Трение и изнашивание механизмов, смазочные материалы

Трение и изнашивание механизмов, 
смазочные материалы

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.89.017
ББК 34.41
 
Т66

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/6921

Факультет «Робототехника и комплексная автоматизация»

Кафедра «Основы конструирования машин»

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Авторы:
С.А. Поляков, Л.А. Андриенко, В.В. Лычагин, Е.М. Кулешова

Т66  
Трение и изнашивание механизмов, смазочные материалы : 

учебно-методическое пособие / [С. А. Поляков и др.]. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 47, 
[5] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5479-2

Представлены лабораторные работы по изучению методов и 

средств испытаний на триботехническую работоспособность конструкционных материалов при качении с проскальзыванием, по 
оценке потерь на трение и определению коэффициента полезного 
действия механической передачи в зависимости от режима работы 
на примере зубчатого, волнового и червячного редукторов. 

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.01 

«Машиностроение».

УДК 621.89.017
ББК 34.41

        

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-5479-2 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

Предисловие

«Трение и изнашивание механизмов, смазочные матери- 

алы» — одна из основных дисциплин, предусматривающих формирование у студентов знаний о физических причинах отказа оборудования машиностроения. Освоив данную дисциплину в рамках образовательной программы магистратуры по направлению 
подготовки 15.04.01 «Машиностроение», студенты приобретут 
знания об основных положениях трибологии в машиностроении 
и принципах расчетов деталей и сопряжений на изнашивание. 
Эти знания и полученные навыки они могут применять при проектировании и эксплуатации объектов общего машиностроения. 

Цель издания — обучение проведению лабораторных и стен
довых испытаний и определение триботехнической работоспособности оборудования. 

Пособие содержит теоретическую часть «Особенности прове
дения лабораторных испытаний процессов изнашивания» и четыре лабораторные работы по следующим направлениям: 

• триботехнические лабораторные испытания материалов для 

зубчатых колес;

• стендовые испытания волнового редуктора для оценки энергоэффективности;
• стендовые испытания червячного редуктора для оценки 

энергоэффективности и причин механических потерь в червячной 
передаче;
• стендовые испытания для оценки влияния проскальзывания 

в эвольвентном зацеплении на коэффициент полезного действия 
зубчатой передачи.

В каждой лабораторной работе приведены краткие теорети
ческие сведения по теме, описание используемой лабораторной 
установки, образцов, предназначенных для испытаний, а также 
указания о порядке выполнения работы, методике проведения 
испытаний и оценке образцов и форме отчета о выполнении. К 
каждой лабораторной работе даны контрольные вопросы, в конце 
издания — список рекомендуемой литературы.

Выполнение представленных лабораторных работ позволит 

студентам непосредственно ознакомиться с технологией испытаний и необходимым для этого оборудованием, понять методику 

проведения лабораторных и стендовых испытаний для оценки 
триботехнической работоспособности, а также научиться адекватно ставить задачу испытаний и овладеть навыками их проведения.

Условием допуска к защите лабораторных работ является их 

выполнение студентами и предоставление заполненной формы 
отчета. Лабораторные работы защищаются по такому критерию, 
как наличие ответов на контрольные вопросы. Поскольку лабораторные работы травмоопасные, перед началом их выполнения 
студенты должны ознакомиться с требованиями техники безопасности, обязательными для соблюдения в помещении, где проводятся работы.

Особенности проведения лабораторных 
испытаний процессов изнашивания

Конструктивное оформление, размеры и кинематический тип 

сопряжения, как показывают многочисленные исследования, 
оказывают существенное влияние на процесс его изнашивания. 
В связи с этим при лабораторных испытаниях важно учитывать отличия, которые неизбежно возникают при моделировании в лаборатории эксплуатационных процессов изнашивания.

Используемые в практике триботехнических испытаний экс
периментальные установки существенно различаются по размерам образцов, для испытания которых они предназначены. 
Существуют установки, габариты которых весьма велики — порядка сотен миллиметров, и малые настольные установки для испытаний образцов с размерами в несколько миллиметров.

