1.

Введение

в триботехнику

1.1 Общие сведения

1.2 История развития триботехники

1.3 Основные термины триботехники

1.4 Выводы

1.5 Вопросы для самоподготовки

2. Контактирование и трение в узлах машин

2.1 Взаимное контактирование деталей

2.2 Классификация видов трения

2.2.1 Трение без смазочного материала

2.2.2 Трение со смазочным материалом

2.2.2.1 Граничное трение

2.2.2.2 Жидкостное трение

2.2.2.3 Смешанное трение

2.3 Вопросы для самоподготовки

3. Триботехнический анализ работы антифрикционных пар трения

3.1 Общие положения триботехнического анализа

3.2 Триботехнический анализ работы подшипников скольжения коленчатого вала

3.3 Триботехнический анализ работы подшипников качения

3.4 Триботехнический анализ работы деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателей

3.5 Триботехнический анализ работы зубчатых передач

3.6 Вопросы для самоподготовки

4. Потери на трение в автомобильных двигателях

4.1 Потери на трение относительно полной энергии

4.2 Потери на трение и влияющие на них факторы

4.2.1 Соотношение потерь на трение в отдельных узлах двигателя

4.2.2 Влияние давления в цилиндре, частоты вращения и нагрузки

4.2.3 Влияние вязкости смазочного материала

4.2.4 Влияние отношения хода поршня к диаметру цилиндра

4.2.5 Сравнение потерь на трение при прокрутке стартером и рабочем режиме

4.3 Вопросы для самоподготовки

5. Избирательный перенос (эффект безызносности) и его применение в технике

5.1 Общие сведения об открытии избирательного переноса при трении и его сущность

5.2 Механизм образования сервовитной плёнки

5.2.1 Формирование плёнки в паре трения

бронза — сталь при смазывании глицерином

5.2.2 Формирование сервовитной плёнки в узле трения сталь — сталь при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы бронзы, меди, свинца, серебра и др.

5.2.3 Формирование сервовитной плёнки на деталях компрессора бытового холодильника

5.3 Структура сервовитной плёнки

5.4 Перспективные исследования в области избирательного переноса

5.5 Вопросы для самоподготовки

6. Триботехнический анализ работы фрикционных пар трения

6.1 Специфика трибологических процессов во фрикционных устройствах

6.2 Классификация фрикционных устройств

6.3 Фрикционные муфты

6.4 Фрикционные тормоза

6.5 Фрикционные материалы

6.6 Вопросы для самоподготовки

7. Триботехнический анализ условий работы колеса

7.1 Движение автомобильного колеса с шиной по дорожному покрытию

7.2 Сцепление шины с дорогой

7.3 Изнашивание автомобильных шин

7.4 Вопросы для самоподготовки

8. Триботехнический анализ условий работы электрических контактов

8.1 Взаимосвязь электрических и механических факторов в скользящем контакте металлов

8.2 Роль смазки в электрическом скользящем контакте

8.3 Особенности скользящего электрического контакта композиционных материалов

8.4 Пути повышения работоспособности электрических контактов

8.5 Вопросы для самоподготовки

9. Триботехнические методы повышения долговечности узлов трения автотранспортных средств

9.1 Конструктивные методы повышения долговечности узлов трения

9.2 Технологические методы повышения долговечности узлов трения

9.2.1 Обработка деталей резанием

9.2.2 Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием

9.2.3 Повышение износостойкости термической и химико-термической обработкой поверхностей

9.2.4 Нанесение износостойких покрытий

9.2.5 Наплавка поверхностей

9.3 Эксплуатационные методы повышения долговечности

узлов трения

9.4 Вопросы для самоподготовки

Список использованных источников

Важнейшая проблема современной техники — внедрение и дальнейшее развитие работ по изысканию эффективных методов повышения износостойкости, решением которой занимается триботехника.

Эффективность применения триботехники в народном хозяйстве огромна и оценивается примерно в 2% государственного бюджета страны. Одна из особенностей триботехники, выгодно отличающей ее от других отраслей технических знаний, состоит в том, что огромный экономический эффект достигается в основном не техническим перевооружением промышленности, а благодаря использованию знаний, накопленных в этой области.

Все сказанное позволяет утверждать, что в современных условиях знание основ триботехники обязательно для каждого инженера — механика. Инженеру — конструктору оно даст возможность правильно спроектировать конструкцию подвижного сопряжения, подобрать соответствующие материалы трущихся деталей, назначить оптимальный режим работы сопряжения. Инженеру — технологу триботехника поможет выбрать совершенные технологические методы обработки, инженеру — эксплуатационнику — обеспечить надлежащий режим эксплуатации и обслуживания машин. Вопрос подготовки инженерно-технических и научных кадров — специалистов по триботехнике в настоящее время является актуальной задачей.

Настоящий курс «Основы триботехники» дает представление о природе и закономерностях внешнего трения и изнашивания шероховатых поверхностей; значении смазки и присадок при трении и изнашивании; закономерностях изнашивания и методике подбора материалов для трущихся сопряжений; конструктивных, технологических и эксплуатационных методах повышения износостойкости.

В основе учебного пособия лежат лекции, читаемые авторами, преподавателями кафедры автомобильного транспорта ОГУ, составленные путем систематического анализа большого количества учебников, научных монографий, статей в специализированных журналах, а также собственных работ. В пособии авторы попытались сделать акцент на системное изучение основ триботехники применительно к условиям эксплуатации автотранспортных средств. Такой подход предопределило отсутствие учебных пособий такой направленности.

