Подшипник скольжения коленчатого вала - это узел трения, работающий в достаточно тяжёлых условиях. Сопряжение испытывает значительные знакопеременные нагрузки при рабочей температуре более 100 ⁰С и частоте вращения вала изменяющейся в достаточно широких пределах (от 500 до 3000 - 5000 мин^-1). Для смазывания сопряжения используется моторное масло, которое подаётся к рабочим поверхностям под давлением 0,2 - 0,6 МПа.

При нормальной эксплуатации двигателя в подшипниках коленчатого вала преобладает жидкостный режим трения. Ресурс подшипника, главным образом, определяется тем, какую долю времени реализуется данный режим. При исправной системе смазки и правильно подобранном смазочном материале в подшипнике преобладает адгезионный и усталостный виды изнашивания, которые проявляются в периоды отсутствия объёмного смазочного слоя между поверхностями трения. Считается, что абразивное действие частиц механических примесей, содержащихся в моторном масле, для данного сопряжения ослаблено, так как масло на пути к подшипникам коленчатого вала подвергается грубой и тонкой очистке, а также проходит через уловители, расположенные в полостях коленчатого вала.

Наличие или отсутствие объёмного слоя масла между рабочими поверхностями зависит от соотношения внешней радиальной нагрузки N_R и максимально возможной несущей способности смазочного слоя N_Ж^max. Жидкостный режим трения реализуется, если выполняется условие N_Ж^max > N_R.

Увеличение величины N_Ж^max происходит при: увеличении вязкости смазочного материала в области рабочих температур, увеличении частоты вращения вала, уменьшении радиального зазора в сопряжении, уменьшении шероховатости рабочих поверхностей и увеличении размеров сопряжения (l и d). Обязательным условием обеспечения жидкостного режима трения является бесперебойная подача смазочного материала в зону контактирования.

Нарушение режима гидродинамической смазки наблюдается в следующих случаях:

- при пуске двигателя, когда имеет место задержка поступления масла к парам трения (этому способствует повышенное значение вязкости в области пусковых температур);

- при перегреве двигателя, когда вязкость смазочного материала падает ниже допустимого уровня;

- при работе двигателя с большими нагрузками при низкой частоте вращения коленчатого вала;

- при разжижении смазочного материала топливом;

- когда радиальный зазор в сопряжении превышает допустимую величину, вследствие высокой степени изношенности подшипника;

- при попадании в зазор между рабочими поверхностями воды (испаряясь вода выталкивает смазочный материал из зазора).

Интенсивность изнашивания в режиме граничной смазки при заданных условиях эксплуатации зависит от физико - химических свойств поверхностей трения и смазывающей способности смазочного материала. Для снижения интенсивности изнашивания в данном режиме в смазочный материал вводят химически- и поверхностно - активные вещества. Вал изготавливается из углеродистой стали, и для повышения твёрдости рабочих поверхностей подвергается термообработке (закалка, цементация, нормализация). Вкладыши подшипников изготавливаются из оловянно-свинцового сплава с добавлением сурьмы. Такие сплавы хорошо прирабатываются, имеют низкий коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают граничную масляную плёнку.

У двигателей с рядным расположением цилиндров коренные шейки обычно изнашиваются меньше (на 25--50%), чем шатунные, у V-образных двигателей коренные шейки изнашиваются больше, чем шатунные (в 1,5--2,0 раза). У всех двигателей в шатунных подшипниках верхние вкладыши изнашиваются больше нижних, а в коренных подшипниках - наоборот. По окружности шейки коленчатого вала и вкладыши изнашиваются неравномерно, обычно максимальный износ шатунных шеек и вкладышей наблюдается со стороны, обращенной к оси коленчатого вала, а коренных шеек и вкладышей - со стороны противовесов.

Неравномерность износа подшипников скольжения кривошипно-шатунного механизма снижает их долговечность и может явиться фактором, лимитирующим долговечность всего двигателя.

3.3 Триботехнический анализ работы подшипников качения

Подшипник качения является стандартным узлом трения, применяемым во многих агрегатах транспортных средств. Это обуславливается высокой универсальностью данного сопряжения, способностью воспринимать значительные осевые и радиальные нагрузки при высоких скоростях вращения, низкими энергетическими потерями при его работе. Потери энергии при качении деталей обычно гораздо меньше потерь при их скольжении друг по другу (коэффициент трения качения находится в пределах 0,0001 - 0,001).

Основным видом изнашивания подшипников качения, как правило, является контактное разрушение - образование на рабочих поверхностях выкрашивания (питтинга) в виде отдельных выемок.

Выкрашивание материала возникает в результате накопления в нём усталостных повреждений под воздействием повторных микропластических сдвигов в наиболее невыгодно ориентированных и поэтому перенапряжённых зонах материала, а также вследствие концентрации напряжений у поверхностных неровностей и внутренних пороков материала.

На интенсивность и направление развития трещин влияют касательные силы на контакте. Большое значение имеет величина коэффициента трения данной пары металлов, шероховатость их поверхностей, твёрдость, а также вид смазки и тип смазочного материала.

Потери энергии в подшипнике складываются из следующих составляющих:

- потери на трение элементов подшипника в окружающей среде (эти потери возрастают в высокоскоростных подшипниках и в особенности в подшипниках, работающих в жидких средах);

- потери в смазке, которая играет роль вязкопластичного тела, препятствующего перемещению элементов подшипника;

- потери на рабочих поверхностях сепаратора, возникающие в результате трения его о направляющие борта колец и трения тел качения о стенки гнёзд сепаратора;

- потери, возникающие при качении шариков (или роликов) по беговым дорожкам колец подшипников.

Суммарный эффект от действия приведённых выше составляющих принято оценивать моментом трения подшипника, т.е. тем вращающим моментом, который необходимо приложить к кольцу подшипника, чтобы при заданных условиях работы привести его в равномерное вращательное движение с заданной скоростью.

