Richiami di Tribologia

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1 MECCANICA DEGLI AZIONAMENTI Preentazione12: Teoria elementare della lubrificazione Richiami di Tribologia LEGGI DELL ATTRITO DI STRISCIAMENTO Il valore del coefficiente d attrito dipende quai ecluivamente dalla natura e dallo tato delle uperfici a contatto. Q F v = cot.

2 Q F v = cot. Le prime due leggi dell attrito di triciamento fra uperfici aciutte, detto anche attrito coulombiano (o attrito ecco ), affermano che: il coefficiente d attrito è indipendente dal carico. il coefficiente d attrito è indipendente dall area di contatto. Di validità un po meno generale è invece la terza legge, la quale afferma che: il coefficiente d attrito è indipendente dalla velocità di triciamento.

3 Le uperfici delimitanti i corpi olidi non ono mai perfettamente lice, ma ono caratterizzate da una certa rugoità. Nelle zone molto limitate in cui avviene effettivamente il contatto, nacono preioni molto elevate ivi la ollecitazione raggiunge il carico di nervamento del materiale il quale, localmente, i platicizza. In corripondenza delle areole di contatto, a caua dell'elevata preione e dell'alta temperatura dovuta al calore che i viluppa, i verificano delle microgiunzioni (delle vere e proprie aldature locali fra i due corpi). Per produrre il moto relativo, occorre rompere tali giunzioni: la reitenza che ee oppongono alla rottura è, appunto, una delle caue dell'attrito. il valore della reitenza d'attrito T i può valutare come: N p A i p T R t A c A c

4 Il coefficiente di attrito f i può allora valutare con l'epreione: N T p R t A c A i p A c f T N R p t La teoria epota giutifica in modo oddifacente le leggi dell attrito; infatti da ea riulta evidente che il valore del coefficiente d attrito è indipendente ia dal carico applicato, ia dall area di contatto. TEORIA PERFEZIONATA Se la forza che i due corpi i tramettono ha anche una componente tangenziale T lo tato di platicizzazione del materiale viene raggiunto con valori del carico normale più bai che in aenza della T. Ne egue che il coefficiente d'attrito riulta maggiore. f T Rt p p N p

5 Il perfezionamento della teoria dell adeione è applicabile eenzialmente all attrito fra uperfici metalliche perfettamente pulite e otto vuoto pinto, e rende ragione del motivo per cui, in tali condizioni, il coefficiente d'attrito può raggiungere valori molto elevati (fino a 1 2, e anche oltre). Il divero valore del coefficiente d'attrito otto vuoto pinto e in ambiente normale i può piegare tenendo conto che in queto econdo cao le uperfici dei corpi ono empre ricoperte da pellicole di differente natura:

6 La dipendenza del coefficiente d'attrito dalla velocità è in genere modeta. La dipendenza dalla temperatura può diventare talvolta molto importante, come nel cao dei freni; infatti, al di opra di una certa temperatura critica (circa 250 C per la ghia, fra i 300 e i 400 C per la maggior parte degli altri materiali da guarnizione), il valore del coefficiente d'attrito negli accoppiamenti impiegati in tali dipoitivi ubice forti abbaamenti, con coneguente bruca diminuzione dell'efficacia dell'azione frenante. Nelle applicazioni pratiche, tenendo conto della compleità del fenomeno e che la velocità di triciamento, la preione di contatto e la temperatura (purché queta reti al di otto di un valore critico che, per molti lubrificanti, è dell'ordine dei 50 C) influicono relativamente poco ul valore del coefficiente d'attrito, i uole di olito ammettere che il coefficiente d attrito ia cotante.

7 Si definice uura la perdita di materiale uperficiale che i verifica progreivamente ulle uperfici di corpi a contatto oggette a moto relativo. Il tao di uura i può eprimere come volume di materiale rimoo in corripondenza di uno potamento relativo unitario. Pur preentandoi inieme con l attrito, l uura non è correlata ad eo in modo emplice ed univoco: vi ono, infatti, coppie di uperfici che preentano bao coefficiente d attrito ed elevato tao di uura e vicevera. Si coniderano generalmente quattro principali tipi di uura: uura adeiva uura abraiva uura corroiva fatica uperficiale

8 Uura ADESIVA in corripondenza delle aperità a contatto ulle uperfici di due corpi premuti uno contro l'altro i formino delle microgiunzioni, che durante il moto relativo dei due corpi i pezzano i verifica l uura (che, per il meccanimo che la origina, i dice adeiva). È logico attenderi che il volume V di materiale aportato ia proporzionale all area effettiva di contatto Ac e allo potamento relativo dei due corpi. IPOTESI del REYE V N K A c p A c V K T f p V K N p K' L K attrito T f p

9 Uura ABRASIVA è dovuta all azione di olcatura eercitata in un materiale più tenero o dalle porgenze della rugoità uperficiale del corpo accoppiato più duro o da particelle dure interpote fra i due corpi a contatto. le particelle poono provenire dall'ambiente circotante o eere originate dall azione dell uura tea. Uura CORROSIVA Sulle uperfici metalliche i formano degli trati di compoti, dovuti all'azione chimica delle otanze preenti nell ambiente. Se quete pellicole uperficiali, a caua dello triciamento, vengono aportate, i riformano molto rapidamente. In ambiente corroivo, l azione meccanica e quella chimica poono ealtare reciprocamente i ripettivi effetti: gli trati uperficiali vengono continuamente rimoi e ubito i riformano: i inneca coi un meccanimo di uura che può talvolta eere molto rapida.

10 Uura per FATICA SUPERFICIALE Richiami di Tribologia nel contatto fra due corpi premuti uno contro l'altro e limitati da uperfici, con curvatura relativa divera da zero, la ollecitazione raggiunge il valore maimo non ulla uperficie dei corpi, ma ad una certa profondità (dell'ordine di mm). Se il carico viene ripetutamente applicato e tolto, nella zona dove la ollecitazione è maima può originari una feura, che può poi (anche dopo milioni o miliardi di cicli di applicazione del carico) propagari ed etenderi fino alla uperficie, con coneguente ditacco di una caglia di materiale. Queto tipo di uura (pitting), è tipico dei contatti di rotolamento otto forti preioni, quali poono verificari ad eempio nei cucinetti a rotolamento e nelle ruote dentate.

11 Materiali antifrizione e. il politetrafluoroetilene (PTFE teflon) Lubrificanti olidi pellicole di metallo tenero (e. Piombo) grafite (ha truttura lamellare) reazioni chimiche uperficiali Contatti VOLVENTI Coppie cinematiche lubrificate

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13 Le uperfici di contatto degli organi delle macchine vengono lubrificate qualora i voglia evitare il contatto diretto fra corpi olidi (otituendolo con un contatto mediato olido-lubrificante-olido). lubrificazione PERFETTA: non i ha contatto diretto fra le aperità delle uperfici cotituenti la coppia lubrificazione LIMITE: lo trato di lubrificante è coi ottile da non impedire il contatto fra le aperità delle due uperfici. In condizioni di lubrificazione LIMITE i ha una enibile riduzione del coefficiente di attrito di triciamento ripetto al cao di uperfici aciutte (il ottile film di lubrificante otacola la formazione di microgiunzioni riducendo l ampiezza delle zone di contatto diretto e la reitenza dei loro collegamenti).

14 Il coefficiente d'attrito può talvolta variare enibilmente in dipendenza di circotanze quali lo tato di pulizia delle uperfici, la temperatura, la preione di contatto i valori riportati vanno intei come indicativi

15 LUBRIFICAZIONE PERFETTA Fra gli elementi cinematici di una coppia con contatto di triciamento viene introdotto un fluido, in modo tale che al contatto diretto fra due uperfici aciutte venga otituito un contatto mediato olido-fluido-olido. L intercapedine prende il nome di meato. Il fluido contenuto nel meato è comunemente un liquido, talvolta un ga ad eo i dà il nome di lubrificante. Il lubrificante deve eere in grado di reagire alle forze normali che i due membri a contatto i tramettono in corripondenza della coppia e, nello teo tempo, di dare origine ad azioni tangenziali relativamente piccole. Tali riultati poono eere coneguiti mediante: una opportuna progettazione della geometria della coppia una opportuna celta delle caratteritiche fiiche del lubrificante (in particolare della vicoità).

16 Vicoità di un fluido Nel trattare il problema della lubrificazione upporremo che il lubrificante ia NEWTONIANO oia, coniderati due trati adiacenti di fluido in moto LAMINARE (bao numero di Reynold) la tenione tangenziale che i tramettono riponde alla relazione: u y con vicoità DINAMICA Il moto del fluido è a regime LAMINARE e il numero di Reynold Re della corrente fluida riulta ufficientemente bao. il numero di Reynold è dato da: Re U h = maa volumica; h = altezza del meato Nei cai pratici il moto del lubrificante è in genere a regime laminare: il numero di Reynold riulta infatti bao ia per i piccoli valori dello peore di lubrificante ia per i valori relativamente elevati della vicoità dei lubrificanti impiegati.

17 Vicoità di un fluido Fluidi NEWTONIANI la vicoità è funzione olo della natura del fluido e del uo tato fiico (oia della temperatura e della preione), mentre è indipendente dal gradiente di velocità ga e liquidi a bao peo molecolare, oli minerali Fluidi NON NEWTONIANI la loro vicoità dipende anche dal gradiente di velocità grai lubrificanti; oli multigradi u y

18 Vicoità di un fluido Vicoità DINAMICA Vicoità CINEMATICA y u ] [ ] [ ] [ ] [ T L M L L T L L T M ] [ ] [ ] [ ] [ T L M L T L M

19 Claificazione SAE Vicoità di un fluido

20 Coppie cinematiche lubrificate Per permettere al lubrificante di reagire al carico che due corpi a contatto i tramettono occorre creare all interno del meato un campo di preione uperiore a quella ambiente. Fluidodinamica (idrodinamica) Fluidotatica

21 Lubrificazione Bibliografia E. Funaioli, A. Maggiore, U. Meneghetti, Lezioni di Meccanica Applicata alle Macchine - Prima Parte: Fondamenti di Meccanica delle Macchine, Patron, Bologna, A. Z. Szeri, Fluid Film Lubrication: Theory and Deign, Cambridge Univerity Pre, 2005