Cikk megosztása:

Az anyagok súrlódásának és súrlódási együtthatójának meghatározása

Alapismeretek

A súrlódási együttható egy fizikai változó, amely a két objektum közötti súrlódást vizsgáló tribológia területéről származik. A súrlódási együttható határozza meg a súrlódás során fellépő erőt (súrlódási erő) ahhoz az erőhöz képest, amellyel a tárgyakat összenyomják (nyomási erő). A súrlódási együttható ezért fontos paraméter az anyagkopás és a csúszási tulajdonságok vizsgálata során. Ez a cikk a súrlódási együttható alapjait, mérési módszereit és technológiai alkalmazásait ismerteti.

Mit jelent a száraz súrlódás?

Az általános súrlódás a két szilárd felület közötti ellenállás, amely a relatív mozgást az ellenkező irányban késlelteti.

A száraz súrlódás egy különleges típusú súrlódás, ha nincs kenőanyag vagy folyadék a felületek között. A száraz súrlódás nagyban függ az érintkező felületek érdességétől.

Amikor a folyadékok vagy kenőanyagok szerepet játszanak, ezt határréteg-súrlódásnak vagy folyadéksúrlódásnak nevezzük. Más közegekben (pl. levegőben vagy vízben) azonban lég- vagy áramlási súrlódásnak nevezzük.

Súrlódás figyelhető meg számos ipari alkalmazásban és helyzetben, például amikor a csavart egy belső menetbe becsavarozzák. Vagy ha menetes anyák mozognak a csavarhajtás mentén (pl. 3D nyomtatás). A cél általában a súrlódás minimalizálása és ezáltal a rendszer kopásállóságának növelése.

A száraz súrlódás típusai

A száraz súrlódás két kategóriába sorolható:

  • Statikus súrlódás: Statikus súrlódás akkor következik be, ha a két felület érintkezik, de még nem mozdultak el egymással.
  • Dinamikus súrlódás: Dinamikus súrlódásról akkor beszélünk, ha a külső erő elég nagy ahhoz, hogy a két felület közötti mozgást elindítsa.

A száraz súrlódásnak ez a két kategóriája különböző viselkedést mutat.

Statikus súrlódás

Statikus súrlódásról (más néven adhéziós súrlódásról) akkor beszélünk, ha az alkalmazott erő nem elég nagy a mozgás elindításához, és a tárgy statikus állapotban vagy egyensúlyban marad.

A statikus súrlódási erő kiszámítása

A statikus súrlódási együttható (μs) leírja a normál erő (FN) és az ebből eredő reakcióerő vagy adhezív súrlódás (FH) közötti arányt a mozgás megkezdése előtt – azaz nyugalmi helyzetben:

F_H=F_N\times\mu_s

A következők vonatkoznak a normál erőre ferde síkú súrlódási szöggel:

F_N=m\times g\times\cos \alpha

A következők vonatkoznak a normál erőre a síkban súrlódási szög nélkül:

F_N=F_G=m\times g

A súrlódási együttható mindig egység nélkül van megadva, és kísérletileg kerül meghatározásra. A legtöbb esetben a különböző anyagpárosítások (pl. acél acélon) súrlódási együtthatóit már meghatározták, és azok megtalálhatók a vonatkozó szakirodalomban – lásd még „Anyagok és súrlódási együtthatók táblázata”.

  • FN– Normál erő
  • FH– Adhéziós súrlódási erő/statikus súrlódási erő
  • FG– Súlyerő (ahol g ≈ 981 m/s2)
  • m – A tárgy tömege
  • α – Súrlódási szög
  • β = 90° – α

Dinamikus súrlódás

Dinamikus súrlódásról (más néven mozgási súrlódásról) akkor beszélünk, ha az alkalmazott erő elég nagy a tárgy mozgásba hozásához.

A dinamikus súrlódási erő kiszámítása

A dinamikus súrlódási együttható (μd) leírja a súrlódási erő (FR) és a normál erő (FN) közötti arányt a felületek közötti mozgás során:

F_D=F_N\times\mu_d

A következők vonatkoznak a normál erőre ferde síkú súrlódási szöggel:

F_N=m\times g\times\cos \alpha

A következők vonatkoznak a normál erőre a síkban súrlódási szög nélkül:

F_N=F_G=m\times g

A súrlódási együttható mindig egység nélkül van megadva, és kísérletileg kerül meghatározásra. A legtöbb esetben a különböző anyagpárosítások (pl. acél acélon) súrlódási együtthatóit már meghatározták, és azok megtalálhatók a vonatkozó szakirodalomban – lásd még „Anyagok és súrlódási együtthatók táblázata”.

