<<< ОГЛАВЛЕHИЕ >>>

Тема 2. «Общие понятия о трении и износе»

Под трением (внешним) понимают сопротивление относительному переме­щению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхно­стей по касательным к ним. Уменьшение потерь на трение и снижение износа ра­бочих поверхностей деталей - основное назначение смазочных материалов.

По характеру взаимного перемещения трущихся поверхностей деталей раз­личают трение покоя (трение двух тел при предварительном их смещении) и тре­ние движения (трение двух тел, находящихся в относительном движении). Тре­ние движения, в свою очередь, по характеру движения делится на трение сколь­жения и трение качения, а по наличию (отсутствию) смазочного материала - на трение без смазки, граничное и жидкостное.

Трение скольжения возникает при движении соприкасающихся тел, у которых скорости в точках касания различны.

При трении качения скорости тел в точках касания одинаковы по величине и направлению. Трение качения с проскальзыванием возникает при одновремен­ном качении и скольжении соприкасающихся тел.

Трение без смазки возникает при отсутствии на поверхностях трения тел спе­циально введенного смазочного материала (рис. 2.1, а).

Рис.2.1. Виды трения по наличию смазочного материала: а – трение без смазки (сухое трение); б - граничное трение; в - жидкостное трение; г – смешанное трение; h_min – величина зазора между трущимися поверхностями; δ₁, δ₂ – высота микронеровностей на трущихся поверхностях.

Граничное трение возникает в случае, когда поверхности трения разделены слоем смазки малой толщины (менее 0,1 мкм), не превышающем высоты микро - неровностей (шероховатости) поверхности. При этом величина силы трения за­висит от природы и состояния трущихся поверхностей (рис. 2.1, б).

При жидкостном трении (рис. 2.1, в) смазочный слой полностью отделяет взаимоперемещающиеся рабочие поверхности одну от другой и имеет толщину, при которой проявляются нормальные объемные свойства масла.

При трении без смазки дополнительная энергия тратится на преодоление:

•  взаимного механического зацепления неровностей (шероховатостей) трущихся поверхностей при их относительном перемещении;

•  сил межмолекулярного притяжения;

•  явления сваривания отдельных острых выступов поверхностей трущихся пар в условиях высоких удельных давлений и значительного выделения тепла.

Согласно формуле Амонтона , сила трения скольжения F зависит от коэффи­циента трения f и величины нормальной нагрузки Р:

F = f x P,

где: f - коэффициент трения, значение которого зависит от вида трущихся материалов и каче­ства обработки их поверхностей. В среднем коэффициент трения составляет 0,1-0,8, а при трении меди по меди - 1,3.

Сила трения качения примерно на порядок меньше силы трения скольжения несмазанных поверхностей. Это свойство используется в подшипниках качения (шарик или ролик соприкасаются с поверхностью в точке или по линии). Однако такие подшипники удается применить не везде, кроме того, в реальных механиз­мах преобладает трение с проскальзыванием, что значительно увеличивает ко­эффициент трения.

Коэффициент граничного трения составляет 0,08-0,15. Режим граничного трения очень неустойчив и характеризует предел работоспособности узла тре­ния. Если граничный слой разрушается, а нагрузка превышает силы сцепления смазочного материала с рабочей поверхностью детали, то в месте контакта воз­никает сухое трение и, как следствие, задиры, заклинивания и другие аварийные повреждения деталей (например, выплавление антифрикционного слоя вклады­шей коленчатого вала).

Толщина и прочность граничного слоя масла при трении рабочих поверхно­стей деталей двигателя зависит от химического состава масла и входящих в не­го присадок, химической структуры деталей (например, баббитовые или алюми­ниевые вкладыши коленчатого вала) и состояния поверхности трения (шлифова­ние или суперфиниширование). При этом работоспособность граничного слоя масла не зависит от его вязкости, а определяется взаимодействием молекуляр­ной пленки масла с трущейся поверхностью металла. Возникающие молекуляр­ные пленки масла бывают физического (адсорбция) или химического (хемосорбция) происхождения.

Образование смазочных пленок силами адсорбции обусловлено наличием  смазочных материалах поверхностно - активных веществ (ПАВ), несущих электрический заряд. К таким веществам относятся соединения, содержащие карбоксильные группы, спирты, различные эфиры, смолы, сернистые соединения Смазочные материалы, содержащие ПАВ, обладают способностью адсорбироваться на поверхностях раздела двух сред: жидкости и твердого тела. Способность смазочных материалов, содержащих ПАВ, образовывать на смазываемых поверхностях достаточно прочные слои ориентированных молекул, называют маслянистостью или смазывающей способностью масел. В некоторые масла для улучшения их смазывающей способности вводят противоизносные и противозадирные присадки.

