Friktions- och friktionskoefficientbestämning av friktionsvärden för material

Friktionskoefficienten är en fysisk variabel som härrör från tribologiområdet för friktionen mellan två objekt. Friktionskoefficienten anger den kraft som uppstår under friktion (friktionskraft) i förhållande till den kraft med vilken föremålen trycks ihop (presskraft). Friktionskoefficienten är således en viktig parameter vid undersökning av materialslitage och glidegenskaper. Denna artikel förklarar grunderna i friktionskoefficienten, dess mätmetoder och dess tillämpningar inom teknik.

Vad är torr friktion?

Allmän friktion är motståndet mellan två fasta ytor och fördröjer relativ rörelse i motsatt riktning.

Torrfriktion är en speciell typ av friktion när det inte finns något smörjmedel eller vätska mellan ytorna. Torr friktion beror till stor del på kontaktytornas ojämnhet.

När vätskor eller smörjmedel spelar en roll kallas detta för vätske- eller fluidfriktion. I andra medium (t.ex. luft eller vatten) kallas det dock luftfriktion eller flödesfriktion.

Friktion kan ses i många industriella tillämpningar och situationer, till exempel att vrida en skruv till en inre gänga. Eller när gängade muttrar rör sig längs en skruvenhet (t.ex. vid 3D-printing). Målet är vanligtvis att minimera friktionen och därmed öka slitagemotståndet i systemet.

Typer av torr friktion

Torrfriktion kan delas in i två kategorier:

• Statisk friktion: Statisk friktion uppstår när de två ytorna är i kontakt men ännu inte har flyttats mot varandra.
• Dynamisk friktion: Dynamisk friktion uppstår när en extern kraft är tillräckligt stor för att initiera rörelse mellan två ytor.

Dessa två kategorier av torr friktion visar olika beteende.

Statisk friktion

Statisk friktion (även känd som självhäftande friktion) uppstår när den kraft som appliceras inte är tillräckligt stor för att initiera rörelse och objektet förblir statiskt eller i balans.

Beräkna statisk friktionskraft

Den statiska friktionskoefficienten (μ_s) beskriver förhållandet mellan normalkraften (F_N) och den resulterande reaktionskraften eller vidhäftande friktionen (F_H) innan rörelsen börjar - dvs. i viloläge:

Följande gäller för normalkraften i det lutande planet med friktionsvinkel:

Följande gäller för den normala kraften i planet utan friktionsvinkel:

Friktionskoefficienten är alltid enhetslös och bestäms experimentellt. I de flesta fall har friktionskoefficienterna för olika materialparningar (t.ex. stål på stål) redan fastställts och finns i relevant specialistlitteratur – se även ”Material och tabell med friktionskoefficienter”.

Dynamisk friktion

Dynamisk friktion (även känd som kinetisk friktion) uppstår när den kraft som appliceras är tillräckligt stor för att sätta objektet i rörelse.

Beräkna dynamisk friktionskraft

Den dynamiska friktionskoefficienten (μ_d) beskriver förhållandet mellan friktionskraften (F_R) och normalkraften (F_N) under rörelsen mellan ytorna:

Följande gäller för normalkraften i det lutande planet med friktionsvinkel:

Följande gäller för den normala kraften i planet utan friktionsvinkel:

Friktionskoefficienten är alltid enhetslös och bestäms experimentellt. I de flesta fall har friktionskoefficienterna för olika materialparningar (t.ex. stål på stål) redan fastställts och finns i relevant specialistlitteratur – se även ”Material och tabell med friktionskoefficienter”.

Experimentellt fastställa friktionskoefficienter och friktionsvärden

Friktionskoefficienterna för statisk friktion och dynamisk friktion måste bestämmas experimentellt eftersom de beror på olika faktorer som ytstruktur och grovhet, rörelsehastighet och miljöförhållanden.

Experimentell bestämning av friktionskoefficienter och friktionsvärden kräver exakt prestanda för friktionstester under kontrollerade förhållanden.

• Utforma en lämplig testuppställning som gör att två materialprover eller ytor kan gnugga mot varandra. Uppställningen bör tillåta att en extern kraft eller vikt appliceras för att initiera friktions- och kontrollrörelse.
• Välj de material för vilka du vill bestämma friktionskoefficienten och se till att ytorna är rena och fria från föroreningar. Ytorna ska ge en representativ bild av de faktiska tillämpningsförhållandena.
• Förbered materialprovernas ytor noggrant för att minimera ojämnheter på grund av kontaminering. Rena ytor bidrar till reproducerbara resultat.
• Kontrollera omgivningsförhållandena och håll dem konstanta i varje test som utförs. Utför testerna i en kontrollerbar miljö där så många miljöfaktorer som möjligt kan hållas konstanta. Detta påverkar främst lufttrycket (Δp-konstanten), temperaturen (ΔT-konstanten) och fuktigheten.
• Utför friktionstesterna. Mät de applicerade krafterna och de resulterande reaktionskrafterna eller friktionskrafterna medan rörelsen sker eller när du försöker initiera rörelsen.
• Upprepa friktionstesterna flera gånger för meningsfulla data.
• Beräkna friktionskoefficienterna (μ_s och μ_d) baserat på uppmätta data. Använd lämpliga formler för att beräkna friktionskoefficienterna eller för att fastställa friktionsvärden för den valda materialkombinationen. Notera även miljöförhållandena.

