Глава 5

ТРЕНИЕ, СМАЗКА И ИЗНОС В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Работа ДВС сопровождается трением контактирующих и переме­щающихся друг относительно друга поверхностей. На преодоление сил трения частично расходуется мощность, развиваемая двигателем. Процесс трения сопровождается износом поверхностей трения, при этом работа сил трения превращается в теплоту. Наличие сил трения, износ поверхностей трения и тепловыделение на них отрица­тельно влияют на эффективность и долговечность двигателя. Для уменьшения влияния этих факторов применяют смазку поверхностей трения смазочными материалами различного типа.

§ 5.1. Трение и смазка

Различают внешнее и внутреннее трение. Внешнее трение опре­деляется силой сопротивления, возникающей между кон­тактирующими поверхностями (поверхностями трения) различных тел мри их перемещении друг относительно друга. Пол внутренним трением понимают силу сопротивления взаимному перемещению частиц самого тела. При внешнем трении в зависимости от наличия и количества смазочного материала между поверхностями различают ювенильное, граничное и гидродинамическое трение.

Ювенильное трение. Ювенильными называют поверхности твер­дых тел, не имеющих покрытий или загрязнений. Фрикционное взаимодействие таких поверхностей называют ювенильным трением. Два твердых тела, обладающих ювенильными поверхностями, кон­тактируют друг с другом на отдельных участках — зонах микрокон­такта. Общая площадь зон микроконтакта зависит от чистоты обработки поверхностей.

При относительном перемещении тел возникает их фрикционное взаимодействие, обусловливаемое деформированием материала в зо­нах микроконтакта и нарушением адгезионных связей, возникающих между материалами трущихся поверхностей. Адгезионные связи (ад­гезионные мостики) образуются и разрушаются при движении повер­хностей, их величина и расположение постоянно изменяются, однако в любой момент времени площадь контакта остается примерно пос­тоянной. Силу, необходимую для разрушения адгезионных связей, обозначим 5. При взаимной деформации поверхностей трения не­ровности более твердой поверхности внедряются в неровности более мягкой. В результате при относительном перемещении поверхностей эти неровности деформируются. Соответствующую силу обозначим Р. В результате общая сила, необходимая для обеспечения переме­щения поверхностей,— сила трения F определяется как F=S + P, где S — адгезионная, а Р — деформационная (механическая) составля­ющие сил трения. Таким образом, связь между двумя телами, на­ходящимися во фрикционном контакте, носит адгезионно-механический характер.

Рассмотрим два предельных случая: S » Р; F ~ S и Р » S; F - Р. Случай F ~ S характерен для хорошо обработанных поверхностей, когда адгезионные силы являются определяющими для силы трения. Обязательным условием возникновения адгезионных связей является сближение контактирующих точек на величину порядка атомного радиуса (р ~ 1 10~ м). При скольжении (рис. 5.1, а) перемещение в плоскости контакта на величину, равную или большую атомного радиуса /э, сопровождается на участке 2а разрывом всех адгезионных связей и образованием новых — происходит полный обмен связей на этом участке.

Иное происходит при качении (рис. 5.1,6). При перемещении центра цилиндра на то же расстояние обмен адгезионных связей происходит лишь на краях зоны контакта — там, где расстояние вы­ходит за пределы атомного радиуса, т.е. происходит частичный (не­полный) обмен адгезионных связей. Это объясняется тем, что при качении адгезионные связи рвутся по нормали к поверхности, при скольжении—тангенциально. Потери энергии при нормальном разрыве на один-два порядка меньше, чем при тангенциальном, срезающем разрыве. Этим определяются значительно меньшие затраты энергии при трении качения сравнительно с трением скольжения.

При сближении поверхности металла контактируют только вер­хушками неровностей. Давление в зонах контакта превышает дав­ление, вызывающее пластическое течение. В результате контактирующие области деформируются до тех пор, пока площадь истинного контакта А не становится достаточной, чтобы выдержать нагрузку N, т.е. до тех пор, пока давление не становится равным давлению, соответствующему текучести материала ро; А = N/po.

Отсюда следует, что площадь истинного контакта определяется нагрузкой и прочностными характеристиками поверхностей трения и не зависит от их геометрических размеров и формы. Если в зонах контакта образуются адгезионные мостики, имеющие прочность на срез 5, то сила среза (которая в данном случае является силой трения) равна F - AS - NS/po. Эта формула показывает, что сила трения зависит только от нагрузки и материалов поверхностей трения и что коэффициент трения м является характеристикой поведения материала в условиях трения. Действительно,

Второй случай (F~ P) характерен для более грубо обработанных поверхностей, относительное перемещение которых сопровождается их взаимной деформацией, а сила, затрачиваемая на деформацию, значительно превышает силу, необходимую для разрушения ад­гезионных связей (P»S).

