Триботехника, ее основные цели и задачи

В реальных условиях эксплуатации, при реализации граничной смазки имеет место металлический контакт  рабочих поверхностей по вершинам отдельных микронеровностей. Реализуемый металлический контакт оказывает большое влияние на величину коэффициента трения.

При высоких контактных давлениях адсорбированные молекулы могут выдавливаться из зоны контакта, полимолекулярный слой становится тоньше, способствует его разрушению также нагрев контактирующих тел и окружающего их слоя масла в процессе трения. На участках металлического контакта идёт умеренное адгезионное изнашивание по вершинам отдельных микронеровностей

Для расширения диапазона температур, нагрузок и скоростей, при которых работоспособен узел трения при граничной смазке, в смазочный материал добавляют химически активные присадки (ХАВ) (в их состав входят соединения серы, хлора, фосфора, азота или их сочетания). Когда молекулы ХАВ под действием температуры, генерируемой в фрикционном контакте, и силового поля поверхности металла разлагаются, их активные компоненты реагируют с поверхностью металла на которой они адсорбированы и образуют модифицированные слои, обладающие пониженным сопротивлением сдвигу по сравнению с основным металлом, что обеспечивает снижение коэффициента трения. В этих условиях изнашивание адгезионного типа сменяется более мягким коррозионно-механическим, а коэффициент трения зависит от того, какая доля поверхности металла покрыта модифицированным слоем.

 

Поскольку температура  является фактором, оказывающим определяющее влияние на процесс трения при  граничной смазке, оценивать переход  от лёгких условий работы узла трения в этом режиме к тяжёлым, а от тяжёлых  к катастрофическим наиболее рационально, используя обобщённую температурную зависимость коэффициента трения (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Обобщённая зависимость коэффициента трения от температуры при граничной смазке

 

Эта зависимость характеризуется тремя переходными температурами: t_КР1, t_КР2 и t_ХМ. При температуре t_КР1 в результате интенсификации процесса десорбции поверхностно активных молекул с поверхности трения происходит дезориентация граничного слоя, который вследствие этого теряет свою несущую способность и не может препятствовать металлическому контакту трущихся поверхностей. Это сопровождается резким повышением коэффициента трения, интенсивным адгезионным изнашиванием сопряжённых деталей, заеданием сопряжения и выходом из строя узла трения.

Если в смазочном  материале имеются химически  активные компоненты, то разлагаясь под  действием температуры, силового поля твёрдого тела и каталитического  воздействия обнажённой поверхности  металла, они выделяют активные агенты, вступающие в реакцию с металлом поверхности. То есть по мере роста температуры увеличивается доля b покрытия поверхности контактирующих тел модифицированным слоем с толщиной, достаточной для эффективного разделения пар трения. Коэффициент трения снижается до тех пор, пока при температуре t_ХМ значение b достигнет некоторой критической величины, вследствие чего устанавливается такое значение коэффициента трения, которое остаётся практически постоянным в достаточно широком интервале температур. По мере повышения температуры увеличивается скорость образования модифицированного слоя. Одновременно увеличивается скорость разрушения этого слоя в результате изнашивания и диссоциации. Когда в точке, соответствующей критической температуре t_КР2 скорость разрушения модифицированного слоя превысит скорость его образования, будет иметь место металлический контакт пар трения, резкое повышение коэффициента трения, смена коррозионно-механического изнашивания интенсивным адгезионным, заедание и выход узла трения из строя.

Характерная зависимость износа от концентрации химически активных компонентов в смазочном материале приведена на рисунке 2.2. В левой части зависимости увеличение концентрации реагента приводит к снижению износа до определённой минимальной величины после чего дальнейшее повышение содержания реагента в среде стимулирует рост корозионно-механического изнашивания. Следовательно, существует оптимальная концентрация реагента при которой износ минимален.

 

Рисунок 2.2 – Зависимость износа И детали в химически активной среде от концентрации С химически активной присадки

 

Жидкостное трение

 

Жидкостное трение характеризуется  тем, что трущиеся поверхности разделены  слоем жидкого смазочного материала (масла, находящегося под давлением). Давление смазочного материала уравновешивает внешнюю нагрузку. Слой смазочного материала называют несущим слоем. Толщина смазочного материала превышает толщину граничной пленки. Этот режим трения со свойственным ему малым коэффициентом трения является оптимальным для узлов трения с точки зрения потерь энергии, долговечности и износостойкости.

В зависимости от давления в смазывающей пленке и способа  ее образования различают гидростатическую, гидродинамическую и эластогидродинамическую смазку.

Сопротивление относительному перемещению  твёрдых тел, полностью разделённых слоем жидкости или газа, определяется внутренним трением этой среды, её вязкостью. Под вязкостью понимают объёмное свойство газообразного, жидкого или полужидкого вещества оказывать противодействие относительному перемещению составляющих его частиц. Простая модель трения при жидкостной смазке приведена на рисунке 2.3. Две параллельные пластины А и В бесконечной длины разделены слоем жидкости толщиной h.

