Коэффициент гистерезисных потерь вычисляется как доля рассеянной в теплоту энергии за деформационный цикл. Величина г для металлов невелика (0,02-0,04) и значительно выше для пластмасс и резины (0,08-0,20).
Многочисленные исследования показали, что для металлов деформационная составляющая коэффициента трения примерно в 100 раз меньше, чем адгезионная. Поэтому коэффициент трения в первом приближении равен адгезионной составляющей. Несколько иначе дело обстоит для пластмасс и резин. В последнем случае различие снижается более чем на порядок, и, если резина скользит по грубо обработанной поверхности, деформационной составляющей пренебрегать не следует.
Важной особенностью резин является быстрое насыщение площади контакта при сравнительно низкой нагрузке. Благодаря высоким значениям (Кvу) при низком номинальном давлении коэффициент трения резин велик и может превышать единицу. Однако с ростом давления он быстро снижается, особенно когда ФПК становится равна НПК и при давлении порядка 50-100 МПа составляет 0,05-0,02.

6.4. Методы экспериментального исследования динамических и
тепловых явлений при сдвиге

Для измерения силы трения применяют различные трибометры. На них изучают трение образцов в виде дисков, контактирующих торцами; цилиндров, контактирующих по образующей, и т.д. Наиболее простым и часто используемым является трибометр, схема которого изображена на рис. 6.9.
Образец 1 прикрепляется к пружинному динамометру 3 и прижимается к контртелу 2, приводимому в движение. Динамометр измеряет силу трения. Прибор позволяет исследовать влияние на трение шероховатости поверхностей, материалов пары трения, нормальной нагрузки, скорости скольжения, температуры, смазки и многих других факторов.
В работах И.В. Крагельского и других ученых, описаны основные реологические модели, характеризующие поведение материалов в зоне контакта. Рост ФПК и силы трения в зависимости от времени неподвижного контакта охарактеризованны в работах И.В. Крагельского и А.Ю. Ишлинского.
Зависимость коэффициента трения от скорости скольжения V в виде экспоненциальной функции предложена И.В. Крагельским и В.С. Щедровым:
.
(6.15)
Параметры а, в, с, d характеризуют режим скольжения и свойства материалов пары трения. Параметр а зависит от физических свойств материалов и шероховатости, параметры в и с - от вязкости и нагрузки, d - от конструкции узла трения и режима скольжения. Однако влияние скорости на свойства контакта при небольшом ее изменении невелико.
Существенный рост скорости приводит к значительному повышению температуры контакта, поскольку мощность трения (FV) превращается в теплоту. Рост температуры, в свою очередь, вызывает заметное изменение свойств материалов в зоне контакта, при этом резко снижается твердость. Поскольку увеличивается ФПК, снижается и интенсивность молекулярного взаимодействия (0, ), происходят химические превращения в поверхностных слоях. При очень больших скоростях скольжения возможно оплавление поверхности, и сухое трение переходит в гидродинамическое. В общем случае с ростом температуры наблюдается снижение коэффициента трения.
Теория тепловых процессов, протекающих при трении, в России наиболее полно разработана профессором А.В. Чичинадзе и его научной школой. В соответствии с этой теорией максимальную температуру на пятне контакта можно представить в виде суммы
,
(6.16)
где - исходная температура пары трения; - средняя объемная температура элемента пары; TS - средняя температура на номинальной (контурной) площади контакта; TB - температурная вспышка на пятне контакта.
Эти факторы опосредованы теплопроводностью пары трения. Задачу теплопроводности обычно формулируют в следующем виде:
Необходимо найти распределение температур в элементах пары трения, когда на контакте действует переменный по времени и положению источник теплоты, а со свободных поверхностей происходит теплоотдача в окружающую среду. При этом учитывают изменение теплофизических характеристик материалов в зависимости от температуры. Решение задачи позволяет рассчитать TV, TS, TB в условиях работы тормозов, сцепления и других узлов трения. Расчеты и эксперименты показали, что Tmax может, даже при сравнительно небольших скоростях, достигать сотен градусов, что приводит к заметным изменениям свойств материалов в тонком поверхностном слое.
При работе разных механизмов часто возникают колебания, связанные с трением. Они приводят к появлению скрипов, которые проявляются при движении (скрип колес, тормозов, скрип протекторов автомобилей, когда машина идет юзом и др.). Такие колебания называются фрикционными.
Фрикционные колебания обусловлены реологическими свойствами контакта, а также упругими свойствами элементов пары трения и их связей с другими деталями. Главным проявлением реологии контакта является рост ФПК, а следовательно, и статической силы трения с увеличением времени неподвижного контакта и скачкообразное падение силы трения при переходе от покоя к движению, а затем падение силы трения с ростом скорости скольжения, вызванное, главным образом, скачком температуры на пятнах контакта. Динамическая модель такой системы изображена на рис. 6.10.
Модель представляет собой последовательно соединенные тела Кельвина-Фойгта и Сен-Венана. Если в целях упрощения принять, что =0, =const , то 2-й закон Ньютона для колебаний ползуна запишется в виде
, (6.17)
где х, и - соответственно перемещение, скорость и ускорение; m – масса ползуна; k – жесткость стыка; - неупругое сопротивление. Решение этого уравнения позволяет найти законы движения ползуна и колебаний тягового усилия. На рис. 6.11. представлен примерный график колебаний тягового усилия. Наиболее обстоятельные теоретические решения в этой области выполнены в МГТУ им. Баумана Ф.Р. Геккером.
В зависимости от уровня демпфирования (вязкости системы ) колебания могут иметь разную интенсивность. От этого зависят устойчивость, надежность и долговечность механических систем, что необходимо учитывать при проектировании механизмов.

