Download - Notiuni Si Concept de Baza in Tribologie
Notiuni si concept de baza in tribologie
O preocupare dominantă a ştiinţelor inginereşti contemporane este asigurarea
funcţionării fără întreruperi sau avarii a maşinilor şi echipamentelor, garantând, în acelasi
timp, un randament mare şi o fiabilitate înaltă. De aceea, chiar din faza de concepţie şi
proiectare, trebuie luate în considerare posibilele pierderi şi deteriorări care pot afecta
substanţial optimul funcţiilor tehnice şi economice, dar şi pe cele care pun în pericol
securitatea operatorilor şi a altor sisteme.
Solicitările mecanice generale care pot acţiona asupra elementelor şi sistemelor, pot fi
împărţite în două grupe mari:
- solicitări în volum, care rezultă din forţe dinamice şi statice
- solicitări de suprafaţă, datorate contactului şi mişcării relative dintre corpuri;
(fig. 1.1).
Fig. 1.1. Tipuri generale de solicitări de suprafaţă
pentru elemente de maşini.
Tensiunile de suprafaţă, care sunt deseori indispensabile pentru însăşi asigurarea
funcţionării sistemelor tehnice, determină pierderi de energie şi de material din cauza frecării
dar şi modificări ale elementelor ca rezultat al uzurii. Tribologia are ca scop minimizarea
acestor pierderi energetice şi de material, provocate de frecare şi uzură, încă din faza de
proiectare a maşinilor şi echipamentelor, contribuind la asigurarea unei funcţionări fără
probleme, în condiţiile menţinerii valorii tehnice şi economice a maşinilor, prin reducerea
uzurii şi optimizarea condiţiilor de frecare.
Cuple de frecare
Relaţiile şi interacţiunile dintre elementele unui sistem mecanic definesc cuplele de
frecare, iar parametrii geometrici, cinematici şi dinamici guvernează natura fenomenelor şi
proceselor tribologice – frecarea, uzura şi ungerea – în corelaţie cu lubrifiantul şi materialele
elementelor în contact.
Pentru cuplele de frecare, care înseamnă legături între elemente, este necesară
utilizarea unor criterii de siguranţă de natură tribologică, cum sunt:
- uzură limitată,
- nivel limită de frecare şi de temperatură,
- grosime minimă de film.
Clasificarea cuplelor de frecare, diferită de cea a cuplelor cinematice, cuprinde 4
clase (fig. 1.2):
Cuple de frecare de clasa I. Interacţiunea se produce, teoretic, într-un punct. Exemple de
cuple de clasa I (cu contact punctual, fig. 1.2.1a-1g):
- contacte pe vârfuri-1a, 1b, cupla sferă/plan-1c,
- cupla maşinii cu patru bile-1d,
- cupla formată de doi cilindri neparaleli-1e,
- rulmenţii cu bile (axiali – 1f; radiali – 1g),
- angrenaje elicoidale, şuruburi cu bile, variatoare EHD, ghidaje cu bile.
Cuple de frecare de clasa a II-a. Interacţiunea se produce, teoretic, pe o linie. Exemple de
cuple de clasa a II-a (cu contact liniar, fig. 1.2., 2a-2d):
- cupla cu două discuri cu axe paralele (SAE)-2a,
- cupla cilindru/plan (Timken)-2b, cupla Falex (sau Faville)-2e,
- în rulmenţii cu role,
- ghidaje cu role, mecanisme camă-tachet-2d,
- variatoare EHD,
- transmisii prin roţi de fricţiune-2c,
- transmisii prin roţi dinţate cilindrice şi conice-2g,
- transmisii prin lanţ .
Cuple de frecare de clasa a III-a. Interacţiunea se produce la nivelul unor suprafeţe curbe.
Exemple, pe tipuri de suprafeţe (fig. 1.2., 3a-3f):
- suprafeţe cilindrice: sabot/fus (Amsler)-3a, doi saboţi pe fus-3b, lagăr de alunecare
(Almen)-3c, piston/cilindru-3d, articulaţii, frâne cu sabot;
- suprafeţe elicoidale: mecanis-me şurub-piuliţă-3e;
- suprafeţe sferice: articulaţii sferice-3f.
Cuple de frecare de clasa a IV-a. Interacţiunea dintre elemente se produce la nivelul unor
suprafeţe plane. Exemple (fig. 1.2, 4a-4e):
- cupla ştift/disc-4a,
- cilindru/disc-4b,
- disc/disc-4c,
- discuri de fricţiune, ghidaje de alunecare-4d, 4e.
În figura 1.2 se prezintă exemple de cuple de frecare întâlnite uzual în construcţia de maşini,
utilaje şi echipamente, cât şi în studiile tribologice.
cuplă de frecare la prelucrarea prin
aşchiere
cuplă de frecare la
prelucrarea prin deformare plastică
cuplă de frecare la prelucrarea solului
cuplă de frecare la transportoare cu
bandă Fig. 1.2. Clasificarea cuplelor de frecare (STAS 8069-87).
1a 1b 1c 1d 1f 1g
1e
2a 2b 2c 2d
2e 2f 2g
3a 3b 3c 3d 3e 3f
4a 4b 4c 4d 4e
1g
5a 5b 5d
5c
Fig. 1.3. Structura unui tribosistem:
1 – triboelement de bază; 2 – triboelement
de contact (mobil); 3 – mediu/material
intermediar; 4 – mediu ambiant (de lucru).
intermediar; 4 – mediu ambiant (de lucru).
Sistemul tribologic
Elementele structurii unui tribosistem
Un sistem tribologic sau un tribosistem este definit ca un sistem a cărei comportare
este direct legată de interacţiunile de suprafaţă apărute în mişcarea relativă a elementelor în
contact.
Un tribosistem poate fi complet caracterizat prin patru
elemente distincte (fig. 1.3):
şi - elemente, denumite de aici înainte
triboelemente;
- material intermediar (lubrifiant; material abraziv);
- mediu ambiant în care funcţionează tribosistemul.
Un proces tribologic implică, în general, toate
cele patru componente de material. Componentele 1 şi
2, care formează straturile superficiale şi se
influenţează reciproc, sunt numite triboelemente: 1 –
triboelement de bază şi 2 – triboelement de contact. De
regulă, triboelementul de bază este cel ales pentru
examinarea uzurii. Triboelementul de contact poate fi
solid sau fluid.
In tribosistemele lubrifiate, între triboelemente, în zona de contact, este introdus
sistematic un mediu intermediar. Într-un caz ideal acesta duce la o separare completă a celor
două corpuri. De obicei acest mediu intermediar este un lubrifiant al cărui scop este să reducă
frecarea şi, implicit, uzura dintre corpuri.
Mediul intermediar şi cel înconjurător pot conţine şi particule care pătrund în zona
contactului cu frecare, ca particule perturbatoare. Praful, impurităţile sau chiar particulele de
uzură care nu sunt înlăturate din contact, pot influenţa funcţionarea sistemului.
(a) tribosistem în vid
(b) tribosistem în aer
(c) tribosistem
lubrifiat
Fig. 1.4. Tribosisteme cu structuri diferite:
1 şi 2 – triboelemente, 3 –material intermediar, 4 – mediu ambiant.
