DM_1 / Деталі машин КЛ [Стадник В. А

Рис. 5.2. Схема до визначення сил тертя кочення Між тим досвід показує, що опір перекочуванню одного тіла по іншому

має місце.

Опір цей виникає основним чином тому, що як саме тіло, що котиться, так і тіло, по якому воно котиться, не є абсолютно твердими і завжди дещо деформуються у місці їх дотику.

Якщо циліндричний коток, що лежить на горизонтальній площині знаходиться тільки під дією нормальної сили G (рис. 5.2), то деформації котка і опорної поверхні будуть симетричні відносно лінії дії сили G . Приводячи реакції площини, розподілені по малій площадці дотику з площиною, до одної рівнодіючої Rn , будемо завжди одержувати її рівною за модулем і протилежною за напрямом силі G .

Якщо ж на коток буде діяти на деякій висоті (наприклад, r ) ще і горизонтальна сила F , то деформації котка і опорної поверхні не будуть уже симетричними відносно лінії дії сили G . Тоді лінія, навкруг якої

70

відбувається перевертання котка, і лінія дії реакції величину k від лінії дії сили G .

У разі рівноваги котка сила тертя Fmp дорівнює за модулем силі F ,

але напрямлена у протилежний бік. Отже, F і Fmp утворюють пару сил з плечем рівним r (величиною деформації нехтуємо), що зрівноважується парою сил Rn і G . Момент пари ( Rn і G ) називається моментом тертя кочення. Плечем цієї пари є величина k , яка називається коефіцієнтом тертя кочення. На відміну від коефіцієнта тертя ковзання, який є безрозмірною величиною, коефіцієнт тертя кочення має розмірність довжини.

Прирівнявши моменти зазначених пар

F × r = Rn × K ,

Коефіцієнт тертя кочення пропорційний радіусу циліндра (котка) і різний для різних матеріалів. Він залежить від пружних властивостей матеріалів тіл тертя і стану їх поверхонь. Для деякої пари тіл тертя він є постійною величиною.

Коефіцієнт тертя кочення k дістають дослідним шляхом і для пари деталей із незагартованих сталей k =(0,004…0,005) мм, а для пари деталей із загартованих сталей k = (0,001…0,002) мм.

Тертя кочення у більшості випадків значно (у багато разів) менше, ніж тертя ковзання, тому на практиці завжди прагнуть замінити там, де це можливо, ковзання коченням.

На практиці заміна тертя ковзання тертям кочення обґрунтована і будова широко застосовуваних роликових і кулькових підшипників. Перевага цих підшипників перед підшипниками ковзання, крім значно

71

менших втрат на тертя, полягає ще в тому, що їх опір під час пуску майже дорівнює опору під час усталеного руху (так як тертя кочення майже не залежить від швидкості).

5.2. Загальні відомості про поверхневі явища при терті та мащенні

На металічних поверхнях деталей, зразу ж після їх обробки різанням, тиском або виливанням, створюються окисні шари, які у більшості випадків зменшують зношування і тертя. В процесі тертя крихкі окисли руйнуються і зразу відновлюються, захищаючи в багатьох випадках ювенільні ( чисті, позбавлені окислів ) поверхні від заїдання.

Ці шари відіграють позитивну роль і в умовах мащення поверхонь тертя.

Процеси тертя, що відбуваються в контакті поверхонь тертя в присутності мастила, мають складну механо-фізико-хімічну природу і до сьогоднішнього дня до кінця не вивчені.

Рис. 5.3. Структура граничного шару на поверхні металу

А– полікристалічна структура металу;

Б– полікристалічний граничний шар; В – монокристалічний граничний шар

72

На рис. 5.3 представлена спрощена схема структури граничних шарів, що виникають на поверхні металу в процесі тертя.

Створюються вони за рахунок адсорбції – притягання до поверхні металу молекул поверхнево-активних речовин ( складових мастил – жирів тваринного та рослинного походження, жирних кислот та ін. ) під дією сил міжмолекулярної взаємодії в поверхневих шарах металу ( адсорбента ).

