Сила сопротивления относительному перемещению двух тел называется силой трения. Различают силу трения покоя и силу трения движения. Трение Fт движениям зависимости от характера относительного движения разделяют на трение скольжения, трение качения, трение верчения, как разновидность трения скольжения.
Часто трение скольжения и трение качения сменяют друг друга.
Трение скольжения может быть сухим, граничным или жидкостным. Сухим называется трение между твердыми телами, поверхности которых имеют на себе пленки окислов и адсорбированные на их поверхности молекулы газа, а также мелкие твердые частицы, взвешенные в атмосфере.
Силы трения покоя Fт, пока сдвигающая сила F eщёне вызвала скольжение тел, зависит от продолжительности контакта тел в покое. Когда изменится знак неравенства F > Fт скорость скольжения возрастет скачкообразно (рис. 112).
По современным представлениям силы трения есть совокупность сил, необходимых для преодоления препятствий в виде микронеровностей поверхности и сил молекулярного взаимодействия соприкасающихся микронеровностей. Фактическая площадь касания поверхностей тел — площадь касания микронеровностей. Даже малые силы, направленные по нормали к номинальным сопряженным поверхностям, вызывают контактные напряжения, в сотни мегапаскалей.
Рис. 112.
Силы сухого трения из-за шероховатости поверхности имеют дискретный характер
Коэффициент трения по закону Кулона
(18.1)
Постоянные В и β зависят от физической природы тел и шероховатости поверхностей, первое слагаемое значительно при малой шероховатости, при отсутствии окисных пленок на поверхности тел и малых значениях. При скольжении тела микронеровности разрушаются, площадь контакта растет. Возникают колебания, статическое электричество.
Вследствие пластических деформаций и колебаний часть энергии рассеивается в виде тепла
Коэффициент трения явно зависит от скорости скольжения vск (рис. 113) и косвенно от нормальной силы Fn:
(18.2)
где a, b, c, d – постоянные, зависящие от природы тел и силы Fn.
Рис.113.
Для некоторых сопряженных пар (металлы и неметаллические материалы) максимумы на кривых 
отсутствуют. Аналитические зависимости вида (18.2) мало исследованы, поэтому в инженерных расчетах используется закон Амонтота, согласно которому
(18.3)
Коэффициенты трения получают экспериментально. Испытываются образцы трущихся пар. Состояние поверхности и образцов материалов в разных лабораториях не одинаково, поэтому результаты испытаний разные. Их средние значения для некоторых материалов приведены в таблице 18.1.
Таблица 18.1
| Материалы | f | Материалы | f |
| Сталь-сталь (чугун) | 0,15...0,20 | Медь-латунь | 0,27 |
| Сталь-алюминий | 0,18...0,20 | Медь-алюминий | 0,27 |
| Сталь-бронза оловянная | 0,16 | Латунь-латунь | 0,16 |
| Сталь-латунь | 0,19 | Латунь-алюминий | 0,27 |
| Сталь-бумага | 0,20 | Латунь-рифленый цинк | 0,50 |
| Сталь-резина | 0.35...0,40 | Бронза-бронза | |
| Сталь-текстолит | 0,20...25 | Бронза-алюминий | 0,22 |
| Сталь-ферадо | 0,30.,.0,35 | Алюминий-алюминий | 0,22 |
| Cталь-медь | 0,13 | Резина-бумага | 0,39 |
| Медь-медь | 0,20 | Рифленая латунь- бумага | 0,42 |
От сухого трения отличают так называемое граничное трение между сопряженными поверхностями, на которых кроме пленок окиси находятся тонкие пленки адсорбированных из воздуха веществ—молекул кислорода, воды и тонкие масляные пленки.
Чем выше молекулярный вес перечисленных здесь пленок, тем меньше коэффициент трения. Кроме того, тонкая масляная пленка, проникая в микропоры поверхности, снижает прочность металлов у поверхности, что приводит к пластическим деформациям, выравниванию поверхности, к снижению коэффициента трения.
Когда в зазор между звеньями кинематических пар подается смазка, характер трения изменяется. Скольжение происходит между частицами масла, прилипшими к поверхностям тел, если толщина его слоя больше суммы высот микронеровностей. Прилипание масла к поверхностям кинематических пар происходит под действием молекулярных сил твердого тела. Это явление называется адсорбцией. Образуется тонкий пограничный слой, в котором молекулы масла ориентированы. Вне пограничного слоя они расположены хаотически.
Упорядоченное расположение молекул масла в пограничном слое превращает граничный слой в квазикристаллическое образование с пределом прочности в 3000 МПа.
Вследствие вязкости масла оно сопротивляется сдвигу.
Износ при трении. До сих пор в теории упругости и связанных с нею исследованиях пользуются терминами напряжение и деформация, прочность и жёсткость, то есть, по существу, понятиями сил и перемещений. Однако сейчас всё больше склоняются к энергетической концепции. Такой подход позволяет объяснить очень многое, и его кладут в основу современных моделей прочности материалов и поведения конструкций, то есть в основу механики разрушения.