Авторы выражают глубокую признательность рецензенту профессору кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей ОГУ к.т.н., доценту К. Ф. Дурневу и к.т.н., доценту Н. Н. Якунину за полезные советы. Авторы понимают, что впервые издаваемое подобного рода учебное пособие не лишено недостатков, и будут благодарны всем, кто выскажет свои замечания и предложения.

1.

Введение

в триботехнику

1.1 Общие сведения

Большинство машин (85 — 90%) выходит из строя по причине износа деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей в 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз. Касаясь двигателей автомобилей, следует отметить, что за весь срок службы их ремонтируют до 5 раз. Ресурс двигателя после ремонта по сравнению с ресурсом нового двигателя составляет 30 — 50%. Число рабочих, занятых ремонтом двигателей, в несколько раз превышает число рабочих, изготовляющих двигатели. Материальные затраты на ремонт также во много раз превосходят затраты на изготовление нового двигателя. Интересны данные по распределению трудовых затрат на весь срок службы автомобиля: на изготовление — 1,4%, на техническое обслуживание — 45,4%, на текущий ремонт — 46%, на капитальный ремонт — 7,2%.

Повышенный износ деталей в сочленениях в одних случаях нарушает герметичность рабочего пространства машины (например, в поршневых машинах), в других — нарушает нормальный температурный режим смазки, в третьих — приводит к потери кинематической точности механизма. В результате изнашивания снижается мощность двигателей, увеличивается расход горючесмазочных материалов, падает производительность компрессоров, возникает возможность утечки ядовитых и взрывоопасных продуктов через сальники и уплотнения, понижаются тяговые качества и ухудшается управление у транспортных машин, уменьшается производительность, снижается точность и качество обработки изделий на металлорежущих станках.

Износ и повреждение поверхностей снижают сопротивление усталости деталей. Повышенные износы нарушают нормальное взаимодействие деталей в узлах, могут вызвать значительные дополнительные нагрузки, удары в сопряжениях и вибрации, стать причиной внезапных разрушений и недопустимого шума. В многозвенных механизмах даже небольшой износ отдельных элементов может суммироваться на ведомом звене и нарушать нормальное функционирование механизма. Причем, масса механизма или машины по мере износа уменьшается незначительно. Например, автомобильный двигатель средней мощности после полного износа имеет потерю массы не более 1% от исходной.

В последние годы стремительными темпами во всех развитых странах мира развивается триботехника, что в первую очередь связано с требованиям создания экономичных и долговечных машин, приборов и аппаратов, технологического оборудования и инструментов, а также с экологическими проблемами.

Триботехника — наука о контактном взаимодействии твёрдых тел при их относительном движении, охватывающая весь комплекс вопросов трения, изнашивания и смазки машин.

В последние годы в триботехнике получили развитие новые разделы — трибохимия, трибофизика и трибомеханика.

Трибохимия — изучает взаимодействие контактирующих поверхностей с химически активной средой. Она исследует проблемы коррозии при трении, химические основы избирательного переноса и воздействие на поверхность деталей химически активных веществ.

Трибофизика — изучает физические аспекты взаимодействия контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении.

Трибомеханика — изучает механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении. Она рассматривает законы рассеяния энергии, импульсы, а также механическое подобие, релаксационные колебания при трении, реверсивное трение, уравнения гидродинамики и др.

Вопросы развития триботехники можно подразделить на следующие части, которые содержат самостоятельные этапы: учение о трении и изнашивании деталей машин; конструктивные решения вопросов трения и изнашивания; технологические методы повышения износостойкости деталей; эксплуатационные мероприятия по повышению долговечности машин.

1.2 История развития триботехники Первые попытки осмыслить природу трения были сделаны Аристотелем. Опираясь на наблюдаемые факты, он отмечал, что любое, в том числе равномерное, перемещение реальных тел в горизонтальной плоскости всегда встречает внешнее сопротивление, причем это сопротивление зависит от веса тела.

Значительный вклад в изучение причин трения внес Леонардо да Винчи. Обосновывая невозможность создания вечного двигателя, одной из причин этого он считал трение. Леонардо да Винчи впервые ввел понятие коэффициента трения, показал, что сила трения зависит от материала соприкасающихся поверхностей, от качества их обработки, прямо пропорциональна нагрузке и может быть уменьшена путем установки роликов или введения смазки между поверхностями трения. Он является изобретателем роликового и шарикового подшипников.

Открытие Галилеем в конце XVI века закона инерции и понятия о массе тела позволило четко разграничить сопротивление движению, вызываемое инерцией и возникающее лишь при изменении скорости, от сопротивления внешней среды, которое имеется и при постоянной скорости и вызвано силами внешнего трения.

В 1699 г. француз Амонтон впервые сформулировал знаменитый эмпирический закон линейной зависимости силы трения от нагрузки:

F = fN, (1.1)

где f — коэффициент трения;

N — нормальная к плоскости трения нагрузка.

Высказанная Амонтоном идея, объясняющая природу трения, как подъем одного тела по неровностям другого разделялась многими крупными ученными вплоть до конца XVIII в.

Большую роль в дальнейшем развитии представлений о трении сыграл Л. Эйлер, первый убедительно объяснивший (в 1750 г.) причину того факта, что сопротивление при переходе от состояния покоя к относительному движению всегда больше, чем сопротивление скольжению при тех же условиях.

Создателем науки о трении по праву считается великий французский ученый Шарль Кулон. В своем труде «Теория простых машин» (1781 г.) он охватил основные аспекты трения: сопротивление скольжению, сопротивление качению и сопротивление страгиванию.

При исследовании трения скольжения различных металлов, минералов и сортов дерева Кулон обобщил закон Амонтона, показав, что часть силы трения не завист или слабо зависит от нагрузки:

F = fN + А, (1.2)

где, А — часть силы трения, зависящая от «сцепляемости» поверхностей трения и площади касания.

