Thí nghiệm 1 xác định hệ số ma sát của vật liệu

Lab.1 – Tính chất cơ – nhiệt của vật liệu (MSE3040)

2012

Bài 05: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ MA SÁT CỦA VẬT LIỆU
Người soạn: TS. Phạm Quang, Th.S. Huỳnh Xuân Khoa,
Th.S Hoàng Thị Ngọc Quyên
Người duyệt: PTN Công nghệ vật liệu kim loại
Tài liệu tham khảo
1) Bài giảng Cơ học vật liệu, ĐHBK- Hà Nội, 2012.
2) Dynamic mechanical analysis: a practical introduction, by Kevin, P.
Menard, © 1999 by CRC Press LLC.
Mục đích
1. Sinh viên ngành KH và KT vật liệu, Cơ khí, Chế tạo máy,… tìm hiều ứng
dụng nguyên lý xác định hệ số ma sát của vật liệu.
2. Nắm được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của hệ thống cũng như quy trình
chuẩn bị mẫu trong xác định hệ số ma sát của vật liệu.
I. Cơ sở lý thuyết
1. Định nghĩa
Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, khi có sự
tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể, trong đó
diễn ra các quá trình cơ, lý, hoá, điện...quan hệ của các quá trình đó rất phức tạp
phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi trường.
Lực ma sát Fms tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến N:
⃗

⃗⃗

(1)

trong đó:

N - tải trọng pháp tuyến.
μ = f(p,v,C)

(2)

trong đó: μ - hệ số ma sát,
C - điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi
trường)
p - Tải trọng
v - Vận tốc trượt
46 | P a g e


Lab.1 – Tính chất cơ – nhiệt của vật liệu (MSE3040)

2012

Công ma sát A chuyển hoá thành nhiệt năng Q và năng lượng hấp phụ giữa
2 bề mặt ΔE.
A = Q + ΔE

(3)

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số ma sát
Ảnh hưởng của tải trọng:
Xét phương trình:
μ = f(p,C)

(4)

Khi thay đổi tải trọng p thì hệ số ma sát μ thay đổi theo. Nhưng tồn tại một
khoảng pth1< p khoảng đó thì xảy ra hư hỏng và μ tăng cao.
Ảnh hưởng của vận tốc:
Đường cong μ = f(v,C) cũng có qui luật tương tự đường cong μ = f(p,C).
Ảnh hưởng của điều kiện ma sát:
Khi dùng bột mài hay các chất bôi trơn thì hệ số ma sát thu được là khác so
với khi không dùng. Khi thay đổi điều kiện ma sát C thì dạng đường cong không
thay đổi mà chỉ thay đổi các giá trị μ, pth1, pth2 .
Như vậy, hệ số ma sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố (μ = f(p,v,C)) như:
- μ ≠ const.
- Tồn tại khoảng có μ = const và nhỏ nhất.
- Có cơ sở để thay đổi điều kiện ma sát C sao cho mở rộng được phạm vi sử
dụng mà μ không đổi và có giá trị nhỏ nhất.
3. Các loại ma sát
Ma sát trượt
Thực tiễn cho thấy bất kỳ vật nào chuyển động trên bề mặt không nhẵn của
vật khác đều xuất hiện một lực cản lại sự trượt của vật gọi là lực ma sát trượt ký
hiệu là ⃗ .

47 | P a g e


Lab.1 – Tính chất cơ – nhiệt của vật liệu (MSE3040)

