机械设计之结构设计PPT 第三章 摩擦学设计
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凸轮传动系统的摩擦学设计
凸轮传动系统的摩擦学设计
凸轮传动系统是一种常见的机械传动系统，常用于汽车发动机中的气门机构。在设计凸轮传动系统时，摩擦学是一个至关重要的考虑因素。摩擦聚合由于无法避免的能量损耗以及产生的磨损和噪音。因此，在设计凸轮传动系统时，需要考虑减小摩擦力、提高传动效率、延长零件寿命等问题。
首先，减小摩擦力是减少能量损耗和磨损的关键。凸轮与凸轮追随器之间的接触面积较小，摩擦力较大。因此，在设计中应尽量减小接触面积以减小摩擦力。一种常见的方法是在凸轮表面进行光滑处理，减小表面粗糙度。此外，可以采用低摩擦材料作为凸轮的涂层，如单晶金刚石涂层、固态润滑剂涂层等，以减小摩擦力。此外，还可以合理选择润滑剂，如润滑油、固体润滑剂等，以减小接触面的摩擦力。
其次，提高传动效率也是凸轮传动系统摩擦学设计的关键问题。传动效率是指系统的输出功率与输入功率之间的比值。摩擦力是传动效率低下的主要原因。为了提高传动效率，可以采取以下措施。首先，优化凸轮的几何形状，使其与凸轮追随器之间的接触面积最小化，以减小摩擦力。其次，合理选择摩擦材料，如使用低摩擦材料作为接触面的涂层，或者采用带有固体润滑剂的材料。最后，可以采用液体润滑剂或含有固态润滑剂的润滑剂，以减小摩擦力。
第三，延长零件寿命也是凸轮传动系统摩擦学设计的重要目标。摩擦引起的磨损是导致零件破坏和失效的主要原因之一、为了延长零件寿命，首先需要选择耐磨性好的摩擦材料。同时，可以优化凸轮的几何形状，减小接触面的应力集中，减少零件的疲劳破坏。此外，还可以合理选择润滑剂，如使用高性能润滑油、固体润滑剂等，以减小磨损。
机械设计精品课件 摩擦
润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。
物理吸附膜适用场合：常温、轻载、低速 单分子摩擦模型：当摩擦副滑动时，表面的吸附分 子如同两个毛刷相互滑动一样 ，由于吸附膜具有一 定的承载能力，可有效地防止两摩擦表面的凸峰直 接接触，进而起到润滑作用
摩 擦3
摩
擦
当表面温度较高时，润滑剂中的极性分子能与表面金属形成金属皂，它也 化学吸附膜。 是极性分子，靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学 化学 化学吸附膜适用场合： 中等载荷、速度和温度 吸附膜较薄（一个分子长约2nm，如膜有10个分子厚，其厚度为0.02µm， 远小于两摩擦表面的粗糙度之和），所以磨损不可避免。另外，温度对吸 附膜影响较大，当受热时膜易脱附、乱向甚至破坏，从而使润滑作用降低。 在润滑剂中添加入硫、磷、氯等元素，它们与表面金属发生化 学反应生成的边界膜，称为反应膜。 化学反应膜熔点高、抗剪切强度较低、稳定性较好，与金属表面结 合牢固，所以适合于较高的载荷、速度和温度工作条件下的润滑。
摩 擦5
摩
4）混合摩擦：是指摩擦表面间处于边 界摩擦和流体摩擦的混合状态。 混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其 摩擦系数比边界摩擦时要小得多。 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中 很难区分，常统称为边界摩擦。
擦
§3-2磨 损
§3-2 磨
损
磨损主要是运动副中的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁 移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报 废。 单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。 耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。 一、典型宏观磨损过程 一 过程 ）磨 磨 零件 （ 运转 ）：是指 的磨损。
第3章摩擦学设计
或
Fmax v P 1000
Fmax
P 1000 v
Fmax—总摩擦力； P—V带能够传递的功率
v—带的速度。
（2）V带摩擦传动设计公式
在带传动中，当带与带轮之间刚出现打滑 时，表明摩擦力达到极限值。
利用柔韧体摩擦欧拉公式 又
F0 ( F1 F2 ) / 2
F1 F2e
fv
F F1 F2
（3）摩擦状态转化
仅依据润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑 状态，尚须与表面粗糙度进行对比，图3.2。 实际机械中的摩擦副，通常几种润滑状态会 同时存在--------混合润滑状态。
（4）摩擦状态的判断
① 通常用膜厚比来判断摩擦状态-测量困难，不便采用
hmin Ra1 Ra 2
2 2
hmin—两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度；
匹配规律： 金属中化合物相比单相固溶体粘着效应低； 六方晶体结构优于立方晶体结构； 金属与非金属(如碳化物、陶瓷、聚合物等)的配对 比金属与金属的配对抗粘着能力高。 其他条件相似的情况下，提高硬度，表面不易塑 性变形，不易粘着。对于钢来说，700HV（或HRC70） 以上可避免粘着磨损。
dV W 2 h tan ds s tan
由于s与硬度H有关，故
dV W ka ds H
（3）其他磨损
机械摩擦学特性分析与摩擦副优化设计
机械摩擦学特性分析与摩擦副优化设计
摩擦是机械系统中的一个普遍现象，对机械运动和能量传递起着至关重要的作用。了解机械摩擦学特性并进行摩擦副的优化设计，对于提高机械系统的效率和寿命具有重要意义。本文将分析机械摩擦学的特性，并探讨如何进行摩擦副的优化设计。
一. 摩擦学特性的分析
摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑的科学。在机械系统中，摩擦是由于两个物体之间的相对运动而产生的一种阻力。摩擦学包含摩擦力、摩擦系数、摩擦磨损和润滑等方面的内容。了解这些特性对于理解机械运动过程和改善机械系统性能至关重要。