Хемосорбированные пленки - устойчивые химические пленки фосфатов, хлоридов или сульфидов - создаются на поверхности металла благодаря при­сутствию в смазочных материалах соответствующих химических элементов. Большая скорость образования этих пленок обеспечивает их быстрое восстано­вление в местах разрушения граничного слоя. К пленкам этого типа относят так­же различные мыла, которые образуются из органических кислот, содержащихся в масле.

Адсорбированные и хемосорбированные пленки, обладая определенной прочностью и стойкостью, защищают поверхности трения от механических и тепловых воздействий, препятствуют взаимной адгезии трущихся поверхно­стей.

Коэффициент жидкостного трения находится в пределах 0,003-0,03, что в 50-100 раз меньше, чем при трении без смазки. Сила трения при этом виде смазки зависит только от трения внутренних слоев в смазочном материале.

Устойчивость смазочного слоя, необходимого для жидкостного трения, зави­сит от следующих факторов: конструкции узла трения; скорости взаимного пере­мещения трущихся поверхностей; величины и равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; равномерности распределения нагрузки на трущиеся поверхности; вязкости смазочного материала; площади трущихся поверхностей; величины зазора между трущимися поверхностями; температурного состояния узла трения и др. 

Рис.2.2. Образование масляного клина в подшипнике скольжения коленчатого вала: а - двигатель не работает; б - момент пуска двигателя; в - работа двигателя (постоянное вращение коленчатого вала)

Механизм образования масляного клина (слоя) в коренном подшипнике ко­ленчатого вала при пуске двигателя показан на рис. 2.2. Вращаясь в подшипни­ке скольжения, вал увлекает находящееся в зазоре масло, и там, где величина зазора h_min меньше, возникает давление, под действием которого вал «всплыва­ет» в заполняющем зазор масляном слое (рис. 2.2, б). С увеличением частоты вращения коленчатого вала «клиновое действие» масляного слоя возрастает, увеличивается величина h min и шейка вала стремится занять центральное положение в подшипнике (рис. 2.2, в). Минимальная толщина масляного слоя h min за­висит от конструкции подшипника скольжения (наличия упорных буртиков, саль­никовых уплотнений и других элементов), абсолютной вязкости масла, скорости перемещения трущихся поверхностей и величины давления на трущиеся поверх­ности. Соблюдение закономерности

h_min >= 1,5(δ₁+ δ₂ ),

где: δ₁и δ₂ — максимальные высоты выступов на поверхностях трения (см. рис. 2.1).

Для любых пар трущихся поверхностей вязкость масла должна быть наимень­шей, но в то же время обеспечивающей жидкостное трение. Так, для подшипни­ка скольжения коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания кинематиче­ская вязкость должна быть не менее 4-5 мм²/ с.

Полужидкостное трение возникает при пуске и остановке двигателя, высоких рабочих температурах и нагрузках, недостаточной вязкости масла и его подаче, а также при попадании в масло абразивных механических примесей. В этих ситу­ациях масла в зазоре между трущимися парами может оказаться недостаточно для обеспечения жидкостного трения, масляный слой частично разрушен, в ре­зультате чего в отдельных местах соприкосновения трущихся поверхностей воз­никает граничное или сухое трение. Если масло обладает высокой смазывающей способностью, только это и позволяет максимально уменьшить трение и износ, а также предотвратить заклинивание трущихся деталей.

Изнашивание - это процесс разрушения и отделения материала с поверхно­сти твердой детали накопления в ней остаточной деформации или постепенного изменения ее размеров или формы поверхностей под воздействием трения.

Количественной мерой оценки изнашивания является износ, который может выражаться в единицах длины, массы (поршневые кольца) или объема.

Различают скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Скорость изнашивания определяют как отношение значения износа к интервалу време­ни, в течение которого он возник, а интенсивность изнашивания - как отноше­ние значения износа к величине расстояния (пробега, измеряемого в км), на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы (т / км, м³ и т. д.).

По характеру разрушения деталей различают следующие виды изнашивания: механическое, молекулярно - механическое и коррозионно-механическое.