При выборе размеров образцов имеют значение естественные 

ограничения с их верхней и нижней сторон. Анализ и обоснование выбора испытательных установок и возможности моделирования с учетом масштабных коэффициентов предусмотрены ГОСТ 
23.224–86.

Методы и средства испытаний конкретной поверхности опре
деляются задачей испытаний и уровнем изученности свойств этой 
поверхности. Подобное ранжирование позволяет с помощью более кратковременных и дешевых методов последовательно исключать материалы и технологии, требующие длительных испытаний 
и прямого сопоставления с условиями эксплуатации.

Согласно ГОСТ 23.224–86, установлены четыре группы мето
дов испытаний.

Группа А. Сравнительные экспресс-испытания, сущность ко
торых состоит в определении соотношения интенсивности изнашивания исследуемой и эталонной поверхностей, используемых 
при заранее установленных идентичных условиях. Испытания 
этой группы проводят в соответствии с ГОСТ 23.208–79, 
ГОСТ 23.211–80, ГОСТ 23.220–84, ГОСТ 23.224–86, РД 50–339–82, 
РД 70.0009.006–85. Они предназначены для предварительного отбора вариантов исследуемых технологий обработки и упрочнения 
поверхностей, подлежащих последующим испытаниям групп Б, В, 
Г, а также для контроля стабильности технологического процесса. 

Отсев на стадии испытаний группы А существенно сокращает и 
удешевляет общий комплекс испытаний.

Группа Б. Моделирующие испытания, сущность которых со
стоит в оценке интенсивности изнашивания при эксплуатации 
путем пересчета результатов стендовых испытаний через масштабные коэффициенты и (или) коэффициенты ускорения. 
Основные нормативные документы для этой группе испытаний: 
ГОСТ 23.210–80, ГОСТ 23.224–86, МР 176–85. Испытания рекомендуется проводить в целях оценки работоспособности материалов в условиях, отличающихся небольшим влиянием на изнашивание.
Группа В. Ускоренные ресурсные испытания по ГОСТ 23.205–79, 

ГОСТ 23.224–86 и МР 151–85, проводимые для оценки или контроля ресурса сопряжения применительно к заданным условиям 
эксплуатации.
Группа Г. Испытания по ГОСТ 23.215–84, ГОСТ 23.222–85, 

ГОСТ 23.224–86 и РД 70.0009.006–85 для определения диапазона 
нагрузок, скоростей скольжения и температур, обеспечивающих 
применимые в эксплуатации значения интенсивности изнашивания. Испытания группы Г проводят путем анализа кинетических 
свойств трибосистемы в соответствии с методикой приработки 
на грани заедания. При этом реализуется метод многофакторного 
анализа стационарных свойств трибосистемы. 

Учет конструктивных особенностей при испытаниях осущест
вляется путем выбора конкретных исполнений испытательных узлов и введение их геометрических и теплофизических параметров 
в масштабные коэффициенты. В связи с этим испытания перечисленных групп проводят по следующим вариантам:

а) испытания материалов, обработанных по новой технологии, 

при которых материал сопряженного образца, конструктивное исполнение и кинематический тип сопряжения унифицированы согласно соответствующему нормативно-техническому документу и 
результат сравнивается с эталоном — материалом, обработанным 
по традиционной технологии; 

б) испытания обработанных по новой технологии сопряжений, 

при которых материал сопряженного образца и кинематический 
тип сопряжения соответствуют материалу и кинематическому 
типу натурного сопряжения.

Кинематический тип определяется взаимоположением, геометрией, характером относительного движения трущихся деталей 

и возможностью их самоустановки. Классификация кинематических типов для учета их при выборе методов и средств триботехнических испытаний, содержащаяся в ГОСТ 23.224–86, приведена 
ниже.