摩擦力是摩擦副中最基本的特性之一。它是指两个物体之间由于接触而产生的力，可以分为静摩擦力和动摩擦力。静摩擦力是两个物体在相对静止时的摩擦力，动摩擦力则是两个物体在相对运动时的摩擦力。了解摩擦力的大小和变化规律对于预测机械系统的摩擦效应至关重要。
摩擦系数是描述两个物体之间摩擦特性的参数，是摩擦力与法向压力之比。它受摩擦副材料、表面形状、润滑状况等因素的影响。不同材料和不同工况下的摩擦系数有所不同。了解摩擦系数的变化规律，可以指导选择合适的材料和设计合理的表面形状，以减小摩擦力和磨损。
摩擦磨损是机械系统中不可避免的问题。摩擦副在长时间使用过程中，由于摩擦力的作用，会导致其表面的材料失去或改变。磨损的严重程度直接影响到机械系统的运行效率和寿命。因此，研究摩擦磨损的规律，并采取相应的措施进行预防和修复，是摩擦学的重要研究内容。
二. 摩擦副的优化设计
在机械系统中，摩擦副的设计是摩擦学研究的核心问题之一。通过合理的摩擦
机械设计摩擦学基础
粘着磨损 也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。
疲劳磨损 也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。
腐蚀磨损 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。
润滑油冷都到完全失之流动性时的温度称润滑油的凝点。
*
3、润滑脂的主要性能指标
反映其稠度大小。
表示润滑脂受热后开始滴落时的温度，决定其工作温度。
润滑脂：润滑油+稠化剂的膏状混合物。
(1) 锥入度
(2) 滴点
*
滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等
用于低速 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 用于高速
*
2、润滑油的主要性能指标
粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；
粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。
(1) 粘度
(2) 油性
油性是润滑油在金属表面的吸附能力，吸附能力越强，油性越好。
(3) 闪点
(4) 凝点
润滑油在标准仪器内加热蒸发的油汽，一遇火焰能发出闪光的最低温度。
2、磨损的分类
*
五、润滑
润滑不仅可降低摩擦、减轻磨损，而且还具有防锈、散热、减振等功用。
疲劳磨损 也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。
腐蚀磨损 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。
润滑油冷都到完全失之流动性时的温度称润滑油的凝点。
*
3、润滑脂的主要性能指标
反映其稠度大小。
表示润滑脂受热后开始滴落时的温度，决定其工作温度。
润滑脂：润滑油+稠化剂的膏状混合物。
(1) 锥入度
(2) 滴点
*
滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等
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2、润滑油的主要性能指标
粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；
粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。
(1) 粘度
(2) 油性
油性是润滑油在金属表面的吸附能力，吸附能力越强，油性越好。
(3) 闪点
(4) 凝点
润滑油在标准仪器内加热蒸发的油汽，一遇火焰能发出闪光的最低温度。
2、磨损的分类
*
五、润滑
润滑不仅可降低摩擦、减轻磨损，而且还具有防锈、散热、减振等功用。
摩擦学设计ppt课件
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
3. 摩擦理论
摩擦是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力和能量损耗。摩擦 现象涉及的因素很多，因而提出了各种不同的摩擦理论，现简述如下。
(1) 摩擦的机械理论 十八世纪以前的摩擦理论认为，摩擦起源于表面粗糙度，滑动摩 擦中能量损耗于微凸峰的相互啮合、嵌入及弹塑变形，特别是硬微凸 峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。 这一理论认为，表面越粗糙摩擦系数越大，反之随着表面粗糙度 的降低，摩擦系数降低。实践表明，摩擦机械理论只适用于普通粗糙 表面，而当表面粗糙度降到表面分子吸引力有效作用时，如超精加工 表面时，这时摩擦系数反而剧增，这说明机械理论就不适用了。
式中，α 由摩擦表面分子特性决定的系数； β 由摩擦表面机
械特性决定的系数；Ar
实际接触面积；W
外载荷。
分子机械理论较上述两种摩擦理论更为完善一些，主要是因为它 既考虑了微凸峰间分子的吸引力，并又明确指出，界面间微凸峰的机 械啮合力是产生摩擦的主要原因。这一理论更为符合实际情况。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
外摩擦和内摩擦的共同特征是：一物体或一部分物质将自身的 运动传递给与它相接触的另一物体或另一部分物质，并试图使两者 的运动速度趋于一致，因而在摩擦过程中发生能量的转换。
第三章-摩擦学设计.知识讲解
当一个物体在外力作用下沿与它相接触的 另一个物体相对运动时所产生的摩擦。
两接触表面作相对滑动时所产生的摩擦。 接触点具有不同的速度
在外力矩作用下,两物体沿接触面作相对滚 接触点具有相同的速度（速
动时所产生的摩擦。
度、大小）
一物体沿接触面法线与另一物体作相对转 动时所产生的摩擦。
两纯净接触表面,在无任何形式的润滑剂存 只有在真空中存在,工程上指
第三章-摩擦学设计.