Так как молекулы жидкости в слоях, прилегающих к пластинам, прилипают  к ним, то на границе с пластиной А внешний слой жидкости увлекается ею и имеет скорость V_А, а на границе с пластиной В жидкость имеет скорость V_В = 0. При не слишком больших скоростях перемещения имеет место ламинарный режим течения жидкости. Для такого случая, согласно закону вязкого течения, сформулированному И. Ньютоном, сила внутреннего трения F прямо пропорциональна градиенту dv/dh и площади сдвига S.

Рисунок 2.3 – Схема течения жидкости между двумя относительно перемещающимися параллельными пластинами А и В: v_a и v_в – скорости пластин А и В; h – толщина слоя жидкости; F – сила внутреннего трения

 

Те среды, которые подчиняются  этому закону пропорциональности касательных  напряжений производной скорости по нормали к площадке трения, называются истинно вязкими или ньютоновскими. Теория жидкостной смазки создана прежде всего для ньютоновских жидкостей.

Условием реализации жидкостной смазки является существование слоя смазочного материала, толщина которого при  приложенных нагрузках превышает  суммарную высоту микронеровностей сопряжённых поверхностей. Это может быть обеспечено в результате поступления жидкости в зазор между поверхностями трения под внешним давлением – гидростатическая смазка, или под действием давления, самовозбуждающегося в слое жидкости при относительном движении поверхностей. Такой режим смазки называется гидродинамическим.

Устойчивость смазочного слоя, необходимого для гидродинамического трения, зависит от следующих факторов: конструкции узла трения, скорости относительного перемещения трущихся поверхностей, удельного давления на них, вязкости смазочного материала, площади трущихся поверхностей, величины зазора между ними, температурного состояния узла трения и др.

Условиями, необходимыми и достаточными для создания гидродинамического трения, являются:

- наличие смазочного материала, который, кроме основного свойства – вязкости, обладает способностью прилипания к твердым телам;

• относительное перемещение поверхностей вала и подшипника;
• наличие щели вначале сужающейся, а затем расширяющейся в направлении вращения.

Наиболее типичным примером гидродинамической  смазки является работа подшипника скольжения (рисунок 2.4). Если в зазоре между валом и подшипником имеется смазочный материал, то при вращении вала прилипшие к его поверхности слои масла будут двигаться с той же скоростью, что и сам вал, причём они увлекают за собой прилегающие слои масла. По мере увеличения скорости вращения вала жидкость будет затягиваться в зазор и отжимать вал вверх и влево (вал всплывает).

Если режим работы узла трения не стимулирует образование жидкостной смазки, то поверхности от металлического контакта и последующего катастрофического износа и заедания предохраняют только граничные смазочные слои, и узел трения работает в режиме граничной смазки.

При этом виде смазки антифрикционные  и противоизносные свойства трущихся сопряжений определяются не объёмными свойствами смазочных материалов, а свойствами граничных слоёв, образованных в результате взаимодействия активных компонентов смазочного материала с поверхностными слоями пар трения.

Долю времени существования того или иного режима трения можно оценить параметром называемым "продолжительность существования смазочного слоя Р_Ж. При Р_Ж = 1 обеспечивается жидкостное трение, Р_Ж = 0 – трение граничное или без смазочного материала, 0 < Р_Ж < 1 – смешанное трение.

                          

            а – вал неподвижен (v = 0);

            б – положение вала при гидродинамическом смазывании;

            в – положение вала при v ® ¥;

            О_П и О_В – соответственно центры подшипника и вала

Рисунок 2.4 – Схемы положения равновесия вала в подшипнике

 

 

Смешанное трение

 

Смешанным трением (полужидкостной смазкой, переходным смазочным процессом) называется сумма всех или, по крайней  мере, двух видов трения. При этом часть трущихся поверхностей контактирует непосредственно (трение без смазочного материала), а часть разделена граничной пленкой (граничное трение) или слоем смазочного материала (гидродинамическое или эластогидродинамическое трение).

Смешанное трение имеет  место при малой скорости движения и большом удельном давлении, например, при запуске или остановке машины. Тогда смазочный материал не полностью разделяет поверхности трения взаимодействующих деталей. Часть нормальной нагрузки передается микрополостями контакта, а часть передается через смазочный слой (рисунок 2.5).

 

v – скорость относительного перемещения;

1 – величина деформации;

2 – масляный клин

Рисунок 2.5 - Схема образования неровностями пар трения А и В элементарного гидродинамического клина.

3. 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.

 

3.1 Потери на трение относительно полной энергии

 

Как показано на рисунке 3.1, 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.

Рисунок 3.1 - Потери на трение относительно полной энергии

 

 

3.2 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 3.2

 

Рисунок 3.2 – Схема потерь на трение в ДВС

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).

 

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.