Патент на изобретение №2211445

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА КИНЕТИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к методам испытания материалов на трение. Способ определения коэффициента кинетического трения материалов заключается в том, что измеряют период гармонических колебаний однородного по длине стержня, опирающегося на два диска с одинаковыми геометрическими размерами, вращающихся с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях. При этом дополнительно измеряют среднее отклонение центра тяжести стержня от оси, равноудаленной от центров дисков, и определяют коэффициенты трения для каждой пары материалов диск – стержень расчетным путем. Данное изобретение направлено на повышение точности и универсализации предложенного способа путем определения коэффициента трения для каждого диска в отдельности. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам определения коэффициентов кинетического трения материалов.

Известны способы определения коэффициента кинетического трения материалов, заключающиеся в том, что измеряют силу или момент трения в трущейся паре, на основе которого рассчитывают коэффициент трения (см. Справочник по триботехнике, том 3, М.: Машиностроение, 1992, раздел 6.2., стр. 525-545).

Недостатком указанных способов является необходимость измерения силы или момента трения, для чего требуются достаточно сложные технические средства, особенно для измерения малых сил и моментов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения кинетического коэффициента трения, заключающийся в том, что измеряют период гармонических колебаний однородного стержня, опирающегося на два одинаковых диска, вращающихся с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях, расстояние между центрами которых 2а, и рассчитывают коэффициент трения между материалами стержня и дисков по формуле
f₁ = 4²sin/g²,
где – половина угла желоба диска (см. С. Тимошенко, Д. Юнг. Инженерная механика. М.: Машгиз. 1960, стр.273-275, фиг. 543 и 546).

Необходимость измерения непосредственно силы или момента трения здесь отсутствует.

Недостатком известного способа является низкая точность, связанная с тем, что реальные геометрические размеры, качество поверхностей трения и скорости двух дисков не могут быть одинаковы, в частности, по технологическим причинам, а соответственно должны отличаться и коэффициенты трения.

Цель изобретения – повышение точности и универсальности метода определения коэффициента трения путем раздельного определения коэффициента трения каждого диска.

Под материалами стержня и дисков понимаются материалы их трущихся поверхностей.

Указанная цель достигается тем, что способ определения коэффициента кинетического трения материалов, заключающийся в том, что измеряют период гармонических колебаний однородного по длине стержня, опирающегося на два диска с одинаковыми геометрическими размерами, вращающихся с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях, расстояние между центрами которых 2а, дополняют операцией, при которой измеряют отклонение с центра тяжести стержня от оси, равноудаленной от центров дисков, и рассчитывают раздельно коэффициенты трения для каждой пары материалов диск – стержень по формулам
;
,
где – половина угла желоба диска;
g – ускорение силы тяжести.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается тем, что дополнительно измеряют среднее отклонение c центра тяжести стержня от оси, равноудаленной от центров дисков, и рассчитывают раздельно коэффициенты трения для каждой пары материалов диск – стержень по формулам
;
,
где – половина угла желоба диска;
g – ускорение силы тяжести.

На чертеже изображена схема реализации способа.

Стержень 1 опирается на диски 2 и 3, имеющие желоба с углом 2 для предотвращения боковых смещений стержня. Диски 2 и 3 связаны между собой кинематически с передаточным отношением 1, например, зубчатой передачей (на чертеже не показано).

Расстояние между центрами дисков O₁ и О₂ равно 2а.

Стержень 1 снабжен указателем 4, положение которого фиксируется относительно неподвижной шкалы 5.

Измерение происходит следующим образом. Диски 1 и 2 приводят во вращение с одинаковой угловой скоростью навстречу друг другу. Положим, что в паре диск 2 – стержень 1 коэффициент трения составляет f₁, а в паре диск 3 – стержень 1 составляет f₂, причем f₁>f₂.

Тогда положение равновесия стержня 1 будет иметь место, когда центр тяжести стержня отклонится от оси z-z, равноудаленной от центров дисков O₁ и O₂, на некоторое расстояние c, которое определяется из условия равенства сил трения на дисках. Если теперь вывести стержень 1 из этого положения равновесия, то он начнет совершать гармонические колебания около него с периодом колебаний . Рассматривая совместно уравнение равновесия и дифференциальное уравнение колебаний стержня, найдем выражения для коэффициентов трения:


где – половина угла желоба диска;
g – ускорение силы тяжести.

Таким образом, измерив период колебаний и дополнительно смещение c стержня с помощью указателя 4 по шкале 5 (измерение и c может производиться как визуально, так и с помощью технических средств), можно рассчитать раздельно коэффициенты f₁ и f₂. Соответственно могут быть осуществлены меры для сближения этих коэффициентов, например технологические, с тем, чтобы снизить коэффициент вариации 2(f₁-f₂)/(f₁+f₂)=2c/a, т.е. повысить точность измерений или, если это невозможно, оценить погрешность. С другой стороны, предлагаемый метод позволяет одновременно испытывать две пары с заведомо разными коэффициентами трения f₁ и f₂.

Наконец, если воспользоваться эталонной парой, для которой коэффициент трения, например f₁, известен, то коэффициент трения f₂ определяется путем измерения только величины c из расчета
.

Таким образом, предлагаемый способ, включающий измерение величин и c, обеспечивает различные возможности и является универсальным.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента кинетического трения материалов, заключающийся в том, что измеряют период гармонических колебаний однородного по длине стержня, опирающегося на два диска с одинаковыми геометрическими размерами, вращающимися с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях, расстояние между центрами которых 2а, отличающийся тем, что дополнительно измеряют среднее отклонение с центра тяжести стержня от оси, равноудаленной от центров дисков, и рассчитывают раздельно коэффициенты трения f₁ и f₂ для каждой пары материалов диск-стержень по формулам


где – половина угла желоба диска;
g – ускорение силы тяжести.

РИСУНКИ