Stanovení tření a koeficientu tření hodnot tření materiálů

Koeficient tření je fyzická proměnná odvozená z tribologického pole pro tření mezi dvěma objekty. Koeficient tření stanoví sílu, která vzniká během tření (frikční síla) ve vztahu k síle, kterou jsou předměty k sobě přitlačeny (stlačovací síla). Koeficient tření je tedy důležitým parametrem při zkoumání opotřebení materiálu a kluzných vlastností. Tento článek vysvětluje základy koeficientu tření, metody jeho měření a jeho využití v technologii.

Co je suché tření?

Celkové tření je odpor mezi dvěma pevnými povrchy a zpožďuje relativní pohyb v opačném směru.

Suché tření je speciální typ tření, když mezi povrchy není žádné mazivo nebo kapalina. Suché tření do značné míry závisí na drsnosti kontaktních povrchů.

Když hrají roli kapaliny nebo maziva, nazývá se to kapalné tření. V jiných médiích (např. ve vzduchu nebo ve vodě) se však označuje jako vzdušné tření nebo průtokové tření.

Tření lze pozorovat v mnoha průmyslových aplikacích a situacích, jako je například při šroubování šroubu do vnitřního závitu. Nebo když se matice se závitem pohybují podél šroubu (např. při 3D-tisku). Cílem je obvykle minimalizovat tření a tím zvýšit odolnost systému proti opotřebení.

Typy suchého tření

Suché tření lze rozdělit do dvou kategorií:

• Statické tření: Statické tření nastává, když jsou oba povrchy v kontaktu, ale dosud nebyly vzájemně posunuty.
• Dynamické tření: K dynamickému tření dochází, když je vnější síla dostatečně velká na to, aby zahájila pohyb mezi dvěma povrchy.

Tyto dvě kategorie suchého tření vykazují odlišné chování.

Statické tření

Statické tření (známé také jako adhezivní tření) nastává, když vyvinutá síla není dostatečně velká pro zahájení pohybu a objekt zůstává statický nebo v rovnováze.

Výpočet statické třecí síly

Statický koeficient tření (μ_s) popisuje poměr mezi normální silou (F_N) a výslednou reakční silou nebo adhezivním třením (F_H) před zahájením pohybu – tj. v klidové poloze:

Na normální sílu v nakloněné rovině s úhlem tření se vztahuje následující:

Následující informace platí pro normální sílu v rovině bez úhlu tření:

Koeficient tření je vždy bez jednotek a je určen experimentálně. Ve většině případů již byly stanoveny třecí koeficienty různých párování materiálu (např. ocel na oceli) a lze je nalézt v příslušné odborné literatuře – viz také „Materiály a tabulka s třecími koeficienty“.

Dynamické tření

Dynamické tření (také známé jako kinetické tření) nastává, když je vyvinutá síla dostatečně velká na to, aby uváděla objekt do pohybu.

Výpočet dynamické třecí síly

Dynamický koeficient tření (μ_d) popisuje poměr mezi třecí silou (F_R) a normální silou (F_N) během pohybu mezi povrchy:

Na normální sílu v nakloněné rovině s úhlem tření se vztahuje následující:

Následující informace platí pro normální sílu v rovině bez úhlu tření:

Koeficient tření je vždy bez jednotek a je určen experimentálně. Ve většině případů již byly stanoveny třecí koeficienty různých párování materiálu (např. ocel na oceli) a lze je nalézt v příslušné odborné literatuře – viz také „Materiály a tabulka s třecími koeficienty“.

Experimentální stanovení koeficientů tření a hodnot tření

Koeficienty tření pro statické tření a dynamické tření musí být stanoveny experimentálně, protože závisí na různých faktorech, jako je povrchová textura a drsnost, rychlost pohybu a podmínky prostředí.

Experimentální stanovení koeficientů tření a hodnot tření vyžaduje přesný výkon testů tření za řízených podmínek.

• Navrhněte vhodné nastavení testu, které umožní, aby se o sebe navzájem třely dva vzorky materiálu nebo povrchy. Nastavení by mělo umožnit použití vnější síly nebo hmotnosti pro zahájení tření a ovládání pohybu.
• Vyberte materiály, pro které chcete stanovit koeficient tření, a ujistěte se, že jsou povrchy čisté a bez kontaminace. Povrchy by měly reprezentovat skutečné podmínky aplikace.
• Pečlivě připravte povrchy vzorků materiálu, aby se minimalizovaly nerovnosti způsobené kontaminací. Čisté povrchy přispívají k reprodukovatelným výsledkům.
• Zkontrolujte okolní podmínky a udržujte je konstantní při každém prováděném testu. Testy provádějte v kontrolovatelných prostředích, kde můžete udržovat co nejvíce faktorů prostředí konstantních. To ovlivňuje hlavně tlak vzduchu (konstanta Δp), teplotu (konstanta ΔT) a vlhkost.
• Proveďte testy tření. Změřte aplikované síly a výsledné reakční síly nebo třecí síly, když se pohyb odehrává nebo když se pokoušíte spustit pohyb.
• Několikrát zopakujte testy tření, abyste získali smysluplná data.
• Vypočítejte koeficienty tření (μ_s a μ_d) na základě naměřených dat. Použijte příslušné vzorce pro výpočet koeficientů tření nebo pro stanovení hodnot tření pro vybranou kombinaci materiálu. Všimněte si také podmínek prostředí.