Классификация основных кинематических типов 
подвижных сопряжений

Форма и взаимоположение деталей 

сопряжения

Характер относительного движения в сопряжении  

Поперек образующей
Вдоль образующей

Однонаправленное
Знакопеременное
Знакопеременное

1. Внутреннее 
касание непло
ских поверхностей 
(«цилиндр — цилиндр», «сфера — 
сфера») с близки
ми значениями 

радиусов кривизны

1.1. Радиальный 

подшипник скольжения, тормоз — 

колодка

1.2. Радиальный 
шарнир, сфериче
ский шарнир, 

винт, гайка

1.3. Кольцо — 

гильза цилиндра, 

направляющая 

втулка — толкатель

2. «Плоскость — 

плоскость»

2.1. Осевой подшипник скольжения (подпятник), 
торцовое уплотнение

2.2. Осевой 

шарнир, торцовое уплотнение 

шарнира

2.3. Кольцо — 

канавка поршня, 
направляющие 

типа

«ласточкин хвост»

3. Внешнее касание неплоских 
поверхностей с 

разными радиуса
ми кривизны

3.1. Зубчатое зацепление, кулачок 
— толкатель, тело 
качения — обойма

3.2. Реверсивное 

зубчатое зацепление, направляющая — тело 

качения

3.3. Направляю
щая — 

тело качения

Кинематический тип узла трения обозначается сочетанием 

цифры, указывающей форму и взаимоположение деталей узла, и 
цифры, указывающей характер относительного движения в узле. 
Например, тип узла кольцо — гильза цилиндра обозначается: 1.3. 
Большинство деталей машин входит в подвижные сопряжения, 
поэтому результат их взаимодействия при относительном перемещении, т. е. износ, является основной причиной выхода из строя 
множества изделий машиностроения и основным показателем их 
надежности.

Перед проведением испытаний определяют группу и варианты 

испытаний, а также кинематический тип сопряжения, в котором 
работает деталь. В соответствии с кинематическим типом выбирают схему испытательной установки, имитирующей соответствующий тип сопряжения.

Для реализации нужного кинематического типа используются 

различные испытательные машины, указанные в ГОСТ 23.224–86, 
а также испытательные стенды, моделирующие эксплуатационные условия.

Лабораторная работа № 1

Изучение методов и средств испытаний 
на триботехническую работоспособность 
конструкционных материалов при качении 
с проскальзыванием

Цель работы — изучение конструкции и функциональных воз
можностей испытательной машины СМТ-1 и методических основ 
определения показателей контактной усталости образцов машиностроительных материалов при качении с проскальзыванием.

Краткие теоретические сведения

Одной из основных причин выхода из строя зубчатых колес 

является выкрашивание и изнашивание рабочих поверхностей зубьев. Для определения связи механических свойств материалов 
зубчатых колес с их долговечностью по критериям выкрашивания 
и износа используются испытания на контактную выносливость 
при качении с проскальзыванием. Кинематический тип исследуемого сопряжения — 3.1 (см. с. 7, Классификация). Для подобного типа сопряжений характер взаимодействия деталей определяется сосредоточенным контактом по типу Герца — Беляева, 
но с учетом как нормальных, так и тангенциальных напряжений. 
Если рассматривать характер напряжений в статическом контакте 
двух тел с постоянными радиусами кривизны в обеих главных плоскостях в области контакта, то картина напряжений будет иметь 
вид, как на рис. 1.1.

Определение значений возникающих напряжений проводится 

на основе следующих формул:

 
P
Q
ab
0
1 5
= , π
,                                         (1.1)

 
a
n
Q
k
a
=






∑

1 5

1
3
, η
,                                      (1.2)

b
n
Q
k
b
=






∑

1 5

1
3
, η
,                                     (1.3)

где η — характеристика упругих свойств материалов, 

 
η
µ
µ
=
−
+
−
(
)
(
)
1
1
1
2

1

2
2

2
E
E
;                                 (1.4)

Q — нормальная сила, сжимающая образцы; 
k
∑
 — сумма значе
ний главной кривизны поверхностей образцов,

 
k
k
k
k
k
=
+
+
+
∑
11
12
21
22 ;                              (1.5)

µ1  и µ2  — коэффициенты Пуассона материалов соответственно 
первого и второго тел; Е1 и Е2 — их модули упругости; k11, k12, k21, 
k22 — плоскости главной кривизны первого и второго тел, 

 
k
R
11

11

1
=
, k
R
12

12

1
=
, k
R
21

21

1
=
, k
R
22

22

1
=
;                   (1.6)

Рис. 1.1. Упругие напряжения на эллиптической площадке контакта 

с большой (а) и малой (b) полуосями