Żadne zadanie nie jest szczególnie trudne, jeśli podzielisz je na mniejsze podzadania. Henry Ford

Tarcie i smary

Żadne zadanie nie jest szczególnie trudne, jeśli podzielisz je na mniejsze podzadania. Henry Ford

Tarcie, łożyskowanie i smarowanie w ujęciu historycznym

Leonardo Da Vinci był jednym z badaczy, który jako pierwszy zajmował się badaniem zjawisk tarcia w sposób systematyczny. Na dwieście lat przed Newtonem zdefiniował on pojęcie siły i wyprowadził dwa podstawowe prawa tarcia. 1. Tarcie wywołuje dwukrotne zwiększenie oporu, gdy ciężar ulegnie powiększeniu dwa razy. 2. Obszar powierzchni stykających się ma mały wpływ na tarcie.

Zauważmy, że drugie z tych praw jest sprzeczne z naszą intuicją -większość z nas zakłada że tarcie zależy od pola powierzchni styku.

v T

v T

Leonardo podczas swych badań zaobserwował, że różne materiały poruszają się z różną łatwością. Przypuszczał on, że istota zagadnienia tkwi w różnej chropowatości powierzchni ponieważ gładsze powierzchnie miały mniejsze tarcie. Leonardo Da Vinci nigdy nie opublikował swoich teorii. Jedynym potwierdzeniem ich istnienia są zbiory rycin w różnych muzeach.

Leonardo badając zjawisko tarcia zauważył jego istotny wpływ na pracę maszyn. Badał on różne postaci tarcia, rozróżniając przy tym tarcie ślizgowe i tarcie toczne. Co więcej, eksperymentował on z tarciem wiertnym i badał w jaki sposób przebieg zjawisko tarcia w zależności od natury ciał i kształtu powierzchni współpracujących. Używał przy tym różnych materiałów, smarowideł oraz rolek.

Badania Leonarda nad tarciem i wnioski z nich wypływające zostały zapomniane. Pierwsze oryginalne prace o tarciu zawdzięczamy Guillaume Amontonsowi (1663-1705). W 1699 r. w Rocznikach Francuskiej Królewskiej Akademii Nauk opublikował pracę naukową dotyczącą tarcia. W pracy tej ponownie odkrywa dwa zapomniane prawa tarcia, wyprowadzone po raz pierwszy przez Leonarda da Vinci. Guillaume Amontons 1663 1705)

Guillaume Amontons (1663-1705) do praw tarcia Leonardo Da Vinci dodał swoje oryginalne tezy. Wierzył on że tarcie jest wynikiem głównie pracy wykonanej na podnoszenie jednej powierzchni na drugiej podczas pokonywania nierówności chropowatości lub pracy wynikającej z deformacji lub zużywania drugiej powierzchni. Przez kilka stuleci naukowcy wierzyli, że tarcie jest spowodowane tylko chropowatością trących powierzchni

Charles August Coulomb (1736-1806) uzupełnił drugie prawo tarcia Leonarda (obszar powierzchni stykających się ma mały wpływ na tarcie) o następujące stwierdzenie: siła tarcia jest proporcjonalna do obciążenia, chociaż dla dużych ciał tarcie nie zawsze spełnia te prawo". Coulomb opublikował swoja prace powołując się na dorobek Amontons a. Charles Augustin Coulomb 1736 1806

Prawo Amontons a-coulomb a T = μ N Siła tarcia T zależy od: rodzaju powierzchni i jej stanu (określonej za pomocą μ), jest proporcjonalna do siły nacisku N, nie zależy natomiast od: powierzchni styku, prędkości ślizgania.