Тела качения и кольца подшипников обычно изготавливаются из сталей марок ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, 18ХГТ, 20ХН4А, а в случае необходимости в соответствии с условиями эксплуатации подшипников - из коррозионно-стойких, жаропрочных и других сталей. Крупногабаритные опоры качения изготовляются из цементируемой хромоникелевой стали. Детали подшипников, предназначенных для работы при высокой температуре, с целью стабилизации их размеров подвергаются высокому отпуску.

Штампованные стальные сепараторы изготавливают из стальной холоднокатанной ленты или листовой углеродистой высококачественной стали. Для массивных сепараторов используют латунь, бронзу, алюминиевые сплавы, магниевый чугун, текстолит, пластмассы.

Пластмассы при правильном учёте их особенностей в некоторых случаях могут успешно конкурировать с металлом и как материал для колец подшипников, и как материал для тел качения. При ограниченных относительно кратковременных нагрузках пластмассы ведут себя как упругий материал, хорошо воспринимают ударные нагрузки, устойчивы к агрессивным средам. Так как эти материалы имеют меньшую, чем металлы, прочность и твёрдость, то они образуют большую площадку контакта и соответственно лучшие условия смазывания, менее чувствительны к погрешностям форм поверхностей качения, в значительной мере являются виброгасителем и звукоизолятором. Вместе с тем они уступают металлам по величине коэффициента трения и менее термостойки.

Подшипники смазывают минеральными маслами, а также пластичными и сухими смазочными материалами.

Минеральные масла стабильнее пластичных смазок, применяются для смазывания подшипников, работающих с высокими частотами вращения, могут длительное время работать при высоких температурах не теряя смазывающих свойств. Масла применяются и при низких температурах, без существенного загустевания и увеличения потерь на трение. Они обеспечивают возможность полной смены смазки без разборки узла. Применение циркуляционной системы обеспечивает отвод тепла и удаление продуктов износа. Недостатком является необходимость уплотнений, усложняющих конструкцию и увеличивающих потери на трение. Способы подачи жидкой смазки: масляная ванна, с помощью фитилей, разбрызгиванием, распылением, с помощью винтовых канавок, конических насадок, дозирующих маслёнок.

Пластичные смазочные материалы содержат жидкие масла и твёрдые загустители, они менее склонны к вытеканию (благодаря чему упрощается уплотнение) и не требуют замены в течение длительного срока эксплуатации. Характеризуются повышенным внутренним трением в сравнении с жидкими смазками и большей склонностью к температурным изменениям (чрезмерное разжижение или загустение).

Твёрдые смазки используются в условиях воздействия высокого вакуума, интенсивного ионизирующего излучения, высоких и сверхнизких температур, газовых и агрессивных сред. Основными твёрдосмазочными материалами являются дисульфид молибдена, фторопласт, графит, применяются композиции на их основе. Используются также мягкие металлы: окись свинца, никель, кобальт, индий, золото, серебро, наносимые тонким слоем на смазываемый материал. При использовании твёрдосмазочных материалов перед установкой подшипников необходима их обкатка с последующим удалением продуктов износа.

3.4 Триботехнический анализ работы деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателей

Для одноименных деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) в разных двигателях характерны большие колебания величины интенсивности изнашивания, что обусловлено различным качеством их изготовления (технологический фактор) и различными условиями эксплуатации и обслуживания (эксплуатационный фактор).

Детали ЦПГ подвергаются коррозионно-механическому и абразивному изнашиванию, причем, ведущим видом изнашивания этих деталей является абразивное. Наряду с абразивным и коррозионно-механическим изнашиванием в местах, где нарушается непрерывная масляная пленка (в верхней части цилиндра), возможно схватывание, а в отдельных случаях - появление задиров.

Коррозионно-механическое изнашивание деталей ЦПГ вызывается наличием в зоне трения агрессивных веществ - газообразных и жидких продуктов сгорания топлива и окисления масел, что в сочетании с высокой температурой ведет к образованию непрочных пленок окислов и их последующему удалению. Коррозии сопутствуют и электрохимические процессы.

Абразивное изнашивание деталей ЦПГ в основном вызывается абразивными частицами минерального происхождения, проникающими в цилиндр с воздухом, топливом и смазочным материалом.

Цилиндры изнашиваются неравномерно, как по их образующей, так и в поперечном сечении. Неравномерность износа цилиндров в поперечном сечении зависит от направления потока горючей смеси, ее загрязненности, неравномерности температуры цилиндров по окружности, давления поршневых колец, деформации цилиндра и т. д. Зона наибольшего износа обычно расположена в стороне, противоположной впускному каналу. В плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, износ обычно больше в 1,05--1,6 раза, чем в плоскости, параллельной оси коленчатого вала.

Максимальный износ по образующей цилиндра (гильзы) наблюдается в месте остановки первого компрессионного кольца при положении поршня в верхней мертвой точке (в. м. т.).

Поршневые кольца изнашиваются в радиальном направлении и по высоте. Наибольший износ в радиальном направлении имеют концы колец у стыка. По высоте кольца изнашиваются примерно одинаково по всему периметру. Максимальный износ имеют первые компрессионные кольца, работающие в наиболее тяжелых условиях (высокие давления и температуры, плохая смазка). Вторые и третьи компрессионные кольца, а также маслосъемные кольца изнашиваются меньше.

В поршнях наиболее изнашиваемым элементом является канавка под верхним компрессионным кольцом, остальные элементы поршня, в том числе юбка, изнашиваются незначительно. Изнашивание канавки поршня и кольца носит преимущественно абразивный характер, однако действие окислительной среды отработавших газов и высокой температуры существенно повышает его интенсивность. Особенно высока интенсивность абразивного изнашивания канавки поршня и кольца при высокой запыленности окружающего воздуха и неудовлетворительной очистке его перед поступлением в цилиндр. В результате износа компрессионных колец и канавок поршня уменьшается компрессия и увеличивается прорыв газов из цилиндра в картер, что резко ухудшает показатели работы двигателя.

