Основы триботехники. 
Детали машин и основы конструирования

Общие сведения

Триботсхпика — научная дисциплина о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, изучающая вопросы их трения, изнашивания и смазывания.

Соприкасающиеся поверхности взаимно перемещающихся тел составляют пару трения. Узлы машин, содержащие пары трения, называют узлами трения. Величина трения в узле зависит от многих факторов: геометрии поверхностей трения, сочетания материалов, условий смазывания, конструкции узла и режима его работы.

Отрицательное влияние трения проявляется в виде потерь энергии и изнашивания деталей. В промышленности на преодоление сопротивления, создаваемого трением в подвижных соединениях, затрачивается около половины потребляемой энергии. Изнашивание приводит к изменению размеров, формы и состояния поверхностей деталей, а в итоге — к потере их работоспособности.

Нежелательные проявления трения сглаживаются и компенсируются смазыванием поверхностей трения. Смазка — это введение смазочного материала между поверхностями для уменьшения силы трения и/или интенсивности изнашивания.

Понятия «трение», «смазка» и «изнашивание» связаны неразрывно и зависят от состояния поверхностей. Поверхность реального твердого тела имеет отклонение от идеальной геометрической формы. Это макроотклонения формы, например в виде неплоскостности или нецилиндричности, являющиеся следствием неточности обработки. Это шероховатость в виде неровностей высотой от 0,05 до 500 мкм с углом наклона до 10°, зависящая от способа и режима обработки. Выступы шероховатости расположены на волнах неровностей высотой до 100 мкм и шагом 50…5000 мкм. Волнистость возникает из-за неравномерностей относительных движений и колебаний системы станок—инструмент—деталь при обработке деталей.

Указанные отклонения приводят к тому, что при контактировании реальных поверхностей они воспринимают нагрузку вершинами выступов. Первыми в контакт вступают противостоящие выступы, сумма высот которых наибольшая. По мере увеличения нагрузки деформация неровностей и частично их основ приводит к сближению поверхностей и в контакт вступают пары выступов с меньшей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт приводит к различной деформации выступов. Часть выступов деформируется упруго, часть — пластически.

В итоге площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах в местах наиболее полного сближения поверхностей. Площадь фактического контакта зависит от геометрии поверхностей, от физических и механических свойств поверхностного слоя, от величины нагрузки и продолжительности ее приложения.

Поверхности пар трения в результате их окисления покрыты пленками. Поверхностный слой материала под пленками в результате механической обработки имеет измененную структуру в сравнении с глубинной частью. Например, из-за наклепа микротвердость поверхностного слоя часто выше, чем у основы. На свойства поверхностного слоя оказывают влияние поверхностно-активные вещества, содержащиеся в смазочных материалах. Кроме того, после повышения температуры при механической обработке в поверхностном слое появляются остаточные напряжения.

В результате действия указанных факторов площадь фактического контакта на практике составляет под нагрузкой малую часть номинальной (контурной) площади и только при очень высоких нагрузках достигает 30…40% номинальной площади [4]. Величина площади фактического контакта и изменение ее под действием нагрузок являются факторами, от которых зависит трение, смазка и изнашивание поверхностей трения.