  • FN– Normál erő
  • FD– Csúszó súrlódási erő/dinamikus súrlódási erő
  • FG– Súlyerő (ahol g ≈ 981 m/s2)
  • m – A tárgy tömege
  • α – Súrlódási szög
  • β = 90° – α

A súrlódási együtthatók és a súrlódási értékek kísérleti meghatározása

A statikus és dinamikus súrlódás súrlódási együtthatóit kísérletileg kell meghatározni, mivel ezek különböző tényezőktől függnek, mint például a felületi textúra és érdesség, a mozgás sebessége és a környezeti feltételek.

A súrlódási együtthatók és súrlódási értékek kísérleti meghatározásához a súrlódási tesztek pontos elvégzésére van szükség ellenőrzött körülmények között.

  • Tervezze meg a megfelelő tesztkörülményeket, melyek lehetővé teszik, hogy két anyagminta vagy felület dörzsölődjön egymással. Ennek a tesztelési környezetnek lehetővé kell tennie egy külső erő vagy súly alkalmazását a súrlódás és a vezérlőmozgás beindításához.
  • Válassza ki azokat az anyagokat, amelyekhez meg kívánja határozni a súrlódási együtthatót, és győződjön meg arról, hogy a felületek tiszták és szennyeződésmentesek. A felületeknek reprezentatív módon kell képviselniük a tényleges alkalmazási körülményeket.
  • Gondosan készítse elő az anyagminták felületeit a szennyeződés miatti egyenetlenség minimalizálása érdekében. A tiszta felületek hozzájárulnak a reprodukálható eredményekhez.
  • Ellenőrizze a környezeti feltételeket, és tartsa azokat állandóan minden elvégzett vizsgálat során. A teszteket olyan szabályozható környezetben végezze, ahol a lehető legtöbb környezeti tényezőt képes fenntartani. Ez elsősorban a légnyomást (Δp állandó), a hőmérsékletet (ΔT állandó) és a páratartalmat érinti.
  • Végezze el a súrlódási teszteket. Mérje meg az alkalmazott erőket és az ebből eredő reakcióerőket vagy súrlódási erőket a mozgás közben vagy amikor megpróbálja elindítani a mozgást.
  • Ismételje meg többször a súrlódási teszteket, hogy jól használható adatokat kapjon.
  • Számítsa ki a súrlódási együtthatókat (μs és μd) a mért adatok alapján. Használja a megfelelő képleteket a súrlódási együtthatók kiszámításához vagy a kiválasztott anyagkombináció súrlódási értékeinek meghatározásához. Vegye figyelembe a környezeti feltételeket is.

A teszt során mérje meg a következő erőket:

  • Röviddel a tárgy mozgásba hozása előtt mérje meg a rugós erőmérőn a statikus súrlódási erőt.
  • Mérje meg a csúszó súrlódási erőt a rugós erőmérőn, miközben a tárgy mozog.

Ezután számítsa ki a súrlódási együtthatókat:

\mu_s=\frac{F_H}{F_N}

Haftreibungskoeffizient bzw. statischer Reibungskoeffizient

\mu_d=\frac{F_D}{F_N}

Gleitreibungskoeffizient bzw. dynamischer Reibungskoeffizient

A pontos adatok elérése érdekében döntő fontosságú a mérési pontosság és érzékenység. A meghatározott súrlódási együtthatók nagyban függhetnek az adott alkalmazási körülményektől.

A súrlódási értékek kísérleti meghatározása időigényes és költséges lehet. Ennek ellenére elengedhetetlen az anyagok súrlódási tulajdonságainak jobb megértéséhez és a hatékony műszaki alkalmazások kifejlesztéséhez. A pontos és megbízható eredmények eléréséhez gondos tervezésre, pontos végrehajtásra és statisztikai értékelésre van szükség.

A súrlódás fontossága ipari alkalmazásokban

A súrlódás központi szerepet játszik számos ipari alkalmazásban, és alapvető fizikai jelenség, amely nemcsak előnyöket, hanem kihívásokat is jelent.