Граничное трение. Силы, затрачиваемые на преодоление адгезионных связей и на взаимную деформацию поверхностей трения, существенно уменьшаются при наличии на этих поверхностях специально создаваемых разделительных пленок. В этом случае деформации, связанные с относительным перемещением поверхностей, происходят во внутреннем объеме пленки или на границе ее кон­такта с поверхностями.

Для обеспечения наименьших потерь энергии на преодоление сил трения пленка, разделяющая поверхности трения, должна обладать минимальным сопротивлением сдвигу в направлении, касательном поверхности, а для исключения механического контакта между трущимися поверхностями и уменьшения сил адгезионного взаимо­действия между ними — наибольшим сопротивлением сдвигу в нор­мальном направлении. Разделительную пленку, разграничивающую трущиеся поверхности, называют граничной. Трение при наличии граничной пленки называют граничным.

В практике на металлических поверхностях трения образуются пленки оксидов и веществ, адсорбированных из окружающей среды. Однако такие естественные граничные пленки обладают неудовлет­ворительными эксплуатационными свойствами, поэтому в технике граничные пленки образуют искусственно путем введения между трущимися поверхностями специальных веществ.

Такие вещества называют смазочными материалами. Пленки из этих веществ удерживаются на поверхности трения межмолекулярными физическими (адсорбционными) и внутримолекулярными (хи­мическими) силами. В первом случае пленки, образующиеся на поверхности твердого тела, называют адсорбированными, во втором — хемосорбированными.

Смазочные материалы обычно подбирают таким образом, чтобы они одновременно обеспечивали создание как адсорбированных, так и хемосорбированных граничных пленок. Большое значение для ус­ловий образования граничной пленки и ее поведения при фрикционном взаимодействии имеют поверхностные явления при трении.

Структура поверхности металла в условиях трения при наличии граничных пленок представлена схемой (рис. 5.2). В соответствии с этой схемой на ювенильной поверх­ности металла в последовательном порядке располагаются химические соединения этого металла (например, его оксидов) и адсорбированных ве­ществ (масла, воды, газа и т.п.). Эти слои являются граничными плен­ками. Физико-химические харак­теристики пленок обусловливают взаимодействие трущихся поверхно­стей, в первую очередь их износ и значение сил трения.

Образование адсорбированных пленок обусловлено физическим взаимодействием между молекулами смазочного материала (смазки) и твердого тела. Это взаимодействие возникает благодаря наличию на поверхности раздела твердой и жидкой (или газообразной) фаз запаса свободной энергии поверх­ности (СЭП),* которая является главной причиной, обусловливающей возможность и эффективность действия смазочных веществ. Между молекулами смазки и металла возникают силы взаимного притя­жения, получившие название сил Ван-дер-Ваальса (или ван-дер-ваальсового взаимодействия). В общих случаях силы Ван-дер-Ваальса складываются из трех сил: дипольного взаимодействия, индукционно­го взаимодействия и дисперсионных сил.

Дипольное взаимодействие возникает в молекулах, имеющих рас­пределенные жестко фиксированные заряды. При сближении такие молекулы ориентируются и притягиваются (рис. 5.3) разноименными зарядами.

Индукционное взаимодействие возникает в случае, если дипольная молекула контактирует с молекулой, у которой электрические заряды подвижны. Под влиянием дипольной молекулы эти заряды перераспределяются и создают взаимодействие, аналогичное диполь-ному (рис. 5.4).

Дисперсионные силы являются не только наиболее сильнодейст­вующими по сравнению с дипольными и индукционными, но и наиболее дальнодействующими — они проявляются на расстоянии до 2 10~ м, что на два порядка больше дальности действия дипольных и индукционных сил. Особенностью дисперсионных сил является также их аддитивность, т.е. свойство увеличиваться с ростом массы взаимодействующих частиц. Дисперсионное взаимодействие объясня­ется одновременным воздействием сил притяжения и отталкивания между ядрами и электронными оболочками атомов. На достаточно больших расстояниях превалирующее влияние оказывают силы притяжения. Под их действием молекулы сближаются, но до опре­деленного (очень малого) расстояния, допускающего только соприкосновение полей электронных оболочек, после которого силы отталкивания становятся больше сил притяжения.

На смазываемой поверхности адсорбированные молекулы смазоч­ного материала ориентированы и зафиксированы в пространстве. Вследствие этого адсорбированную пленку можно рассматривать как псевдокристаллическое состояние смазочного материала, отличающе­еся от его состояния и поведения в объемах (для которого спра­ведливы законы гидродинамики). Адсорбированные на твердой поверхности молекулы могут объединяться друг с другом. Объединение происходит как в направлении, перпендикулярном оси молекул, тогда образуются конгломераты молекул в виде пластин, так и вдоль оси с образованием цепочных структур, состоящих из длинных гибких конгломератов молекул. Такие конгломераты обла­дают анизотропией механических свойств — малым сопротивлением скольжению (сдвигу) параллельно слоям и большим сопротивлением — в направлении, перпендикулярном поверхностям трения — нор­мальной нагрузке. Чем меньше сопротивление сдвигу, тем ниже потери на трение в граничной пленке, определяющие антифрикционные свойства смазочного материала. Чем больше сопротивление нормальной нагрузке, препятствующее сближению поверхностей трения, тем меньше силы контактной фрикционной связи и выше несущая способность граничной пленки.

