Триботехника

ТРИБОТЕХНИКА

УЧЕБНИК

Москва

ИНФРА-М

2020

А.И. ДОЦЕНКО
И.А. БУЯНОВСКИЙ

Рекомендовано 

Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию 

в области строительства в качестве учебника для студентов, 

обучающихся по программе бакалавриата по направлению 

«Строительство» (профили «Механизация и автоматизация строительства» 

и «Механическое оборудование и технологические комплексы 

предприятий строительных материалов, изделий и конструкций»)

2-е издание, переработанное и дополненное

ISBN 978-5-16-015079-6 (print)
ISBN 978-5-16-107579-1 (online)

© Доценко А.И., Буяновский И.А., 2014
© Доценко А.И., Буяновский И.А., 2020, 

с изменениями

Р е ц е н з е н т ы :

Кустарёв Г.В., профессор, заведующий кафедрой дорожно-строи
тельных машин Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);

Густов Ю.И., профессор Национального исследовательского Мос
ковского государственного строительного университета

УДК 621.891(075.8)
ББК 34.41я73
 
Д71

Доценко А.И. 
Триботехника : учебник / А.И. Доценко, И.А. Буяновский. — 

Москва : ИНФРА-М, 2020. — 2-е изд., перераб. и доп. – 399 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1016651.

ISBN 978-5-16-015079-6 (print)
ISBN 978-5-16-107579-1 (online)

В учебнике изложена история развития трибологии и ее научно-тех
нического раздела — триботехники — с древнейших времен до наших 
дней. Рассмотрены современные представления о свойствах поверхностей 
твердых тел и их контакте, приведены основы теории трения и износа 
твердых тел и их смазки, даны сведения о современных триботехнических 
материалах, включая наноматериалы, а также методы триботехнических 
испытаний и обеспечения заданной износостойкости и снижения энергетических потерь при трении. 

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению 

«Строительство», а также может быть полезен студентам, обучающимся 
по направлению «Наземные транспортно-технологические комплексы».

УДК 621.891(075.8)

ББК 34.41я73

Д71

ПРЕДИСЛОВИЕ

Трибология — это наука о трении, износе, смазке и взаимодей
ствии контактирующих поверхностей при их взаимном перемещении. Об этом говорит само название, состоящее из греческих слов 
«трибос» — трение и «логос» — наука.

Как наука трибология имеет научно-технические разделы: трибо
технику, трибофизику, трибохимию, трибомеханику, триботехническое материаловедение (трибоматериаловедение), триботехнологию 
и др.

Триботехника — прикладной раздел трибологии, который охваты
вает конечную стадию процесса создания фрикционных сопряжений 
с учетом достижений трибологии.

Как будет показано в гл. 1, различают трение внешнее и внутрен
нее. В машиностроении в большинстве случаев приходится иметь 
дело с внешним трением, которое представляет собой сопротивление 
относительному перемещению, возникшему между двумя телами 
в зонах их соприкосновения по касательной к ним. Явление это распространено повсеместно, и проявления его весьма разнообразны. 
Как отмечает один французский физик, «трение представляет собою 
настолько распространенное явление, что нам, за редкими исключениями, не приходится призывать его на помощь; оно является 
к нам само».

Действительно, трение не проявляется самостоятельно, но всегда 

препятствует любому перемещению тел в различных средах. Разумеется, инженеры стремятся уменьшить трение, так как оно в значительной мере определяет энергетические затраты при работе машин 
и механизмов. Так, преодоление трения поглощает 30–40% всей вырабатываемой в мире энергии, а потери средств в промышленности 
развитых стран вследствие трения и сопутствующего ему износа достигают 4–5% национального дохода. Но хотя в технике трение во 
многих случаях считается крайне вредным явлением, мы должны 
быть ему благодарны, поскольку оно дает нам возможность ходить, 
сидеть и работать без опасения, что книги, ручки и карандаши упадут 
на пол, а шнурки на ботинках развяжутся.