(1) (2)
Mecanisme de frecare
Mecanisme de uzură
(1) (2)
Mecanisme de uzură
Mecanisme de frecare
(4) adsorbţie,
chemisorbţie
(3)
lubrifiere
(1) (2)
Mecanisme de frecare
Mecanisme de uzură
difuzie
(4)
Exemplele de tribosisteme din figura 1.4 arată că, având elemente structurale diferite (mediu
ambiant), procesele tribologice la care sunt supuse sunt şi ele diferite.
Functia unui tribosistem
O privire generală asupra funcţiilor pentru tribosisteme tipice este dată în tabelul 1.1.
Tabelul 1.2. Funcţiile tehnice ale unui tribosistem.
Funcţia
generală
Gama de funcţii Tribosisteme şi/sau componente
Energetică Transmiterea energiei
Transmiterea mişcării
Ghidare
Restricţionarea mişcării
Angrenaje, transmisii cu lanturi, ambreiaje,
sisteme de control al conducerii fluidelor,
lagăre, asamblări, frâne, sisteme de amortizare.
De material Transport de material,
procese de prelucrare
Echipamente de transport, scule pentru
prelucrare prin aşchiere şi deformare plastică.
De semnal Transmiterea semnalului Relee, sisteme de control.
Solicitarile tribosistemului
Caracteristicile cele mai importante ale setului de solicitări pot fi determinate
cunoscându-se următoarele variabile:
- tipul de mişcare,
- ciclul de mişcare,
- încărcările,
- temperatura,
- timpul.
Interactiuni intre elementele structurale
Interacţiunile sistemului sunt diferenţiate în: - solicitări tribologice - acţiunea setului de solicitări asupra structurii sistemului, prin procese de
contact şi mişcări relative între elementele structurale
- procese tribologice - solicitărilor tribologice şi proceselor dinamice de frecare şi uzură, de
natură fizică şi chimică, dar şi proceselor din zonele de margine ale contactului, care duc la
pierderi de energie şi material.
In afară de parametrii impuşi de funcţia tehnică a tribosistemului, trebuie să se ţină seama de
parametrii exteriori perturbatori, de exemplu vibraţii şi radiaţii, care pot influenţa tribosistemul.
Funcţiunile de bază ale tribosistemelor au stat la baza unei prime clasificări făcută de
Czichos şi prezentată, cu exemple, în tabelul 1.2. Tabelul 1.3. Clasificarea tribosistemelor .
a)
Tribosisteme pentru transmi-terea mişcării
a1) Tribosisteme pentru ghidarea sau
transmiterea mişcării:
lagăre de alunecare; lagăre de rostogolire; ghidaje; mecanismul şurub-piuliţă; articu-laţii tehnice; articulaţii umane şi animale.
a2) Tribosisteme pentru cuplarea mişcării:
cuplaje (cu disc, conice, dinţate); ambreiaje (conice; cu discuri; cu bandă).
a3) Tribosisteme pentru oprirea mişcării:
frâne (cu disc, cu sabot, cu bandă); amortizoare prin fricţiune; sisteme de fixare.
b) Tribosisteme pentru transmiterea puterii
sau a lucrului mecanic:
transmisii prin angrenaje (cilindrice, conice, elicoidale, hipoide, melc-roată melcată, pinion-cremalieră); transmisii cu şuruburi de mişcare; transmisii prin curele; transmisii prin lanţ; transmisii prin came; transmisii prin fricţiune; transmisii hidraulice.
c) Tribosisteme
pentru generarea sau reproducerea informaţiilor
c1) Tribosisteme generatoare de
informaţii:
sistem camă-tachet; sincronizatoare; contacte electrice; relee; întrerupătoare; sisteme de scris; sisteme de imprimare, tipărire, multiplicare.
c2) Tribosisteme de reproducere a informaţiilor:
sisteme de înregistrare/redare audio; sisteme de înregistrare/redare video; sisteme de înregistrare şi stocare magnetică.
d) Tribosisteme de
transport
d1) Tribosisteme de transport al materialelor
sisteme de deplasare roată-şină (cale ferată); sisteme de deplasare roată-şosea; benzi transportoare (pentru minereu, cărbune etc.); sisteme de transportat pulberi, pământ; sisteme de transport uman şi animal; sisteme biologice de transport (inima şi sistemele de vase sanguine).
d2) Tribosisteme pentru controlul circulaţiei şi
curgerea materialelor:
sisteme de etanşare; ansamblul piston-cilindru; robinete; supape.
e) Sisteme
tribologice în procesele de prelucrare a materialelor
e1) Tribosisteme de prelucrare prin
deformări plastice:
forjare; extrudare; trefilare; laminare; ambutisare; rulare; injectare etc.
e2) Tribosisteme de prelucrare prin
mărunţire a materialelor:
utilaj terasier; utilaj minier; utilaj de foraj petrolier; sistemele de masticaţie umane şi animale.
e3) Tribosisteme pentru prelucrări prin aşchiere
ale metalelor:
dispozitive şi scule pentru debitare, găurire, alezare, strunjire, rabotare, frezare, rectificare, şlefuire, polizare, lepuire, honuire etc.
Tribosistematica
Luând ca bază standardul german DIN 50320, care introduce conceptul de tribosistem
(fig.1.1.), I. Crudu a elaborat o tribosistematică, ţinând seama de mişcarea relativă între
triboelementele (1) şi (2) (alunecare, rostogolire sau combinaţii ale acestora), de natura
triboelementului (2) (solid, fluid cu sau fără particule abrazive) şi de natura materialului
intermediar (lubrifiant, particule abrazive, diverse fluide). Astfel se disting:
- tribosisteme cu alunecare sau alunecare cu rostogolire (TA),
- tribosisteme cu rostogolire sau rostogolire cu alunecare (TR),
- tribosisteme abrazive (TZ),
- tribosisteme cavitaţionale (TV).
I. Tribosistemele de alunecare TA şi alunecare cu rostogolire TAr sunt:
- de alunecare de fricţiune “TAf” (frâne, ambreiaje prin fricţiune);
- de alunecare şi antifricţiune “TAa” (lagăre, ghidaje);
- de alunecare cu rostogolire de antifricţiune “TAr” (angrenaj melc-roată melcată, angrenaj
globoidal).
II. Tribosistemele de rostogolire “TR” şi rostogolire cu alunecare (“TRa” şi “TRf”):
- de rostogolire liberă “TRl” (rulmenţi, ghidaje cu role etc.);
- de rostogolire cu alunecare forţată de antifricţiune “TRa” (angrenaje cu roţi dinţate);
- de rostogolire cu alunecare liberă de fricţiune “TRf” (variatoare prin fricţiune).
III. Tribosisteme abrazive “Tz” care pot fi:
- cu abraziv interpus “Tzi”: cu alunecare sau cu rostogolire;
- în fluid cu particule abrazive “Tzh”: hidroabrazive sau gazoabrazive.
- cu triboelementul de bază în contact cu abraziv “Tzm”: monolit sau masă de particule.
IV. Tribosisteme de cavitaţie “Tv” care pot fi:
- în curent de fluid antrenat, numite şihidrodinamice (lagăre de alunecare cu ungere cu ulei
sau alt fluid);
- în curent de fluid liber (elice de vapor, rotor de turbină hidraulică etc.);
- cu triboelemente cu vibraţii, în masă de fluid (vibraţia cămăşilor de cilindru de motor în
apă de răcire).
