of 20 /20
1 1. I N T R O D U C E R E 1.1. Definirea şi rolul tribologiei Tribologia este o disciplină relativ nouă şi care a apărut din necesităţi industriale, odată cu creşterea performanţelor maşinilor, utilajelor, aparatelor etc. (viteza, presiunile de contact, rigiditatea ). Ca definire, tribologia este ştiinţa care studiază fenomenele fundamentale de frecare, uzare, ungere şi consecinţele acestora asupra funcţionării corecte a ansamblului respectiv. Din punct de vedere fizic, tribologia se ocupă cu fenomenele complexe care apar la interfaţa a două corpuri cu mişcare relativă. Explicarea acestor fenomene şi aplicarea lor pentru optimizarea constructivă au la bază cunoştinţe din domeniile mecanicii solodelor deformabile, curgerii fluidelor, reologiei, transferului de căldură, ştiinţei materialelor şi chimiei. Tribologia poate fi caraterizată prin trei aspecte: i) Aspectul economic poate fi estimat prin faptul că aproximativ 30% din energia produsă este consumată prin frecare. Ca o consecinţă directă a frecării este procesul de uzare, cu efecte asupra durabilităţii şi funcţionabilităţii maşinii, utilajului, articulaţiei artificiale, sculei etc. ii) Aspectul ştiinţific pune în evidenţă procese mecanice ireversibile în timp cu efecte complexe de disipare a energiei în materiale solide sau fluide. iii) Aspectul pluridisciplinar derivă din interacţiunea diferitelor procese la nivelul micro şi macrocontactului şi-n prezenţa mişcării relative. Evoluţia istorică a cunoştinţelor tribologice se poate evidenţia pe următoarele perioade: a) Perioada antică Pentru transportul piramidelor din Egipt s-au utizat lubrifianţi, probabil apă sau ulei vegetal. Acest aspect “tribologic” este evidenţiat în frescele realizate pe teme istorice prin remarcarea unui unui lucrător cu o oală din care curge un lichid, lucrătorul fiind plasat pe piramidă la “intrarea contactului” cu solul. b) Perioada medievală Leonardo da Vinci (1508) a demonstrat existenţa unui raport constant dintre forţa ce se opune mişcării şi forţa de gravitaţie. Acest raport este constant pentru toate materialele şi are valoarea f ‘ 0,25. Ceva mai târziu, Amontons (1663-1705) şi Coulomb (1736-1806) au enunţat legile frecării uscate: - forţa de frecare este proporţională cu forţa normală; - coeficientul de frecare este independent de mărimea suprafeţei de contact şi de viteză; - coeficientul de frecare static este mai mare decât cel cinetic. Coeficientul de frecare este considerat ca o proprietate intrinsecă a materialului. c) Perioada modernă În această perioadă s-au făcut studii referitoare la: - lubrifianţi (solizi, lichizi, gazoşi); - legile frecării fluide (regim hidrodinamic, elastohidrodinamic); - utilizarea mateialelor cu coeficienţi de frecare ridicaţi. Rolul preponderent al cercetărilor tribologice este de a minimiza coeficientul de frecare, ca de exemplu pentru lagăre cu alunecare, rulmenţi, roţi dinţate etc. sau de a maximiza acest coeficient, ca de exemplu pentru variatoare de turaţie, frâne,ambreiaje etc. Indiferent de valorile coeficientului de frecare, se urmăreşte ca intensitatea sau viteza de uzare să fie minimă. În cazul prelucrării prin aşchiere se consideră ca “uzura piesei – adâncimea de aşchiere” să fie maximă, iar uzura sculei (cuţit) să fie minimă.

Frecarea exterioara este considerata ca fiind frecarea de ... · definire, tribologia este ştiinţa care studiază fenomenele fundamentale de frecare, uzare, ungere şi consecinţele

Embed Size (px)

Text of Frecarea exterioara este considerata ca fiind frecarea de ... · definire, tribologia este...

  • 1

    1. I N T R O D U C E R E 1.1. Definirea i rolul tribologiei Tribologia este o disciplin relativ nou i care a aprut din necesiti industriale, odat cu creterea performanelor mainilor, utilajelor, aparatelor etc. (viteza, presiunile de contact, rigiditatea ). Ca definire, tribologia este tiina care studiaz fenomenele fundamentale de frecare, uzare, ungere i consecinele acestora asupra funcionrii corecte a ansamblului respectiv. Din punct de vedere fizic, tribologia se ocup cu fenomenele complexe care apar la interfaa a dou corpuri cu micare relativ. Explicarea acestor fenomene i aplicarea lor pentru optimizarea constructiv au la baz cunotine din domeniile mecanicii solodelor deformabile, curgerii fluidelor, reologiei, transferului de cldur, tiinei materialelor i chimiei. Tribologia poate fi caraterizat prin trei aspecte:

    i) Aspectul economic poate fi estimat prin faptul c aproximativ 30% din energia produs este consumat prin frecare. Ca o consecin direct a frecrii este procesul de uzare, cu efecte asupra durabilitii i funcionabilitii mainii, utilajului, articulaiei artificiale, sculei etc.

    ii) Aspectul tiinific pune n eviden procese mecanice ireversibile n timp cu efecte complexe de disipare a energiei n materiale solide sau fluide.

    iii) Aspectul pluridisciplinar deriv din interaciunea diferitelor procese la nivelul micro i macrocontactului i-n prezena micrii relative.

