Влияние скорости скольжения и температуры на свойства контакта

Влияние скорости скольжения и температуры на свойства контакта и фрикционные колебания

ФПК — фактической площади контакта шероховатых поверхностей; КПК — контурная площадь контакта; НПК — номинальной площадью контакта это общая площадь прикасания тел (кажущаяся), в пределах которой заключены ФПК и КПК.

Рост ФПК и силы трения в зависимости от времени неподвижного контакта объясняет схема на рис. напряжение здесь воспринимается телами Гука и Ньютона: 3 εηεEσσσ ηE Напряжение здесь воспринимается телами Гука и Ньютона:

РЕОЛОГИЯ Реология – наука о деформациях и текучести сплошных сред, обнаруживающих упругие, пластические и вязкие свойства в различных сочетаниях. Упругие деформации возникают в теле приложении нагрузки и исчезают, если нагрузки снять; пластические деформации появляются только в том случае, когда вызванные нагрузкой напряжения превышают известную величину – предел текучести; они сохраняются после снятия нагрузки; вязкое течение отличается тем, что оно возникает при любых сколь угодно малых напряжениях, с ростом напряжений увеличивается скорость течения, и при сохранении напряжений вязкое течение продолжается неограниченно.

Еще одно свойство, которым могут обладать среды, изучаемые реологией , – это высокоэластичность , характерная, например, для резины, когда резиновая лента допускает десятикратное растяжение, а после снятия нагрузки практически мгновенно восстанавливает первоначальное состояние.

Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения V в виде экспоненциальной функции Параметры а, в, с, d характеризуют режим скольжения и свойства материалов пары трения. Параметр а зависит от физических свойств материалов и шероховатости, в и с зависят от вязкости и нагрузки, d зависит от конструкции узла трения и режима скольжения. Однако влияние скорости V на свойства контакта при небольшом ее изменении само по себе невелико.

Но существенный рост скорости приводит к значительному повышению температуры контакта, поскольку мощность трения (F V) превращается в теплоту. Рост температуры в свою очередь вызывает заметное изменение свойств материалов в зоне контакта, резко снижается твердость. Поскольку увеличивается ФПК, снижается интенсивность молекулярного взаимодействия ( 0 , ), происходят химические превращения в поверхностных слоях. При очень больших скоростях скольжения возможно оплавление поверхности, и сухое трение переходит в гидродинамическое. В общем случае наблюдается снижение коэффициента трения с ростом температуры.

Согласно теория тепловых процессов, протекающих при трении, установлено, что максимальную температуру на пятне контакта можно представить в виде суммы: T 0 — исходная температура пары трения, T v — средняя объемная температура элемента пары, T S — средняя температура на номинальной (контурной) площади контакта, T B — температурная вспышка на пятне контакта. Эти факторы опосредованы теплопроводностью пары трения.

Задачу теплопроводности обычно формулируют в следующем виде: найти распределение температур в элементах пары трения, когда на контакте действует поверхностей происходит теплоотдача в окружающую среду. При этом учитывают изменение теплофизических характеристик материалов в зависимости от температуры. Решение задачи позволяет рассчитать T V , T S , T B в условиях работы тормозов, сцепления и других узлов трения. Расчеты и эксперименты показали, что T max может, даже при сравнительно небольших скоростях, достигать сотен градусов, что приводит к заметным изменениям свойств материалов в тонком поверхностном слое.

При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов , которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др. ). Такие колебания называют фрикционными. Причинами колебаний являются реологические свойства контакта, а также упругие свойства элементов пары трения и их связей с другими деталями.

Главным проявлением реологии контакта является рост ФПК , а следовательно, и статической силы трения с увеличением времени неподвижного контакта и скачкообразное падение силы трения при переходе от покоя к движению, а затем падение силы трения с ростом скорости скольжения, вызванное, главным образом, скачком температуры на пятнах контакта.

Динамическая модель такой системы изображена на рис. Схема модели фрикционных колебаний

Модель представляет собой последовательно соединенные тела Кельвина-Фойгта и Сен-Венана. Если в целях упрощения принять, что =0, = const , то 2 -й закон Ньютона для колебаний ползуна запишется в виде: Решение этого уравнения позволяет найти законы движения ползуна и колебаний тягового усилия.

На рис. показан примерный график колебаний тягового усилия. Рис. График колебания тягового усилия

В зависимости от уровня гашения (вязкости системы ) колебания могут существовать либо не возникать. От этого зависит устойчивость, надежность долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов и замене деталей при ремонте и техобслуживании.