Tarcie zjawisko fizyczne, przeciwdziałające względnemu ruchowi dwóch stykających się ciał, w rezultacie którego powstają: opory tarcia, wyrażane siłami tarcia zachodzą procesy zużywania współpracujących powierzchni skojarzenia trącego. Tarcie zawsze działa przeciwnie do ruchu T v

W zależności od grubości warstwy smarnej i jej właściwości, tarcie można podzielić na : suche (technicznie suche), graniczne, płynne.

tarcie suche (technicznie suche) tarcie graniczne warstwa graniczna smaru tarcie płynne smar płynny

Tarcie suche Tarcie suche tarcie występujące w skojarzeniu trącym, gdy współpracujące powierzchnie nie są rozdzielone całkowicie lub częściowo środkiem smarnym. Tarcie suche jest opisane prawami, dla których wyjaśnienie jest ujmowane następującymi teoriami: Tomilsona tarcie jest rezultatem wzajemnego oddziaływania sił międzycząsteczkowych, jakie występują na trących się powierzchniach; Dieragina tarcie jest wynikiem pokonywania nierówności na powierzchniach trących ciał; Kragielskiego tarcie jest wynikiem odkształcania materiału (spęcznianie spotęgowane powstawaniem fal odkształceniowych) w pobliżu powierzchni; Bowdena-Tabora tarcie jest spowodowane powstawaniem i zrywaniem mikrospoin, występujących w punktach styku mikronierówności.

Klasyfikacja tarcia TARCIE ruch lokalizacja spoczynkowe kinetyczne zewnętrzne wewnętrzne ślizgowe toczne fizycznie suche technicznie suche w płynach w ciałach stałych

TARCIE ruch lokalizacja spoczynkowe kinetyczne zewnętrzne wewnętrzne ślizgowe toczne fizycznie suche technicznie suche w płynach w ciałach stałych Tarcie spoczynkowe (statyczne) tarcie występujące w skojarzeniu trącym wówczas, gdy dwa stykające się ciała są względem siebie w spoczynku. Tarcie kinetyczne (ruchowe) tarcie występujące w skojarzeniu trącym podczas względnego przemieszania się dwóch różnych ciał, jako tzw. tarcie zewnętrzne lub różnych części jednego ciała, jako tzw. tarcie wewnętrzne.

T S by floor T podłogi (kinetyczne) P nasza T podłogi P nasza T S podłogi P nasza

tarcie P nasza T S k podłogi μ s N μ k N P nasza Tarcie statyczne Tarcie kinetyczne

TARCIE ruch lokalizacja spoczynkowe kinetyczne zewnętrzne wewnętrzne ślizgowe toczne fizycznie suche technicznie suche w płynach w ciałach stałych

TARCIE ruch lokalizacja spoczynkowe kinetyczne zewnętrzne wewnętrzne ślizgowe toczne fizycznie suche technicznie suche w płynach w ciałach stałych Tarcie ślizgowe tarcie występujące w skojarzeniu trącym wówczas, gdy prędkość względna dwóch stykających się ciał jest różna od zera. Tarcie ślizgowe jest powszechnie spotykane w wielu mechanizmach maszyn: łożyskach ślizgowych, przekładniach zębatych, przekładniach pasowych, hamulcach tarciowych, niektórych typach sprzęgieł, podczas obróbki metali skrawaniem i wielu innych powszechnie znanych przypadkach.

TARCIE ruch lokalizacja spoczynkowe kinetyczne zewnętrzne wewnętrzne ślizgowe toczne fizycznie suche technicznie suche w płynach w ciałach stałych Tarcie toczne tarcie występujące w skojarzeniu trącym wówczas, gdy jedno ze stykających się ciał toczy się po powierzchni innego, a prędkość względna obu ciał w punkcie styku jest równa zero. W praktyce eksploatacyjnej tarcie toczne występuje w wielu przypadkach, np.: toczenie się kulek lub wałeczków po bieżni łożyska tocznego, ruch koła pasowego względem pasa transmisyjnego, itp.

TARCIE ruch lokalizacja spoczynkowe kinetyczne zewnętrzne wewnętrzne ślizgowe toczne fizycznie suche technicznie suche w płynach w ciałach stałych Ze względu na lokalizację wyróżnia się tarcie: zewnętrzne wewnętrzne. Tarcie wewnętrzne przeciwdziała odkształceniom materiału, jest przyczyną tzw. histerezy sprężystej, zmęczenia materiałów, tłumienia drgań, itp.

