Mat W-7.pdf

2008-11-03

Tarcie, ścieranie i zużycie materiału spowodowane tarciem

W skali światowej ok. 30 – 50 % energii produkowanej corocznie pochłaniają opory tarcia

występujące w ruchomych częściach maszyn. Wskutek zużycia corocznie eliminowane są setki

tysięcy różnych maszyn.

Omówimy teraz dwie właściwości ujawniające się w warunkach tarcia występującego

pomiędzy materiałami , oraz zużycie materiałów spowodowane tarciem . Właściwości te są

niezwykle istotne w większości konstrukcji.

Tarcie na powierzchni łożyska jest niekorzystne , ponieważ zużywa się na jego pokonanie

dodatkową energię, a zużycie materiału zmienia niekorzystnie tolerancje z jakimi zostało

ono wykonane .

Natomiast na okładziny hamulcowe lub na tarczę sprzęgła wybieramy taki materiał, aby

tarcie było jak największe ; ale i w tych przypadkach zużycie materiału jest z oczywistych

powodów niepożądane .

Przy pewnych obróbkach materiału , jak np. mielenie lub szlifowanie , celem jest uzyskanie

jak największego zużycia przy minimum energii wydatkowanej na tarcie .

Tarcie pomiędzy materiałami

Jeżeli powierzchnie dwóch materiałów stykają się ze sobą, próby przemieszczenia jednego

z nich względem drugiego napotykają na opór sił tarcia (rys. 7.1).

Siła potrzebna do rozpoczęcia poślizgu F s zależy od siły P normalnej do powierzchni

styku w sposób następujący:

gdzie: m s - bezwymiarowy statyczny

współczynnik tarcia.

2008-11-03

Rysunek 7.1

Bezwymiarowe współczynniki tarcia

statycznego i kinetycznego.

Po zapoczątkowaniu poślizgu , siła graniczna tarcia maleje nieznacznie i możemy napisać:

gdzie: m k < m s - bezwymiarowy kinetyczny

współczynnik tarcia.

Wynik ten wydaje się przeczyć intuicji - jak to możliwe, żeby tarcie pomiędzy stykającymi

się materiałami zależało jedynie od siły dociskającej je do siebie , a nie w sposób

oczywisty od powierzchni styku ? Aby zrozumieć ten mechanizm, musimy zastanowić się jak

wygląda geometria typowej powierzchni metalu.

Jeżeli zbadamy powierzchnię dokładnie toczonego pręta miedzianego, wycinając z niego

ukośny plasterek, lub jeżeli zbadamy profil nierówności powierzchni tego pręta za pomocą

urządzenia zwanego "Talysurf”, rejestruje wszystkie zagłębienia i wypukłości na niej

występujące), okaże się, że powierzchnia takiej próbki wygląda jak pokazano na rys. 7.2.

Rysunek 7.2

Wygląd powierzchni metalu dokładnie obrobionej

przez obróbkę skrawaniem (wysokości nierówności

są w wyolbrzymionej skali w stosunku do skali

odległości między nimi).

2008-11-03

Widać wyraźnie, że powierzchnia ta ma wiele wypukłości ("chropowatości"). Po

wypolerowaniu powierzchni metalu bardzo drobnym papierem ściernym, wymiary tych

wypukłości maleją ok. 10-krotnie, lecz są one wciąż dobrze widoczne. Pozostają nawet po

długotrwałym polerowaniu za pomocą środka polerującego o najdrobniejszym ziarnie.

Jeżeli dwie powierzchnie, które uważamy za płaskie (rys. 7.3), stykają się, nie ma

znaczenia jak starannie były one obrabiane i wypolerowane; będą się one stykały tylko w

miejscach styku wypukłości .

Każde obciążenie dociskające do siebie powierzchnie będzie przenoszone jedynie w

miejscach , gdzie stykają się ich wypukłości , a więc jedynie mały ułamek powierzchni

przeniesie to obciążenie .

Rysunek 7.3

Schematyczne przedstawienie styku pomiędzy dwiema powierzchniami.

2008-11-03

Początkowo, przy bardzo małym obciążeniu, stykające się wypukłości odkształcają się

sprężyście . Jednakże przy rzeczywistych obciążeniach , na wierzchołkach wypukłości

występują znaczne odkształcenia plastyczne . Jeżeli na wszystkich wypukłościach wystąpi

odkształcenie plastyczne, tak że utworzy się lepszy styk pomiędzy powierzchniami, całkowite

obciążenie przenoszone przez te powierzchnie będzie dane wzorem:

gdzie: a - rzeczywista powierzchnia styku,

R e - naprężenie ściskające wywołujące

odkształcenie plastyczne materiału.

Rzeczywista powierzchnia styku wyniesie :

Widać, że jeżeli podwoimy wartość siły P , rzeczywista powierzchnia styku a zwiększy

się dwukrotnie .

2008-11-03

Rozważmy teraz jak geometria powierzchni styku wpływa na tarcie pomiędzy stykającymi

się powierzchniami metalu.

Jeżeli w ywołamy poślizg jednej powierzchni po drugiej , to ruchowi temu przeciwdziałają

naprężenia ścinające tna wypukłościach . Naprężenia te są największe w tych miejscach ,

w których przekrój wypukłości jest najmniejszy , czyli w obszarze rzeczywistego styku .

Siłę przeciwdziałającą tarciu można wyrazić jako:

W wyniku znacznych odkształceń plastycznych w miejscach styku , wierzchołki wypukłości

zostają w obszarze styku a dociśnięte do siebie tak silnie , że powstaje bezpośrednie

zbliżenie poszczególnych atomów . Takie złącze może przeciwstawić się naprężeniu

ścinającemu o wielkości k , przy którym następuje odkształcenie plastyczne materiału. Stąd siła

F s , przy której rozpoczyna się poślizg jednej powierzchni po drugiej, wynosi:

Podstawiając R s = P/a otrzymujemy:

Prawo tarcia podane równaniem:

Nasz model uwzględniający styk wypukłości przewiduje , że m s ok. 1/2 , co jest prawidłowym

rzędem wartości dla statycznego współczynnika tarcia pomiędzy powierzchniami metalowymi .

Dlaczego m k jest mniejsze ? Ponieważ w trakcie ślizgania się powierzchni czas , w ciągu

którego mogą utworzyć się zbliżenia atom-atom w miejscach kontaktu między wypukłościami

powierzchni, jest krótszy i odpowiednio mniejsza jest powierzchnia styku , na której zachodzi

ścinanie . Po zatrzymaniu poślizgu powierzchnie punktów styku zwiększają się nieco ,

wskutek pełzania materiału, a proces dyfuzji wzmacnia połączenie . W konsekwencji wartość m

wzrasta do wartości m s .

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: