Jak tarcie wpływa na opór ruchu

Raven Media – Maciej Blum
Maciej Blum
14.3.2022
Reklama
Reklama

Tarciem nazywamy zbiór wielu zjawisk, które występują w obszarze styku dwóch przemieszczających się wzajemnie ciał. W wyniku tych zjawisk powstają opory ruchu, które w niektórych sytuacjach są pożądane, lecz w większości przypadków próbuje się je minimalizować.

 

  • Ze względu na kryterium ruchu tarcie dzieli się na statyczne i kinetyczne.
  • Ze względu na różnice wartości siły tarcia między tarciem statycznym a dynamicznym można zaobserwować, że podczas hamowania i zablokowania kół samochodu auto pokona dłuższy odcinek drogi do zatrzymania.
  • Ze względu na lokalizację tarcie można podzielić na wewnętrzne i zewnętrzne.
  • Tarcie płynne występuje wtedy, gdy powierzchnie tarcia są w ruchu i są rozdzielone warstwą ciekłego środka smarnego. Opory ruchu są w tym przypadku zależne od tarcia wewnętrznego oleju.
  • Wprowadzenie między powierzchnie trące substancji smarnej powoduje zmianę tarcia zewnętrznego na tarcie wewnętrzne w tej substancji.

Ze względu na kryterium ruchu tarcie dzieli się na statyczne i kinetyczne, z czego statyczne ma większą wartość. Różnicę między tymi dwoma rodzajami tarcia można zaobserwować w przypadku styku opon z nawierzchnią drogi.

W trakcie normalnej jazdy mamy do czynienia z tarciem statycznym. Oznacza to, że na styku opony z jezdnią nie występuje różnica prędkości dwóch stykających się powierzchni – powierzchnia przylegania opony i powierzchnia jezdni, do której ona przylega, nie przemieszczają się względem siebie. Dzięki temu tarciu możliwe jest pokonywanie zakrętów, przyspieszanie i hamowanie. Tarcie dynamiczne obserwujemy na przykład podczas gwałtownego hamowania, kiedy zerwana zostaje przyczepność.

Ze względu na różnice wartości siły tarcia między tarciem statycznym a dynamicznym można zaobserwować, że podczas hamowania i zablokowania kół samochodu auto pokona dłuższy odcinek drogi do zatrzymania niż samochód, w którym podczas hamowania koła nie zostaną zablokowane, lecz będą na skraju zablokowania.

Ze względu na lokalizację tarcie można podzielić na wewnętrzne i zewnętrzne. W przypadku tego pierwszego mamy do czynienia z tarciem cząsteczek o siebie w gazach lub płynach. Takie tarcie powstaje na przykład wewnątrz samego oleju silnikowego, a jego pochodną jest lepkość oleju. Oleje o niskiej lepkości mają lepszą rozpływność, dzięki czemu mniej energii jest tracone na pokonanie ich tarcia wewnętrznego. Zaczyna to mieć znaczenie w nowoczesnych silnikach, w których wykorzystuje się praktycznie każdy sposób, aby zmniejszyć straty i podnieć sprawność jednostki.

Tarcie zewnętrzne występuje na styku dwóch powierzchni – na przykład na styku tłoka z cylindrem.

Smarowanie hydrodynamiczne w łożysku ślizgowym. Źródło: archiwum autoEXPERTA
Reklama

Tarcie płynne występuje wtedy, gdy powierzchnie tarcia są w ruchu i są rozdzielone warstwą ciekłego środka smarnego. Opory ruchu są w tym przypadku zależne od tarcia wewnętrznego oleju, które jest tym większe, im większa jest jego lepkość. Przykładowym miejscem występowania tego rodzaju tarcia jest osadzenie wału korbowego w łożyskach głównych lub korbowodów (z panewkami) na czopach korbowodowych wału.

Reklama

Tarcie suche występuje wtedy, gdy dochodzi do styku czystych powierzchni ciał stałych, na przykład na styku opon z asfaltem czy styku klocków hamulcowych z tarczą hamulcową. W takim przypadku większość energii mechanicznej jest zamieniana na ciepło (nawet 95%). Pozostała energia bierze udział w procesach takich, jak pękanie materiałów trących, powstawanie w nich defektów, elektryzowanie materiałów, ich ścieranie się, deformacja plastyczna, wibracje i inne. Poza niektórymi przypadkami, w których tarcie suche jest pożądane (działanie hamulców, przekładni ciernych, przyczepność opon) w większości przypadków próbuje się je zminimalizować. W wyniku tarcia mogą bowiem wystąpić bardzo duże opory tarcia i zużycie materiałów trących. Bardzo często prowadzi to do ich uszkodzenia, ponieważ w mikroskopowej skali na powierzchniach styku trących materiałów występuje mechaniczny opór ruchu (spowodowany zaczepianiem o siebie nierówności trących materiałów) oraz opór spowodowany przyleganiem do siebie materiałów (adhezja).