Под энергией здесь понимается способность совершать работу. Существует множество видов энергии — потенциальная, тепловая, химическая, электрическая и т.д. В материальном мире всякое событие сопровождается превращением одной формы энергии в другую. Энергия не может быть создана или уничтожена, так что общее количество энергии, имевшееся до какого-либо физического процесса, остаётся таким же и после него. Этот принцип, как известно, называется законом сохранения энергии.
Способность материала или детали запасать упругую энергию и при действии нагрузки отклоняться упругим образом без разрушения называется резильянсом и является очень ценным качеством конструкции. Резильянс можно определить как количество упругой энергии, которое можно запасти в конструкции, не причиняя ей повреждений. Это важное качество для любой конструкции, так как без него она не могла бы поглощать энергию ударов: чем большим резильянсом обладает конструкция, тем лучше. (Например, зубья колёс с твёрдой поверхностью и мягкой сердцевиной.)
Движущееся тело «расходует» свою энергию не только на преодоление сопротивления окружающей среды, но и из-за наличия трения. Сила трения действует на поверхности соприкосновения тел и затрудняет их перемещение относительно друг друга. С точки зрения надёжности трению принадлежит ведущая роль в оценке энергетической эффективности машин. С одной стороны идёт борьба за уменьшение потерь на трение, за увеличение КПД, с другой - совершенствование тормозов, фрикционов и т.д. - проблемы, которые приходится постоянно решать в инженерной практике.
Различают следующие виды трения: трение покоя, трение скольжения и трение качения. Трение покоя проявляется лишь в том случае, когда тело, находящееся в состоянии покоя, приводится в движение. Коэффициент трения покоя обозначается f0. Трение скольжения возникает в результате зацепления микронеровностей и от молекулярных сил притяжения при относительном поступательном или вращательном перемещении тел.
В поступательной кинематической паре сила трения Fтр всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения в сторону, противоположную движению. Она всегда меньше силы нормального давления Fn. При отсутствии режима жидкостного трения Fтp = f ∙ Fn, где f — коэффициент трения скольжения. Он значительно меньше коэффициента трения покоя (f < f0).
Рис. 114. Диаграмма Герси-Штрибека
Во вращательной кинематической паре зависимость коэффициента трения от скорости v или параметра 
описывается диаграммой Герси-Штрибека (рис. 114). При условии жидкостного трения сила трения Fтp = fтp ∙ v, где fтp - коэффициент вязкого трения, он зависит от толщины смазки, её вязкости и величины поверхностного соприкосновения.
Трение качения проявляется в том случае, когда тело катится по опоре. Сила трения качения зависит от радиуса катящегося предмета. Трение качения возникает в высших кинематических парах (колесо - дорога, тела качения и дорожки колец в подшипнике качения), когда возможно взаимное качение звеньев. Сопротивление качению звеньев (рис. 115) выражают обычно моментом пары сил трения качения Мтр = F∙k, где к - коэффициент трения качения. Направление момента Мтр противоположно направлению соответствующей относительной угловой скорости со.
Рис. 115. Коэффициент трения качения
Трение - это сложный механо-физико-химический процесс, результатом которого являются нагрев и изнашивание. Экспериментально установлено, что большая часть энергии, выделяющаяся при трении (до 99 %), переходит в теплоту и только ничтожная часть (около 1 %) поглощается материалом трущейся пары и затрачивается на износ. Однако больше 80% деталей машин выходит из строя по причине износа.
Износ - это результат процесса постепенного изменения размеров и потери массы детали по её поверхности, происходящего при трении под действием поверхностных сил. Сам этот процесс называют изнашиванием. Изнашивание, так же как и трение, является комплексным процессом, не относящимся к основным, базовым закономерностям физики. Износ является наиболее характерным видом разрушения поверхностей деталей в большинстве машин и механизмов: изнашиваются направляющие и опоры скольжения, поверхности трения фрикционных муфт и тормозов; зубья в зубчатых, червячных, цепных и винтовых передачах; цилиндры и поршневые кольца; кулачки и шарниры, а также многие другие детали машин.
Современное представление о природе изнашивания базируется на хорошо изученном факте дискретности контакта шероховатых тел. Контактирование и изнашивание происходят в отдельных микроконтактах, так как фактическая площадь контактов составляет примерно 1…2 %. При этом фактическое контактное давление (напряжение в контактах) многократно превосходит номинальное (удельное) давление в результате влияния шероховатости и волнистости.
В современной теории изнашивания интенсивность износа не связывают с касательными силами трения, так как далеко не вся энергия, выделяющаяся при трении, идёт на разрушение поверхности, и, как видно из диаграммы Герси-Штрибека (см. рис.114), при одинаковом коэффициенте трения износ будет зависеть от режима трения.
ЛЕКЦИЯ №19