    Evoluia istoric a cunotinelor tribologice se poate evidenia pe urmtoarele perioade:

    a) Perioada antic Pentru transportul piramidelor din Egipt s-au utizat lubrifiani, probabil ap sau ulei vegetal. Acest aspect tribologic este evideniat n frescele realizate pe teme istorice prin remarcarea unui unui lucrtor cu o oal din care curge un lichid, lucrtorul fiind plasat pe piramid la intrarea contactului cu solul. b) Perioada medieval Leonardo da Vinci (1508) a demonstrat existena unui raport constant dintre fora ce se opune micrii i fora de gravitaie. Acest raport este constant pentru toate materialele i are valoarea f 0,25. Ceva mai trziu, Amontons (1663-1705) i Coulomb (1736-1806) au enunat legile frecrii uscate: - fora de frecare este proporional cu fora normal; - coeficientul de frecare este independent de mrimea suprafeei de contact i de vitez; - coeficientul de frecare static este mai mare dect cel cinetic. Coeficientul de frecare este considerat ca o proprietate intrinsec a materialului. c) Perioada modern n aceast perioad s-au fcut studii referitoare la: - lubrifiani (solizi, lichizi, gazoi); - legile frecrii fluide (regim hidrodinamic, elastohidrodinamic); - utilizarea mateialelor cu coeficieni de frecare ridicai. Rolul preponderent al cercetrilor tribologice este de a minimiza coeficientul de frecare, ca de exemplu pentru lagre cu alunecare, rulmeni, roi dinate etc. sau de a maximiza acest coeficient, ca de exemplu pentru variatoare de turaie, frne,ambreiaje etc. Indiferent de valorile coeficientului de frecare, se urmrete ca intensitatea sau viteza de uzare s fie minim. n cazul prelucrrii prin achiere se consider ca uzura piesei adncimea de achiere s fie maxim, iar uzura sculei (cuit) s fie minim.

  • 2

    Studiul frecrii trebuie totdeauna corelat cu temperatura, viteza, lubrifiantul, calitatea suprafeelor i proprietile reologice ale materialelor. 1.2. Aspectele tribologice la nivel macroscopic i microscopic Mecanismul de apariie a forei de frecare dintre dou corpuri cu micare relativ poate fi analizat la nivelul moleculelor (microscopic), utiliznd elementele de fizic i chimie molecular. Fora de frecare fiind n acest caz, rezultanta forelor de natur elecrostatic i de tip Van der Waals. La nivel macroscopic, fora de frecare este considerat ca rezultanta forelor de adeziune, de deformare elastic i plastic i a forelor electrostatice de pe suprafaa real de contact. Procesele de uzare la nivel microscopic au n vedere ruperea legturilor moleculare ca urmare a forelor exterioare provenite din sarcinile ce trebuiesc transmise i a tensiunilor interne provenite din procedeele tehnologice de obinere a materialelor i a suprafeelor de contact. La nivel macroscopic, mecanismele de uzare au la baz deteriorarea materialelor la oboseal oligo sau multiciclic i deformaiile plastice determinate de starea multiaxial de tensiuni. 1.3. Frecarea exterioar i interioar Frecarea exterioar este considerat ca fiind frecarea de la interfaa dintre dou suprafee, dintre care cel puin una este solid. Frecarea interioar este consecina proceselor cinetice i moleculare cu disipare de energie. La nivelul strii de agregare lichide i gazoase, frecare intern se evaluiaz prin viscozitatea dinamic sau cinematic. De exemplu, la contactul unui pneu de autovehicul cu calea de rulare, se poate evidenia frecarea exterioar ca adeziune i frecarea interioar, ca o cretere a temperaturii pneului, cauzat de deformaiile elastice.

    1.4. Conceptul de sistem Problema considerrii subiectelor triobologice multidisciplinare se consider ca esenial. Aplicarea teoriei generale a sistemelor implic respectarea a dou condiii: (i) Interaciunile dintre pri trebuie s fie inexistente sau, cel puin destul de mici pentru a

    putea fi neglijate. Aceast condiie conduce la faptul c prile pot fi primele izolate, logic, matematic i reasamblate. (ii) Relaiile ce descriu influena prilor trebuie s fie liniare; numai aceasta este condiia de sumativitate (nsumare); procesele pariale pot fi suprapuse n procesul total. Kennet Boulding a sugerat o ierarhizare a sistemelor pe urmtoarele trei direcii:

    (i) sistemele se mpart n clase la diferite nivele de complexitate. (ii) Toate legile logice i empirice, valide la nivelul cel mai de jos sunt de asemenea

    aplicabile la orice nivel mai nalt. (iii) Nivelul cel mai nalt, nivelul cu cel mai mare numr de elemente necunoscute i legi

    netiute, constituie un sistem particular de lucru. Descriere sistemului Definiiia generat a sistemului este coninut n fraza: un sistem este un set de elemente

    interconectate prin structur i funciuni. Un sistem este numit deschiscnd se produc interschimbrile de mas i energie cu

    exterirorul, iar cnd aceste interschimbri sunt neglijabile, sistemul este nchis. n primul caz, spere exemplu, transformrile energiei cinetice n cldur sau alte forme de energie, prin procese ireversibile conduc la sisteme disipative.

    n general, caracteristicile unui sistem sunt prezentate sumar n fig. 1.1, simbolurile utilizate au urmtoarea semnificaie:

  • 3

    (I) Structura Structura sistemului este definit prin: a) setul de elemente (A) b) proprietile relevante ale elementelor (P) c) cuplarea elementelor, specificnd relaiile ntre elemente (R) Cu aceste definiii structura sistemului poae fi reprezentat prin setul S={A, P, R} (II) Intrri, ieiri Fiecare sistem poate fi, schematic, separat printr-o anvelop sau suprafa de control de

    mediul exterior. Conexiunile ntre sistem i mediu sunt: a) intrri {X} i b) ieiri {Y} (III) Funciuni Funcia sistemului utilizat pentru anumite chestiuni tehnice este de a transforma intrrile

    {X} n ieiri {Y}. Transformarea (T) a intrrilor n ieiri poate fi descris n termenii ecuaiilor matematice sau analogie fizic sau descriere verbal etc.

    Pentru caracterizarea funciei sistemului, exist trei metode diferite: a) Starea dinamic. Ecuaii difereniale Dac intrrile i ieirile variaz n timp, sistemul se gsete n stare dinamic. Starea

    dinamic se reprezint printr-un sistem de ecuaii difereniale, numite ecuaii de micare. b) Starea sigur. Liniaritatea n anumite cazuri un sistem poate fi n ehilibru dinamic, starea sigur, regulat. Ca urmare,

    ieirile {Y} sunt adesea deschise de superpoziia liniar a intrrilor {X} prin reprezentarea algebric. c) Proces stocastic. Zgomot n sistemele reale relaia funcional intrri-ieiri este influenat de procese stocastice

    (aleatoare), efectele dinamice avnd anumite distribuii aleatoare, genernd un zgomot statistic. n

    Definiie: Un sistem este un set de elemente interconectate prin structuri i funciuni(I) Structur S={A, P, R} a) Elemente A={a1, a2,,an} (n numrul elementelor) b) Proprieti P={P(ai)} c) Relaii R={R(ai, aj)}(II) Intrri {X}, Ieiri {Y}

    Intrri {X} Ieiri {Y}

    (III) Funcia { } { }YXT

    Fig. 1.1

    S={A, P, R}

  • 4

    aceste situaii, se estimeaz pe baza teoriei probabilitilor limitele de aplicabilitate ale funciei

    { } { }TYX . Descrierea structurat a sistemului este esenial pentru partea intern a elementelor, iar

    cea funcional ca parte extern a interaciunilor cu mediul. Bilan energetic. Reele. Analogii n caracterizarea dinamic a sistemelor trebuie introdus conceptul bilanului generalizat de

    energie: puterea este zero, dac se nsumeaz toate procesele de stocare i transformare a energiei n timp:

    E=0 Variabilele fizice ale sistemului (intrri i ieiri) pot fi clasificate convenional n directe sau

    finale (de traversare). Variabilele directe msoar transmiterea semnalului ntr-un element, de exemplu, curentul electric ntr-o rezisten, fora ntr-o pies.

    Variabilele finale msoar diferena dintre starea final i iniial a elementului, de exemplu, cderea de tensiune pe un rezistor, viteza n mecanic.

    n aceast conexiune este important analogia dintre sistemele fizice, tabelul 1.1. Tabelul 1.1

    Disciplina Variabile finale (tensiuni, efort) Variabile directe

    (debit) Electrotehnic Tensiune electric, u Curent electric, i

    Mecanic (translaie) Vitez, v For, F Mecanic (rotaie) Vitez unghiular, Moment, M Termodinamic Temperatura absoltu, T Debit de entropie, S

    Fluide Presiunea, p Debit volumic, V

    Prin analogia electric a sistemelor mecanice se pot aplica legile lui Kirchoff: I Legea nodurilor suma tuturor variabilelor directe n orice nod este nul (n mecanic

    principiul DAlembert); II Legea reelelor (ochiurilor) suma tuturor variabilelor finale pe reea este nul. Clasificarea sistemelor Sistemele fizice sau inginereti sunt compuse din omponente materiale ale cror proprieti,

    interrelaii se pot schimba n timp. Dup Horbert Wiener, intrrile i ieirile sistemelor pot fi clasificate n trei categorii: materie,

    energie i informaie.