Opór tarcia (T) wyrażany jest jako siła tarcia lub współczynnik tarcia i określa się go wzorem:

T = µ × N

gdzie:
µ – współczynnik tarcia,
N – obciążenie, czyli siła działająca prostopadle do powierzchni trącej.

Ze wzoru wynika, że opór tarcia jest tym większy, im większa jest siła dociskająca, a także tym większy, im większy jest współczynnik tarcia.

Rola substancji smarnej

Wprowadzenie między powierzchnie trące substancji smarnej powoduje zmianę tarcia zewnętrznego na tarcie wewnętrzne w tej substancji. Wtedy mamy do czynienia z tarciem płynnym, czyli tarciem, w którym powierzchnie tarcia oddzielone są warstwą środka smarnego o takiej grubości, że nie występuje stykanie się wierzchołków mikronierówności obu trących powierzchni. Występuje wtedy tylko tarcie wewnętrzne środka smarnego, czyli tarcie płynne. Opór tarcia płynnego zależy od grubości warstwy środka smarnego, jego lepkości i prędkości poślizgu trących elementów. Podczas tarcia płynnego energia rozpraszana jest w czasie ścinania środka smarnego, powodując jego nagrzewanie. Ponadto środek smarny odprowadza ze strefy tarcia zanieczyszczenia i produkty zużycia, a także zabezpiecza powierzchnie przed korozją.

Ze szczególnym rodzajem tarcia płynnego mamy do czynienia przy smarowaniu hydrodynamicznym, które można spotkać na przykład w miejscu osadzenia wału korbowego w panewkach głównych i korbowodów w panewkach korbowodowych na czopach wału korbowego. Smarowanie hydrodynamiczne występuje, kiedy powierzchnie tarcia są rozdzielone warstwą środka smarnego powstałą na skutek generowanego w niej ciśnienia, która wynika z przepływu tego środka. Między czopem wału a panewką tworzy się wtedy warstwa oleju, która zapobiega stykaniu się dwóch współpracujących ze sobą powierzchni metalowych.

Wielkość siły tarcia (T) w smarowaniu hydrodynamicznym wyraża się wzorem:

                 V × A
T = η × ---------------
                   h
gdzie:
η – lepkość dynamiczna,
V – prędkość poślizgu,
A – wielkość współpracujących powierzchni tarcia,
h – grubość warstwy środka smarnego.

Z powyższego wzoru można wywnioskować, że siła tarcia w takim węźle jest tym większa, im większa jest prędkość poślizgu i im większa jest powierzchnia współpracujących ze sobą elementów oraz im większa jest lepkość oleju. Siła tarcia maleje wraz ze wzrostem grubości warstwy oleju między współpracującymi elementami metalowymi.

Smarowanie elastohydrodynamiczne

Kolejnym rodzajem smarowania jest smarowanie elastohydrodynamiczne. Na styku tarciowym naciski są bardzo duże i powodują duży wzrost lepkości oleju i odkształcenia sprężyste na powierzchniach tarcia. Ten rodzaj tarcia występuje w przekładniach zębatych, na styku krzywek i popychaczy oraz na stykach kulek z bieżnią w łożyskach tocznych.

Aby spełnić wszystkie wymagania stawiane środkom smarnym, konieczne jest połączenie chemii, fizyki i mechaniki w celu opracowania środka smarnego, który będzie spełniał swoje zadanie, a przy tym nie będzie się degradował i będzie chronił silnik. Każdy olej jest mieszaniną oleju bazowego i  dodatków (zwykle w proporcji ok. 80% bazy i ok. 20% dodatków). Sam olej bazowy – nawet ten najlepszy – nie jest w stanie wystarczająco chronić silnika, dlatego stosowanie dodatków uszlachetniających jest niezbędne i odgrywa istotną rolę.

Bazy olejowe

Oleje bazowe podzielono wg API na pięć grup. O przynależności do określonej grupy decyduje zarówno budowa chemiczna czy metoda powstawania oleju, jak i odporność na starzenie (określana za pomocą testu TOST Life). Bardzo ważnym parametrem jest także wskaźnik lepkości, czyli zdolność oleju do utrzymywania w miarę stałej lepkości wraz ze zwiększaniem się temperatury oleju. Im spadek lepkości mierzony między temperaturami 40°C a 100°C jest mniejszy (stabilność lepkości większa), tym większy jest wskaźnik lepkości (VI – Viscosity Index).

Do pierwszej grupy – Grupa API I – należą konwencjonalne oleje mineralne. Są one produkowane w procesie głębokiej rafinacji z ropy naftowej, co zapewnia im jedynie podstawową trwałość – minimum 1000 godz. w teście TOST Life.

