Ders Notu 1 Triboloji

Atatürk Üniversitesi

TRİBOLOJİ

Prof. Dr. İrfan KAYMAZ

TRİBOLOJİ

Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

Makine Mühendisliği Bölümü


TRİBOLOJİ Giriş

Bu bölüm sonunda: Tribolojinin temel esaslarını Sürtünme çeşitlerini

Kuru Sürtünme Sınır Sürtünmesi Sıvı Sürtünmesi Yuvarlanma Sürtünmesi

Aşınma mekanizmalarını Yağlayıcı çeşitlerini ve Özelliklerini

Viskozite kavramı Petroff Denklemini

öğrenmiş olacaksınız…


TRİBOLOJİ Triboloji

Sürtünme: • Temas eden ve izafi harekette bulunan iki makine elamanın

temas yüzeyinde ortaya çıkar • Buna bağlı olarak sıcaklık yükselişi ve ısınma, aşınma ve enerji

kaybı oluşur.

Alınabilecek en yaygın tedbir: Bağıl hareket eden yüzeyler arasına bir yağlayıcı konulmasıdır

TRİBOLOJİ: Sürtünme, aşınma ve yağlama ve bunlarla ilgili fiziksel olayları

inceleyen bilim dalıdır.


TRİBOLOJİ Tribolojik Sitem

TRİBOLOJİK SİSTEMDE ENERJİ DENGESİ

YATAK: Bir elemanın veya parçanın diğerine göre bağıl hareketine yardımcı olan ve parçaları bu harekete uygun bir şekilde konumlandıran düzenek veya makine elamanıdır.


TRİBOLOJİ Sürtünme

Sürtünme, birbiriyle izafi hareket yapan iki katı yüzeyin harekete ya da hareketin ihtimaline göstermiş oldukları dirençtir.

En genel olarak: • Kuru, • Sıvı, • Yarı-sıvı sürtünme • ve Kayma-Yuvarlanmalı Sürtünme olarak sınıflandırılabilir.


TRİBOLOJİ Kuru Sürtünme

Bağıl hareket yapan iki kuru parça temas yüzeylerinde meydana gelen sürtünme türü olup birbirleri üzerinden yüzey pürüzleri üzerinden kayarlar.

Kuru Sürtünme Modeli: Coulomb-Amontons kanunu dikkate alınarak hareket ters doğan sürtünme kuvveti:



W ağırlığındaki bir cisme F kuvveti uygulandığında iki durum ortaya çıkar:

I. Cisimler hareket halinde değildir

ancak statik veya durgun sürtünme olarak tanımlanan direnç oluşur. Bu durumda 𝐹𝑠 = 𝐹

II. F kuvvetinin etkisinde yüzeyler kayar

ve kinematik sürtünme ortaya çıkar. Bu durumda 𝐹𝑠 < 𝐹



Coulomb-Amontos kanunu düzenlenirse sürtünme katsayısı:

𝜇 =𝐹𝑠

𝐹𝑛

Dinamik (kinetik) sürtünme katsayısı

𝜇 =𝐹𝑠𝑘

𝐹𝑛



• Sürtünme kuvveti (veya sürtünme katsayısı) nominal temas alanına bağlı değildir (Da Vinci 600 yıl önce belirtti!!!)

• Sürtünme kuvveti kayma hızından bağımsızdır

• Kinetik sürtünme katsayısı statik sürtünme katsayısından daha düşüktür

• Yüksek hızlarda sürtünmede bir azalma tespit edilmektedir



İki metal yüzeye yük uyguladıktan sonra yüzeyler arasında temas halindeki tabakaların bir kısmı kopar ve küçük temas alanlarında metal kaynama (kaynak bağlantısı) oluşur.

İzafi hareket yapan yüzeylerde sürtünme metal kaynak bağları ile tabii tabakalar arasındaki bağlantıların oluşturduğu direnç olarak tanımlanır.

Sürtünme kuvveti; hem kaynak bağlarını hem de bağlantıları koparan kuvvettir.