Trebuie avut în vedere faptul că proprietăţile importante de frecare şi uzură nu pot fi
considerate ca proprietăţi individuale ale unui component al sistemului sau ale materialelor,
ci sunt valabile şi caracterizează întreg tribosistemul. - orice solicitare tribologică implică cel putin un cuplu de materiale.
- solicitările tribologice implică efecte reciproce ale cuplului de triboelemente, asupra
materialelor şi prin fortele implicate.
- fiecare proces de frecare şi uzură poate implica diverse procese fizice şi chimice în zonele
de margine ale contactului.
- solicitarea materialului apare în principal pe suprafaţa de contact.
Tipuri de miscari ale triboelementelor
Alunecarea este un tip de mişcare la care vitezele tangenţiale ale celor două
triboelemente, u1 şi respectiv u2, pot varia ca mărime şi/sau direcţie. Alunecarea poate apărea
între corpuri aflate în mişcare relativă de translaţie sau între corpuri care se deplasează în
mişcare relativă de rotaţie
Rostogolirea este un tip (ideal) de mişcare între corpuri, la contactele punctiforme sau
liniare ale căror viteze sunt identice, ca mărime şi direcţie faţă de zona de contact.Dacă prin
contact se transmite numai o forţă normală, se consideră mişcarea de rostogolire liberă, iar
dacă forţa tangenţială este nenulă se consideră mişcarea de rostogolire cu tracţiune.
Pivotarea (sau mişcarea de spin) este o mişcare între două corpuri, dintre care unul se
roteşte în jurul unei axe în rotaţie, având o poziţie normală faţă de aria de contact, celălalt
corp rămânând macroscopic pe loc (faţă de aria de contact).
Pentru îndeplinirea unor funcţii tehnice este uneori necesară suprapunerea mai multor
tipuri de bază de mişcare. Tipuri de mişcări combinate pot fi:
- rostogolirea cu alunecare: de exemplu, la roţi dinţate sau rulmenţi cu role;
- rostogolirea cu pivotare : acest tip de mişcare apare la rulmenţii cu contact unghiular
(radiali-axiali);
- alunecarea cu pivotare : mişcare această mişcare apare la lagărele cu forme complexe.
La tipurile de mişcări continue se adaugă tipuri de mişcare între corpuri solide cu
contacte intermitente şi tipuri de mişcare între corpuri solide şi fluide (lichide sau gaze).
Evolutia miscarii in timp si spatiu:
- Evolutia miscarii in timp, miscarea continua sau miscarea intermitenta – intrerupta
- Evolutia miscarii in spatiu, miscarea pe directia data dar sens opus, miscarea
reversibila sau oscilanta
Viteze intre corpurile in contact
Când numai unul din corpurile în contact se mişcă, caracterizarea condiţiilor
cinematice într-un tribosistem este uşor de făcut. Când ambele corpuri sunt în mişcare rezultă
condiţii cinematice mai complicate. S-au notat cu u1 şi respectiv u2, vitezele tangenţiale ale
celor două triboelemente - corpul de bază (1) şi corpul de contact (2) - în zona de contact a
tribosistemului analizat. Se utilizează următorii termeni:
- viteza relativă, 21r uuv ,
are rolul predominant în disiparea energiei produse prin frecare cât şi în creşterea
asociată cu frecarea, a temperaturi; în tribosistemele lubrifiate influenţează regimul de
frecare fluid în zona de contact, ca şi grosimea peliculei de lubrifiant;
- viteza însumată, 21s uuv :
la tribosistemele lubrifiate, viteza însumată este responsabilă de curgerea uleiului în
zona de contact şi influenţează grosimea peliculei de lubrifiant în zona de contact;
- alunecarea specifică, 21
21
uu
uu2s
,
caracterizează raportul dintre rotaţie şi translaţie pentru un contact între corpuri aflate
în mişcare relativă.
Pentru a arăta condiţiile complexe care apar la mişcări simultane ale corpurilor
conjugate, în tabelele 1.3 şi 1.4 se prezintă tipurile rezultante de mişcare, Tabelul 2.1. Condiţii cinematice şi vitezele corpurilor
în contact, pentru alunecare
Tipul mişcării
viteza
triboele-
ment 1
viteza
triboele-
ment 2
viteza
relativă
suma
vitezelor
alunecarea
specifică, s
alunecare
absolută
u1>0 u2=0 vr=u1 vs=u1 s = 2
alunecare
relativă
u1>0 u2<0
vr>u1 vs<u1 2 < s < ∞
21 uu
u1>0 u2 = -u1 vr=2.u1 vs = 0 s = ± ∞
u1>0 u2<0
vr>|u2| vs<|u2| -∞ <s< -2
21 uu
alunecare
absolută
u1=0 u2<0 vr=|u2| vs=|u2| s= -2
condiţiile cinematice şi vitezele caracteristice, folosind exemplul contactului între două
discuri cilindrice.
În acest context rezultă două cazuri limită, care merită să fie investigate atent:
- alunecarea cu 21 uu
: cele două viteze periferice ale corpurilor sunt egale dar de sens
contrar ( s ),. în acest caz rezultând viteza relativă cea mai mare posibilă, când
viteza însumată vs=0;
- considerând rostogolirea pură sau ideală ( 21 uu
), vitezele periferice au aceeaşi
direcţie şi sens, şi sunt egale în modul ( 0s ); viteza relativă 0v r iar viteza
însumată este dublul vitezei periferice a fiecărui corp.
Raportul dintre aria de contact şi aria de frecare
Din cauza mişcării relative dintre triboelemente, largi zone de suprafeţe, chiar
variabile ca mărime, sunt supuse proceselor de contact, rezultând diferite mărimi ale ariilor
de contact pentru cuplul de corpuri. Pentru un element, raportul dintre aria nominală de
contact şi aria totală a urmei de frecare, este numit coeficient de acoperire reciprocă a
suprafeţelor, a .
Tabelul 1.4. Condiţii cinematice şi vitezele corpurilor în contact,
pentru rostogolire cu alunecare.
Tipul mişcării
viteza
triboele-
ment 1
viteza
triboele-
ment 2
viteza
relativă
suma
vitezelor
alunecarea
specifică, s
alunecare
absolută
u1>0 u2=0 vr=u1 vs=u1 s = 2
rostogolire
cu alunecare
u1>0 u2>0
vr<u1 vs>u1 0 < s < 2
u1>u2
rostogolire
pură u1>0 u2 = u1 vr = 0 vs = 2 u1 s = 0
rostogolire
cu alunecare
u1>0 u2>0
vr< u2 vs> u2 -2 < s < 0
u1<u2
alunecare
absolută
u1=0 u2>0 vr= u2 vs= u2 s= -2
Procese de frecare
Frecarea este “un proces complex, de natură moleculară, mecanică şi energetică, care are
loc între suprafeţele de contact cu mişcare relativă”.
Frecarea reprezintă “rezistenţa opusă mişcării relative a unui corp solid faţă de altul”,
forţa de rezistenţă având sens opus mişcării”. În standardul românesc STAS 8069-871
frecarea este definită ca fiind “fenomenul care are loc între două suprafeţe în contact, supuse
concomitent la forţa normală de apăsare (N) şi una tangenţială (F) sau la un moment de
frecare (M), care se opune stării relative de mişcare”. În standardul german DIN 50323
frecarea este “o interacţiune între ariile reale ale corpurilor în contact şi se opune mişcării
relative”.