1 摩擦学
摩擦学是二十世纪六十年代逐渐形成的一门新兴边缘学科。
摩擦学—Tribology:是希腊语tribod派生而来的。
定义：摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关 理论与实践的一门科学技术。
定义中着重强调了“相对运动”和“相互作用”。通俗 来说，摩擦学就是研究相互作用表面在相对运动中过程发生 的摩擦、磨损、润滑现象的一门科学与技术，是摩擦、磨损、 润滑及其有关的实践活动的总称。
在时所产生的摩擦。
无人为润滑剂的摩擦。
两接触表面间存在一层具有润滑性能的边 不符合流体力学规律的润滑
Hale Waihona Puke Baidu
界膜情况下所产生的摩擦。
油膜称为边界膜。
相对运动的两物体表面完全被一层流体润 摩擦主要发生在接触表面间
滑膜隔开时所产生的摩擦。
的润滑膜内。
半干摩擦
干摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。
mooc机械设计(西南交通大学吴鹿鸣首届国家名师)
9次单元测试〔见上〕，共50分 期中测试20分 期末测试30分 〔题型都为客观题，分为判断题，单项选择题〔包括 受力分析〕，填空题，其中填空题主要是计算题〕 成绩评定：合格≥60分；优秀≥85分
摩擦学设计：摩擦与磨损
19
摩擦学设计：摩擦与磨损
20
内容环节 Logo设计
突出机械设计这门课的内容特色，并包含面向全球这一特点。 发挥团队作用，logo设计由助教完成。
摩擦学设计：摩擦与磨损
35
“在未来的教育中，学生个体越来越从群体的教育承受者变成 教学过程的中心，强调学生的自主学习、个性化学习，学生按 照自己的节奏学习，而不是被动地承受授课教师面向全班同学 统一进度的灌输。〞 “教师的作用也由教学主导变成了学生学习的辅助者、效劳者， 而进展因材施教。〞
——中国教育报
25
摩擦学设计：摩擦与磨损
26
接轨国际：表达本慕课是面向世界华人，因此在课程内 容中需要适度的介绍兴旺国家的情况，如
摩擦学设计：摩擦与磨损
27
摩擦学设计：摩擦与磨损
28
摩擦学设计：摩擦与磨损
29
摩擦学设计：摩擦与磨损
30
摩擦学设计：摩擦与磨损
31
摩擦学设计：摩擦与磨损
32
摩擦学设计：摩擦与磨损
摩擦学设计：摩擦与磨损
3
抓住机遇，主动迎接课程改革深水区的挑战
摩擦学设计：摩擦与磨损
19
摩擦学设计：摩擦与磨损
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内容环节 Logo设计
突出机械设计这门课的内容特色，并包含面向全球这一特点。 发挥团队作用，logo设计由助教完成。
摩擦学设计：摩擦与磨损
35
“在未来的教育中，学生个体越来越从群体的教育承受者变成 教学过程的中心，强调学生的自主学习、个性化学习，学生按 照自己的节奏学习，而不是被动地承受授课教师面向全班同学 统一进度的灌输。〞 “教师的作用也由教学主导变成了学生学习的辅助者、效劳者， 而进展因材施教。〞
——中国教育报
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摩擦学设计：摩擦与磨损
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接轨国际：表达本慕课是面向世界华人，因此在课程内 容中需要适度的介绍兴旺国家的情况，如
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摩擦学设计：摩擦与磨损
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摩擦学设计：摩擦与磨损
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摩擦学设计：摩擦与磨损
摩擦学设计：摩擦与磨损
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抓住机遇，主动迎接课程改革深水区的挑战
00-3 摩擦学设计概述(2012)
绪论3 摩擦学设计基础
●1. 摩擦
●2. 磨损
●3. 润滑
●4. 润滑方法
●5. 流体润滑
摩擦学（tribology）
●摩擦、磨损和润滑
●机械工程（一级学科）摩擦学（二级学科）●机械零件的损坏80%是摩擦、磨损造成的。
●材料学，表面处理，润滑理论
●固体摩擦—兰州物理化学研究所
●清华大学国家摩擦学重点实验室
1. 摩擦
在正压力作用下，相互接触的两个物体受切向外力的影响，而发生的相对滑动，或有相对滑动的趋势，在接触表面上产生的抵抗滑动的阻力的自然现象
摩擦具有二重性