У найпростішому випадку адсорбційна плівка складається з одного ряду молекул, що закріпились до металу своїми активними кінцями і розташувались на його поверхні так само, як щетина розташовується на щітці. В інших випадках «щетина» може бути утворена двома, трьома рядами молекул, що приєдналися одна до одної. Перші ряди закріплюються строго перпендикулярно до поверхні, а тому їхнє розташування (Б) є дзеркальним по відношенню до полікристалічної структури металу (А). Оскільки зі збільшенням числа рядів «щетини» силове поле металу ослаблюється, то подальше формування плівки піде паралельно поверхні металу (В). Одержаний сумарний шар (Б+В) називається граничним, тому що він є перехідним ( границею ) між сухим тертям ( тертям окисних поверхонь ) та рідинним (Г). На рис. 5.3 – окисні шари не показані.

Адсорбційні граничні плівки мають з металічною поверхнею фізичний зв’язок. В процесі тертя вони постійно руйнуються і відновлюються. Очевидно для ефективного захисту поверхонь тертя потрібно, щоб швидкість формування перевищувала швидкість руйнування.

Гранична плівка має властивості твердого тіла. Має високий опір на стиск, що вимірюється в тисячах МПа, низький опір зсуву (коефіцієнт тертя зменшується в порівнянні з тертям без мастила в 2 – 10 раз; зменшується інтенсивність зношування в сотні раз). З підвищенням температури до 90° граничні шари руйнуються (наступає повна десорбція).

73

Решта плівок, створювані окислами, милами або елементоорганічними присадками, мають хімічний зв'язок (хемосорбція) з металом, тому руйнування цих плівок приводить до зношування поверхні тертя.

Коефіцієнт тертя (кінетичний) f в загальному випадку є функцією

характеристики режиму тертя λ = μ ×V∑ , де P – навантаження, яке

P

приходиться на одиницю довжини спряжених поверхонь, Н; V∑ - сумарна швидкість поверхонь тертя, м/с; μ - динамічна в'язкість мастила, спз.

Рис. 5.4. Залежність коефіцієнта тертя від характеристики режиму λ

Залежність f від λ представлена на рис. 5.4 кривою Херсі-Штрибека для ізотермічних умов. Падіння f на ділянці А зв’язане з підвищенням тиску в мастильному шарі, викликаним ростом V∑ і збільшенням ролі рідинного тертя. Крім того, з підвищенням швидкості товщина окисних плівок може

74

збільшуватися в результаті нагріву поверхонь тертя, що при граничному терті приводить до зменшення опору зсуву. Величина f досягає мінімуму

при виході на режим рідинного тертя в умовах дуже тонких шарів (0,1 мкм і менше). В цьому випадку (ділянка Б) відбувається змішане тертя (граничне з переходом в рідинне (гідродинамічне)), а потім по мірі росту λ постійно зростає (ділянка В). Поверхні тертя 1 і 2 розділені шаром мастильного

матеріалу, товщина якого перевищує суму висот їх нерівностей Rz1 і

Rz2 (рис. 5.4, в) і розміри твердих часток, які можуть опинитися у мастилі в результаті його засмічення. При цьому навантаження (тиск P ), що несе шар мастила і опір руху визначається внутрішнім тертям між шарами рідини (мастила), обумовленим її в’язкістю. Це найбільш вигідний режим ковзання, який характеризується майже повною відсутністю зношування робочих поверхонь і дуже низьким коефіцієнтом тертя ( f ≈0.010…0.001), а іноді і нижчим.

Слід зазначити, що необхідною умовою рідинного (гідродинамічного) тертя є наявність зазору клиновидної форми при зближенні контактуючих поверхонь.

Контрольні запитання

1.За яких умов виникають тертя ковзання і тертя кочення?

2.Напишіть формули для визначення коефіцієнтів тертя ковзання і кочення. В чому полягає різниця між цими коефіцієнтами?

3.Властивості кута і конуса тертя. Де використовуються ці властивості?

4.Охарактеризуйте режими тертя ковзання в присутності мастила.

5.Структура граничних мастильних шарів.

6.В чому полягає адсорбція і десорбція молекул поверхневоактивних речовин на поверхні тертя?

75

Розділ ΙΙ . Розрахунки і конструювання

механічних передач

(Лекція 3 - 11)

Будь-яка сучасна машина, як відомо, містить робочі органи для виконання тієї чи іншої роботи (обробка металів різанням, штамповка, транспортування та ін.) та привод для приведення в рух робочих органів.

Тема 6. Приводи машин і їх елементи

6.1. Привод машини – система, яка складається з двигуна та зв'язаних з ним пристроїв для приведення в рух одного або декількох робочих органів (виконуючих механізмів).

Рис. 6.1. Схема приводу: 1 – двигун; 2 – передача; 3 – робочий орган; 4 і 5 – муфти

Структурна схема приводу включає двигун того або іншого типу і передачу (трансмісію).

Машинні приводи загального призначення класифікуються за рядом ознак. Основними з них є:

76

а) кількість двигунів і схема їх з’єднання з передачами; б) тип двигунів; в) тип передачі.

Особливу групу складають приводи, в яких використовуються вмонтовані (владнані) двигуни або вмонтовані механічні передачі – моторредуктори.

За кількістю двигунів розрізняють приводи:

групові;

однодвигуневі;

багатодвигуневі.

Груповим називають привод, в якому від одного двигуна за допомогою механічних передач приводиться в рух декілька окремих механізмів або машин, наприклад, вантажопідйомні машини, дорожні машини.

Однодвигуневий привод є найбільш розповсюджений, особливо при використанні електродвигунів.

Якщо ж окремі механізми однієї і тієї ж машини приводяться в рух від окремих двигунів, то такий привод називають багатодвигуневим.

За типом двигунів приводи поділяються на:

1.електричні;

2.приводи з двигуном внутрішнього згорання (ДВЗ);

3.гідравлічні;

4.пневматичні.

Предметом вивчення в курсі "Деталей машин" є приводи загального призначення, які містять стандартний електродвигун і однотипні механічні передачі, в тому числі стандартні редуктори.

На рис. 6.2 показано однодвигуневий привод загального призначення з розгалуженням енергії до двох робочих органів (виконуючих механізмів).

77

Рис. 6.2. Двопотоковий привод загального призначення: 1 – електродвигун; 2 – пасова передача;

3 – зубчаста передача (редуктор); 4 – муфта; 5 – опори; 6 і 7 – вихідні вали; 8 – рама

Приводи машин можуть містити різні типи передач: циліндричні і конічні – зубчасті; черв'ячні; планетарні; хвильові; комбіновані; пасові; ланцюгові та інші.

У зв'язку з широким розповсюдженням комплексної механізації і автоматизації виробництва значення передач буде зростати, а тому в процесі начання майбутні інженери-механіки повинні оволодівати сучасними методами розрахунків і конструювання передач та в майбутньому бути здатними удосконалювати їх.

78

6.2. Передачі

Більшість сучасних машин створюється за схемою двигун-передача- робочий орган (виконавчий механізм) (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Схема машини Передача. Пристрій для передачі енергії на відстань називається

передачею.

В залежності від способу здійснення передачі енергії розрізняють механічні, електричні, гідравлічні та пневматичні передачі.

У курсі "Деталі машин" вивчають лише механічні передачі. У подальшому для скорочення механічні передачі називатимемо одним словом

– передачі.

Необхідність введення передачі як проміжної ланки між двигуном і робочими органами машини пов'язана з розв'язуванням ряду задач.

Наприклад, в автомобілях та інших транспортних засобах треба змінювати швидкість руху, а на підйомі та в разі рушання необхідно в декілька разів збільшити обертальний момент на ведучих колесах. Сам автомобільний двигун не в змозі виконати це, тому що він стало працює лише у вузькому діапазоні змінювання обертального момента та кутової швидкості. Те ж саме можна сказати про асинхронні електричні двигуни.

Дійсно, частота обертання асинхронного двигуна регулюється зміною числа пар полюсів Р і частоти f електричного струму. Оскільки частота

електричного струму прийнята 50 Гц або 3000 хв-1, а число пар полюсів Р =1,