Frecarea este efectul unui proces de generare şi disipare a energiei, care apare în
transferul forţei de interacţiune de la un solid la altul, prin intermediul ariei reale de contact,
în prezenţa mişcării relative sau doar a tendinţei de mişcare relativă.
După rolul funcţional al tribosistemului, frecarea poate fi:
- dăunătoare, la tribosistemele de antifricţiune, din cauza efectelor principale, încălzirea, uzura,
vibraţiile, care conduc, în final, la scoaterea din uz a tribosistemului;
- utilă, la tribosistemele de fricţiune (ambreiaje, frâne, transmisii prin fricţiune), deşi poate
fi, de asemenea, însoţită de încălzire, uzură, vibraţii.
Teorii ale frecării şi uzurii
Evoluţia cunoaşterii naturii corpului solid a marcat concepţiile şi ipotezele privind fenomenul complex al frecării uscate, evidenţiindu-se mai multe etape şi teorii : - prima etapă a fost marcată de teoria mecanică a frecării, începând de la Leonardo da Vinci, continuând cu Amontons (secolul al XVII-lea), Hire, Parent (începutul secolului al XVIII-lea) etc.; această etapă corespunde epocii dezvoltării mecanicii corpurilor rigide; - etapa a doua are la bază admiterea teoriei moleculare (începând din secolul al XVIII-lea şi până azi) cu două variante principale:
- teoria adeziunii moleculare; - teoria punţilor de sudură; aici se poate încadra teoria lui Bowden şi Tabor (1939) care prevede că forţa de frecare se datorează forţei necesare ruperii microsudurilor formate în punctele de contact ale proeminenţelor asperităţilor;
- etapa a treia a constat în explicarea frecării prin teoriile deformării elastice şi plastice, prin energia consumată pentru deformarea asperităţilor (elastică, plastică, elasto-plastică); - etapa a patra, care începe, de fapt, în secolul al XVIII-lea, include teoriile mixte ale frecării, considerând că frecarea se datorează atât contactului asperităţilor, cât şi forţelor moleculare. Chiar Coulomb este primul care formulează o astfel de teorie, în 1779; - etapa a cincea s-a caracterizat prin:
- teoria energetică cuantică: se consideră că energia se transferă între suprafeţe prin
cuante de energie care produc transfer, dar şi pierdere de material;
- teoria electrostatică.
Dintre teoriile mai recente, teoria energetică privind fenomenele şi procesele
tribologice, dezvoltată de Kostetski (1992) are în vedere:
1. clasificarea şi modelele fizice ale proceselor de uzură şi de degradare;
2. legitatea generală şi procesul universal de adaptabilitate structural-energetică a
materialelor în procesul frecării;
3. sistemul de dirijare (de conducere) a evoluţiei proceselor de frecare şi uzură;
4. criteriile de apreciere a indicilor tribologici şi metodele de încercare.
Toate procesele de degradare la suprafaţă apar şi se dezvoltă ca urmare a două
fenomene fundamentale :
- activarea (mărirea energiei libere a materialelor tribosistemului)
- pasivizarea (micşorarea acesteia).
Mărimi caracteristice ale frecării
Prin definiţie, frecarea este un proces de interacţiune complexă ale celor patru
elemente componente ale unui tribosistem. Din această cauză, orice mărime caracteristică
trebuie să fie legată nu numai de o singură proprietate a unui corp sau a mediului, ci trebuie
să se aibă în vedere cuplul de corpuri, mai mult, chiar întreg tribosistemul studiat.
În practica inginerească, pentru evaluarea frecării se folosesc mărimi adimensionale:
- coeficientul de frecare la alunecare:
n
f
F
F (1.1)
definit ca raport între forţa de frecare fF (care are sens opus mişcării şi este paralelă cu aria
de contact) şi forţa nF (normală pe aria de contact); ca rezultat al numeroaselor variabile care
influenţează procesele de frecare, în principiu nu este posibil să se realizeze un calcul teoretic
exact al coeficientului de frecare;
- coeficientul de frecare la şoc: n
tşoc
vm
vm
(1.2)
unde tvm este variaţia impulsului în timpul şocului după direcţia tangenţială şi nvm
este variaţia impulsului după direcţia normală, tv şi nv sunt viteza după direcţia tangenţială
şi, respectiv viteza după direcţia normală;
- coeficientul de pierderi prin frecare:
W
WfW (1.3)
unde fW este lucrul mecanic consumat prin frecare, necesar pentru a menţine procesul de
mişcare în condiţii de frecare, şi W – lucrul mecanic total, efectuat de sistemul analizat;
- coeficientul rezistenţei la rostogolire:
R
f (1.4)
unde f este dimensiunea specifică de rostogolire iar R – raza de rostogolire.
Conform STAS 8069-87 se mai definesc:
- coeficientul de frecare de pivotare: raportul între momentul de frecare de pivotare
( pM ) şi forţa normală de apăsare ( nF ); această mărime, care are dimensiunile unei lungimi, se
notează cu p ;
- coeficientul de frecare de rostogolire: raportul între momentul de frecare de
rostogolire ( rM ) şi forţa normală de apăsare ( nF ); această mărime, care are dimensiunile unei
lungimi, se notează cu r .
De asemenea, în calcule se utilizează unghiul de frecare la alunecare, , unghiul
dintre direcţia forţei normale nF
şi direcţia rezultantei compunerii vectoriale a forţelor fF
şi
nF
:
arctg sau tg (1.5)
Regimuri de frecare
Grosimea peliculei de lubrifiant dintre corpuri este dependentă de diverşi parametri ai
tribosistemului, ca de exemplu:
- geometria soluţiei constructive şi poziţia corpurilor;
- topografiile suprafeţelor corpurilor în contact;
- viteza relativă dintre corpurile în contact;
- sarcinile exterioare;
- vâscozitatea lubrifiantului;
- temperatura etc.
Contactul dintre corpuri poate fi caracterizat în funcţie de grosimea peliculei de
lubrifiant. În figura 1.5 sunt date principalele condiţii de contact iar în tabelul 1.5 sunt
enumerate regimurile de frecare între corpuri în contact.
Fig. 1.5 Condiţii de contact între triboelemente: 1 - contact direct, cu deformare plastică;
2 - contact elastic; 3 - contact cu peliculă de lubrifiant, caracteristic
ungerii elastohidrodinamice (EHD); 4 - contact cu peliculă de lubrifiant,
caracteristic ungerii hidrodinamice (HD).
Tabelul 1.5 Regimuri de frecare între corpuri în contact
(după Niemann, 2001) Regim de frecare Condiţii de frecare
Frecare uscată,
între corpuri solide
Nu există lubrifiant.
Frecare limită Straturi limită superficiale, rezultate prin oxidare, prin
adsorbţia şi/sau chemisorbţia unor molecule favorabile
reducerii frecării..
Frecare mixtă Peliculă parţială de fluid şi contact direct, parţial, între
corpuri.
Frecare fluidă Separare completă prin pelicula de fluid (hidrodinamică sau
elastohidrodinamică).
Frecarea uscată
Acest tip de frecare se manifestă, teoretic, între două suprafeţe care alunecă una peste
cealaltă, fără ca între aceste suprafeţe să existe lubrifiant.
Frecarea uscată de alunecare este guvernată de legile stabilite de Amontons (primele două legi, 1699) şi Coulomb (legea a treia, 1785).
1. Frecarea este independentă de mărimea suprafaţei aparente de contact dintre cele două corpuri.
2. Forţa de frecare este direct proporţională cu forţa de apăsare normală: nf FF .
3. Frecarea este independentă de viteza de alunecare.
Frecarea limită
Regimul de frecare limită se identifică în cazurile în care suprafeţele corpurilor în
contact sunt separate doar prin straturi cu rol protector, formate natural, prin oxidarea
materialelor, sau produse artificial, prin adsorbţie (procesul de fixare şi acumulare a
moleculelor lubrifiantului în stratul superficial al corpului solid), chemisorbţie (legături de
natură chimică, cu transfer de electroni) şi/sau prin tratamente superficiale.
Valoarea coeficientului de frecare depinde de mai mulţi parametri decât la frecarea
uscată: caracteristicile fizico-chimice ale materialelor şi lubrifiantului, viteza, sarcina,
temperatura.
Frecarea mixtă (sau semifluidă)
Aceasta apare la limita frecării fluide, la suprafeţe cu un anumit grad de rugozitate.
Deşi pelicula de lubrifiant are o grosime corespunzătoare ungerii fluide (1..100 m), ea se
rupe şi se reface mereu, nefiind stabilă şi nici suficientă pentru a asigura separarea completă a
corpurilor solide. În acest caz, corpurile pot fi în contact din cauza formei suprafeţelor
(proeminenţele asperităţilor şi ondulaţia suprafeţei), astfel încât sarcina normală este
transmisă, pe de o parte, prin contactul direct, şi, pe de altă parte, prin pelicula de lubrifiant.
Coeficientul de frecare mixtă (semifluidă) este mai mic decât la frecarea uscată. Dar,
deoarece uzura este mai mare decât la frecarea (ungerea) fluidă, se va evita funcţionarea unui
tribosistem în acest regim pentru timp îndelungat. Cazurile în care nu poate fi evitată frecarea
mixtă se întâlnesc la pornirea sistemului (când încă nu s-a format pelicula de lubrifiant), la
oprire (când scade viteza, ceea ce duce la întreruperea filmului) şi, de asemenea, la
schimbarea sensului mişcării.
Frecarea fluidă
Când contactul microasperităţilor suprafeţelor este împiedicat, datorită grosimii
minime a filmului continuu (lichid sau gazos), se realizează condiţiile regimului de frecare
(sau ungere) fluidă. Forta de frecare scade, straturile aderente de fluid punand succesiv in
miscare si straturile vecine, iar frecarea se datoreaza numai tensiunilor de alunecare interna
din film.
În general, ca valoare variabilă şi caracteristică pentru grosimea peliculei de lubrifiant şi
mărimea rugozităţii suprafeţelor, se defineşte parametrul filmului, λ:
2 2q
2 1q
min
RR
h
(1.6)
în care hmin este grosimea minimă a peliculei de lubrifiant din zona de ieşire din contact şi 2 2q
2 1qq RRR este abaterea medie pătratică a înălţimilor asperităţilor celor două suprafeţe în
contact, ca parametru al rugozităţii echivalente. În funcţie de acest parametru se pot delimita
mai multe zone de funcţionare
– zona regimului limită sau chiar uscat, pentru 1 ; suprafeţele sunt în contact direct
la nivelul ariei reale, apar deformaţii la nivelul rugozităţilor şi uzura este determinată
preponderent de proprietăţile materialelor şi de tensiunile hertziene; apar degradări prin
uzură abrazivă, gripare;
– zona regimului mixt sau limită, pentru 5,11 ; apar exfolieri, microciupituri,
lustruire etc.;
– zona regimului parţial EHD, pentru 35,1 ; apare spallingul, ca formă de
deteriorare prin oboseală de contact;
– zona regimul EHD, care poate fi asigurat în limitele sale normale (film complet
100%) dacă 3,5 < λ < 4; durabilitatea tribosistemului este maximă;
– zona regimului fluid complet, pentru λ > 4; deşi suprafeţele sunt complet separate de
pelicula de lubrifiant, durabilitatea prezintă o scădere (Tallian, 1964)
Determinarea zonelor regimurilor de frecare-ungere se poate face cu ajutorul
familiilor de curbe de tip Stribeck, trasate pentru lagăre de alunecare. Aceste curbe arată
variaţia grosimii filmului de lubrifiant şi a coeficientului de frecare, ak, în funcţie de sarcină,
Fn, viteză, v şi vâscozitatea dinamică a lubrifiantului, , prin parametrul complex v/Fn.
Pentru o anumită stare de rugozitate a suprafeţei, o dată cu creşterea vitezei, se trece din
regimul de frecare uscat sau limită, în cel mixt şi apoi în cel fluid, hidrodinamic.
În figura 1.6. se prezintă variaţia coeficientului de frecare în comparaţie cu rezistenţa
la uzură, în funcţie de parametrul peliculei de lubrifiant, pentru diferite regimuri de frecare.
Coeficientul de frecare scade datorită separării corpurilor în contact şi creşterii grosimii
peliculei de lubrifiant, în timp ce rezistenţa la uzură creşte puternic.
Fig 1.6. Coeficientul de frecare şi rezistenţa la uzură în funcţie de grosimea peliculei de lubrifiant în
regimurile de frecare/ungere: a. frecare uscată; b. frecare limită; c. frecare mixtă; d. ungere EHD; e.ungere
hidrodinamică [Meyer,21993].
Particularităţi ale frecării de alunecare: efectul stick-slip (prindere-alunecare)
În regimul de frecare mixtă, apare frecvent fenomenul de stick-slip (prindere-
alunecare), caracterizat printr-o alternanţă periodică, rapidă, între frecarea de aderenţă
(statică) şi cea de alunecare, mişcarea fiind sacadată.
Acest fenomen cauzează vibraţii puternice, deseori şi în domeniul audibil. În sistemele
tehnice vibraţiile trebuie evitate, deoarece corpurile conjugate ale unui tribosistem sunt
cuplate cu celelalte componente ale ansamblului prin sisteme sensibile la vibraţii.
Efectul de stick-slip poate fi descris pe
baza mode-lului simplificat din figura 1.7. Cu
ajutorul diagramelor pentru forţa elastică Fx şi
distanţa de alunecare s la momentul t (fig.
1.8), se poate observa că mişcarea de
alunecare apare numai dacă forţa elastică, Fx,
ce acţionează asupra corpului (fig. 1.7),
depăşeşte forţa de frecare de aderenţă (statică), Ffst. Atunci masa este accelerată din cauza
forţei elastice care devine dominantă. Această mişcare determină scăderea forţei elastice, iar
forţa de frecare încetineşte mişcarea până la oprire şi, din nou, domină forţa de frecare de
aderenţă (statică). Acest proces nedorit de schimbare se repetă la intervale scurte de timp,
având ca efect provocarea vibraţiilor.
Fig. 1.8.
Comportarea dinamică a corpurilor în contact, la stick-slip.
