Tarcie i określanie współczynników tarcia materiałów

Współczynnik tarcia jest zmienną fizyczną wyprowadzoną z dziedziny tribologii dla tarcia między dwoma obiektami. Współczynnik tarcia wyznacza siłę, która występuje podczas tarcia (siła tarcia) w stosunku do siły, z jaką obiekty są dociskane do siebie (siły nacisku). Współczynnik tarcia jest zatem ważnym parametrem podczas badania zużycia materiału i właściwości ślizgowych. W tym artykule wyjaśniono podstawy współczynnika tarcia, jego metody pomiaru i jego zastosowania w technologii.

Czym jest tarcie na sucho?

Tarcie ogólne to opór między dwiema stałymi powierzchniami, który opóźnia ruch względny w przeciwnym kierunku.

Tarcie na sucho jest specjalnym rodzajem tarcia, gdy między powierzchniami nie ma środka smarnego ani cieczy. Tarcie na sucho zależy w dużej mierze od chropowatości powierzchni styku.

Gdy ciecze lub smary odgrywają rolę, nazywa się to tarciem płynnym lub płynnym. Jednak w innych mediach (np. w powietrzu lub wodzie) określa się je jako tarcie powietrza lub tarcie przepływowe.

Tarcie można zaobserwować w wielu zastosowaniach przemysłowych i sytuacjach, takich jak przekształcenie śruby w gwint wewnętrzny. Lub gdy nakrętki gwintowane przesuwają się wzdłuż napędu śrubowego (np. 3D-printing). Celem jest zazwyczaj zminimalizowanie tarcia, a tym samym zwiększenie odporności systemu na zużycie.

Rodzaje tarcia na sucho

Tarcie na sucho można podzielić na dwie kategorie:

• Tarcie statyczne: Tarcie statyczne występuje, gdy obie powierzchnie stykają się ze sobą, ale nie zostały jeszcze przesunięte względem siebie.
• Tarcie dynamiczne: Tarcie dynamiczne występuje, gdy siła zewnętrzna jest wystarczająco duża, aby zainicjować ruch między dwiema powierzchniami.

Te dwie kategorie tarcia na sucho wykazują różne zachowania.

Tarcie statyczne

Tarcie statyczne (znane również jako tarcie przylepne) występuje, gdy przyłożona siła nie jest wystarczająco duża, aby zainicjować ruch, a przedmiot pozostaje statyczny lub w równowadze.

Obliczanie siły tarcia statycznego

Współczynnik tarcia statycznego (μ_s) opisuje stosunek między siłą normalną (F_N) a powstałą siłą reakcji lub tarciem statycznym (F_H) przed rozpoczęciem ruchu - tj. w pozycji spoczynkowej:

Poniższe zasady dotyczą siły normalnej w płaszczyźnie pochyłej z kątem tarcia:

Poniższe zasady dotyczą normalnej siły w płaszczyźnie bez kąta tarcia:

Współczynnik tarcia jest zawsze bez jednostki i jest określany eksperymentalnie. W większości przypadków współczynniki tarcia różnych par materiałów (np. stali na stali) zostały już określone i można je znaleźć w odpowiedniej literaturze specjalistycznej - patrz także "Materiały i tabela ze współczynnikami tarcia".

Tarcie dynamiczne

Tarcie dynamiczne (znane również jako tarcie kinetyczne) występuje, gdy przyłożona siła jest wystarczająco duża, aby wprawić obiekt w ruch.

Obliczanie siły tarcia dynamicznego

Współczynnik tarcia dynamicznego (μ_d) opisuje stosunek siły tarcia (F_R) do siły normalnej (F_N) podczas ruchu między powierzchniami:

Poniższe zasady dotyczą siły normalnej w płaszczyźnie pochyłej z kątem tarcia:

Poniższe zasady dotyczą normalnej siły w płaszczyźnie bez kąta tarcia:

Współczynnik tarcia jest zawsze bez jednostki i jest określany eksperymentalnie. W większości przypadków współczynniki tarcia różnych par materiałów (np. stali na stali) zostały już określone i można je znaleźć w odpowiedniej literaturze specjalistycznej - patrz także "Materiały i tabela ze współczynnikami tarcia".

