Трение качения

Гидродинамическое трение

Линейный закон распределения скоростей в потоке
Вязкость масла зависит от температуры и давления. С ростом температуры наблюдается резкое снижение вязкости. Повышение давления приводит к слабому увеличению вязкости. Русский инженер Н.П. Петров (1836-1920) рассмотрел сопротивление вращению вала в подшипнике при постоянном зазоре h=const (рис.7). Для этого случая в формуле (3) вместо S можно подставить 2πrL и вместо V - ωr. Тогда получим формулу Петрова для расчета момента трения:

(4)
Коэффициент трения выразится:
(5)
Здесь L - длина подшипника; ω - угловая скорость вала; h ˂˂ r. Из формулы видно, что момент трения увеличивается с ростом вязкости, угловой скорости, радиуса, длины подшипника и с уменьшением зазора. Наиболее сильно влияет радиус подшипника, он в третьей степени.

Если постоянство зазора не поддерживать искусственным путем, то вал опустится под действием силы тяжести. Зазор снизу начнет убывать. Здесь в действие включается гидродинамический эффект. Гидродинамический эффект заключается в том, что вал захватывает за счет смачивания масло и нагнетает его в сужающийся по направлению движения клиновой зазор. Внутри масляного клина возникает добавочное давление, эпюра которого показана на рисунке.
Вал всплывает при некоторой толщине
смазочного слоя, когда в результате
саморегулирования устанавливается
минимальный зазор нагруженной зоны
подшипника, соответствующий
действующей нагрузке N:
(6)
где k - коэффициент,
q=N/L - погонная нагрузка.

Минимальной зазор возникает в сечении, смещенном на угол β. Для того чтобы выразить подъемную силу масляного клина, силу вязкого трения и минимальную толщину зазора, необходимо решать уравнение Рейнольдса. Для жестких элементов пары трения, несжимаемой жидкости и стационарного течения это уравнение в интегральной форме имеет вид:
(7)
Здесь hо - толщина зазора в области максимального давления; h - текущая величина зазора. Решение уравнения Рейнольдса редко удается получить в аналитическом виде. Оно выполняется обычно численными методами.

Диаграмма Герси - Штрибека
Входящую в формулу (6) безразмерную величину λ= ηV/q называют характеристикой подшипника. Зависимость коэффициента трения от этой характеристики или скорости называется диаграммой Герси-Штрибека.
При значении λ, соответствующем
минимуму коэффициента трения,
происходит переход от граничного
трения к жидкостному. На этом
же графике изображена кривая
интенсивности изнашивания. При
λ ≥ λmin контакт деталей
размыкается, и износ исчезает.

Эластогидродинамический эффект
Разновидностью гидродинамической является эластогидродинамическая смазка. Высокие давления в масляном клине вызывают упругую деформацию контактирующих тел. В результате величина зазора между деталями возрастает. Особенно сильно этот эффект проявляется при трении тел, материал которых имеет низкий модуль упругости, например для резиновых колес автомобилей. На рис. показан эластогидродинамический эффект при качении колеса по жесткому
основанию. За счет эластогидродина-
мического эффекта смазка образует
прослойку между колесом и
основанием. Так происходит при
движении автомобиля по залитому
водой асфальту при скорости более
70 км/ч. Явление называют
глиссированием. Автомобиль
становится неуправляемым со всеми
вытекающими последствиями.

Стеклование смазки