Khi một vật rắn muốn trượt trên bề mặt một vật rắn khác, cần có lực tác động để thắng lực cản chuyển động. Lực cản này chính là lực ma sát, và hiện tượng này gọi là hiện tượng ma sát.

Trong thực tế:

• Ma sát có lợi: như trong hệ thống phanh, truyền động đai, giúp truyền lực và đảm bảo an toàn.

• Ma sát có hại: làm giảm công suất máy móc, gây mài mòn chi tiết, tăng tiêu hao nhiên liệu, giảm tuổi thọ thiết bị.

Vì vậy, trong kỹ thuật cơ khí, đặc biệt là động cơ đốt trong, cần tìm mọi biện pháp giảm ma sát để nâng cao hiệu suất.

Phân loại ma sát

Theo trạng thái chuyển động

• Ma sát trượt: xảy ra khi hai vật tịnh tiến tương đối và tiếp xúc tại một mặt (phẳng hoặc cong), một đường hoặc một điểm.

• Ma sát lăn: xảy ra khi điểm hoặc đường tiếp xúc thay đổi liên tục (ví dụ: ổ bi, con lăn).

Theo vị trí xuất hiện

• Ma sát trong (nội ma sát): xảy ra trong cùng một vật thể, liên quan đến biến dạng bên trong vật liệu.

• Ma sát ngoài: xảy ra tại bề mặt tiếp xúc của hai vật thể khác nhau.

Theo trạng thái bôi trơn

• Ma sát khô (không có bôi trơn).

• Ma sát giới hạn (lớp bôi trơn rất mỏng, chịu tác động lực phân tử).

• Ma sát nửa ướt (lớp dầu bị phá huỷ từng phần).

• Ma sát ướt (lớp bôi trơn đầy đủ, tách rời hoàn toàn bề mặt tiếp xúc).

Trong ngành sản xuất và sử dụng vật liệu bôi trơn, nhóm ma sát này được nghiên cứu nhiều nhất.

Ma sát khô

Khái niệm

Ma sát khô là ma sát giữa hai vật rắn tiếp xúc trực tiếp, không có lớp dầu hoặc mỡ bôi trơn. Dù bề mặt được gia công chính xác, vẫn tồn tại độ mấp mô vi mô. Khi trượt, các điểm mấp mô va chạm, móc vào nhau, gây:

• Tiếp xúc đàn hồi và biến dạng dẻo.

• Cắt gọt vi mô, làm hao mòn chi tiết.

Công thức tính

F1=f⋅PHF_1 = f \cdot P_HF1​=f⋅PH​

Trong đó:

• F1F_1F1​: Lực ma sát khô (trượt)

• $f$: Hệ số ma sát khô (0,1 – 0,5 đối với kim loại)

• PHP_HPH​: Tải trọng vuông góc với bề mặt chuyển động

Tác hại

• Tăng tiêu hao năng lượng.

• Tăng nhiệt độ, gây oxy hóa và phá hủy bề mặt.

• Giảm công suất hữu ích.

• Rút ngắn tuổi thọ động cơ.

Giảm ma sát khô

• Chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn (thay bạc trượt bằng vòng bi).

• Bôi trơn: duy trì lớp dầu/mỡ giữa các bề mặt.

Ma sát ướt

Khái niệm

Ma sát ướt xảy ra khi giữa hai bề mặt có lớp dầu bôi trơn đầy đủ, tách rời hoàn toàn các điểm mấp mô. Đây là chế độ bôi trơn thủy động học, phổ biến trong ổ trục, hộp số, và động cơ.

Nguyên lý hình thành lớp dầu

• Ở trạng thái tĩnh: lực tải ép dầu ra ngoài, một số điểm vẫn tiếp xúc trực tiếp.

• Khi chuyển động: bề mặt kéo theo lớp dầu gần nó, tạo nêm dầu đẩy hai bề mặt tách ra.

• Trong ổ trượt, dầu nhờn lấp đầy khe hở giữa bạc và trục, giúp trục “bơi” trên lớp dầu.