Coraz częściej oleje konwencjonalne Grupy I zastępowane są olejami z Grupy API II o znacznie lepszych parametrach. Otrzymuje się je w procesie hydrorafinacji konwencjonalnych olejów mineralnych, zapewniającym trwałość od 4 tys. do 6 tys. godz., co umożliwia ich zastosowanie w produktach o przedłużonym działaniu.

Do Grupy API III należą węglowodory otrzymywane różnymi metodami. Znajdziemy tu zarówno w 100% syntetyczne oleje otrzymywane z gazu ziemnego metodą GTL (Gas to Liquid), jak i (podobnie jak w przypadku grupy II) oleje pochodzące z ropy naftowej, głęboko przetworzone w trakcie procesów hydrokatalitycznych przebudowy łańcuchów węglowodorowych (HC Synthese).

Grupa API IV jest zarezerwowana dla polialfaolefin (PAO). Jest to produkt polimeryzacji etylenu otrzymanego z ropy naftowej przez kraking surowej benzyny. Grupę API III i IV tworzą syntetyczne węglowodory, wytrzymujące we wspomnianym teście od 14 tys. do nawet 16 tys. godz.

Do Grupy API V należą wszystkie inne bazy olejowe, np. PAG – polialkilenoglikole, estry zarówno pochodzenia naturalnego, jak i syntetycznego, oraz naturalne oleje roślinne poddane procesom przetwórczym. Ich jakość i przydatność do smarowania różnego rodzaju maszyn jest bardzo zróżnicowana.

Dodatki powodują, że olej silnikowy spełnia nie tylko podstawową rolę środka smarnego ograniczającego procesy tarcia. Odpowiednio dobrane komponenty uszlachetniające czynią z niego także produkt czyszczący i ochraniający. Ponadto zapewniają mu wysoką odporność na drastyczne zmiany parametrów środowiska pracy (np. skoki temperatury) oraz zapobiegają wielu naturalnym, lecz szkodliwym dla silnika procesom fizykochemicznym.

Co jeszcze znajduje się w oleju?

Jednym ze składników oleju silnikowego są detergenty. Minimalizują one tworzenie się zanieczyszczeń, które powstają na skutek pracy silnika, oraz zapobiegają przyklejaniu się złogów do metalowych powierzchni. Jednocześnie dezaktywują kwasy, co zapobiega korozji.

Dyspergatory zapobiegają koagulacji samoprzylepnych złogów i zanieczyszczeń. Sprawiają też, że cząsteczki pozostają zawieszone w płynie i są transportowane do filtra, a nie zalegają na dnie miski olejowej.

Dodatki smarnościowe to zróżnicowane substancje, do których zalicza się dodatki przeciwzużyciowe (Anti-Wear) oraz zwiększające odporność oleju na skrajne ciśnienie (Extreme Pressure), modyfikatory tarcia i inhibitory korozji. Mają one kluczowe znaczenie dla tarcia granicznego, czyli takiego, w którym na styku powierzchni trących zaczyna brakować środka smarnego.

Pod wysokim ciśnieniem i w przypadku zwiększonego obciążenia, metalowe powierzchnie ruchomych elementów mogą zbliżyć do siebie na tak małą odległość, że w wymiarze mikroskopijnym dojdzie do kontaktu nierównych powierzchni. Kolidujące wypukłości powierzchni prowadzą do uszkodzenia mechanicznego, a nawet zacierania się powierzchni metalowych.

Modyfikatory tarcia ograniczają tarcie i działają w zakresie nacisków oraz temperatur, w których nie działają jeszcze dodatki smarnościowe.

Inhibitory korozji tworzą powłokę przeciwdziałającą osadzaniu się na metalowych komponentach silnika wody. Zabezpiecza to silnik przed destrukcyjnych zjawiskiem korozji.

Dodatki konserwujące olej

Tę grupę stanowią przede wszystkim przeciwutleniacze i antyspieniacze. Przeciwutleniacze (antyoksydanty) to składniki, które spowalniają proces starzenia się oleju na skutek utleniania. Antyspieniacze zapobiegają tworzeniu się piany, jaka mogłaby powstać na skutek intensywnego mieszania się oleju z powietrzem. Pienienie oleju pogarsza jego pompowalność i dodatkowo może powodować proces kawitacji, który jest niszczący dla powierzchni współpracujących.

Dodatki usprawniające olej

Zalicza się do nich modyfikatory lepkości, które zwiększają lepkość oleju. Składają się one z długich łańcuchów węglowodorowych, które w niskich temperaturach zajmują mało przestrzeni, jednak rozszerzają się, kiedy temperatura rośnie.

Na podstawie: Wstęp do tribologii i tribochemia autorstwa Stanisława Płazy, Leszka Margielewskiego i Grzegorza Celichowskiego oraz informacji z firm Motul i Bizol

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama