notiuni tribologice

27
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.

Upload: raduku78

Post on 15-Feb-2015

206 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: notiuni tribologice

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.

Page 2: notiuni tribologice

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.

Page 3: notiuni 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

Page 4: notiuni tribologice

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)

Page 5: notiuni tribologice

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.

Page 6: notiuni tribologice

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.

Page 7: notiuni tribologice

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.

Page 8: notiuni tribologice

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.

Page 9: notiuni tribologice

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.

Page 10: notiuni tribologice

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

Page 11: notiuni tribologice

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.

Page 12: notiuni tribologice

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 .

Page 13: notiuni tribologice

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).

Page 14: notiuni tribologice

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)

Page 15: notiuni tribologice

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.

Page 16: notiuni tribologice

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].

Page 17: notiuni tribologice

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

Page 18: notiuni tribologice

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

Page 19: notiuni tribologice

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.

Page 20: notiuni tribologice

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

Page 21: notiuni tribologice

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;

Page 22: notiuni tribologice

- 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,

Page 23: notiuni tribologice

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.

Page 24: notiuni tribologice

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.

Page 25: notiuni tribologice

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.

Page 26: notiuni tribologice

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.

Page 27: notiuni tribologice

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