Ancak bu parametreleri belirlemek çok zor olduğundan deneysel yollarla sürtünme katsayısı belirlenir.



Metal kaynak bağı oluşturan temas noktalarının kayma mukavemeti temas eden malzemelerin cinsine bağlıdır.

Bu bağıntıdan Sürtünme ile ilgili aşağıdaki sonuçlar çıkartılabilir:

Birbirleriyle kolay alaşım haline gelebilen demir, nikel ve krom gibi sert malzemeler arasında kuvvetli kaynak bağları oluşmaktadır. Bazı durumlarda kaynama noktaları çok güçlü olur ve yüzeyler birbirine kilitlenir. Hareket gerçekleşse bile yüzeyler tamamen bozulmuş olur. Bu durum yenme (yalama) olarak bilinir.



Birbiri ile ilgili olmayan ve birbirine benzeyen malzemeler arasında daha hafif ve düzenli bir sürtünme oluşur ve yüzeyler üzerinde çok ince izler görülür.

Birbiri üzerinde izafi kayan malzemelerin biri sert diğeri yumuşak (kalay, kurşun ve bunların alaşımları) olduğunda yumuşak malzeme diğer malzemeyi kendi parçacıklarından oluşan ince bir tabaka ile kaplar ve bu şekilde iki yumuşak malzeme birbiri üzerinde kaymış gibi olur. Uygulamada kalay alaşımları bu nedenle yatak malzemesi olarak tercih edilmektedir.

Küçük bir sürtünme katsayısı elde etmek için malzemeler aynı veya birbirleriyle kolayca alaşım haline gelebilen cinsten olmamalıdır. Malzemelerden birinin yumuşak diğerinin sert olması gerekir.




TRİBOLOJİ Sınır Sürtünmesi

Yüzeyleri oluşturacak parçaların tamamen ayrılmadığı , yüzeyler arasında bulunan yağlayıcı yüzeylere ait pürüzlerin sürtünmesini önleyemediği durumda yarı sıvı sürtünme veya sınır sürtünmesi ortaya çıkar.

Pratikte en fazla rastlanılan sürtünme halidir ve sürtünme katsayısı 0.03-0.1 arasında değişir.


TRİBOLOJİ Sıvı Sürtünmesi

İzafi hareket eden iki katı cismin yüzey pürüzlülüklerin temas etmeyecek şekilde ince bir yağlayıcı film oluşturulduğunda sıvı sürtünmesi meydana gelir.

Sürtünme yağlayıcı sıvının tabakaları arasında meydana gelir.

Yüzey Pürüzlülüğü dikkate alındığında geometrik bakımdan sıvı sürtünmesi:

ℎ0 > 𝑅𝑡1 + 𝑅𝑡2



Viskoz bir akışkanda kayma gerilmesi Newton kanununa göre:

𝑑𝑢

𝑑𝑦: ℎ𝚤𝑧 𝑑𝑒ğ𝑖ş𝑖𝑚𝑖

𝜂: 𝑦𝑎ğ𝚤𝑛 𝑣𝑖𝑠𝑘𝑜𝑧𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖

Sürtünme kuvveti:

A: hareketli yüzeyin yağla temas eden alanı

Sıvı sürtünmesinde sürtünme katsayısı:

Sürtünmeyi oluşturan ana faktör yağlayıcının viskozitesidir



Yağlamada yağ filmindeki basınç iki türlü oluşur: Hidrodinamik: Yağ filmindeki basınç elemanların izafi hareketinden doğar.

Sıvı sürtünmesinin oluşmasında rol oynayan esas etken yağ tabakasındaki basınçtır.

Hidrostatik: Dışardan bir pompa vasıtasıyla gerekli basınç oluşturulup yüzeyler birbirinden ayrılır.



hidrodinamik

hidrostatik



Sürtünme katsayısının hız ile değişimi (Stribeck Eğrisi)


TRİBOLOJİ Yuvarlanma Sürtünmesi

Yuvarlanma hareketine karşı temas yüzeylerinde oluşan direnç yuvarlanma sürtünmesi olarak tanımlanır.