    Funcia sistemului {{{{X}}}}{{{{Y}}}}

    Fig. 1.2

    Materie

    Energie

    Informaie

    Materie

    Energie

    Informaie

    Structurasistemului

    S={{{{A, P, R}}}}

  • 5

    Sistemul poate fi reprezentat printr-o cutie neagr (fig. 1.2). Din punct de vedere funcional, intrrile i ieirile din sistemele fizice i inginereti pot fi

    descrise formal prin matricea reprezentat n tabelul 1.2. Cele trei categorii de intrri i ieiri (materie, energie i informaii) sunt subdivizate, astfel c un punct situat la intersecia intrrilor i ieirilor reprezint o anumit clas a sistemului i corespunde unui anaumit domeniu al tiinei sau tehnologiei.

    Tabelul 1.2

    Ieiri {{{{Y}}}} Intrri {{{{X}}}} a b c d e f g h i j k a Solide b Lichide c Gaze Materie

    d Particule e Mecanic f Termic g Electric h Magnetic

    Energie

    i Nuclear j Analog Informaie k Digital

    Funciile sistemelor tribologice Conceptul de sistem tribologic are n vedere aplicarea metodelor de analiz a interaciunilor

    mrimilor de intrare i ieire utilizate n alte domenii, de exemplu electrotehnic. Din punct de vedere fizic se disting cinci funciuni de baz ale sistemelor tribologice: a) ghidarea, cuplarea i oprirea micrii; b) transmiterea energiei i puterii; c) generarea sau reproduerea informaiilor; d) transportul materialelor; e) formarea materialelor. n anexa A.1.1. sunt prezentate aceste funciuni i exemple de sisteme sau procese tribo-

    inginereti. Din punct de vedere extern, sistemul sau procesul tribologic trebuie considerat ca o cutie

    neagr cu intrri i ieiri, prezentat schematic n fig. 1.3.

  • 6

    Parametrii operaionali ce trebuiesc considerai n caraterizarea sistemelor mecanice sunt

    indicai n tabelul 1.3.

    Tabelul 1.3. Cantiti de intrare i

    ieire Variabile primare Variabile derivate

    Energie (micare) For/Moment Poziie/Dimensiune

    Putere Vitez de rotaie

    Vitez de translaie

    Termice (transfer de cldur)

    Temperatur Cldur specific Entropie specific

    Vitez de transfer a cldurii Vitez de transfer a entropiei

    Mas (transfer de mas) Compoziie Energie liber

    Vitez de transfer de mas Vitez de transfer de energie

    liber

    Informaie Poziie For/Moment Frecven

    Faz

    Structura sistemelor tribomecanice n acord cu teoria sistemelor, structura unui sistem este caracterizat prin elementele sau

    componentele sistemului, proprietile lor relevante i relaiile dintre elemente. Cea mai simpl structur a unui sistem mecanic este format din dou corpuri solide (1) i (2)

    Structurasistemului

    Entropie (cldur)VibraiiMateriale (inclusiv murdrie)

    Perturbaii

    MicareEnergie

    InformaieMateriale

    Ieiri-utile

    Pierderi prin frecare(entropie, zgomot, vibraii) Produse de uzur

    Ieiri-pierderi

    {{{{Z}}}}

    {{{{Y}}}}

    MicareEnergie

    InformaieMateriale

    Intrri{{{{X}}}}

    Fig. 1.3

  • 7

    cu schimb mecanic prin suprafaa de contact (fig. 1.4). Exemple de sisteme tribomecanice biotribologice sunt date n anexa A.1.2 .

    Alunecare Continu Rostogolire Oscilatorie Spin Reciproc

    Tip micare

    Impact Intermitent Sarcina, Fn Viteza, v Temperatura, T Distana de micare, s

    Variabilele de operat

    Durata, t

    {{{{X}}}}, {{{{Z}}}}

    {{{{X}}}}

    (4)

    (3)

    (2)

    (1) Triboelement(2) Triboelement(3) Lubrifiant sau volum

    interfacial(4) Mediu

    (1)

    - Topografie- Compoziie

    Caracteristici alesuprafeei

    For de frecare

    Coeficient de frecare

    Vibraii, zgomot

    Temperatur

    Vitez de uzare

    Condiii de contact

    Caracteristicitribometrice

    Micare

    Sarcin

    Vitez

    Temperatur

    Durat

    Variabilede operat

    Protez deold

    Pomp curoi dinate

    Fig. 1.4

  • 8

    Reprezentarea schematic a interaciunilor tribologice

    Procesele tribologice se pot analiza n urmtoarele plane: funcional, energetic, termic i de

    material. Schimburile dintre aceste plane permit explicarea unora dintre comportrile la frecare i uzare.

    n planul lucrului mecanic (energetic) elementele (1) i(2) acumuleaz (stocheaz) energie. Pierderile {Zw} se manifest prin zgomot, radiaii etc.