Comportarea datorată efectului stick-slip poate fi caracterizată după poziţia punctului
de funcţionare pe curba Stribeck:
- comportarea tipică de stick-slip (fig. 1.8) este în special observabilă, dacă
coeficientul de frecare scade cu creşterea vitezei relative, adică pentru punctele de
funcţionare localizate în partea stângă a curbei Stribeck;
- excitarea vibraţiilor devine mai puternică când curba de frecare tinde spre valoarea
ei minimă (minimul curbei Stribeck);
- vibraţiile vor fi automat amortizate dacă forţa de frecare creşte cu viteza relativă,
adică la funcţionarea în puncte din dreapta curbei Stribeck, deoarece o asemenea creştere a
coeficientului de frecare are un efect de amortizare.
Fig. 1.7. Modelarea efectului stick-slip.
Fn
Ff st
alunecare
prindere
alunecare
prindere
Forţ
a d
e ti
p e
last
ic
dis
tan
ţa d
e
alu
nec
are,
Ff st
Procese de uzură
Uzura este un proces de distrugere a stratului superficial al unui corp solid la
interacţiunea mecanică cu un alt corp solid, cu un fluid sau cu un fluid cu particule solide în
suspensie.
Uzura se analizează funcţie de sarcinile aplicate, de viteză şi de mediu. Astfel, există
distrugeri în condiţii statice (deformaţii, coroziune) şi în condiţii dinamice (există sarcină şi
mişcare relativă), acestea fiind numite şi tribodistrugeri.Caracteristicile mediului
(temperatură, compoziţie, presiune.) pot influenţa semnificativ evoluţia distrugerilor din
stratul superficial.
Tabelul 1.7.
Tipuri
fundament
ale de
uzură
Procese specifice Natura proceselor
predominante
Adeziune
(fig. 1.9a)
- transfer de material
- adeziune moderată
- adeziune severă: - gripare
incipientă
- gripare totală
procese mecanice,
schimbări de fază în
stare solidă,
modificări de
concentraţii şi de
structură ale straturilor
superficiale, procese
termice
Abraziune
(fig. 1.9b)
- microaşchiere
- rizare prin deformare
- eroziune abrazivă
- brăzdare
- zgâriere
Oboseală
(fig. 1.9c)
- oboseală mecanică
- pitting incipient
- pitting distructiv (avansat)
- exfoliere de oboseală (spalling)
- oboseală termo-mecanică
- cavitaţie
procese mecanice
procese mecano-
termice
Coroziune
(fig.
2.20d)
- coroziune chimică (inclusiv
oxidare)
procese chimice
- coroziune galvanică procese
electrochimice
- coroziune biochimică procese mecanice,
chimice, termice
- tribocoroziune şi coroziune
fretting
- coroziune de impact
Fig.1.9Tipuri fundamerntale de
uzură.
a) adeziune
b) abraziune
c) oboseală
d) coroziune (v=0, şi FN=0); tribocoroziune (v0,
şi FN0); a - mărimea contactului, b - grosimea
straturilor superficiale cu modificări cauzate de
coroziune sau tribocoroziune.
Chiar şi această clasificare a proceselor de distrugere trebuie abordată cu atenţie
pentru că există forme particulare de uzură care pot fi rezultatul suprapunerii unui pachet de
acţiuni, aşa cum este cazul uzurii tip fretting, această degradare putând fi rezultatul oboselii
materialului din stratul superficial sub acţiunea deplasărilor cu amplitudine mică, dar şi
rezultatul unui mediu deosebit de activ chimic. În funcţie de procesul dominant (mecanic sau
chimic), fretting-ul ar putea fi inclus în a treia sau a patra linie principală a tabelului 1.9.
Uzura de adeziune
Această formă de uzură este cauzată de micro-suduri care apar la contactul sub sarcină, dintre două solide în mişcare relativă, producând transferul sau pierderea de material de pe straturile superficiale. Se caracterizează prin viteze mari de uzură şi instabilitatea comportării tribologice (uzură neuniformă, coeficient de frecare instabil). În plus, frecarea intensă a suprafeţelor generează un câmp termic ridicat, care accelerează procesul. Aspectele particulare sunt date de tipul materialelor în contact şi de structura straturilor superficiale.
Duritatea materialelor
Duritatea este una dintre proprietăţile mecano-tehnologice ale unui material. În
tehnică, duritatea se defineşte ca fiind rezistenţa opusă de un material la pătrunderea
mecanică din exterior a unui alt corp, mai dur (numit penetrator, în cazul încercărilor pentru
determinarea durităţii materialelor). În funcţie de modul de exercitare a forţei asupra
penetratorului, metodele de laborator pot fi:
- metode statice (viteze de acţionare mai mici decât 1 mm/s), cele mai cunoscute şi
utilizate metode statice sunt:
metodele Brinell,
metodele Vickers,
metodele Rockwell,
metodele Knoop.
metode dinamice (viteze de acţionare mari, cădere liberă, lovire), metodele dinamice
se clasifică după modul de evaluare a durităţii:
metode dinamico-plastice, la care se măsoară amprentele – metodele
Baumann-Steinrück, Poldi;
metode dinamico-elastice, la care se măsoară înălţimea, unghiul de ricoşare –
metodele Shore, Reindl, Nieberding. Tabelul 1.8. Metode de determinare a durităţii.
Metoda
Penetrator
formă /
material
Forma amprentei
vedere laterală vedere de
sus
Brinell
bilă / oţel
Vickers diamant /
piramidă
Knoop diamant /
piramidă
Rockwell
con / diamant
sferă / oţel
Regimuri de lubrifiere
Regimul de funcţionare al unui contact sub sarcină şi cu mişcare relativă, cu alte
cuvinte al unui tribosistem, poate fi (fig.2.0):
- regim uscat (a);
- regim limită (b);
- regim mixt (c),;
- regim cu frecare fluidă (sau cu peliculă totală de fluid) (d).
a) b)
c) d)
Fig.2.0. Regimuri de lubrifiere.
Regimul mixt apare când pelicula fluidă este doar parţială pe zona întregului contact,
existând deci, şi un contact uscat (sau direct).
Lubrifierea fluidă se caracterizează prin prezenţa unei pelicule fluide (gaz sau lichid)
între corpuri, astfel încât aceasta separă complet cele două triboelemente, reducând
considerabil frecarea şi uzura, până la unul sau două ordine de mărime, comparativ cu
rezultatele obţinute cu aceleaşi triboelemente şi parametri de lucru, dar în contact direct.
Regimul de lubrifiere este determinat de mecanismul specific de formare a peliculei.
Astfel, acesta poate fi:
- regim limită;
- regim hidrostatic (HS);
- regim hidrodinamic (HD), cu variantele gazodinamic, termohidrodinamic;
- regim elastohidrodinamic (EHD), cu variantele termoelastohidrodinamic (TEHD),
magnetoelastohidrodinamic.
Indiferent de mecanismul de formare al peliculei, specialiştii sunt interesaţi de două
grupe mari de parametri care caracterizează contactul lubrifiat:
parametrii de portanţă, incluzând:
- capacitatea portantă a peliculei fluide;
- distribuţia de presiuni, cu două valori importante, presiunea maximă şi medie;
- stabilitatea câmpului de presiuni;
- grosimea minimă a peliculei;
parametrii tribologici, cuprinzând:
- forţa sau momentul de frecare, implicit coeficientul de frecare, ambele având
implicaţii asupra randamentului sistemului tehnic;
- câmpul termic generat prin frecare (cu temperatura maximă şi cea medie);
- uzura prin mecanisme specifice contactului lubrifiat, inclusiv aspectele de iniţiere şi
încetare a regimului cu peliculă fluidă.