Számos műszaki rendszerben, például motorokban, hajtóművekben vagy csapágyakban szükség van a súrlódás szabályozására vagy minimalizálására az energiaveszteség és a kopás csökkentése, valamint a hatékonyság javítása érdekében.

  • Mozgásvezérlő és fékrendszerek: A fékrendszerek súrlódást alkalmaznak a gépek mozgásának szabályozására és lassítására. A súrlódási tulajdonságok célzott kihasználása pontos vezérlést és biztonságot tesz lehetővé.
  • Adhéziós súrlódás és stabilitás: Sok alkalmazásban, például ferde felületen állva a statikus súrlódás elengedhetetlen a stabilitás biztosításához és a csúszás megakadályozásához.
  • Anyagkopás és élettartam: A súrlódás anyagkopást okozhat, ami csökkentheti az alkatrészek élettartamát. Fontos megérteni a súrlódási tulajdonságokat a kopás minimalizálása és az alkatrészek élettartamának maximalizálása érdekében.
  • Anyag kiválasztása: Az anyagok súrlódási tulajdonságainak ismerete kulcsfontosságú az anyagok meghatározott alkalmazásokhoz történő kiválasztásakor. A súrlódási értékeket figyelembe kell venni az optimális anyagkombinációk adott célra történő kiválasztásához.
  • Kenés: A hatékony kenés alapvető fontosságú a súrlódás és a kopás csökkentése érdekében számos mechanikus rendszerben, és meghosszabbítja azok élettartamát.

A súrlódás hatása a kopásra

A legtöbb ipari alkalmazásnak a következő célkitűzései vannak:

  • a kopás minimalizálása
  • a rendszer hatékonyságának maximalizálása
  • a rendszer élettartamának maximalizálása

A súrlódás, a kenés, a durvaság és a kopás dinamikus rendszert alkot, és kölcsönösen függenek egymástól.

A súrlódás és a kopás tudományos hátterét a tribológia területén vizsgáljuk, ami a súrlódással, a kenéssel és az alkatrészek kopásával foglalkozik. Minden ipari alkalmazás, ahol a mechanikus alkatrészek együttműködnek vagy találkoznak, úgynevezett tribológiai rendszernek tekinthető.

A kölcsönös interakciókat figyelembe kell venni, különösen hosszú távú alkalmazások esetén:

  • A hőmérséklet és egyéb környezeti feltételek befolyásolhatják a súrlódási tulajdonságokat. Magasabb hőmérsékleten az anyagok lágyulhatnak, ami a súrlódás megváltozásához vezethet. A magas hőmérséklet viszont a kenőanyag meghibásodásához vagy fokozott kopáshoz is vezethet.
  • Az érintkező felületek kopása (pl. lemorzsolódása) hosszú távon befolyásolhatja a súrlódási tulajdonságokat. Ha az anyag lekopik vagy meglazul az érintkező felületeken, az a súrlódási tényezők megváltozásához vezethet. A fokozott kopás a súrlódás fokozódásához és a teljesítmény romlásához is vezethet.
  • A súrlódás befolyásolásában fontos szerepet játszik a kenés, akár folyadék, akár szilárd anyag formájában történik. A megfelelő kenés csökkentheti a súrlódást és minimálisra csökkentheti a kopást. A nem megfelelő kenés vagy a kenés hiánya azonban fokozott súrlódáshoz és kopáshoz vezethet.

Minden ipari alkalmazásban fontos figyelembe venni az interakciókat, és rendszeres kopásellenőrzéseket végezni.

A súrlódás növelésének módjai

Egyes ipari alkalmazásokban fontos lehet az alkatrészek súrlódásának növelése. Például a csavarcsatlakozások meglazulásának megelőzése érdekében.

A súrlódás növeléséhez például a következő módszerek használhatók:

  • Növelje a felület durvaságát vagy érdességét: A felület érdesítése fokozhatja a súrlódást. A durvásítás egyik lehetősége az ún. szemcseszórás (pl. abrazív szemcseszórás), amely során a felület közvetlenül megváltozik. Egy másik lehetőség a felületkezelés, amelyben egy réteget alkalmaznak az alapanyagon – például forró horganyzással.
  • Súrlódó adalékanyagok használata: Bizonyos gépolajokhoz adalékanyagok adhatók a súrlódás növelése érdekében.
  • Adhéziós anyagok vagy párnázás használata: Ragasztók vagy párnázás felhelyezése fokozhatja a súrlódást. A teflonszalag vagy a menetrögzítő folyadék például csavaros csatlakozásokban használható. Ezek az anyagok tömítő hatásúak is lehetnek.

