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:
1. Трение
скольжения (трение 1-го рода).
2. Трение
качения (трение 2-го рода).
3. Трение
верчения.
·
По
участию смазки:
4. Жидкостное
трение.
5. Граничное
трение.
6. Трение
несмазанных поверхностей (сухое трение).
·
По
динамическим условиям контакта:
7. Трение
покоя (статическое трение).
8. Трение
движения.
·
По
области служебного использования:
9. Трение
антифрикционных сопряжений.
10. Трение
фрикционных пар.
·
По
надежности сопряжений трущихся поверхностей:
11. Нормальный
процесс.
12. 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 Δ
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)
Исследуемый
объект
|
Класс
шероховатости
|
Rmax, мкм
|
r, мкм
|
Rа, мкм
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
Поверхности
стальных деталей в местах уплотнения резиновыми манжетами
|
9
|
0,72(1,8)
|
180
(100)
|
0,13
|
Гильза
цилиндрическая
|
9
|
1,2(1,7)
|
1000
(45)
|
0,04
|
Поршневое
кольцо
|
10-11
|
0,48(1,0)
|
270(50)
|
0,02
|
Шейки
коленчатого вала
|
9
|
1,6(1,8)
|
500(45)
|
0,05
|
Вкладыши
подшипников коленчатого вала
|
8-9
|
2,6(3,0)
|
0,42
|
Поршневой
палец
|
11
|
6,7(1,8)
|
300(45)
|
0,11
|
Втулка
верхней головки шатуна
|
10
|
7,0(1,0)
|
250(50)
|
0,11
|
Отверстие
в бобышках поршня
|
9
|
1,1(1,8)
|
220(45)
|
0,18
|
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
Деформация
|
Поверхности
и давление
|
Расчетная
формула
|
Примечания
|
Упругая Две шероховатые
|
|
|
|
Шероховатая
с гладкой
|
|
|
|
Пластическая
|
При контакте поверхностей из
разных материалов для расчета принимается меньшее значение микротвердости
|
|
|
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 ω:
(8)
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.
.Кожевников
С.Н. «Теория механизмов и машин». Учебное пособие для студентов вузов Изд. 4-е
М., «Машиностроение». 2006 г. ? 592с.
.Кореняко
А.С. «Курсовое проектирование по теории механизмов и машин», Издательство «Вища
школа», 2007 г. ? 326с.
.Решетов
Д.Н. «Детали машин» учебник для вузов. Р47 Изд. 3-е М., «Машиностроение», 2008.
.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.
.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.