Кулон был первым, кто понял, что трение обусловлено множеством факторов (нагрузкой, скоростью скольжения, материалом трущихся деталей, шероховатостью их поверхностей и др.). Исследуя трение качения, Кулон впервые вывел формулу сопротивления перекатыванию:

F = N/r, (1.3)

где — коэффициент трения качения, имеющий размерность длины;

N — вес свободно катящегося цилиндра радиусом r.

Эта классическая формула используется и сейчас, хотя предпринимались многочисленные попытки ее опровергнуть. Несмотря на фундаментальный вклад Кулона в теорию трения, он игнорировал энергетический и тепловой аспекты этого явления, без которых механизм трения понять невозможно.

Первым ученым, доказавшим, что механическая энергия при трении не исчезает, а превращается в тепло, был англичанин Бенжамин Томпсон (1798 г.). Наблюдая за сверление пушечных стволов, он пришел к выводу, что сильный нагрев заготовок есть прямой результат перехода подводимой к сверлу механической энергии в тепловую вследствие интенсивного трения инструмента о металл.

Дальнейший вклад в энергетические аспекты теории трения был сделан Майером (1842 г.), Джоулем (1843 г.), Гельмгольцем (1847 г.). Тогда же (в середине XIX в.) были высказаны и первые предположения об адгезионной природе трения (адгезия — сцепление, слипание поверхностей прижатых друг к другу тел). Исследование роли адгезионных связей в трении получило дальнейшее развитие в различных физических теориях трения в 30−40-х годах XX в. (советские ученые В. Д. Кузнецов, Б. В. Дерягин, англичанин Д. А. Томлинсон и др.). В течение многих лет выдвигались и обосновывались различные гипотезы и модели трения. Однако оказалось, что познать в известном смысле сложную и сверхсложную систему (явление) — это значит разумно упростить ее, сохраняя все необходимые и достаточные факторы.

Таким выдающимся упрощением явилась модель дискретного контактирования твердых тел при трении и гипотеза о двойственной природе фрикционного контакта твердых тел. В 50−60-х годах XX в. И. В. Крагельским, Ф. Боуденом и Д. Тейбором на основе этой модели была создана современная молекулярно-механическая теория трения. На сегодняшний день важнейшим итогом развития этой теории является четкая картина процессов трения и износа твердых тел, охватывающая физические (включая механические) и химические сопутствующие явления.

Анализ предложенных модели и гипотезы позволил И. В. Крагельскому сформулировать и рассмотреть три последовательных и взаимосвязанных этапа процесса трения, а именно:

— взаимодействие поверхностей с учетом влияния среды взаимодействия;

— изменение поверхностных слоев в результате взаимодействия;

— разрушение поверхностей вследствие двух предыдущих этапов.

Эта знаменитая триада И. В. Крагельского легла в основу многих последующих трибологических моделей при решении отдельных частных задач.

Согласно молекулярно-механической теории процесс трения представляется, как результат двух взаимосвязанных процессов: деформации контактирующих микронеровностей и молекулярного взаимодействия материалов на пятнах фактического контакта.

Высокие фактические давления на дискретных фактических контактах в сочетании со скоростью скольжения обуславливают значительные температуры в зонах касания, приводят к существенным изменениям с учетом влияния среды свойств поверхностных слоев, вызывают значительные механические и температурные напряжения в микрои макрообъемах, способствуют протеканию химических процессов с образованием вторичных соединений и структур, активизируют взаимную диффузию. Такое взаимодействие поверхностей формирует так называемое «третье тело», что существенно меняет в первую очередь молекулярную (адгезионную) составляющую силы трения.

Силы молекулярного взаимодействия, развивающиеся в зоне фактического контакта, оказывают сопротивление взаимному перемещению поверхностей и тем самым влияют на силу трения. Согласно молекулярно-механической теории трения суммарный коэффициент трения равен

f = F/N = (F_м + F_д)/N = f_м + f_д, (1.4)

где F — суммарная сила трения;

N — нормальная нагрузка;

F_м — молекулярная (адгезионная) составляющая силы трения;

F_д — механическая (деформационная) составляющая силы трения;

f_м— молекулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения;

f_д — механическая (деформационная) составляющая коэффициента трения.

Измененный тонкий поверхностный слой испытывает очень большие деформации, его свойства в сочетании с объемными свойствами определяют износостойкость и сдвиговые сопротивления.

1.3 Основные термины триботехники

Ряд терминов, относящихся к триботехнике, стандартизован. Стандарт включает 97 терминов, которые расклассифицированы по видам трения, изнашивания, смазки, методам смазывания и смазочным материалам. К общим понятиям триботехники относятся следующие термины.

Внешнее трение — явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.

Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверхности твёрдого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Износ — результат изнашивания, определяемый в установленных единицах (длина, объём, масса и др.).

Скорость изнашивания — отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник. Различают мгновенную и среднюю скорости изнашивания.

Интенсивность изнашивания — отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. Обычно применяется при выражении длительности работы двигателей в часах или пробегом автомобиля в тыс. км.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Смазочный материал — материал, вводимый на поверхности трения для уменьшения силы трения и (или) интенсивности изнашивания.

Смазка — действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) интенсивность изнашивания.

Смазывание — подведение смазочного материала к поверхности трения.

Прирабатываемость материала деталей — свойство материала уменьшать силы трения, температуру поверхностей и интенсивность изнашивания в процессе приработки.

Схватывание при трении — явление местного соединения двух твердых тел, происходящего вследствие действия молекулярных сил при трении.

Заедание поверхностей — процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала.

