§3.3Трение в механизмах

Силовой расчет и анализ движения механизмов до сих пор рассматривались без учета сил трения. Трение играет большую роль при работе механизмов. Как указывалось в п. 3.1.1 данной главы, трение относится к силам вредного сопротивления и является нежелательным элементом. В данном параграфе мы рассмотрим виды трения и определение сил трения в различных кинематических парах.

3.3.1 Виды трения. Закон Амонтона - Кулона

Трение представляет собой сложный комплекс механических, физических и химических явлений.

Различают два основных вида трения:

1. Сухое трение– трение двух несмазанных поверхностей.

2. Жидкостное трение– трение двух смазанных поверхностей.

Сухим трениемтакже можно назвать такой вид трения, при котором выступающие неровности поверхностей непосредственно соприкасаются друг с другом. Если же между двумя поверхностями имеется слой смазки и поверхности между собой не соприкасаются, то такой вид трения называютжидкостным трением.

Также существуют промежуточные виды трения:

1. Полусухое трение– вид трения, при котором наиболее выступающие поверхности не разделяются слоем смазки и приходят в непосредственное соприкосновение.

2. Полужидкостное трение– вид трения, при котором большая часть выступающих поверхностей разделяется слоем смазки.

Различие между полусухим и полужидкостным видами трения заключается в том, какой из основных видов трения преобладает.

По видам относительного движения трение различают:

1. Трение скольжения в низших кинематических парах Iрода – внешнее сопротивление при поступательном движении.

2. Трение качения в низших кинематических парах Iрода – внешнее сопротивление при перекатывании двух соприкасающихся тел.

3. Трение качения со скольжением в высших кинематических парах IIрода.

Явление сухого и жидкостного видов трения по своей природе совершенно различны. Мы рассмотрим только трение скольжения и качения несмазанных поверхностей.

Рассмотрим движение тела по наклонной плоскости.

Из курса физики известно, что на тело, движущееся по наклонной плоскости (рисунок 3.41), и находящееся под действием силы тяжести G, действуют силы:N- сила нормального давления (нормальная составляющая реакции наклонной плоскости),F_тр - сила трения (сила сопротивления движению).

Для равновесия тела необходимо, чтобы выполнялись равенства:

F_тр= G sinα; N =G cosα,

где α - угол наклонной плоскости.

Из этих равенств следует:

F_тр/N = tgα. (3.104)

Равновесие возможно, пока угол α не превышает некоторого предельного значения φ и пока имеет место равенство

tgα  tgφ.

Обозначим tgφ = ƒ, тогда tgα  ƒ.

φ

N

F_тр

αGsinα

Gcosα

G

Рисунок 3.41 - Трение на

наклонной плоскости

Из равенства (3.104) с учетом данного неравенства, следует:

F_тр= ƒN. (3.105)

Равенство (3.105) носит название закон Амонтона-Кулона,который гласит:сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления.

В этой формуле ƒ - коэффициент трения покоя, φ - угол трения покоя.

На основе ряда экспериментов Кулоном была установлена зависимость силы трения от величины нормального давления:

F_тр=А+ƒN, (3.106)

где А – постоянная трения, зависящая от «цепкости» поверхностей. Формула (3.106) также носит название закона Амонтона-Кулона. В большинстве технических расчетов постоянной А пренебрегают и пользуются формулой (3.105).

Основные положения закона Амонтона-Кулона

1. Коэффициент трения считается постоянным и сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления.

2. Сила трения всегда направлена в сторону, противоположную относительной скорости.

3. С увеличением скорости движения сила трения уменьшается.

4. Трение не зависит от величины соприкасающихся поверхностей.

5. Трение зависит от материалов и состояния трущихся поверхностей.

6. Трение возрастает с увеличением времени предварительного контакта соприкасающихся поверхностей.

Рассмотрим определение силы трения для различного вида движений.