    Ecuaii bilanului puterilor este de forma WT

    sz

    W

    y

    W

    x EEEEE

    +++= ,

    n care: W

    xE

    - puterea de intrare; W

    yE

    - puterea util la ieire W

    zE

    - rata (viteza) pierderile de energie la ieire

    sE

    - energia stocat WT

    E

    - energia termic transformat din lucrul mecanic. Pentru un singur element, j:

    +++= WMjWTjsj

    Wj

    itoate

    Wij

    itoate

    Wij EEEEWE ,

    (4)

    difuzie

    (3)

    lubrifiere

    (1) deformare (2)Oboseal superficial

    AdeziuneAbraziune

    Reacii tribochimice

    Sistem lubrifiat

    Def. Contact(1) Oboseal superficial (2)

    abraziuneadeziune

    Sistem n vacuum

    Reacii tribochimice(4)

    Deformaie(1) (2)

    Oboseal superficial

    Sistem n aer

  • 9

    n care materiale I se refer la toate elementele cu care elementul j are schimburi de energie i WM

    E

    este absorbia de putere mecanic i se va discuta la planele materialelor. Bilanul energetic trebuie s ia n considerare i procesele tribologice prin care se acumuleaz,

    transform, emite i disip lucrul mecanic. Toate aceste fenomene se conecteaz cu procesele de contact, de deformare i de frecare la interfaa elementelor (1) i (2) ale sistemului tribomecanic. n tabelul 1.4 sunt listate cteva procese de baz.

    Tabelul 1.4

    Shimb de lucru mecanic Procese Transferarea lucrului mecanic Deformaii elastice

    Transformarea lucrului mecanic

    Mecanisme de frecare - histerezis elastic - deformaii plastic - adeziune

    Disiparea energiei Stocarea energiei Emisia de energie Conducia n alte plan conceptuale

    n planul termic, procesele au la baz transformrile lucrului meanic n entropie, puterii

    mecanice n putere termic care se produc dup relaia:

    jj

    WS

    j TSE

    =

    unde jS

    este viteza de generare a entropiei n elementul j i Tj este temperatura absolut. Puterea termic genereaz uzual modificarea temperaturii i creterea entropiei, rezultnd un

    trasfer prin conducie sau radiaie prin intermediul frecrii. Cldura i entropia pot fi transferate ntre elementele sistemului. Mrimile de intrare pentru planul termic provin din planele materialelor.

    Planele materialelor au n vedere procesele de transfer de mas i de transformare de mas n procesele de uzare a sistemelor mecanice.

    Pierderile din planele materialelor sunt surse de creterea entropiei n planul termic. Analiza sistemului tribologic n diferite plane i diferii specialiti (mecanici, chimiti, fizicieni)

    permite surpinderea fenomenului complex de frecare i uuare sau de ungere. Stabilirea funciilor sistemului i interconexiunile dintre elemente pot conduce la soluii

    tribologice optime. 1.5. Tipuri de articulaii umane

    Articulaiile umane sunt legturi ntre cele 208 oase ale scheletului (fig.1.5 a,b) Din punct de vedere tribologic, se consider importante urmtoarele:

    a) tipul articulaiei i tipul micrii; b) viteza, frecvena i numrul ciclurilor de lucru ale articulaiei; c) sarcina i presiunea de contact; d) mediul lichid i temperatura. Articulaiile umane permit una sau mai multe dintre urmtoarele micri (fig.1.6 a,b,c)

    - flexie i extensie n planul sagital; - abducie i adducie n planul frontal; - rotaie n jurul unei singure axe; - circumducie micare dup un con i este o combinaie de flexie, abducie, extensie i abducie; - micri speciale:

  • 10

    supinaie i pronaie inversie i eversie.

    Fig. 1.5. Scheletul i articulaiile umane (scara 1:5).

  • 11

    b)

  • 12

    Fig. 1.6. Tipuri de micri anatomice ale oldului (a), umrului (b) i minii (c).

    Centrele de rotaie ale diferitelor articulaii se modific i depind de geometria articulaiei. Se definete un centru instantaneu de rotaie (CIR) al articulaiei. Se exemplific CIR pentru articulaie de genunchi (fig.1.7) . Micarea din articulaii trebuie evideniat ca funcie de activitate sau de starea de repaos.

    n funcie de natura legturilor se disting trei tipuri de articulaii: a) synartroze (articulaii prin continuitate) = articulaii sub form de esuturi de interpoziie; pot fi

    fixe i semimobile;

    Fig. 1.7. Centrul instantaneu de rotaie n planul sagital

    c)

  • 13

    b) diartroze (articulaii prin contiguitate) = legtura dintre oase cuprinde o cavitate articular, o capsul articular i un contact osos limitat i intermitent; pot fi numai mobile;

    c) amfiartroze realizeaz micri de mic amplitudine datorit unor suprafee articulare neregulate i cu ligamente puternice (combinaie synartroz cu diartroz).

    a) Synartrozele, n funcie de tipul de esut care realizeaz legtura dintre cele dou oase, pot fi

