ВИДЫ ТРЕНИЯ В УЗЛАХ МАШИН

По характеру относительного движения контактируемых элементов кинематической цепи различают трение скольжения и трение качения. Иногда оба вида трения проявляются совместно, когда качение сопровождается проскальзыванием, например в зубчатых и зубчато-винтовых передачах или между колесной парой и рельсами.

В зависимости от того, является лиотносительное перемещение контактируемых тел макро- или микросмещением, различают:

- силу трения движения (скольжения),

- неполную силу трения покоя,

- наибольшую силу трения покоя.

Сила трения движения – сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, касательно направленной к общей границе между этими телами.

Наибольшая сила трения покоя- сила предельного сопротивления относительному перемещению соприкасающихся тел без нарушения связи между ними (т.е. при отсутствии смещения в контакте).

Неполная сила трения покоя – сила сопротивления, направленная противоположно сдвигающему усилию, при отсутствии смещения в контакте. Она изменяется от нуля до наибольшего значения, когда она становится равной силе трения покоя.

Деформация тел, в первую очередь неровностей их поверхностей под действием сдвигающего усилия и противоположной ему неполной силы трения покоя, вызывает предварительное смещение тел, предшествующее их относительному макроперемещению. Предварительное смещение мало по величине и пропорционально приложенной сдвигающей силе. Оно частично обратимо, т.е. после удаления сдвигающей силы происходит обратное смещение. На площадках фактического контакта предварительное смещение равно нулю!?

Основные виды трения:

1. Трение без смазочного материала

2. Трение при граничной смазке

3. Жидкостная, вязкопластичная и контактно-гидродинамическая смазка

4. Трение при полужидкостной смазке

Трение без смазочного материала. Трение без смазочного материала и при отсутствии загрязнений между трущимися поверхностями бывает:

- в тормозах,

- фрикционных передачах,

- в узлах машин текстильной, пищевой, химической промышленности, где смазочный материал во избежание порчи продукции либо по соображениям безопасности недопустим,

- в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не пригоден.

Трение имеет молекулярно-механическую природу (*Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение.-1968.- 480 с.). На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, которые проявляются на расстояниях, в десятки раз превышающих межатомарное расстояние в кристаллических решетках, и увеличиваются с повышением температуры.

Молекулярные силы при наличии либо отсутствии промежуточной вязкой прослойки (влаги, загрязнения, смазочного материала и т.п.) вызывают адгезию (слипание) контактирующих тел.

(*Адгезионная модель трения - конец 19-го века – Л.Брюллюэн, указал на возможность рассеяния энергии в теплоту при последовательном разрыве и образовании адгезионных связей. Иначе говоря, при скольжении происходит непрерывный обмен связей. Тепловыделение при подобном обмене неизбежно, т.к. силовые поля вокруг молекул по-разному реагируют на сжатие и растяжение. Данная теория предполагает, что когда две молекулы вступают в контакт (т.е. входят в поле отталкивания) и затем расходятся, теряется энергия, что и является трением (Д. Томплинсон). Идея рассеяния энергии при микроскопическом обмене адгезионных связей получила дальнейшее развитие в работах В. Кузнецова, Б. Дерягина, Г. Бартенева).

Адгезия возможна между металлами и пленками окислов. Она может быть обусловлена одновременно и действием электростатических сил. Силы адгезии, как и молекулярные силы, прямо пропорциональны площади фактического контакта. Давление влияет на эти силы косвенно, через площадь фактического контакта.

Молекулярные силы как и силы адгезии направлены перпендикулярно поверхности, и казалось бы, не должны совершать работу при относительном тангенциальном перемещении. Но относительное смещение поверхностей при наличии взаимного притяжения и адгезии сопровождается деформацией сдвига. Материал не обладает идеальной упругостью, следовательно, возникают необратимые деформации, которые связаны с потерей энергии.

Наиболее сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей. Сила трения в этом случае зависит от протяженности зон схватывания и сопротивления их разобщению (разрыва).

Фрикционная сила обусловлена механическим и молекулярным взаимодействиями:

, (* тот же закон Амонтона-Кулона)

где - средняя интенсивность молекулярной составляющей силы трения; - фактическая площадь контакта; - коэффициент характеризующий механическую составляющую силы трения; - сила давления.

На основе данной теории - назван коэффициентом трения, поскольку согласно принятого представления это соотношение должно называться коэффициентом трения:

.

* практически повторяется закон Амонтона-Кулона, правильнее данную функциональную зависимость назвать не коэффициентом трения, а относительной фрикционной силой, которая включает в себя два компонента. Сравним , делим на , получаем: .

Многие исследователи считают, что составляющая силы трения, обусловленная пластической деформацией (т.е. механическим воздействием) весьма незначительна - несколько процентов).

Пример доказательства существенного влияния молекулярной составляющей.

В вакууме возникает большой коэффициент трения. Если же в вакуумную камеру впустить воздух, то за очень короткий промежуток времени коэффициент трения уменьшается в несколько раз. За это время кислород не успевает образовать пленку окисла, который бы сгладил неровности поверхности трения.

Попутно отметим, что при трении качения молекулярная составляющая несущественно влияет на трение.

Статическая сила трения (страгивание) зависит от продолжительности неподвижного контакта, т.е. возрастает (до некоторого предела).

Сила трения движения зависит от скорости скольжения. При этом существенную роль играет давление и твердость сопряженных тел. Коэффициент трения может возрастать, убывать, переходить через максимум или минимум.

Трение без смазочного материала нестабильно, часто сопровождается скачкообразным скольжением поверхностей. Вибрация автомобиля при включении муфты сцепления, «дергания» при торможении, «визг» тормозов, вибрация резцов при резании.

Некоторые мероприятия борьбы со скачками при трении:

- увеличение жесткости системы,

- повышение скорости скольжения,

- подбор пар трения, для которых коэффициент трения незначительно возрастает

с ростом продолжительности неподвижного контакта и при повышении скорости

через минимум не переходит.

Пленки окислов, влага и загрязнения на металлических поверхностях влияют на коэффициент трения двояко.

Силы молекулярного притяжения между ними могут быть в сотни раз меньше, чем в случае взаимодействия металла при чистом контакте. Кроме того, прочность окислов обычно меньше прочности основного металла, поэтому сопротивление «пропахиванию» и срезанию частиц при перемещении, наряду с силами молекулярного взаимодействия, значительно понижается, и коэффициент трения падает.

Толстые пленки окислов обладают меньшей твердостью, и наличие их приводит к повышению площади фактического контакта (причем, если это возрастание будет протекать быстрее, чем уменьшение механической составляющей, то произойдет увеличение силы трения ???).

При высоких температурах. При температурах выше температуры разложения минеральных масел, или температур плавления либо разложения твердых смазочных материалов на поверхностях трения (даже в условиях высокого разрежения) образуется оксидная пленка.

Свойства этой пленки в отношении равномерности покрытия, плотности и прочности связей с основанием, а также интенсивность ее образования зависит от состава сплава. Пленка при соответствующем составе уменьшает силу трения и интенсивность изнашивания и предохраняет поверхности от коррозии и непосредственного контактирования.