Добавим к этому, что работа ряда узлов и механизмов совре
менных машин и оборудования основана на явлении трения (механические тормоза и фрикционные муфты, сварка и наплавка трением), что на этом явлении основано передвижение автомобиля по 
дороге и поезда по рельсам, что трение неизменно сопутствует человеку с момента его зачатия и до его похорон.

Из явлений, сопровождающих трение, отметим два, оказыва
ющих наибольшее влияние на работоспособность подвижных сопряжений различных машин и механизмов. Это — изнашивание контактирующих деталей подвижных сопряжений машин и механизмов 
и генерирование тепла в процессе трения. Изнашивание деталей машин и его непосредственный результат — износ, являются непременным следствием процесса трения и причиной выхода из строя 
более 80% деталей машин и механизмов. Нагрев трущихся тел приводит к разрушению смазочных слоев, разделяющих их контактирующие поверхности, к интенсификации процесса изнашивания и 
выходу из строя узлов трения, но благодаря этому явлению наши 
предки добывали огонь. Сейчас нагрев позволяет осуществить такой 
технологический процесс, как, например, сварка трением.

Трение и сопровождающие его процессы разнообразны по при
чинам, характеру протекания и по следствиям. Изучающая эти явления триботехника базируется на достижениях ряда дисциплин как 
фундаментальных (прежде всего механики и физической химии), так 
и прикладных (материаловедения, теории механизмов и машин 
и т.д.).

В настоящем учебнике приведены сведения по теоретическим 

основам трения, изнашивания и смазки, триботехническим материалам (включая наноматериалы) и рациональным технологиям получения износостойких антифрикционных и фрикционных покрытий 
и поверхностных слоев на различных элементах узлов трения и деталях машин. Рассмотрены наиболее опасные и вредные виды изнашивания (абразивное, адгезионное, водородное), которые приводят 
к негативным технико-экономическим последствиям.

Цель преподавания дисциплины «Триботехника» состоит в фор
мировании у студентов системы знаний и навыков по фундаментальным вопросам теории трения и изнашивания твердых тел, а также 
умения применять эти знания в дальнейшей практической деятельности.

В результате освоения дисциплины обучающиеся будут:
знать

• основы механико-молекулярной теории трения и изнашивания; 
• виды трения и изнашивания материалов и деталей узлов трения; 
• роль смазки в процессах трения и изнашивания; 
• основные характеристики поверхностного слоя материалов 

и его влияние на износостойкость; 

• конструктивные, технологические и эксплуатационные методы 

повышения триботехнических свойств деталей машин;
уметь

• выполнять расчеты пар трения по критериям изнашивания при
менительно к типовым узлам трения скольжения и качения; 

• осуществлять подбор материалов для пар трения механизмов 

машин; 

• выбирать современные смазочные материалы; 
• оценивать состояние трибосистемы, строить графики износа 

и интенсивности изнашивания и прогнозировать ресурс пар 
трения; 

• пользоваться имеющейся нормативно-технической и справоч
ной документацией;
владеть

• методами и средствами моделирования процессов трения и из
носа; 

• навыками измерения макроотклонений размеров деталей от но
минальных значений; 

• информацией о перспективных направлениях развития трибо
техники.
Учебник предназначен как для студентов вузов, так и для широ
кого круга инженерно-технических и научных работников, специализирующихся в области строительного, дорожного и коммунального машиностроения.

Авторы книги выражают благодарность кандидату технических 

наук В.Д. Самусенко за помощь в подготовке рукописи к изданию.

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ В ТРИБОТЕХНИКУ

1.1. 
ИСТОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТРИБОТЕХНИКИ

Термины «трибология» и «триботехника» стали использоваться 

в научной литературе в 1966 г., хотя уже к тому времени наука о трении, износе и смазке контактирующих тел имела длительную и яркую историю. Еще длиннее был донаучный период ознакомления человека с этим процессом, в течение которого человек учился, с одной 
стороны, ограничивать энергетические затраты при перемещении 
тел, уменьшая трение, с другой — использовать трение в своих интересах — прежде всего как технологический процесс при добывании 
огня. В борьбе с трением уже первобытный человек обратил внимание на то, что внутреннее трение в жидкости намного меньше, чем 
внешнее трение твердых тел, и начал транспортировать грузы на плотах по реке.