Износ поршневого пальца, отверстий в верхней головке шатуна и в бобышке поршня, в современных двигателях относительно невелик, и долговечность этих сопряжении обычно не лимитирует срок службы цилиндропоршневой группы.

3.5 Триботехнический анализ работы зубчатых передач

Закладываемые в проектных расчётах зубчатых передач стойкость к абразивному изнашиванию, усталостная прочность, стойкость к задиру и заеданию могут быть реализованы только при правильной их эксплуатации. Одним из условий является образование в контакте зубьев наиболее благоприятного характера трения. В большинстве передач путём соответствующего подбора вязкости масла можно получить условия жидкостного трения. Можно утверждать, что коэффициент толщины плёнки = 1,5 - 2 обеспечивает нормальную работу передачи.

Работа зубчатых передач характеризуется сложностью протекающих явлений, определяемых непрерывным изменением условий контактного взаимодействия вдоль линии зацепления, а также изменением доли скольжения между зубьями. С увеличением доли скольжения режим работы зубчатой передачи ужесточается. Особенно это характерно для гипоидных и червячных передач. В таких передачах условия для образования объёмного смазочного слоя особенно неблагоприятны, кроме того, граничные смазочные слои подвергаются интенсивному истиранию. В этой связи к смазочному материалу для таких передач предъявляются специфичные требования, предполагающие их повышенную смазывающую способность.

3.6 Вопросы для самоподготовки

Какие детали образуют антифрикционную пару трения?

С какой целью проводится триботехнический анализ работы пар трения?

Назовите этапы триботехнического анализа?

Охарактеризуйте условия работы подшипников коленчатого вала?

По каким причинам происходит изнашивание подшипников коленчатого вала?

Назовите причины нарушения благоприятных условий смазки в подшипниках коленчатого вала.

Каким видам изнашивания подвержены пары трения ЦПГ?

Особенности изнашивания пар трения ЦПГ?

Особенности изнашивания подшипников качения?

Назовите составляющие потерь на трение в подшипниках качения.

Особенности условий смазки в зубчатых передачах?

4. Потери на трение в автомобильных двигателях

Имеется несколько путей повышения эффективной мощности двигателя и снижения удельного расхода топлива, из которых снижение потерь на трение является наиболее важным. Снижение потерь на трение является достаточно сложной технической задачей, особенно это характерно для двигателей внутреннего сгорания, содержащих большое количество механических элементов. К настоящему времени достигнуты значительные успехи в этой области, но в связи с повышением дефицита энергетических ресурсов, снижение потерь на трение будет приобретать все большее значение.

4.1 Потери на трение относительно полной энергии

Как показано на рисунке 4.1, потери на трение в ДВС складываются из потерь на механическое трение, насосных потерь и потерь на привод вспомогательных механизмов. Наибольшую часть потерь составляет механическое трение, занимающее около 10% полной энергии. Трение в двигателе, в основном, происходит между элементами цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Нагрузочная способность этих механизмов обусловлена давлением, возникающим в масляном клине, который образуется между трущимися поверхностями. В подвижных сопряжениях реализуется, как жидкостное, так и граничное или сухое трение.

В случае наличия на рабочих поверхностях зоны сухого или граничного трения большая часть выделяемой теплоты, т. е. потерь на трение, приходится именно на эту зону.

Следовательно, для уменьшения потерь на трение обычно считают достаточным ограничить по возможности долю непосредственного металлического контакта и в максимальной степени поддерживать режим жидкостного трения.

Условия смазки трущихся деталей зависят от вида, температуры и давления смазочного материала, толщины масляной пленки, геометрической формы трущихся деталей, шероховатости поверхностей, точности обработки, нагрузки и т. д.

При жидкостном трении потери на трение определяются из выражения:

F = S_{* *} v/h, (4.1)

Рисунок 4.1 - Потери на трение относительно полной энергии

где F - сила трения, Н;

S - площадь трущейся поверхности, м²;

V - относительная скорость движения поверхностей, м/c;

h - толщина масляной пленки, м;

- динамическая вязкость масла, Па_*с.

Следует отметить, что одним из важнейших факторов, оказывающим существенное влияние на формирование масляного клина, а следовательно, и на несущую способность смазочного слоя является форма контактирующих поверхностей. Одной из наиболее вероятных причин возникновения различных отклонений формы является деформация деталей под действием нагрузки. Поэтому, важнейшим условием обеспечения долговечности подвижного сопряжения является жёсткость его элементов.

4.2 Потери на трение и влияющие на них факторы

Потери на трение можно грубо подразделить на потери связанные с механическим трением в подвижных сопряжениях деталей, потери на привод вспомогательных агрегатов и потери в газовом тракте. В процентом соотношении потери на трение распределяются следующим образом: механическое трение - 70%, привод вспомогательных механизмов - 10%, насосные потери - 20 - 25%. Таким образом, доля потерь на механическое трение является наибольшей.

Суммарная величина потерь на трение в двигателе складывается из составляющих, схема которых приведена на рисунке 4.2



Рисунок 4.2 - Схема потерь на трение в ДВС

4.2.1 Соотношение потерь на трение в отдельных узлах двигателя

Наибольшими являются потери в поршне и поршневых кольцах. Это объясняется тем, что поверхность скольжения и относительная скорость поршня велики, а движение сопровождается изменением скорости и высокой температурой, в результате чего смазка может стать неудовлетворительной. В потери на терние в поршневой группе зависят от высоты поршня, зазора между цилиндром и поршнем, числа колец, усилия, с которым кольца разжимаются, вязкости масла и других факторов.

