Áruházunkat magyarra fordítjuk!
Mivel sok termék van az oldalunkon, ez időbe fog telni. Addig is a termékkatalógusunk angol nyelven lesz elérhető. Megértésüket köszönjük!
Az anyagok súrlódásának és súrlódási együtthatójának meghatározása
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.
| 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 |
