Види тертя у вузлах машин.

Загальні аспекти. Тертя без змащувального матеріалу. Тертя при граничному змащуванні. Тертя при напіврідинному змащуванні. Режими тертя в підшипнику ковзання. Тертя кочення, ефект аномально низького тертя.

По характеру відносного руху розрізняють тертя ковзання і тертя кочення. Іноді обидва види тертя виявляються спільно.

Розрізняють силу тертя рухи, неповну силу тертя спокою і найбільшу силу тертя спокою.

Сила тертя руху – це сила опору при відносному переміщенні одного тіла по поверхні іншого під дією зовнішньої сили, тангенціально направленої до загальної межі між цими тілами.

Найбільша сила тертя спокою – сила граничного опору відносному переміщенню дотичних тіл без порушення зв'язку між ними і за відсутності зсуву на контакті.

Неповна сила тертя спокою – сила опору, направлена протилежно зсовуючому зусиллю за відсутності зсуву на контакті; вона змінюється від нуля до найбільшого значення, коли вона переходить через тертя спокою.

Залежно від наявності змащувального матеріалу тертя може бути «сухим» – без змащувального матеріалу і із змащувальним матеріалом.

Тертя без змащувального матеріалу між поверхнями, що труться, бувають в гальмах, фрикційних передачах, у вузлах машин текстильної, харчової і хімічної промисловості, де змащувальний матеріал недопустимий щоб уникнути псування продукту, а також у вузлах машин, що працюють в умовах високих температур, коли будь-який змащувальний матеріал непридатний.

Тертя має молекулярно-механічну природу. На майданчиках фактичного контакту поверхонь діють сили молекулярного тяжіння, які виявляються на відстанях в десятки разів що перевищують міжатомні відстані в кристалічних решітках і збільшуються з підвищенням температури. Молекулярні сили викликають на тій або іншій ділянці адгезію. Вона можлива між металами і плівками оксидів. Адгезія може бути викликана і дією електростатичних сил. Сили адгезії прямо пропорційні площі фактичного контакту. Прикладений тиск впливає на ці сили побічно, через площу фізичного контакту.

Молекулярні сили, як сили, перпендикулярні поверхні, начебто не повинні перешкоджати тангенціальному переміщенню поверхонь (так само як і сили адгезії). На самій же справі відносний зсув поверхонь за наявності взаємного тяжіння і адгезії супроводжується деформацією зрушення, що вимагає витрат енергії в необоротній формі.

Сильнішим проявом молекулярних сил є схоплювання поверхонь. Сила тертя в цьому випадку залежить від протяжності зон схоплювання і опору їх роз'єднуванню.

У загальному випадку залежність сили тертя Т,обумовлена механічною і молекулярною взаємодіями має вигляд:

Т = аS_ф + bP, (3.1)

деа– середня інтенсивність молекулярної складової сили тертя;

S_ф –фактична площа контакту;

b– коефіцієнт, що характеризує механічну складову сили тертя;

P– сила тиску.

Коефіцієнт тертя fє відношення сили тертя до сили тиску, тобто

f = aSф/P + b (3.2)

Вирази (3.1) і (3.2) дійсні для тертя із змащувальним матеріалом і без нього.

Статична сила тертя залежно від тривалості нерухомого контакту зростає до деякої межі. Сила тертя руху залежить від швидкості ковзання поверхонь, причому відповідно тиску і твердості зв'язаних тіл коефіцієнт тертя може постійно монотонно зростати, убувати, переходити через максимум або мінімум.

Тертя без змащувального матеріалу супроводжується стрибкоподібним ковзанням поверхонь. Саме з цим пов'язані вібрації автомобіля при включенні зчеплення, «смикання» при гальмуванні, «виск» гальм і ін. Плівки оксидів, волога і забруднення на металевих поверхнях впливають на коефіцієнт тертя двояко. За наявності тонких плівок оксидів коефіцієнт тертя знижується. Товсті плівки оксидів володіють меншою твердістю. Це приводить до підвищення площі фактичного контакту, і отже, до збільшення сили тертя.

