§ 4. Трение скольжения сухих тел

Пусть тело 1, нагруженное силой Q (рис. 304) находится под действием горизонтальной силы Р, стремящейся сдвинуть тело справа налево вдоль неподвижной направляющей 2. Величина силы Р увеличивается постепенно от нуля. Основная зависимость между возникающей вследствие трения силой F и силой взаимодействия N тел 1 и 2 по нормали, установленная Амонтоном—Кулоном (уравнение Амонтона—Кулона), имеет вид:

F = f N, (15.1)

где f — коэффициент трения.

Если сила Р меньше максимального значения fN, то появляется невидимый глазом упругий сдвиг трущихся поверхностей. Когда же величина сдвигающей силы достигнет некоторого предельного значения, то начнется видимое движение тела 1 относительно тела 2.

Рис. 304. Предельное значение сопротивления смещению принято называть силой трения покоя и обозначать F₀. В момент трогания с места эта сила достигает максимального значения, которое зависит от сил взаимодействия тел по нормали и от состояния их поверхностей и называется силой трения при трогании с места. Величина силы трения покоя может изменяться в пределах от нуля до величины силы трения при трогании с места.

После начала относительного движения тел сила трения значительно уменьшается и при дальнейшем движении почти не зависит от скорости. Эту силу трения называют силой трения движения. Она всегда имеет направление, противоположное относительной скорости движения. В большинстве технических расчетов при определении величины силы трения скольжения несмазанных тел с достаточной для практических целей точностью можно пользоваться уравнением (15.1). Коэффициент трения f зависит от материалов трущихся поверхностей, их состояния и обработки; в первом приближении коэффициент f можно считать постоянным и силы трения скольжения прямо пропорциональными нормальным давлениям; трение при трогании с места в начальный момент движения несколько больше трения движения. Зависимость силы трения покоя F₀ от нормального давления N определяется формулой, аналогичной формуле (15.1). В соответствии с этим

I F₀f₀N, (15.2)

где F₀ — сила трения покоя и при трогании с места;

N — нормальное давление;

f₀ — коэффициент трения при трогании с места; знак «<» соответствует покою, а знак «=» — троганию с места. Сложением нормальной реакции N и силы трения F находим результирующую силу R, представляющую собой полную реакцию звена 2 на звено 1. Из чертежа получим

I . (15.3)

Полная реакция R отклонена от нормали N на угол , который называют углом трения скольжения. Таким образом, для учета сил трения в поступательной паре реакцию R надо отклонить от направления нормали N так, чтобы она образовала тупой угол с вектором v₁₂ относительной скорости ползуна 1 относительно направляющей 2.

Аналогично будем иметь

' ^(15-4)

где ₀ — угол трения покоя;

f₀— коэффициент трения покоя. Таким образом, коэффициент трения равен углу трения.

§ 5. Трение скольжения смазанных тел

Рассмотрим основные закономерности, характеризующие явление трения скольжения смазанных тел. Жидкостное трение — это внутреннее трение между частицами жидкости в том случае, когда твердые элементы частей машины непосредственно не соприкасаются, а разделены между собой масляной пленкой. При относительном движении поверхностей имеет место сдвиг отдельных слоев жидкости одного относительно другого. Таким образом, силы трения в данном случае определяются в основном внутренним сопротивлением сдвига слоев масляной пленки. При этом смазочная жидкость должна удерживаться в зазоре между скользящими поверхностями. Это возможно тогда, когда силы сцепления между поверхностями твердых тел и прилегающим слоем жидкости больше сил сцепления между частицами смазочной жидкости. Жидкостное трение характеризуется формулой Ньютона для силы F внутреннего трения:

. (I5.5)

где F — сила трения;

S — площадь поверхности скольжения;

— изменение скорости по высоте слоя (рис. 305);

 — коэффициент абсолютной вязкости, который представляет собой силу трения, возникающую при скольжении двух параллельных слоев жидкости с относительной скоростью, равной 1 м/сек, если расстояние между слоями равно 1 м и площади скольжения равны 1 м².

Он характеризует смазочное вещество. За единицу абсолютной вязкости принимается пуаз. Один пуаз равен 0,0102 (кг • сек)/м² . Для технических испытаний смазочных масел удобнее пользоваться понятием относительной вязкости. Последняя определяется как отношение времени истечения 0,2 л испытуемого вещества при 50° С и такого же объема воды при 20° С. В России относительная вязкость измеряется в градусах Энглера на приборах, называемых вискозиметрами Энглера. Связь между абсолютной вязкостью и относительной вязкостью представляется в виде эмпирической формулы:

где  — удельный вес жидкости, кг/м³. Основным требованием, которое обеспечивает жидкостное трение, является создание между скользящими поверхностями клиновидного зазора, в который при вращении цапфы вала (рис. 306) нагнетается смазочная жидкость.

рис. 306. Рис. 307.

При этом в смазочном слое возникают силы, уравновешивающие внешнюю нагрузку на цапфу, и цапфа как бы «всплывает» на слое смазочной жидкости. С увеличением угловой скорости  и длины l шипа центр О вала будет смещаться влево и вверх при заданном направлении угловой скорости по дуге полуокружности (приблизительно), построенной на эксцентриситете е = R—r. При  =  и l =  центральная ось цапфы вала теоретически должна совпасть с центральной осью подшипника. Распределение давления в подшипнике показано на рис. 307.