Период технической революции от 1500 до 1850 г.

В странах Западной Европы уже в XVI веке начались крупные социально-экономические преобразования. Капиталистический способ производства получал все большее распространение, что, естественно, стимулировало технический прогресс, повышение уровня технологических знаний. Появляются многие яркие изобретения, строятся крупные мануфактуры, оснащенные достаточно совершенными для своего времени станками. Инженеры нуждались в осмыслении имеющегося опыта, чтобы создавать новую, более совершенную технику. Крупные ученые, творившие в ту эпоху, в борьбе с отжившей схоластикой средневековья отстаивали эксперимент как путь познания истины.

Гениальный Галилео Галилей (1564— 1642) уже на рубеже XVI—XVII веков закладывает основы опытного естествознания. Фрэнсис Бэкон (1561—1626) обосновывает необходимость познания мира через опыт, обобщение результатов опыта и проверку выводов на практике.

Следуя за Бэконом в решении практических проблем, ученые обратили внимание на трение. Так, один из крупнейших английских ученых XVII века Роберт Гук (1635— 1703), анализируя работу зубчатых зацеплений, выдвинул требование, чтобы между зубьями не было трения (имеется в виду, по-видимому, трение скольжения). В 1694 г. французский физик и математик Филипп де ля Гир (1640—1718) как бы в ответ на это требование установил, что это можно обеспечить, если профиль зубьев построить по эпициклоиде. Гуку же принадлежит конструкция узла трения, применяемого до сих пор и известного как универсальный шарнир Гука.

Великий Исаак Ньютон (1643—1727) непосредственно не занимался проблемами трибологии, но, изучая сопротивление вращению одного цилиндра относительно другого, концентричного ему, при заполненном жидкостью зазоре между ними, установил в 1668 г., что усилие, вызывающее вращение цилиндра и сдвиг в слое жидкости с постоянной скоростью, пропорционально площади сдвига и градиенту скорости сдвига по толщине зазора при постоянной температуре. Это соотношение, полученное Ньютоном, легло в основу теории гидродинамической смазки, которая была впервые создана в конце XIX века и продолжает развиваться.

В 1706 г. немецкий философ, математик и физик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646—1736) заинтересовался природой трения. Со свойственной ему проницательностью он приходит к заключению, что коэффициент трения зависит и от природы трущихся тел, и от условий процесса (например, скольжение или качение тел). Тем самым он надолго опережает представления современников, хотя в принципе он не отрицает законов Амонтона.

Модель Леонардо да Винчи 1519 года, утверждающая, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижима), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта, была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш. О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов. До сих пор именно эта формула:

Fтр = fтр•P

где P - сила прижатия, а Fтр - сила трения, является единственной формулой, фигурирующей в учебниках по физике, а значения коэффициента трения fтр для различных материалов (сталь по стали, сталь по бронзе, чугун по коже и т.д.) входят в стандартные инженерные справочники и служат базой для традиционных технических расчетов.

Этот период охарактеризовался замечательными достижениями в конструировании подшипников и зубчатых передач. Примеры этого следующие:

Определение эвольвенты зубчатого колеса и геометрических принципов зубчатых зацеплений Хьюгенсом (1665), де ла Найэром (1694) и Леопольдом.

Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками (17 век) (Рис.16).

Рис.16. Механизм для открывания дверей с червячными передачами и коническими подшипниками

Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипниковыми блоками для компенсации износа (Плюмис, 1701 год) (Рис.17).

Рис.17. Подшипники для станочного инструмента с разделенными регулируемыми подшипниковыми блоками

Однако все еще находили некоторое применение деревянные зубчатые передачи.

Новые смазочные материалы не разрабатывались, однако применение смазки становится все более важным.

В китайских публикациях за 1637 год мы можем прочесть что "одна капля масла в подшипник делает повозку, а тысяча капель - корабль, готовым к эксплуатации".

Многие исследователи осознали, что свиной жир (Амонтон, Де Ла Найар) и растительные масла могут использоваться как смазочные материалы.

Все больше и больше ученых вовлекаются в разработку теорий трения и изнашивания. Вот некоторые примеры:

• Роберт Хук (1680): Закономерности трения качения;
• Исаак Ньютон (1687): определяет вязкость как меру внутреннего трения жидкостей: вязкость = напряжение сдвига / скорость света.
• Гильом Амонтон (1699): подтвердил законы трения Леонардо да Винчи;
• Леонард Эйлер (1750): аналитическое определение трения; обозначил коэффициент трения символом µ.

