Трение скольжения

Виды трения

По характеру относительного движения различают трение скольжения и трение качения. В некоторых случаях оба вида трения проявляются совместно, когда качение сопровождается проскальзыванием, например, в зубчатых передачах или между колесами и рельсами.

При трении скольжения относительная скорость всех точек взаимодействующих тел одинакова. При трении качения можно всегда указать точку в зоне контакта, скорость скольжения в которой равна нулю.

В зависимости от того, является ли относительное перемещение соприкасающихся пар макро- или микросмешением, различают силу трения движения, неполную силу трения покоя и наибольшую силу трения покоя. Сила трения движения - сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленной к общей границе между этими телами. Наибольшая сила трения покоя - сила предельного сопротивления относительному перемещению соприкасающихся тел без нарушения связи между ними и при отсутствии смещения в месте контакта. Приложенная к одному из тел параллельно плоскости касания сила, превышающая хотя бы на бесконечно малую величину силу трения покоя, уже нарушает равновесие. Неполная сила трения покоя - сила сопротивления, направленная против усилий сдвига, при отсутствий смещения в месте контакта. Она изменяется от нуля (при отсутствии сил, стремящихся нарушить относительный покой тел в плоскости их касания) до наибольшего значения, когда она переходит в силу трения покоя.

В зависимости от наличия смазочного материала различают: трение без смазочного материала и трение со смазочным материалом.

Под трением понимают сопротивление, возникающее при перемещении одного тела относительно другого, прижатого к первому. При этом различают трение покоя, скольжения и качения (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Характерные случаи формирования сил трения:

а - сила трения покоя; б - сила трения скольжения

Силой трения покоя F_n называют сдвиговое усилие, прикладываемое к контактирующим телам, и не вызывающее их взаимного скольжения (рис. 3.1, а). При этом взаимное перемещение L_n достигается за счет деформации материала выступов шероховатости в зоне контакта и называется предварительным смещением. Оно носит в основном упругий характер и исчезает при снятии сдвигающего усилия.

Однако по мере роста сдвигающего усилия предварительное смещение приобретает пластический характер и становится частично необратимым. На рисунке 3.1 показана предельная величина предварительного смещения L_пм и соответственно предельное значение силы трения покоя, которое называют статической силой трения F_cт. Различают коэффициенты трения покоя (статический) и скольжения (кинетический).

Механизм возникновения трения объясняет молекулярно-механическая теория трения, в разработку которой внесли большой вклад российские ученые (Б.В. Дерягин, И.В. Крагельский и др.) и зарубежные (Боуден, Тейбор, Томлинсон и др.). В соответствии с этой теорией трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Силу трения можно представить как сумму молекулярной (адгезионной) и механической (деформационной) составляющей

F=F_M+F_D, (3.1)

где F_M - молекулярно-адгезионная составляющая силы трения, Н;

F_D - деформационно-механическая составляющая силы трения, Н.

Молекулярная составляющая обусловлена сопротивлением разрыву молекулярных либо межатомных связей, которые возникают между контактирующими телами.

Механическая составляющая вызвана сопротивлением упругому и пластическому оттеснению выступов контактирующих тел, внедрившихся при движении в контрповерхности (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Упругое и пластическое оттеснение материала

при скольжении

Рис. 3.3. Гистерезис

На рисунке 3.2 (а) показано скольжение жесткого сферического индентора по вязкоупругому полупространству. Материал после прохода выступа из-за запаздывания деформации по отношению к нагрузке не успевает восстанавливать форму. Поэтому выступы перед индентором и после несимметричны, а реакция опоры, приложенная в центре контактной поверхности, не совпадает по направлению с нормальным усилием. Это явление характеризуется гистерезисом деформации.

На рисунке 3.3 показана кривая гистерезиса при растяжении-сжатии вязкоупругого стержня. Кривая ОМ отражает процесс нагружения, а кривая MN - процесс разгрузки. Из-за запаздывания деформации в тот момент, когда напряжение равно нулю, деформация не исчезает и равна e_о. Поэтому след, оставшийся при движении выступа, не успевает восстанавливаться полностью, чего следовало бы ожидать для идеальной упругой среды.

На рисунке 3.2 (б) показано поведение жесткого выступа при скольжении по пластической среде. В начале, пока скольжение отсутствует, под действием нормального усилия выступ заглубляется. При скольжении задняя граница выступа отрывается от лунки. Впереди возникает валик оттесняемого материала. Коэффициент трения находится по зависимости (1.4).

Многочисленные исследования показали, что для металлов деформационная составляющая коэффициента трения примерно в 100 раз меньше, чем адгезионная. Поэтому коэффициент трения в первом приближении равен адгезионной составляющей.

На коэффициент трения скольжения оказывают влияние:

1. Внешняя нагрузка N. С ростом N коэффициент трения f_M уменьшается, f_D увеличивается, т.е. молекулы отталкиваются у разнородных материалов, у однородных притягиваются.

2. Шероховатость поверхности. Более твердое тело внедряется в более мягкое: f_M - уменьшается; f_D – увеличивается.

3. Механические свойства контактирующих тел. От свойств менее жесткого тела зависит модуль упругости Е.

4. Температура контактирующего тела: f_M - уменьшается; f_D – увеличивается (сваривание).

5. Скорость скольжения - оказывает неоднозначно влияние.

В таблице 3.1 приведены значение коэффициентов трения скольжения для различных сочетаний материалов.

Таблица 3.1

Коэффициенты трения скольжения

Характеристика пар качения	Коэффициента трения f
Тазобедренный сустав	0,008
Подшипник скольжения	0,02-0,08
Сталь - бронза	0,15
Сталь - абразивный круг	0,9

Для измерения силы трения применяют различные трибометры. Они позволяют исследовать влияние на трение шероховатости поверхностей, материалов пары трения, нормальной нагрузки, скорости скольжения, температуры, смазки и многих других факторов.

Дата добавления: 2014-12-26