Задиры поверхностей — повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения.

Трение покоя — трение двух тел при микроперемещениях до перехода к относительному движению.

Трение движения — трение двух тел, находящихся в относительном движении.

Трение скольжения — трение движения двух твёрдых тел, при котором скорости тел в точках касания различны по величине и направлению, или по величине или направлению.

Трение качения — трение движения двух твёрдых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению.

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

Наибольшая сила трения покоя — сила трения покоя, любое превышение которой ведёт к возникновению движения.

Скорость скольжения — разность скоростей тел в точках касания при скольжении.

Поверхность трения — поверхность тела, участвующая в трении.

Коэффициент трения — отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Коэффициент сцепления — отношение наибольшей силы трения покоя двух тел к нормальной относительно поверхностей трения силе, прижимающей тела друг к другу.

1.4 Выводы

Управление изнашиванием является центральным звеном решения таких национальных проблем как экономия энергии, сокращение расхода материалов, а также обеспечение надежности и безопасности механических систем.

Результатами внедрения достижений триботехники в практику являются:

снижение потребления энергии за счет уменьшения трения;

снижение затрат на смазочные материалы;

снижение затрат на обслуживание и ремонт;

исключение потерь, связанных с поломками оборудования;

экономия вложений за счет более интенсивного использования оборудования, большого КПД, повышенной долговечности машин.

Все сказанное выше позволяет утверждать, что в современных условиях знание основ триботехники обязательно для каждого инженера. Инженеру-конструктору и испытателю оно дает возможность правильно рассчитать и применить конструкцию подвижного сопряжения, подобрать соответствующие материалы; пар трения, назначить оптимальный режим работы конструкции. Инженеру — технологу (материаловеду) триботехника поможет изыскать новые исходные материалы и выбрать наиболее эффективные технологические методы изготовления, обработки и упрочнения трибологических материалов (включая смазочные материалы и присадки к ним). Инженеру-эксплуатационнику — обеспечить надлежащий режим эксплуатации и обслуживания машин.

1.5 Вопросы для самоподготовки Обоснуйте актуальность изучения триботехники.

Назовите имена основоположников триботехники и их достижения.

Что изучает триботехника и ее разделы?

Дайте определение терминам «внешнее трение», «трение скольжения», «трение качения», «трение движения», «трение покоя».

Дайте определение терминам «изнашивание», «износ», «износостойкость», «смазочный материал», «смазка», «смазывание».

Дайте определение терминам «сила трения», «поверхность трения», «коэффициент трения».

Какие результаты следует ожидать при внедрении достижений триботехники в практику?

2. Контактирование и трение в узлах машин

2.1 Взаимное контактирование деталей

Взаимное контактирование деталей происходит на выступах поверхностей по вершинам, образованным микронеровностями (рисунок 2.1). Выделяют три площади контакта:

номинальную площадь контакта, соответствующую номинальным сопрягаемым размерам деталей;

фактическую (физическую) площадь контакта, равную сумме фактических малых площадок соприкосновения;

контурную площадь касания, представляющую собой сумму площадок, ограниченных контурами, в которые вписаны области с близлежащими площадками фактического контакта.

Поверхность воспринимает нагрузку вершинами выступов неровностей, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых складывается контурная площадь касания. В контакт первыми вступают противостоящие друг другу выступы сопряжённых поверхностей, сумма высот которых наибольшая. Деформация неровностей и их основ вызывает сближение поверхностей. Возможны следующие виды деформации выступов: упругая, упругопластическая и упругопластическая с упрочнением.

Фактическая площадь контакта возрастает с увеличением нагрузки, снижения шероховатости поверхности и росте радиуса закругления вершин её неровностей; она несколько увеличивается при большой длительности действия нагрузки. При сопряжении двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твёрдого тела.

Рисунок 2.1 — Формирование номинальной А_а, контурной А_с и фактической А_r площадей контакта при фрикционном взаимодействии твердых тел

2.2 Классификация видов трения

Основной целью введения смазочных материалов между поверхностями сопряжённых деталей, находящихся во фрикционном контакте, является уменьшение потерь на трение, предотвращение заедания и снижение износа пар трения. Это достигается тем, что внутреннее трение в смазочных материалах существенно меньше, чем внешнее трение несмазанных деталей, и исключение (минимизация) непосредственного контакта пар трения приводит к оптимизации фрикционно-износных характеристик сопряжения.

По характеру взаимоперемещения трущихся деталей различают два вида трения: трение покоя — трение двух тел при предварительном смещении и трение движения — трение двух тел, находящихся в относительном движении. Трение движения в свою очередь подразделяется по характеру движения (трение скольжения и трение качения) и по наличию смазочного материала (трение без смазки, граничное трение, смешанное и жидкостное трение).

2.2.1 Трение без смазочного материала Трение без смазки — это трение двух твёрдых тел при отсутствии на поверхностях трения введённого смазочного материала или загрязнений. Этот вид трения реализуется в тормозах, фрикционных передачах, узлах машин пищевой, текстильной или химической промышленности, где смазочный материал во избежание порчи продукции, а также по соображениям безопасности недопустим, а также в узлах машин, работающих в условиях высоких температур, когда любой смазочный материал не пригоден. Данный вид трения имеет молекулярно-механическую природу. На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, которые увеличиваются с повышением температуры. Молекулярные силы вызывают на том или ином числе участков адгезию. Адгезия — образование молекулярной связи между поверхностями разнородных твёрдых или жидких тел. Одним из проявлений действия адгезионных сил является схватывание, при этом образуются прочные металлические связи в зонах непосредственного контакта поверхностей. Схватывание зачастую сопровождается глубинным вырыванием металла с поверхности, приводящим к катастрофическому износу.