Mät följande krafter under testet:

• Mät den statiska friktionskraften på fjäderkraftmätaren strax innan föremålet sätts i rörelse.
• Mät den glidande friktionskraften på fjäderkraftmätaren medan föremålet rör sig.

Beräkna sedan friktionskoefficienterna:

Mätning med noggrannhet och känslighet är avgörande för att erhålla korrekta data. De fastställda friktionskoefficienterna kan i hög grad bero på de specifika tillämpningsförhållandena.

Experimentell bestämning av friktionsvärdena kan vara tidskrävande och dyrt. Det är dock viktigt att förbättra förståelsen för materialens friktionsegenskaper och att utveckla effektiva tekniska tillämpningar. Noggrann planering, exakt genomförande och statistisk utvärdering krävs för att uppnå korrekta och tillförlitliga resultat.

Vikten av friktion i industriella tillämpningar

Friktion spelar en central roll i en mängd olika industriella tillämpningar och är ett grundläggande fysiskt fenomen som inte bara ger fördelar utan också utmaningar.

I många tekniska system, såsom motorer, kugghjulsenheter eller lager, är det nödvändigt att styra eller minimera friktion för att minska energiförluster och slitage och förbättra effektiviteten.

• Rörelsekontroll- och bromssystem: Friktion används i bromssystem för att styra och bromsa maskiners rörelse. Genom att utnyttja friktionsegenskaperna på ett målinriktat sätt kan man uppnå exakt kontroll och säkerhet.
• Självhäftande friktion och stabilitet: I många tillämpningar, som att stå på en lutande yta, är statisk friktion avgörande för att säkerställa stabilitet och förhindra glidning.
• Materialslitage och livslängd: Friktion kan orsaka materialslitage, vilket kan minska komponenternas livslängd. Det är viktigt att förstå friktionsegenskaper för att minimera slitage och maximera komponenternas livslängd.
• Val av material: Kunskap om materialens friktionsegenskaper är avgörande vid val av material för specifika tillämpningar. Friktionsvärdena måste beaktas för att välja optimala materialkombinationer för specifika ändamål.
• Smörjning: Effektiv smörjning är avgörande för att minska friktion och slitage i många mekaniska system och förlänga deras livslängd.

Påverkan av friktion vid slitage

De flesta industriella tillämpningar har följande mål:

• minimera slitage
• maximera systemets effektivitet
• maximera systemets livslängd

Friktion, smörjning, ojämnhet och slitage bildar ett dynamiskt system och är ömsesidigt beroende.

Den vetenskapliga bakgrunden till friktion och slitage undersöks inom tribologiområdet läran om friktion, smörjning och slitage på komponenter. Alla industriella tillämpningar, där mekaniska komponenter arbetar tillsammans eller möts, kan betraktas som ett så kallat tribologiskt system.

De ömsesidiga interaktionerna måste beaktas, särskilt i långsiktiga tillämpningar:

• Temperatur och andra miljöförhållanden kan påverka friktionsegenskaperna. Vid högre temperaturer kan materialen mjukna, vilket kan leda till förändrad friktion. Å andra sidan kan en hög temperatur också leda till smörjmedelsfel eller ökat slitage.
• Slitage på kontaktytorna (t.ex. nötning) kan påverka friktionsegenskaperna på lång sikt. Om materialet slits av eller lossnar från kontaktytorna kan detta leda till en förändring av friktionsfaktorer. Ökat slitage kan också leda till ökad friktion och försämrad prestanda.
• Smörjning, oavsett om det är i form av vätskor eller fasta ämnen, spelar en viktig roll för att påverka friktionen. Lämplig smörjning kan minska friktionen och minimera slitaget. Dålig smörjning eller brist på smörjning kan dock leda till ökad friktion och slitage.

I alla industriella tillämpningar är det viktigt att överväga interaktionerna och utföra regelbundna slitagekontroller.

Åtgärder för att öka friktionen

I vissa industriella tillämpningar kan det vara viktigt att öka komponentfriktionen. Till exempel för att förhindra att skruvanslutningar lossnar.

För att öka friktionen finns följande åtgärder tillgängliga, för exempel:

• Öka ytans grovhet eller skrovlighet: Grovhet på en yta kan öka friktionen. En möjlighet till grovbearbetning är den så kallade blästringen (t.ex. svepblästring) där ytan ändras direkt. Ett annat alternativ är ytbehandling, där ett hölje appliceras på basmaterialet - till exempel genom varmförzinkning.
• Använd friktionstillsatser: Tillsatser kan tillsättas till vissa maskinoljor för att öka friktionen.
• Använd lim eller vaddering: Att applicera häftämnen eller dynor kan öka friktionen. Teflontejp eller gänglåsande vätska lämpar sig exempelvis för skruvanslutningar. Dessa medel kan också ha en tätande effekt.

Material och tabell med friktionskoefficienter

Nedan följer en översikt över torrfriktionskoefficienterna för typiska materialparningar.