Organe de Mașini

1. Elemente de tribologie

Tribologia este un domeniu interdisciplinar care se ocupă cu studiul fenomenelor de frecare, uzare şi lubrificaţie.

1.1. Frecarea

Frecarea se defineşte ca interacţiunea unui corp în mişcare cu un alt corp sau cu mediul înconjurător care conduce la disipare de energie. Forţa de frecare reprezintă rezistenţa, în cupla de frecare, care se opune mişcării sau tendinţei de mişcare a unui corp pe suprafaţa celuilalt. Lucrul mecanic al forţei de frecare se transformă, în cea mai mare parte, în căldură, restul contribuind la uzarea suprafeţelor corpurilor aflate în contact, prin smulgerea unui număr de particule metalice de pe aceste suprafeţe.

Frecarea apare în tehnică atât ca fenomen dorit (mersul pe jos, tracţiunea rutieră, frâne, ambreiaje etc.) cât şi – în special – ca fenomen nedorit, caz în care are loc: scăderea randamentului maşinilor şi mecanismelor; încălziri şi dilatări locale; uzarea suprafeţelor în contact etc.

Frecarea se clasifică după mai multe criterii, după cum urmează:

- după starea de mişcare

- frecarea statică: există numai tendinţă de mişcare;

- frecarea cinetică: există mişcare relativă între corpuri

Forţele de frecare care apar la frecarea statică sunt mai mari (uneori chiar duble) faţă de cele care apar la frecarea cinetică.

- după felul mişcării relative dintre corpuri

- frecare cu alunecare

- frecare cu rostogolire

- după regimul de ungere

- frecare riguros uscată

- frecare tehnic uscată

- frecare limită

- frecare mixtă

- frecare fluidă

Frecarea riguros uscată se poate realiza numai în vid, în absenţa unui mediu lubrifiant în zona portantă. Se obţine în condiţii de laborator sau poate să apară la utilajele de tehnica vidului şi la echipamentele tehnicii spaţiale.

Frecarea tehnic uscată apare frecvent în natură şi tehnică, când suprafeţele în contact sunt neunse. Această frecare admite prezenţa aerului sau a altui mediu gazos. Microneregularităţile rezultate în urma prelucrării mecanice a suprafeţelor în contact angrenează între ele formând, din loc în loc (fig. 1), puncte de adeziune moleculară (sudură). Forţele de frecare sunt determinate de rezistenţa la forfecare a punctelor de sudură. Datorită acestui fapt, frecarea tehnic uscată se caracterizează prin coeficienţi de frecare mari, deci şi prin pierderi mari prin frecare şi uzuri importante. În situaţia frecării uscate, se aplică legile frecării (forţa de frecare este direct proporţională cu forţa normală de apăsare şi coeficientul de frecare µ depinde numai de cuplul de materiale şi nu depinde de mărimea suprafeţelor în contact).

Frecarea limită (semiuscată) se realizează atunci când între suprafeţele în contact ale celor două piese este prezent un strat subţire de lubrifiant, puternic ancorat de suprafeţele celor două piese aflate în contact. Stratul de lubrifiant, continuu sau discontinuu, de grosime cuprinsă între 10-3 şi 10-2 µm, împiedică formarea punctelor de adeziune moleculară între suprafeţele în frecare (fig. 2).

Şi în cazul frecării limite se aplică legile frecării. Forţele de frecare scad de 2…3 ori faţă de cele corespunzătoare frecării uscate iar uzarea se poate micşora de sute sau chiar de mii de ori. Explicaţia acestui fenomen constă în faptul că rezistenţa la forfecare a stratului aderent este mult mai redusă decât cea a materialelor cuplei.

Frecarea fluidă se produce când între suprafeţele cuplei este interpus un film de lubrifiant portant mai gros decât înălţimea maximă a asperităţilor (fig. 3). Acesta este regimul ideal de funcţionare a unui lagăr cu frecare cu alunecare. Contactul dintre filmul de lubrifiant şi suprafeţele celor două piese care formează cupla este continuu, iar forţele de frecare sunt determinate de tensiunile tangenţiale din fluid. Acest tip de frecare reduce foarte mult uzura şi forţele de frecare datorită valorilor reduse ale tensiunilor tangenţiale de rupere a filmului de lubrifiant. Se studiază conform teoriei mecanicii fluidelor. Noţiunea de coeficient de frecare are, în acest caz, doar un sens convenţional, acesta determinându-se cu relaţia

în care η reprezintă vâscozitatea dinamică a lubrifiantului; u – viteza relativă; pm – presiunea medie; h – grosimea filmului de lubrifiant.

Frecarea mixtă apare în situaţiile în care zonal se întâlnesc diferite regimuri de frecare (fig. 4). Este cazul unor grosimi prea mici ale stratului de lubrifiant sau prea mari a rugozităţilor suprafeţelor din cuple. Convenţional, forţele de frecare se calculează ca la frecarea uscată.