1. 摩擦是有利的（利用摩擦力工作）
此时摩擦约束条件是：摩擦必须足够大，即摩擦系数或摩擦力矩或摩擦力应大于规定的许用值，以保证机器工作的可靠性；
(带传动、制动、螺纹防松)
2. 摩擦是有害的，会带来能量损耗、工作温度上升，还会产生振动和噪声；磨损（摩擦表面物质的丧失或迁移）
此时摩擦约束条件是：摩擦系数、温升不超过许用值，效率不低于许用值或摩擦的能耗不超过许用值等
(螺纹拧紧，啮合传动传动,轴承)
摩擦状态
干摩擦边界摩擦
液体摩擦混合摩擦
干摩擦：表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦；
边界摩擦：表面间被极薄的润滑膜所隔开，且摩擦性质与润滑剂的粘度无关而取决于两表面的特性和润滑油油性的摩擦；
流体摩擦：表面间的润滑膜把摩擦副完全隔开，摩擦力的大小取决于流体分子内部摩擦力的摩擦；
混合摩擦：摩擦副处于干摩擦、边界摩擦和流体摩擦混合状态时的摩擦。
分类（状态）
干摩擦: 直接接触, 摩擦系数:0.04-0.5边界摩擦: 两表面运动膜: 0.05-0.3
第5章摩擦学设计
流体磨粒磨损是指由流动的液体或气体 中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的 机械磨损。 利用高压空气输送型砂或用高压水输送 碎矿石时，管道内壁所产生的机械磨损是 其实例之一。 最简单的磨粒磨损计算方法是根据微观 切削机理得出的。图3.9为磨粒磨损模型。
图3.9 圆锥体磨粒磨损模型
假设磨粒为形状相同的圆锥体，半角为， 压入深度为h，则压入部分的投影面积为 A=h2tan2。如果被磨材料的受压屈服极限为 s，每个磨粒承受的载荷为W=sA=h2tan2， 则当圆锥体滑动距离为s时，被磨材料移去的体 积为V=sh2tan。则磨粒磨损的体积磨损度为: dV 2 W （3.11） h tan
磨损按磨损表面外观描述分为点蚀磨 损、胶合磨损、擦伤磨损等。而根据磨损机 理分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐 蚀磨损、气蚀磨损和微动磨损等。下面按后 一种分类进行简要的介绍磨损计算。 1．磨损计算 （1）粘着磨损 当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点 处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从 一个 表面迁移到另一个表面，便形成了粘着磨 损。
磨损计算模型尚不完善，因此磨损计算常 用粘着磨损的式（3.10）或磨粒磨损的式 （3.12）来替代。对稳定的一维磨损，可以推 出高度h的磨损率为常数，即: dh （3.13） 常数 dt 再通过对时间的积分可以得到对应时间下的磨 损的高度h。 2．磨损设计准则 虽然，摩擦表面的失效还有多种形式，但 设计时设计准则是按磨粒磨损给出的，它们 是：
汽车设计中的摩擦学设计共27页
因此，从此试验中我们得出，陶瓷复合镀铬环(CKS环)的耐磨性能 比镀铬环(Cr环)、喷钼环(Mo环)更好。
➢曲轴轴承与连杆轴承
影响轴承摩擦的几种主要因素: ✓润滑油 ✓轴承间隙 ✓轴径 ✓轴承宽度
✓润滑油
不同油品的轴承功损
润滑是减少摩擦损失的关键，选择合适的润滑油可以有效地降低摩擦。 由图可以看出，低粘度的润滑油是有利于减少摩擦损失的。因此，一般 在润滑油选用时满足润滑需要即可，盲目选用高粘度润滑油，势必增加发动 机的摩擦功率损失。但是，在某些情况下，如高温、高转速等情况，为了保 证发动机润滑性能，必须要牺牲一部分低速下的功率而选用较高粘度的润滑 油。
这就对活塞环的材料提出了很高的要求，它必须具有良好的导热性和高 温机械性能；具有足够的储油能力；既要具有良好的跑合性以保证气密， 又要具有良好的耐磨Βιβλιοθήκη Baidu。
➢活塞环与缸套
为了减少活塞环与缸孔之间的摩擦损耗，现有的方法有以下几种： （1）减少活塞环根数 汽油机只采用一根油环和一根压缩环。柴油机采用两根压缩环一根油环。 油环采用窄单轨油环（NSOR—narrow single rail oil ring）。压缩环厚度减薄， 通过减少活塞环与缸孔的接触面积来降低摩擦损失。 活塞环尺寸趋于减薄，而所承受的负荷却有增大的倾向。因而活塞环的 工作应力增加，传统的活塞环材料——合金灰铸铁已有强度不足之虞。这样 便促使活塞环材料由合金灰铸铁向钢转变，据悉现代高性能发动机的上压缩 环已大半由不锈钢制造。 通过采用两根活塞环和减小压缩环厚度等措施，可使摩擦阻力减小50％， 燃油消耗下降5％。
➢曲轴轴承与连杆轴承
影响轴承摩擦的几种主要因素: ✓润滑油 ✓轴承间隙 ✓轴径 ✓轴承宽度