Донаучный период развития инженерной мысли был ознамено
ван также такими гениальными открытиями, как замена трения 
скольжения трением качения (изобретение колеса), создание конструкций подшипников скольжения в древних колесницах, которые 
несомненно смазывались (а в надгробии Юки и Туйи была найдена 
колесница, на оси которой даже сохранился смазочный материал, 
нанесенный до 1400 г. до н.э.). Повседневные наблюдения пытливых 
умов позволили не только расширить возможности использования 
еще неизвестных в то время законов трибологии, но и изучить сам 
процесс трения с получением его количественных характеристик. 
Аристотель, Плиний Старший и Ветрувий знали о существовании 
трения, об эффективности подшипников с металлическими покрытиями, о смазочных материалах различной вязкости, знали, что трение качения меньше для круглых объектов, хотя и не выявили количественных характеристик процесса. Через два тысячелетия Леонардо да Винчи (1452—1519), обратив внимание на то, что для 
перемещения каната, как свернутого в бухту, так и развернутого по 
земле, требуется одинаковое усилие, установил независимость силы 
трения от площади контакта. Этот величайший инженер всех времен 
и народов намного опередил свою эпоху, проведя исключительно 
изящные и корректно поставленные эксперименты по исследованию 
трения. Описания этих экспериментов, виртуозно иллюстрированные самим гениальным художником, сохранились в недавно обнаруженном так называемом Мадридском кодексе. Леонардо установил 

также, что «сила трения зависит от материала соприкасающихся поверхностей, а также от степени их обработки и не зависит от площади 
соприкасающихся поверхностей, она прямо пропорциональна весу груза 
и может быть уменьшена путем введения «роликов» или смазочных веществ между трущимися поверхностями». В этом изумительно четком 
и ясном высказывании нет ни одного слова, которое не подтвердило 
бы последующее развитие трибологии.

В 1699 г. Гильом Амонтон (1663–1705), будущий изобретатель га
зового термометра, вплотную подошедший к представлению о существовании абсолютного нуля температуры, представил во Французскую Королевскую академию обессмертивший его имя мемуар о закономерностях процесса трения, в котором привел результаты 
проведенных им экспериментов, позволивших сформулировать основные законы трения — пропорциональность силы трения нормальной нагрузке и независимость силы трения от площади контакта трущихся тел. Крупнейшие английские специалисты ХХ в. Боуден 
и Тейбор оценивают эту работу как первую современную статью 
в исследовании трения. Амонтон, а также подтвердивший его результаты де ля Гир и их последователи связывали возникновение трения 
с зацеплением неровностей поверхностей контактирующих тел или 
их деформированием при относительном перемещении. Другой 
француз, А. Паран (1666–1716), установил, что при движении тела 
по наклонной плоскости с углом α отношение тангенциальной силы 
к нормальной (т.е. коэффициент трения) равно tgα, что придало 
представлениям Амонтона и его последователей определенное количественное обоснование, позволив связать потери на трение 
с углом наклона неровностей контактирующих тел. Англичанин 
Джон Теофил Дезагюлье (1683–1744) показал, что трение в значительной степени определяется адгезией контактирующих тел по поверхности контакта. Однако большинство ученых того времени придерживались представления о том, что причиной трения является 
подъем одного трущегося тела по неровностям другого. Таких же механистических представлений придерживался гениальный швейцарец Леонард Эйлер (1707–1783), предложивший уравнения для расчета коэффициента трения тела, равноускоренно опускающегося 
по наклонной плоскости, и для оценки «выигрыша в силе для каната, 
намотанного на кнехт и удерживающего судно за счет трения». Последняя формула, носящая имя своего автора, очень изящная 
по форме, до сих пор используется в инженерной практике.

Следует отметить, что еще в 1722 г. А. де Камю установил, что 

между трением твердых тел в моменты страгивания и трением этих 
же тел при установившейся скорости их относительного движения 
имеется заметная разница. Позднее Сегнером были введены понятия 
трения покоя и трения движения (1758).