    (fig.18 a,b,c,d,e,f,g): a1) syndesmoze = esut format din fibre de colagen sau fibre elastice dispuse sub form de: a1.1) membran interosoas (antebra sau gamb) a1.2) ligamente galbene (intercalate ntre lamele vertebrale) a1.3) suturile = articulaiile fixe dintre oasele craniului = esut fibros = ligament sutural; la 20 ani, ligamentul sutural ncepe s fie nlocuit de esut osos a1.4) schindylezis = articulaie special n care fixarea se obine prin angrenare a1.5) gomphosis = fixarea dinilor n rostul alveolar. a2) syncondroze = articulaii temporare sau permanente, realizate prin osificare endocondral, unite prin esut cartilaginos hialin sau fibrocartilaginos a2.1) cartilaje de cretere = fize realizeaz jonciunea cartilaginoas dintre epifize i metafize a2.2) cartilaje permanente Exemplu 1: legtura coastelor cu sternul realizeaz mecanica respiratorie; Exemplu 2: simfiza = articulaie semimobil: simfiza pubian; articulaie dintre dou corpuri vertebrale cu discul intern. a3) synostoze pot fi considerate ca stadiul de evoluie final a sycondrozelor i suturilor dup terminarea perioadei de cretere ( 45 ani).

  • 14

    Fig. 1.8. Exemple de articulaii de tip synartroze

    b) Diartrozele cuprind: suprafee articulare, capsul articular, cavitate articular i anexe (ligamente, meniscuri, corpuri adipoase etc.). Suprafeele articulare sunt reprezentate de cartilajul hialin care acoper majoritatea epifizelor osoase solidarizate prin intermediul unei articulaii sinoviale.

    1) Cartilajul - aspect alb-albstrui sticlos - grosime variabil: 1 7 mm - structur poroas = burete impregnat cu lichid - compresibil la fore mici i elastic sub fore mari - caracteristici funcionale:

    rezisten la compresiune elasticitate distribuia sarcinilor i ncrcarea uniform a osului durabilitate

    - suprafaa: aparent neted; n realitate prezint microcaviti sferice cu 20 nm i adncimi de 1 nm

    - compoziie: celule (condrocite) 1 % i matrice extracelular 99%.

    n figura 1.9 se exemplific cteva aspecte ale cartilajului.

  • 15

    Fig.9. Compozitie de cartilaj 2) Capsula articular cuprinde dou straturi: - stratul exterior = membran fibroas; conine fibre de colagen orientate i fibre elastice; - stratul intern = membran sinovial; aflat pe faa intern a membranei fibroase de care ader intim.

    Funcii ale membranei sinoviale: Funcia primar a membranei sinoviale const n producerea lichidului sinovial Alt funcie controlarea fluxului de electrolii, ap i proteine care trec spre i dinspre

    articulaie = funcie de filtru.

    3) Cavitatea articular = spaiu capilar delimitat de membrana sinovial i suprafeele articulare.

    Conine: - fluidul sinovial.

    Geometria cavitii se modific n funcie de presiunea de contact (sarcina suportat). 4) Anexele articulare A. Ligamente = forme speciale de esut conjunctiv cu rolul de a lega piese osoase sau

    cartilaginoase. Fa de capsula articular, se disting urmtoarele tipuri de ligamente (fig.1.10):

    a) ligamente capsulare dezvoltate n grosimea capsulei respective; b) ligamente extracapsulare; c) ligamente

    intracapsulare.

    Fig.1.10. Tipuri de ligamente Din punct de vedere funcional, ligamentele pot fi: a) ligamente de ntrire a capsulelor; exligamentul iliofemural din structura casulei oldului care

    rezist pn la 6000 N traciune; b) ligamente de conducere a micrilor;

  • 16

    c) ligamente de limitare a micrilor.

    B. Meniscurile i discurile articulare = formaiuni fibrocartilaginoase introarticulare care mbuntesc performanele mecanice ale articulaiei.

    B1) Discul articular este un sept fibrocartilaginos cu grosime variabil interpus ntre suprafeele articulare care separ cavitatea articular n dou compartimente independente. Cele dou compartimente sunt capitonate de dou membrane sinoviale independente. B2) Meniscul articular este o formaiune fibrocartilaginoas triunghiular n seciune, interpus ntre suprafeele articulare. Mensicul realizeaz o compartimentare incomplet a cavitii articulare, astfel c n centrul articulaiei suprafeele cartilaginoase rmn n contact. Funcii: preluarea neurilor prin creterea componenei suptafeelor articulare; distribuia uniform a filmului de fluid sinovial n interiorul articulaiei contribuind

    la nutriia cartilajului articular; stabilitatea articulaiei.

    C. Labrum-ul articular (buza articular) = formaiuni de mrire a suprafeelor articulare. Funcii: - mrete stabilitatea n timpul micrilor - mrete congruena articular - mbuntete lubrifierea.

    Fig. 1.11. Labrum articular

    D. Tecile sinoviale i bursele funcioneaz ca dispozitive de reducere a frecrii interpuse ntre

    dou planuri de micare. Caracteristica lor esenial este aceea de a creea o discontinuitate ntre planurile tisulare n translaie pentru a favoriza alunecarea acestora.

