BIOTRIBOLOGIA WYKŁAD 2

Transkrypt

1 BIOTRIBOLOGIA WYKŁAD 2 PROCESY TARCIA 1 TARCIE TARCIE opór ruchu podczas ślizgania lub toczenia całość zjawisk fizycznych towarzyszących przemieszczaniu się względem siebie dwóch ciał fizycznych. SIŁA TARCIA (F T ) Siła styczna, która działa w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu 2 1

2 Podstawowe rodzaje tarcia TARCIE SUCHE ( tarcie "Coulombowskie"), występuje gdy między współpracującymi (przemieszczającymi się) powierzchniami nie ma żadnych ciał obcych, np.: środka smarnego lub wody TARCIE PŁYNNE, występuje gdy między współpracującymi (przemieszczającymi się) powierzchniami występuje środek smarujący (ciecz lub gaz), który je rozdziela i uniemożliwia ich bezpośredni styk 3 Kryteria podziału tarcia Rodzaj ruchu Stan ruchu ślizganie statyczne Tarcie toczenie kinetyczne Miejsce zewnętrzne wewnętrzne Materiał ciała stałe w ciele stałym w cieczy Styk suche płynne graniczne mieszane 4 2

3 Tarcie nie jest własnością materiału, tarcie jest odpowiedzią układu ciał (!) 5 Jakościowe przedziały tarcia Niewielkie tarcie toczenie, styk sprężysty ciał stałych i tarcie płynne. Tarcie średnie pomiędzy materiałami umiarkowanie twardymi o niezbyt czystych powierzchniach. Wysokie tarcie występuje zwykle pomiędzy miękkimi metalami o czystych powierzchniach 6 3

4 Para trąca Współczynnik tarcia µ = F t /F N s = tarcie statyczne k = tarcie kinetyczne stal / stal stal / stal z dod. smaru metal / lód Okładzina cierna / żeliwo opona / nawierzchnia drogi (0.8) 0.8 (0.7) Naturalne stawy 0,01 0,001-0,03 7 TARCIE ŚLIZGOWE Oddziaływania między mikronierównościami 8 4

5 Podstawowe reguły tarcia ( Amontons-Coulomb ) I. Podczas ruchu dwóch stykających się ciał, siła tarcia F t zawsze działa w kierunku przeciwnym do wektora względnej prędkości. F A F t F N mg ma F t F N Ft tan F N 9 II. Siła tarcia jest niezależna od nominalnej powierzchni styku. III. Siła tarcia kinetycznego nie zależy od prędkości ślizgania po rozpoczęciu ruchu. F N v 1 F N v 2 F 2 mg F 1 F f 1 F f 2 mg 10 5

6 Podstawowe reguły tarcia zostały określone empirycznie Współczynnik tarcia w funkcji siły normalnej (obciążenia) 11 Współczynnik tarcia suchego drewna po stali ( µ=const ) potwierdza drugą regułę tarcia Amontons a 12 6

7 Trzecia reguła tarcia (tarcie nie zależy od prędkości ślizgania) nie jest zwykle prawdziwa 13 Podsumowanie Pierwsze dwie reguły dotyczą tylko kilku procent przypadków tarcia Większość materiałów par trących wykazuje zależność współczynnika tarcia od siły normalnej (obciążenia), prędkości ślizgania i nominalnej powierzchni styku. 14 7

8 PODSTAWOWE MECHANIZMY TARCIA SUCHEGO Model Coulomba Mechaniczne oddziaływania wierzchołków mikronierówności stykających się powierzchni 15 PODSTAWOWE MECHANIZMY TARCIA SUCHEGO Bowden i Tabor, dodatkowe oddziaływania adhezyjne na rzeczywistej powierzchni styku (na styku wierzchołków mikronierówności) F f = F a + F d lub współczynnik tarcia µ = µ a + µ d 16 8

9 GŁÓWNE PROCESY TARCIA I. sprężyste odkształcenia mikronierówności, II. plastyczne odkształcenia mikronierówności III. bruzdowanie, IV. ścinanie połączeń adhezyjnych 17 Całkowita makroskopowa siła tarcia F t (Kragielski): gdzie F 1 : F 2 : F 3 : F 4 : F F2 F3 F t 1 F4 opory wynikające z odkształceń sprężystych materiału opory wynikające z odkształceń plastycznych opory pochodzące z ścinania (bruzdowania) materiału opory pochodzące z ścinania połączeń adhezyjnych 18 9