Значительные потери энергии также имеют место в коренных и шатунных подшипниках коленчатого вала. В элементах системы газораспределения потери незначительны и во многом зависят от компановочной схемы газораспределительного механизма. Величина потерь на трение в подшипниках коленчатого вала зависит от числа коренных опор и типа применяемых подшипников (подшипники качения или скольжения).

4.2.2 Влияние давления в цилиндре, частоты вращения и нагрузки

С повышением давления в цилиндре сила давления на поршень и нагрузка на подшипники увеличиваются, и тем самым возрастает сила трения. Поскольку, с увеличением частоты вращения или скорости поршня увеличиваются и силы инерции, то также возрастает и трение. В двухтактных двигателях силы инерции частично уравновешиваются давлением газов, поэтому потери на трение, обусловленные ростом частоты вращения, незначительны.

4.2.3 Влияние вязкости смазочного материала

С увеличением вязкости силы трения до некоторого предела возрастают. Потери на трение в поршневой группе пропорциональны корню квадратному от вязкости масла. В подшипниках коленчатого вала эта зависимость носит линейный характер. Повышение температуры масла приводит к снижению его вязкости, уменьшению коэффициента трения, а следовательно, и энергетических потерь.

4.2.4 Влияние отношения хода поршня к диаметру цилиндра

Для современных автомобильных двигателей отношение хода поршня к его диаметру обычно не превышает единицы, что связано с необходимостью уменьшения потерь на трение. В результате сравнения характеристик двигателей различной конструкции выявлено, что при одинаковой частоте вращения вала чем длиннее ход поршня, тем выше потери на трение. Поэтому уменьшение отношения хода поршня к его диаметру приводит к уменьшению потерь на трение. Однако, следует отметить, что если с увеличением диаметра цилиндра, возникает необходимость увеличивать ширину коренных и шатунных подшипников, то эффект снижения трения за счет снижения отношения хода к его диаметру будет ослаблен возрастанием трения в подшипниках.

Влияние ширины подшипника скольжения и диаметрального зазора в нём на коэффициент трения f определяют следующим образом:

f = f₀ + f₁ (d/)( n/P), (4.2)

где f₀ - минимальный коэффициент трения;

f₁ - коэффициент, зависящий от формы подшипника;

d - диаметр вала;

- диаметральный зазор;

n - частота вращения;

Р - давление на рабочую поверхность подшипника.

Из приведенной формулы ясно, что при увеличении удельной нагрузки на подшипник за счет уменьшения его ширины масляная пленка становится тоньше, а коэффициент трения уменьшается. И наоборот, при увеличении зазора, коэффициент трения уменьшается, снижая силы трения. Однако, в автомобильных двигателях нельзя слишком увеличивать диаметральный зазор в подшипниках из-за снижения несущей способности смазочного слоя и повышения шума.

4.2.5 Сравнение потерь на трение при прокрутке стартером и рабочем режиме

Потери на трение в рабочем режиме выше, чем при прокрутке вала двигателя стартером. Такая разница обусловлена повышением сил давления газов на поршень, поршневые кольца, подшипники коленчатого вала и т.д. Механическое трение в рабочем режиме увеличивается с увеличением нагрузки, а при прокрутке трение почти постоянно и связи с нагрузкой нет.

Известно, что факторами, препятствующими повышению быстроходности и мощности двигателей внутреннего сгорания, являются:

- ограничение мощности из - за сил инерции, возникающих в кривошипно-шатунном и газораспределительном механизмах;

- снижение мощности из - за инерции всасываемого воздуха;

- снижение мощности за счет потерь на механическое трение;

- снижение мощности из - за ухудшения процесса сгорания.

Однако, основным фактором, снижающим эффективную мощность, являются потери на трение.

Увеличение потерь на трение оказывает влияние на снижение мощности на валу, повышение расхода топлива, рост тепловыделения за счет трения, повышение износа сопрягаемых деталей.

Для преодоления потерь на трение необходимо больше знать об их типичных составляющих, т. е. о потерях на трение в поршне, кольцах и других деталях с возвратно-поступательным движением, а также коренных, шатунных подшипниках и других вращающихся деталях.

Среднее давление трения в деталях поршневой группы и группы коленчатого вала ориентировочно определяют по следующим формулам:

P_fp = 16 F_p [f_op + f_1p(_pD_pC_m/F_p)^0,5]/(D_p l_p), (4.3)

P_fj = 8 F_p D_j [f_oj + f_1j(_j n D_j l_j/F_j)]/(D_p² S), (4.4)

P_fc = 8 F_c D_c [f_oc + f_1c(_c n D_c l_c/F_c)]/(D_p² S), (4.5)

где P_fp, P_fj, P_fc - средние давления трения соответственно в поршне, коренном и шатунном подшипниках, Па;

F_p - боковая сила трущихся деталей поршня;

F_j, F_c - силы, действующие на коренные и шатунные подшипники коленчатого вала;

f_op, f_oj, f_oc - минимальные коэффициенты трения в поршне, коренных и шатунных подшипниках;

f_1p, f_1j, f_1c - коэффициенты трения, зависящие от формы поршня, коренных и шатунных подшипников;

_p, _j, _c - вязкость масла, смазывающего указанные детали;

D_p, D_j, D_c - диаметры указанных деталей;

l_p, l_j, l_c - высота поршня и ширина соответствующего подшипника;

S - ход поршня;

С_m - средняя скорость поршня;

n - частота вращения коленчатого вала.

4.3 Вопросы для самоподготовки

Почему в парах трения автомобильных двигателей благоприятным считается режим жидкостного трения?

Как влияет толщина масляной пленки на коэффициент трения при жидкостной смазке?

В каких подвижных сопряжениях автомобильного двигателя происходят потери на механическое трение?

