3章摩擦

一、古典摩擦理论
2、分子吸引理论 表面越光滑，摩擦力越大。因为分子吸 引力在短距离内起作用，摩擦是由于接触界 面上的分子吸引力所引起。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。
一、古典摩擦理论
3、库仑摩擦定律 (1)摩擦力的方向与相对运动的方向相反，其大 小与接触物体间的法向作用力成正比，即： F= f N (2)摩擦力的大小与接触物体间的名义接触面积 无关。 (3)摩擦因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， 其摩擦因数为一常数。 (4)静摩擦因数大于动摩擦因数。
肖(M．C．Shaw)与迈克斯(E．F．Macks)认为摩 擦是粘着、犁削和表面粗糙度三种因素综合作用的 结果，即：
f H tan f p
η——材料的剪切强度； H——材料的硬度； θ——微凸体的斜角； fp——考虑犁沟效应的摩擦因数的分量。
三、影响滑动摩擦的因素
由于摩擦过程的复杂性，至今尚无十分完善 的理论能解释各种摩擦现象，而且对影响摩擦的 因素也还缺乏完全一致的认识。在此，仅介绍一 些主要的影响因素。
§3-2 滑动摩擦
一、古典摩擦理论 二、现代摩擦理论
三、影响滑动摩擦的因素
一、古典摩擦理论
1、机械咬合理论 这种理论认为，摩擦主要是由表面的凹 凸形状所造成的，即当两个表面接触时，其 凹凸部分互相咬合而形成摩擦。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。
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 材料内部而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，它使摩擦表面形成新的表面和磨粒。
2、变形-犁削-粘着理论
3)不论何种材料组合，初始的摩擦因数f 都等于0.1~0.2。 4)相同金属相互滑动时，其稳定状态的摩擦因数f 都大于较 软试件在较硬的静止物体上滑动时摩擦因数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，摩擦因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、 硬两个接触表面均被抛光；否则，不仅不会产生上述现象， 而且在摩擦表面上还会形成犁沟。
库仑摩擦定律可近似地应用于工程 实际，但还存在以下问题。
(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： F CN k 式中： C——常数； k——指数≈2/3~1。
库仑摩擦定律可近似地应用于工程 实际，但还存在以下问题。
(3)对于弹性材料或粘弹性材料和表面粗糙度很 小的硬表面，其摩擦因数随着名义接触面积的增 大而增加。 (4)多数材料的摩擦因数都会随滑动速度的增加 而降低，而且此规律还受到法向作用力变化的影 响。 (5)对粘弹性材料，在某种情况下，其动摩擦因 数大于静摩擦因数。
2)机理分析
③犁沟引起的摩擦 由于硬微凸体或硬磨粒嵌入到较软材料的基体 内，在相对运动时会产生犁沟作用，因此，其摩擦 因数主要取决于磨粒尺寸(或硬微凸体的尺寸)及其相 对硬度和嵌入软材料的深度。 犁沟还会使沟槽两侧形成山脊，而后者又不断 被压平、断裂，从而形成新的磨粒，见图。
可见，摩擦过程相当复杂，以上三种机理 可能是同时发生，也可能是先后发生。总之， 摩擦副的摩擦因数不仅仅是摩擦副材料的固有 特性，而且与其工况条件、材料组合、工作表 面状态以及环境等因素密切相关，并且随其不 同的发展阶段而异。
一、按照摩擦表面的润滑状态分类 二、按照摩擦副的运动形式分类
三、按照摩擦副的运动状态分类
四、按照摩擦副的摩擦特性分类
一、按照摩擦表面的润滑状态分类 1、干摩擦 这种摩擦也称无润滑摩擦。在工程上，它是指在摩 擦表面上没有任何润滑剂的一种摩擦。 例如：各种干式摩擦离合器片在挂合或摘开过程中 产生的摩擦；制动器摩擦接触表面之间的摩擦等。 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。 例如：发动机中的汽缸与活塞环、凸轮与挺杆以及 机床导轨和蜗杆传动中产生的摩擦都属于这一种类型。
1、材料本身的性质
对于一般材料，摩擦力随硬度的增加而 减小，因硬金属的塑性变形的能力较小，其 粘着能力也随之减小。相同金属或互溶性大 的金属组成的摩擦副易发生粘着，因而其摩 擦因数较大。
2、载荷 古典摩擦理论认为摩擦因数与载荷无 关，实际上，载荷对摩擦因数的影响与实际 接触面积有关。
2、载荷 （1）金属对金属 的摩擦 摩擦因数随载荷 的增加而减小，并 逐渐趋于稳定。 ∵随载荷↑，实 际接触面积↑，但 速度较慢； ∴摩擦因数↓。
