第四章 摩擦原理

2.滚动摩擦 如各种滚动轴承中产生的摩擦。
按照摩擦副的运动状态，还可以将摩擦分为以下两种类型：
1、静摩擦 这是指物体在外力作用下，还不足以克服摩擦表面上产生的切向阻力， 因而还没有产生相对运动的一种摩擦状态。对于外力刚好能克服摩擦表面 上的切向阻力，使物体刚刚产生相对运动的那一瞬间的摩擦状态，称为极 限静摩擦。 2、动摩擦 这是指物体已经产生相对运动后的一种摩擦状态。动摩擦系数一般小 于静摩擦系数。这两个数值如果相差太大，将会使离合器的挂合过程和刹车 的制动过程不稳定。对于机床导轨，会产生抖动，即所谓‘爬行’现象，它 会严重影响到工件的加工精度。
库仑摩擦定律的主要内容包括： 1、摩擦力方向与相对运动方向相反，大小与接触物体间法向力成正比。
即：
F=fN
式中：F—摩擦力; N—法向作用力; f—摩擦系数。
2、摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积无关。 3、摩擦系数的大小取决于材料性质，而与滑动速度和法向作用力的大小 无关，对于一定的材料，其摩擦系数为一常数。 4、静摩擦系数大于动摩擦系数。
5）相同材料副，固定件不同，稳定摩擦系数相差很大。
6）摩擦系数受材料副，滑动历程，表面形貌和环境影响。
（2）摩擦过程
1）摩擦系数的变化过程
摩擦系数的变化过程一般可分为以下六个阶段：
摩擦系数f
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
ⅣⅤ Ⅵ
滑动距离d 摩擦系数的变化过程
第Ⅰ阶段： 表面污染，形成污染膜，此时粘着并不严重，对摩擦系数影响不大。 开始时，表面易被抛光并产生新的微凸体，在滑动开始时，微凸体并不 产生变形，因而，它对摩擦系数的影响也不大。因此，在此阶段，摩擦 系数主要受到微凸体在对偶面上的犁沟作用的影响。 第Ⅱ阶段： 表面膜破坏，此时，粘着起主要作用，摩擦系数开始上升，如果在 两滑动表面之间存在磨粒，则磨粒产生的犁沟作用会使摩擦系数上升得 更快。 第Ⅲ阶段： 滑动表面间的磨粒数增加，犁沟作用增大，从而使清洁表面增 大，粘着增加，这二者综合作用的结果，使摩擦系数急剧上升。
第二节
滑动摩擦
一、古典摩擦理论
（一） 机械咬合理论
这种理论认为摩擦主要是由表面的凹凸形状所造成， 即当两个表面接触时，其凹凸部分互相咬合，若要使表面滑动， 则必须顺着其凸起部分滑动或把这些凸起部分破坏掉，这就是 产生摩擦力的原因。
达.芬奇 阿蒙顿(G.Amontons,1663-1705) 欧拉(Leonhard Euler,1707-1783) 库仑(C.A.Coulumb,1736-180)
即:
Wf=Q+△E 如果表面没有明显的塑性变形，则摩擦功全部转化为热能： Wf=Q
试验表明：
能量平衡各组成部分之间的比例关系(△E/Q)主要取决于摩擦副的材料、 载荷、工作介质的物理-化学特性和摩擦路程。
此外，它与摩擦副中金属的变形特性也有重要关系，在其它条件相同时， 金属的塑性越好，则Wf越小，所形成的Q也越小，而消耗的△E越大。硬的淬 火钢摩擦时，Q实际上可达到100%，则△E≈0。
第Ⅳ阶段： 进入摩擦表面的磨粒数和离开表面的磨粒数大致相等， 摩擦系数达到稳定值。
第Ⅴ阶段： 硬表面的微凸体逐渐磨平，出现镜面，磨粒较难粘附在光洁的硬 表面上，使犁沟作用减弱，被磨平的微凸体的变形也较小，因而摩擦系 数有所下降。 第Ⅵ阶段 ： 当大部分的硬表面变得光滑时，软表面因此而得到同样的镜面， 此时，界面的表面粗糙度达到可能的最佳值，摩擦系数趋于平稳。 如果是硬表面在静止的软表面上滑动，软表面将不会发生抛光现 象，其界面将始终是粗糙的，则第Ⅴ，Ⅵ两个阶段将不会出现。
库仑摩擦定律可近似地应用于工程实际，但存在以下问题：
1、摩擦系数的大小不仅取决于该材料本身固有的特性，而且与它所在的 摩擦学系统的特性密切相关。
即
f ( x, s)
式中 x--工况条件或工况参数，包括载荷、相对运动的速 度和形式以及时间等； s--摩擦学系统的结构， s={A，P，R}
A--组成摩擦学系统的各元素(包括环境)； P--组成摩擦学系统的各元素的性质； R--组成摩擦学系统的各元素之间的相互关系。
(二) 分子吸引理论
德萨古利埃(J.T.Desaguliers,1683-1744) 哈迪(W.B.Hardy,1864-1934)
这种理论认为摩擦的产生是由于表面滑动时，表面上的分子运动键 断裂而消耗了一定的能量。 (三)库仑摩擦定律 (由库仑最后完成，许多人完善的结果)
目前库仑摩擦定律这种表达形式，这在摩擦理论与技术的发展史上， 具有划时代的意义。
按照摩擦副的各种特性，又可将摩擦分为如下两大类：
1、减摩摩擦 这类摩擦的作用是通过减小摩擦以减小摩擦损失，从而提高机 器的效率和能量利用率。 2、增摩摩擦 这类摩擦的作用是通过增加摩擦以实现特定的功能，或达到特 定的工作要求(如刹车副增加摩擦以更好地吸收动能)。