Współczynnik tarcia kąt t tarcia Tarcie jest charakteryzowane parametrem zwanym współczynnikiem tarcia μ. Współczynnik tarcia (µ) liczba bezwymiarowa, określana jako stosunek wartości siły tarcia T do wartości siły normalnej N do powierzchni, wyrażana zależnością: μ = T N Wyróżnia się współczynnik tarcia spoczynkowego µ s, gdy stykające się powierzchnie mają wzajemną prędkość v = 0 oraz współczynnik tarcia kinetycznego µ k, gdy ta prędkość jest różna od zera.

ρ gr

Klocek w równowadze T ρ -kąt tarcia P x x ρ ρ P P y y

Warunek równowago klocka P x T = 0 Z trójkąta prostokątnego wynika: T ρ -kąt tarcia P x x ρ ρ P P y y Px sinρ = Px = P sinρ P oraz Py cosρ = Py = P cosρ P

Siła tarcia T = P x T = P = P sinρ x Siła nacisku N N = P = P y cosρ ρ -kąt tarcia x ρ P x ρ P T N P y y Wiemy, że: T = μ N po przekształceniu i podstawieniu: T P sin ρ μ = = = tg ρ N P cos ρ

Ostatecznie: μ = tgρ Współczynnik tarcia μ jest równy tangensowi kąta tarcia ρ ρ gr

poślizg bloku w wyniku działania dynamicznych obciążeń poprzecznych

Zagadnienie było rozpatrywane jako zjawisko statyczne ρ γ brak dynamicznych obciążeń poprzecznych poślizg bloku w wyniku działania dynamicznych obciążeń poprzecznych γ<<ρ

Hipoteza tarcia suchego Bowdena Tabora F. P. Bowden D. Tabor Hipoteza tarcia suchego Bowdena Tabora: znalazła częściowe potwierdzenie w szczególności dla metali uzasadnia korzyści płynące z zastosowania z tzw. panewki wielowarstwowej

Najbardziej gładkie powierzchnie rzeczywistych części maszyn nie są nigdy idealnie gładkie. Chropowatość powierzchni w porównaniu z wielkościami drobin jest znacznie większa od 0,1μm. powierzchnia szlifowana powierzchnia szlifowana i lekko polerowana powierzchnia szlifowana i lekko dogładzana dotarta

N b h Powierzchnia nominalna F nom styku: F nom = b h

Styk dwóch ciał odbywa się jedynie na drobnej części nominalnej powierzchni. rzeczywista powierzchnia F rzecz styku dwóch ciał F << F rzecz nom

Rzeczywistą powierzchnię styku tworzą plastycznie i sprężyście odkształcone wierzchołki chropowatości tych ciał. N wierzchołki odkształcone plastycznie wierzchołki odkształcone sprężyście

Względna wartość rzeczywistej powierzchni F rzecz jest niezależna od nominalnej F nom i rośnie proporcjonalnie do obciążenia N. W zależności od rodzaju ciał i obciążenia wynosi od 0,01 0,00001 powierzchni nominalnej. rzecz ( 0, 01, ) F nom F = 0 00001

Wskutek tego już przy znikomych obciążeniach lokalne naciski w miejscach styków osiągają wartość setek MPa, przekraczając granice plastyczności miększego z materiałów pary ciernej. W wyniku odkształceń plastycznych wierzchołków następuję zbliżanie się skojarzonych powierzchni. Zjawisku temu towarzyszy poślizg i wydzielanie ciepła.

Temperatura tego zjawiska jest na tyle duża ze następuję zespawanie stykających się wierzchołków chropowatości. zespawane wierzchołki chropowatości

W trakcie ruchu stycznego spoiny te muszą ulec ścięciu. T Wg Bowdena-Tabora właśnie siła ścinająca zespawane wierzchołki chropowatości jest siłą pokonującą tarcie.