2、变形-犁削-粘着理论
第Ⅱ阶段：表面膜破坏，此时，粘着起主要 作用，摩擦因数开始上升，如果在两个滑动表面之 间存在磨粒，则磨粒产生的犁沟作用会使摩擦因数 上升得更快。
2、变形-犁削-粘着理论
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，这两者 综合作用的结果，使摩擦因数急剧上升。
四、按照摩擦副的摩擦特性分类 1、减摩摩擦 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 通过增加摩擦以实现特定的功能，或达到特 定的工作要求，如刹车副增加摩擦可以更好地吸 收动能。
以上各种分类所涉及到的摩擦都是发生在物体 外部，也即发生在相对运动的物体之间的界面上的 各种摩擦，因而可统称为外摩擦。 物体(包括固体、液体和气体)内部物质中的分 子运动，由于某种原因(如固体受到冲击、振动、 变形，液体内部产生相对滑动，气体的体积发生变 化等)会产生内能消散或能量转换，这种现象称为 内摩擦。对于固体，其内摩擦一般表现为迟滞；对 于流体，其内摩擦则往往以黏度的形式表现出来。 本章主要介绍滑动摩擦和滚动摩擦这两种类型 的干摩擦。
2、变形-犁削-粘着理论
(2)摩擦机理 1)摩擦因数的变化过程 摩擦因数的变化过程一般可分为以下六个阶段：
2、变形-犁削-粘着理论
第Ⅰ阶段：表面污染，形成污染膜，此时粘着 并不严重，对摩擦因数影响不大。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，它对摩擦因数的影响也不大。 因此，在此阶段，摩擦因数主要受到微凸体在其对 偶面上犁沟作用的影响。
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，摩擦因数f 趋于平稳。
2、变形-犁削-粘着理论
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 不会出现第V、第Ⅵ两个阶段。
（3）机理分析
①微凸体变形引起的摩擦 两个微凸体的接触界面，要使这两个表面发 生相对滑动，微凸体必须变形，使其位移与滑动 方向一致。 ②粘着引起的摩擦 它主要取决于接触界面处的粘着强度与较软 材料的剪切强度之比。
2、变形-犁削-粘着理论
1)摩擦因数f 随滑动距离d而变化。 其变化规律如图 (a)所示，但如果较软的试件在较硬的静 止的物体上滑动时，则其摩擦因数f 达到最大值之后会有所下 降，然后才达到稳定值，见图 (b)。
2、变形-犁削-粘着理论
2)把磨粒从滑动界面上清扫后，摩擦因数f 会显著下降，然 后又逐渐回升到稳定值。
2、载荷 （2）高分子材料对钢 的摩擦 在低速（0.01cm/s） 时,与金属对金属类似； 在高速时,由于摩擦 热产生，则完全不同。
3、滑动速度
古典摩擦理论认为摩擦因数与滑动速度无 关，实际上，摩擦因数随滑动速度变化规律非 常复杂，缺乏一致认识。
3、滑动速度
波切特研究机车车辆的制动摩擦，得到金 属摩擦副的摩擦因数随滑动速度增加而减小的 理论，即：
能量平衡理论的要点如下：
(2)在一定条件下，摩擦过程会发生摩擦能量的转 化(转化为热能、机械能、化学能、电能和电磁能等) 以及摩擦副的材料和形状的变化。
能量平衡理论的要点如下：
(3)可借助摩擦力所作的功(摩擦功)来表示摩擦过 程的能量平衡。 在一般情况下，摩擦功Wf 的大部分转化为热能Q， 以热的形式消散，小部分(约9％~16％)则以内能ΔE的 形式储存于表面层。即：Wf = Q+ΔE 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
二、现代摩擦理论
古典摩擦理论的局限性促使人们进一步深化 对摩擦机理的研究。进入20世纪以来，出现了不 少新的摩擦理论，其中有代表性的是： 表面能量理论 能量平衡理论 变形-犁削-粘着理论 下面主要介绍后面两种摩擦理论。
1、能量平衡理论
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。
二、按照摩擦副的运动形式分类 1、滑动摩擦 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都属于 滑动摩擦。 2、滚动摩擦 各种滚动轴承中产生的摩擦称为滚动摩擦。
三、按照摩擦副的运动状态分类
1、静摩擦 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 指物体已经产生相对运动后的一种摩擦状态。动摩擦因数 一般小于静摩擦因数。 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。
一、按照摩擦表面的润滑状态分类