Başka bir ifadeyle yuvarlanma sürtünmesi veya direnci yuvarlanan cismin temas ettiği yüzeyde oluşturduğu deformasyondan doğar.

Teorik olarak rijit ve yüzeyi pürüzsüz bir silindir veya küre şeklindeki elemanın rijit pürüzsüz bir düzlem üzerinde serbest yuvarlanmasında hiçbir sürtünme kuvveti oluşmaz.



W ağırlığındaki cisim veya dış yük altındaki cisim 𝐹𝑡 yatay kuvveti ile B noktası üzerinden atlatılmak için çekildiği varsayılırsa W kuvvetinin B noktasına göre dengelenmesi gerekir (𝐹𝑡 ile denge sağlanır).

Kuvvetlerin B noktasına göre moment dengesi yazılırsa.

Yuvarlanma sürtünme katsayısı (yuvarlanma mukavemeti)



Yuvarlanma sürtünme katsayısı: 𝜇𝑟 =𝑓

𝑟

Yuvarlanma harekete karşı direnci veren sürtünme kuvveti: 𝑅𝑥 = 𝐹𝑠𝑟

Kaymadan yuvarlanma şartı: 𝐹𝑠𝑟<𝐹𝑠𝑜 Yuvarlanmadan kayma şartı: 𝐹𝑠𝑟>𝐹𝑠𝑜

Statik sürtünme kuvveti


TRİBOLOJİ

Sürtünen yüzeylerde malzemenin, mekanik etkilerle istenmeyen bir şekilde kopması ve ana parçalardan ayrılmasıdır.

AŞINMA

Aşınma; zamanla gelişen ani oluşan alarak ikiye ayrılır.


TRİBOLOJİ AŞINMA

Zamanla gelişen: I: rodaj bölgesi II: esas çalışma bölgesi III: şiddetli aşınma bölgesi

rodaj: Parçaların birbirine alıştırma safhası Yüksüz ve normal hızdan daha düşük hızlarda yapılır Bu safhaya ait özel yağlar kullanılır.


TRİBOLOJİ

Adezyon Aşınması

Abrazyon Aşınması

Mekanik Korozyon Aşınması

Yüzey Yorulması Aşınması

Erozyon ve kavitasyon

Aşınma Mekanizmaları

Aşınma temas yüzeylerinde dış etkiler altında oluşan fiziksel ve kimyasal değişmelerin sonucunda ortaya çıkar.

Pratikte bir aşınma hali değil, birçok aşınma hali vardır.


TRİBOLOJİ Yağlama-Yağlayıcılar

Yağlayıcı çeşitleri: • Katı Yağlayıcılar • Gaz Yağlayıcılar • Yarı katı yağlayıcılar • Sıvı Yağlayıcılar (Yağlar)

• Organik Yağlayıcılar • Sentetik Yağlar • Madensel Sıvı Yağlar

Yağlayıcılar maddelerin kullanım nedenleri: • Sürtünmeyi azaltmak • Aşınmayı kısmen veya tamamen önlemek • Sıcaklığın yükselişini önlemek



Katı Yağlayıcılar: • Sınır sürtünme durumunda sürtünmeyi azaltmak ve aşınmayı

önlemek için madensel yüzeylere kuvvetli olarak yapışan bir tabaka oluşturulması gerekir.

• Bu en iyi şekilde katı yağlayıcılar ile sağlanır.

Yalnız başlarına veya sıvı yağlar veya gresler karıştırılarak kullanılmaktadırlar.

Uygulamada en çok kullanılan katı yağlayıcılar grafit, molibden disülfit(MoS2), talk gibi toz şeklindeki yağlayıcılardır.

Poliamid (PA), Poliasetal (POM) Politetrafloretilen (PTFE) gibi plastik malzemeler de kaygan özelliklerinden dolayı değişik makina elemanlarının (kılavuz, yatak ve dişliler gibi) yağlanmasında kullanılırlar.



