Неотъемлемой особенностью трения в режиме гидродинамической смазки является наличие между трущимися поверхностями смазочной пленки.

Гидродинамическое давление сопротивляется нормальной нагрузке и разделяет сопрягаемые поверхности.

Гидродинамическое давление в смазочной пленке Рассмотрим это давление. Если жидкость втекает в зазор между двумя поверхностями, одна из которых (А) неподвижна (см. рисунок), то слой жидкости, непосредственно прилегающий к поверхности А, остается неподвижным, а прилегающий к поверхности В слой движется со скоростью V этой поверхности.

Вследствие вязкости другие слои, занимающие промежуточное положение между двумя упомянутыми слоями, вовлекаются в движение. Это обстоятельство (вязкость и сцепление жидкости с поверхностями твердых тел) является необходимым условием для возникновения гидродинамического давления, но это условие не является достаточным.

Для возникновения давления необходим сужающийся зазор между поверхностями, обеспечивающий изменение градиента скорости dV/dz и, следовательно, градиента напряжения сдвига dt/dz по длине пленки. Градиент давления также изменяется по длине пленки.

Так как на обоих концах смазочной пленки давление равно атмосферному, в некоторой точке оно должно достигать максимума.

Таким образом, вначале давление должно расти от входа (положительный градиент давления) до достижения им максимума, а затем снижаться (отрицательный градиент). Возникающее за счет гидродинамического действия давление стремится уравновесить внешнюю нагрузку. Этот эффект известен под названием расклинивающего действия пленки и физически связан с условием непрерывности. Чтобы проиллюстрировать этот эффект, рассмотрим стационарное течение в объеме bbсс на вышеприведенном рисунке.

Количество жидкости, втекающей через сечение bb, должно быть равно количеству, вытекающему через сечение се, чтобы сохранялся стационарный характер потока. Площади сечений bb и cc различны, а гидродинамическое давление должно возрастать, поэтому скорость потока остается постоянной. Давление затрудняет течение во входном сечении и облегчает его в выходном сечении.

Совершенно необязательно, чтобы зазор имел непрерывно изменяющийся профиль, как показано на рисунке. Так, существует опора, называемая ступенькой Рэлея со скачкообразно изменяющимся профилем зазора. Интересно отметить, что Рэлей полагал ступенчатую форму зазора наилучшей по сравнению с другими конфигурациями.

Если сопрягаемые поверхности параллельны, то гидродинамическое давление не может создаваться расклинивающим действием.

Однако в двух случаях давление все же возникает. Во-первых, когда жидкость, проходя через зазор, нагревается, например за счет вязкого трения, и ее плотность снижается, а объемная скорость течения должна возрастать в силу действия условия непрерывности, которое требует, чтобы массовая скорость течения была постоянной.

В результате в пленке развивается гидродинамическое давление. Этот эффект называется тепловым расклиниванием. Второй случай имеет место, когда одна из поверхностей движется по направлению ко второй. Жидкость сжимается и вытекает из зазора. Вязкость стремится воспрепятствовать выдавливанию жидкости, в результате чего создается гидродинамическое давление.

Этот эффект известен как сжимающее действие пленки. В реальных узлах трения одновременно могут действовать как расклинивающий, так и сжимающий эффекты.

Схема опорного подшипника Рассмотрим теперь, как общие закономерности, описанные выше, проявляются в опорном подшипнике (см. рисунок). Чтобы зазор между валом и вкладышем имел переменное сечение, вал должен быть расположен эксцентрично по отношению к вкладышу.

Минимальная и максимальная толщины зазора расположены на прямой, проходящей через центры вала и вкладыша О и О'. Эта линия называется линией центров. При вращении вала смазка сцепляется с его поверхностью и благодаря вязкости постоянно вовлекается в зазор, т. е. вал действует как насос, поддерживающий циркуляцию смазки.

Как отмечено выше, гидродинамическое давление возникает в смазочной пленке за счет ее расклинивающего действия. Увлекаемая часть пленки, т.е. та ее часть, в которой возникает избыточное давление, расположена вблизи минимума зазора, сходящаяся часть которого длиннее, чем расходящаяся. В результате линия центров поворачивается по направлению вращения, так что вертикальные компоненты давления в пленке и сила трения, действующая на вал, уравновешивают нагрузку на него.

Другими словами, между линией центров и направлением приложения нагрузки существует некоторый угол давления. Этот угол является функцией внешней нагрузки, скорости вращения, зазора, вязкости и т. д. Под действием только силы трения вал должен двигаться в противоположном направлении, как если бы он катился по поверхности вкладыша. Однако поворот линии центров в направлении вращения показывает, что гидродинамическое давление, являющееся косвенным следствием вязкости, оказывает большее влияние на вал, чем сила трения, являющаяся прямым следствием вязкости.

Замечательно, в частности, то, что вал лежит на смазочной подушке, когда равнодействующая гидродинамического давления становится равной внешней нагрузке. Эта равнодействующая называется нагрузочной способностью.

Очевидно, что чем выше вязкость и скорость вращения, тем больше нагрузочная способность. В первом случае смазка практически не может вытекать в стороны и втягивается по направлению к узкому сечению зазора. Во втором случае большее количество смазки вовлекается в зазор.

Увеличение относительного зазора ε = c/R оказывает противоположное действие, поскольку в большом зазоре существует противоток смазки вследствие возрастания угла клина, и гидродинамическое давление развивается в малом сечении. Чем меньше минимальная толщина пленки, тем труднее смазке вытечь из зазора. Это приводит к возрастанию нагрузочной способности.

Однако существует естественный нижний предел толщины, который должен превышать сумму высот неровностей на сопрягаемых поверхностях.

Обычно средняя толщина смазочной пленки имеет порядок одной тысячной диаметра вала, в то время как максимальная и минимальная толщины пленки могут отличаться от нее в 4-5 раз.