Основные понятия (стр. 7 )

При более высоких давлениях ( р>300 МПа) на состояние смазочного слоя начинают оказывать влияние упругие свойства твердых тел и тепловые процессы, протекающие в самом смазочном материале. Для автомобиля. При пуске двигателя вал начинает вращаться (см. рисунок - эпюра давлений в зазоре цилиндрического подшипника в режиме гидродинамической смазки) и увлекает за собой масло. Масло, проходя через узкий зазор между вкладышами и валом, создает давление, под действием которого вал приподнимается. С увеличением частоты вращения вала (при работе двигателя) давление в нижней половине зазора (до узкого сечения) возрастает. Это приводит к тому, что вал, несмотря на возросшие газовые (газовая смазка – смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется потоком газа) силы и силы инерции, «всплывает» на слое масла. Пройдя узкое сечение зазора, масло попадает в его расширяющуюся часть, и давление в зазоре резко падает.

Характерной особенностью работы подшипника в гидродинамическом режиме является способность системы вал-масло-подшипник к саморегулированию. Этот процесс протекает так: при повышении частоты вращения вала увеличивается выделение тепла, и как следствие этого, растет температура масла. С ростом температуры вязкость масла и внутреннее трение в слое уменьшаются. Температура стабилизируется, достигая определенного уровня.

В реальных условиях через подшипник (для его охлаждения) непрерывно прокачивается большое количество масла. Поэтому температурный режим подшипника управляем и зависит от конструкции двигателя и его смазочной системы, т. е. подачи масляного насоса, наличия масляного радиатора, его эффективности и ряда других факторов. Все это приводить к тому, что процесс автоматического регулирования не всегда происходит в полной мере.

Таким образом, жидкостное (гидродинамическое трение) зависит от процессов внутреннего трения в смазочном масле, т. е. от вязкости.

Граничное трение зависит как от свойств трущихся поверхностей, так и от свойств смазочных материалов, в первую очередь от прочности масляной пленки, т. е. от степени полярности молекул смазочного материала.

Трение без смазочного материала наблюдается в том случае, если поверхности трущихся деталей соприкасаются таким образом, что между ними нет не только смазывающих материалов, но и других тел или сред.

Жидкостное (гидродинамическое) трение оказывает минимальное влияние на изнашивание деталей, т. к. их взаимодействие происходит при наличии слоя смазочного материала, причем толщина этого слоя полностью исключает соприкосновение, а следовательно, и взаимное разрушение поверхностей трущихся деталей. Коэффициент трения в этом случае зависит только от вязкости жидкости и обычно в условиях двигателей изменяется в пределах 0.002-0.01.

Граничное трение - трение на границе опасного сближения трущихся деталей. Разделяющая детали тонкая, соизмеримая с размерами молекул пленка не выравнивает микронеровности поверхностей, и риск непосредственного контакта зависит только от прочности этой пленки и прочности соединения ее с металлом трущихся деталей.

Трение без смазочного материала в подвижных механизмах приводит к интенсивному изнашиванию, к задирам на поверхностях трения и «заеданию» механизма, что является не допустимым с точки зрения эксплуатации такого устройства.

Подшипники скольжения

ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ

Известно, что работа, затрачиваемая для качения тел друг относительно друга, обычно намного меньше работы, необходимой для скольжения этих тел.

Трение качения - трение движения двух твердых тел, при котором их скорости в точках касания одинаковы по величине и направлению (см. рисунок).

При качении колеса по деформируемой под нагрузкой Fn поверхности к нему надо приложить момент вращения FkR для поддержания равномерного движения. Этот момент уравновешивается реактивным моментом Fn*К, возникающим вследствие того, что реакция Fn*, численно равная внешней нагрузке Fn, смещена на величину К относительно линии действия силы Fn.

Уравнение моментов имеет вид (см. рисунок):

SМА= FkR - Fn*К=0,

К= (FkR)/ Fn*.

Смещение К называется коэффициентом трения качения, которое имеет вполне определенную размерность.

Наряду с параметром К применяется и безразмерная величина fк- коэффициент сопротивления качению:

fк=(К/R)=( Fk/ Fn*).

При использовании этого коэффициента необходимо указывать, на каком радиусе получено значение Fk.

