第3章摩擦学设计方法

第3章 摩擦学设计方法
静摩擦
根据摩擦副的运动状态
动摩擦
滑动摩擦 根据摩擦副的运动形式 滚动摩擦
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干摩擦 边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦
据摩擦副的表面摩擦状态
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干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护 膜而直接接触的纯净表面之间的摩擦 。 在机械设计中，通常将两个接触表面没有 人为引入润滑剂的摩擦当做干摩擦。在干摩擦 下，机械零件的摩擦磨损严重，所消耗的功转 化为大量的热，当散热条件差时甚至会烧坏金 属表面。 机器中不允许有干摩擦。
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3.3润滑
润滑就是将润滑剂导入两个摩擦表面， 将两个摩擦表面部分或全部隔开。这样，不 仅可以改善摩擦表面的摩擦状态，减小摩擦， 减小磨损，保护零件不遭锈蚀，而且在采用 循环润滑时还能起到散热降温的作用。
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4．流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损） 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。当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。 流体侵蚀磨损是指由液流或气流形成的气 泡在破裂产生的冲蚀作用下引起的磨损。燃气 涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷管等常出现 这类破坏。
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另外也应当指出，磨损不都是有害的，工 程上也有不少利用磨损作用的场合，如精加工 中的磨削及抛光，又如发动机的“磨合”过程 等都是在利用磨损。
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磨损的分类
根据磨损结果着重对 磨损表面外观的描述 点蚀磨损、胶合磨损、 擦伤磨损等
根据磨损机理来分类
黏附磨损、磨粒磨损、 疲劳磨损、流体磨粒 磨损、流体侵蚀磨损、 机械化学磨损和微动 磨损等
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6．微动磨损（微动损伤） 这是一种由黏附磨损、磨粒磨损、机械化 学磨损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式。 它发生在宏观上相对静止，微观上存在微 幅相对滑动的两个紧密接触的表面上，如轴与 孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋 合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。
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当摩擦表面之间处于边界摩擦与流体摩擦 的混合状态时称为混合摩擦。混合摩擦也称为 混合润滑。混合润滑及流体润滑可以用膜厚比 来大致估计。

hmin R R
2 q1 2 q2
式中，hmin为两个表面之间的最小公称油膜厚度（μm）；Rq1、 Rq2为两表面的轮廓均方根偏差（μm）。Rq=（1.20～1.25） Ra，Ra为表面轮廓的表面粗糙度值（μm）。
稳定磨损阶段内，摩擦条件相对稳定，零件 在平稳而缓慢的速度下磨损，磨损过程曲线的 斜率近似为一常数，斜率越小，磨损率越小。 剧烈磨损阶段经过稳定磨损阶段后，零件的表 面遭到破坏，运动副中的间隙增大，引起额外 的动载荷，润滑状态恶化，磨损速度急剧增加， 从而产生振动、冲击和噪声，致使零件迅速报 废。这时必须停机，更换零件。
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5．机械化学磨损（腐蚀磨损） 机械化学磨损是指由机械作用及材料与环 境的化学作用或电化学作用共同引起的磨损。 例如，摩擦副受到空气中的酸或润滑油、燃油 中残存的少量无机酸（如硫酸）及水分的化学 作用或电化学作用，在相对运动中造成表面材 料的损失所形成的磨损。氧化磨损是最常见的 机械化学磨损之一。
科学家成功实现利用意念控制基因表达
• 2014年11月13日 07:58 • 凤凰科技讯 北京时间11月13日消息,据科学日报 报道，近日瑞士巴塞尔苏黎世理工学院生物系统 学院(D-BSSE)的马克· 福尔奇（Marc Folche）和 其它研究人员研发出一种新型的基因调节工具， 使得特定意念的脑电波可以控制基因转化为蛋白 质的过程，也就是基因表达。这个科研小组是由 生物技术和生物工程学教授马丁· 佛森格( Martin Fussenegger)带领的，这项研究被发表在期刊 《自然通信》上。