10 SKŁADOWA ODKSZTAŁCENIOWA TARCIA Rodzaje oddziaływań: Plastyczne odkształcenia i przemieszczenie zazębiających się mikronierówności powierzchni wierzchołki mikronierówności twardszego materiału powodują bruzdowanie (rowki) drugiej powierzchni Podczas ruchu względnego pomiędzy wierzchołkami mikronierównościami zawsze występują oddziaływania mechaniczne i adhezja. 19 BRUZDOWANIE Bruzdowanie nie tylko zwiększa siłę tarcia ale również przyczynia się do tworzenia produktów zużycia, które z kolei również zwiększają tarcie i zużycie. Opory tarcia (współczynnik tarcia) Siła normalna F N = A r p yn Opór tarcia F T = A g p yt dla izotropowych materiałów sprężysto-plastycznych (p yn = p yt ) d F F T N A A g r 20 10

11 Opory tarcia dla skojarzeń metalicznych i ceramicznych siła niezbędna do bruzdowania, mikroskrawania i tworzenia mikropęknięć powierzchni Siła ta jest dominująca w stosunku do składowej adhezyjnej. Dominującym mechanizmem rozpraszania energii w metalach są odkształcenia plastyczne. 21 Materiały lepkosprężyste (polimery, elastomery itp.) Składowa odkształceniowa tarcia (histereza) (w tzw. granicach sprężystości). Podczas ślizgania materiał jest początkowo ściskany a następnie po przemieszczeniu punktu styku (mikronierówności) nacisk zanika Energia rozpraszana w wyniku tarcia wewnętrznego (histereza) F N 22 11

12 SKŁADOWA ADHEZYJNA TARCIA Siła tarcia jest potrzebna do ścinania najsłabszych połączeń (płaszczyzn) w obszarze rzeczywistego styku. F T A s r s naprężenia tnące w połączeniach F a F T N s p y dla styku sprężystego 3.2 s a E R 1/ 2 * p / p dla styku plastycznego µ a s H 23 TARCIE ZALEŻNE OD STANU RUCHU F s Siła tarcia statycznego Wartość siły niezbędnej do wprawienia ciała w ruch (oprócz sił wynikających z bezwładności) F k Siła tarcia kinetycznego Wartość siły niezbędnej do utrzymania w ruchu ciała ze stałą prędkością. Ref

13 Tarcie statyczne, F s Siłą styczna wymagana do rozpoczęcia ruchu, F static (or F s ) Tarcie statyczne przeciwdziała przemieszczeniu ciała F s µ s F n Współczynnik tarcia statycznego może zmieniać się wraz z długością czasu postoju Powierzchnia soli krystalicznej w powietrzu Stal / stal w powietrzu 26 13

14 Pomiar współczynnika tarcia statycznego 27 Tarcie kinetyczne, F k Tarcie kinetyczne występuje podczas ruchu obiektu (ciała) F k = µ k F N Zwykle niewielka zmiana współczynnika tarcia w funkcji prędkości Zwykle µ s >= µ k (tarcie kinetyczne) 14

15 F Podsumowanie Początek poślizgu (F max = s F N ) F max F < F max (= k F N ) µ kinet < µ stat Tarcie statyczne Tarcie kinetyczne czas 29 Zjawisko "STICK-SLIP" Siła tarcia lub prędkość ślizgania The friction force or sliding velocity nie jest stała w czasie (odległości) i przejawia formę oscylacji czas 30 15

16 Przyczyna pojawienie się zjawiska stick-slip Współczynnik tarcia statycznego jest znacznie większy niż współczynnik tarcia kinetycznego. Stick-slip zazwyczaj powoduje drgania, Dźwięk słyszalny (pisk) (~ khz) Drgania mechaniczne w układzie tarcia (< 0.6 khz) Zjawisko stick-slip może być odpowiedzialne za Piski i drgania w łożyskach, Drgania hamulców, Drgania wycieraczek szyb samochodowych, Trzęsienia ziemi, Niedokładnościach w obróbce i pozycjonowaniu maszyn, Źródłem dźwięku w muzyce. 31 Metody zapobiegania bądź minimalizacji zjawiska stick-slip Projektowanie układu mechanicznego, tak aby amplituda drgań była mała. Wybór materiałów par trących tak aby różnica pomiędzy µ s i µ k była mała, Wybór materiałów par trących, dla których µ k rośnie w funkcji prędkości ślizgania V można to uzyskać przy pomocy odpowiednich środków smarujących

