3.3. Трение в механизмах

Трением называется сопротивление относительному перемещению соприкасающихся тел, возникающее в месте их соприкосновения. Трение представляет собой очень сложное явление. В соответствии с современной гипотезой, имеющей смешанный характер, процесс трения при скольжении поверхностей является результатом механического взаимодействия поверхностей и сил молекулярного сцепления.

В зависимости от характера относительного движения элементов кинематических пар, а также от характера соприкосновения тел внешнее трение может быть двух видов:

- трение скольжение, при котором одни и те же точки одного тела приходят в соприкосновение с различными точками другого тела;

- трение качение, при котором следующие одна за другой точки одного тела последовательно приходят в соприкосновение со следующими одна за другой точками другого тела.

В зависимости от состояния трущихся поверхностей различают трение скольжения следующих видов:

- сухое, возникающее при отсутствии смазки и загрязнений между поверхностями;

- граничное, получающееся в том случае, когда поверхности разделены слоем смазки толщиной не более 0,1 мкм;

- жидкостное, при котором поверхности полностью разделены слоем смазочного вещества;

- полусухое – смешанное трение – одновременно сухое и граничное;

- полужидкостное – одновременно жидкостное и граничное.

О сновная зависимость между силой F_T, возникающей вследствие трения скольжения, и силой взаимодействия N тела 1 и 2 (рис.7) по нормали, установленная Амонтоном – Кулоном, имеет вид

F_T = f N,

где f – коэффициент трения,

N = Q.

Коэффициент трения, являющийся. безразмерной величиной, зависит от физической природы и состояния трущейся пары, т.е.шероховатости поверхности, наличия и сорта смазки, давления, скорости относительного скольжения и др. Опыты показали, что следует различать коэффициент трения покоя f_о ( при трогании с места или статического) от коэффициента трения движения (кинетического).

Из рис. 7 видно, что

tg = = = f.

П олная реакция R отклонена от нормали N на угол , который называют углом трения скольжения. Таким образом, для учета сил трения в поступательной паре реакцию R надо отклонить от направления нормали N так, чтобы она образовала тупой угол с вектором относительной скорости ползуна 1 относительно направляющей 2.

Трение качения. Вследствие контактных деформаций трение качение сопровождается неизбежным скольжением и рассеиванием энергии в результате внутреннего трения. Для расчета силы трения используют формулу Амонтона – Кулона. При качении цилиндра по плоскости (рис.8)

F_n,

где k – коэффициент трения качения; R – радиус цилиндра ; F_n – сила, с которой цилиндр прижат к плоскости.

Коэффициент трения качения составляет k = (0,01…0,05)мм в зависимости от твердости стали.

Для уменьшения сил трения в зону соприкосновения (контакта) вводят смазочный материал. Действие смазочного материала, в результате которого уменьшается сила трения, называют смазкой.

Эффективность использования машин и механизмов оценивается их механическим коэффициентом полезного действия (КПД), который определяется отношением полезной работы ко всей совершенной работе

 = = = 1 - = 1 - ,

где A_пс – работа сил полезного сопротивления;

A_д – работа движущих сил;

A_T – работа, связанная с преодолением сил трения в кинематических парах и сил сопротивления среды;

 =A_T/A_д - механический коэффициент потерь, который показывает, какая доля механической энергии, подведенной к машине, вследствие наличия различных видов трения превращается в конечном счете в теплоту и бесполезно теряется, рассеиваясь в окружающую среду. Так как потери неизбежны, то всегда   0. и, следовательно, всегда механический КПД   1.

Повышенные значения сил трения заметно снижают КПД механизма, существенно влияют на распределение сил и движения звеньев в механизме. При некоторых соотношениях между параметрами механизма вследствие трения движение звена в требуемом направлении невозможно независимо от величины движущей силы. Такое явление называется самоторможением механизма. В большинстве механизмов самоторможение недопустимо, но в некоторых случаях оно используется для предотвращения самопроизвольного движения в обратном направлении.

Вопросы для самопроверки.

1. Назовите виды трения. Их принципиальные отличия.

2. Напишите формулу Амонтона – Кулона для определения силы трения скольжения.

3. Что представляет собой коэффициент трения скольжения? От чего он зависит?

4. Что представляет собой коэффициент трения качения?

5. Напишите формулу для определения силы трения качения.

6. Что называют механическим коэффициентом полезного действия? От чего он зависит?

7. Что такое коэффициент потерь? Может ли он быть равным или меньше нуля?

8. Что такое явление самоторможения?

I II. ОСНОВЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

1. Основные модели прочностной надёжности

элементов конструкций

1.1. Задачи и методы сопротивления материалов

В процессе эксплуатации машин и механизмов всякий элемент конструкции в результате действия на него внешних сил изменяет в той или иной степени свои первоначальные размеры и формы, т. е. деформируется. Эти изменения могут привести либо к разрушению, либо к недопустимому искажению его формы и размеров.

Чтобы этого не произошло, необходимо правильно выбрать материал и размеры для каждого элемента конструкции в зависимости от характера действующих сил и условий эксплуатации.

Основной задачей науки о сопротивлении материалов, таким образом, является разработка простых, но эффективных методов расчёта надёжных и наиболее экономичных в отношении веса и размеров различных элементов сооружений и машин.

Решение поставленной задачи даёт наука о сопротивлении материалов, в которой излагаются и разрабатываются инженерные методы расчёта элементов конструкций и машин на прочность, жёсткость и устойчивость.

Под прочностью понимают способность конструкции и её элементов сопротивляться разрушению под действием приложенных к ним внешних сил.

Под жёсткостью понимают способность конструкции и её элементов сопротивляться изменению своих первоначальных форм и размеров под действием приложенных к ним внешних сил.

Расчёты на прочность и жёсткость являются основными видами расчёта, изучаемыми в курсе сопротивления материалов.

Однако имеется ряд задач, в которых приходится решать вопрос об устойчивости элементов конструкции. Под устойчивостью понимают способность конструкции и её элементов сохранять определённую начальную форму равновесия.

Сопротивление материалов – инженерная наука, для неё характерны упрощающие гипотезы и приближённые приёмы расчёта, широкое привлечение экспериментальных методов оценки обоснованности расчётных данных.

Сопротивление материалов, с одной стороны, связано с материаловедением, а с другой – опирается на законы и теоремы общей механики и в первую очередь на законы статики. Методы сопротивления материалов широко используются в расчётах деталей машин.