2.2.2 Трение со смазочным материалом

2.2.2.1 Граничное трение Практически все тяжелонагруженные узлы трения современных машин и механизмов в определённые моменты времени работают в режиме граничного трения. Поверхности трения при этом не разделены слоем жидкости, а непосредственный металлический контакт, приводящий к их повышенному износу и заеданию узла трения, предотвращается (или минимизируется) образованием граничных слоёв различного происхождения на рабочих поверхностях пар трения.

Толщина и прочность граничных слоёв зависит от химического состава масла и входящих в него присадок, особенностей, химической структуры и состояния поверхностей трения. Поведение граничных слоёв не зависит от вязкости, а определяется взаимодействием молекулярных плёнок масла с поверхностью металла.

Явление образования на поверхности твёрдого тела тончайших плёнок газов, паров или растворённых веществ, либо поглощение этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией. Адсорбция бывает физическая и химическая (хемосорбция). При хемосорбции полярные концы молекул смазочного материала, связываясь с поверхностью, образуют на ней монослой химических соединений. Во многих случаях физическая и химическая адсорбция протекают одновременно, но одна из них является доминирующей.

Создание смазочных плёнок силами адсорбции обуславливается наличием в смазочных материалах поверхностно-активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. Способность смазочных материалов, содержащих ПАВ, образовывать на смазываемых поверхностях достаточно прочные слои ориентированных молекул, обычно называют маслянистостью или смазывающей способностью масел. К полярным относятся соединения, содержащие карбоксильные группы, спирты, различные эфиры, смолы, сернистые соединения. В некоторые масла для улучшения их смазывающей способности вводят противоизносные и противозадирные присадки. Схема структуры поверхностного слоя показана на рисунке 2.2.

Устойчивые химические плёнки фосфатов, хлоридов или сульфидов создаются на поверхности материала благодаря присутствию в смазочных материалах соответствующих химических элементов. К плёнкам этого типа относят также различные мыла, образовавшиеся из высших органических кислот, находящихся в масле. Большая скорость образования хемосорбированных плёнок обеспечивает их быстрое восстановление в местах разрушения граничного слоя.

Способность граничных слоёв уменьшать потери на трение, снижать износ и предотвращать заедание пар трения объясняется следующими причинами:

граничные слои разделяют трущиеся поверхности на расстояния, превышающие радиус действия адгезионных сил;

наличием анизотропии механических свойств граничных слоёв. Граничные слои способны не разрушаясь, выдерживать большие нормальные нагрузки. В то же время, при относительно невысоких тангенциальных усилиях происходит сдвиг граничных слоёв по плоскостям наилучшего скольжения;

активные компоненты смазочного материала вызывают адсорбированное пластифицирование поверхностных слоёв, избирательное растворение некоторых составляющих поверхностного слоя металла и перенос их на ответную поверхность, что также снижает поверхностную прочность.

а) б) а — монослой полярных молекул на поверхности материала, имеющей положительный заряд;

б — общая ориентация полярных молекул жидкости в граничном слое;

1 — жидкость;

2 — граничная фаза;

3 — адсорбированный монослой;

4 — химические соединения (хемосорбированная граничная плёнка);

5 — зона деформированного металла;

6 — металл Рисунок 2.2 — Схема структуры поверхностного слоя

В реальных условиях эксплуатации, при реализации граничной смазки имеет место металлический контакт рабочих поверхностей по вершинам отдельных микронеровностей. Реализуемый металлический контакт оказывает большое влияние на величину коэффициента трения:

f = f_M + (1 —)f_C, (2.1)

где f — коэффициент трения при граничной смазке;

— доля металлического контакта, увеличивающаяся с ростом

температуры узла трения;

f_M и f_C — коэффициенты трения при чисто металлическом контакте и контакте через неповреждённую граничную плёнку соответственно.

При высоких контактных давлениях адсорбированные молекулы могут выдавливаться из зоны контакта, полимолекулярный слой становится тоньше, способствует его разрушению также нагрев контактирующих тел и окружающего их слоя масла в процессе трения (увеличивается с ростом температуры узла).

На участках металлического контакта идёт умеренное адгезионное изнашивание по вершинам отдельных микронеровностей. В первом приближении износ при граничной смазке определяется из выражения:

V = V_M + (1 —)V_C, (2.2)

где V_M — адгезионный износ на участке металлического контакта;

V_C — износ под слоем смазочного материала.

Величиной V_C для условий смазывания абсорбционным слоем можно пренебречь, тогда V = V_M.

Для расширения диапазона температур, нагрузок и скоростей, при которых работоспособен узел трения при граничной смазке, в смазочный материал добавляют химически активные присадки (ХАВ) (в их состав входят соединения серы, хлора, фосфора, азота или их сочетания). Когда молекулы ХАВ под действием температуры, генерируемой в фрикционном контакте, и силового поля поверхности металла разлагаются, их активные компоненты реагируют с поверхностью металла на которой они адсорбированы и образуют модифицированные слои, обладающие пониженным сопротивлением сдвигу по сравнению с основным металлом, что обеспечивает снижение коэффициента трения. В этих условиях изнашивание адгезионного типа сменяется более мягким коррозионно-механическим, а коэффициент трения зависит от того, какая доля поверхности металла покрыта модифицированным слоем:

f = f_XM + (1 —)f_M, (2.3)

где f_XM — коэффициент трения поверхностей, покрытых

модифицированным слоем;

— доля поверхности, покрытой модифицированным слоем.

Для этих условий уравнение (2.2) будет иметь вид:

V = V_XM + (1 —)V_M, (2.4)

где V_XM — объёмный износ модифицированного слоя.