✓润滑油
不同油品的轴承功损
润滑是减少摩擦损失的关键，选择合适的润滑油可以有效地降低摩擦。 由图可以看出，低粘度的润滑油是有利于减少摩擦损失的。因此，一般 在润滑油选用时满足润滑需要即可，盲目选用高粘度润滑油，势必增加发动 机的摩擦功率损失。但是，在某些情况下，如高温、高转速等情况，为了保 证发动机润滑性能，必须要牺牲一部分低速下的功率而选用较高粘度的润滑 油。
这就对活塞环的材料提出了很高的要求，它必须具有良好的导热性和高 温机械性能；具有足够的储油能力；既要具有良好的跑合性以保证气密， 又要具有良好的耐磨Βιβλιοθήκη Baidu。
➢活塞环与缸套
为了减少活塞环与缸孔之间的摩擦损耗，现有的方法有以下几种： （1）减少活塞环根数 汽油机只采用一根油环和一根压缩环。柴油机采用两根压缩环一根油环。 油环采用窄单轨油环（NSOR—narrow single rail oil ring）。压缩环厚度减薄， 通过减少活塞环与缸孔的接触面积来降低摩擦损失。 活塞环尺寸趋于减薄，而所承受的负荷却有增大的倾向。因而活塞环的 工作应力增加，传统的活塞环材料——合金灰铸铁已有强度不足之虞。这样 便促使活塞环材料由合金灰铸铁向钢转变，据悉现代高性能发动机的上压缩 环已大半由不锈钢制造。 通过采用两根活塞环和减小压缩环厚度等措施，可使摩擦阻力减小50％， 燃油消耗下降5％。
摩擦学ppt
四、摩擦学问题的三个特点
摩擦学第一特点——摩擦学行为具有系 统依赖性。发生在相对运动、相互作用 表面和表面间的各种行为是摩擦学研究 的内容，统称为摩擦学行为。表面的相 对运动、相互作用是这些行为的原因， 而行为的结果则是人们看到的各种与摩 擦学有关的现象。摩擦学行为的内容十 分复杂
系统依赖性
是指简单系统 (见图1-1)以及由简 单系统所构成的任 何更为复杂的系统 （见图1-2 ）,其行 为已不能由任何一 个构成它的元素来 实现。
目前已经能够利用某些模型．如嵌入 原子模型(Embedded—atom Model)和蒙 特长罗模型(Monte Karlo)等，计算材料表 面区域中原子间的相互作用．仿真相对运 动表面间的粘着、材料转移、电子转移和 相转移等行为，探索磨损的起因和边界润 滑剂分子的运动机理．由于微观尺度上的 摩擦磨损试验研究有时难以实现，而分子 动力学模拟在某种程度上则可以突破试验 研究的极限。但是，有一些结论仍需作进 一步的完善与证实。
鉴于摩擦学问题广泛存在，工程科学 中的摩擦学，就如自然科学中的物理学、 化学一样重要。但是与物理学和化学相比， 摩擦学还远未发展成熟。当务之急，是要 研究并形成与摩擦学的定义和性质相适应 的可以支持自身独立发展的理论体系和方 法体系。
三、摩擦学研究内容
现代科学技术和生产规模化的迅速发展对摩擦 学研究提出了更加紧迫的要求，主要表现在：
《机械设计》1章-4摩擦、磨损、润滑介绍
相对运动。
外摩擦的分类情况： 静摩擦——仅有运动趋势 动摩擦——有相对运动 ▲按摩擦幅的运动形式分： 滑动摩擦 滚动摩擦 ▲按摩擦幅的表面润滑状态分： 边界膜 v 弹性变形 v ▲按摩擦幅的运动状态分：
× × × × × × × × × × × ×
塑性变形
干摩擦
边界摩擦
v
流体 流体摩擦 （液体或气体）
润滑剂的分类
润滑剂的主要指标： 润滑剂的主要指标：
（1） 粘度 粘度——是润滑油最重要的物理性能指标，是选择润滑 油的主要依据，它标志着流体流动时内摩擦阻 力的大小。粘度越大，内摩擦阻力越大，即流 动性越差。 （2）凝点 凝点——是润滑油冷却到不能流动时的温度。凝点越低越好。 凝点 （3） 闪点 闪点——是润滑油在靠近试验火焰发生闪燃时的温度。 闪点是鉴定润滑油耐火性能的指标。在工作温度 较高和易燃环境中，应选用闪点高于工作温度 20°~30°C的润滑油。 （4） 油性——是指润滑油湿润或吸附在表面的能力。吸附能力 油性 越强，油性越好。 （5） 滴点 滴点——是指润滑脂受热后开始滴落时的温度。润滑脂使 用工作温度应低于滴点20°~30°C，低于40°~ 60°更好。 （6）（稠度）针入度 （稠度）针入度——是表征指润脂稀稠度的指标。针入度越 小，表示润滑脂越稠；反之，流动性越大。
x
形成流体动力润滑的基本条件 ： （1）两相对滑动表面必须形 成收敛油楔（运动件带 着油从大口走向小口）； （2）必须有一定的相对滑动速度； （3）供油充分； （4）油有一定的粘度。 例： v v v y F v
外摩擦的分类情况： 静摩擦——仅有运动趋势 动摩擦——有相对运动 ▲按摩擦幅的运动形式分： 滑动摩擦 滚动摩擦 ▲按摩擦幅的表面润滑状态分： 边界膜 v 弹性变形 v ▲按摩擦幅的运动状态分：
× × × × × × × × × × × ×
