Лекция № 18 Трение в механизмах и машинах

Сила сопротивления относительному перемещению двух тел называется силой трения. Различают силу трения покоя и силу трения движения. Трение F_т движениям зависимости от ха­рактера относительного движения разделяют на трение сколь­жения, трение качения, трение верчения, как разновидность трения скольжения.

Часто трение скольжения и трение качения сменяют друг друга.

Трение скольжения может быть сухим, граничным или жидкостным. Сухим называется трение между твердыми тела­ми, поверхности которых имеют на себе пленки окислов и ад­сорбированные на их поверхности молекулы газа, а также мел­кие твердые частицы, взвешенные в атмосфере.

Силы трения покоя F_т, пока сдвигающая сила F eщё не вы­звала скольжение тел, зависит от продолжительности контак­та тел в покое. Когда изменится знак неравенства F > F_т ско­рость скольжения воз­растет скачкообразно (рис. 112).

По современным представлениям силы трения есть совокуп­ность сил, необходи­мых для преодоления препятствий в виде микронеровностей поверхности и сил моле­кулярного взаимодей­ствия соприкасающихся микронеровностей. Фактическая площадь касания поверхностей тел — пло­щадь касания микронеровностей. Даже малые силы, направ­ленные по нормали к номинальным сопряженным поверхно­стям, вызывают контактные напряжения, в сотни мегапаскалей.

Рис. 112.

Силы сухого трения из-за шероховатости поверхности име­ют дискретный характер

Коэффициент трения по закону Кулона

(18.1)

Постоянные В и β зависят от физической природы тел и шероховатости поверхностей, первое слагаемое значительно при малой шероховатости, при отсутствии окисных пленок на поверхности тел и малых значениях. При скольжении тела микронеровности разрушаются, площадь контакта растет. Возникают колебания, статическое электричество.

Вследствие пластических деформаций и колебаний часть энергии рассеивается в виде тепла

Коэффициент трения явно зависит от скорости скольжения v_ск (рис. 113) и косвенно от нормальной силы F_n:

(18.2)

где a, b, c, d – постоянные, зависящие от природы тел и силы F_n.

Рис.113.

Для некоторых сопряженных пар (ме­таллы и неметалличе­ские материалы) максимумы на кривых отсутству­ют. Аналитические зави­симости вида (18.2) мало исследованы, поэтому в инженерных расчетах ис­пользуется закон Амонтота, согласно которому

(18.3)

Коэффициенты трения получают экспериментально. Испытываются образцы трущихся пар. Состояние поверхности и образцов материалов в разных лабораториях не одинаково, по­этому результаты испытаний разные. Их средние значения для некоторых материалов приведены в таблице 18.1.

Таблица 18.1

Материалы	f	Материалы	f
Сталь-сталь (чугун)	0,15...0,20	Медь-латунь	0,27
Сталь-алюминий	0,18...0,20	Медь-алюминий	0,27
Сталь-бронза оловянная	0,16	Латунь-латунь	0,16
Сталь-латунь	0,19	Латунь-алюминий	0,27
Сталь-бумага	0,20	Латунь-рифленый цинк	0,50
Сталь-резина	0.35...0,40	Бронза-бронза	020
Сталь-текстолит	0,20...25	Бронза-алюминий	0,22
Сталь-ферадо	0,30.,.0,35	Алюминий-алюминий	0,22
Cталь-медь	0,13	Резина-бумага	0,39
Медь-медь	0,20	Рифленая латунь- бумага	0,42

От сухого трения отличают так называемое граничное тре­ние между сопряженными поверхностями, на которых кроме пленок окиси находятся тонкие пленки адсорбированных из воздуха веществ—молекул кислорода, воды и тонкие масля­ные пленки.

Чем выше молекулярный вес перечисленных здесь пленок, тем меньше коэффициент трения. Кроме того, тонкая масля­ная пленка, проникая в микропоры поверхности, снижает прочность металлов у поверхности, что приводит к пластиче­ским деформациям, выравниванию поверхности, к снижению коэффициента трения.

Когда в зазор между звеньями кинематических пар пода­ется смазка, характер трения изменяется. Скольжение происходит между частицами масла, прилипшими к поверхностям тел, если толщина его слоя больше суммы высот микронеров­ностей. Прилипание масла к поверхностям кинематических пар происходит под действием молекулярных сил твердого тела. Это явление называется адсорбцией. Образуется тонкий пограничный слой, в котором молекулы масла ориентирова­ны. Вне пограничного слоя они расположены хаотически.

Упорядоченное расположение молекул масла в погранич­ном слое превращает граничный слой в квазикристаллическое образование с пределом прочности в 3000 МПа.

Вследствие вязкости масла оно сопротивляется сдвигу.

Износ при трении. До сих пор в теории упругости и связанных с нею исследованиях пользуются терминами напряжение и деформация, проч­ность и жёсткость, то есть, по существу, понятиями сил и перемещений. Одна­ко сейчас всё больше склоняются к энергетической концепции. Такой подход позволяет объяснить очень многое, и его кладут в основу современных моделей прочности материалов и поведения конструкций, то есть в основу механики разрушения.