Z hipotezy Bowdena Tabora wynika, że siła tarcia T jest równa sile P ścinającej zespawane wierzchołki chropowatości. Wartość siły tarcia T można wyznaczyć z warunku wytrzymałościowego ma ścinanie: τ = P F = T F rzecz = R t T = F rzecz R t F rzecz rzeczywista powierzchnia styku, R t graniczna wytrzymałość materiału na ścinanie

Rzeczywista powierzchnia zetknięcia powstaje na skutek plastycznych odkształceń chropowatości obciążenie N można zrównoważyć wypadkową z nacisków p e które odpowiadają granicy plastyczności materiałów R e N naciski p e odpowiadające granicy plastyczności R e Wówczas naciski jednostkowe p wyniosą: N p = F = pe rzecz rzecz N = p e F

Podstawiając zależności: T = oraz rzecz F rzecz R t N = p e F do wzoru na współczynnik tarcia μ uzyskuje się: μ = T N = R p t e F F rzecz rzecz Czyli ostatecznie: μ = R p t e

Mały współczynnik tarcia μ uzyskuje się dla materiału, który posiada małą wytrzymałość na ścinanie (R t ) a dużą twardość czyli dużą wytrzymałość na naciski powierzchniowe (p e ). μ = R p t e Taki materiał w przyrodzie nie istnieje!!!. Można go stworzyć sztucznie, tworząc tzw. panewkę wielowarstwową.

Zasada tworzenia panewki wielowarstwowej twardy metal twardy metal warstewka miękkiego metalu twardy metal R t miękki metal dla miękkiego metalu R t oraz p e μ = R p t = e const μ = twardy metal dla twardego metalu R t oraz p e R p t = e const dla twardego metalu p e dla warstewki miękkiego metalu: R t R p t e p e p e twardy metal = μ

W technice spotyka się takie materiały np. w łożyskowych panewkach wielowarstwowych. W panewkach wielowarstwowych powierzchnię ślizgową tworzą: twarde podłoże stal, brąz lub mosiądz, cienką warstewkę miękką ołów, ind, babbit, itp. twarde podłoże cienka warstewka miękka

TARCIE GRANICZNE Powierzchnie zbudowane wyłącznie z drobin czystych w technice nie występują. Pokryte są one zawsze warstewkami tlenków i par o grubości kilku drobin. Współczynnik tarcia technicznie suchego, w zależności od natury ciał, wynosi μ =0,04 1,0. Podczas tarcia suchego występują nie tylko straty energetyczne ale również niepożądany ubytek materiału na powierzchniach zwany zużyciem.

Wprowadzenie na powierzchni pary ciernej ciała trzeciego tzw. smaru, charakteryzującego się dużą adhezją do powierzchni (siłami przyczepności) do tych powierzchni i znikomą wytrzymałością na ścinanie znacznie zmniejsza tarcie i zużycie.

Tarcie graniczne występuje wówczas, gdy warstwa substancji smarującej pomiędzy obszarami styku trących się ciał stałych jest tak cienka (tzw. warstwa graniczna o grubości ok. 0,5 µm, że substancja ta przejawia specyficzne własności, zależne od stanów energetycznych powierzchni i charakterystyki sorpcyjnej substancji. Po zniszczeniu tej warstewki występuje tarcie suche. tarcie graniczne warstwa graniczna smaru

Tarcie graniczne nawet w przypadku stosowania najlepszych smarów zawsze jest związane ze zużyciem.

Dlatego też należy dążyć do oddzielenia warstewek granicznych grubą warstwą drobin smarowych i zrównoważeniem smaru, czyli do osiągnięcia tarcia płynnego, przy którym nie zachodzi metaliczny styk i zużycie. tarcie płynne smar płynny

100 kg 1 000 kg 10 000 kg 100 000 kg

Równoczesne występowanie tarcia suchego, granicznego i płynnego nazywa się tarciem mieszanym. obszar kontaktu kontakt metaliczny warstwa graniczna smaru tlenki

Zależność współczynnika μ tarcia od lepkości smaru η; prędkości poślizgu v oraz obciążenia P μ smarowanie graniczne smarowanie mieszane 0,1 smarowanie hydrodynamiczne 0,01 0,001 f(η,v,1/p)

SMARY Substancją, która jest wprowadzana do skojarzenia trącego w celu zmniejszenia tarcia i przeciwdziałania zacieraniu, jest środek smarny często nazywany smarem. Środek smarny, smar substancja wprowadzona pomiędzy dwie współpracujące powierzchnie skojarzenia trącego, w celu zmniejszenia oporów tarcia.