Период от 1750 - 1850 г. характеризуется улучшением в понимании функционирования элементов и деталей машин, что и привело к более совершенным их конструкциям, это эра Джеймса Ватта.

Примеры зубчатых зацеплений:

Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла (1758) (Рис.18.).

Рис.18. Зубчатые передачи для машины прокатки листового металла

Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом (1781) (Рис.19).

Рис.19. Механизмы, сконструированные Джеймсом Ваттом

Примеры радиальных подшипников:

Предложение конструкции радиальных подшипников для осей экипажа, сделанные Фелтоу (1794) (Рис.20).

Рис.20. Конструкции радиальных подшипников для осей экипажа

"Высокотехнологичный" подшипник колеса железнодорожного вагона (1830) (Рис.21.).

Рис.21. Подшипник колеса железнодорожного вагона

Примеры роликовых подшипников:

Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии (1770) (Рис.22). Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора (Патент Вогана, 1794) (Рис.23.).

Рис.22. Ранний вариант роликового подшипника флюгера зала Независимости в Филадельфии

Рис.23. Шарикоподшипник колеса с максимальным количеством шаров для увеличения несущей способности без внутреннего кольца и сепаратора

В этот период для применения были доступны несколько видов животных, растительных и минеральных масел, также как и твердых смазочных материалов. Было выдано несколько патентов на смазочные композиции (формула смазочного материала). Примеры следующие:

• 1812 год, Британский патент 3573 (Генри Томас Хардакр): Смесь графита и свиного жира (1:4) для получения пластичного смазочного материала;
• 1835 год, Британский патент 6945 (Натаниэль Партридж): Смесь оливкового масла и извести, растворенная в воде. Для повышения эксплуатационных характеристик необходимо добавлять пальмовое масло, жир или графит;
• 1848 год, Британский патент 12109 (Джозеф Джон Долан): Состав смазочного материала с высокими эксплуатационными характеристиками
• Снова развитие фундаментальных основ науки о трении и изнашивании может быть охарактеризовано перечислением выдающихся ученых того времени и их достижений:
• Шарль Августин Кулон (1785): подтверждение законов трения Л. Да Винчи и Амонтона.
• Джордж Рени (1825): измерение трения и износа; первый список коэффициентов трения для различных материалов; зависимость износа от смазки.
• Шарль Хатчет (1803): зависимость износа от материала.
• Клод Луи Навье (1822): определение и использование слова "вязкость".
• Джордж Габриэль Стокс (1845): определение совместно с Клодом Луи Навье уравнений движения, ставших позднее основой гидродинамической теории.

1.6. 75 лет технического прогресса (1850-1925 гг)

В XIX веке стало ясно, что закон Амонтона-Кулона не дает правильного описания силы трения, а коэффициенты трения отнюдь не являются универсальными характеристиками. Прежде всего, было отмечено, что коэффициенты трения зависят не только от того, какие материалы контактируют, но и от того, насколько гладко обработаны контактирующие поверхности. Выяснилось также, что сила статического трения отличается от силы трения при движении. Чтобы напомнить, что обычно понимается под статическим трением, представим схему простейшего эксперимента. Будем пытаться, сдвинуть тело, с места потянув за трос с пружинным динамометром. При малом перемещении конца троса тело остается на месте: силы, развиваемой пружиной динамометра, недостаточно. Обычно говорят, что на контактирующих поверхностях развивается сила трения, уравновешивающая приложенную силу. Постепенно увеличиваем перемещение и вместе с ним упругую силу, приложенную к телу. В какой-то момент она оказывается достаточной для того, чтобы стронуть тело с места. Зарегистрированное в этот момент показание динамометра и называют обычно силой статического трения, характеризующего предельные возможности неподвижного (статического) сцепления тел. Если мы будем продолжать медленно вытягивать трос, то тело поедет по поверхности. Оказывается, что регистрируемые в ходе движения показания динамометра будут не такими, как в момент страгивания. Обычно сила трения при медленном движении меньше силы страгивания, статического трения. Кулон изучал именно силу трения при медленном взаимном перемещении контактирующих тел и установил, что эта сила не зависит от величины скорости, а только от направления движения (всегда направлена против движения).