Трение качения Если бы колесо, катящееся по основанию, не испытывало проскальзывания, то такое движение было бы чистым качением и путь, проходимый любой точкой поверхности колеса по основанию за один оборот, составлял бы 2 r. Однако качения без проскальзывания не бывает. Колесо и основание испытывают упругие деформации.

При этом колесо в зоне контакта сжимается, а основание — растягивается (стрелки на рис. ). Рис. Взаимодействия колеса с опорой

Поэтому на контакте постоянно происходит проскальзывание колеса относительно основания. Это один из источников рассеяния энергии. Другим источником является вязкоупругое поведение материалов основания колеса. Если к оси колеса не приложено тяговое усилие, то дуга контакта симметрична (рис. ), и реакция опоры соосна с нормальной нагрузкой.

Если приложить тяговое усилие и колесо приходит в движение, то зона контакта искажается (рис. ). Материал сзади колеса не успевает восстановить форму. Эпюра давлений смещается в сторону движения. Большая часть дуги контакта оказывается во фронтальной части. Реакция опоры распределяется на две составляющих: вертикальную и горизонтальную ( F l ) которая представляет собой сопротивление перекатыванию.

Поскольку из условия равновесия то коэффициент трения качения e — эксцентриситет — смещение центра опорной поверхности от вертикали.

Наряду с этой характеристикой используется коэффициент сопротивления качению, равный отношению работы на единичном пути к нормальной нагрузке. Работа при повороте на угол d равна Md , а пройденный путь — l = rd . Тогда коэффициент сопротивления Это выражение было получено Кулоном. Дальнейшие исследования показали, что эксцентриситет не является константой и 1/r n , причем n .

Далее было установлено, что проскальзывание вносит незначительный вклад в потери энергии, а главный источник потерь — вязкоупругие деформации катка и опоры. Рассеивание энергии связано в основном с гистерезисом деформации. Исходя их этих соображений, для цилиндрического катка k =0, 24 r ( q r j ) 1/2 , q — нагрузка, приходящаяся на единицу длины.

Гидродинамическое трение Гидродинамическое (жидкостное) трение характеризуется тем, что трущиеся поверхности разделены слоем масла. Минимальная толщина слоя должна быть больше, чем суммарная высота наиболее высоких микронеровностей обеих поверхностей: h min R max 1 +R max 2 . Масло является вязкой жидкостью.

Сила внутреннего трения выражается формулой Ньютона: — динамическая вязкость; d. V/dz — поперечный градиент скорости; S — площадь сдвига слоев смазки. Если скорость в направлении, перпендикулярном течению, по мере заглубления меняется по линейному закону (см. рис. ), то d. V/dz=V/h. Закон распределения скоростей в потоке

В таком случае формулу можно записать в виде F= VS/h Вязкость масла зависит от температуры и давления. С ростом температуры наблюдается резкое снижение вязкости.

Повышение давления приводит к слабому увеличению вязкости. Русский инженер Н. П. Петров (1836 -1920) рассмотрел сопротивление вращению вала в подшипнике при постоянном зазоре h=const (см. рис. ).

Петров, Николай Павлович (учёный) (1836 -1920) • Русский учёный-механик и инженер, инженер-генерал, профессор, основоположник гидродинамической теории смазки.

В 1865 году был направлен за границу для изучения прикладной механики. По возвращении читал лекции в Петербургском технологическом институте и Инженерной академии. После присвоения в 1867 году звания адъюнкт-профессора практической механики Инженерной академии выполнял крупные научно-исследовательские работы по созданию оборудования военных заводов. Возглавлял кафедру паровой механики в Петербургском технологическом институте, а в 1871 году — кафедру железнодорожного дела. В это время начинается научная деятельность Н. П. Петрова в области трения, износа и смазки. В 1873 году он стал членом Инженерного совета Общества российских железных дорог, принимал участие в строительстве Транссибирской железной дороги.

В июле 1915 года назначен председателем «Верховной комиссии для всестороннего расследования обстоятельств, послуживших причиной несвоевременного и недостаточного пополнения запасов военного снаряжения» . Постановлением этой комиссии в 1916 году было возбуждено уголовное преследование против В. А. Сухомлинова.

Для этого случая в формуле вместо S можно подставить 2 r. L и вместо V = r. Тогда получим формулу Петрова для расчета момента трения M = F r =2 R 3 L / h. Коэффициент трения = 2 r/h v/q.