2012

Xét vật A đặt trên mặt trượt ngang và chịu tác dụng của lực ⃗⃗ hợp với
phương thẳng đứng một góc . Phân tích ⃗⃗ thành hai thành phần ⃗⃗ và ⃗⃗ như
hình vẽ. Nhận thấy rằng ⃗⃗ luôn luôn cân bằng với phản lực pháp tuyến ⃗⃗ . còn

lực ⃗⃗ là lực cần để đẩy vật A trượt trên mặt nằm ngang.
Khi ⃗⃗ không đổi, ta nhận thấy góc  tăng thì ⃗⃗ tăng. Trong giai đoạn đầu
vật A đứng yên trên mặt B. Từ điều kiện cân bằng của vật A cho thấy ⃗⃗ bằng lực
ma sát nhưng ngược chiều. Nếu tiếp tục tăng góc  đến một giá trị  thì vật A bắt
đầu trượt.
Lực ma sát lúc đó cũng tiến tới giới hạn Fn
Ta có:
(5)
ở đây N = P1 là phản lực pháp tuyến của mặt trượt. Góc  gọi là góc ma sát, tg
= f gọi là hệ số ma sát.
Kết luận: Lực ma sát trượt luôn luôn cùng phương nhưng ngược chiều với
chuyển động trượt, có trị số tỷ lệ thuận với phản lực pháp tuyến (áp lực) của mặt
trượt.

Hình 1. Sơ đồ lực của ma sát trượt

Hình 2. Sơ đồ lực trong ma sát tĩnh

Ma sát nghỉ
Lực ma sát tĩnh, còn gọi là ma sát nghỉ, là lực chống lại các lực có xu
hướng làm thay đổi vị trí của hai bề mặt so với nhau, khi hai bề mặt này chưa di
chuyển so với nhau (nhờ cân bằng giữa lực muốn di chuyển và lực ma sát chống
lại). Muốn di chuyển hai bề mặt với nhau, cần tạo ra lực lớn hơn lực ma sát tĩnh
cực đại. Lực ma sát tĩnh cực đại được tính bằng:
48 | P a g e


Lab.1 – Tính chất cơ – nhiệt của vật liệu (MSE3040)

2012

F = F0kt

(6)

với: kt - hệ số ma sát tĩnh.
 Xuất hiện ở mặt tiếp xúc và giữ cho vật đứng yên khi nó bị một lực tác dụng
song song với mặt tiếp xúc.
 Không có hướng nhất định. Hướng của nó ngược với hướng của lực tác dụng.
 Không có độ lớn nhất định. Độ lớn của nó bằng với độ lớn của lực tác dụng.
 Có độ lớn cực đại. Lực ma sát nghỉ cực đại lớn hơn lực ma sát trượt.
Trong đó F1 là ma sát tĩnh, R là lực ma sát lăn, có phương ở trên tâm O
Ma sát lăn

Hình 3. Sơ đồ lực trong ma sát lăn
Ma sát lăn là mô men cản chuyển động lăn của vật này trên vật khác.
Xét con lăn hình trụ có bán R, trọng lượng P lăn trên mặt phẳng ngang nhờ
lực Q đặt vào trục con lăn (xem hình vẽ). Trong trường hợp này con lăn chịu tác
dụng của các lực: ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ Trong đó hai lực ⃗⃗ và ⃗ tạo thành một ngẫu lực
có tác dụng làm con lăn chuyển động lăn. Còn hai lực ⃗⃗ và ⃗⃗ tạo thành một ngẫu
lực có tác dụng cản lại sự lăn của con lăn. Mô men của ngẫu lực ( ⃗⃗, ⃗⃗) được gọi
là mô men ma sát lăn.
Nếu ký hiệu mô men ma sát lăn là

thì:
(7)

Gọi k là hệ số ma sát lăn. Khác với hệ số ma sát trượt và tĩnh, hệ số ma sát
lăn có thứ nguyên là độ dài (m).
Hệ số ma sát lăn thường nhỏ hơn rất nhiều hệ số ma sát trượt.