Каковы соотношения потерь на трение в подвижных сопряжениях?

Какие факторы увеличивают потери на трение?

Какие факторы снижают потери на трение?

7) К каким неблагоприятным последствиям приводит механическое трение?

5. Избирательный перенос (эффект безызносности) и его применение в технике

5.1 Общие сведения об открытии избирательного переноса при трении и его сущность

В середине 50-х годов при исследовании технического состояния самолёта ИЛ-28 на разных этапах его эксплуатации Д.Н. Гаркунов и И.В. Крагельский обнаружили явление самопроизвольного образования тонкой плёнки меди на трущихся поверхностях деталей тяжелонагруженных пар трения сталь - бронза, смазываемых спирто-глицериновой смесью. Плёнка меди, толщиной 1 - 2 мкм, в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала интенсивность изнашивания поверхностей и уменьшала силу трения примерно в 10 раз. Подобное явление было также обнаружено в парах трения сталь - бронза при использовании смазки ЦИАТИМ-201 в шарнирно-болтовых соединениях самолётов и в парах сталь-сталь узлов трения компрессора бытового холодильника при смазывании масляно - фреоновой смесью.

В 1966 г. Госкомитет СССР по делам изобретений и открытий зарегистрировал явление избирательного переноса при трении (эффект безызносности), как научное открытие с приоритетом от 12 ноября 1956 г. Формула открытия следующая: "Обнаружено, что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твёрдого раствора медного сплава на сталь и обратного её переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения".

В установившемся режиме трения медная плёнка не разрушается. Она может переходить с одной поверхности трения на другую. Продукты изнашивания удерживаются в зазоре электрическими силами.

Металлическую защитную плёнку, образующуюся в процессе трения, называют сервовитной (от лат. servo-witte - спасать жизнь). Она представляет собой вещество (в данном случае металл), образованное потоком энергии и существующее в процессе трения. Трение не может уничтожить плёнку, оно её создаёт.

При деформировании сервовитная плёнка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению. Она воспринимает все нагрузки, покрывая шероховатости поверхностей трения стальных деталей, которые практически не участвуют в процессе трения. В этих условиях мягкий материал работает по мягкому. Нагрузка распределяется равномерно по поверхности трения, поэтому на единицу площади она незначительна. Это способствует продлению ресурса узла трения.

5.2 Механизм образования сервовитной плёнки

В зависимости от вида материалов, участвующих в работе пары трения, и условий трения механизм формирования сервовитной плёнки на поверхности трения может быть различным.

5.2.1 Формирование плёнки в паре трения бронза - сталь при смазывании глицерином

Глицерин является модельной жидкостью, которая легче других реализует режим избирательного переноса при трении пары бронза - сталь. В начальный период работы пары происходит растворение поверхностного слоя бронзы. Глицерин действует при трении, как слабая кислота. Атомы легирующих элементов бронзы (олова, цинка, железа, алюминия и др.) уносятся в смазочный материал, в результате чего поверхность бронзы обогащается атомами меди. После этого деформация поверхности бронзы при трении вызывает диффузионный приток новых атомов легирующих элементов к поверхности, которые также уходят в смазочный материал. Таким образом, поверхностный слой бронзы освобождается от легирующих элементов становится в основном медным. В нём образуется большое количество вакансий, часть из них соединяется, образуя поры, которые заполняются молекулами глицерина.

Поскольку глицерин является восстановителем окиси и закиси меди, поверхность трения медной плёнки свободна от окисных плёнок, она очень активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью, так как имеет свободные связи. В результате стальная поверхность постепенно покрывается тонким слоем меди. Слой меди, образующийся на бронзовой поверхности, становится тоньше вследствие его переноса на стальную поверхность, поэтому происходит дальнейшее растворение бронзы. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на стальной и бронзовой поверхностях не образуется слой меди толщиной 1 - 2 мкм.

После того, как медная плёнка покроет бронзовую и стальную поверхности, молекулы глицерина уже не могут взаимодействовать с бронзой и "вытягивать" атомы легирующих элементов, процесс растворения бронзы прекращается, и наступает установившийся режим избирательного переноса (ИП).

Поверхность меди при отсутствии окисной плёнки может вызвать дегидрогенизацию глицерина. В результате выделяется свободный водород, который активно участвует в процессе трения - восстанавливает окисные плёнки на медном сплаве и стали, поддерживая процесс безокислительного трения. При температуре более 65 ⁰С увеличивается выделение водорода, и режим ИП в паре бронза - сталь при смазывании глицерином переходит в водородное изнашивание. Поверхность стальной детали в большой степени насыщается водородом, растрескивается и в виде порошка переносится на поверхность бронзы.

При высоких давлениях режим ИП в паре бронза - сталь может наблюдаться при смазывании узлов трения смазкой ЦИАТИМ - 201 и обычным минеральным маслом, особенно в узлах трения с возвратно-поступательным движением.

5.2.2 Формирование сервовитной плёнки в узле трения сталь - сталь при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы бронзы, меди, свинца, серебра и др.

При использовании смазки ЦИАТИМ-201 с добавками порошков меди, бронзы или латуни, а также свинца в паре сталь - сталь поверхности деталей покрываются тонкой плёнкой, состоящей из металла применяемых порошков. В процессе работы порошки частично растворяются в смазочном материале и в результате восстановления окисных плёнок прочно схватываются со сталью, образуя сервовитную плёнку, которая содержит в порах смазочный материал. Коэффициент трения при высоких нагрузках уменьшается, а стальные поверхности не изнашиваются. При трении сдвиг трущихся поверхностей происходит внутри образующихся плёнок по диффузионно-вакансионному механизму.