17 TARCIE TOCZNE Tarcie toczne jest oporem ruchu, który ma miejsce podczas toczenia jednej powierzchni po drugiej. Dla materiałów twardych współczynnik tarcia tocznego pomiędzy walcem lub kulą a powierzchnią płaską zwykle zawiera się w przedziale 5x10-3 to (dla tarcia ślizgowego współczynnik tarcia zwykle wynosi powyżej 0.1 a czasami powyżej 1). 33 Siła tarcia F f, jest niezbędna aby wytworzyć moment obrotowy, który umożliwi obrót koła z prędkością kątową w. w 34 17

18 Zarówno koło jak i podłoże będą ulegały odkształceniu zgodnie z ich charakterystyką sprężystości. F w V=R w Sztywna kula lub walec będą odkształcać elastyczne podłoże. Wymaga to energii. 35 Wszystkie materiały pochłaniają energię, gdy są cyklicznie odkształcane w zakresie sprężystym. od 0.5 do ~4% dla materiałów ceramicznych i metali ok. 20% w przypadku gumy. Główne przyczyny oporów toczenia efekt mikropoślizgu histereza odkształceń sprężystych odkształcenia plastyczne zjawisko adhezji 36 18

19 Zjawisko mikropoślizgu Nierówne przemieszczenia stykających się powierzchni prowadzą do poślizgu międzyfazowego Punkty na powierzchni styku leżą w różnej odległości od osi obrotu. Dlatego na stycznych trajektoriach ruchu występują efekty mikropoślizgu Podczas toczenia obszar adhezji występuje w sąsiedztwie górnej krawędzi styku powierzchni. W przeciwieństwie do problemu statycznego, gdy obszar adhezji jest umieszczony centralnie. Mikropoślizgi przyczyniają się tylko w niewielkim stopniu do tarcia tocznego 37 Histereza odkształceń sprężystych Opory toczenia powstają ze względu na straty histerezy sprężystego materiału bieżni Do spowodowania odkształcenia sprężystego potrzebna jest pewna ilość energii

20 Histereza odkształceń sprężystych Straty energii wynikające z histerezy odkształceń są powiązane z własnościami relaksacyjnymi i tłumiącymi materiałów. Straty te są większe dla materiałów lepkosprężystych (polimery) niż dla metali. Dla małych prędkości obrotowych straty te będą niewielkie. 39 ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNE W obszarze styku tocznego nacisk jednostkowy może przekroczyć granicę plastyczności Dla odkształceń plastycznych podczas toczenia kuli po płaszczyźnie wzór empiryczny F T FN r 2/

21 ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNE - przy powtarzającym się cyklu toczenia Pierwszy cykl styku materiał ściskany plastyczne Kolejne cykle umocnienie materiału 41 WPŁYW ADHEZJI W warunkach styku tocznego pomiędzy współpracującymi ciałami mogą pojawiać się siły powierzchniowe. W obszarach bez styku tocznego gdzie nie ma relatywnego ruchu stycznego powstają słabe siły adhezji (typu van der Waals a). W ogólnym przypadku składowa adhezyjna tarcia tocznego ma niewielki udział w całkowitych oporach tarcia

22 RÓWNANIA I MODELE TARCIA Przykładowe równanie współczynnika tarcia, µ = k F N a v b H c T d gdzie prędkość ślizgania, v obsiążenie (siła normalna), F N, twardość, H, temperatura, T. Równanie to zostało wyprowadzone przy niezbyt realnym założeniu, że zmienne są niezależne. 43 Tarcie przy smarowaniu Wydłużenie trwałości elementów ruchomych można uzyskać poprzez oddzielenie elementów cienką warstwą (flimu) cieczy smarującej Współczynnik tarcia może być zminimalizowany do wartości poniżej 0,

23 Rodzaje tarcia w obecności środków smarujących 45 Wykres Stribeck a Liczba Herseya (h n/p) gdzie h : lepkość smaru, n : prędkość obrotowa wału, p : nacisk jednostkowy h n/p 46 23

24 Tarcie graniczne występuje wówczas, gdy warstwa substancji smarującej pomiędzy obszarami styku trących się ciał stałych jest tak cienka zależne od stanów energetycznych powierzchni i charakterystyki sorpcyjnej substancji. Po zniszczeniu tej warstewki występuje tarcie suche. 47 Procesy tarcia Podsumowanie oddziaływania mechaniczne adhezja histereza odkształceń Rodzaje tarcia statyczne, kinetyczne, toczne zjawisko stick-slip Tarcie w obecności cieczy 48 24