49 | P a g e


Lab.1 – Tính chất cơ – nhiệt của vật liệu (MSE3040)

2012

 Xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi một vật lăn trên mặt một vật khác.
 Có độ lớn tỉ lệ với độ lớn của áp lực.
Bảng 1 & 2 cho ta trị số của hệ số ma sát đối với một vài vật liệu thường gặp:
Bảng 1. Hệ số ma sát trượt

Bảng 2. Hệ số ma sát lăn

II. Trình tự thí nghiệm
1. Mô tả thiết bị
Thiết bị và sơ đồ hoạt động của thiết bị đo hệ số ma sát trên hình 4 và 5.
2. Mô tả thí nghiệm
Mẫu được kẹp vào mâm cặp mẫu (11 trên hình vẽ). Bộ phận ma sát tĩnh là
bi thép để đo. Tốc độ trên quãng đường (Tùy chọn), lực đặt (0-12)N. Có thể đo
hệ số ma sát khô hoặc dùng chất bôi chơn. Kết quả được ghi nhận trên máy tính
kết nối.

50 | P a g e


Lab.1 – Tính chất cơ – nhiệt của vật liệu (MSE3040)

2012

Hình 4. Thiết bị đo hệ số ma sát (Ma sát nghỉ)
Trong đó:
1.
2.
3.
4.
5.

Công tắc chính
Rắc cắm điện
Cổng nối USB để nối với máy tính
Vòng kẹp cầu chì
Đối trọng

6. Cần đo với những cánh bằng chất dẻo
7. Quả tải trọng
8. Vòng xiết cố định mâm cặp cho
chuyển động
9. Trụ kẹp bộ phận ma sát tĩnh
10. Khoá trụ kẹp của bộ phận ma sát tĩnh
11. Mâm cặp mẫu
12. Cân bằng độ cao
13. Tay quay nâng hạ cần đo
14. Thanh đỡ quả trọng lượng
15. Gá đỡ trụ kẹp pin mặt nghiêng
16. Giá đỡ qủa tải trọng dùng để xác định
lực ma sát
17. Quả tải trọng để xác định lực ma sát
18. Trụ kẹp pin
19. Thiết bị tháo bi từ trụ kẹp bi

Hình 5. Sơ đồ vận hành thiết bị

51 | P a g e


Lab.1 – Tính chất cơ – nhiệt của vật liệu (MSE3040)

2012

III. Thao tác thí nghiệm
1. Định vị đầu đo
1) Đặt mâm tròn (hoặc một mẫu phẳng tròn nào đó) lên mâm kẹp mẫu (11).
2) Dời thanh đỡ quả trọng lượng (14) ra khỏi cần đo (6)
3) Nâng cần đỡ lên bằng tay quay nâng hạ cần đo (13)
4) Cài Pin hoặc trụ kẹp bi (đã được nạp bi) lên rãnh ở đầu cần đo, sau đó xiết
chặt bằng khoá (10) theo chiều kim đồng hộ.
5) Hạ thấp cần đo xuống bằng tay quay nâng hạ cần đo.
6) Điều chỉnh cân bằng cần đo bằng cách xoay quả đối trọng (5) ở phía sau cần
đo cho đến khi cần đo ở vị trí cân bằng. Vị trí cân bằng được xác định khi cần
đo ở trạng thái tự do sẽ nằm ngang trong khe của dụng cụ xác định cân bằng
chiều cao, như minh hoạ ở hình 2.
7) Phần ma sát tĩnh không được chạm vào bề mặt mẫu.
8) Đặt thanh đỡ quả trọng lượng (14) lên cần đo.
2. Định vị tốc độ, định vị tải trọng
1)
2)
3)
4)
5)

6)
7)

Mở menu EXTRAS và chọn CALIB FORCE
Nhập mã số TRIBO
Bỏ thanh đỡ quả trọng lượng (14) từ cần đo xuống
Tháo trụ kẹp mẫu ra bằng cách nới khoá theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.
đặt bộ đỡ tải trọng cân bằng (16), nối vào với cần đo tại vị trí bộ ma sát tĩnh.
Sau đó đặt tải trọng
Nhập vào cửa sổ hiện lên trên máy tính giá trị của tải trọng được ghi trên quả
tải trọng, đặt tốc độ quay trong cửa sổ menu này.
8) Ấn OK
IV. Báo cáo thí nghiệm
1. Khi kết thúc qui trình thí nghiệm lấy kết quả thí nghiệm.
2. Đánh gia kết quả thu được.

52 | P a g e