Sıradan yağlayıcıların yeterli olmadığı aşağıdaki gibi durumlarda katı yağlayıcılar kullanılır: • Dişli çark veya zincir mekanizmaları gibi, yağların ortamdan

uzaklaşabileceği durumlarda. • Polimer ve seramik yüzeyler • Sıvı yağlayıcıların dayanamayacağı kadar yüksek sıcaklıklarda • Yüksek kontak basıncına sahip, metal şekillendirme işlemleri gibi.


TRİBOLOJİ Yağlayıcıların Özellikleri

Viskozite

Akışkanların şekil değiştirmeye karşı, yani kendi molekülleri ve tabakaları birbiri üzerinden kayarken kaymaya karşı gösterdikleri dirençtir.

Sürtünmenin oluşturduğu kayma gerilmesi Newton kanuna göre:

𝜏 = 𝜂𝑑𝑢

𝑑𝑦

Temel Kabuller:


TRİBOLOJİ Viskozite

A: hareketli düzlemin ıslanan yüzeyi olmak üzere 𝜏 =𝐹

𝐴 yazılarak 𝜂

𝜂 =𝜏

𝑑𝑢/𝑑𝑦=

𝐹/𝐴

𝑈/ℎ=

𝐹ℎ

𝑈𝐴

𝜂: viskozite katsayısı veya mutlak viskozite

Birimi : 1 𝑑𝑦𝑛𝑠

𝑐𝑚2 (𝑃𝑜𝑖𝑠𝑒) 1

100𝑃 = 1𝑐𝑃 (centi-poise) kullanılır.

Viskozite: birim alandaki bir düzlem yüzeyi kendisine paralel ve birim mesafedeki ikinci bir düzlem yüzeye göre birim hızla hareket ettirmek için gerekli kuvvet. Metrik sistemde 1 cm2 yüzey alanlı bir plakaya 1 cm mesafeli sabit bir plakaya göre 1 cm/sn hız vermek için gerekli kuvvetin 1 dyn olması halinde aralığın viskozitesi 1 dyn s/cm2 (Poise) olan viskoz bir akışkanla dolu olduğu söylenir.



DİNAMİK VİSKOZİTE BİRİMLERİ



Bazı Maddelerin Ortam Sıcaklığındaki viskoziteleri



Kayma gerilmesinin kayma oranına (du/dy'ye) göre lineer değişim gösterdiği akışkanlar Newtoniyen (Newtonumsu) akışkan olarak adlandırılır.

Ancak gres gibi bazı yan sıvı akışkanlar bu kurala uymaz. Bu tür akışkanlar Bingham akışkanları olarak adlandırılır.


TRİBOLOJİ Kinematik Viskozite

Kinematik viskozite: dinamik viskozitenin yağ yoğunluğa oranıdır.

Birimi cm2/sn= 1 stokes = 1st Uygulamada 1/100 st = 1 cst kullanılır.


TRİBOLOJİ Viskozite-Sıcaklık Değişimi

Viskozite sıcaklıkla büyük ölçüde değişmektedir. 20oC ile 50oC arasında 5 kat fark oluşabilmektedir. Deneysel çalışmalar neticesinde viskozite-sıcaklık arasında ilişki

kurulmuştur.

Bu denklem düzenlendiğinde SAE tarafından önerilen viskozite-sıcaklık ilişkisi:

𝜂 = 9.8𝑎𝑒𝑏/𝑇𝑐

a,b, ve c: yağın özelliğine göre sabitler T: sıcaklık (oC)

Vogel Denklemi: 1

𝜂

𝑑𝜂

𝑑𝑡= −

1

𝑏 + 𝑡 2


TRİBOLOJİ

SAE ; yağlama yağlarını viskozitelerine göre sınıflandırmış ve bir numara vermiştir (5W, 10W, 20W, 20, 30, …)

SAE numarası büyük olan yağın viskozitesi de büyüktür Referans değerler 0 oF (-18 oC) ve 210 oF(99oC) sıcaklık

değerlerinde belirlenmiştir.