Smar spełnia dużą rolę w przenoszeniu obciążenia zmniejszając tarcie i zużycie. Smar może spełniać inne zadania, np. rolę czynnika: chłodzącego, uszczelniającego. Z tego powodu smary należy traktować jak każde inne tworzywo konstrukcyjne.

Smarami mogą być: substancje stałe: granulowany grafit, disiarczek molibdenu, teflon, azotek boru itp., a także niektóre metale (np. miedź, złoto). substancje o konsystencji żelu, np. smary plastyczne, ciecze: oleje smarne, emulsje chłodząco-smarujące, gazy.

Smary plastyczne o konsystencji żelu ułatwiają uszczelnianie smarowanych elementów.

Parametrami charakteryzującymi własności smarów plastycznych o konsystencji żelu są m.in.: penetracja, temperatura kroplenia (punkt kroplenia), smarność (obciążenie zespawania), wydzielanie oleju ze smaru.

Penetracja głębokość zanurzenia w smarze plastycznym o temperaturze 25 C, znormalizowanego stożka w czasie 5 sekund, wyrażona w dziesiątych milimetra. Temperatura kroplenia Temperatura kroplenia temperatura przejścia smaru plastycznego ze stanu stałego w stan ciekły.

Smarność zdolność smaru do trwałego przylegania do powierzchni ciał stałych (zdolność środka smarnego do zmniejszania tarcia inaczej niż poprzez zmianę lepkości). Spośród dwóch substancji o jednakowej lepkości, w tych samych warunkach smarowania, lepszą smarność ma ta substancja, która bardziej zmniejszy tarcie występujące w skojarzeniu trącym. Smarność bada się na tzw. aparacie czterokulowym (testerze czterokulowym).

Aparat czterokulowy służy do oceny własności smarnych olejów i smarów plastycznych, tzn. do określenia m.in.: obciążenia zespawania, obciążenia zacierającego.

Produkt Penetracja w 25 C po ugniataniu Temp. kroplenia C Wydzielanie oleju ze smaru %m/m Obciążenie zespawania dan Smar grafitowany min. 250 min. 7 max. 5 - Smar ŁT-43 215-255 min. 180 max. 6 min. 157 Smar ŁT-4S2 260-300 min. 175 max. 3 140 Smar ŁT-4S3 230-260 min. 175 max. 2 140 Smar STP 300-350 min. 80 - -

Smary ciekłe Parametrami charakteryzującymi własności smarów ciekłych są m.in.: smarność, lepkość.

Przy względnym przesuwaniu warstw cieczy, na skutek tarcia wewnętrznego w cieczy, pojawia się opór. Opór ten rośnie wraz z powierzchnią przesuwanych warstw. W warstwie smaru pojawiają się naprężenia styczne τ. τ τ

a) b) h du dy h u Przy przepływie równoległym do osi (rys. a) i liniowym rozkładzie prędkości (rys. b) u = ϕ(y) istnieje związek zwany prawem Newtona: du τ =η dy η -lepkość dynamiczna oraz d u d y - gradient prędkości

Lepkość dynamiczna η zależy od: temperatury, ciśnienia. lepkość lepkość temperatura ciśnienie

Lepkość dla cieczy i gazów nie zależy w zasadzie od gradientu prędkości (lepkość nie zmienia swojej wartości w zależności od prędkości danej warstwy smaru). η 1 η 2 η i η 1 = η 2 = η i = const. Jeżeli taka zależność istnieje to mówimy wówczas o cieczy nieniutowskiej. η 1 η 2 η i Takim cieczami są np. zanieczyszczone oleje.

Lepkość dynamiczna η jest to siła P potrzebna do przesunięcia na cieczy, płaskiej powierzchni o wymiarze jednostkowym F z jednostkową prędkością v równolegle do drugiej powierzchni oddalonej o jednostkę długości l. F [m 2 ] P [N] l [m] v [m/s]

Reometr rotacyjny RN Lepkościomierz Hoepplera z opadającą kulką

Ciecze inteligentne Ciecze inteligentne zmieniają swoje właściwości pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (ciecze elektroreologiczne) lub magnetycznego (ciecze typu ferro lub magnetoreologiczne). Przy braku pola zachowują się one jak zwykła ciecz newtonowska, natomiast w obecności pola następuje zmiana ich lepkości i granicy plastyczności. Ciecze elektroreologiczne wymagają stosowania pól elektrostatycznych o dużych natężeniach (do 5 kv/mm). Ciecze magnetoreologiczne pozwalają uzyskiwać granice plastyczności od 50 do 150 kpa, podczas gdy ciecze elektroreologiczne od 2 do 5 kpa.