Важнейшим этапом в развитии трибологии явились работы зна
менитого французского инженера и физика Шарля Огюстена Кулона 
(1736–1806). Блестяще владея экспериментальной техникой, он всесторонне изучил трение скольжения, качения и верчения. Полученные Ш. Кулоном фундаментальные результаты позволяют по праву 
считать его основателем современной трибологии. По авторитетному 
мнению замечательного отечественного триболога И.В. Крагельского, работы Кулона содержали в зачаточном состоянии все важнейшие положения современной науки о трении. Кулон установил, 
что сила трения состоит из двух составляющих, одна из которых пропорциональна внешней нагрузке, а другая не зависит от нее, хотя эту 
составляющую он считал незначительной. Он показал также, что 
продолжительность контакта влияет на силу трения, и этим объяснил 
различие статического и кинетического трения, а также дал первые 
систематические исследования трения качения.

Если XVIII в., век Кулона, Дезагюлье и Эйлера, был ознаменован 

огромными достижениями в изучении сухого трения, то XIX в. стал
веком, когда были сделаны блестящие открытия, положенные 
в фундамент величественного здания теории гидродинамической 
смазки.

В 1847 г. на основании тщательных, хорошо продуманных экспе
риментов Г.А. Хирн установил, что трение в подшипниках скольжения, смазанных как растительными и животными, так и нефтяными 
маслами, не подчиняется закону Амонтона—Кулона для твердых тел, 
а зависит от некоторой величины, характеризующей каждое исследуемое масло и уменьшающейся с ростом температуры. Его работа, напечатанная только в 1854 г., осталась непонятой современниками 
из-за неожиданности полученных результатов. В 1883 г. выходит классическая статья нашего замечательного соотечественника Николая 
Павловича Петрова «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости», в которой были заложены начала гидродинамической теории смазки, основанной на представлении о том, что сопротивление относительному перемещению при вращении одного цилиндра в другом, концентричном первому, разделенных тонким слоем 
смазочной жидкости, определяется не внешним трением твердых тел, 
а внутренним трением этой жидкости. Н.П. Петров вывел простую 
формулу для расчета силы трения на поверхности шипа, связывающую эту величину с вязкостью масла. Впервые в истории науки о трении удалось связать силу трения с характеристикой материала (в данном случае — с вязкостью масла), определенной независимыми измерениями. Формула Петрова до сих пор используется для оценки 
силы трения в подшипниках скольжения, а ее автора, с легкой руки 
известного немецкого ученого А.И. Зоммерфельда заслуженно называют «отцом гидродинамической теории смазки».

Эта теория продолжала бурно развиваться. Всего через полгода 

после публикации упомянутой работы Н.П. Петрова английский 
исследователь Б. Тауэр установил, что в слое жидкости, разделяющем 
цапфу вращающегося вала и подшипник, самопроизвольно генерируется давление, превышающее давление от внешней нагрузки. Исследования Б. Тауэра послужили отправной точкой для видного английского физика и механика О. Рейнольдса, который 11 февраля 
1886 г. зачитал Королевскому обществу доклад «Теория смазки и ее 
приложение к экспериментам Б. Тауэра», опубликованный в том же 
году. В этой знаменитой работе О. Рейнольдс на базе основных уравнений гидродинамики получил приближенное дифференциальное 
уравнение для распределения давлений, развивающихся в смазочном 
слое, разделяющем вращающийся шип и подшипник. Согласно 
этому уравнению, для возбуждения избыточных гидродинамических 
давлений, обеспечивающих несущую способность подшипниковому 
узлу, смазочный слой должен иметь форму клина, т.е. в цилиндрических подшипниках скольжения вал должен быть расположен эксцентрично. Это фундаментальное уравнение, известное во всем мире 
как уравнение Рейнольдса, до сих пор является основным уравнением гидродинамической смазки. Дальнейшее развитие теории и 
практики гидродинамической смазки в основном происходило уже 
в XX в. и связано с именами А.И. Зоммерфельда, Н.Е. Жуковского, 
С.А. Чаплыгина, Р. Штрибека, И. Герси, Л.К. Гюмбеля, А.К. Дьячкова, М.В. Коровчинского, С.М. Захарова и др.

