1.2 Геометрические характеристики поверхности

Наиболее широко в современных парах трения транспортных машин используются металлические сплавы, характеризуемые металлической связью между атомами и наличием электронного газа из валентных электронов внутри тела.

Второе место по распространенности в узлах трения занимают полимеры и композиты на их основе. Они характеризуются ковалентными связями между атомами и Ван - дер - Ваальсовыми между макромолекулами. Полимерные материалы могут быть одновременно в разных агрегатных состояниях (твердом, высокоэластичном, вязкотекучем), фазовых состояниях (кристаллическом и аморфном), релаксационных состояниях (разная степень уравновешенности внутренних напряжений).

Особый класс составляют углеродные материалы и композиты. Типичный представитель этого класса - графит имеет слоистую структуру. Внутри слоев атомы углерода соединены значительно сильнее, чем отдельные слои между собой. Это и обеспечивает легкое межслойное скольжение.

В последнее время в ряде пар трения используют такие неорганические материалы как керамика и стекло. Чаще всего это аморфные материалы на основе окислов, солей и их смесей, но применяют и их кристаллические модификации, например, ситаллы. Эти материалы характеризуются ионными и ковалентными связями.

Для узлов трения специальных транспортных устройств характерно также использование различных комбинированных материалов: металлокерамики, минералокерамики, металлополимерных и т.п.

Независимо от природы материала и технологии изготовления любая реальная деталь имеет отклонения от идеальной геометрической формы, называемые погрешностями. С точки зрения причин образования, методов измерения и влияния на контакт их можно разделить на три категории: макрогеометрические отклонения, волнистость, шероховатость поверхности.

Макрогеометрическими погрешностями называются отклонения формы поверхности детали от геометрически идеальной, заданной чертежом. Например: конусность, бочкообразность, изгиб оси, непараллельность плоскости и т.п.

Следует отметить, что при проектировании узлов трения конструктор предусматривает контактирование по идеальным поверхностям и рассчитывает узел по номинальной площади касания.

Номинальная площадь касания S - геометрическое место всех возможных фактических площадок контакта, очерченная размерами соприкасающихся тел.

На практике из-за макрогеометричеких отклонений площадь касания может быть уменьшена (рисунок 1.4).

П од волнистостью поверхности понимают совокупность относительно регулярно чередующихся возвышений и впадин с шагом волны, значительно превышающим ее высоту.

Д ействие рабочих усилий в узле трения вызывает деформацию поверхностных слоев. При этом площадь касания возрастает. Площадь, образованная в местах касания объемным смятием тел обусловленным волнистостью, называется контурной площадью касания – S_k.

Контурная площадь всегда меньше номинальной S >> S_k.

Шероховатость поверхности - это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.

Реальные тела имеют все три типа погрешностей, поэтому фактическая площадь контакта - это сумма малых фактических площадок контакта соприкасающихся поверхностей (см. рисунок 1.5).

Фактическая площадь всегда меньше контурной и номинальной

S >> S_k >> S_ф

и составляет обычно 0,0001 номинальной.

Величина фактической площади касания зависит от нагрузки, распределения микронеровностей по высоте, их геометрических очертаний и механических свойств материала.

Характеристикой распределения материала в шероховатом поверхностном слое является кривая опорной поверхности (рисунок 1.6). Это график зависимости площади (сечений шероховатостей), определяемой как произведение сечений микроповерхностей на двух профилограммах, снятых во взаимно перпендикулярных направлениях, и сближения а или относительного сближения :

, (1.7)

где а – сближение (см. рисунок 1.6);

– наибольшая высота отдельной шероховатости.

Поскольку площадь фактического контакта составляет незначительную долю от контурной, наибольшую информацию содержит начальная часть кривой опорной поверхности.

Этот участок опорной кривой в координатах удовлетворительно аппроксимируется степенной зависимостью вида

, (1.8)

где ; – коэффициенты, определенные экспериментально.

Порядок этих величин составляет: для шлифованной поверхности – для полированной поверхности –

Я.И. Френкель разработал статистическую теорию шероховатости граней кристаллов. Последняя неизбежно возникает в результате теплового движения атомов. Самая гладкая металлическая поверхность имеет ступеньки на гранях кристаллов не менее 0,05-0,1 мкм. Следовательно, абсолютная гладкость поверхности недостижима.

Инженерные расчеты поверхностных контактных взаимодействий деталей машин в настоящее время основаны на том или ином модельном представлении отдельной микронеровности. Наиболее часто используемые модели это: 1-набор стержней; 2-клин; 3- пирамиджа; 4-конус; 5-фрагмент сферы; 6- мелкие полусферы на поверхности фрагмента крупной; 7-фрагмент эллипсоида; 8-фрагмент эллиптического параболоида; 9-фрагмент бочкообразного тела.

Анализ вышепреведённых данных показывает, что высота микронеровности аппроксимируется всеми моделями, радиус при вершине – только моделями 5…9, разница шага в продольном и поперечном направлении – только моделями 7…9. Среди последних наиболее простой представляется модель 9, так как в продольном и поперечном сечениях она ограничена окружностями.

Кроме модели необходимо знать распределение отдельных микронеровностей по высоте. Относительная частота высот шероховатостей, входящих в 40 % зону сближения составляет для - 85…93 % соответственно.

В заключении следует отметить, что в настоящее время, несмотря на имеющиеся разработки, отсутствует реальная методика, позволяющая расчетным путем определить величину фактической контактной поверхности при известных параметрах шероховатости и нагрузки.