Трение в машинах

/

Реферат

Трение в машинах

При эксплуатации трущихся деталей автомобиля изменяются их размеры и геометрические характеристики, структура, свойства и напряженное состояние поверхностных слоев. Эти изменения могут иметь монотонный, либо выраженный скачкообразный характер и охватывать макро-, микро и субмикроскопические объемы. Характер этих изменений в значительной степени зависит от рода трения, условий механического нагружения, наличия и состава жидкой, твердой или газообразной среды, вида смазки и свойств материала. Изменения могут быть полезными, нормализующими процесс трения и способствующими минимизации изнашивания, или приводить к недопустимым явлениям повреждаемости.

Внешнее трение является основной причиной разрушения поверхностей деталей. Оно приводит к износу, повреждению контактирующих поверхностей и потере мощности.

Трение является результатом сочетания различных видов взаимодействия механических, физических, химических, электрических и других процессов, возникающих при контактировании и относительном перемещении тел. Соотношение интенсивностей этих процессов может быть различным в зависимости от среды, механических воздействий, свойств трущихся материалов. В связи с этим процесс трения невозможно описать простым законом.

Трение классифицируют:

По кинематике движения:

Трение скольжения (трение 1-го рода).

Трение качения (трение 2-го рода).

Трение верчения.

По участию смазки:

Жидкостное трение.

Граничное трение.

Трение несмазанных поверхностей (сухое трение).

По динамическим условиям контакта:

Трение покоя (статическое трение).

Трение движения.

По области служебного использования:

Трение антифрикционных сопряжений.

Трение фрикционных пар.

По надежности сопряжений трущихся поверхностей:

Нормальный процесс.

Патологический процесс.

Характеристики микрогеометрии поверхностного слоя

Неровности поверхностей деталей разделяют на шероховатость, волнистость и макроотклонения формы.

К макроотклонениям относят единичные, регулярно не повторяющиеся отклонения поверхности Д от номинальной формы (выпуклость, вогнутость, конусность и т.д., рис. 1).

/

Волнистость представляет собой совокупность периодических, регулярно повторяющихся, близких по размерам выступов и впадин, расстояние между которыми (шаг волны SВ) значительно больше их высоты НВ (SВ/НВ > 40).

Под шероховатостью поверхности понимают совокупность неровностей с относительно малым шагом (2_800 мкм) и высотой (0,03_400 мкм).

Схематически волнистость и шероховатость показаны на рис. 3.2, параметры шероховатости - на рис. 3.

/

/

Кроме того, наиболее часто для характеристики шероховатости используются такие параметры, как средние радиусы кривизны вершин выступов r и волн rВ, а также среднеарифметическое отклонение профиля Rа.

Параметры шероховатости во многом определяют состояние поверхности и происходящие на ней процессы во время трения, особенно в период первоначальной приработки.

В табл. 1 приведены некоторые сведения о шероховатости приработанных поверхностей.

Таблица 1

Ориентировочные значения параметров шероховатости, полученные опытным путем для некоторых приработанных поверхностей автомобильного ДВС (в скобках указаны значения параметров до приработки)

Из таблицы хорошо видно, что в процессе приработки происходит существенное уменьшение микровыступов шероховатой поверхности и их сглаживание.

Фактическая площадь контакта

При контактировании сопрягающихся поверхностей вследствие их волнистости и макроотклонений формы на значительной части номинальной площади АН соприкосновения поверхностей они не касаются друг друга.

В результате волнистости пятна контакта группируются на вершинах волн в отдельных зонах, совокупность которых составляет контурную площадь контакта АС. То есть контурная площадь - это площадь, на которой имеет место контакт групп микронеровностей (рис. 4).

/

Фактической площадью контакта Аr называют площадь, на которой осуществляется контакт отдельных микронеровностей, образующих шероховатую поверхность. Эта площадь очень мала и составляет для твердых металлических поверхностей около 1 % от номинальной. Контурная площадь составляет примерно от 5 до 15 % от номинальной.

Нормальная нагрузка, отнесенная к единице фактической площади контакта, характеризует фактическое давление в контакте Pr.

При пластическом контакте выступов, когда происходит смятие материала, это давление приближается к его твердости, а при упругом контакте имеет место значительно меньшее давление.

Если волнистость невелика, то можно считать, что контурная площадь примерно равна номинальной, и нормальная нагрузка, отнесенная к контурной площади, характеризует контурное давление РС.

Фактическую площадь контакта определяют по формуле:

(1)

где N - нормальная сила.

На рис. 5 показаны зависимости контурного и фактического давления от номинального давления РН , из которых видно, что с увеличением нагрузки происходит в основном рост контурного давления. Очевидно, что при этом все большее число микронеровностей включается в работу, фактическая площадь контакта растет быстрее контурной, что и определяет незначительное увеличение фактического давления по сравнению с контурным.

/

Фактическое давление в контакте между шероховатыми поверхностями в первом приближении можно определить по выражениям, приведенным в табл. 2.

поверхностный слой шероховатость микротвердость

Таблица 2

Приближенные формулы для расчета фактического давления в контакте

Здесь _ коэффициент Пуассона, Е _ модуль упругости первого рода, Н _ микротвердость шероховатой поверхности, в первом приближении можно принять Н = НВ.

При анализе условий смазки трущихся поверхностей большое значение имеет знание объема VП и средней ширины зазора hm между ними.

