机械设计基础 第二章 摩擦磨损润滑

➢可以解释表面越粗糙摩擦系数越大的现象 ➢不能解释表面越光滑摩擦系数越大的现象
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3.1 干摩擦
2、分子作用理论 认为分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的 起因，摩擦力是由摩擦表面分子间的相互吸引 力形成的。
可以解释表面越光滑摩擦系数越大的现象
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3.1 干摩擦
3、粘着摩擦理论
➢摩擦表面处于塑性接触的状态； ➢滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；
混合摩擦动画
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第4节 磨损
➢表面物质在摩擦过程中不断损失的现象，是伴 随摩擦而产生的必然结果。
➢磨损会消耗材料，降低运转精度，影响寿命和 可靠性。
➢磨损并非都是有害的，如机械的跑合、利用磨 损原理进行的加工（研磨、抛光）等。
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4.1 磨损过程
机械零件的一般磨损过程大致分为三个阶段
磨 损跑 量合
4.1 磨损过程
磨 损跑 量合
阶 段
稳定磨损阶段
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急剧磨损阶段
时间
设计不当或工作条件恶化时 不能建立稳定磨损阶段
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4.1 磨损过程
合理设计 ➢缩短跑合期 ➢延长稳定磨损期 ➢推迟急剧磨损期
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4.2 磨损分类
按磨损机理主要分为四种：
1、粘着磨损 机 理： 材料转移 发生场合： 重载下油膜或边界膜破裂，金属直 接接触，硬度不足 程 度： 轻微磨损、涂抹、擦伤、胶合
最常用的润滑剂是润滑油和润滑脂。
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5.2 润滑剂的指标
1、润滑油的主要质量指标 ➢粘度 指润滑油抵抗剪切变形的能力，标志油液 内部产生相对运动时内摩擦阻力的大小。 ➢粘度越大，内摩擦阻力越大，流动性越差。 ➢选择润滑油的主要依据。
牛顿定律：两层流液体之间的切应力与其速度梯度成正比
du ：动力粘度（单位 Pa • S）
实际接触面积随着法向载荷的增大而增大，主要体 现在接触点的数量增加，而各个接触点因弹性和塑性 变形而使接触面积的增加是次要的。
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第三节 摩擦
在外力作用下，相互接触的两个物体作相对运动或 有相对运动的趋势时，其接触表面上就会产生抵抗 滑动的阻力，这一现象叫做摩擦，这时所产生的阻 力叫做摩擦力。
摩擦可分为两大类： 内摩擦：发生在物质内部，阻碍分子间相对运动； 外摩擦：在接触表面上产生，阻碍其相对运动
➢润滑膜完全将两接触表面分开 ➢摩擦只发生在液体内部的分子之间，摩擦系数很 小，大约 f = 0.001 0.008，而且不会有粘着磨损 产生，是理想的摩擦状态。
液体摩擦动画
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3.4 混合摩擦（混合润滑）
➢接触表面间边界摩擦和液体摩擦同时存在的状 态。 ➢混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数要 比边界摩擦时小得多，大约 f = 0.01 0.08； ➢有金属的直接接触，仍有磨损存在。
dy
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5.2 润滑剂的指标
粘度的度量指标:
动力粘度、 运动粘度n、 恩氏粘度˚Et等。
动力粘度 单位:Pas
dynes/cm2 (泊，泊的百分之一为厘泊（cP）
运动粘度n 单位: m2/s cm2/s, 斯,百分之一为厘斯cSt
恩氏粘度˚Et 即相对粘度,以符号˚Et表示。
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机械设计
第二章 摩擦、磨损及润滑
基础知识
本章内容
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第一节 概述 第二节 表面性质及表面接触 第三节 摩擦 第四节 磨损 第五节 润滑剂 第六节 润滑状态
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第一节 概述
机械的运转必然产生零、部件的相对运动，有相 对运动就必然产生摩擦和磨损。
摩擦是造成能量损失的主要原因。
磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中， 大约有80% 是由于各种形式的磨损造成的。
➢摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。
两金属表面在法向载荷FN作用下的实际接触面积 Ar和名义接触面积A相比是很小的，微凸体接触 区所受的压力很高，材料发生塑性变形，表面边 界膜遭到破坏，使基体金属发生粘着现象，形成 冷焊结点。
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3.1 干摩擦
f