Eksperymentalne określanie współczynników tarcia i wartości tarcia

Współczynniki tarcia dla tarcia statycznego i tarcia dynamicznego muszą być określone eksperymentalnie, ponieważ zależą od różnych czynników, takich jak tekstura i chropowatość powierzchni, prędkość ruchu i warunki środowiskowe.

Eksperymentalne określenie współczynników tarcia i wartości tarcia wymaga dokładnego wykonania testów tarcia w kontrolowanych warunkach.

• Zaprojektuj odpowiednią konfigurację testową, która umożliwia ocieranie się o siebie dwóch próbek materiału lub powierzchni. Konfiguracja ta powinna umożliwiać zastosowanie siły zewnętrznej lub ciężaru w celu zainicjowania tarcia i sterowania ruchem.
• Wybierz materiały, dla których chcesz określić współczynnik tarcia i upewnij się, że ich powierzchnie są czyste i wolne od zanieczyszczeń. Powierzchnie te powinny być próbkami reprezentatywnymi dla rzeczywistych warunków stosowania.
• Dokładnie przygotuj powierzchnie próbek materiału, aby zminimalizować nierówności spowodowane zanieczyszczeniem. Czyste powierzchnie przyczyniają się do powtarzalnych rezultatów.
• Sprawdź warunki otoczenia i utrzymuj je na stałym poziomie przy każdym przeprowadzonym teście. Przeprowadzaj testy w kontrolowanych środowiskach, w których można utrzymać jak najwięcej czynników środowiskowych na stałym poziomie. Dotyczy to przede wszystkim ciśnienia powietrza (stała Δp), temperatury (stała ΔT) i wilgotności.
• Wykonaj testy tarcia. Zmierz przyłożone siły i wynikające z nich siły reakcji lub siły tarcia w trakcie ruchu lub podczas próby jego zainicjowania.
• Powtórz testy tarcia kilka razy, aby uzyskać znaczące dane.
• Oblicz współczynniki tarcia (μ_s i μ_d) na podstawie zmierzonych danych. Użyj odpowiednich wzorów, aby obliczyć współczynniki tarcia lub określić wartości tarcia dla wybranej kombinacji materiałów. Zwróć również uwagę na warunki środowiskowe.

Podczas testu należy zmierzyć następujące siły:

• Zmierz siłę tarcia statycznego na mierniku siły sprężyny na krótko przed wprawieniem obiektu w ruch.
• Zmierz siłę tarcia ślizgowego na mierniku siły sprężyny podczas ruchu przedmiotu.

Następnie oblicz współczynniki tarcia:

Dokładność pomiaru i czułość są decydujące w celu uzyskania dokładnych danych. Określone współczynniki tarcia mogą w dużym stopniu zależeć od konkretnych warunków zastosowania.

Eksperymentalne określenie wartości tarcia może być czasochłonne i kosztowne. Niemniej jednak istotne jest lepsze zrozumienie właściwości tarcia materiałów i opracowanie skutecznych zastosowań technicznych. Staranne planowanie, precyzyjna realizacja i ocena statystyczna są wymagane do osiągnięcia dokładnych i wiarygodnych wyników.

Znaczenie tarcia w zastosowaniach przemysłowych

Tarcie odgrywa kluczową rolę w różnych zastosowaniach przemysłowych i jest podstawowym zjawiskiem fizycznym, które niesie ze sobą nie tylko korzyści, ale także wyzwania.

W wielu układach technicznych, takich jak silniki, przekładnie czy łożyska, konieczne jest kontrolowanie lub minimalizowanie tarcia w celu zmniejszenia strat energii i zużycia oraz poprawy wydajności.