M = F r =2 R 3 L / h. = 2 r/h v/q L — длина подшипник; — угловая скорость вала; h r. Из формулы видно, что момент трения M увеличивается с ростом вязкости , угловой скорости , радиуса R , длины подшипника L и с уменьшением зазора h. Наиболее сильно влияет радиус подшипника

Если постоянство зазора не поддерживать искусственным путем, то вал опустится под действием силы тяжести. Зазор снизу начнет убывать. Здесь в действие включается гидродинамический эффект. Гидродинамический эффект заключается в том, что вал захватывает за счет смачивания масло и нагнетает его в сужающийся по направлению движения клиновой зазор.

Внутри масляного клина возникает добавочное давление, эпюра которого показана на рис. Схема гидромеханики подшипников

Вал всплывает при некоторой толщине смазочного слоя, когда в результате саморегулирования устанавливается минимальный зазор нагруженной зоны подшипника, соответствующий действующей нагрузке N : h min = k r v / q , где К — коэффициент, g =N/L — погонная нагрузка.

Минимальной зазор возникает в сечении, смещенном на угол . Для того чтобы выразить подъемную силу масляного клина, силу вязкого трения и минимальную толщину зазора, необходимо решать уравнение Рейнольдса. Для жестких элементов пары трения, несжимаемой жидкости и стационарного течения это уравнение в интегральной форме имеет вид dp / dx =6 v ( h — h 0 )/ h 3 . h 0 — толщина зазора в области максимального давления; h — текущая величина зазора.

Решение уравнения Рейнольдса редко удается получить в аналитическом виде. Оно выполняется обычно численными методами. Аналитическое решение решают для скольжения одной пластины по другой

Аналитическое решение, полученное для скольжения одной пластины по другой имеет вид: K=hmax /hmin. = /q безразмерная величина и называют характеристикой подшипника.

Зависимость коэффициента трения от характеристики называют диаграммой Герси-Штрибека (см. рис. ) Р и с. Диаграмма Герси–Штрибека

При значении , соответствующем минимуму коэффициента трения, происходит переход от граничного трения к жидкостному. Кривая I — кривая интенсивности изнашивания. При контакт деталей размыкается, и износ исчезает. = /q характеристика подшипника.

Разновидностью гидродинамической является эластогидродинамическая смазка. Высокие давления в масляном клине вызывают упругую деформацию контактирующих тел. В результате величина зазора между деталями возрастает. Особенно сильно этот эффект проявляется при трении тел, материал которых имеет низкий модуль упругости, например для резиновых колес автомобилей.

На рис. показан эластогидродинамический эффект при качении колеса по жесткому основанию. За счет эластогидродинамического эффекта смазка образует прослойку между колесом и основанием. Рис. Эластогидродинамический эффект

Так происходит при движении автомобиля по залитому водой асфальту при скорости более 70 км/ч. Явление называют глиссированием. Автомобиль становится неуправляемым со всеми вытекающими последствиями.

Явление глиссирования называют еще аквапланированием.

Известно, что жидкости практически несжимаемы. Это значит, что если между шиной и поверхностью дороги появляется вода, продавить ее до асфальта тяжело – чтобы шина могла зацепиться за дорогу, нужно выдавить воду из пятна контакта в разные стороны.

Поведение автомобиля на дороге зависит от многих факторов. Одним из определяющих является сцепление шины с дорожным покрытием. Но если опасность поведения машины на льду, снегу и грязи известна практически всем, то аквапланирование для многих остается неожиданным. Если посмотреть на катящееся колесо сбоку, то видно, что основная масса воды выдавливается вперед, так как шашечки протектора по очереди ложатся на асфальт и перекатываются по ходу движения колеса.

Наступает момент, когда водяной вал впереди колеса не успевает стекать в стороны и оно начинает катиться по поверхности слоя воды. Вот это и есть аквапланирование. Если асфальт просто мокрый, зацепление шины за микронеровности дорожного покрытия все же происходит, но на поверхности слоя воды протектору цепляться не за что. Торможение не помогает, рулевое управление становится бессильным. Остается только ждать исхода или применять какие-то особые способы выхода из ситуации.

Как отвести воду. Чтобы отвести водяной вал из-под колес, производители нарезают канавки вдоль и поперек протектора, и часть воды уходит в стороны через них. Такое простое решение помогает увеличить скорость движения на водной глади. Канавки должны быть определенной глубины и направляться таким образом, чтобы вода отводилась с максимально возможной скоростью. При неправильной установке хорошей дождевой шины можно получить обратный результат. Это случится, если шину с направленным рисунком протектора поставить «задом наперед» : вода не отводится из-под шины, а нагнетается под нее. Естественно, «всплывет» такая покрышка гораздо раньше.