Během testu změřte následující síly:

• Změřte statickou třecí sílu na měřidle síly pružiny krátce předtím, než se objekt uvede do pohybu.
• Změřte kluznou třecí sílu na měřidle síly pružiny, zatímco se objekt pohybuje.

Poté vypočítejte koeficienty tření:

Přesnost měření a citlivost jsou rozhodující pro získání přesných dat. Určené koeficienty tření mohou značně záviset na konkrétních podmínkách aplikace.

Experimentální stanovení hodnot tření může být časově náročné a nákladné. Přesto je nezbytné lépe porozumět třecím vlastnostem materiálů a vyvíjet efektivní technické aplikace. K dosažení přesných a spolehlivých výsledků je nutné pečlivé plánování, přesné provedení a statistické vyhodnocení.

Důležitost tření v průmyslových aplikacích

Tření hraje ústřední roli v různých průmyslových aplikacích a je základním fyzikálním jevem, který přináší nejen výhody, ale také výzvy.

V mnoha technických systémech, jako jsou motory, převodové jednotky nebo ložiska, je nutné ovládat nebo minimalizovat tření, aby se snížily energetické ztráty a opotřebení a zlepšila účinnost.

• Řízení pohybu a brzdné systémy: Tření se používá v brzdových systémech k řízení a zpomalení pohybu strojů. Cílené využití třecích vlastností umožňuje přesné řízení a bezpečnost.
• Adhezivní tření a stabilita: V mnoha aplikacích, jako je stání na šikmém povrchu, je statické tření zásadní pro zajištění stability a zabránění sklouznutí.
• Opotřebení materiálu a životnost: Tření může způsobit opotřebení materiálu, což může snížit životnost komponent. Je důležité pochopit třecí vlastnosti, aby se minimalizovalo opotřebení a maximalizovala životnost komponent.
• Výběr materiálu: Znalost třecích vlastností materiálů je zásadní při výběru materiálů pro konkrétní aplikace. Je třeba vzít v úvahu hodnoty tření, aby bylo možné vybrat optimální kombinace materiálů pro konkrétní účely.
• Mazání: Efektivní mazání je zásadní pro snížení tření a opotřebení v mnoha mechanických systémech a prodloužení jejich životnosti.

Vliv tření na opotřebení

Většina průmyslových aplikací má následující cíle:

• minimalizace opotřebení
• maximalizace účinnosti systému
• maximalizace životnosti systému

Tření, mazání, drsnost a opotřebení tvoří dynamický systém a jsou vzájemně závislé.

Vědecké pozadí tření a opotřebení je zkoumáno v oblasti tribologie, učení o tření, mazání a opotřebení komponent. Všechny průmyslové aplikace, kde mechanické součásti spolupracují nebo se setkávají, lze považovat za tzv. tribologický systém.

Vzájemné interakce je třeba vzít v úvahu zejména při dlouhodobých aplikacích:

• Teplota a další podmínky prostředí mohou ovlivnit třecí vlastnosti. Při vyšších teplotách mohou materiály změknout, což může vést ke změně tření. Na druhou stranu vysoká teplota může také vést k poruše maziva nebo zvýšenému opotřebení.
• Opotřebení kontaktních povrchů (např. otěr) může dlouhodobě ovlivnit třecí vlastnosti. Pokud se materiál opotřebuje nebo uvolní z kontaktních povrchů, může to vést ke změně třecích faktorů. Zvýšené opotřebení může také vést ke zvýšenému tření a zhoršení výkonu.
• Mazání ve formě kapalin nebo pevných látek hraje důležitou roli při ovlivňování tření. Vhodné mazání může snížit tření a minimalizovat opotřebení. Špatné mazání nebo nedostatečné mazání však může vést ke zvýšenému tření a opotřebení.

Ve všech průmyslových aplikacích je důležité zvážit interakce a provádět pravidelné kontroly opotřebení.

Opatření ke zvýšení tření

V některých průmyslových aplikacích může být důležité zvýšit tření součástí. Například, aby se zabránilo uvolnění šroubových spojů.

Ke zvýšení tření jsou zavedena následující opatření, například:

• Zvýšení hrubosti nebo drsnosti povrchu: Zdrsnění povrchu může zvýšit tření. Jednou z možností zdrsnění je tzv. otryskávání (např. plošné otryskávání), při kterém se povrch přímo mění. Další možností je povrchová úprava, při které se na základní materiál aplikuje plášť – například pomocí horké galvanizace.
• Používání třecích přísad: Do některých strojních olejů lze přidat aditiva, aby se zvýšilo tření.
• Používání adheziv nebo polstrování: Aplikace adheziv nebo polstrování může zvýšit tření. Teflonová páska nebo kapalina pro zajištění závitů jsou vhodné například pro šroubové spoje. Tato činidla mohou mít také těsnicí účinek.

Materiály a tabulka s koeficienty tření

Níže je uveden přehled koeficientů suchého tření typických párů materiálu.