Если 1, то VV_XM, то есть имеет место изнашивание модифицированного слоя без разрушения основного металла.

Поскольку температура является фактором, оказывающим определяющее влияние на процесс трения при граничной смазке, оценивать переход от лёгких условий работы узла трения в этом режиме к тяжёлым, а от тяжёлых к катастрофическим наиболее рационально, используя обобщённую температурную зависимость коэффициента трения (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Обобщённая зависимость коэффициента трения от температуры при граничной смазке Эта зависимость характеризуется тремя переходными температурами: t_КР1, t_КР2 и t_ХМ. При температуре t_КР1 в результате интенсификации процесса десорбции поверхностно активных молекул с поверхности трения происходит дезориентация граничного слоя, который вследствие этого теряет свою несущую способность и не может препятствовать металлическому контакту трущихся поверхностей. Это сопровождается резким повышением коэффициента трения, интенсивным адгезионным изнашиванием сопряжённых деталей, заеданием сопряжения и выходом из строя узла трения.

Если в смазочном материале имеются химически активные компоненты, то разлагаясь под действием температуры, силового поля твёрдого тела и каталитического воздействия обнажённой поверхности металла, они выделяют активные агенты, вступающие в реакцию с металлом поверхности. То есть по мере роста температуры увеличивается доля покрытия поверхности контактирующих тел модифицированным слоем с толщиной, достаточной для эффективного разделения пар трения. Коэффициент трения снижается до тех пор, пока при температуре t_ХМ значение достигнет некоторой критической величины, вследствие чего устанавливается такое значение коэффициента трения, которое остаётся практически постоянным в достаточно широком интервале температур. По мере повышения температуры увеличивается скорость образования модифицированного слоя. Одновременно увеличивается скорость разрушения этого слоя в результате изнашивания и диссоциации. Когда в точке, соответствующей критической температуре t_КР2 скорость разрушения модифицированного слоя превысит скорость его образования, будет иметь место металлический контакт пар трения, резкое повышение коэффициента трения, смена коррозионно-механического изнашивания интенсивным адгезионным, заедание и выход узла трения из строя.

Характерная зависимость износа от концентрации химически активных компонентов в смазочном материале приведена на рисунке 2.4. В левой части зависимости увеличение концентрации реагента приводит к снижению износа до определённой минимальной величины после чего дальнейшее повышение содержания реагента в среде стимулирует рост корозионно-механического изнашивания. Следовательно, существует оптимальная концентрация реагента при которой износ минимален.

Рисунок 2.4 — Зависимость износа И детали в химически активной среде от концентрации С химически активной присадки

2.2.2.2 Жидкостное трение Жидкостное трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем жидкого смазочного материала (масла, находящегося под давлением). Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку. Слой смазочного материала называют несущим слоем. Толщина смазочного материала превышает толщину граничной пленки. Этот режим трения со свойственным ему малым коэффициентом трения является оптимальным для узлов трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и износостойкости.

В зависимости от давления в смазывающей пленке и способа ее образования различают гидростатическую, гидродинамическую и эластогидродинамическую смазку.

Сопротивление относительному перемещению твёрдых тел, полностью разделённых слоем жидкости или газа, определяется внутренним трением этой среды, её вязкостью. Под вязкостью понимают объёмное свойство газообразного, жидкого или полужидкого вещества оказывать противодействие относительному перемещению составляющих его частиц. Простая модель трения при жидкостной смазке приведена на рисунке 2.5. Две параллельные пластины, А и В бесконечной длины разделены слоем жидкости толщиной h.

Так как молекулы жидкости в слоях, прилегающих к пластинам, прилипают к ним, то на границе с пластиной, А внешний слой жидкости увлекается ею и имеет скорость V_А, а на границе с пластиной В жидкость имеет скорость V_В = 0. При не слишком больших скоростях перемещения имеет место ламинарный режим течения жидкости. Для такого случая, согласно закону вязкого течения, сформулированному И. Ньютоном, сила внутреннего трения F прямо пропорциональна градиенту dv/dh и площади сдвига S:

F = S (dv/dh), (2.5)

где — динамическая вязкость смазочного материала, Па_*с.

Этот же закон можно представить в виде:

= (dv/dh), (2.6)

где — касательное напряжение (напряжение сдвига) на площадке внутри движущейся среды.

Рисунок 2.5 — Схема течения жидкости между двумя относительно перемещающимися параллельными пластинами, А и В: v_a и v_в — скорости пластин, А и В; h — толщина слоя жидкости; F — сила внутреннего трения Те среды, которые подчиняются этому закону пропорциональности касательных напряжений производной скорости по нормали к площадке трения, называются истинно вязкими или ньютоновскими. Теория жидкостной смазки создана прежде всего для ньютоновских жидкостей.

Условием реализации жидкостной смазки является существование слоя смазочного материала, толщина которого при приложенных нагрузках превышает суммарную высоту микронеровностей сопряжённых поверхностей. Это может быть обеспечено в результате поступления жидкости в зазор между поверхностями трения под внешним давлением — гидростатическая смазка, или под действием давления, самовозбуждающегося в слое жидкости при относительном движении поверхностей. Такой режим смазки называется гидродинамическим.

Устойчивость смазочного слоя, необходимого для гидродинамического трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения, скорости относительного перемещения трущихся поверхностей, удельного давления на них, вязкости смазочного материала, площади трущихся поверхностей, величины зазора между ними, температурного состояния узла трения и др.

