CURS 1Noiuni i concepte de baz n tribologie1.1. Solicitri mecaniceOpreocupare dominant atiinelor inginereti contemporane este asigurarea funcionrii fr ntreruperi sauavarii amainilor i echipamentelor, garantnd, n acelasi timp, unrandament marei ofiabilitatenalt. Deaceea, chiar dinfazade concepie i proiectare, trebuie luate n considerare posibilele pierderi i deteriorri care pot afecta substanial optimul funciilor tehnice i economice, dar i pe cele care pun n pericol securitatea operatorilor i a altor sisteme. Trecnd n revist solicitrile mecanice generale care pot aciona asupra elementelor i sistemelor, acestea pot fi mprite n dou grupe mari:- solicitri n volum, care rezult din fore dinamice i statice; aceste solicitri fac obiectul de studiu al rezistenei materialelor;-solicitri desuprafa, datoratecontactului i micrii relativedintrecorpuri; aceste solicitrii deteriorrile pe care le produc fac obiectulde studiu al tribologiei (fig. 1.1). Fig. 1.1. Tipuri generale de solicitri de suprafapentru elemente de maini.Tensiunile de suprafa, care sunt deseori indispensabile pentru nsi asigurarea funcionrii sistemelor tehnice, determin pierderi de energie i de material din cauza frecriidar i modificrialeelementelor carezultatal uzurii. Tribologiaarecascop minimizareaacestorpierderi energeticeidematerial, provocatedefrecareiuzur, nc din faza de proiectare a mainilor i echipamentelor, contribuind la asigurarea unei funcionri fr probleme, n condiiile meninerii valorii tehnice i economice a mainilor, prin reducerea uzurii i optimizarea condiiilor de frecare. 1.2. Cuple de frecareRelaiile i interaciunile dintre elementele unui sistem mecanic definesc cuplele de frecare,iar parametrii geometrici, cinematici i dinamici guverneaz natura fenomenelor i proceselor tribologicefrecarea, uzurai ungereancorelaiecu lubrifiantul i materialele elementelor n contact.La nivelul interaciunilor dintre elementele sistemului mecanic, frecarea i uzura sunt ncorelaiecuparametrii cinematici i dinamici i cuprezenalubrifiantului, a particulelor de uzur sau provenite din mediul de lucru, precum i cu caracteristicile de rezisten ale suprafeelor elementelor n contact.Procesele de lubrifiere,care au efecte benefice asupra frecrii i uzurii,sunt n corelaie cu parametrii cinematici i dinamici, fiind limitate de temperatur, condiii de mediu, grad de contaminare.Pentruaasigura fiabilitatea nalt antregului sistemmecanic, fiecare cupl component trebuie s aib o fiabilitate ridicat. La proiectarea elementelor mecanice componente (organe de maini) se aplic criterii de siguran de natur mecanic,pe baza rezistenei larupere, alimitei decurgere, alimitrii deformaiilor elastice, a nivelului de vibraii etc. Pentru cuplele de frecare, care nseamn legturi ntre elemente, este necesar utilizarea unor criterii de siguran de natur tribologic, cum sunt: uzur limitat, nivel limit de frecare i de temperatur, grosime minim de film etc. Aplicarea criteriilor tribologice nproiectare s-aimpus fermdeoarece marea majoritate a avariilor de natur mecanic are la baz deteriorrila nivelullegturilor dintre elementele componente, deteriorri ce provin din necunoaterea proceselor tribologice ce au loc, din utilizarea unor cuple de materiale i a unor lubrifiani neadecvai condiiilor de funcionare, din nerespectarea periodiciti ungerii etc.La nivelul sistemelor de tip industrial, n cadrul crora funcioneaz simultan zeci sau sute de echipamente mecanice,tribologia permite monitorizarea i diagnosticarea funcionrii. La momentul actual se poate realiza asistarea de ctre calculator a tuturor proceselor de ungere, reparaii, revizii, control. Prin predicia i, astfel, evitarea opririlor accidentalealeutilajelor, dincauzedenaturtribologic, sepoateobinecreterea productivitii activitilor industriale.Constructiv, ocupldefrecareesteidenticcuocuplcinematicutilizatn analiza mecanismelor. Funcional, prin luarea n considerare a fenomenelor i proceselor de frecare, uzur i ungere, cupla de frecare are un caracter mult mai larg, cuprinznd aspecte cinematice, dinamice i tribologice.Clasificarea cuplelor de frecare, diferit de cea a cuplelor cinematice, cuprinde 4 clase (fig. 1.2): Cuple de frecare de clasa I. Interaciunea se produce, teoretic, ntr-un punct. Sub aciunea sarcinilor normale, se produce o deformaie de contact pe o suprafa eliptic, cudimensiuni mici (deordinul 10-1-10-2mm, ngeneral) nraport cudimensiunile corpurilor. Exemple de cuple de clasa I (cu contact punctual, fig. 1.2.1a-1g): contacte pe vrfuri -1a, 1b, cupla sfer/plan-1c, cupla mainii cu patru bile-1d, cupla format de doi cilindri neparaleli-1e, rulmenii cu bile (axiali 1f; radiali 1g), angrenaje elicoidale, uruburi cu bile, variatoare EHD, ghidaje cu bile etc. Cuple de frecare de clasa a II-a.Interaciunea se produce, teoretic, pe o linie. Sub aciunea sarcinilor normale se produce o deformaie de contact pe o suprafa de form dreptunghiular,cu limea de ordinul 10-1-10-2mm,n general.Exemple de cuple de clasa a II-a (cu contact liniar, fig. 1.2., 2a-2d): cupla cu dou discuri cu axe paralele (SAE)-2a, cupla cilindru/plan (Timken)-2b, cupla Falex (sau Faville)-2e, n rulmenii cu role, ghidaje cu role, mecanisme cam-tachet-2d, variatoare EHD, transmisii prin roi de friciune-2c, transmisii prin roi dinate cilindrice i conice-2g, transmisii prin lan etc.Cuplele de clasa I i a II-a se mai numesc i cuple superioare i se caracterizeaz prin suprafee de contact reduse ca dimensiuni i prin tensiuni de contact ridicate, 0,5 2,8 GPa i chiar mai mari. Cuple de frecare de clasa a III-a. Interaciunea se produce la nivelul unor suprafee curbe. Exemple, pe tipuri de suprafee (fig. 1.2., 3a-3f): a) suprafee cilindrice: sabot/fus (Amsler)-3a, doi saboi pe fus-3b, lagr de alunecare (Almen)-3c, piston/cilindru-3d, articulaii, frne cu sabot; b) suprafee elicoidale: mecanis-me urub-piuli-3e; c) suprafee sferice: articulaii sferice-3f.CupledefrecaredeclasaaIV-a.Interaciuneadintreelementeseproducela nivelul unor suprafee plane. Exemple (fig. 1.2, 4a-4e): cupla tift/disc-4a, cilindru/disc-4b, disc/disc-4c, discuri de friciune, ghidaje de alunecare-4d, 4e etc.Cuplele de clasa a III-a i a IV-a se mai numesc i cuple inferioare, caracterizndu-seprinsuprafeedecontact alecrordimensiuni sunt comparabilecu dimensiunile elementelor aflate n contact. Tensiunile de contact sunt reduse, 0,5 -20 MPa.Celepatruclasedecupledefrecareimplicinteraciuneadintredoucorpuri solide. n lucrarea [189] se introduce clasa a V-a, n care unul din cele dou elemente ale cuplei este un mediu gazos, lichid sau solid (cu structur cristalin, amorf, pulberi). n aceast clas sunt incluse cele mai multe dintre cuplele de frecare ce se dezvolt la nivelul elementelor activealeutilajelor (fig. 1.25a-5d): interaciuneadintresculi piesa de prelucrat n procesele de achiere, de deformare plastic, interaciunea dintre scul i roc sau sol n cazul instalaiilor de foraj, de prelucrare a solului i a subsolului, industria minier, interaciuneadintre palet i aer sauaplaventilatoare, turbine, sistemul de propulsie a navelor etc.n figura 1.2 se prezint exemple de cuple de frecare ntlnite uzual n construcia de maini, utilaje i echipamente, ct i n studiile tribologice.1.3. Tribosisteme1.3.1. Structura unui sistemStudiul pe baza claselor de cuple de frecare consider interaciunile dintre corpuri numai din punctul de vedere al elementelor geometrice, fiind exclusnatura proceselor tribologice. De aceea a aprut necesitatea utilizrii unui nou concept, cel de sistem tribologic. 1 a1 b1 c1 d1 e1 f1 g2 a2 b2 c2d2 e 2 f2 g3 a 3 b3 c3 d3 e3 f4 a4 b 4 c4 d4 e5 acupl de frecare la prelucrarea prin achiere5 bcupl de frecare la prelucrarea prin deformare plastic5 ccupl de frecare la prelucrarea solului5 dcupl de frecare la transportoare cu bandFig. 1.2. Clasificarea cuplelor de frecareCURS 2Interaciuni ntre triboelementeInteraciuniletribologicentreelementeconstituiecaracteristicilefundamentale aleoricrui tribosistem. Acesteinteraciuni reprezintprocesedinamicecaretrebuie considerate ntotdeauna ca proprieti de sistem ale tribosistemului studiat. n funcie de caracteristicile lor, procesele care au loc n funcionarea unui tribosistempot fi clasificate n trei grupe: procese de contact care determin solicitri tribologice n ambele corpuri; procese de frecare care duc la transmiterea i transformarea energiei mecanice ntre corpuri, cu disipare de energie; procese de uzur care presupun schimbri ale proprietilor materialului i pierderi de material.2.1. Procese de contactProcesele de contact constituie premise ale desfurrii fenomenelor i proceselor defrecarei uzur. Carezultat al complexului desolicitri careafecteazstructura sistemului, la contactul dintre triboelemente se pot distinge urmtoarele caracteristici: contactul dintre corpuri i formarea ariei reale de contact, n funcie de forma geometric i suprafeele tehnice ale corpurilor conjugate; micarea relativ dintre corpuri, n funcie de condiiile cinematice ale sistemului; schimburile i transformrile de energie n zona de contact, n funcie de mecanica i tipul contactului.2.1.1 Geometria contactuluiFormele geometrice ale suprafeelor active ale triboelementelor determin geometria contactului. Suprafeele corpurilor solide n contact care se potrivesc exact sau se pot deforma mpreun sunt suprafee conforme, ca de exemplu n lagrele radiale, axiale, la frne sau ambreiaje, la ghidaje de alunecare.cilindrice (fus cuzinet)plane(ghidaj)conice(asamblarea pe con)Contacte ntre suprafee conformecilindri cu axe paralele sfer pe cilindru flancurile dinilor roilor dinateContacte ntre suprafee nonconformeFig. 2.1 Contacte ntre suprafee conforme i nonconformeContactele ntre suprafeenonconforme(numite i contacte hertziene) pot fi punctiforme sau liniare. La aplicarea ncrcrii exterioare, n cazul suprafeelor nonconforme, aria de contact are dimensiuni mult mai mici dect dimensiunile corpurilor, iar n cazul suprafeelor conforme aria de contact poate deveni comparabil cu acestea.Diversitateaformelor macrogeometricealecorpurilor ncontact aimpus cele cinci clase de cuple de frecare prezentate n capitolul 1.Lanivelul microgeometric, suprafeeleprezint topografii specifice, orict de marear fi gradul lordefinisare. Proeminenelesuprafeei defrecaresedeformeaz elastic, plastic sau se rup, nprezena unei anumite solicitri, nanumite condiii cinematice, ntr-unmediu ambiant specific i n prezena sau lipsa unui material interpus n contactul dintre triboelemente.Acest lucrufacecaproceseledefrecare-ungerescondiioneze, dar i sfie condiionate de suprafaa de frecare. Intercondiionarea acestora are efecte nu numai pe suprafa, ci i pn la o anumit adncime a stratului superficial.Sub aciunea sarcinii normale Fn, contactul static al triboelementelor delimiteaz urmtoarele tipuri de suprafee (fig. 2.2):- suprafaa nominal (An), definit de geometria de contur a corpului mai mic;- suprafaa decontact aparent (Aa) reprezint suma ariilor de contact formate de ondulaiile de prelucrare (numite i abateri de ordinul al II-lea);- suprafaa real de contact (Ar) este suma microsuprafeelor de contact ale asperitilor, prin care se transmite fora de apsare normal i care sufer deformaii cauzate de aceast for. Dup tipul contactului, aceste suprafee caracterizeaz cuplele de frecare astfel:r a nA A A - cuple de clasa I;r a nA A A > - cuple de clasa a II-a;r a nA A A >> >>n1 iirA- cuple de clasa a III-a i a IV-a. Fig. 2.2. Aria real de contact datorat micro-contactelor distincteTrebuie s se fac o distincie net ntre aria geometric sau nominal de contact, An,i aria real de contact, Ar, mult mai mic i care este suma ariilor tuturor micro-contactelor. Ariarealdecontact areoimportandominantntoatetribosistemele deoarece aici au loc toate procesele de frecare i uzur. ncrcarea real pe unitatea de suprafa este mai mare dect ncrcarea aparent. Mai mult, deformaiile elastice i plastice ale proeminenelor profilului suprafeei cresc odat cu fora normal, astfel nct sarcina real pe unitatea de arie, nu crete proporional cu fora normal, spre deosebire de cea aparent. 2.1.2. Cinematica contactuluiCinematica contactului caracterizeaz condiiile de micare relativ ntre corpurile pereche dintr-un tribosistem. Orice micare a unui corp n spaiu poate fi interpretat ca o compunere de micri pariale, de rotaie i translaie. ntr-un sistem de axe ortogonal un corp dispune de maxim 6 grade de libertate, adic o translaie i o rotaie dup fiecare din cele trei axe ale unui sistem otogonal de coordonate. Pentru a ndeplini anumite funcii tehnice, numrul corespunztor de grade de libertate ale unui corp se realizeaz prin alegerea unor anumite tipuri de geometrii ale contactelor. La solicitri tribologice, pentru a caracteriza cinematica contactului, este necesar cunoaterea detaliilor despre: tipul de micare al corpurilor, informaii despre evoluia micrii n timp i spaiu (date de legea de micare), vitezele absolute i relative ale triboelementelor, condiii de realizare a contactului.2.1.2.1. Tipurile de micare ale triboelementelorTipurile de baz, macroscopice, de micare relativ ntre corpuri solide, n condiii de contact continuu, sunt prezentate n continuare. Alunecareaeste untipdemicare lacarevitezele tangenialealecelor dou triboelemente, u1i respectiv u2, pot varia ca mrime i/sau direcie. Alunecarea poate apreantrecorpuri aflatenmicarerelativdetranslaiesauntrecorpuri carese deplaseaz n micare relativ de rotaie.Acest tip de micare este dominant n cazul lagrelor de alunecare i al ghidajelor. Rostogolirea este un tip (ideal) de micare ntre corpuri, la contactele punctiforme sau liniare ale cror viteze sunt identice, ca mrime i direcie fa de zona de contact. Cel puin unul din corpuri face o micare de rostogolire n jurul unei axe n rotaie, care este de fapt localizat n zona de contact. Rulmenii cu role i cu bile sunt exemple de elemente cumicri de rostogolire. Dac prin contact se transmite numai ofor normal, seconsidermicareaderostogolireliber,iar dacforatangenialeste nenul se consider micarea de rostogolire cu traciune. Pivotarea (sau micarea de spin) este o micare ntre dou corpuri, dintre care unul se rotete n jurul unei axe n rotaie, avnd o poziie normal fa de aria de contact, cellaltcorprmnndmacroscopicpe loc(fa dearia decontact).Lagrele conice sunt exemple tipice pentru acest tip de micare.Pentrundeplinireaunorfuncii tehniceesteuneori necesarsuprapunereamai multor tipuri de baz de micare. Tipuri de micri combinate pot fi:- rostogolirea cu alunecare: acest termen se folosete pentru o micare de rostogolire peste care se suprapune una de alunecare; micarea de rostogolire cu alunecare exist ntotdeauna cnd, n zona de contact, forele i momentele se transmit pe baza elasticitii materialelor (de exemplu, la roi dinate sau rulmeni cu role);- rostogolirea cu pivotare, dac peste o micare de rostogolire se suprapune una de pivotare; acest tip de micare apare la rulmenii cu contact unghiular (radiali-axiali);- alunecarea cu pivotare, dac peste o micare de pivotare se suprapune o micare suplimentardealunecare, datorat, deexemplu, extinderii finiteaariei decontact; aceast micare apare la lagrele cu forme complexe.n sistemele tehnice poate avea loc o suprapunere a tuturor tipurilor de micare, un exemplu fiind contactul complex roat de tren/in. La tipurile de micri continue se adaug tipuri de micare ntre corpuri solide cu contacte intermitente i tipuri de micare ntre corpuri solide i fluide (lichide sau gaze). 2.1.2.2. Evoluia micrii n timp i spaiuDin acest punct de vedere se pot distinge: evoluia micriin timp,de exemplu micare continu sau micare intermitent (ntrerupt); evoluia micrii n spaiu, n funcie de direcia i sensul de micare, ca de exemplu, micarea pe direcia dat dar n sens opus, micarea reversibil sau oscilant.2.1.2.3. Viteze ntre corpurile n contactCndnumai unul dincorpurilencontact semic, caracterizarea condiiilor cinematice ntr-un tribosistem este uor de fcut. Cnd ambele corpuri sunt n micare rezultcondiii cinematicemai complicate. S-aunotat cuu1i respectivu2, vitezele tangeniale ale celor dou triboelemente - corpul de baz (1) i corpul de contact (2) - n zona de contact a tribosistemului analizat. Se utilizeaz urmtorii termeni:viteza relativ, 2 1 ru u v , are rolul predominant n disiparea energiei produse prin frecare ct i n creterea asociat cu frecarea, a temperaturi; n tribosistemele lubrifiate influeneaz regimul de frecare fluid n zona de contact, ca i grosimea peliculei de lubrifiant;viteza nsumat,2 1 su u v + : la tribosistemele lubrifiate, viteza nsumat este responsabildecurgereauleiului nzonadecontact i influeneazgrosimea peliculei de lubrifiant n zona de contact;alunecarea specific,2 12 1u uu u2 s+ , caracterizeaz raportul dintre rotaie i translaie pentru un contact ntre corpuri aflate n micare relativ. Pentru a arta condiiile complexe care apar la micri simultane ale corpurilor conjugate, ntabelele2.1i 2.2seprezinttipurilerezultantedemicare, condiiile cinematicei vitezelecaracteristice, folosindexemplul contactului ntredoudiscuri cilindrice.Tabelul 2.1. Condiii cinematice i vitezele corpurilorn contact, pentru alunecareTipul micriivitezatriboelement 1viteza triboelement 2vitezarelativsumavitezeloralunecareaspecific sAlunecareabsolutu1>0 u2=0 vr=u1vs=u1s = 2Alunecarerelativu1>0 u2u1vs

u1>0 u2 = -u1vr=2.u1vs = 0 s = u1>0 u2|u2| vs0vru1 0 < s < 2u1>u2u1>0 u2 = u1 vr = 0 vs = 2 u1 s = 0u1>0 u2>0vr< u2 vs> u2 -2 < s < 0u10 vr= u2 vs= u2 s= -2n acest context rezult dou cazuri limit, care merit s fie investigate atent: alunecarea cu2 1u u : cele dou viteze periferice ale corpurilor sunt egale dar de sens contrar ( s),. n acest caz rezultnd viteza relativ cea mai mare posibil, cnd viteza nsumat vs=0; considerndrostogolireapursauideal( 2 1u u ), vitezeleperifericeauaceeai direcie i sens, i sunt egale n modul (0 s); viteza relativ 0 vr iar viteza nsumat este dublul vitezei periferice a fiecrui corp. 2.1.2.4. Raportul dintre aria de contact i aria de frecareDin cauza micrii relative dintre triboelemente, largi zone de suprafee, chiar variabile ca mrime, sunt supuse proceselor de contact, rezultnd diferite mrimi ale ariilor de contact pentru cuplul de corpuri. Pentru un element, raportul dintre aria nominal de contact i aria total a urmei de frecare, este numit coeficient de acoperire reciproc a suprafeelor,a.n funcie de raportula al corpurilor n contact, ariile de contact pot fi supuse la diferite interaciuni mecanice, fizice i/sau chimice i termice. Fig. 2.3. Definirea coeficientului de acoperire reciproc,aFigura 2.3 arat coeficientula pentru tribometrul tift pe disc. n acest exemplu, tiftul areunraport deacoperire1AAn01 a , ntimpceal 2-leacorp, discul, are raportul 1AA2 I02 a