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边界摩擦又称为边界润滑，是指当运动 副的摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开， 摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时 的摩擦。 润滑油中的脂肪酸是一种极性化合物， 其分子的一端带有强电荷的极性团，对金属 表面有垂直取向的特性，能牢固地吸附在金 属表面上。
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根据润滑膜厚度 鉴别润滑状态的办法 虽然是可靠的，但由 于测量上的困难，往 往不便采用。另外， 也可以用摩擦系数值 作为判断各种润滑状 态的依据。图3-5所示 的是摩擦系数的典型 值。
图3-5 摩擦系数的典型值
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3.2摩擦与磨损
摩擦系数定义为摩擦力与法向力的比值，即
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简单实例
(a)自行车链传动
(b) 链条
图3-1 自行车链条的磨损
图3-1所示的是自行车链传动， 在长期的使用过程中，链条的销 轴和套筒之间存在较大的压力并 相互转动，由于摩擦使链条铰链 磨损，从而造成链条节距增大， 易发生跳齿、脱链等现象。链条 节距增大，还使链条的总长度增 长，从而使链的松边垂度增大， 导致链与链轮的啮合情况恶化， 引起振动和噪声，最后导致链条 失效。摩擦磨损是开式链传动常 见的失效形式。
F Tmax fm N N
当物体发生运动后，摩擦系数会从最大静摩 擦系数降低到动摩擦系数。虽然动摩擦系数一般 也与工况条件有关，但为了简单起见通常假设它 是一个常数。
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运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的 逐渐丧失或迁移，即形成磨损 磨损量可用体积、重量或厚度来衡量，通 常把单位时间内材料的磨损量称为磨损率，用ε 表示。 磨损率是研究磨损的重要参数。耐磨性是 指磨损过程中材料抵抗脱落的能力，通常用磨 损率的倒数表示。
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3.1摩擦状态 当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相对滑动，或有相对滑动的 趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力， 这一自然现象称为摩擦，这时所产生的阻力称为 摩擦力。 摩擦状态与分类
内摩擦 发生在物质内部，阻碍分子间相对运动
外摩擦 在物体接触表面上产生的阻碍其相对运动
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1．黏附磨损 由于零件表面接触时，实际上只有少数凸 起的峰顶在接触，它们因受压力而产生弹塑性 变形，导致摩擦表面的吸附膜和脏污膜破坏， 同ห้องสมุดไป่ตู้因摩擦而产生高温，造成基体金属的“焊 接”现象，使接触峰顶牢固地黏附在一起。当 摩擦表面发生相对滑动时，材料从一个表面迁 移到另一个表面，便形成了黏附磨损。
磨损的过程
在一定的摩擦条件 下，一个零件的磨损 过程大致可分为三个 阶段，即磨合阶段、 稳定磨损阶段和剧烈 磨损阶段。图3-6所示 的是常见的磨损过程 曲线，它表示磨损量q 随时间t的变化关系。
图3-6 磨损过程曲线
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磨合阶段包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和 表面材料被加工硬化两个过程。
F f N
摩擦系数一般与摩擦副材质有关，通常 从试验中得到。
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摩擦系数
静摩擦系数 动摩擦系数
仅有相对滑动趋势时的摩擦称为静摩擦 相对滑动进行中的摩擦称为动摩擦
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一般静摩擦系数指的是最大静摩擦系 数fm，即当切向力T达到最大时，使物体产 生运动前的瞬间切向力Tmax与法向力N之比， 即
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虽然各种润滑状态所形成的润滑膜厚度 不同，但是单纯由润滑膜的厚度还不能准确 地判断润滑状态，尚需要与表面粗糙度进行 对比。 只有当润滑膜厚度足以超过两个表面的 粗糙峰高度时，才有可能完全避免峰点接触 而实现全膜流体润滑。
对于实际机械中的摩擦副，通常几种润 滑状态会同时存在，统称为混合润滑状态。
为了提高磨粒磨损的耐磨性，必须减小 微观切削作用，如降低磨粒对表面的作用力 并使载荷均匀分布、提高材料表面硬度、降 低表面粗糙度、增加润滑膜厚度，以及采用 防尘或过滤装置来保证摩擦表面清洁等。