Конец XIX века ознаменовался замечательными достижениями в исследовании вязкости, то есть трения в жидкостях. Наверное, с доисторических времен известно, что смазанные жиром или даже просто смоченные водой поверхности скользят значительно легче. Смазка трущихся поверхностей применялась с момента зарождения техники, но только О. Рейнольдс в 1886 году разработал первую и принципиально на то время новую теорию смазки.

Она заключалась в том, что при наличии достаточно толстого слоя смазки, обеспечивающего отсутствие непосредственного контакта трущихся поверхностей, сила трения определяется только свойствами (гидродинамикой) смазочного слоя. Сила статического трогания равна нулю, а с ростом скорости сила сопротивления движению увеличивается. Если же смазки недостаточно, то действуют все три механизма: сила статического сопротивления страгиванию с места, Кулонова сила и сила вязкого сопротивления. Итак, к концу XIX века выяснилась картина зависимости силы трения от скорости. Но уже на пороге XX века возникло сомнение в правильности этой картины при очень малых скоростях. В 1902 году Штрибек опубликовал данные, свидетельствующие о том, что при отсутствии смазки сила сопротивления не падает сразу с уровня силы трогания до кулоновой силы, а возникает постепенное падение силы с ростом скорости - эффект, противоположный гидродинамической вязкости. Этот факт был многократно перепроверен в дальнейшем и теперь обычно именуется Штрибек-эффектом. Картина зависимости силы трения от скорости приобрела форму, использующуюся до сегодняшнего дня.

Быстро развивавшаяся техника XX века требовала все большего внимания к исследованию трения. В 30-е годы исследования в области трения стали настолько интенсивными, что потребовалось выделить их как специальную науку - трибологию, лежащую на стыке механики, физики поверхностных явлений и химии (создание новых смазочных материалов - дело химиков). Только в США в этой области работают в настоящее время более 1000 исследователей, и в мировой науке ежегодно публикуется более 700 статей. Тогда как все еще довольно примитивные конструкции применялись для подшипников и зубчатых передач, а также выбор материалов был очень простым, некоторые значительные усовершенствования могли быть отмечены:

Смазываемый водой радиальный подшипник для буксы, сконструированный Артсом (1860) (Рис.24).

Рис.24. Радиальный подшипник для буксы

Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом, основателем СКФ. Шарикоподшипник с само регулируемым угловым контактом (Рис.25).

Рис.25. Роликовый подшипник, сконструированный Вингквистом

Зубчатая передача для первого электрического локомотива, сконструированная Сименсом (1879) (Рис.26.).

Рис.26. Зубчатая передача для первого электрического локомотива

Ведущая шестерня главной передачи для автомобиля (1902) (Рис.27).

Рис.27. Зубчатая передача для первого электрического локомотива

В области смазочных материалов были сделаны следующие достижения: Растительные и животные масла интенсивно вытеснялись минеральными маслами. Наиболее характерными для практического применения были следующие смазочные масла, полученные дистилляцией (перегонкой) и очисткой (1916): легкое и тяжелое веретённое масло; компрессорное масло; легкие и тяжелые машинные масла; очищенные цилиндровые масла.

Первые присадки в масло: диспергированный графит, эмульгаторы; компоненты, повышающие вязкость.

Известные ученые, инженеры и трибологи исследовали соотношение между трением, износом и смазкой, особенно применительно к радиальным подшипникам. Наиболее важное открытие было сделано Б. Тауэром в 1885 г., который обнаружил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Это открытие привело к успехам в конструировании и эксплуатации подшипников.

Вот ряд знаменитых имен:

• Густав Адольф Гирн (примерно 1880 год): подтвердил законы трения Л. да Винчи, Амонтона и Кулона.
• Генрих Рудольф Гер (1881): физические законы трения качения.
• Бишам Тауэр (1883): определил развитие гидродинамического давления в радиальных подшипниках. Интеграл гидродинамического давления в окружном и осевом направлении равен средней нагрузке подшипника.
• Николай Павлович Петров (1883): законы трения концентрических радиальных подшипников.
• Осборн Рейнольдс (1885): математическая разработка гидродинамических эффектов. Уравнение Рейнольдса для гидродинамического давления - основа для расчета подшипников.
• Ричард Штрибек (1902): измерение трения подтвердил наличие гидродинамических эффектов. Кривая Штрибека: соотношение между трением, нагрузкой, скоростью и вязкостью.
• Йоаганн Вильгельм Зоммерфельд (1904): предложил аналитическое решение уравнения Рейнольдса. Ввел число Зоммерфельда.