Условиями, необходимыми и достаточными для создания гидродинамического трения, являются:

— наличие смазочного материала, который, кроме основного свойства — вязкости, обладает способностью прилипания к твердым телам;

относительное перемещение поверхностей вала и подшипника;

наличие щели вначале сужающейся, а затем расширяющейся в направлении вращения.

Наиболее типичным примером гидродинамической смазки является работа подшипника скольжения (рисунок 2.6). Если в зазоре между валом и подшипником имеется смазочный материал, то при вращении вала прилипшие к его поверхности слои масла будут двигаться с той же скоростью, что и сам вал, причём они увлекают за собой прилегающие слои масла. По мере увеличения скорости вращения вала жидкость будет затягиваться в зазор и отжимать вал вверх и влево (вал всплывает).

Если режим работы узла трения не стимулирует образование жидкостной смазки, то поверхности от металлического контакта и последующего катастрофического износа и заедания предохраняют только граничные смазочные слои, и узел трения работает в режиме граничной смазки.

При этом виде смазки антифрикционные и противоизносные свойства трущихся сопряжений определяются не объёмными свойствами смазочных материалов, а свойствами граничных слоёв, образованных в результате взаимодействия активных компонентов смазочного материала с поверхностными слоями пар трения.

Долю времени существования того или иного режима трения можно оценить параметром называемым «продолжительность существования смазочного слоя» Р_Ж. При Р_Ж = 1 обеспечивается жидкостное трение, Р_Ж = 0 — трение граничное или без смазочного материала, 0 Р_Ж 1 — смешанное трение.

а — вал неподвижен (v = 0);

б — положение вала при гидродинамическом смазывании;

в — положение вала при v ;

О_П и О_В — соответственно центры подшипника и вала Рисунок 2.6 — Схемы положения равновесия вала в подшипнике Наглядное представление об условиях перехода одного режима трения в другой дает совмещение диаграммы Герси с зависимостью величины параметра Р_Ж, в которой коэффициент трения f и параметр Р_Ж связаны с параметром _*v/N, называемым числом Герси (здесь: — динамическая

вязкость, Па_*с; v — линейная скорость относительного перемещения, м/c; N — внешняя нагрузка на смазочный слой, Н).

I — трение без смазочного материала;

II — трение при граничной и смешанной смазке;

III — трение при жидкостной смазке Рисунок 2.7 — Совмещение диаграммы Герси с зависимостью продолжительности существования смазочного слоя от числа Герси Другой подход в оценке режима трения заключается в том, что вероятность реализации гидродинамического или граничного режима смазки оценивают по величине удельной толщины смазочного слоя, представляющей собой отношение величины h смазочного слоя в зоне минимального зазора к характеристике высоты неровностей рабочих поверхностей этих деталей:

, (2.7)

где R_a1 и R_a2 — параметры шероховатости рабочих поверхностей соответственно первой и второй контактирующих деталей.

Если > 3, то имеет место гидродинамический (жидкостный) режим смазки, если < 1 то граничный, если 1 < < 3, то можно допустить реализацию смешанной смазки.

Гидродинамическая смазка наиболее широко распространённый в технике вид жидкостной смазки. Она имеет место в подшипниках и подпятниках скольжения, на средних участках хода поршня в цилиндро — поршневой группе двигателя внутреннего сгорания, в быстроходных легконагружаемых хорошо приработанных зубчатых передачах и т. д. Коэффициент трения при гидродинамической смазке, как правило составляют 0,001 — 0,01, т. е. энергетические потери в таких сопряжениях очень малы.

Классическая теория гидродинамической смазки основана на дифференциальном уравнении Рейнольдса, связывающим гидродинамическое давление в слое смазочного материала со скоростью перемещения поверхностей трения, разделённых этим слоем, формой этого слоя, характером приложения нагрузки и т. д. Уравнение Рейнольдса имеет вид:

, (2.8)

где h — толщина смазочного слоя;

р — местное давление в смазочном слое;

— динамическая вязкость;

x и z — координаты направленные соответственно по длине и ширине зазора;

Z — функция, качественно и количественно устанавливающая влияние на гидродинамическое давление р и на определяемую им несущую способность смазочного слоя режима работы узла трения, характера его нагружения и геометрии контакта.

Решение уравнения Рейнольдса традиционными методами возможно только для частных случаев при введении граничных условий и упрощающих допущений. Так, во многих случаях пренебрегают боковыми утечками и рассматривают случай плоского течения.

Характерным гидродинамическим расчётом является расчёт радиальных стационарно нагруженных подшипников скольжения. В этих расчётах особое значение приобретает величина безразмерного параметра Ф, называемого коэффициентом нагруженности (число Зоммерфельда):

, (2.9)

где Р_N — равнодействующая сил давления, развиваемого в смазочном слое;

— относительный зазор (отношение радиального зазора в подшипнике к радиусу вала r_в, = /r_в);

S_n — площадь проекции опорной поверхности на плоскость, перпендикулярную к линии действия нагрузки (для радиального подшипника S_n = ld, здесь d — диаметр вала; l — длина опоры);

— динамическая вязкость;

— угловая скорость вала (= v/r_в);

i — число опорных поверхностей;

Р_m = P_N / (i S_n).

Коэффициент нагруженности характеризует отношение сил гидравлического давления, развиваемого в смазочном слое, к силам вязкости.

Подшипники с Ф > 1 относятся к числу высоконагруженных (высокие нагрузки, низкие частоты вращения вала), а с Ф < 1 относятся к высокооборотным (низкие нагрузки, высокие частоты вращения вала). Исходя из величины коэффициента нагруженности определяют относительный эксцентриситет подшипникового узла. Для определения эксцентриситета пользуются специальными таблицами или графиками, полученными в результате решения уравнения Рейнольдса для различных отношений l/d и различных углов охвата.