Yếu tố ảnh hưởng

• Độ nhớt: quyết định độ vững chắc của lớp dầu, phụ thuộc nhiệt độ, áp suất, tốc độ.

• Điều kiện làm việc: tốc độ quay cao và tải nhẹ giúp duy trì lớp dầu đều.

Ưu điểm

• Hệ số ma sát nhỏ (f = 0,007 – 0,03).

• Giảm hao mòn, tăng tuổi thọ chi tiết.

• Giảm nhiệt độ làm việc.

• Chịu tải lớn hơn so với ma sát khô.

Ma sát giới hạn và ma sát nửa ướt

Ma sát giới hạn

• Xảy ra khi lớp dầu rất mỏng và bám chặt vào bề mặt kim loại.

• Chuyển động bị chi phối bởi lực phân tử, không phải chuyển động tự do của chất lỏng.

Ma sát nửa ướt

• Lớp dầu bị phá hủy từng phần → một số điểm tiếp xúc trực tiếp.

• Xuất hiện trong các trường hợp:

  • Khởi động hoặc tắt máy.

  • Chuyển động tịnh tiến hoặc lắc.

  • Thay đổi tốc độ, tải đột ngột.

  • Nhiệt độ hoặc áp suất cao.

  • Thiếu dầu hoặc dầu không đủ độ nhớt.

Kết luận

Hiểu rõ các loại ma sát và phương pháp bôi trơn giúp:

• Tối ưu hiệu suất máy móc.

• Giảm tiêu hao năng lượng.

• Kéo dài tuổi thọ động cơ và thiết bị.

Trong thiết kế và bảo dưỡng, việc chuyển ma sát khô sang ma sát ướt bằng các biện pháp bôi trơn hiệu quả luôn là ưu tiên hàng đầu.

I. MA SÁT VÀ BÔI TRƠN

Một vật thể rắn muốn trượt trên bề mặt một vật rắn khác cần phải dùng lực đẩy để thắng lực cản chuyển động, lực cản này chính là lực ma sát và hiện tượng trên gọi là hiện tượng ma sát.

Trong thực tế một số trường hợp ma sát là có lợi như trong hệ thống phanh, truyền động đai.v.v…nhưng phần lớn các trường hợp ma sát là có hại, nó làm giảm công suất của máy móc, gây mài mòn các chi tiết và do vậy cần tìm mọi biện pháp để làm giảm ma sát xuất hiện trong động cơ.

Ma sát xuất hiện giữa 2 vật thể khi chúng chuyển động tương đối với nhau gọi là ma sát động.

Dựa vào đặc tính động học của chuyển động phân biệt thành ma sát trượt và ma sát lăn:

Ma sát trượt xuất hiện khi vật thể này tịnh tiến so với vật thể khác và tiếp xúc với vật thể đó bằng một mặt (phẳng hoặc cong), một đường hoặc một điểm.

Ma sát lăn xuất hiện khi vị trí tiếp xúc giữa hai vật luôn tuần tự thay đổi bằng một đường hay một điểm.

Dựa vào vị trí phân bố các bề mặt làm việc có ma sát trong và ma sát ngoài:

Ma sát trong (nội ma sát) xuất hiện trong cùng một vật thể.

Ma sát ngoài xuất hiện tại vị trí tiếp xúc của hai vật thể với nhau.
Dựa vào dấu hiệu của sự bôi trơn người ta phân biệt ma sát khô, ma sát giới hạn, ma sát nửa ướt và ma sát ướt.

Trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng vật liệu bôi trơn người ta thường quan tâm đến loại ma sát này.

1. Ma sát khô

Ma sát khô (ma sát không bôi trơn) là ma sát giữa hai vật rắn tiếp xúc trực tiếp với nhau, không có bất kỳ vật liệu bôi trơn nào trên bề mặt tiếp xúc.