6.5. Граничное, смешанное трение и смазка

При уменьшении слоя смазки возможен режим трения, при котором законы гидродинамики перестают действовать. В соответствии с Международным стандартом ИСО 4378-3, при граничной смазке объемные вязкостные свойства не проявляются, а смазочное действие определяется свойствами граничных слоев, образующихся в результате физической адсорбции и химической реакции частиц смазки с металлическими поверхностями узлов трения.
При изучении этого вида трения могут быть использованы труды А.С. Ахматова, Б.В. Дерягина, И.В. Крагельского, Р.М. Матвиевского, А. Камерона, Ф. Боудена, В.А. Кудинова и других ученых, определивших основные закономерности граничного трения и смазки [8].
Показано, что адсорбированные слои насыщаются мигрирующими молекулами смазки постепенно. Первый монослой смазки нередко имеет химические связи с металлической поверхностью, которые образуются вследствие хемосорбции. Образованию адсорбированных слоев смазки содействуют поверхностно-активные вещества (ПАВ), вводимые в состав смазок (жирные кислоты, спирты, эфиры, амины, амиды и т.д).
В состав адсорбированного слоя могут входить твердые мелкодисперсные частицы, например, графиты, и др. Здесь имеет место адгезия твердых частиц к металлу, которая может быть усилена, например, натиранием поверхности порошками или суспензиями порошков.
Область существования граничного трения может быть показана с помощью так называемой асимптоты проф. Петрова (см. рис. 6.12) Она расположена между областями «сухого» и гидродинамического трения.

Рис. 6.12. Области видов трения:
1- область «сухого» трения; 2 - область гидродинамического
трения; граничное трение; 3- асимптота Петрова (So = /N – обобщенное число
Зоммерфельда: η - вязкость, n – частота колебаний, N - нормальная нагрузка).

Схема граничной смазки показана на рис. 6.13.


Рис 6.13. Схема граничного трения:
1 - хемсорбированный слой смазки; 2 – адсорбирован-
ный слой смазки твердых частиц, газа и др.
Граничные адсорбированные и ориентированные слои смазки на металлических поверхностях обладают большей механической прочностью и способны выдержать без разрушения давление до 100 МПа. При увеличении температуры прочность адсорбированных слоев снижается, а сила трения резко возрастает, что говорит о разрушении граничного смазочного слоя.
При смешанном трении имеют место три вида взаимодействия: наиболее выступающие неровности выдавливают смазку, что создает металлический (сухой) контакт. На неровностях меньшей высоты удерживаются граничные слои смазки, а на впадинах запасается смазочная жидкость, которая создает гидродинамический эффект. Таким образом, сила трения включает в себя три составляющие:

Fтр= Fсухого трения + Fграничного трения + Fгидродинамического трения . (6.18)

Смешанное трение нередко возникает п