Трение в машинах
![Реферат: Трение в машинах](https://gugn.ru/work/1319600/cover.png)
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… Читать ещё >
Трение в машинах (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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:
Трение скольжения (трение 1-го рода).
Трение качения (трение 2-го рода).
Трение верчения.
По участию смазки:
Жидкостное трение.
Граничное трение.
Трение несмазанных поверхностей (сухое трение).
По динамическим условиям контакта:
Трение покоя (статическое трение).
Трение движения.
По области служебного использования:
Трение антифрикционных сопряжений.
Трение фрикционных пар.
По надежности сопряжений трущихся поверхностей:
Нормальный процесс.
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 Д 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 (2800 мкм) и высотой (0,03400 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 | |
Поверхности стальных деталей в местах уплотнения резиновыми манжетами | 0,72(1,8) | (100) | 0,13 | ||
Гильза цилиндрическая | 1,2(1,7) | (45) | 0,04 | ||
Поршневое кольцо | 10−11 | 0,48(1,0) | 270(50) | 0,02 | |
Шейки коленчатого вала | 1,6(1,8) | 500(45) | 0,05 | ||
Вкладыши подшипников коленчатого вала | 8−9 | 2,6(3,0) | 300(25) | 0,42 | |
Поршневой палец | 6,7(1,8) | 300(45) | 0,11 | ||
Втулка верхней головки шатуна | 7,0(1,0) | 250(50) | 0,11 | ||
Отверстие в бобышках поршня | 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 макрои 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 щ:
(8)
Иногда при одинаковых условиях трения в одной и той же кинематической паре для оценки характера трения (коэффициент трения, износ, температура и т. д.) используют параметр N*v (произведение нагрузки на скорость).
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.
2.Кожевников С. Н. «Теория механизмов и машин». Учебное пособие для студентов вузов Изд. 4-е М., «Машиностроение». 2006 г.? 592с.
3.Кореняко А. С. «Курсовое проектирование по теории механизмов и машин», Издательство «Вища школа», 2007 г.? 326с.
4.Решетов Д. Н. «Детали машин» учебник для вузов. Р47 Изд. 3-е М., «Машиностроение», 2008.
5.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.
6.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.