Anyagok és súrlódási együtthatók táblázata

Az alábbiakban a tipikus anyagpárosítások száraz súrlódási együtthatóit tekintheti át.

Tipikus anyagpárok száraz súrlódási együtthatói
Anyagpárosítás Statikus súrlódás
Ötvözetlen acél – ötvözetlen acél 0.4
Szerkezeti acél – réz 0.4
Szerkezeti acél – alumínium 0.36
Szerkezeti acél – sárgaréz 0.46
Szerkezeti acél – öntöttvas 0.2
Szerkezeti acél – alumínium-bronz 0.2
Szerkezeti acél – ólom-bronz 0.18
Szerkezeti acél – üveg 0.51
Szerkezeti acél – szén 0.21
Szerkezeti acél – gumi 0.9
Szerkezeti acél – fluorpolimer 0.04
Szerkezeti acél – polisztirol 0.3
Keményacél – grafit 0.15
Keményacél – fluorpolimer 0.06
Keményacél – nejlon 0.24
Keményacél – üveg 0.48
Keményacél – rubin 0.24
Keményacél – zafír 0.35
Keményacél – molibdén-diszulfid 0.15
Réz – réz 1.4
Ezüst – ezüst 1.4
Ezüst – szerkezeti acél 0.3
Üveg – üveg 0.7
Rubin – rubin 0.15
Zafír – zafír 0.15
Fluorpolimer – fluorpolimer 0.04
Polisztirol – polisztirol 0.5
Nejlon – nejlon 0.2
Fa – fa 0.3
Pamut – pamut 0.6
Selyem – selyem 0.25
Papír – gumi 1
Fa – tégla 0.6
Gyémánt – gyémánt 0.1
Sí – hó 0.05

Hasonló cikkek

A hajtóművek típusai és alkalmazásuk – Fogaskerékhajtások és láncfogaskerekek

Ebben a cikkben bemutatjuk Önnek a különböző típusú hajtóműveket, és elmagyarázzuk azok alkalmazási területeit. A hajtómű számos gép és jármű nélkülözhetetlen alkatrésze. Lehetővé teszi a nyomaték és a sebesség átvitelét a bemeneti tengely és a kimeneti tengely között, ami biztosítja az optimális erőátvitelt.

AlapismeretekÁtvitel
12 perc olvasás

Csőmenetek – Szabványok és standard méretek

Ez a cikk a csőmenetek szabványos méreteit és azok jelentését vizsgálja. A menetes csövek biztonságos és szoros kapcsolatot biztosítanak a csőalkatrészek és a szomszédos komponensek között. Az iparágban ehhez számos szabvány létezik, például DIN/ISO, JIS, BSP, NPT vagy BSW.

AlapismeretekNormál alkatrészek
13 perc olvasás

Feszítőcsapok – Kialakítás és alkalmazás áttekintése

A feszítőcsapok vagy rugós csapok rugóacélból készült mechanikus rögzítőelemek. Ezek az elemek biztonságosan és megbízhatóan kötik össze az alkatrészeket, miközben bizonyos fokú rugalmasságot biztosítanak. Könnyen beszerelhetők, és egyenletes teherelosztást biztosítanak a csap és a furat felületén. Sok iparágban és alkalmazásban használják őket, és különösen hasznosak olyan alkalmazásokban, ahol állandó csatlakozásra van szükség csavarok vagy egyéb rögzítőelemek használata nélkül.

AlapismeretekIllesztésDIN / EN / ISO / JIS
12 perc olvasás

Fogaskerekes hajtóművekre vonatkozó számítások – A legfontosabb képletek a fogaskerékhajtásokhoz

Mivel a fogaskerekek tervezésekor nagy jelentőséggel bír, hogy az érintett fogaskerekek megfelelően kapcsolódjanak és a kopás minimális legyen, különböző alapvető számításokat kell elvégezni. A modul, az osztókörátmérő és a fogszám fontos tényezők. Ebben a cikkben a fogaskerekekkel kapcsolatos számítások legfontosabb szempontjaival és azzal foglalkozunk, hogy mit kell figyelembe venni a fogaskerékegységekkel kapcsolatos számítások során.

AlapismeretekÁtvitel
10 perc olvasás