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3．疲劳磨损 疲劳磨损是指由于摩擦表面材料微体积 在重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损。
例如，当做滚动或滚滑运动的高副受到反复作用 的接触应力（如滚动轴承运转或齿轮传动）时， 如果该应力超过材料相应的接触疲劳极限，就会 在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹， 随着裂纹的扩展与相互连接，就造成许多微粒从零件 工作表面上脱落下来，致使表面上出现许多月牙形浅 坑，从而形成疲劳磨损或疲劳点蚀。
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为了提高零件表面的疲劳寿命，除应合理选 择摩擦副材料外，还应注意以下几点。
（1）合理选择零件接触面的表面粗糙度。一般 情况下，表面粗糙度越小，疲劳寿命越长。 （2）合理选择润滑油的黏度。黏度低的润滑油 易渗入裂缝，加速裂缝扩展；黏度高的润滑油有利 于接触应力均匀分布，提高抗疲劳磨损的能力。在 润滑油中加入极压添加剂，可提高接触表面的抗疲 劳性能。 （3）合理选择零件接触面的硬度。以轴承钢为 例，当硬度为62HRC时，抗疲劳磨损的能力最高， 增加或降低表面硬度，寿命均有较大的降低。
特定意念的脑电波可以控制基因转化为蛋白质的过程
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摩擦状态
摩擦与磨损
润滑
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工程背景
据估计，全世界在工业方面约有30％的能量 消耗于摩擦过程中。磨损会使零件的表面形状和 尺寸遭到缓慢而连续的破坏，使机器的效率和可 靠性逐渐降低，从而丧失原有的工作性能，最终 导致零件的突然破坏。 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。 为了控制摩擦、减缓磨损、提高机械效率、保 证机器工作的可靠性，最有效的手段是在相对运 动的接触表面之间加入润滑剂，即润滑。
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当膜厚比 ≤1时，为边界摩擦（润滑）状态； 当 = 1～3时，为混合摩擦（润滑）状态； 当 > 3时，为流体摩擦（润滑）状态。混合摩 擦时，如果流体润滑膜的厚度增大，则表面轮廓峰 直接接触的数量就会减小，润滑膜的承载比例也随 之增加。
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当运动副的摩擦表面被流体膜隔开， 摩擦性质取决于流体内部分子间黏性阻力 时的摩擦称为流体摩擦，或称为流体润滑。 当摩擦面间的润滑膜厚度大到足以将 两个表面的轮廓峰完全隔开（即 > 3～4） 时，即形成了完全的流体摩擦。
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2．磨粒磨损 外部进入摩擦面之间的游离硬颗粒（如 空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬 的轮廓峰尖在较软材料表面上犁刨出很多沟 纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹的两 旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成 为新的游离颗粒，这样的微切削过程称为磨 粒磨损。
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设计者思维
作为工程师，就需要利用摩擦学的知识与技术，使所设 计的零部件有良好的摩擦学性能，以延长其工作寿命。 需要考虑的是机械零部件在哪些部位容易产生摩擦？ 摩擦状态分为哪几类？ 摩擦一定会产生磨损吗？ 磨损分为哪几类？ 有效降低磨损的方法有哪些？ 如何通过选择材料来降低磨损？ 如何确定和选用润滑方式？ 要如何来选择润滑油？
单分子膜吸附在金属表面上的模型如图3-3(a)所示，图 中○为极性原子团。这些单分子膜整齐地排列，很像一把 刷子。边界摩擦类似两把刷子间的摩擦，其模型如图3-3(b) 所示。边界膜按其形成的机理，分为吸附膜和反应膜。
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图3-4 化学反应膜
化学反应膜是当润滑剂中含有以原子形式存 在的硫、氯、磷时，在较高的温度（通常是150～ 200℃）下，这些元素与金属发生化学反应而生成 硫、氯、磷的化合物（如硫化铁）在油与金属界 面处形成的薄膜。
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为了减小黏附磨损，可采取以下措施 （1）合理选择配对材料。相同的金属互溶性 强，比不同的金属黏附倾向大；多相金属比单 相金属黏附倾向小；脆性材料比塑性材料的抗 黏附能力强；进行表面处理（如表面热处理、 电镀、喷涂等）可防止黏附磨损的发生。 （2）限制摩擦表面的温度，采取合适的散热 措施，防止油膜破裂及金属发生熔焊。 （3）采用含油性和极压添加剂的润滑油。 （4）控制表面压强。