特殊工况下的摩擦
1、高速摩擦 这类摩擦的作用面相对速度在50m/s—600m/s的摩擦问题。 2、高温摩擦 这类摩擦的作用面间温度较高，影响摩擦系数的变化 3、低温摩擦 一般在0~-273度条件下的摩擦，低温下摩擦系数较小 4、真空摩擦 真空条件下，摩擦表面失去氧化膜或吸附膜的保护，摩擦系数较空气 空气中高，真空度高摩擦系数大
尽管上述能量平衡理论至今尚未建立可供定量分析的数学模型，但它可 以较全面地描述摩擦学系统的摩擦过程，并可更合理地分析影响该摩擦过程 的各种因素。
输入能量
摩擦学系统 能量损失 （摩擦能量）
输出能量
弹性量
第二次过程 能量
吸热、散热、摩擦化学反应、结 构转变、摩擦辐射、机械振动、 摩擦升华、噪音、摩擦发光等
第四章
摩擦原理
第一节
摩擦概述
一、摩擦定义
摩擦是在外力作用下，发生相对运动或具有相对运动趋势的 物体，受到与其相接触的物质或介质(液体或气体)的阻力作用， 在其界面上产生的一种能量转换的现象。
在界面上作用的切向阻力是摩擦力，而不是摩擦。因为摩擦 的本质不是一种力，而是一种能量转换的现象，因此，摩擦与摩 擦力是两个既有密切连系而又有本质区别的不同概念。
二、摩擦分类
1、干摩擦
接触表面无任何润滑剂，但仍有环境介质，如气体，水气其他污物的摩擦
2.边界摩擦 这是指在摩擦表面上存在一种具有润滑性能的边界膜的摩擦，通常 也称为边界润滑。
发动机中的汽缸与活塞环、凸轮与挺杆以及机床导轨、蜗杆传动中 产生的摩擦都属于这类。
3、流体摩擦
这是指相对运动的固体表面完全被润滑剂隔开的一种摩擦，摩擦主要 发生在该润滑剂所形成的流体膜内部，即它是一种发生在流体内部的内摩 擦。因此，通常将这类摩擦称为流体润滑。 在合理的工况条件下，润滑充分的滑动轴承、齿轮等都可能实现流体 润滑。
０．１７ ０．５３ ０．７１ ０．１７ ０．５４ ０．７３
０．１３ ０．６７ －
０．１７ ０．７１ － ０．１４ ０．５８ －
０．１２ ０．６５ －
０．１２ ０．６９ － ０．１７ ０．６７ －
1045钢
j
1095钢
﹡ j


s
s ０．５１*
﹡
实验结果分析
1）摩擦系数f随滑动距离 d 而变化。如果较软的试件在较硬的静止的物体上 滑动时，则其f达到最大值之后会有所下降，然后才达到稳定值。
纯铁
980-+50 0.0004
AISI1020钢 1710- +100 0.020
AISI1045钢 4120- +130 0.067
AISI1095钢 6080- + 350 0.142
固定件
试验装置示意图
s ：稳定阶段摩擦系数
﹡ ：摩擦系数峰植
摩擦系数
固定件材料 摩擦系 数
：初始摩擦系数 j
4)相同金属相互滑动时，其稳定状态的f都大于较软试件在较硬的静止物体上 滑动时f 的稳定值。反之，用硬试件在较软的静止物体上滑动时，其f的稳定 值几乎和同种金属对摩时一样，由此可见，摩擦系数的大小与材料的状态(静 止或运动)有关。
显微照片表明：软试件在较硬的静止物体上滑动时，软、硬两个表面均被 抛光，反之，不仅不会产生上述现象，而且表面上还会形成犁沟。
摩擦系数具有条件性和相对性，即它的数值不仅取决于摩擦学系统的工 况条件，而且还取决于摩擦学系统的结构组成以及其中各元素的性质和元素 之间的关系，所以，它决不是只由其中某一个元素的性质来决定。即使是同 一种材料，在不同的摩擦学系统中（包括不同的对偶和不同的环境），其摩 擦系数具有不同的数值。
2、对于极硬的材料(如钻石)或具有粘弹性的高分子材料，其摩擦力并不与 法向作用力成正比，而是存在以下函数关系：
4、混合摩擦 又可分为半干摩擦和半流体摩擦两种。前者是指同时存在干摩擦和边 界摩擦的一种混合状态的摩擦。而后者则是指同时存在边界摩擦和流体摩 擦的一种混合状态的摩擦。
按照摩擦副的运动形式，可以将摩擦分为以下两大类：
1.滑动摩擦
如在各种滑动轴承和机床导轨以及钻机中的刹车与气动离合器中相 对滑动表面上产生的摩擦。
二、现代摩擦理论 * (一)能量平衡理论
能量平衡理论 变形-犁削-粘着理论
摩擦是发生在摩擦表面上的一种十分复杂的能量转化和能量消散的现象， 因此，用能量平衡的分析方法可以更好地揭示和阐明摩擦过程的本质。 能量平衡理论的要点如下： 1、摩擦过程是一个能量分配与转化的过程，一个摩擦学系统在摩擦过程中， 其输入能量等于输出能量与能量损失之和，能量损失即摩擦能量。 对于金属摩擦，其摩擦能量主要消耗于固体表面的弹性与塑性变形，而 在交替发生粘着的过程中，此变形能可能积蓄在材料内部形成位错或转化为 热能，断裂能量(表面能)在磨损(磨粒形成)过程中起主要作用，使摩擦表面上 形成新的表面和磨粒；一般第二次过程能量的作用较小，但在某些情况下(如 合成材料的分解或剥离，摩擦化学过程大量吸热和制动器的制动过程等)，这 部分能量损失较大，估计可达30%。