Под энергией здесь понимается способность совершать работу. Сущест­вует множество видов энергии — потенциальная, тепловая, химическая, элек­трическая и т.д. В материальном мире всякое событие сопровождается превра­щением одной формы энергии в другую. Энергия не может быть создана или уничтожена, так что общее количество энергии, имевшееся до какого-либо фи­зического процесса, остаётся таким же и после него. Этот принцип, как из­вестно, называется законом сохранения энергии.

Способность материала или детали запасать упругую энергию и при действии нагрузки отклоняться упругим образом без разрушения называется резильянсом и является очень ценным качеством конструкции. Резильянс можно определить как количество упругой энергии, которое можно запасти в конст­рукции, не причиняя ей повреждений. Это важное качество для любой конст­рукции, так как без него она не могла бы поглощать энергию ударов: чем большим резильянсом обладает конструкция, тем лучше. (Например, зубья ко­лёс с твёрдой поверхностью и мягкой сердцевиной.)

Движущееся тело «расходует» свою энергию не только на преодоление сопротивления окружающей среды, но и из-за наличия трения. Сила трения действует на поверхности соприкосновения тел и затрудняет их перемещение относительно друг друга. С точки зрения надёжности трению принадлежит ве­дущая роль в оценке энергетической эффективности машин. С одной стороны идёт борьба за уменьшение потерь на трение, за увеличение КПД, с другой - совершенствование тормозов, фрикционов и т.д. - проблемы, которые прихо­дится постоянно решать в инженерной практике.

Различают следующие виды трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения. Трение покоя проявляется лишь в том случае, когда тело, на­ходящееся в состоянии покоя, приводится в движение. Коэффициент трения покоя обозначается f₀. Трение скольжения возникает в результате зацепления микронеровностей и от молекулярных сил притяжения при относительном по­ступательном или вращательном перемещении тел.

В поступательной кинематической паре сила трения F_тр всегда направ­лена вдоль поверхности соприкосновения в сторону, противоположную движе­нию. Она всегда меньше силы нормального давления F_n. При отсутствии ре­жима жидкостного трения F_тp = f ∙ F_n, где f — коэффициент трения скольжения. Он значительно меньше коэффициента трения покоя (f < f₀).

Рис.114. Диаграмма Герси-Штрибека

Во вращательной кинематической паре зависимость коэффициента трения от скорости v или параметра описывается диаграммой Герси-Штрибека (рис. 114). При условии жидкостного трения сила трения F_тp = f_тp ∙ v, где f_тp - коэф­фициент вязкого трения, он зависит от толщины смазки, её вязкости и величи­ны поверхностного соприкосновения.

Трение качения проявляется в том случае, когда тело катится по опоре. Сила трения качения зависит от радиуса катящегося предмета. Трение качения возникает в высших кинематических парах (колесо - дорога, тела качения и дорожки колец в подшипнике качения), когда возможно взаимное качение звеньев. Сопротивление качению звеньев (рис. 115) выражают обычно момен­том пары сил трения качения М_тр = F∙k, где к - коэффициент трения качения. Направление момента М_тр противоположно направлению соответствующей от­носительной угловой скорости со.

Рис. 115. Коэффициент трения качения

Трение - это сложный механо-физико-химический процесс, результатом которого яв­ляются нагрев и изнашивание. Эксперименталь­но установлено, что большая часть энергии, вы­деляющаяся при трении (до 99 %), переходит в теплоту и только ничтожная часть (около 1 %) поглощается материалом трущейся пары и затрачивается на износ. Однако больше 80% деталей машин выходит из строя по причине износа.

Износ - это результат процесса постепенного изменения размеров и по­тери массы детали по её поверхности, происходящего при трении под действи­ем поверхностных сил. Сам этот процесс называют изнашиванием. Изнашивание, так же как и трение, является комплексным процессом, не относящимся к основным, базовым закономерностям физики. Износ является наиболее ха­рактерным видом разрушения поверхностей деталей в большинстве машин и механизмов: изнашиваются направляющие и опоры скольжения, поверхности трения фрикционных муфт и тормозов; зубья в зубчатых, червячных, цепных и винтовых передачах; цилиндры и поршневые кольца; кулачки и шарниры, а также многие другие детали машин.

Современное представление о природе изнашивания базируется на хо­рошо изученном факте дискретности контакта шероховатых тел. Контактиро­вание и изнашивание происходят в отдельных микроконтактах, так как факти­ческая площадь контактов составляет примерно 1…2 %. При этом фактическое контактное давление (напряжение в контактах) многократно превосходит но­минальное (удельное) давление в результате влияния шероховатости и волни­стости.

В современной теории изнашивания интенсивность износа не связывают с касательными силами трения, так как далеко не вся энергия, выделяющаяся при трении, идёт на разрушение поверхности, и, как видно из диаграммы Герси-Штрибека (см. рис.114), при одинаковом коэффициенте трения износ будет зависеть от режима трения.