5.2.3 Формирование сервовитной плёнки на деталях компрессора бытового холодильника

Детали компрессора выполнены из стали, смазочным материалом служит смесь масла и фреона, которая является также охлаждающей смесью. В процессе работы на поверхностях трения самопроизвольно возникает тонкая медная плёнка толщиной 0,1 - 1 мкм. Плёнка формируется из ионов меди, образующихся в смазочном материале в результате незначительного коррозионного растворения медных трубок радиатора.

Активность масляно-фреоновой смеси по отношению к медным трубкам охладителя повышается в результате образования в зоне трения при начальной работе компрессора слабых кислот (окисление масла). После того, как в зоне контакта образуется плёнка меди, условия трения деталей изменяются: снижается давление, уменьшается сила трения и падает температура. Процессы, в результате которых образуется плёнка меди (окисление масла и растворение трубок), могут прекратиться. В случае нарушения сплошности медной плёнки режим работы сопряжения становится более тяжелым, это вызывает усиление окислительных процессов в смазочном материале и, как следствие, растворение меди трубок и "залечивание" повреждённой поверхности; автоматизм защиты поверхностей трения от изнашивания обеспечивает длительную безызносную работу компрессора.

5.3 Структура сервовитной плёнки

Свойства медной плёнки, "рождённой" в процессе трения, иные, чем у обычной меди, получаемой восстановлением медных руд. Это различие обязано условиям образования плёнки. Так, в узлах трения компрессора бытового холодильника плёнка образуется из ионов меди, поступающих в смазочный материал из медных труб охладителя. Образуется она только в зоне трения при наличии смазочного материала и при невысокой температуре. Механизм её формирования ещё недостаточно выяснен, хотя свойства исследованы многими современными методами.

При трении пары бронза - сталь в среде глицерина плёнка на поверхностях трения образуется в результате распада медного сплава (твёрдого раствора) при низких температурах, смазочный материал и сдвиговые деформации облегчают диффузионные процессы, чего нет при выплавке меди из руды.

Физико-химические исследования структуры сервовитной плёнки дали основание высказать предположение, что её материал находится в состоянии, подобном расплаву. Плёнка не способна к наклёпу, имеет малые сдвиговые усилия, пориста. В верхней части она не имеет окислов, способна к схватыванию, при трении её частицы могут переходить с одной поверхности трения на другую, т.е. схватываться без образования повреждений и увеличения сил трения. Трение бронзы о сталь в условиях ИП можно уподобить скольжению тела по льду, при котором низкий коэффициент трения обеспечивается вместо воды плёнкой расплавленного металла.

5.4 Перспективные исследования в области избирательного переноса

Реализация эффекта избирательного переноса в антифрикционных узлах трения машин и механизмов в определённой степени аналогична условиям трения в биологических узлах, созданных природой, в которых при нормальных условиях, благодаря толстым промежуточным слоям, никогда не происходит непосредственного контакта основных материалов. В связи с этим комплексные исследования трения и износа в условиях избирательного переноса можно назвать "натуртриботехникой".

В ближайшие годы для эффективного и широкого использования в технике эффекта избирательного переноса применительно к "натуртриботехнике" необходимо выполнить следующие исследования:

1) создание условий трения, при которых образуется сервовитная плёнка:

1.1) разработка металлоплакирующих смазочных материалов;

1.2) разработка материалов, содержащих металлоплакирующий состав, обеспечивающий в процессе трения формирование сервовитной плёнки;

1.3) разработка конструкционных материалов (вставки в конструкцию узла трения специальных металлоплакирующих элементов), обеспечивающих образование сервовитной плёнки;

2) изучение смазочного действия сервовитной плёнки в узле трения;

3) исследование структуры сервовитной плёнки в зоне контакта при её деформации, длительности работы сочленения в зависимости от вида смазочного материала, условий работы и среды;

4) изучение самоорганизующихся процессов в зоне фрикционного контакта.

5.5 Вопросы для самоподготовки

Сущность избирательного переноса?

Каков механизм образования сервовитной пленки?

Какова структура сервовитной пленки?

Назовите перспективные исследования в области избирательного переноса?

Какое экономическое значение будет иметь широкое внедрение избирательного переноса в практику эксплуатации автомобильного транспорта?

Преимущества и недостатки использования избирательного переноса?

6. Триботехнический анализ работы фрикционных пар трения

Фрикционные устройства (ФУ) широко применяются в современной технике в виде тормозов, муфт сцепления, фрикционов, предохранительных муфт, фрикционных вариаторов, фрикционных передач и т. п.

Отличаясь простотой конструкции, эти узлы, как правило, выполняют весьма ответственные функции, связанные с гашением кинетической энергии движущихся масс, изменением скорости машины, фиксацией механизмов в заданном положении, остановкой машины или ее элемента, соединением частей трансмиссии т. д. От надежности работы этих узлов в значительной степени зависит надежность машины в целом, безопасность обслуживающего персонала и связанных с работой машины людей.

6.1 Специфика трибологических процессов во фрикционных устройствах

Работа ФУ циклична, т. е. сопровождается периодическими включением и отключением этих устройств. Наиболее интенсивным трением сопровождается режим экстренных включений (тормоза, муфты сцепления).

Как известно, процесс трения осуществляется на фактической площади контакта А_r, составляющей незначительную часть от номинальной А_a. Фактическая площадь контакта состоит из отдельных пятен фактического контакта, сосредоточенных на контурных площадках, составляющих контурную площадь контакта А_с. В процессе интенсивного трения, которым сопровождается работа нагруженных ФУ (тормозов, муфт, нагруженных фрикционных передач), пятна фактического контакта и контурные зоны изменяются и перемещаются по поверхности трения. Все эти явления имеют место при непрерывно изменяющихся скорости скольжения, нагрузке и температуре на фактическом, контурном и номинальном контактах и в объеме материалов.