При граничному мастилі, поверхні зв'язаних тіл розділені шаром змащувального матеріалу дуже малої товщини (до 0,1 мкм). Наявність такого шару знижує сили тертя в 2...10 разів і зменшує знос зв'язаних поверхонь в сотні разів.

Всі масла здатні адсорбуватися на металевих поверхнях. Вони утворюють на них квазікристаличну фазу, що має більш менш міцний зв'язок з поверхнею. За наявності товстої масляної плівки перехід від орієнтованої структури масла до неорієнтованої відбувається стрибком. Молекули змащувального матеріалу орієнтуються перпендикулярно до твердої поверхні, що дозволяє представити граничну плівку у вигляді ворсу (Мал. 3.1). При взаємному переміщенні поверхонь тертя «ворсинки» як би згинаються в протилежні сторони, тому опір ковзанню в цьому випадку дещо підвищений.

Мал. 3.1 - Схема ковзання ідеальних поверхонь тіл при граничному мастилі

Змащувальний матеріал в граничному шарі анізотропний, в тангенціальному напрямі молекулярні шари легко згинаються і при товщині шару більше за деяку критичну величину ковзають один по одному. По нормалі до поверхні плівка володіє високим опором стисненню.

Механізм тертя при граничному мастилі представляється в наступному вигляді. Під навантаженням протікає пружна і пластична деформації на майданчиках контакту. На майданчиках контакту може відбутися взаємне впровадження поверхонь без порушення цілісності змащувальної плівки. Опір руху при ковзанні складається з опору зрушенню граничного шару і опору «проорюванню» поверхонь об'ємами, що упровадилися. Крім того, на майданчиках контакту, підданих найбільш значній пластичній деформації, і в пунктах з високими місцевими температурами може відбутися руйнування змащувальної плівки з настанням адгезії поверхонь, що оголіли, і навіть схоплювання металів на мікроділянках Б. (Мал. 3.2.). Це викликає додатковий опір руху.

Завдяки рухливості молекул змащувального матеріалу, на поверхні тертя адсорбція протікає з великою швидкістю, що дає змащувальній плівці властивість «самозаліковуватися» при місцевих її пошкодженнях. Це попереджає процес лавинного схоплювання.

Не поновлювана гранична плівка, у міру зростання шляху тертя, зношується, масло з плівки адсорбується на продукти зносу і несеться з поверхні тертя; відбувається сублімація плівки як твердого тіла і видалення масла в атмосферу. Окислення плівки сприяє дезорієнтації структури і її руйнуванню.

При терті з граничним мастилом знос деталей машин великий. Через хвилястість і шорсткість поверхонь їх контакт відбувається на дуже малих ділянках тертя; контактний тиск має високі значення, і тонка гранична плівка масла не оберігає поверхні від пластичної деформації, що неминуче веде до зносу деталей. Це є непереборним недоліком граничного мастила.

Деякі тверді тіла можуть проводити змащувальну дію, організовуючи і підтримуючи режим тертя при граничному мастилі. До ним відносяться тіла з шарувато-гратчастою, пластинчастою структурою, м'які метали і тонкі плівки пластиків.

З тіл шарувато-гратчастої структури необхідними для мастила властивостями володіють графіт, молібденіт (MoS₂), сульфід срібла, пористий свинець і дісульфід вольфраму. Їх дія заснована на сильної анізотропії властивостей кристалічної решітки. Так атоми вуглецю в графіті розташовані в різних шарах відстоять один від одного на відстань 0,34 нм, а в кожному шарі вони розміщуються у вершинах правильних шестикутників із завдовжки сторони 0,14 нм. Оскільки сили взаємного тяжіння між атомами тим менше, чим більше відстані між ними, то зв'язки між атомами в шарах значно міцніше, ніж між шарами. Тому шари відносно легко ковзають один по одному (f_тр = 0,03...0,04) і матеріал з подібними властивостями може бути твердим мастилом.

Твердими змащувальними матеріалами можуть бути м'які метали, що мають низький опір зрізу. Це свинець, олово і індій. Механізм дії тонких металевих плівок полягає в оберіганні поверхонь, що труться, від безпосереднього контакту і взаємного впровадження. При відносному переміщенні поверхонь відбувається зріз в м'якому металі. З м'яких металів можна використовувати тільки ті, які не наклепують в межах робочих температур і не утворюють твердих крихких фаз з поверхнями, що труться.