塑性变形
干摩擦
边界摩擦
v
流体 流体摩擦 （液体或气体）
润滑剂的分类
润滑剂的主要指标： 润滑剂的主要指标：
（1） 粘度 粘度——是润滑油最重要的物理性能指标，是选择润滑 油的主要依据，它标志着流体流动时内摩擦阻 力的大小。粘度越大，内摩擦阻力越大，即流 动性越差。 （2）凝点 凝点——是润滑油冷却到不能流动时的温度。凝点越低越好。 凝点 （3） 闪点 闪点——是润滑油在靠近试验火焰发生闪燃时的温度。 闪点是鉴定润滑油耐火性能的指标。在工作温度 较高和易燃环境中，应选用闪点高于工作温度 20°~30°C的润滑油。 （4） 油性——是指润滑油湿润或吸附在表面的能力。吸附能力 油性 越强，油性越好。 （5） 滴点 滴点——是指润滑脂受热后开始滴落时的温度。润滑脂使 用工作温度应低于滴点20°~30°C，低于40°~ 60°更好。 （6）（稠度）针入度 （稠度）针入度——是表征指润脂稀稠度的指标。针入度越 小，表示润滑脂越稠；反之，流动性越大。
x
形成流体动力润滑的基本条件 ： （1）两相对滑动表面必须形 成收敛油楔（运动件带 着油从大口走向小口）； （2）必须有一定的相对滑动速度； （3）供油充分； （4）油有一定的粘度。 例： v v v y F v
第三章 摩擦学设计
现代设计方法 ——摩擦学设计
周天茹
1 摩擦学 2 摩擦 3 磨损 4 润滑 5 摩擦学设计
1 摩擦学
摩擦学是二十世纪六十年代逐渐形成的一门新兴边缘学科。
摩擦学—Tribology:是希腊语tribod派生而来的。
定义：摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关 理论与实践的一门科学技术。
定义中着重强调了“相对运动”和“相互作用”。通俗 来说，摩擦学就是研究相互作用表面在相对运动中过程发生 的摩擦、磨损、润滑现象的一门科学与技术，是摩擦、磨损、 润滑及其有关的实践活动的总称。
3 磨损
? 定义：磨损是指相互作用的物体表面在相对运动中，接触 表面层内材料发生转移和损耗的过程。
? 磨损的类型：依据近代对磨损的分类可以分为六种类型： 粘着磨损：是指在摩擦过程中，由于粘着点的剪切作用，是
摩擦表面的材料从一个表面脱落或者转移到另一个表面的 磨损现象。一般发生在干摩擦或者边界摩擦表面上。 磨粒磨损：在摩擦过程中，由于外界硬颗粒或摩擦表面上硬 的微凸体引起表面材料脱落的现象。 表面疲劳磨损：摩擦表面在交变载荷的作用，表层材料由于 疲劳而局部剥落，形成麻点或凹坑的现象。一般在固体有 缺陷的地方最先出现。 腐蚀磨损（摩擦化学磨损）：是金属腐蚀和粘着磨损、磨粒 磨损的复合。 微动磨损：是粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损的复合。 冲蚀磨损（侵蚀磨损）
实践表明，作相对运动的接触表面在摩擦过程中，将产 生一系列的物理、化学、冶金学、力学等方面的变化，要研 究这一过程和变化，必将涉及数学、物理、化学、力学、冶 金学、机械工程、材料科学、石油化工等多种学科领域。因 而，摩擦学是一门理论性和实践性都很强、综合性边缘学科。
周天茹
1 摩擦学 2 摩擦 3 磨损 4 润滑 5 摩擦学设计
1 摩擦学
摩擦学是二十世纪六十年代逐渐形成的一门新兴边缘学科。
摩擦学—Tribology:是希腊语tribod派生而来的。
定义：摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关 理论与实践的一门科学技术。
定义中着重强调了“相对运动”和“相互作用”。通俗 来说，摩擦学就是研究相互作用表面在相对运动中过程发生 的摩擦、磨损、润滑现象的一门科学与技术，是摩擦、磨损、 润滑及其有关的实践活动的总称。
3 磨损
? 定义：磨损是指相互作用的物体表面在相对运动中，接触 表面层内材料发生转移和损耗的过程。
? 磨损的类型：依据近代对磨损的分类可以分为六种类型： 粘着磨损：是指在摩擦过程中，由于粘着点的剪切作用，是
摩擦表面的材料从一个表面脱落或者转移到另一个表面的 磨损现象。一般发生在干摩擦或者边界摩擦表面上。 磨粒磨损：在摩擦过程中，由于外界硬颗粒或摩擦表面上硬 的微凸体引起表面材料脱落的现象。 表面疲劳磨损：摩擦表面在交变载荷的作用，表层材料由于 疲劳而局部剥落，形成麻点或凹坑的现象。一般在固体有 缺陷的地方最先出现。 腐蚀磨损（摩擦化学磨损）：是金属腐蚀和粘着磨损、磨粒 磨损的复合。 微动磨损：是粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损的复合。 冲蚀磨损（侵蚀磨损）