Это над знать Необходимо следить за состоянием покрышек. При езде на шине с изношенным протектором нужно быть готовым к тому, что в луже она «поплывет» гораздо раньше новой. Тестирование шин на аквапланирование на полигоне Nokian Tyres в Финляндии показало, что покрышка, изношенная почти наполовину (глубина протектора 4 мм ), «всплывает» на скорости 60– 65 км/час , в то время как такая же новая (глубина протектора 8 мм ) на такой же машине – на скорости 85 км/час. При этом испытания проводились на специальном участке полигона, который представляет собой длинный бассейн глубиной 10– 20 мм.

Во время дождя, когда толщина водного слоя намного меньше, аквапланирование наступает на более высокой скорости. Но износ протектора сказывается очень существенно, поэтому на шинах с допустимой Правилами дорожного движения глубиной протектора в 1, 6 мм вполне возможен переход на «глиссирование» при тех же 80– 90 км/час, а в лужах – и на 60 км/час.

Безопасная скорость при проезде глубоких луж – величина индивидуальная для каждой модели шин и автомобиля. Она зависит не только от рисунка протектора и его глубины, но и от размера шины, а также нагрузки на колесо. Чем шире покрышка, тем раньше наступает аквапланирование. Следует обратить внимание и на амортизаторы. При их неисправности ухудшается контакт шины с дорогой, и она всплывает раньше.

Опасные симптомы При проезде лужи о наступившем аквапланировании свидетельствует непривычно легкий руль (резкое уменьшение усилия на нем) и рывок стрелки тахометра (спидометра) в сторону увеличения оборотов (скорости). Сопротивление вращению колес намного ниже, и двигатель мгновенно набирает обороты. Именно таким образом водители-испытатели определяют начало аквапланирования на полигоне. Чтобы сделать реакцию двигателя более заметной, бассейн с водой, где проверяются шины, обычно проходят на пониженной передаче и высоких оборотах ( «раскрученный» двигатель дает избыток тяги, и колеса быстрее разгоняются).

При езде по мокрой дороге существует ряд косвенных признаков, которые предупреждают о возможном аквапланировании. Первый – это гладкий блестящий асфальт. Шероховатое покрытие значительно безопаснее, так как для аквапланирования нужен большой слой воды. В то же время гладенький асфальт способен поднять автомобиль «на волну» при гораздо меньшей скорости. Если во время сильного дождя на асфальте не виден четкий след проехавшей впереди машины – значит, слой воды слишком большой, и она успевает сразу же сомкнуться. Даже небольшое рысканье автомобиля, идущего впереди, – очень нехороший признак: во избежание неприятностей лучше снизить скорость!

Если вы не уверены, достаточно ли снизили скорость, постарайтесь проехать лужу по прямой, крепко держа руль в положение «прямо» . Во-первых, ее глубина может оказаться разной под правыми и левыми колесами. Самое опасное, когда колеса одной стороны едут по луже, а другие – по чистому асфальту. В этом случае неизбежен рывок руля в сторону колес, едущих по луже. Во-вторых, если в момент аквапланирования повернуть руль, при выходе на асфальт последует мгновенный рывок машины в сторону, что может завершиться опрокидыванием.

Самыми устойчивыми к аквапланированию являются так называемые дождевые шины, имеющие в своем обозначении слова Aqua, Water, Rain, Hydra и др. Они рекомендованы для использования прежде всего в регионах с частыми осадками в виде дождя.

При проектировании гидродинамических подшипников жидкостного трения самый эффективный режим наблюдается при явлении так называемого « стеклования» смазки. Установлено, что явление стеклования проявляется при давлении в смазочном слое P C =400. . . 2500 МПа. Упруго-гидродинамическое состояние пленки смазки в такой ситуации определяют три фактора: давление, сдвиг температура.

Напряжения сдвига при стекловании описывают двучленным выражением: стекл. = пред. +С Р, пред — предельное напряжение сдвига; С — коэффициент, близкий по значению к коэффициенту трения при граничной смазке; Р — параметр, определяющий превышение действующего давления в контакте над значением давления при стекловании Р С.

Резюме В основе современного подхода к пониманию трения лежит идея дискретности контакта трущихся поверхностей. Физические процессы при трении обусловлены закономерностями взаимодействия твердых тел, при упругой и пластической деформации микронеровностей поверхностей, теплопереносом, адгезией и гидродинамикой смазки.

###