Окрім граничного мастила існує рідинне, в'язкопластичне і контактно-гідродинамічне мастило. На відміну від граничного мастила в цих випадках відсутній безпосередній контакт між зв'язаними поверхнями; вони повністю розділені шаром змащувального матеріалу. Цей матеріал подається в зазор між поверхнями або під примусовим тиском, або затягується в клиновидні зазори спеціальним чином сконструйованих деталей. Знос поверхонь, що труться, в цьому випадку багато разів зменшується.

Окрім різних видів тертя ковзання у вузлах машин спостерігається тертя кочення. Сила тертя кочення, принаймні, в 10 разів менше сили тертя ковзання.

Опір коченню пояснюється деформаційними і гістерезисними втратами в прилягаючому нижче твердому тілі. За відсутності пластичної деформації опір тертю обумовлено тільки гістерезисними втратами в твердому тілі.

Деформаційні втрати обумовлені пластичною деформацією майданчика контакту і появою при цьому прослизання.

Взаємне прослизання поверхонь видно при розгляді кочення кульки. (Мал. 3.3) Коло AB проходить за один оберт кулі більшу відстань, ніж коло CD. Ця різниця і обумовлює ковзання поверхонь тертя.

Гістерезисні втрати при терті кочення пояснимо за допомогою малюнка 3.4. Ще Рейнольдс помітив, що коли циліндр з твердого матеріалу котиться по плоскій поверхні гуми, то при кожному оберті він проходить шлях менший, ніж довжина кола циліндра. Він припустив, що гума розтягується в точці C по іншому, чим в точках B і D, і в результаті має місце прослизання з відповідним розсіюванням енергії. З Мал. 3.4 видно, що спереду перед роликом в точці E утворюється поглиблення, а ззаду в крапці A пружний матеріал повністю або частково (пластичний матеріал) відновлюється під дією сил пружності, або пружного гістерезису. Крім того, унаслідок необоротної пластичної деформації сили реакції позаду циліндра менше, ніж сили тиску попереду нього. В результаті циліндр здійснює роботу деформації.

На поверхнях тіл кочення, як і при ковзанні, виникають сили зчеплення. Адгезійне зчеплення трохи впливає на сили тертя кочення, але грає велику роль в зношуванні тіл кочення. При терті кочення твердих тіл деформації поверхонь невеликі і оксидні плівки, що є на поверхнях, не піддаються значним руйнуванням. Тому ковзання поверхонь відбувається не по металу, а по оксидах, які можуть зношуватися. Це і пояснює вплив ковзання на знос тіл кочення.

Радянські учені А.А. Силін і Е.А. Духовській і ін. в 1969 р. відкрили явище наднизького тертя. Коефіцієнт тертя поліетилену і пропилену при терті у вакуумі під впливом бомбардування атомами гелію зменшився на два порядки. Спочатку коефіцієнт тертя був рівний 0,10...0,13, а при включенні атомного пучка щільністю 10¹³ атомів на 1 см² з енергією 2 КЕВ знизився до 0,001. Після припинення опромінювання коефіцієнт тертя відновлюється до первинного.

Інтенсивність зношування при наднизькому терті різко знижується. Як показали дослідження, при опромінюванні якнайтонший поверхневий шар речовини переходить у впорядкований стан. Цей стан характеризується малою поверхневою енергією і залишається стійким при нормальній і підвищених температурах.

Ефект може виявитися і без опромінювання, якщо речовина має шарувату кристалічну структуру. Орієнтація структури такої речовини при терті у вакуумі відбувається за рахунок енергії тертя. Проте цьому процесу заважають домішки, особливо молекули води. Бомбардування прискореними частинками виганяє воду, що сприяє швидшій орієнтації речовини. Авторами ефекту створений новий матеріал, що самозмащується, здатний працювати у важких і екстремальних умовах. У вакуумі при високих навантаженнях він витримує як низькі температури, так і нагрів до 1000°С, а при опромінюванні короткопробіжними частинками реалізує наднизьке тертя. Джерела випромінювання можуть бути портативними і не вимагають великих енерговитрат.