Тертя і мастило
Спочатку розглянемо основні поняття і проблеми тертя, зносу і мастила.
Тертя (зовнішнє) - явище опору відносному переміщенню, що виникає в зонах дотику поверхонь по дотичним до них.
Сила тертя - сила опору при відносному переміщенні одного тіла по поверхні іншого під дією зовнішньої сили, тангенциально спрямована до спільного кордону між двома тілами.
Коефіцієнт тертя - відношення сили тертя між двома тілами до нормальної силі, притискає ці тіла один до одного.
За характером взаємного переміщення труться деталей розрізняють тертя спокою (тертя двох тіл при попередньому їх зміщенні) і тертя руху (тертя двох тіл, що знаходяться у відносному русі). Тертя руху, в свою чергу, за характером руху ділиться на тертя ковзання і тертя кочення, а по наявності (відсутності) мастильного матеріалу - на тертя без змащення, граничне і рідинний-ве.
Тертя ковзання - тертя руху, при якому швидкості дотичних тіл в точках торкання різні за значенням і (або) напрямку.
Тертя кочення - тертя руху, при якому швидкості дотичних тіл однакові за значенням і напрямком, по крайней мере, в одній точці зони контакту. Сила тертя кочення приблизно на порядок менше сили тертя ковзання незмазаних поверхонь. Ця властивість використовується в підшипниках кочення (кульку або ролик стикаються з поверхнею в точці або по лінії).
Тертя кочення з проскальзиваніем - тертя руху двох дотичних тіл при одночасному терті кочення і ковзання в зоні контакту.
Тертя без змащення виникає при відсутності на поверхнях тертя тел спеціально введеного мастильного матеріалу. При терті без змащення додаткова енергія витрачається на подолання:
- взаємного механічного зачеплення нерівностей (шорсткостей), що труться при їх відносному переміщенні;
- сил міжмолекулярної тяжіння;
- явища зварювання окремих гострих виступів поверхонь тертьових пар.
Граничне тертя виникає в разі, коли поверхні тертя розділені шаром мастила малої товщини (менше 0,1 мкм), що не перевищує висоти мікронерівностей (шорсткості) поверхні. Коефіцієнт граничного тертя становить 0,08-0,15. Режим граничного тертя дуже нестійкий і характеризує межа працездатності вузла тертя. Якщо граничний шар руйнується, а навантаження перевищує сили зчеплення мастильного матеріалу з робочою поверхнею деталі, то в місці контакту виникає сухе тертя і як наслідок - задираки, заклинювання і інші аварійні пошкодження деталей (наприклад виплавлення антифрикционного шару вкладишів колінчастого вала). Товщина і міцність граничного шару масла при терті робочих поверхонь деталей двигуна залежить від хімічного складу масла і входять до нього присадок, хімічної структури деталей і стану поверхонь тертя. При цьому працездатність граничного шару масла не залежить від його в'язкості, а визначається взаємодією молекулярної плівки масла з тертьової поверхнею металу.
При рідинному терті мастильний шар повністю відокремлює взаімоперемещающіеся робочі поверхні одну від одної і має товщину, при якій виявляються нормальні об'ємні властивості масла.
Коефіцієнт рідинного тертя знаходиться в межах 0,003-0,03, що в 50-100 разів менше, ніж при терті без змащення. Сила тертя при цьому виді мастила залежить тільки від тертя внутрішніх шарів в змащувальному матеріалі.
Стійкість мастильного шару, необхідного для рідинного тертя, залежить від наступних факторів: конструкції вузла тертя; швидкості взаємного переміщення тертьових поверхонь; величини і рівномірності розподілу навантаження на поверхні, що труться; в'язкості мастильного матеріалу; площі поверхонь, що труться; величини зазору між поверхнями, що труться; температурного стану вузла тертя.
Робота поршневого двигуна супроводжується постійним процесом зношування (процес руйнування і відділення матеріалу з поверхні твердої деталі, накопичення в ній залишкової деформації або поступової зміни її розмірів або форми під впливом тертя). Кількісною мірою оцінки зношування є знос, який може виражатися в одиницях довжини, маси або об'єму.
Існують різні види механічного зношування:
- абразивний (коли тверді продукти зносу, частки нагару, пил та інші, потрапляючи в двигун, викликають інтенсивне зношування поверхонь тертя деталей і систем змащення);
- утомлююча (наслідок повторюваного деформування мікрооб'ємів матеріалу, через який виникають тріщини і відбувається відділення частинок); типовим представником усталостного зношування є піттінг, що виникає при терті кочення в кулькових і роликових підшипниках;
- кавітаційне (виникає в умовах кавітації - процесу "схлопування" бульбашок газу поблизу поверхні тертя, що створює місцеве підвищення тиску або температури; при кавітаційному зношуванні зовнішні поверхні гільз циліндрів двигуна по-кривает кратерами або вириваючи, що утворилися від розривів бульбашок);
- корозійно-механічне (виникає в результаті механічної дії на тертьові поверхні, супроводжуваного хімічним або електричним взаємодією матеріалу з середовищем; корозійні руйнування в цьому випадку розвиваються при впливі на поверхні, що труться таких агресивних речовин, як хімічно активні гази і кислоти).
При зношуванні в процесі роботи двигуна можуть виникати такі явища:
- схоплювання при терті (прихват) - явище місцевого сполучення двох твердих тіл, що відбувається при терті внаслідок дії молекулярних сил;
- перенос матеріалу - явище при терті твердих тіл, що складається в тому, що матеріал одного тіла в другім і, відриваючись від першого, залишається на поверхні другого;
- заїдання - процес виникнення і розвитку пошкоджень поверхонь тертя внаслідок схоплювання і перенесення матеріалу (Заїдання може завершитися припиненням відносного руху. Заклинювання двигуна стає наслідком схоплювання, як правило, корінного або шатунного підшипника колінчастого вала через порушення рідинного тертя. Що виникає при цьому підвищення температури призводить до виплавлення антифрикционного сплаву (бабітові або алюмінієвого) вкладишів. При цьому антифрикційний шар заповнює зазор між труться ейся поверхнею вкладиша і шийкою колінчастого вала, що і призводить до заклинювання валу);
- задирака - пошкодження поверхні тертя у вигляді широких і глибоких борозен в напрямку ковзання. Задираки на стінках гільз циліндрів двигунів виникають при порушенні рухливості або руйнуванні поршневих кілець.
- дряпання - освіту заглиблень на поверхні в напрямку ковзання при впливі виступів тіла або твердих частинок;
- відшаровування - відділення з поверхні тертя частинок матеріалу у формі лусочок при втомному зношуванні;
- викришування - освіту ямок на поверхні тертя в результаті відділення частинок матеріалу при втомному зношуванні;
- приробітку (процес) - процес зміни геометрії поверхонь тертя і фізико-механічних властивостей поверхневих шарів матеріалу в початковий період тертя, зазвичай виявляється при постійних зовнішніх умовах в зменшенні сили тертя, температури і інтенсивності зношування.
Для зменшення інтенсивності зношування та мінімізації енергетичних втрат в вузлах тертя, а також для забезпечення надійності і довговічності рухливих сполучень двигунів призначені мастильні матеріали.
Мастильними матеріалами називаються продукти органічного та неорганічного походження, які вводять між поверхнями з метою зменшення втрат на тертя в цьому сполученні. Зовнішнє тертя твердих тіл відсутня. Його замінює внутрішнє тертя мастильної середовища, складовою шар, що розділяє ці тіла.
Також часто зустрічаються додаткові умови, такі як стійкість до води і хімікатів, сумісність з пластиками або захист від корозії.