При качении упругого колеса по упругому полупространству сопротивление качения fк связано с гистерезисными потерями F1, микропроскальзыванием в зоне контакта F2 и адгезией в контактной зоне F3:

fк= F1+ F2+ F3.

При напряжении s возникает деформация e. Поскольку тело не идеально упругое e не прямо пропорционально s (ОА не прямая линия; см. рисунок).

Если снять напряжение (s=0), остается остаточная деформация ОВ, для снятия которой требуется отрицательное напряжение ОЕ, т. е. сжимающая нагрузка.

Прикладывая последовательно положительное и отрицательное напряжения, получим петлю АВЕСDYA, которую называют петлей гистерезиса. Площадь петли числена равна работе, необратимо рассеянной за один цикл в единице объема.

При качении упругого катка по упругому полупространству вследствие их деформации создается площадка касания. Материал катка сжат, материал поверхности растянут (см. рисунок). Поэтому в зоне контакта точки катка стремятся сблизиться при сжатии, а точки поверхности раздвинутся при растяжении. Это приводи к микропроскальзыванию F2 в контактной зоне.

В зоне АС (см. рисунок) при качении поверхности будут разделяться с разрывом адгезионных связей, действующих между катком и поверхностью. Этим фактором обусловлено проявление адгезионной составляющей F3 в контактной зоне.

Вклад в сопротивление качению микропроскальзывания и адгезии мал. Большую часть составляют гистерезисные потери.

При качении колеса по дорожному покрытию возможно появление всех трех факторов.

Для резины и полимеров из-за несовершенства их упругих свойств будут превалировать гистерезисные потери; для закаленных сталей- микропроскальзывание на площадке контакта; для металлов и полимеров в глубоком вакууме (при высоких температурах)- адгезионное взаимодействие материалов.

Применение смазок в узлах качения преследует следующие цели:

- уменьшение трения проскальзывания;

- отвод излишнего тепла;

- защита поверхностей от коррозии.

Чем выше вязкость смазки, тем выше сопротивление качению, которое продолжает расти с увеличением скорости (см. рисунок). Коэффициент трения без смазки ниже, чем при смазке.

Влияние нагрузки на коэффициент трения качения при малых скоростях показано на следующем рисунке.

Пластичные и твердые смазочные материалы, по сравнению с жидкими материалами, не вызывают резкого увеличения сопротивления качению

ИЗНАШИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Изнашиванием деталей машин называют процесс постепенного изменения их размеров и формы при трении, проявляющиеся в разрушении и отделении с поверхности трения материала и (или) накопления его остаточной деформации.

Интенсивность изнашивания - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходит изнашивание, или объему выполненной работы, или к величине работы (энергии), затраченной на период изнашивания. Например, мм/км пробега, г/м3. В таблице представлены данные о причинах усталостного разрушения деталей автомобиля при различных эксплуатационных условиях.

Таблица. Анализ причин разрушения деталей автомобиля

Причины выхода деталей из строя	Доля, %	Составляющие причины	Доля, %
Материал	12	1. Изготовление (металлургия)	4
2. Формо-образование и термообработка (прокатка)	8
Технология изготовления	22.5	----	22.5
Конструкция и условия эксплуатации	65.5	1. Выбор материала (конструкторы)	1
2. Конструктивные решения (наличие концентраторов напряжения и др.)	38.5
3. Поверхностные разрушения, возникающие при эксплуатации	19
Перегрузки (эксплуатация)	7

В процессе работы машины показатели изнашивания деталей и спряжений изменяются (кривая ).

На кривой (см. рисунок) выделены три участка (I-период прирабортки; II - период установившегося изнашивания; III - период катастрофического изнашивания).

Процесс приработки (I) характеризуется повышенным тепловыделением, изменением микрогеометрии поверхностей и интенсивным отделением с поверхности трения продуктов износа.

Процесс установившегося изнашивания характеризуется небольшой интенсивностью изнашивания и продолжается до тех пор, пока изменения размеров и формы деталей не повлияют на условия их работы или до наступления предела усталости материала.

Процесс катастрофического или аварийного изнашивания (III)- это период, когда на «износовые» отказы накладываются коррозионные, усталостные процессы и старение материала. Это предаварийное состояние трибосопряжений или машины.