= e/, (2.10)

где е — абсолютный эксцентриситет;

— радиальный зазор (= r_П — r_B).

Минимальная толщина смазочного слоя h_min определяется из выражения:

h_min = (1 —), (2.11)

Величину h_min сравнивают с высотой микронеровностей контактирующих поверхностей в соответствии с уравнением (2.7) и проверяют на соответствие условиям работы при гидродинамической смазке. Если условие < 3 не выполняется, используют масло, имеющее большую вязкость при рабочей температуре.

При оценке потерь на трение в подшипнике используют также другой безразмерный критерий — коэффициент сопротивления вращению :

, (2.12)

где — угол, образуемый линией центров О_ПО_В и линией действия нагрузки Р Знак минус в формуле (2.12) относится к подшипнику, а плюс — к валу.

Гидростатическая смазка заключается в образовании между сопрягаемыми поверхностями пленки жидкости, в которой статическое давление, возникающее в результате постоянной циркуляции жидкости, поддерживаемой извне, уравновешивает внешнюю нагрузку, полностью отделяя друг от друга поверхности узла трения. Толщина смазочной пленки почти не зависит от нагрузки, несущая способность мало зависит от относительной скорости трущихся поверхностей, сопротивление трению практически отсутствует.

Такой способ смазки обеспечивает большую свободу в выборе конструктивного решения. Его уникальное достоинство в том, что сопротивление трения мало при разгоне неподвижных деталей машин.

Принцип гидростатической смазки нашел повсеместное применение для многих деталей машин, он применяется в следующих случаях:

в упорных подшипниках;

при подъеме валов тяжелых роторных машин для снижения трения при их разгоне;

в радиальных подшипниках скольжения, когда угловая скорость вала мала для образования достаточной пленки жидкости;

в направляющих для снижения трения в деталях, участвующих в прямолинейном движении;

для поддержания заданного зазора между поверхностями.

Эластогидродинамическая смазка (ЭГД смазка) реализуется в подшипниках качения, зубчатых передачах, кулачковых механизмах. Теория ЭГД смазки появилась, как обобщение классической теории гидродинамики при учете условий контакта, влияющих на свойства смазочной жидкости и деформацию контактирующих деталей.

В ЭГД теории не учитываются изменения вязкости и объема смазочного материала в зависимости от температуры, но учитывается изменение вязкости от давления.

Некоторые общие закономерности при ЭГД смазке:

для данной нагрузки и скорости качения минимальная толщина ЭГД пленки значительно больше, чем по классической теории;

в диапазоне упругих деформаций поверхностей толщина ЭГД пленки мало зависит от нагрузки.

2.2.2.3 Смешанное трение Смешанным трением (полужидкостной смазкой, переходным смазочным процессом) называется сумма всех или, по крайней мере, двух видов трения. При этом часть трущихся поверхностей контактирует непосредственно (трение без смазочного материала), а часть разделена граничной пленкой (граничное трение) или слоем смазочного материала (гидродинамическое или эластогидродинамическое трение).

Смешанное трение имеет место при малой скорости движения и большом удельном давлении, например, при запуске или остановке машины. Тогда смазочный материал не полностью разделяет поверхности трения взаимодействующих деталей. Часть нормальной нагрузки передается микрополостями контакта, а часть передается через смазочный слой (рисунок 2.8).

v — скорость относительного перемещения;

1 — величина деформации;

2 — масляный клин

Рисунок 2.8 — Схема образования неровностями пар трения, А и В элементарного гидродинамического клина:

2.3 Вопросы для самоподготовки Какие площади участвуют в контактировании трущихся поверхностей?

Раскройте механизм образования и изменения фактической площади контакта.

С какой целью вводится смазочный материал в зону трения?

Дайте классификацию видам трения.

Дайте краткую характеристику трения без смазочного материала.

В каких механизмах и почему реализуется тот или иной вид трения (смазки)?

Раскройте механизм снижения изнашивания и коэффициента трения при граничном трении.

Назовите необходимые и достаточные условия образования гидродинамического трения.

Какие критерии служат для оценки вида трения?

Что характеризует диаграмма Герси?

Какие преимущества и недостатки обеспечивает гидростатическое трение в сравнении с гидродинамическим?

триботехника автотранспортный трение

3. Триботехнический анализ работы антифрикционных пар трения

3.1 Общие положения триботехнического анализа

Пара трения — совокупность двух подвижно сопрягающихся поверхностей деталей (образцов) в реальных условиях службы или испытаний. Пара трения характеризуется материалом, формой контактирующих поверхностей, характером их относительного перемещения, окружающей средой и видом смазочного материала. Пара трения образуется соприкасающимися поверхностями деталей, входящих в машинный узел. Антифрикционными являются пары трения, условия работы которых предполагают минимизацию энергетических потерь, возникающих при работе сопряжения.

В конструкции автотранспортных средств наиболее часто используются следующие антифрикционные пары трения: подшипник скольжения, подшипник качения, зубчатое зацепление цилиндрических и спирально-конических передач, зубчатое зацепление гипоидных передач, сопряжение поршень — цилиндр и сопряжение кулачок — толкатель.

Триботехнический анализ работы пары трения проводится по следующим основным пунктам: форма и шероховатость контактирующих поверхностей, характер их относительного перемещения, материал элементов, нагрузочно-скоростной режим, применяемый смазочный материал, условия подвода смазочного материала, температурный режим, преобладающий режим трения, вид, механизм и интенсивность изнашивания.

Ниже приведён краткий триботехнический анализ некоторых подвижных сопряжений автотранспортных средств.

3.2 Триботехнический анализ работы подшипников скольжения коленчатого вала