Viskozite-Sıcaklık Değişimi


TRİBOLOJİ

Viskozitesi 0 oF tespit edilen yağların numaralarının yanında W işareti vardır (SAE 5 W, SAE 10 W)

Özel tipte olan yağlar (multigrade oil) çok dereceli olarak kodlanmıştır.

SAE 10 W/30: 0 oF 10 W özelliği gösterirken 210 oF 30 özelliği göstermektedir.



TRİBOLOJİ

Motor Yağları: SAE 5 W ile SAE 50 W arası Transmisyon (Dişli) Yağları: SAE 75 ve sonrası

SUS: Saybolt Universal Viskometre Kinematik viskozite ile arasındaki ilişki:



TRİBOLOJİ

Viskozite –sıcaklık değişimi farklı standartlar için hazırlanmış grafikler

SAE



TRİBOLOJİ


ISO-VG



TRİBOLOJİ


ASTM



TRİBOLOJİ

Viskozitenin sıcaklıkla değişimini gösteren birçok yöntemden pratikte en fazla kullanılanı Dean ve Davis yöntemidir ve Viskozite İndeksi(VI) olarak adlandırılır. Viskozitesi sıcaklıkla en az değişen yağın VI=100 Viskozitesi sıcaklıkla en fazla değişen yağın VI=0

Viskozite İndeksi

L: VI=0 olan yağın 1000F deki kinematik viskozitesi

H: VI=100 olan yağın 1000F deki kinematik viskozitesi

U: VI bulunmayan yağın 1000F deki kinematik viskozitesi


TRİBOLOJİ Viskozite İndeksi

SUS cinsinden VI hesabındaki büyüklükler


TRİBOLOJİ Viskozite İndeksi

cst cinsinden VI hesabındaki büyüklükler


TRİBOLOJİ Petroff Denklemi

İlk tasarım aşamasında sürtünme kayıplarını belirlemek için kullanılır.

Hafif yüklenmiş bir yatakta sürtünme katsayısını hızlıca belirlemek için kullanılabilecek basit bir yol içerir.

ℎ = ∆𝑅 ve milin çevresel hızı: 𝑈 =2𝜋𝑛

60𝑅

Kayma Gerilmesi:

Sürtünme Kuvveti 𝐹𝑠 = 𝜏𝐴 olduğundan silindirik yüzey alanı: 𝐴 = 2𝜋𝑅𝐿 yazılırsa



Viskoz Sürtünme Momenti:

Sürtünme Katsayısı:

W: yatağa etki eden radyal kuvvet po: yatak basıncı

Sürtünme Katsayısı: Petroff Denklemi



Petroff Denklemi aşağıdaki kabullere dayanır: • Mil ile yatak arasının yağla dolu olduğu ve metal-metal

sürtünmesinin olmadığı • Tam bir sıvı sürtünmesinin oluştuğu • Mil ile burç eksenlerinin çakışık olduğu

Viskoz güç kaybı: 𝜔 açısal hızı ile dönen bir milde sürtünme momentinde dolayı meydana gelen kayıp:


TRİBOLOJİ Örnekler:


TRİBOLOJİ Örnekler:


TRİBOLOJİ Kaynaklar

1. Prof. Dr. Erdem KOÇ, «Makin Elemanları 2», Nobel Yayınevi

2. Prof. Dr. Mustafa AKKURT, «Makine Elemanları Cilt 2», Birsen Yayınevi

3. Fatih C. BABALIK, «Makine Elemanları Ve Konstrüksiyon Örnekleri», Nobel Yayınevi

4. Joseph E. Shigley, «Mechanical Engineering Design, Seventh Edition», McGraw Hill


TRİBOLOJİ Gelecek dersin konusu

Kaymalı Yataklar…

Documents

Ders Notu 1 Triboloji