Теорию смазки в условиях, когда гидродинамический эффект не 

может проявиться и разделение трущихся поверхностей осуществляется тончайшим слоем продуктов взаимодействия активных компонентов смазочного материала с материалами поверхностных слоев 
трущихся тел, т.е. граничной смазки, в 1919–1934 гг. разработал 
У.Б. Харди.

Большую роль в дальнейшем развитии теории граничной 

смазки сыграли Б.В. Дерягин, А.С. Ахматов, Ф.Ф. Боуден, Д. Тейбор, Г.В. Виноградов, Г.И. Фукс, Р.М. Матвеевский, Ю.Я. Подольский. Ю.Н. Васильев, а также В.Л. Лашхи, Г.И. Шор и др. Открытие П.А. Ребиндером эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел позволило понять, что в процессе трения при 
граничной смазке активно участвуют не только адсорбционный 
слой, но и тончайшие поверхностные слои трущихся тел, свойства 
которых изменяются под действием активных компонентов смазочного материала. Это явление детально изучено трудами 
В.И. Лихтмана, Е.Д. Щукина, Г.И. Фукса и др. Весьма перспективна возможность значительного улучшения фрикционно-износных характеристик некоторых пар трения при граничной 
смазке за счет реализации эффекта избирательного переноса, от

крытого Д.Н. Гаркуновым и И.В. Крагельским (1957) и эффекта 
трибополимеризации (1972).

Двадцатый  век ознаменовался значительным прогрессом в изу
чении процессов трения и изнашивания. Тщательные экспериментальные исследования перехода контактирующих тел от покоя к относительному движению позволили А.В. Верховскому (1926) установить эффект предварительного смещения. Новые экспериментальные данные привели к возрождению представлений Дезагюлье 
в виде так называемых адгезионных теорий, независимо разработанных У.Б. Харди, Г.А. Томлинсоном и видным отечественным ученым Б.В. Дерягиным. Авторы этих теорий рассматривали трение как 
результат молекулярного взаимодействия контактирующих поверхностей. Г.А. Томлинсон (1929) впервые рассчитал коэффициент трения твердых тел, исходя из затрат энергии при разъединении пар 
молекул трущихся тел по площади их упругого контакта, так что 
число взаимодействующих пар молекул предполагалось функцией 
геометрии контакта, упругих констант контактирующих тел и приложенной нагрузки. Однако прямая пропорциональность площади 
упругого контакта и силы трения экспериментально не была подтверждена. Большое влияние на дальнейшее развитие представлений о молекулярном механизме процесса внешнего трения оказали 
работы Б.В. Дерягина (1934), предложившего свой вариант двучленного закона трения, основанный на учете молекулярной шероховатости поверхности твердых тел и на влиянии на трение молекулярного притяжения этих тел по площади их фактического 
контакта [9].

В дальнейшем исследователи трения пошли по пути учета как 

адгезионных, так и деформационных явлений в фрикционном контакте. За рубежом получила распространение адгезионно-деформационная теория трения, развиваемая кембриджской школой трибологов, возглавляемой Боуденом. Ими было установлено, что в условиях скольжения фактическая площадь контакта трущихся тел 
представляет собой ничтожную часть их номинальной площади и что 
на участках фактического контакта возникают высокотемпературные 
вспышки. Было сформулировано положение о том, что адгезионное 
взаимодействие трущихся тел приводит к возникновению между 
контактирующими телами на микроучастках контакта «мостиков 
сварки», которые разрушаются и вновь образуются по мере относительного перемещения этих тел, что в значительной степени обусловливает сопротивление относительному перемещению твердых тел, 
т.е. процесс трения. В то же время Боуден и его школа учитывали 
деформационную составляющую силы трения в виде «пропахивающей» для металлов и пластмасс и гистерезисных потерь при трении 
упругих твердых тел [2].