Все о внешнем трении и его влиянии на механические системы

Что такое трение внешнее

Трение внешнее (ТВ) – это механическое сопротивление, которое появляется в местах контакта двух соприкасающихся объектов, когда они движутся относительно друг друга. Сила сопротивления F, направленная против движения данного тела, называется силой трения, действующей на это тело.

Трение внешнее – это диссипативный процесс, в котором выделяется тепло, может происходить электризация тел, их разрушение и другие эффекты.

Существует два вида ТВ: скольжение и качение. Их характеристики:

• Для первого – коэффициент трения скольжения (fc) – безразмерная величина, представляющая собой отношение силы трения к нормальной нагрузке.
• Для второго – коэффициент трения качения (fk), который определяется как отношение момента трения качения к нормальной нагрузке.

Внешние факторы, такие как нагрузка, скорость, шероховатость, температура и смазка, влияют на величину ТВ так же сильно, как и природа самих трениящих тел, меняя значение трения в несколько раз.

Трение скольжения

Если сила, приложенная к телу и направленная вдоль поверхности соприкосновения двух тел, недостаточна для начала скольжения, то образуется неполная сила трения (участок OA на рисунке).

Она возникает из-за малых частично обратимых перемещений в зоне контакта, величина которых пропорциональна приложенной силе и изменяется с увеличением силы от 0 до некоторого максимума (точка А на рисунке), называемого силой трения покоя. Эти перемещения обозначаются как предварительные смещения.

Как только приложенная сила превышает критическое значение, предварительное смещение переходит в скольжение, при этом сила трения несколько уменьшается (точка A1) и перестаёт зависеть от перемещения (сила трения движущая).

Из-за неровностей и шероховатостей обеих поверхностей, контакт двух твёрдых тел происходит лишь в определённых «пятнах», распределённых по гребням выступов. Размер этих пятен зависит от природы материалов и условий ТВ.

Более жёсткие выступы внедряются в деформируемое контртело и образуют отдельные пятна реального контакта, где возникают силы прилипания (адгезия, химические связи, взаимная диффузия и др.). В результате «приработки» пятна касания могут быть «вытянуты» в направлении движения.

Диаметр эквивалентного по площади пятна касания варьируется от 1 до 50 мкм, в зависимости от свойств поверхности, обработки и условий ТВ.

При скольжении эти пятна наклоняются под углом к направлению движения, материал раздвигается в стороны и подвергается действию скользящих неровностей. Пятна прилипания, возникающие из поверхностных плёнок на твёрдом теле, называются мостиками и постоянно разрушаются и формируются заново. В этих пятнах напряжения действуют на уровне, значительно меньшем, чем теоретическая прочность материала.

Сопротивление оттеснению материала при сдвиге зависит от безразмерной характеристики h/R – отношения глубины h внедрения единичной неровности, смоделированной сферическим сегментом, к его радиусу R. Это соотношение определяет механическую составляющую силы ТВ.

В большинстве случаев описанное формоизменение происходит упруго, а рассеяние энергии обуславливается потерями на гистерезис.

В пятнах касания действуют силы межмолекулярного взаимодействия, потери на преодоление которых оцениваются безразмерной характеристикой t/ss, где t – сдвиговое сопротивление молекулярной связи, ss – предел текучести материала. Молекулярное сдвиговое сопротивление t = t0 + bPr, где t0 – прочность мостика при отсутствии сжимающей нагрузки, Pr – фактическое давление на пятне касания, b (бета) – коэффициент упрочнения мостика.

Каждое пятно касания (фрикционная связь) существует ограниченное время, так как выступ выходит из взаимодействия. Продолжительность жизни фрикционной связи – важная характеристика, определяющая температуру, возникающую при ТВ, износостойкость и т. д.

Таким образом, процесс ТВ является двойственным – с одной стороны, он связан с диссипацией энергии, обусловленной преодолением молекулярных связей, с другой – с деформацией поверхностного слоя материала внедрившимися неровностями.

Общий коэффициент внешнего трения определяется суммой механической и молекулярной составляющих.

где К – коэффициент, связанный с расположением выступов по высоте; a_{(альфа)г} – коэффициент гистерезисных потерь.

Из этого уравнения видно, что коэффициент ТВ в зависимости от давления при постоянной шероховатости или от шероховатости при постоянном давлении может достигать минимума. При приработке пар трения устанавливается шероховатость, соответствующая минимуму коэффициента ТВ.

Для эффективной работы пары трения важно, чтобы поверхностный слой твёрдого тела имел меньшее сдвиговое сопротивление, чем более глубокие слои. Этого можно достичь использованием различных жидких смазок. В таком случае трущиеся тела разделяются слоем жидкости или газа, что позволяет проявляться объёмным свойствам этих сред и действовать законам жидкостного трения, характеризующимися отсутствием трения покоя.

Иногда необходимо ослабить поверхностный слой самого тела; это достигается применением поверхностно-активных веществ (добавок к смазкам), покрытий из мягких металлов, полимеров или созданием защитных плёнок с низким сопротивлением сдвигу.

В зависимости от характера деформации поверхностного слоя различают трение внешнее при упругом и пластическом контакте и при микрорезании.

В определённых условиях, зависящих от нагрузки и механических свойств каждой пары трения, ТВ может переходить во внутреннее трение, для которого характерно отсутствие скачка скорости при переходе от одного тела к другому. Нагрузка, при которой ТВ нарушается для данной пары трения, называется порогом внешнего трения.

Трение качения

Значения силы трения качения значительно меньшие по сравнению с силами трения скольжения.

Трение качения возникает из-за:

• Потерь на упругий гистерезис, связанных с сжатием материала под нагрузкой перед катящимся телом.
• Затрат работы на передеформирование материала при формировании валика перед катящимся телом.
• Преодоления мостиков сцепления.

При достаточно больших размерах пятна контакта в зоне соприкосновения может возникать проскальзывание, что приводит к тому же трению скольжения, о котором мы говорили ранее. При высоких скоростях качения, сопоставимых со скоростью распространения деформаций в материале, сопротивление перекатыванию резко увеличивается, и в таких случаях приходится переходить к трению скольжения.

Управление трением с помощью подбора пар трения, конструкций узлов и их правильной эксплуатации является темой новой технической науки, называемой триботехникой.