• Układy sterowania ruchem i hamulcowe: Tarcie jest stosowane w układach hamulcowych do sterowania i spowalniania ruchu maszyn. Ukierunkowana eksploatacja właściwości tarcia umożliwia precyzyjną kontrolę i bezpieczeństwo.
• Tarcie i stabilność kleju: W wielu zastosowaniach, takich jak stanie na pochyłej powierzchni, tarcie statyczne ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia stabilności i zapobiegania poślizgowi.
• Zużycie materiału i okres eksploatacji: Tarcie może powodować zużycie materiału, co może skrócić żywotność komponentów. Ważne jest, aby zrozumieć właściwości cierne, aby zminimalizować zużycie i zmaksymalizować żywotność komponentów.
• Wybór materiału: Znajomość właściwości tarcia materiałów ma kluczowe znaczenie przy wyborze materiałów do konkretnych zastosowań. Wartości tarcia muszą być brane pod uwagę w celu doboru optymalnych kombinacji materiałów do określonych celów.
• Smarowanie: Skuteczne smarowanie ma kluczowe znaczenie dla zmniejszenia tarcia i zużycia w wielu układach mechanicznych oraz przedłużenia ich żywotności.

Wpływ tarcia na zużycie

Większość zastosowań przemysłowych ma następujące cele:

• minimalizować zużycie
• maksymalizować wydajności systemu
• maksymalizować żywotność systemu

Tarcie, smarowanie, chropowatość i zużycie tworzą układ dynamiczny i są wzajemnie zależne.

Naukowe tło tarcia i zużycia jest badane w dziedzinie tribologii nauki o tarciu, smarowaniu i zużyciu komponentów. Wszystkie zastosowania przemysłowe, w których komponenty mechaniczne współpracują ze sobą lub się ze sobą stykają, można uznać za tak zwany system tribologiczny.

Wzajemne interakcje muszą być brane pod uwagę, szczególnie w przypadku długoterminowych zastosowań:

• Temperatura i inne warunki środowiskowe mogą wpływać na właściwości tarcia. W wyższych temperaturach materiały mogą się zmiękczyć, co może prowadzić do zmiany tarcia. Z drugiej strony wysoka temperatura może również prowadzić do osłabienia środka smarnego lub zwiększenia zużycia.
• Zużycie powierzchni styku (np. ścieranie) może wpływać na właściwości tarcia w dłuższej perspektywie. Jeśli materiał ulegnie zużyciu lub poluzuje się z powierzchni styku, może to prowadzić do zmiany współczynników tarcia. Zwiększone zużycie może również prowadzić do zwiększonego tarcia i pogorszenia wydajności.
• Smarowanie, zarówno w postaci płynów, jak i ciał stałych, odgrywa ważną rolę w wywieraniu wpływu na tarcie. Odpowiednie smarowanie może zmniejszyć tarcie i zminimalizować zużycie. Jednak słabe smarowanie lub brak smarowania może prowadzić do zwiększonego tarcia i zużycia.

We wszystkich zastosowaniach przemysłowych ważne jest, aby wziąć pod uwagę interakcje i przeprowadzać regularne kontrole zużycia.

Środki mające na celu zwiększenie tarcia

W niektórych zastosowaniach przemysłowych może być ważne zwiększenie tarcia elementów. Na przykład, aby zapobiec poluzowaniu połączeń śrubowych.

Aby zwiększyć tarcie, stosuje się następujące środki, na przykład:

• Zwiększenie szorstkości lub chropowatości powierzchni: Tarcie można zwiększyć szorstkowaniem powierzchni. Jedną z możliwości szorstkowania jest tzw. wydmuchiwanie (np. czyszczenie strumieniowo-ścierne), przy którym powierzchnie zmienia się bezpośrednio. Inną opcją jest obróbka powierzchniowa, przy której na materiał bazowy nakłada się powłokę - na przykład poprzez cynkowanie na gorąco.
• Stosowanie domieszek ciernych: Do niektórych olejów maszynowych można dodawać domieszki w celu zwiększenia tarcia.
• Stosowanie kleju lub wyściółki: Nakładanie klejów lub wyściółek może zwiększyć tarcie. Taśma teflonowa lub płyn do blokowania gwintów są odpowiednie na przykład w połączeniach śrubowych. Środki te mogą również mieć efekt uszczelniający.

Materiały i tabela ze współczynnikami tarcia

Poniżej podano przegląd współczynników tarcia na sucho typowych par materiałów.