实践表明，作相对运动的接触表面在摩擦过程中，将产 生一系列的物理、化学、冶金学、力学等方面的变化，要研 究这一过程和变化，必将涉及数学、物理、化学、力学、冶 金学、机械工程、材料科学、石油化工等多种学科领域。因 而，摩擦学是一门理论性和实践性都很强、综合性边缘学科。
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四.液体动力润滑径向滑动轴承的工作能力计算 1.轴承承载力计算 2.摩擦力及摩擦功耗的计算 3.轴承的最小油膜厚度 4.轴承的热平衡计算 5.工作能力计算的一般步骤
图3-18 数值计算机算方法见p81-82
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1.轴承的承载力计算
总承载量计算的无量纲参数----索氏数定义：
1.假设条件：
1）忽略重力、磁力、惯性力的影响；
o 移动件 Uh x
2）流体在界面上无滑动，即贴于界面的油 层速度与界面速度相同；
3）沿油膜厚度方向上，不计油膜压力的变 化； p
y 0
z y
静止件
微元体受力分析
4）润滑油沿膜厚方向没有流动； 5）流体为牛顿流体； 6）润滑油流动为层流； 7）润滑油不可压缩。
Bdpv 106 t Qc p sdB ( Q ) c s Bdv p v p 106 d s 2qv c p B v
流量系数，图3-17
( ) p 106
式(12-28)
为保证轴承的正常工作，一般要求等效温度不超过75℃。
三.润滑
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§3-2 滑动轴承的结构与材料
一.滑动轴承的典型结构（p471-15.3.1）
整体式（图15-16）、剖分式（图15-17）
二.轴瓦的结构与材料
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二.轴瓦的结构与材料
1.轴瓦的结构
五.轴承参数的选择
相对间隙 宽径比
表3-6、表3-7
(0.6 ~ 1.0) 4 v 103
式（3-36）
润滑油动力粘度
表3-8
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定义：轴承的摩擦特性系数
图3-16
摩擦力： F F
摩擦功耗：
P F v F v
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3.轴承中的最小油膜厚度计算
轴承中的最小油膜厚度，不能无限制地减小。它受到轴颈与轴 承内表面的粗糙度、轴的刚性及轴承与轴颈的几何形状误差等的影 响。
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等效温度：
中等载荷和一切非稳 定载荷下：
t out t in te 2
式（3-32）
高速重载条件：
1 t e (t in 2t out ) 3
式（3-33）
入口油温tin一般为30~45°C
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§3-4液体动力润滑径向滑动轴承的 设计计算
一.径向滑动轴承形成液体动力润滑的过程
（图3-12）
二.形成液体动力润滑的条件和基本方程 三.径向滑动轴承的几何参数 四.液体动力润滑径向滑动轴承的工作能力计算 五.轴承参数的选择
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二.流体膜压力分布的微分方程----雷诺方程
S0
S0 ( , B ) d
F
其中：
F
2
Bd
图3-15
式（3-25）
S 0 Bd
2
为润滑油在轴承平均工作温度下的动力粘度，N· 2 s/m 为轴颈的转速，rad/s B为轴承的宽度，m；d为轴颈的直径，m。
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2.轴承的摩擦力及摩擦功耗计算
p F p Bd MPa
式（3-13）
2）验算轴承的pV值--限制温升
pv pv MPa m / s
式（3-14）
3）验算滑动速度V--防止磨损
v v
m/ s
p、 、 pv v
见表3-3
式（3-15）
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§3-1 摩擦学基本知识
一.摩擦
定义 摩擦的类型：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦 摩擦状态的判定：表3-1、图3-2
二.磨损
定义 磨损的过程：图3-3 磨损的类型：
粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、摩擦化学磨损
改善摩擦副耐磨性能的措施
选择减磨材料、合理选择润滑剂和添加剂、控制易损件的工作条件
hmin r (1 ) hmin
式（3-35）
hmin S (Rz1 Rz 2 )
安全系数 表3-5
式（3-34）
S2
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4.轴承热平衡计算
根据能量守恒：每秒产生的热量 H 带走热量 H1 H 2 达到热平衡时的润滑油温度差
3.形成液体动力润滑的条件 （图4-17）
1）润滑油要有一定的粘度，且其它条件不变时，粘度越高，承载能力越高。 2）两相对运动表面要有相当的相对滑动速度。 3）相对滑动表面形成收敛的油楔。 4）有充足的供油。
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三.径向滑动轴承的几何参数
1.直径间隙 D d 2.半径间隙 R r 3.相对间隙
一组重要的调查数据
•全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉 •失效零件的80%是由于磨损造成的 •20世纪80年代，我国在冶金、煤炭、农机等五个 行业的调查表明：由于磨粒磨损缩小好的备件用 钢材达到100万吨以上，如考虑停机等费用造成的 损失每年达到几亿元。
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一.失效形式
磨粒磨损与粘着磨损为主、多种失效形式并存的情况
二.设计准则
边界膜不遭破坏，维持粗糙表面微腔内有液体润滑存在
三.径向滑动轴承的计算 四.推力滑动轴承的设计计算（自学）
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三.不完全液体润滑径向滑动轴承设计算典型问题
1.已知条件：轴颈的直径d（mm）； 轴转速n（r/min）； 轴承的径向外载荷F（N）。 2.设计的目的：确定轴承的材料与宽度B 1）验算轴承的平均压力p--防止磨损
摩擦学发展的重要历史阶段
•史前人类的钻木取火 •祖先们在春秋时代（公元前770~221年）对摩擦、磨损现象 有了一定的了解，并且已经知道采用动物油脂进行润滑—— 诗经中相关的记载 •西晋时代张华所著《博物志》最早记载了人类使用矿物油做 润滑剂 •15世纪，意大利的列奥纳多· 达芬奇才开始把摩擦学引入理 论研究的途径 • 18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起，到20 世纪60年代摩擦学成 为一门独立的交叉学科 •应用及研究的领域不断扩大：机械、冶金、生物、地质、音 乐、体育等
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第三章 摩擦学设计及其应用 ——滑动轴承设计
3-1摩擦学基本知识简介 § 3-2滑动轴承的结构与材料 § 3-3不完全液体润滑滑动轴承设计计算 § 3-4液体动力润滑径向滑动轴承的设计计算 小结：滑动轴承设计的内容
§
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v y
V 0
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2.一维雷诺方程 根据层流运动的流体膜中一微元体的受力平衡、流量连续 的分析，并利用假设条件及必要的边界条件，可得到如下的流 体膜压力分布方程，即：一维雷诺方程。
最大压力处对应的油膜 p 6V 3 ( h h0 ) 厚度。 式（12-8） x h
轴瓦的形式和构造--整体铸造、对开式 油孔及油槽（p476，图15-27、15-28） 轴瓦的定位--保证轴瓦与轴承座之间无轴向、周向的
相对移动 （图15-28）
2.轴瓦的材料
选用原则 常用的轴瓦材料（p75，表3-3）
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§3-3 不完全液体润滑滑动轴承 设计计算
d r
4.偏心距
空气 润滑油 油楔 油膜压力
e
5.偏心率
e
6.最小油膜厚度
7.偏位角
hmin e (1 ) r (1 )
8.任意位置的油膜厚度h
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h (1 cos ) r (1 cos )
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