Khi gia công các chi tiết dù đạt độ chính xác cao trên bề mặt vẫn có độ mấp mô. Quá trình chuyển động tương đối giữa hai chi tiết lắp ghép với nhau các chỗ mấp mô sẽ khớp vào nhau và tạo thành lực cản chuyển động, tại vị trítiếp xúc sẽ xảy ra sự tiếp xúc đàn hồi, xuất hiện các biến dạng dẻo và có sự cắt gọt lẫn nhau của các điểm mấp mô làm hao mòn chi tiết.

Lực ma sát khô được xác định theo công thức (4.1)

F₁ = f.PH (4.1)

Trong đó:

+ F₁: Lực ma sát khô (dạng trượt).

+ f: Hệ số ma sát khô.

+ PH: Tải trọng tác dụng theo phương vuông góc với phương chuyển động.

Hệ số ma sát f biểu thị sự hao tổn năng lượng trên bề mặt ma sát. Giá trị của f phụ thuộc vật liệu và hình dạng chi tiết, điều kiện làm việc. Với chi tiết có độ cứng càng cao, bề mặt gia công càng nhẫn hệ số ma sát càng nhỏ. Hệ số ma sát khô đối với kim loại thường trong khoảng f = 0,1 – 0,5.

Ma sát khô có tác hại làm tăng tổn thất năng lượng, tăng nhiệt độ làm việc của bề mặt chi tiết dẫn tới sự ô xy hóa, phá hủy cục bộ bề mặt làm việc, giảm công suất hữu ích dẫn tới giảm tuổi thọ động cơ.

Để hạn chế tác hại của ma sát khô người ta thường áp dụng một số phương pháp sau:

Lắp vào giữa 2 bề mặt ma sát chi tiết có hình dạng phù hợp được gia công chính xác để chuyển từ ma sát trượt sang ma sát lăn như chuyển từ bạc sang vòng bi.

Hình thành và duy trì giữa các bề mặt chi tiết ma sát một lớp vật liệu bôi trơn bền vững dạng lỏng hoặc dẻo.

Lực ma sát lăn được xác định theo công thức (4.2) P F=f.H r (4.2)

Trong đó:

+ F₁: Lực ma sát lăn.

+ f: Hệ số ma sát lăn.

+ r: Bán kính con lăn (bi).

2. Ma sát ướt

Ma sát ướt là ma sát khi giữa 2 bề mặt chi tiết có một lớp chất lỏng bôi trơn, tách rời hoàn toàn 2 bề mặt tiếp xúc với nhau bằng một lớp dầu có chiều dày lớn hơn tổng chiều cao của các lớp mấp mô trên 2 bề mặt ấy. Chi tiết được bôi trơn theo dạng này gọi là chế độ bôi trơn thủy động học.
Trên hình 4.1 (a): Khi 2 mặt phẳng không chuyển động mặc dù giữa 2 mặt A và B có 1 lớp dâu ngăn cách nhưng do tác dụng của lực P, dầu giữa 2 mặt bị ép ra ngoài và có những điểm tiếp xúc trực tiếp lên nhau.

Trên hình 4.1 (b): Khi có lực F tác dụng lên bề mặt A thì nó bắt đầu chuyển động với vận tốc v và cuốn theo những lớp dầu gần nó. Do có nội ma sát nên càng xa mặt A vận tốc lớp dầu càng nhỏ và cuối cùng các lớp dầu sát bề mặt B sẽ không chuyển động. Vì dầu nhờn không nén lại được cộng với sự khác nhau về vận tốc các lớp dầu nên mặt phẳng A luôn nằm trong thế bơi mặc dù có 1 lực P tác dụng.