Механическое изнашивание, возникающее в результате механических воз­действий, подразделяется на абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное, эрозионное и кавитационное.

Абразивное изнашивание становится результатом режущего или царапаю­щего воздействия на поверхности трения относительно более твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Даже незначительное количество абразивных частиц ведет к очень быстрому изнашиванию трущихся поверхностей деталей автомобиля (например, песок, попавший в тормозные ба­рабаны или картер сцепления).

Гидроабразивное изнашивание, как и газоабразивное, — результат воздей­ствия на детали твердых частиц, увлекаемых, соответственно, жидкостью или га­зом. Такие загрязнения, как твердые продукты износа, частицы нагара, пыль и другие, попадая в двигатель, вызывают интенсивное изнашивание поверхностей пения деталей, систем смазки и питания.

Усталостное изнашивание — следствие повторного деформирования микро объемов материала, из - за которого возникают трещины и происходит отделение частиц. Усталостное изнашивание может происходить как при трении качения (галтели поворотного кулака балки переднего моста автомобиля), так и при тре­нии скольжения (галтели коленчатого вала двигателя).

Эрозионное изнашивание наблюдается при воздействии на поверхность трения жидкости или газа. Наиболее часто этот вид изнашивания встречает­ся на поверхностях деталей охлаждающей и выпускной систем двигателя. Разновидностью эрозионного изнашивания является электроэрозионное из­нашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохожде­нии электрического тока. Наиболее часто от электроэрозионного изнашива­ния страдают (подгорают) контакты замка зажигания, прерывателя - распре­делителя, тягового реле стартера, электропривода насоса охлаждающей жидкости и т. п.

Кавитационное изнашивание возникает в условиях кавитации - процесса «охлопывания» пузырьков газа вблизи поверхности трения, создающего местное повышение давления или температуры. При кавитационном изнашивании на­ружные поверхности гильз цилиндров двигателя покрываются кратерами или вырывами, образовавшимися от разрывов пузырьков.

Молекулярно - механическое изнашивание (изнашивание при заклинивании) является результатом совместного действия механического изнашивания с мо­лекулярными или атомными силами. В этом случае происходит глубинное выры­вание материала, местное соединение (схватывание) двух твердых тел, перенос металла с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неров­ностей на сопряженную поверхность.

Заклинивание двигателя становится следствием схватывания, как правило, коренного либо шатунного подшипника коленчатого вала из - за нарушения жид­костного трения. Возникающее при этом повышение температуры приводит к выплавлению антифрикционного сплава (баббитового или алюминиевого) вкла­дышей. При этом антифрикционный слой заполняет зазор между трущейся по­верхностью вкладыша и шейкой коленчатого вала, что и приводит к заклинива­нию вала. Задиры на стенках гильз цилиндров двигателей возникают при нару­шении подвижности или разрушении поршневых колец.

Коррозионно - механическое изнашивание возникает в результате механиче­ского воздействия на трущиеся поверхности, сопровождаемого химическим или электрическим взаимодействием материала со средой. Коррозионные разру­шения в этом случае развиваются при воздействии на трущиеся поверхности та­ких агрессивных веществ, как химически активные газы, кислотные примеси смазочных материалов и др. При этом изнашивание вызывается главным обра­зом химической реакцией материала поверхности трения с кислородом или окисляющей окружающей средой (пример - окисление выводов аккумуляторной батареи).

На возникновение, какого - либо вида изнашивания и повышение его интен­сивности влияют:

•свойства материалов поверхностей трения деталей (баббит, алюминий, за­каленная сталь и др.);

• свойства и качества смазочных материалов;

• способы подвода смазки к трущимся поверхностям (разбрызгиванием, под давлением, самотеком);

•давление и место подачи смазочного материала к трущимся поверхностям (расположение масляного канала относительно трущихся поверхностей);

• форма и размеры поверхностных неровностей (шероховатость) и трущихся поверхностей (овальность, конусность);

•характер приложения нагрузки (динамический, статический, знакоперемен­ный);

•скорость относительного перемещения трущихся тел и ее изменение

во времени (разгон автомобиля, торможение двигателем);

• температурный режим работы двигателя и, как следствие, пары трения;

• присутствие механических и химических примесей, влаги в месте контакта и полнота удаления продуктов изнашивания из зоны трения;

• качество топлива;

• режим работы и климатические условия эксплуатации автомобиля и др.