Трение качения

Трение качения – вращательное движение с точкой опоры или прямым контактом. Сила трения качения по крайней мере в 10 раз меньше силы трения скольжения. Сопротивление качению объясняется деформационными потерями в нижележащем твердом теле. При отсутствии пластической деформации трение обусловлено гистерезисными потерями в твердом теле. При трении качения происходит взаимное проскальзывание поверхностей, которое можно представить при рассмотрении качения шарика (рис. 7.3). Окружность АВ шарика перемещается посередине канавки, а окружность CD касается ее края. Окружность АВ проходит за один оборот шарика большее расстояние, чем окружность CD. Эта разница и обусловливает скольжение поверхностей трения.

Рис. 7.3. Шарик, катящийся по Рис. 7.4. Шарик, катящийся вправо

беговой дорожке подшипника по плоскому упругому основанию

Гистерезисные потери, возникающие при трении качения, поясним с помощью рис. 7.4.

Еще О. Рейнольдс заметил, что когда цилиндр из твердого материала катится по плоской поверхности резины, то при каждом обороте он проходит путь меньший, чем длина окружности цилиндра. Он предположил, что резина растягивается в точке С не так, как в точках В и D, и в результате имеет место, как уже упоминалось, проскальзывание с соответствующим рассеиванием энергии. По рис. 7.4 видно, что впереди под шариком в точке Е образуется углубление, а позади шарика в точке А деформируемый материал полностью (резина) или частично (металл) восстанавливается под действием сил упругости либо упругого гистерезиса; кроме того, вследствие необратимой пластической деформации силы реакции позади шарика меньше, чем силы давления впереди него. В результате шарик совершает работу деформации.

При трении качения в случае твердых тел деформации поверхностей невелики, и окисные пленки, имеющиеся на поверхностях трения, не подвергаются значительным разрушениям.

Скольжение поверхностей поэтому происходит не по металлу, а по окисным пленкам, которые могут изнашиваться.

Для приработанного состояния поверхностей по экспериментальным данным сила трения качения

,

где k – константа, зависящая от материала; N – нагрузка на шарик; D – диаметр шарика; n = 1, 7...1, 85; m = 1, 5...1, 6.

Сила трения в подшипниках качения при высоких скоростях зависит от вязкости смазочного материала и может достигать больших величин. На силу трения в подшипниках качения влияют вязкость смазочного материала, трение в сепараторе подшипника, размер шариков, шероховатость поверхности и другие факторы.

Момент трения в подшипниках качения

или ,

где f_r и f_a – коэффициенты трения при радиальной и осевой нагрузках, отнесённые к диаметру вала d; соответственно F_r и Fa – радиальная и осевая нагрузки.

Сила трения в подшипниках качения увеличивается в случае технологических и монтажных погрешностей, повышенных скоростей и при трении в уплотнениях.

Подводя итог рассмотрения различных видов трения можно отметить, что выбор вида трения осуществляется в результате селективного подхода к условиям работы элементов каждой триботехнической системы энергетической установки с учетом их надежности и экономичности. В табл. 7.1 приведено сравнение значений коэффициентов трения для различных видов трения. Таблица 7.1