F FN

Ar B Ar sc
我国2006年摩擦磨损造成的损失约9500亿元，约占 GNP的4.5%，2006年我国工业领域应用摩擦学知识 的节约潜力为3270亿元，占2006年GDP的1.55%
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第二节 表面性质及表面接触
➢摩擦、磨损和润滑等摩擦学现象都是在两物体 接触的表面间发生的 ➢表面性质对摩擦/磨损/润滑性能有重要影响
F
2.2 表面接触
U1 U2
20
Solution Domain
y
Xo
b
Yo
a
Contact Ellipticity K= b/a
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2.2 表面接触
表面接触的一些结论：
金属表面的实际接触面积非常小，只是名义面积的 1%到0.01%，视载荷的大小和表面的粗糙程度而定。
微凸体大小、高度不等，接触时部分弹性变形，部分 塑性变形，两部分的比例与载荷的大小和表面特性有关。 实际接触面积非常小，接触面上的应力非常大，多数摩 擦表面都存在着大量的塑性变形微凸体
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库仑定律
古典摩擦理论有一定的局限性，例如，法向力很大 的时候，实际接触面积接近名义接触面积，摩擦力 和法向力就不再成线性关系。
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3.1 干摩擦
根据摩擦机理的研究，目前被广泛接受的几种干 摩擦理论： 1、机械啮合理论
认为摩擦起源于表面粗糙度，摩擦力是表面微凸 体机械啮合力的总和。滑动摩擦中能量损耗于微 凸体的相互啮合、碰撞以及弹性变形。
➢真正的干摩擦是不存在的，任何零件的表面不仅 会因为氧化而形成氧化膜，且多少也会被含有润滑 剂分子的气体所湿润或受到“油污”。
➢在机械设计中，通常将两接触表面没有人为引入 润滑剂的摩擦当作干摩擦。干摩擦时，摩擦阻力最 大，金属间的摩擦系数 f = 0.15 ~ 1.5。
干摩擦动画
3.1 干摩擦
四个经典摩擦定律 摩擦力F 与正压力FN 成正比 F =fFN 摩擦力F 与接触面积的大小无关 F静 > F动 摩擦系数与滑动速度无关
形状误差。它体现了表面加工方法的固有特性。
➢表面波度 指较大空间内周期性出现的不规则性波动。 往往是因为机床刀具或工件振动的结果。
➢形状误差 实际表面形状偏离名义表面形状的偏差。 在表面形貌分析中，通常是不考虑的。
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2.1 表面性质
从摩擦学观点讲，表面粗糙度对材料表面性质影响
最大，常用轮廓算术平均偏差Ra值的大小来度量金 属表面的粗糙程度。
1 l
1n
Ra l
0
y(x) dx n i1
yi
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WYKO NT9100 Profilometer
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2.1 表面性质
表面组成
指表层结构和其物理化学机械性质。
在切削加工过程 中表层组织结构 将发生变化，产 生层次结构
典型的金属表面结构
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2.2 表面接触
两金属表面在摩擦磨损过程中只有个别的微凸体 发生接触
润滑是改善表面摩擦、减缓磨损最有效的方法。
摩擦学（Tribology）是专门研究相对运动和相互作用 的两表面间现象和有关实践的一门科学技术，是有关 摩擦、磨损和润滑科学的总称。
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第一节 概述
国外统计资料表明：摩擦消耗掉全世界1/3的一 次能源，约有80%的机器零部件都是因为磨损而失 效，而且50%以上的机械装备的恶性事故都是起因 于润滑失效和过渡磨损。美英德等发达国家每年因 摩擦、磨损造成的损失约占其国民生产总值的2 ％～7％，而在工业中应用摩擦学知识可节约的费 用约占GNP的1%~1.4。
上帝创造了魔鬼 魔鬼创造了表面
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抛光＋涂层变速箱齿轮
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抛光＋涂层变速箱齿轮
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抛光＋涂层变速箱齿轮
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抛光＋涂层变速箱齿轮
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抛光＋涂层滚子
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表面形貌
Hobbed & Shaved Surface
Ground Surface
Honed Surface
polished Surface
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2.1 表面性质
阶 段
稳定磨损阶段
急剧磨损阶段
时间
一般磨损的过程
ห้องสมุดไป่ตู้.1 磨损过程
磨 损跑 量合
阶 段
稳定磨损阶段
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急剧磨损阶段
时间
新的摩擦副表面较粗糙，在10% , 50%的额定载 荷下进行试运转，使摩擦表面的微凸体被磨平， 实际接触面积逐步增大，压强减小，磨损速度在 跑合开始阶段很快，然后减慢。跑合阶段对新的 机械是十分必要的。
➢向承载的两摩擦表面间引入润滑剂，形成润滑 膜称为润滑。
➢润滑的主要作用是减小摩擦和磨损。此外还有 防锈、减振、密封、冷却、清除污染和传递动力 等作用。
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5.1 润滑剂分类
固体润滑剂 （石墨、二硫化钼、尼龙等） 半固体润滑剂（各种润滑脂）、 液体润滑剂 （各种润滑油、水、液态金属等） 气体润滑剂 （空气、氦气、氮气等）
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3.2 边界摩擦（边界润滑）
两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性 质与液体的黏度无关，只与边界膜和表面的吸附性 质有关。
边界润滑动画
单层分子边界膜摩擦
边界润滑不能完全避免金属间的直接接触，但可 以大大地减小摩擦力，一般 f = 0.1 左右。
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3.2 边界摩擦（边界润滑）
➢按形成的机理，分为吸附膜（物理吸附膜和化学 吸附膜）和反应膜。
摩擦
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摩擦的分类
按摩擦副的运动状态，可分为静摩擦和动摩擦
动摩擦还可根据摩擦副的运动形式，可将其分为 滑动摩擦和滚动摩擦等。