Рост толщины слоя адсорбированных молекул ограничен тем, что силы адгезии уменьшаются пропорционально четвертой степени рас­стояния от твердой поверхности.

Толщина и стабильность адсорбированной пленки, при прочих равных условиях, зависят от свойств смазочного материала (они возрастают при увеличении дипольного момента и размеров поляр­но-активных молекул), концентрации смазочного материала вблизи твердой поверхности, свойств материала самой поверхности и ее температуры. В зависимости от этих условий адсорбированная плен­ка находится в состоянии динамического равновесия. При изменении условий (в первую очередь при увеличении температуры) идет обратный процесс уменьшения толщины и стабильности пленки — ее десорбция. Адсорбированные пленки могут разрушаться от ме­ханических воздействий и растворителей (бензин, спирт и т.п.).

Адсорбированная на твердой поверхности пленка не только ме­ханически разделяет трущиеся поверхности, но и участвует в химическом взаимодействии с этими поверхностями. Она является поставщиком» химических веществ, вступающих при определенных условиях в химическую реакцию с твердой поверхностью и образу­ющих химически связанные с ней хемосорбированные граничные пленки. Такие пленки создают путем введения в смазочные материалы (в качестве присадок) соответствующих химических соединений. Например, присутствие в смазочных материалах серы, хлора или фосфора обусловливает образование на поверхности ме­талла устойчивых химических соединений этих веществ с металлом — фосфатов, хлоридов или сульфидов. Хемосорбированные граничные пленки образуются в основном при высоких удельных нагрузках и температурах (например, в зоне контакта поверхностей трения). Такие пленки образуются с большой скоростью, что обес­печивает возможность их быстрого восстановления в местах разру­шения граничного слоя. Эта особенность имеет большое значение для уменьшения износа и предотвращения задира поверхностей трения.

Гидродинамическое трение. Принцип гидродинамического, или жидкостного, трения, называемого также гидродинамическим или жидкостным режимом смазки, характеризуется наличием между поверхностями трения достаточно толстого слоя смазочного ма­териала. В этом слое при относительном движении поверхностей появляются гидродинамические силы, препятствующие их контакту. Сила трения при жидкостном режиме смазки определяется урав­нениями

где Г-сила трения, возникающая на поверхности слоя жидкости толщиной dy с площадью поверхности F при относительном изме­нении скорости скольжения du -динамическая вязкость жидкости.

Р ассмотрим рис. 5.5. По опоре 1 скользит тело 2. Если передняя кромка тела острая, то слой смазочного материала J, имеющийся нГопореЧ, снимается. Если же обеспечить плавный вход тела на пленку смазочного материала, то оно будет «всплывать» на пленке и поддерживаться давлением, возникающим в ней. Это соот­ветствует гидродинамическому режиму трения, при котором основную роль играет толщина стоя смазочного материала и его объемные свойства. Смазоч­ные свойства в данном случае несущественны, поэтому в ка­честве смазок можно использо­вать вещества, у которых они отсутствуют практически пол­ностью (например, вода, воз­дух, жидкий кислород и др.). При этих условиях величина трения определяется главным образом вязкостью смазки. В гидродинамическом режиме зазор между находящимися в относительном движении повер­хностями обеспечивается подъемными гидродинамическими силами, возникающими за счет увлечения смазки в клиновидный зазор между поверхностями.

Гидродинамический режим наиболее часто имеет место при смаз­ке подшипников скольжения. В этом случае из-за разности диамет­ров цапфы и подшипника автоматически образуется клиновидный зазор, через который прокачивается масло, увлекаемое вращающимся элементом.

В зависимости от наличия смазочного материала в зазоре между поверхностями трения и кинематики движения этих поверхностей у одной и той же пары трения разновременно могут иметь место как гидродинамический, так и граничный режимы трения, а также про­межуточные режимы полужидкостного (смешанного) и полусухого трения.

Полужидкостное трение возникает в случае, если гидродинамические силы недостаточны для уравновешивания дейст­вующих нагрузок и они частично воспринимаются граничной плен­кой.

Полусухое — если граничная пленка находится на пределе разрушения или частично разрушена.

Сухое трение возникает при полном разрушении граничной пленки. Причиной возникновения полусухого и сухого трения является недостаточная подача смазоч­ного материала к узлу трения — его «масляное голодание». Каждому из этих режимов соответствуют следующие ориентировочные зна­чения коэффициентов трения:

Гидродинамическое	0,002 — 0,01
Полужидкостное	0,01 — 0,05
Граничное	0,06 — 0,1
Полусухое	0,1 —0,8
Сухое	0,8 и выше

На трение и износ в ДВС определяющее влияние оказывает работа трущихся тел в режиме граничного трения.