Pe durata funcţionării, un tribosistem real poate fi caracterizat prin unul sau mai
multe regimuri. Astfel, la pornirea unui tribosistem, se poate considera un regim foarte scurt
de frecare uscată, apoi un regim limită şi/sau mixt, ajungând la un regim cu peliculă portantă.
Oprirea funcţionării face ca pelicula de fluid să se distrugă şi se parcurge în sens invers
trecerea prin regimurile enumerate mai sus. Orice modificare a parametrilor de comandă ai
unui tribosistem (sarcină, viteză) dar şi a parametrilor de mediu (temperatură, vibraţii
exterioare sistemului, contami-nare mecanică sau chimică) poate determina trecerea de la un
regim la altul, de cele mai multe ori în sensul nedorit de utilizator. De exemplu, o
suprasarcină poate rupe total sau parţial pelicula fluidă, tribosistemul trece rapid printr-un
regim mixt, apar forme de uzură specifice contactului uscat, geometria contactului se
modifică dramatic şi chiar dacă supra-sarcina dispare, pelicula fluidă nu se mai poate genera.
Fig.2.1. Curba Stribeck .
Aprecierea regimului de funcţionare pentru un tribosistem dat, poate fi făcută dacă se
cunoaşte curba Stribeck (fig. 5.2), adică evoluţia coeficientului de frecare cu variaţia unui
parametru de comandă. De obicei, în abscisa graficului este viteza sau sarcina dar poate fi şi
un parametru complex, nF/u , p/ , numărul lui Sommerfeld 2
n J
R
F
LDS
. Curba
Sf este determinată pentru un tribosistem cu geometrie cunoscută: lagăr radial cu raza
R şi diametrul R2D , jocul în lagăr J, şi lăţimea L, nF fiind forţa normală, - viteza
unghiulară iar - vâscozitatea dinamică a lubrifiantului.
Pe curba Stribeck pot fi distinse trei regiuni:
III – regimul uscat, caracterizat prin valori mari ale coeficientului de frecare, în
dreapta, continuând cu un regim limită;
II – regimul mixt (sau cu ungere mixtă) în care pelicula portantă se formează complet
de-abia când parametrul p/ evoluează spre punctul A, care caracterizează o valoare
minimă a coeficientului de frecare, dar de obicei funcţionarea unui tribosistem în această
zonă de minim este instabilă, pelicula având tendinţa să evolueze spre I sau III, funcţie de
variaţii mici ale vitezei, sarcinii, proprietăţilor lubrifiantului sau combinaţii ale acestora;
I – regimul cu peliculă portantă completă, la care creşterea coeficientului de frecare
este explicată prin mărimea frecărilor interne în lubrifiant. Trebuie subliniat că extrapolarea
zonei I spre dreapta cubei Stribeck este greu de făcut. Lagăre radiale, creşterea parametrului
p/ poate determina distrugerea peliculei portante, vibraţii periculoase în sistem,
distrugerea lubrifiantului din cauze termo-mecanice etc. Punctul A reprezintă începutul zonei
în care funcţionarea tribositemului este destul de bine redată de modelul hidrodinamic,
predominând influenţa calităţii lubrifiantului şi a parametrilor de lucru. Sub punctul B
predomină ca importanţă, procesele chimice şi fizice ale materialelor în contact, regimul fiind
de tip mixt sau limită. Lubrifiantul, chiar dacă există, nu are capacitatea să formeze decât
pelicule instabile şi locale. Este de dorit ca acesta să aibă capacitatea să se fixeze chimic de
straturile solide, pentru a reduce frecarea. În aceste condiţii de regim limită sau mixt de
frecare, perechea de materiale selectate poate determina o evoluţie a coeficientului de frecare
după curba BC sau BD. S-ar prefera prima variantă, pentru că cea de-a doua implică, pe lângă
pierderi energetice mari prin frecare, şi o deteriorare rapidă a suprafeţelor prin procese severe
de uzare (gripare, exfoliere, adeziune, scuffing etc.)
Dacă se cunosc parametrii topografiei suprafeţei şi mărimea grosimii minime a
peliculei lubrifiante, regimul de lubrifiere se poate aprecia cu ajutorul parametrului ,
22q
21q
min
RR
h
(1.7)
în care minh este grosimea minimă a peliculei lubrifiante, 22q
21qq RRR este un parametru
al rugozităţii echivalente a suprafeţelor.
- pentru 0 se obţine regimul uscat.
- regimul mixt sau cel limită se caracterizează prin 3...8,0
Parametrul se poate modifica din mai multe cauze:
- schimbarea profilelor suprafeţelor,
- modificarea calităţii lubrifiantului (prin variaţia vâscozităţii dar şi prin degradarea
termo-mecanică a fluidului).
Regimul limită de lubrifiere (boundary lubrication)
În cazul lubrifierii limită, solidele în mişcare relativă sunt separate doar de straturi
subţiri de lubrifiant, aproape monomoleculare, care rămân ancorate pe stra-turile superficiale
ale corpurilor solide printr-un complex de procese fizico-chimice, incluzând adsorbţie,
chemisorbţie, orientare polară şi tensiune superficială.
Lubrifierea limită este întâlnită în tribosisteme cu mişcare lentă şi sarcină mare sau în
tribosisteme fără furnizare abundentă de lubrifiant (de exemplu, la ungere în ceaţă de ulei,
prin picurare etc.).
Regimul limită este relativ instabil: orice variaţie a vitezei, sarcinii sau a ambelor,
putând duce fie la distrugerea acestor straturi fine şi apariţia contactului direct, fie la formarea
unei pelicule portante. În plus, în timp, moleculele care formează aceste straturi pot fi distruse
mecanic (rupte) sau chimic (reacţii de descompunere, oxidare, îmbătrânire etc.) sau pot fi
eliminate din contact o dată cu lubrifiantul care le antrenează, fără a mai putea reveni în
această zonă.
Mecanismele de formare a straturilor specifice lubrifierii limită sunt:
Lubrifierea limită generată datorită onctuozităţii lubrifiantului sau aditivilor se
bazează pe orientarea polară a moleculelor.
Lubrifierea limită cu straturi obţinute prin chemisorbţie se obţine prin formarea
de produşi de reacţie pe straturile corpurilor rigide.
Lubrifierea limită cu straturi obţinute prin reacţie termo-chimică este
recomandată pentru contacte caracterizate prin câmp termic superficial ridicat.
Regimul mixt
Acest tip de regim este caracteristic tribosistemelor cu porniri şi opriri repetate, la
cutii de viteze, la schimbarea vitezelor, la ghidajele cu rostogolire, cu viteze mici. De fapt,
aproape orice tribosistem trece printr-un astfel de regim, cel puţin la pornire şi oprire,
excepţie făcând de exemplu, lagărele magneto-hidrodinamice sau ghidajele hidrostatice.