В результате циклического и неравномерного - как по времени, так и по координате - воздействия высоких температур во фрикционных элементах (в поверхностном слое) протекают процессы физико-химической механики, связанные с выгоранием и разложением связующего компонента, окислением, образованием пленок и третьего тела на фрикционном контакте, структурными превращениями, температурной нестабильностью контакта, потерей контактом несущей способности. Эти процессы зависят от характера окружающей среды и ее взаимодействия с материалом при попадании на фрикционный контакт (окислительные, нейтральные и агрессивные среды, смазочный материал и т.п.). В результате циклического и многократного воздействия высоких температур и градиентов температур на материал структурные изменения в нём распространяются на всю номинальную поверхность трения и на некоторую глубину. При этом образуется так называемый рабочий слой с новыми свойствами (физико-механическими и физико - износными).

Следует также отметить, что процессы включения и отключения, замыкания и размыкания при работе фрикционных устройств сопровождаются колебаниями нагрузки на фрикционном контакте, что также оказывает влияние на трение и износ материалов пары трения и на рабочие характеристики фрикционного узла.

6.2 Классификация фрикционных устройств

Фрикционные устройства разделяются по назначению, конструкции фрикционных элементов, области применения, режиму эксплуатации, условиям на фрикционном контакте, способу включения и выключения.

По назначению фрикционные устройства делятся на тормозные устройства, фрикционные муфты, фрикционные передачи.

Функциональное назначение тормозов: гашение кинетической энергии вращающихся или поступательно движущихся масс с помощью сил трения для:

замедления и остановки движущихся масс;

удержания и фиксации в заданном положении;

регулирования скорости движения;

обеспечения движения с замедлением.

Функциональное назначение фрикционных муфт: соединение частей трансмиссии с помощью сил трения для:

передачи крутящего момента или усилия;

ограничения скорости вращения;

передачи движения в одном направлении;

соединения частей трансмиссии и передачи момента без остановки;

ограничения передаваемого момента или усилия.

Функциональное назначение фрикционных передач: передача движения от одной части трансмиссии другой с помощью сил трения для:

передачи кинетической энергии с постоянным соотношением скоростей и крутящих моментов;

изменения скорости движения ведомого звена;

обеспечения движения по заданному закону;

передачи движения с ограничением по моменту и усилию.

По характеру окружающей среды, в которой работают ФУ, их можно разделить на работающие в газовой среде, вакууме, жидких средах, магнитных или электрических полях, в условиях попадания абразива на фрикционный контакт.

Поскольку температура является интегральным параметром, отражающим совместное действие нагрузки, скорости, коэффициента трения, конструкции, свойств материала, характера охлаждения, целесообразно классифицировать фрикционные устройства по температурному режиму работы. Допустимые температурные режимы определяются стойкостью смазочного материала (узлы трения со смазочным материалом) или стойкостью фрикционного материала (узлы трения без смазочного материала). Различают лёгкий, средний, тяжёлый, сверхтяжёлый температурные режимы узлов трения.

Рабочие режимы по повторности работы ФУ могут быть разделены на следующие типы: кратковременный однократный, длительный однократный, повторно-кратковременный, повторно-длительный.

6.3 Фрикционные муфты

В машинах основными элементами, передающими вращательное движение и вращающий момент являются фрикционные соединения называемые муфтами. Фрикционные муфты выполняют, как правило, функции предохранителя, защищающего от перегрузки механизмы машины, а также роль механизма, позволяющего плавно разогнать ведомый элемент при исходной скорости вращения ведущего элемента.

В современных машинах применяются три типа фрикционных муфт: с плоскими, имеющими канавки, и коническими трущимися поверхностями (рисунок 6.1).

а - с плоскими поверхностями;

б - с поверхностями, имеющими канавки;

в - с коническими поверхностями

Рисунок 6.1 - Фрикционные муфты

Фрикционные муфты могут передавать вращающий момент М_ВР, не превышающий момент трения М_ТР:

, (6.1)

где N - нормальная к поверхности трения сила, Н;

R_ЭФ - эффективный радиус равнодействующей силы трения, м;

- угол между трущимися поверхностями муфты и осью вращения.

Работа муфт в самоходных транспортных машинах отличается высокой интенсивностью. Это вызывает значительное изнашивание трущихся поверхностей и изменение в процессе работы величины коэффициента трения в результате выделения теплоты и нагрева трущихся материалов (при повышении температуры до 300 - 400 ⁰С коэффициент трения уменьшается на 10 - 30 %).

У любой муфты должен быть коэффициент запаса (или перегрузки), то есть муфта может передавать несколько больший крутящий момент по сравнению с номинальной величиной.

С момента начала контакта фрикционных дисков и до момента начала движения почти вся работа трения в муфте преобразуется в теплоту. Считается, что в правильно сконструированной и правильно эксплуатируемой муфте, характеристики которой согласованы с работой машины, время проскальзывания при разгоне машины обычно должно быть небольшим (около 1 - 3 с). Температура фрикционных дисков за однократное включение возрастает на 30 - 70 ⁰С. Это не сказывается негативно на работе фрикционных элементов и изменении характеристик муфты.

6.4 Фрикционные тормоза

Тормоза предназначены для уменьшения скорости подвижных частей машин и устройств. Выделяют три основных типа фрикционных тормозов: кратковременного действия (кратковременная работа с большой эффективностью); постоянного действия (так называемые заместители); стояночные (предназначены для блокировки).

В наиболее тяжёлых условиях работают тормоза кратковременного действия, как при однократном, так и повторном режиме. Тормоза должны поглотить (преобразовать в теплоту) иногда огромные количества кинетической энергии, особенно тогда, когда велика начальная скорость транспортного средства и производится аварийное торможение. Суммарная работа трения, поглощаемая тормозом в режиме аварийного торможения в 2 - 3 раза больше, чем при умеренном торможении, причём то же количество теплоты выделяется в тормозе за время, в несколько раз более короткое. Градиент температур в наружном слое огромен, температура поверхности достигает 1000 ⁰С. Ограничение размеров тормозов приводят к большим количествам теплоты, приходящимся на единицу поверхности трения. Большой градиент температуры в первые мгновения торможения способствует сохранению фрикционных свойств материала пары трения, но разрушительно действует на тонкий наружный слой. Поэтому с точки зрения изнашивания, хотя бы один из материалов фрикционной пары должен обладать высокой теплопроводностью.

В целях ограничения допустимых давлений и сопутствующих им температур, в практику введено понятие коэффициента удельного нагружения или удельной работы трения _а, которая показывает максимально допустимое количество работы торможения, приходящейся на единицу поверхности трения. Наибольшая работа торможения, эквивалентная кинетической энергии транспортного средства:

, (6.2)

где G - полный вес транспортного средства, Н;

m - масса транспортного средства, кг;

- максимальная скорость транспортного средства, км/ч;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Коэффициенты удельного нагружения накладок определяются выражением:

, (6.3)

где А_а - суммарная номинальная площадь тормозных накладок, см².

Как правило, значения _а принимаются:

для легковых автомобилей 50 - 100 кгс_*м/см²;

для легковых автомобилей с высокой максимальной скоростью (выше 150 км/ч) 80 - 300 кгс_*м/см²;

для грузовых автомобилей 55 - 90 кгс_*м/см².

Работа сил трения, действующих, по периметру тормозного барабана, который вращается с окружной скоростью (км/ч), производимая в 1 с, или мощность трения:

, кгс_*м/с, (6.4)

где F_T - сила трения, Н;

_ск - скорость скольжения, м/с;

f - коэффициент трения;

р_а - давление, прижимающее поверхности фрикционной пары, Па.

Если при этом транспортное средство движется со скоростью км/ч, а тормозящая сила на периметре колеса составляет Р_R (кгс), то работа торможения за одну секунду (мощность торможения) равна:

, кгс_*м/с, (6.5)

Так как мощность трения N_T уравновешивает мощность торможения колеса N_к, то N_T = N_К, откуда:

, (6.6)

где r - радиус барабана, см;

R - динамический радиус колеса, см.

После преобразований площадь тормозных накладок одного тормозного колеса автомобиля будет равна:

, (6.7)

Таким образом, проведя соответствующие предварительные расчёты, при заданных исходных характеристиках конструируемого тормоза, можно определить, попадают ли в принятые диапазоны допустимых давлений и удельных работ трения основные параметры тормоза.

6.5 Фрикционные материалы

Во фрикционных муфтах и тормозах применяются различные материалы - от полимерных до различных сталей и жаростойких сплавов.

Наиболее широко применяются фрикционные полимерные материалы (ФПМ). В состав ФПМ, как правило, входят такие компоненты, как синтетический каучук, сера, сурик железный, окись цинка, асбест и другие составляющие. В зависимости от условий и режимов работы состав материалов может меняться в широких пределах.

В качестве связующего в этих материалах используются различные синтетические каучуки, крезолоформальдегидные, кремнеорганические и другие смолы. Для армирования применяются: асбест, базальтовые, стеклянные, угольные и другие волокна. Фрикционно-способные наполнители в ФПМ используются для придания накладкам и колодкам нужных фрикционно-износных свойств. В качестве таких наполнителей используется, например, барит (улучшает противозадирные свойства, стабилизирует коэффициент трения), железный сурик (повышает коэффициент трения), графит (предотвращает схватывание при высокой температуре).

Для придания материалам нужных функционально - износных свойств в качестве активных наполнителей применяют окислы различных металлов: цинка, алюминия, хрома, свинца, железа и др.

Каждый фрикционный материал имеет оптимальные условия его эксплуатации в узлах трения машин по нагрузкам, условиям доступа окружающей среды на фрикционный контакт и её свойствам, температурам на фрикционном контакте и в объёме материала, скоростям скольжения.

Допустимые режимы работы характеризуются такими условиями на фрикционном контакте, при которых сохраняются в требуемых пределах величина и стабильность коэффициента трения, достаточно стабильная величина интенсивности изнашивания, обеспечивающая заданный ресурс, отсутствуют заедание, задир, разрушение материала, обугливание, заклинивание фрикционного устройства.

При оценке приведённых жесткостных характеристик изделий, а также физико-механических свойств фрикционных элементов необходимо учитывать свойства подложки и деталей каркаса. При расчёте теплового режима и износостойкости элементов пары необходимо также знание физико-механических свойств фрикционных контртел.

Изменения от температуры механических, теплофизических и фрикционно-износных свойств материалов также необходимо учитывать при оценке характеристик фрикционных пар.

6.6 Вопросы для самоподготовки

Назначение фрикционных устройств?

Каковы общие особенности триботехнических процессов во фрикционных устройствах?

Какое функциональное назначение фрикционных тормозов?

Какое функциональное назначение фрикционных муфт?

Какое функциональное назначение фрикционных передач?

Дайте классификацию фрикционных устройств.

Каковы особенности условий работы фрикционных муфт?

Каковы особенности условий работы фрикционных тормозов?

С какой целью проводится расчет коэффициента удельного нагружения?

Какие фрикционные материалы применяются в техники?

Какие компоненты входят в состав фрикционных материалов и каково их назначение?

7. Триботехнический анализ условий работы колеса

7.1 Движение автомобильного колеса с шиной по дорожному покрытию

Трение имеет решающее значение при движении транспортных средств по различным дорожным покрытиям. Трение возникает в результате продольного сцепления, совпадающего с направлением движения транспортного средства, и поперечного сцепления, обеспечивающего устойчивость движения на повороте и предотвращающего боковые скольжения, а значит и заносы транспортного средства.

Условие движения (трогания транспортного средства с места) определяется неравенством: