При работе машин и механизмов наблюдается износ их деталей и узлов, обусловленный процессами трения сопряженных поверхностей. Энергетические потери на трение могут составлять до 40% всей энергии. Трение может быть полезным, например, при движении колеса по дороге и движителя наземной подвижной техники, в тормозных механизмах, фрикционных устройствах, клиноременной передаче и т. д.
Трение — сопротивление перемещению одной поверхности относительно другой.
При трении механическое движение (механическая энергия) превращается в молекулярное движение (тепловую энергию). Механическая энергия затрачивается на образование и разрушение фрикционных связей, приводящих к пластическим деформациям микрообъемов поверхностного слоя контактирующих тел и срезу микронеровностей. Следствие этого — искажение кристаллических решеток материалов трущихся поверхностей и выделение теплоты. Известны следующие разновидности трения движения:
- по характеру движения;
- наличию смазки.
Трение по характеру движения. Различают следующие виды:
- трение скольжения;
- трение качения;
- трение качения с проскальзыванием.
Трение скольжения возникает при поступательном движении одной поверхности по другой или при вращении одной детали внутри другой. Например, перемещение поршня в цилиндре, вращение коленчатого вала в подшипниках, движение штанг толкателей клапанов по направляющим и т. д. На рис. 3 показаны схемы контакта двух тел — А и В при трении скольжения и трении качения.
Рисунок 3 - Схемы контакта тел А и В при трении скольжения (а) и качения (б):
N — нормальная нагрузка; Т — тангенциальное усилие; F — сила трения; ω — угловая скорость; vA — скорость скольжения
При трении скольжения (рис. 3, а) скорость vA движущегося тела A отлична от скорости неподвижного тела В (в данном случае vB = 0).
Трение качения наблюдается, когда одно тело перекатывается по поверхности другого (рис. 3, б). Например, шариковые и роликовые подшипники, движение колеса и т. д. Касание двух тел может быть точечным или линейным. Скорости твердых тел в точках касания одинаковы по величине и направлению. В зоне контакта, в точке C, vA = = vB. Если при этой же схеме в зоне контакта vA ≠ vB, то будет наблюдаться трение качения и частично трение скольжения.
Трение качения с проскальзыванием — это трение движения двух соприкасающихся тел при одновременном качении и скольжении.
Например, в зубчатой передаче (кроме трения в зоне зацепления). Трение оценивают по величине силы трения.
Сила трения — сила сопротивления относительному перемещению одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между этими телами.
Сила трения F возрастает с ростом давления между трущимися поверхностями тел и зависит от материала и качества обработки поверхностей деталей, а также наличия между ними смазки.
При рассмотрении процесса трения скольжения используют законы Амонтона (установлены в 1699 г.).
1. Сила трения F, Н, пропорциональна усилию N, Н, сжимающему трущиеся тела в направлении, нормальном к поверхности трения:
F = fN.
Коэффициент пропорциональности f в этом уравнении называют коэффициентом трения. Иначе говоря, коэффициент трения — отношение силы трения двух тел к силе, прижимающей эти тела друг к другу. Коэффициент трения является важнейшей сравнительной характеристикой, позволяющей сопоставлять трение различных тел в различных условиях безотносительно к нагрузке на узел трения.
2. Сила трения не зависит от номинальной площади контакта трущихся тел.
В процессе развития трибологии — науки о трении и процессах, сопровождающих трение, — было установлено, что область применения законов Амонтона ограничена.
Коэффициент трения зависит от большого числа факторов — напряженно-деформированного состояния фрикционного контакта, механических и физико-химических свойств поверхностного слоя контактирующих тел, окружающей среды и смазочного материала, конструктивных особенностей сопряжения, режима работы узла трения и др.
Трение по наличию смазки. Различают следующие виды:
- трение без смазки (сухое трение) — трение двух твердых тел при отсутствии на поверхности трения смазочного материала;
- жидкостное (гидродинамическое) трение — сопротивление относительному перемещению двух тел, разделенных слоем масла толщиной не менее 0,1 мкм;
- граничное трение — трение двух твердых тел, разделенных слоем масла толщиной не более 0,1 мкм.
Поверхность трения металлических деталей имеет сложное строение, не является идеально гладкой. Она имеет микровыступы, микротрещины и поверхностные слои, играющие большую роль в процессах трения и износа. На рис. 4 схематично показаны поверхностные слои металлической детали с нанесенным на нее смазочным материалом. Зона деформированного металла 3 отличается по своим физическим свойствам от первичной объемной структуры 4 металла в глубине детали. Над слоем деформированного металла находится оксидная пленка 2, состоящая из оксидов металла, образующихся при химическом взаимодействии металла с кислородом воздуха. Толщина этой пленки составляет, как правило, несколько нанометров (1 нм = 10−9 м). На поверхности оксидной пленки в зависимости от условий находятся адсорбционные слои 1 газов, воды и молекул масла, содержащих присадку.
Рисунок 4 - Поверхностные слои смазочного материала:
1 — адсорбционные слои газов, воды, молекул масла; 2 — оксидная пленка; 3 — зона деформированного металла; 4 — объемная структура металла
Сухое трение — трение в отсутствие смазки. При высоких скоростях и нагрузках в зонах контакта трущиеся поверхности разогреваются до высоких температур — 950…1300°С. Это вызывает схватывание, заедание, задир и повышенный износ деталей.
В технике обычно трущиеся поверхности стараются изготовлять из разных металлов, так как трение между разнородными металлами меньше, чем между однородными. На величину трения влияет твердость поверхности. Чем она выше, тем меньше при прочих равных условиях коэффициент трения.
Ориентировочные значения коэффициента сухого трения скольжения для различных материалов, полученных в одинаковых условиях:
- Сталь по стали0,15
- Сталь по мягкой стали0,20
- Сталь по чугуну0,18
- Сталь по бронзе0,15
- Мягкая сталь по бронзе0,18
- Бронза по бронзе0,20
- Цинк по цинку0,50
- Медь по меди1,30
Ориентировочные значения коэффициента трения качения (каток по плоскости):
- Мягкая сталь по мягкой стали0,005
- Чугун по чугуну0,005
- Закаленная сталь по закаленной стали0,001
Коэффициент трения качения значительно меньше не только коэффициента сухого трения скольжения, но и трения скольжения рабочих поверхностей при смазывании: сухое — 0,15…1,30; граничное — 0,08…0,15; жидкостное — 0,007…0,030; в шариковых — 0,001…0,003 и роликовых подшипниках — 0,002…0,007. Поэтому всегда, где есть возможность, трение скольжения заменяют трением качения.
Сила, затрачиваемая на преодоление трения, в значительной степени зависит от чистоты обработки деталей. Но даже при самой тщательной обработке на ее поверхности образуется множество микровыступов и микротрещин. Чем грубее обработка, тем больше высота этих неровностей. При взаимном перемещении поверхностей микровыступы оказывают сопротивление движению. Чем лучше обработаны поверхности деталей, тем меньше затрачивается усилий на их перемещение. Однако это происходит до определенного предела обработки поверхностей. Если взять две одинаково отполированные пластины, наложив одну на другую, то оказывается, что для их сдвига нужно затратить большие усилия. В этом случае между пластинами действуют силы межмолекулярного сцепления.
Таким образом, сила трения, возникающая при перемещении поверхностей без смазочного материала, зависит не только от вида материала и величины микронеровностей, но также от сил межмолекулярного взаимодействия.
Сухое трение нежелательно при работе механизмов, так как на его преодоление затрачиваются большие усилия и наблюдается повышенный износ деталей. Чтобы уменьшить затраты энергии и увеличить срок службы трущихся сопряжений, к поверхностям трения подводят смазочный материал — смазывают.
При жидкостном трении трущиеся поверхности полностью разделены слоями смазочного материала. Трение между металлами заменяется трением между частицами смазочного материала. Толщина масляной пленки при жидкостном трении зависит от режимов смазки — гидродинамического или граничного.
Гидродинамическим режимом смазки называют режим, при котором трущиеся детали надежно разделены смазочным материалом (толщина слоя не менее 0,1 мкм).
На рис. 5 показана типичная для этого режима смазки пара трения вал—подшипник. В состоянии покоя вал опирается на вкладыш подшипника. Между ними имеется тончайшая, адсорбированная металлом, масляная пленка. Зазор отсутствует, а серповидное пространство между валом и вкладышем подшипника заполнено маслом.
