2. Friction phenomenaFriction is th

2. Friction phenomena


Friction is the tangential reaction force between two surfaces in contact. Physi-cally these reaction forces are the results of many different mechanisms, which depend on contact geometry and topology, properties of the bulk and surface materials of the bodies, displacement and relative velocity of the bodies and




1997-11-28 16:52 2

presence of lubrication.

In dry sliding contacts between flat surfaces friction can be modeled as elastic and plastic deformation forces of microscopical asperities in contact, see J9, 10K. The asperities each carry a part fi of the normal load FN. If we assume plastic deformation of the asperities until the contact area of each junction has grown large enough to carry its part of the normal load, the contact area of each asperity junction is ai fi/H, where H is the hardness of the weakest bulk material of the bodies in contact. The total contact area can thus be written Ar FN /H. This relation holds even with elastic junction area growth, provided that H is adjusted properly. For each asperity contact the tangential deformation is elastic until the applied shear pressure exceeds the shear strength t y of the surface materials, when it becomes plastic. In sliding the friction force thus is FT t y AR, and the friction coefficient m FT /FN t y /H. The friction coefficient is not dependent on the normal load or the velocity in this case. Consequently it is possible to manipulate friction characteristics by deploying surface films of suitable materials on the bodies in contact. These surface films can also be the result of contaminations or oxidation of the bulk material.



In dry rolling contact, friction is the result of a non-symmetric pressure distri-bution in the contact. The pressure distribution is caused by elastic hysteresis in either of the bodies, or local sliding in the contact. For rolling friction the friction coefficient is proportional to the normal load as m a FNa, with 02 a 14.

The elasto-plastic characteristics of dry friction can be described by hysteresis theory, see J54K.

Other physical mechanisms appear when lubrication is added to the contact. For low velocities, the lubricant acts as a surface film, where the shear strength determines the friction. At higher velocities at low pressures a fluid layer of lubricant is built up in the surface due to hydrodynamic effects. Friction is then determined by shear forces in the fluid layer. These shear forces depend on the viscous character of the lubricant, as well as the shear velocity distribution in the fluid film. Approximate expressions for the friction coefficient exist for a number of contact geometries and fluids. At high velocities and pressures the lubricant layer is built up by elasto-hydrodynamic effects. In these contacts the lubricant is transformed into an amorphous solid phase due to the high pressure. The shear forces of this solid phase turns out to be practically independent of the shear velocity.



The shear strength of a solid lubricant film at low velocities is generally higher than the shear forces of the corresponding fluid film built up at higher velocities. As a result the friction coefficient in lubricated systems normally de-


1997-11-28 16:52 3

creases when the velocity increases from zero. When the thickness of the film is large enough to completely separate the bodies in contact, the friction coefficient may increase with velocity as hydrodynamic effects becomes significant. This is called the Stribeck effect.

Film thickness is a vital parameter in lubricated friction. The mechanisms underlying the construction of the fluid film includes dynamics, thus suggesting a dynamic friction model.

Contamination is another factor that adds complication. The presence of small particles of different material between the surfaces give rise to additional forces that strongly depend on the size and material properties of the contaminants.

This short expose of some friction mechanisms illustrate the difficulty in modeling friction. There are many different mechanisms. To construct a general friction model from physical first principles is simply not possible. Approximate models exist for certain configurations. What we look for instead is a general friction model for control applications, including friction phenomena observed in those systems.

The behavior of friction has been extensively examined during the 20th cen-tury. The experiments have been performed under idealized conditions with clean surfaces and for stationary conditions, e.g., constant velocity. Lately the interest in friction dynamics has increased. Some experimental observations of friction are reviewed below. The collection is by no means complete but serves to illus-trate the many facets of friction behavior.

Kết quả (Việt) 2:

2. hiện tượng ma sát ma sát là lực lượng phản ứng tiếp tuyến giữa hai bề mặt tiếp xúc. Physi-biệt các lực lượng phản ứng là kết quả của nhiều cơ chế khác nhau, phụ thuộc vào hình học liên hệ và cấu trúc liên kết, tính chất của số lượng lớn và chất liệu bề mặt của các cơ quan, di dời và vận tốc tương đối của các cơ quan, 1997/11/28 16:52 2 sự hiện diện của dầu bôi trơn. Trong danh bạ trượt khô giữa các bề mặt phẳng ma sát có thể được mô hình hóa như đàn hồi và nhựa lực lượng biến dạng của asperities hiển vi tiếp xúc, xem J9, 10K. Các asperities mỗi người mang một fi phần của FN tải bình thường. Nếu chúng ta giả định biến dạng dẻo của asperities cho đến vùng tiếp xúc của mỗi ngã ba đã phát triển đủ để thực hiện một phần của tải trọng bình thường lớn, diện tích tiếp xúc của mỗi ngã ba tính khó chịu là ai fi / H, nơi H là độ cứng của phần lớn yếu nhất vật chất của các cơ quan xúc. Tổng diện tích tiếp xúc do đó có thể được viết Ar FN / H. Mối quan hệ này nắm giữ ngay cả với khu vực ngã ba tăng trưởng đàn hồi, với điều kiện là H được điều chỉnh đúng. Đối với mỗi liên lạc tính khó chịu biến dạng tiếp tuyến là đàn hồi cho đến khi áp lực cắt áp dụng vượt quá sức ty cắt của các vật liệu bề mặt, khi nó trở thành nhựa. Trong trượt lực ma sát do đó là FT ty AR, và hệ số ma sát m FT / FN ty / H. Hệ số ma sát không phụ thuộc vào tải bình thường hoặc vận tốc trong trường hợp này. Do đó nó có thể thao tác đặc điểm ma sát bằng cách triển khai các bộ phim bề mặt của vật liệu phù hợp trên các cơ quan xúc. Những bộ phim bề mặt cũng có thể là kết quả của sự nhiễm bẩn hoặc quá trình oxy hóa của vật liệu với số lượng lớn. Trong liên hệ cán khô, ma sát là kết quả của một áp lực không đối xứng distri-phân trong liên lạc. Sự phân bố áp suất gây ra bởi hiện tượng trễ đàn hồi trong một trong các cơ quan, địa phương hoặc trượt trong liên lạc. Đối với cán ma sát với hệ số ma sát tỉ lệ với tải bình thường như ma FNA, với 02 một 14. Các đặc tính đàn hồi dẻo của ma sát khô có thể được mô tả bởi lý thuyết trễ, xem J54K. Cơ chế vật lý khác xuất hiện khi bôi trơn là thêm vào số liên lạc. Đối với vận tốc thấp, chất bôi trơn hoạt động như một bộ phim bề mặt, nơi mà sức kháng cắt xác định ma sát. Ở vận tốc cao hơn ở áp suất thấp một lớp chất lỏng của chất bôi trơn được xây dựng trên bề mặt do tác động thủy động lực học. Ma sát sau đó được xác định bởi các lực cắt trong lớp chất lỏng. Những lực cắt phụ thuộc vào các nhân vật nhớt của chất bôi trơn, cũng như sự phân bố vận tốc cắt trong các bộ phim chất lỏng. Biểu thức gần đúng cho hệ số ma sát tồn tại cho một số liên lạc và hình học chất lỏng. Với vận tốc cao và áp lực các lớp chất bôi trơn được xây dựng bởi các tác dụng đàn hồi-thủy động lực học. Trong các địa chỉ liên hệ các chất bôi trơn được chuyển đổi thành một chất rắn vô định hình do áp suất cao. Các lực cắt của pha rắn này hóa ra là thực tế độc lập với vận tốc cắt. Cường độ chịu cắt của một bộ phim chất bôi trơn rắn ở vận tốc thấp thường cao hơn so với các lực cắt của bộ phim chất lỏng tương ứng được xây dựng lên, ở vận tốc cao. Kết quả là hệ số ma sát trong các hệ thống bôi trơn thường de- 1997/11/28 16:52 3 nếp nhăn khi tăng vận tốc từ số không. Khi độ dày của bộ phim là đủ lớn để hoàn toàn tách biệt các cơ quan liên lạc, hệ số ma sát có thể gia tăng với tốc độ như hiệu ứng thủy động lực trở nên quan trọng. Điều này được gọi là hiệu ứng Stribeck. Độ dầy là một tham số quan trọng trong ma sát bôi trơn. Các cơ chế cơ bản việc xây dựng các bộ phim chất lỏng bao gồm động lực, do đó đề xuất một mô hình ma sát động. Ô nhiễm là một yếu tố thêm biến chứng. Sự có mặt của các hạt nhỏ của vật liệu khác nhau giữa các bề mặt làm gia tăng lực lượng bổ sung mà phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và vật liệu thuộc tính của các chất gây ô nhiễm. Điều này ngắn lộ của một số cơ chế ma sát minh họa cho những khó khăn trong mô hình ma sát. Có rất nhiều cơ chế khác nhau. Để xây dựng một mô hình ma sát chung từ các nguyên tắc vật lý đầu tiên chỉ đơn giản là không thể. Mô hình gần đúng tồn tại cho các cấu hình nhất định. Một mô hình ma sát chung cho các ứng dụng điều khiển, bao gồm cả hiện tượng ma sát quan sát thấy trong những hệ thống những gì chúng ta tìm kiếm thay vì là. Các hành vi của ma sát đã được kiểm tra rộng rãi trong 20 cen-tury. Các thí nghiệm đã được thực hiện trong điều kiện lý tưởng với các bề mặt sạch và các điều kiện văn phòng phẩm, ví dụ như, vận tốc không đổi. Gần đây sự quan tâm đến động lực ma sát tăng lên. Một số quan sát thực nghiệm của ma sát được xem xét dưới đây. Các bộ sưu tập là do không có nghĩa là hoàn thành nhưng để phục vụ MINH HOẠ-cô đặc nhiều khía cạnh của hành vi ma sát.