблица 5.1
Фрикционные характеристики материалов
Материал |
0, МПа |
|
HB, МПа |
Сталь 40Х |
184 |
0,055 |
3410 |
Сталь 45 |
204 |
0,044 |
2700 |
Сталь45 (закалка) |
130 |
0,072 |
3240 |
БрА10ЖЗМц1,5 |
20 |
0,1 |
1200 |
Медь |
17 |
0,08 |
850 |
Алюминий |
15 |
0,116 |
600 |
Капролон |
2 |
0,06 |
130 |
Фторопласт-4 |
3,4 |
0,017 |
30 |
Для подвижных соединений к материалам пар трения предъявляются следующие требования:
- стойкость к задирам;
- хорошая прирабатываемость;
- минимальный коэффициент трения;
- высокая износостойкость;
- недефицитность.
Таблица 5.2
Триботехнические и физико-механические свойства антифрикционных материалов
Материал |
Рс, МПа |
V, м/с |
[pv], МН/(м ·с) |
f |
НВ, МПа |
Е, МПа |
т, МПа |
Примечания |
Баббиты ГОСТ 1320-74 Б-16 Б-83 БН |
5-10 5-10 10 |
5-50 5-50 15 |
10-50 10-50 30 |
0,006 0,005 0,006 |
320 300 280 |
0,35 ·105 0,48 ·105 0,4 ·105 |
86 82 72 |
Для работы в условиях жидкостной или полужидкостной смазки и в паре с деталью твердостью HRC>50 |
Бронзы ГОСТ 613-79 Бр05Ц5С5 Бр010Ф1 |
8 15 |
3 10 |
12 7 |
0,009 0,008-0,15 |
600 600-900 |
0,9 ·105 0,75 ·105 |
100 100 |
Для работы в условиях полужидкостной смазки. Хорошие антифрикционные свойства |
ГОСТ 493-79 Бр А4Ж4Л Бр А10Ж4Н4Л Бр А9Мц2Л |
15 15 20 |
4 4 5 |
12 12 12 |
0,012-0,04 0,006-0,012 0,012 |
980 1400-1600 800-1000 |
1,12 ·105 1,15 ·105 1,2 ·105 |
400 600 300 |
В условиях граничной смазки при высоких нагрузках и низких скоростях скольжения в паре с деталью твердостью HRC>50 |
ГОСТ 18175-78 Бр КЗМц-1 |
5 |
3 |
7 |
0,015 |
900 |
1,12 ·105 |
500 |
Используется как наплавочный материал для восстановления изношенной поверхности |
Полимеры Фторопласт-4 ГОСТ 1007-80 Капрон ТУ 6-06-309-70 Капролон В ТУ 6-05-211-950-74 |
1,0
3
4 |
0,5
0,2
0,2 |
0,04
0,15
0,2 |
0,03-0,1
0,11-0,15
0,12 |
30-60
80-120
140-150 |
500-600
1500
2000-300 |
24,0
65
70 |
Хорошая износостойкость при частичном проникновении абразивной среды. Необходим высокий класс чистоты обработки сопряженной детали (8 класс чистоты обработки поверхности и выше) |
Текстолит Б ГОСТ 5-78 (без с.м.) (со с.м.) |
5 10 |
1 2 |
2 4 |
0,2-0,3 0,05-0,1 |
280 280 |
(0,02-0,1) ·105 |
50 50 |
В условиях работы без смазочного материала (с.м.) и со смазыванием водой |
В подвижных соединениях реализуются как прямые, так и обратные пары трения. В прямой паре деталь с большей поверхностью трения имеет и большую твердость. В обратной паре деталь с большей поверхностью трения имеет меньшую твердость. Более износостойкой является прямая пара трения.
Менее твердое тело должно изготавливаться из антифрикционных материалов.
При невозможности использования в узле трения смазочного материала или при недостаточном его количестве необходимо использовать антифрикционные материалы с низкими значениями фрикционных характеристик 0 и .
Но, как правило, такие материалы обладают низкими прочностными свойствами и при их деформации возрастают потери энергии на трение, что ведет к интенсивному нагреванию поверхностных слоев. Разогрев поверхностных слоев вызывает их размягчение, что ведет к росту силы трения и увеличению интенсивности изнашивания. Поэтому такие материалы (например, фторопласт-4) используют в виде тонких покрытий или наполнителей.
Триботехнические и физико-механические свойства наиболее широко используемых антифрикционных материалов приведены в табл. 5.2.
Из металлических антифрикционных материалов наибольшее распространение в подшипниках скольжения получили баббиты и бронзы.
Баббиты используют в подшипниках скольжения, работающих в режиме жидкостной смазки.
В узлах трения, работающих при небольших окружных скоростях и высоких нагрузках, используют бронзы.
Твердость валов, контактирующих с бронзовыми вкладышами, должна быть не ниже HRC 50.