În regim mixt, forţa de frecare are două componente:
FFF asf (1.8)
asF este forţa de frecare generată de contactul direct dintre asperităţi şi F este forţa de
frecare generată în pelicula parţială de lubrifiant. Se consideră că forţa normală aplicată în
contact ( nF ) se distribuie o parte pe zonele cu contact direct ( asnF ) şi cealaltă pe pelicula
parţială de fluid ( nF ):
nasnn FFF (1.9)
Pe baza relaţiei (1.8), forţele de frecare din tribositem se pot scrie:
fas FF şi fF1F (2.0)
Valoarea coeficientului este greu de estimat deoarece regimul mixt nu este foarte stabil,
oscilând într-un interval destul de larg.
Dacă se consideră coeficienţii de frecare ai fiecărei componente ca fiind constanţi,
coeficientul de frecare al regimului mixt se scrie:
1F
F
F
F
F
Fas
nn
as
n
f (2.1)
în care as este coeficientul de frecare caracteristic contactului uscat dintre corpuri iar
este coeficientul de frecare caracteristic regimului fluid de lucru. În realitate, din cauza
efectului de răcire al lubrifiantului în jurul asperităţilor în contact, valoarea reală a
componentei as este mai redusă decât în cazul contactului complet uscat (fără lubrifiant).
De multe ori se consideră ca fiind raportul între aria reală de contact direct între asperităţi şi
aria nominală (geometrică) de contact. Moore consideră că relaţia (2.1) se poate aplica atât
lubrifierii limită cât şi celei mixte, pentru că ambele implică zone de contact direct şi zone în
care se interpune lubrifiantul. Idendificarea valorilor pentru şi coeficienţii de frecare as şi
depinde de mulţi factori: calitatea suprafeţelor, proprietăţile fluidului dar şi procesele
specifice de adsorbţie sau chemisorbţie pe suprafeţele solide, de procesul de frecare a
solidelor în prezenţa sau în absenţa fluidului etc.
Lubrifierea fluidă
Generarea peliculei lubrifiante se poate face prin două
mecanisme distincte:
- hidrostatic;
- hidrodinamic.
Tabelul 1.9 prezintă sintetic regimurile de ungere cu peliculă fluidă şi câteva din cele
mai importante particularităţi ale fiecăruia.
Tabelul 1.9. Lubrifierea cu peliculă fluidă
Lubrifiere hidrodinamică
Tipul lubrifierii Particularităţi ale modelului
hidrodinamică propriu-
zisă (HD)
- intersiţiu convergent,
- corpuri rigide,
- fluid newtonian.
prin extrudare sau
expulzare
- variaţe pe direcţie normală la supra-
feţele de contact, a grosimii peliculei;
poate fi o componentă a mecanismu-
lui de producere sau distrugere a
peliculei în cazul suprapunerii
vibraţiilor peste o mişcare principală
a sistemului.
termohidrodinamică
capacitatea portantă a peliculei
depinde de formarea unei “pene”
termice, care să modifice avantajos
vâscozitatea lubrifiantului.
elastohidrodinamică
(EHD)
cu varianta
termoelasto-
hidrodinamică (TEHD)
- corpuri deformabile elastic,
- lubrifiant cu vâscozitate depen-
dentă de presiune,
- varianta TEHD ţine seama şi de
dependenţa vâscozităţii de tempe-
ratură şi de generarea şi disiparea
căldurii în lubrifiant, la interfeţe şi în
corpurile solide.
magnetohidrodinamică
- pelicula se formează din două cauze
combinate, efectul hidrodinamic al
lubrifiantului lichid şi efectul de
respingere a suprafeţelor, la situarea
lor în câmp magnetic.
magnetogazodinamică
- se deosebeşte de varianta de mai sus
prin faptul că lubrifiantul este un gaz.
Lubrifiere hidrostatică
propriu-zisă
- introducerea lubrifiantului sub
presiune suficient de mare, creată de
o pompă, pentru a separa cele două
suprafeţe.
prin forţe de inerţie
- presiunea necesară separării
suprafeţelor se creează din cauza
forţelor centrifuge ce iau naştere în
lubrifiant.
Clasificarea regimurilor de lubrifiere
- regimul rigid-izovâscos: se caracterizează prin presiuni mici în pelicula de fluid,
care nu produc modificări importante ale vâscozităţii şi nici deformaţii elastice care să
afecteze distribuţia de presiuni; acest model, în care vâscozitatea fluidului este constantă iar
corpurile perfect rigide, corespunde regimului hidrodinamic;
- regimul rigid-piezovâscos: deformaţiile elastice sunt neglijabile dar modelul ia în
considerare dependenţa vâscozităţii de presiune; în practică acesta s-ar putea aplica în cazul
corpurilor relativ dure (oţel durificat, ceramice) şi a unui lubrifiant cu vâscozitatea
dependentă de presiune, iar regimul ar fi caracterizat prin viteze mari şi sarcini relativ mici;
- regimul elastic-izovâscos: se neglijează dependenţa vâscozităţii cu presiunea dar
deformaţiile elastice ale corpurilor solide nu sunt neglijabile; o aplicaţie care s-ar putea
modela astfel este lagărul cu cuzinet din materiale elastice (mase plastice sau elastomeri),
lubrifiat cu apă sau alte fluide a căror variaţie a vâscozităţii cu presiunea se poate neglija;
- regimul EHD complet sau elastic-piezovâscos: modelul asociat acestui regim ia în
considerare atât modificarea vâscozităţii cu presiunea dar şi deformarea elastică a corpurilor
solide, separate de pelicula portantă.
Pentru a evidenţia cele patru tipuri de regimuri de lubrifiere, s-au trasat diagrame sau
hărţi, pe baza unor parametri adimensionali:
parametrul vâscozităţii: U
GFg
/ 23
(2.2)
parametrul filmului: minH HU
Fg (2.3)
parametrul elasticităţii contactului lubrifiat: U
FgE (2.4)
în care, pentru contactul liniar, notaţiile au următoarele semnificaţii:
eech
21o
RE2
UUU
viteza adimensională, (2.5)
e
minmin
R
hH grosimea minimă adimensională, (2.6)
BRE
FF
eech
n
forţa adimensională, (2.7)
echEG parametrul de material al contactlui lubrifiat (2.8)
Unde:
o este vâscozitatea lubrifiantului la intrarea în contact (de obicei echivalată cu cea pentru
presiune normală),
2/UU 21 este viteza medie a corpurilor solide,
minh este grosimea minimă a peliculei,
eR este raza redusă de curbură a contactului,
echE este modulul de elasticitate echivalent pentru perechea de materiale ale
triboelementelor,
B - lungimea contactului liniar,
nF - forţa normală în contact.
Pe baza parametrilor din relaţiile (2.2…2.4), dependenţa grosimii adimensionale a
peliculei se poate scrie sub forma generală: mn
EH ggZg (2.9)
în care Z, m şi n sunt diferiţi pentru fiecare tip de regim şi de contact (liniar sau punctiform).
Valorile acestor constante sunt date în tabelul 5.3 pentru contact liniar, iar figura 2.2 prezintă
hărţi ale regimurilor de ungere: a) – pentru contactul liniar, b) – pentru contactul punctiform
circular.
a) Regimuri de lubrifiere pentru contact liniar.
b) Regimuri de lubrifiere pentru contact punctiform .
Fig.2.2.
Tabelul 2.0.
Regimul Z m n
rigid izovâscos
rigid
piezovâscos
elastic
izovâscos
EHD complet
4,9
1,0
5
3,1
2,6
5
0
0,66
7
0
0,54
0
0
0,8
0,0
6