Рисунок 5 - Изменение слоя масла между валом и подшипником при малой (а) и при большой (б) частоте вращения вала
При вращении вала, когда частота вращения еще небольшая, адсорбированные на нем частицы масла начинают вращаться вместе с ним, увлекая за собой все новые и новые слои. В узкую серповидную часть нагнетается все большее количество масла, вал приподнимается и между валом и нижней частью подшипника образуется масляный клин.
При большой частоте вращения вала давление в масляном клине возрастает, вал поднимается на масляной подушке, центры вала и подшипника практически совпадают. В масляном слое развивается высокое, так называемое гидродинамическое давление. Между валом и подшипником возникает жидкостное трение (подшипники коленчатого вала при установившемся режиме работы двигателя).
Создателем гидродинамической теории смазки является выдающийся русский ученый Н.П. Петров, предложивший в 1883 г. для расчета силы трения концентрически расположенного вала в подшипнике формулу
F = η Sv / h,
где F — сила жидкостного трения, Н; η — абсолютная (динамическая) вязкость масла, Н·с/м2; S — площадь соприкосновения трущихся тел, м2; v — скорость перемещения трущихся поверхностей, м/с; h — толщина смазочного слоя, м.
Согласно этой формуле сила жидкостного трения прямо пропорциональна вязкости масла, скорости перемещения и величине поверхностного трения и обратно пропорциональна толщине смазочного слоя, в данном случае величине радиального зазора между валом и подшипником. Поэтому, если узел трения работает в гидродинамическом режиме, главной характеристикой масла в отношении противоизносных свойств является его вязкость. Толщина и прочность пленки будут зависеть от вязкости и наличия в масле присадок, препятствующих износу.
Граничным называют такой режим трения, когда трущиеся поверхности разделены тонкой адсорбированной масляной пленкой. Коэффициент трения в этом случае ниже сухого трения, но выше жидкостного.
В режиме граничного трения нередко работают трущиеся сопряжения при малых скоростях и высоких нагрузках, пуске и остановке или преодолении перегрузок. Граничное трение возникает и в тех случаях, когда геометрия сопрягаемых деталей не допускает образования гидродинамического клина или если в условиях низкой температуры невозможно обеспечить подачу необходимого количества масла к трущимся поверхностям (например, при пуске двигателя). Во всех этих случаях прогрессирующий износ, задир и заклинивание трущихся деталей предотвращаются тончайшей масляной пленкой, которая за счет сил межмолекулярного сцепления прочно удерживается на металлических поверхностях.
Процесс образования и строение граничных пленок довольно сложны. Если при жидкостном трении надежность масляного слоя определяется главным образом вязкостью масла, то при граничной смазке вязкость существенного значения не имеет. Поведение граничных пленок не подчиняется законам гидродинамики.
Надежность и прочность пленок зависит от смазочных свойств масел и физико-химических свойств металлов, на которых они адсорбируются. Важное свойство смазки при граничном трении — это способность масляной пленки выдерживать нагрузку без разрушения и препятствовать непосредственному контакту трущихся поверхностей.
На рис. 6 показано строение одного слоя граничной пленки. Толщина граничных слоев во много раз превышает толщину первого слоя адсорбированных молекул. Первый граничный слой связан с поверхностью металла более прочно. На прочность граничного слоя оказывает большое влияние температура. С повышением температуры силы адсорбции ослабляются, прочность пленки адсорбированных молекул слоев смазочного материала нарушается, смазывающая способность масла снижается.
Рисунок 6 - Схема строения граничной пленки:
а — при статическом положении; б — при трении поверхностей металла; 1 — металл; 2 — адсорбированный слой молекул
Таким образом, при граничном режиме смазки происходит надежное разделение трущихся деталей тонкой масляной пленкой.
Режим граничной смазки часто сопровождается смешанным режимом, при котором происходит частичный контакт выступающих вершин микронеровностей при наличии достаточно большого количества смазки во впадинах. При дальнейшем уменьшении толщины пленки может наступить состояние, при котором начинается трение металла по металлу, что значительно повышает коэффициент трения. Трущаяся пара в этих условиях работает при «масляном голодании». В зонах контакта трущихся поверхностей возникают высокие температуры, граничные пленки не могут предотвратить схватывания и переноса металла в точечных зонах контакта, в результате чего могут образоваться задиры и царапины. Этот вид смазки рассматривается как аварийный режим. Основная функция смазочного материала в этом случае — обеспечение за счет смазочных свойств возможно меньшего износа трущихся поверхностей. Эти свойства особенно большое значение имеют в период пуска, прогрева и вывода на режимную работу двигателей и механизмов.
Основу минеральных масел составляют сложные смеси углеводородов различного строения и молекулярной массы, которые обладают хорошими смазывающими свойствами. Способность масла образовывать надежную масляную пленку зависит от наличия в них ПАВ с электрозаряженными молекулами. К таким соединениям относят асфальтовые и смолистые вещества, органические кислоты, серосодержащие и другие вещества. Несмотря на то что эти соединения улучшают смазывающие свойства масел, их удаляют при очистке масляных фракций, так как они повышают коррозийность, увеличивают склонность к образованию лаков и нагара, ухудшают стабильность масла.
Для улучшения смазочных свойств в смазочные материалы вводят специальные присадки:
§ противоизносные, снижающие интенсивность изнашивания деталей при умеренных нагрузках и температурах;
§ противозадирные, предотвращающие заедание в сопряжении при высоких нагрузках и температурах;
§ антифрикционные, снижающие и стабилизирующие коэффициент трения.
Смазочную способность различных масел и смазок оценивают на машинах трения по коэффициенту трения, потере массы истираемых образцов, диаметру пятна износа и по нагрузке, под действием которой разрушаются граничные пленки и происходит схватывание и заедание поверхностей. Машины трения не в полной мере могут воспроизводить многообразие условий эксплуатации. Поэтому для оценки реальных противоизносных свойств масел и смазок проводят стендовые и эксплуатационные испытания.
Изнашивание в машинах — процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материалов и (или) в остаточной деформации тела.
Износ — изменение размеров деталей в результате изнашивания.
Износ трущихся деталей оценивают по изменению размеров, массы деталей или косвенным признакам. Для различных деталей можно установить характерный для них предельный износ. Возникшие в результате износа неисправности, как правило, не устранимы регулировкой и требуют ремонта, например, падение мощности двигателя вследствие увеличения зазоров в деталях цилиндропоршневой группы (ЦПГ). В неблагоприятных условиях процессы трения и износа трущихся поверхностей интенсифицируются.
Применительно к смазываемым деталям машин различают три категории износа.
Механический износ — износ поверхностей под действием сил трения.
Химический (коррозионный) износ — износ в результате химического воздействия металла с активными компонентами жидкой или газовой среды и в разрушении граничных пленок.
Абразивный износ — износ, вызванный механическим воздействием абразивных частиц, представляющих продукты износа, окисления и карбонизации масла, продуктов сгорания и минеральных частиц, попавших извне.
При эксплуатации автомобилей основным видом износа металлических деталей является механический износ.
Коррозионно-механический износ характерен для деталей ЦПГ двигателя. В результате процесса сгорания рабочей смеси образуются серная, сернистая и органические кислоты, разрушающие масляную пленку на трущихся поверхностях.
Абразивный износ наблюдается при попадании в узлы трения абразивных частиц из воздуха, топлива, масла и накопления продуктов изнашивания на трущихся поверхностях.
Встречаются и другие виды износа. Усталостное разрушение металла обусловлено многократно повторяющимися достаточно высокими нагрузками, которые вызывают микротрещины и выкрашивание поверхностей трения. Этот вид износа наблюдается в деталях подвески — листы рессор, кронштейны; заднего моста — полуоси и зубья редуктора. Молекулярно-механический износ возникает при заедании, вследствие схватывания и переноса металла: при фреттинге — механический износ и при фреттинг-коррозии — коррозионно-механический износ поверхностей трения при малых колебательных относительных микросмещениях.
Абразивному и механическому износу в сочетании с другими видами подвержены практически все детали автомобиля. Установить вид износа можно только путем изучения изношенных поверхностей.