При контакте двух шероховатых поверхностей можно использовать уравнения:

, (2)

, (3)

а при контакте шероховатой поверхности с гладкой:

, (4)

. (5)

Следует отметить, что при выборе технологического процесса обработки сопрягающихся трущихся поверхностей возникает противоречие, связанное, с одной стороны с желанием получить как можно более точный размер поверхности и ее высокие геометрические показатели (овал, конусность, огранка и т.д.), и с другой стороны - создать поверхность, хорошо удерживающую смазку.

В первом случае обязательным условием является высокая чистота получаемой в результате обработки поверхности. Кроме того, чем меньше высота макро- и микронеровностей, тем быстрее происходит приработка, и тем быстрее увеличивается фактическая площадь контакта, соответственно уменьшаются контактные напряжения и износ трущихся поверхностей.

С другой стороны, чем выше чистота поверхностей, тем меньше образующийся между ними после приработки зазор и тем хуже проникает и задерживается смазка. Это особенно важно для подвижных соединений автомобиля, поскольку автомобиль является априори периодически действующим устройством. При его остановке жидкие смазки вытекают из зазоров, и начало работы осуществляется в условиях почти сухого трения. В то же время использование грубо обработанных поверхностей в ответственных соединениях силовых агрегатов и трансмиссии невозможно, так как у таких поверхностей слишком большой дефектный слой, который быстро разрушается и может служить причиной возникновения микротрещин и других отрицательных явлений.

В связи с этим в последнее время все шире применяется технология финишной обработки, при которой на рабочих поверхностях сопрягающихся деталей наносится специальный микрорельеф, который способствует дополнительному упрочнению поверхностного слоя и содержит профилированные углубления, хорошо удерживающие смазку (так называемая «виброобкатка»).

Эта технология применяется как при изготовлении новых деталей, так и при ремонте и восстановлении изношенных. При ее осуществлении в окончательно обработанную поверхность на глубину несколько десятых долей микрометра вдавливают шарообразный наконечник, твердость которого выше твердости поверхностного слоя детали, и затем поверхность детали перемещают (например, круглую - вращают), а наконечнику придают осциллирующее движение поперек траектории движения обрабатываемой поверхности. Таким образом на ней создается упрочненная ячеистая структура, хорошо удерживающая смазку.

Само явление трения обусловлено рядом причин: природой материалов, протяженностью поверхности трения, давлением в контакте, его продолжительностью и скоростью скольжения.

Двойственная природа трения выражается законом Кулона:

(6)

где F - сила трения, А - константа, характеризующая способность контактирующих тел к взаимному сцеплению, fТР _ коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом трения, N _ нормальная сила (сила, действующая по нормали к поверхности трения).

Для грубо обработанных поверхностей константа А имеет малые значения, и поэтому долгое время ее не принимали во внимание, выражая закон Кулона упрощенно:

(7)

Для характеристики процесса трения необходимо рассмотрение различных взаимодействий поверхностей: подъема по микронеровностям абсолютно твердого тала, упругого и пластического деформирования микронеровностей, преодоления ими сил межмолекулярного взаимодействия, схватывания металлов, образования различных пленок и т.д. Использование во всех случаях для описания процесса трения только коэффициента трения принципиально неприменимо.

В зависимости от чистоты поверхности, наличия или отсутствия пленок окислов и смазочной пленки коэффициент трения может изменяться на два порядка при одной и той же нагрузке. Так, например, увеличение чистоты поверхности от 7_го класса до 14_го снижает коэффициент трения в паре сталь_сталь более чем в 1,5 раза, при образовании окисной пленки - еще в 1,5 раза, а при нанесении смазки - еще более чем в 10 раз.

В зависимости от того, какой процесс при трении является основным, при трении меняются не только средние значения силы трения, но и характер изменения ее во времени. То есть силы трения являются не функцией нормальной нагрузки, а функцией процессов, возникающих при том или ином сочетании нормальной нагрузки N, скорости скольжения v и вектора параметров трения (материалов, условий среды и т.д.). В общем случае силы трения и нормальная нагрузка в условиях механического, теплового и материального контакта поверхностей трения и среды связаны некоторым оператором щ:

(8)

Иногда при одинаковых условиях трения в одной и той же кинематической паре для оценки характера трения (коэффициент трения, износ, температура и т.д.) используют параметр N*v (произведение нагрузки на скорость).

Список литературы

1.Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: [Учеб. для втузов]. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 2009. - 639 с.: ил.; 22 см.

2.Кожевников С.Н. «Теория механизмов и машин». Учебное пособие для студентов вузов Изд. 4-е М., «Машиностроение». 2006 г. ? 592с.

3.Кореняко А.С. «Курсовое проектирование по теории механизмов и машин», Издательство «Вища школа», 2007 г. ? 326с.

4.Решетов Д.Н. «Детали машин» учебник для вузов. Р47 Изд. 3-е М., «Машиностроение», 2008.

5.Теория механизмов и машин. Терминология: Учеб. пособие / Н.И.Левитский, Ю.Я.Гуревич, В.Д.Плахтин и др.; Под ред. К.Ф.Фролова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007.- 80 с.

6.Теория механизмов и механика машин: Учеб. для втузов / [К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов и др.; Под ред. К.В. Фролова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 2008. - 496 с.: ил.