    Bursele au forma unor saci aplatisai cptuii cu o membran asemntoare cu cea sinovial, situate n zonele unde muchii, tendoanele, ligamentele sau pielea se mic n jurul unor proeminene osoase.

    Tecile sinoviale sunt reprezentate de saci sinoviali cu perei concentrici, separai de un film de lichid sinovial, dispui n continuitate la extremitile sacului.

  • 17

    Tecile sinoviale au forma unor cilindri cu perei dubli, peretele intern, ataat de tendon formnd stratul visceral, iar cel extern, stratul perietal.

    Clasificarea diartrozelor

    1. Dup complexitatea anatomic: a) articulaie simpl cuprinde dou suprafee articulare nchise n aceeai capsul = mo-

    bab. De obicei suprafaa convex (masculin, mo) posed o arie mai mare cu un cartilaj articular mai voluminos i mai gros n centrul suprafeei, n comparaie cu suprafaa concav (feminin, bab) care este mai groas la periferie. b) articulaia compus este format din mai mult de dou suprafee articulare cuprinse n

    aceeai capsul (ex: articulaia cotului) c) articulaia complex este articulaia n care un disc sau un menisc compartimenteaz

    interiorul cavitii articulare. 2. Dup axele de micare i gradele de libertate

    a) articulaii uniaxiale un singur tip de micare de regul rotaie n jurul unui ax. De exemplu, articulaia tibio-talar realizeaz micarea de flexie-extensie ntr-un plan sagital;

    b) articulaii biaxiale pot realiza dou micri de rotaie complet independente fa de dou axe principale distincte. De exemplu, articulaia radio-carpian;

    c) articulaii triaxiale realizeaz trei micri de rotaie complet independente n trei axe de micare diferite. De exemplu, articulaia oldului.

    3. Dup modalitatea de conducere a micrii articulare sinoviale

    a) articulaie cu conducere osoas articulaii uniaxiale n care direcia i amplitudinea micrii sunt determinate de forma suprafeelor articulare. Pentru controlul micrilor parazite se folosesc ligamente colaterale, cu funcii de huri.

    b) articulaii cu conducere ligamentar: de exemplu, articulaia oldului c) articulaii cu conducere muscular: de exemplu, articulaia umrului.

    4. Dup modalitatea de funcionare articulaiile pot lucra independent sau n combinaie.

    Articulaiile combinate pot fi cuplate prin: a) cuplaj muscular b) cuplaj osos ex: articulaia radioulnar proximal i distal formeaz cu radiusul i ulna un

    paralelogram. 5. Dup forma geometric

    a) articulaia plan ex: articulaii intercarpiene, intermetatarsiene sau intervertebrale. Permit micri de translaie;

    b) articulaia n balama ex: articulaia humeroulnar; c) articulaia n pivot are un pivot central osos convex nconjurat de un inel osteofibros.

    Micarea relativ de pivotare se poate realiza fie prin rotirea pivotului (ex: articulaia radioulnar, proximal), fie prin rotirea inelului (ex: articulaia atlanto-axoidian median, unde dintele joac rolul pivotului fix, iar arcul anterior al atlasului mpreun cu ligamentul transvers formeaz inelul osteoligamentar care execut rotaia;

    d) articulaia elipsoidal are dou grade de libertate. Exemplu: articulaia radiocarpian sau metacarpo-falangian prin care se pot realiza micri de flexie / extensie i abducie / adducie n planuri perpendiculare, rezultnd micarea complex de circumducie;

    e) articulaia n a este compus din suprafee articulare concav-convexe aflate n opoziie care aproximeaz forma de a;

  • 18

    f) articulaia condilian este format dintr-o dubl proeminen osoas convex numit condil i o dubl suprafa concav, realiznd aspectul a dou articulaii legate prin cuplaj osos. Condilii pot fi paraleli i adiaceni cuprini n aceeai capsul (ex: articulaia genunchiului) sau paraleli i separai n articulaii diferite (ex: articulaia temporomandibular). Varietatea micrilor este dat de forma condilului;

    g) articulaia sferic are trei grade de libertate (ex: articulaia umrului, articulaia oldului). O varietate a articulaiei sferice este enartroza care se caracterizeaz prin aceea c suprafaa cavitii sferice de recepie depete ecuatorul capului convex. Pentru aceast variant stabilitatea micrii i articulaiei este mai bun.

    ANEXA A.1.1 SISTEME TRIBO-INGINERETI

    (a) Transmiterea micrii (b) Transmiterea lucrului meanic (sau puterii) (c) Generarea sau reproducerea informaiilor tehnologie (d) Transportul materialelor biologie (e) Formarea materialelor

    Fuciunea tehnic primar

    Sistem tribo-ingineresc sau proces tribo-ingineresc

    (a1) Ghidarea sau transmiterea micrii

    Lagre cu alunecare Lagre cu rostogolire Lagre cu ace Lagre pivot Lagre giroscopice Ghidaje Mese de alunecare (drumuri)

    uruburi cu alunecare i cu bile Osii i axe Balamale Articulaii tehnice Articulaii umane i animale nclminte sau piciorul pe sol (ciment, scri etc.)