W stawach człowieka role czynnika smarującego spełnia ciecz synowialna zwana również mazią. Znajduje się w torebkach stawowych i ma własności cieczy nienewtonowskiej o stosunkowo dużej lepkości. Specyficzną własnością mazi stawowej jest to, że przy małych prędkościach posiada dużą lepkość. Wraz ze wzrostem prędkości ścinania, lepkość cieczy synowialnej maleje.

Ciecze magnetyczne - ferrociecze W przyrodzie występują naturalnie trzy rodzaje materiałów magnetycznych: paramagnetyki, diamagnetyki, ferromagnetyki. Kryterium klasyfikacji stanowi wartość podatności magnetycznej, określającej zdolność materiału do namagnesowania pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. F N S

FERROCIECZ (ferrofluid, rzadko ciecz magnetyczna) substancja o właściwościach możliwie zbliżonych do cieczy, która w odróżnieniu od typowych cieczy jest w warunkach pokojowych dobrym paramagnetykiem i ulega silnej polaryzacji magnetycznej w obecności zewnętrznych pól magnetycznych. Ferrociecze sa uzyskiwane są przez utworzenie zawiesiny mikroskopijnych cząsteczek substancji ferromagnetycznej, takiej jak magnetyt lub hematyt, w cieczy nośnej. Typowe wymiary drobinek ferromagnetyku nie przekraczają 10 nm, co pozwala na zachowanie większości charakterystyk nośnika.

Pierwsze badania nad ferrocieczami prowadzono w NASA. Podczas programu badania przestrzeni kosmicznej na początku lat 60 ubiegłego stulecia, powstał problem jak sterować strumieniem paliwa ciekłego w środowisku zerowej grawitacji. Rozwiązaniem zaoferowanym przez naukowców NASA była nowa klasa materiałów znanych jako FERROCIECZE. Pierwsze potwierdzone zastosowanie ferrocieczy - lądowanie APOLLO na księżycu, gdzie do uszczelnienia hełmów astronautów użyto właśnie ferrocieczy.

Program Apollo był trzecim programem amerykańskich lotów kosmicznych z udziałem ludzi. Program Apollo składał się z jedenastu lotów załogowych, począwszy od Apollo 7, skończywszy na Apollo 17. Loty Apollo 7 i Apollo 9 były ziemskimi misjami orbitalnymi; Apollo 8 i Apollo 10 były księżycowymi misjami orbitalnymi, pozostałe sześć lotów (poza Apollo 13) zakończyły się lądowaniem na Księżycu. Pierwsze lądowanie na Księżycu - Apollo 11 16 lipca 1969 roku Neil Armstrong, Edwin Aldrin, Michael Collins

Silne pola magnetyczne oddziałują na ferrociecz doprowadzając do polaryzacji i przemieszczenia zawieszonych drobin, a w raz z nimi objętości cieczy. Co więcej, po przekroczeniu progu natężenia pola magnetycznego, dochodzi do wewnętrznej indukcji w materiale i do utworzenia na jego powierzchni sieci geometrycznych wzorów, których układ ulega zmianie wraz ze zmianami pola, temperatury i innych parametrów płynu. a) b) Schematyczne przedstawienie zachowania się magnetycznych cząstek cieczy magnetoreologicznej: (a) bez pola magnetycznego oraz (b) z polem (kierunek wektora H)

Zastosowania ferrocieczy: łożyska, uszczelnienia, amortyzatory. magnes ferrociecz

tuleje stalowe N-S magnes pierścieniowy ferrociecz obudowa

Most Dong Ting Lake (Chiny) zawierający magnetoreologiczne tłumiki minimalizujące wpływ wiatru na przemieszczenia mostu.