Sự tạo thành lớp dầu giữa cổ trục và ổ trượt (hình 4.2) cũng tương tự như vậy. Do có sự khác nhau kích thước đường kính cổ trục 3 và bạc lót 1 nên có khe hở giữa bạc và trục. Dầu nhờn lấp đầy khe hở này. Khi ở trạng thái tĩnh, dưới tác dụng của trọng lực trục bị ép xuống cổ trục. Khi trục bắt đầu quay các lớp dầu sát cổ trục nhờ lực hấp thụ sẽ cuốn các lớp dầu khác nhau quay theo chiều quay của trục. Khi đó giữa cổ trục và phần dưới ổ trượt lượng dầu dồn tới sẽ tăng dần và hình thành 1 nêm dầu. Dưới tác dụng của nêm dầu cổ trục dần được nâng lên, nhờ đó các bề mặt chi tiết được giãn cách nhau, không tiếp xúc trực tiếp nữa. Khe hở nhỏ nhất sẽ dịch chuyển dần lên phía trên theo phương thẳng đứng và theo chiều quay của trục khe hở cũng lớn dần lên. Áp suất lớn nhất của lớp dầu được hình thành ở phía dưới bên trái đường trục thẳng đứng qua tâm ổ trượt và hơi lệch phải so với vị trí bề dầy tối thiểu của lớp dầu. Áp suất này giảm dần đến giá trị áp suất môi trường và thậm chí còn thấp hơn áp suất môi trường (khoảng từ c đến a). Ở vị trí này người ta đưa dầu bôi trơn vào cho toàn bộ ổ trượt.

Khi vòng quay của trục tăng lên, tác động của nêm dầu cũng tăng và khe hở nhỏ nhất cũng tăng dần. Trong trường hợp lý tưởng khi trục hoàn toàn không có tải trọng, khối lượng của trục vô cùng nhỏ và vòng quay vô cùng lớn thì tâm của ổ trượt O trùng với tâm của cổ trục O’, bề dày lớp dầu là cực đại và có sự phân bố đều nhau xung quanh cổ trục.

Độ vững chắc của lớp dầu phụ thuộc độ nhớt của dầu nhờn. Độ nhớt này được chọn tuỳ theo điều kiện làm việc của cặp ma sát như nhiệt độ, áp lực, tốc độ trượt tương đối của các mặt phẳng. Người ta đã tính được đối với các gối đỡ trục cơ của động cơ đốt trong độ nhớt phải lớn hơn 4-5 cSt ở nhiệt độ làm việc.

Hệ số ma sát ướt rất nhỏ (f = 0.007-0.03). So với ma sát khô, ma sát ướt có ưu điểm:
Giảm hao mòn các chi tiết một cách đáng kể.

Giảm mất mát công suất động cơ.

Nhiệt độ làm việc trên bề mặt chi tiết giảm nhiều.

Các cặp ma sát chịu được tải trọng lớn hơn.

Nâng cao độ tin cậy và tăng tuổi thọ của các cặp ma sát.

Ngoài ra, trong thực tế làm việc của các cặp chi tiết còn xảy ra hiện tượng bôi trơn giới hạn và bôi trơn nửa ướt.

Bôi trơn giới hạn xảy ra khi một lớp dầu rất mỏng tồn tại dưới tác dụng tương hỗ của lực phân tử giữa 2 bề mặt kim loại. Lớp dầu này gắn chặt vào kim loại giống như nó bị tán vào kim loại và không thể chuyển động tự do như chất lỏng chuyển động được. Ma sát xuất hiện ở trạng thái bôi trơn giới hạn là ma sát giới hạn.

Bôi trơn nửa ướt là dạng bôi trơn khi lớp dầu giữa các chi tiết ma sát bị phá huỷ từng phần, do đó trong một số điểm tiếp xúc trực tiếp của chi tiết xuất hiện ma sát giới hạn hoặc ma sát khô. Ma sát xuất hiện ở trạng thái bôi trơn này gọi là ma sát nửa ướt.

Khả năng xuất hiện chế độ bôi trơn nửa ướt thường xảy ra trong các trường hợp:
-Khởi động máy.

-Tắt máy.

– Chuyển động tịnh tiến và lắc.

– Thay đổi tốc độ và tải trọng đột ngột.

Nhiệt độ cao.

-Áp suất cao.

Dầu không bảo đảm độ nhớt.

Thiếu dầu.