    (a2) Cuplarea micrii

    Flane Cuplaje dinate Caneluri

    Ambreiaj conic Ambreiaj disc Ambreiaj cu band

    (a3) Oprirea micrii Frne bloc Frne band Frne disc

    Dispozitive de fixare uruburi de fixare Amortizoare prin friciune

    (b) Transmiterea lucrului mecanic sau puterii

    Cremalier i pinioane Roi dinate cilindrice Roi dinate conice Roi hipoide Roi planetare Angrenaj melcat uruburi de micare

    Tranmisii prin lanuri Transmisii prin curele Transmisii prin cabluri Came Servomotoare Transmisii prin friciune Transmisii hidraulice

    (c1) Generarea informaiilor

    Sincronizatoare Tachet-cam Contacte electrie

    ntreruptoare Relee Tipar Element de scriere

  • 19

    (c2) Reproducerea informaiilor

    Capete de nregistrare i redare Pick-up

    Video pick-up

    (d1) Transportul materialelor

    Roat-in Cauciuc-drum (pneu) Conducte

    Conveier (band transportoare) Deplasare de pmnt Vene umane i animale

    (d2) Controlul urgerii materialelor

    Etanri Valve Garnituri

    Robinei Piston-cilindru (ansamblu)

    (e1) Formarea (tehnologia) materialelor

    Trefilare Laminare Presare Extrudare Forjare

    Rulare Turnare Injectare n matri esturi Rabotare

    (e2) Tierea materialelor

    Minerit Foraj Exploatare n cariere

    Sfrmare, mcinare Dragare Dantura uman i animal

    (e3) Prelucrarea mecanic a materialelor

    Ascuirea, tierea Gurire,Debitare,Pilire,Strunjire Rabotare i frezare,Perforare Forare

    lefuire, rectificare Prelucrare cu abrazive Prelucrare prin achiere,Lepuire Polizare,Periere,Suflare

    ANEXA A.1.2

    ELEMENTELE TRIBOSISTEMULUI

    Orice tribosistem (a,,e), indicat n tabel, conine: - elementul (1) - elementul (2) - mediul interfacial (3) - mediul nconjurtor (4) -

    Elementele sistemului Tribosistem sau

    triboproces Elementul 1 (mobil sau

    fix)

    Element 2 (mobil sau

    fix)

    Mediul interfacial

    (3)

    Mediul nconjurtor

    (4) (a1) Lagre cu alunecare Articulaie uman

    Fus Femur

    Cuzinet Acetabulum

    Lubrifiant Sinovial

    Aer -

    (a2) Ambreiaj band Caneluri

    Fus Fus canelat

    Band Butuc canelat

    - Unsoare

    Aer Aer

    (a3) Fn disc Dispozitiv de fixare

    Disc Bol

    Garnit.friciune Garnit.friciune

    Particule de uz -

    Aer Aer

    (b) Angrenaj cu roi dinate Transmisii prin curele

    Pinion Roat

    Roata Curea

    Ulei -

    Aer Aer

    (c1) Cam i tachet Sistem de tiprire

    Cam Tipar

    Tachet Hrtie

    Lubrifiant Cerneal

    Aer Aer

    (c2) Contact electric Audio pick-up

    Inel Disc

    Perie Ac sapphir

    Spray -

    Gaz protector Aer

    (d1) Mers (locomoia) Conduct dde transport

    Roat Fluid

    Drum Conduct

    Contaminani -

    Aer -

  • 20

    (d2) Valv Piston segment cilindru

    Ventil Segment

    Scaunul supapei Cilindru

    Fluid Lubrifiant

    Flud Fluid

    (e1) Trefilare (banc) Extrudare la cald

    Fir agla

    Filier Matri

    Borax Sticl

    Aer Aer

    (e2) Foraj Dragare

    Burghiu Draga

    Sol Coasta

    - -

    - Aer

    (e3) Strunjire lefuire

    Piesa de lucru Piesa de lucru

    Cuit Piatra de lefuit

    Fluid -

    Aer Aer

    Bibliografie

    1. A. Tudor, Frecarea i uzarea materialelor, Ed. BREN, Bucuresti, 2002. 2. N.P. Suh, Tribophysics, Prentice-Hsll,Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1986 3. H. Czichos, Tribology, Elsevier,Tribology Series,1,1978. 4. M. Popescu, T.Trandafir, Artrologie si Biomecanica, Ed. SCAIUL, Bucuresti, 1998 5. D. Antonescu, M.Buga, I. Constantinescu, N. Iliescu, Metode de calcul si tehnici

    experimentale de analiza tensiunilor in Biomecanica, Ed. Tehnica, Bucuresti, 1986. 6. A. Yuehuei, R. Draughn, Mechanical Testing of Bone and the Bone Implant Interface, CRC

    Press LLc, 2000, London, New York, Washinghton D.C.