机械设计 - 摩擦磨损和润滑

Harbin Institute of Technology, 2010
3) 流体静压润滑
用油泵将润滑油经过节流器以所需要压力注入被润 滑表面的油室,再由油室的封油边流回油箱。
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4 混合摩擦
当动压润滑条件不完全具备，且有的边界膜遭破坏时， 就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象， 这种摩擦状态称为混合摩擦。
3 流体摩擦
当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，摩 擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子层间的粘剪 阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体摩擦。属于内摩擦。 特点： f 最小， f = 0.001~0.01； 金属表面无磨损。
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1
1
3 齿轮传动
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4 蜗杆传动 蜗杆传动的效率：
1 2 3
5 滚动轴承
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本章主要内容
1. 摩擦
2. 磨损
3. 润滑 4. 补充知识
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阿孟顿的研究
图中D为一螺旋弹簧，C是一弹簧片，用来施加压力。从 弹簧D的伸长，可以计算出作水平运动所需的力。
欧拉（L.Euler，1707-1783）在1750年用数学形式表示 阿孟顿的实验结果，即：F=f· N。这个公式人们通常称之 为库仑摩擦定律。因为对摩擦现象进行系统实验研究的是 库仑。
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原子力显微镜和扫描隧道显微镜
由德国人G.Binnig(1947-)和瑞士人H.Roher(1933-)1981年发明，根据量子力学 原理中的隧道效应而设计。两人因此获得1986年 诺贝尔奖。
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库仑的研究
1781年，法国科学院悬奖竞赛，题目中有一个是关于摩擦定律和绳索 的牢固性问题。库仑当时是皇家工程部的高级军官，以其论文：《简单 机械的理论》赢得了该奖。 库仑采用的滑动摩擦实验装置：实验桌长约250厘米，上面嵌有两块平 行木板AB与A′B′，各长360厘米，宽20厘米，相隔7.5厘米。在嵌板的左 端BB′安装有直径30厘米的滑轮h，滑轮上挂着载有砝码的盘子P，P下 面挖了一个深120厘米的洞穴，为的是避免在测动摩擦时砝码盘降落下 来碰到地板。嵌板右端AA′上装有带杠杆的轴，用来收卷绳索。每次实 验，都事先用杠杆将重物拉回原处。重物有300公斤重，无法靠手来挪 动位置。
5）腐蚀磨损（电化学作用）
• 形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用或电 化学作用。 • 现象：表面腐蚀并磨损。 • 影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。
此外还有微动磨损
• 形成：小振幅、大频率、点或线接触。 • 现象：磨损面积小。 影响因素：载荷。
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摩擦学的发展历史 摩擦学 Tribology
最早出现在1966年，来源于古希腊语 tribos 摩擦学是分析和解决装备中磨损、可靠性和维修的一 门科学。 国际摩擦学理事会 (International Tribology Council)， 各国摩擦学学术团体联合组成的国际性学术组织，缩 写ITC。1973年成立。现有35个会员国，中国机械工 程学会代表中国参加。总部设在英国伦敦。
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2 边界摩擦
两表面加入润滑剂后，在金属表面会形成一层边界 膜（物理吸附膜或者化学反应膜）。 特点： 油膜较薄，在载荷的作用下，两金属表面微观的凸峰 互相接触，横向剪切力比较弱。
油性分子吸附在表面
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1 干摩擦
不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产
生的摩擦称为干摩擦 (如真空中)。
特点：f 最大；摩擦功耗大；磨损严重。
古典摩擦理论：
Ff fFn
现在的观点：
Ff F分子 F机械 Ar Fn
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2）弹性流体动压润滑
考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的 影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑，简称为弹流润滑。 两表面的距离称为平均油膜厚度。接触区的出口处 油膜变薄,这种现象称为“颈缩”,此处两表面距离称为最 小油膜厚度。
实现流体摩擦必须具备一定的条件。分述如下: 1)流体动压润滑
所需条件：楔形空间，足够速度，粘性流体
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应用实例：
硬盘驱动器
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air bearing
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德萨居利斯在1734年出版的《实验物理学教程》一书中，把产生 摩擦力的原因归为摩擦表面的分子力的作用，并由此推断，摩擦表面 愈是光滑，摩擦力应该愈大。这一观念导致了润滑减小摩擦的研究， 对机械设计起着重要的指导作用。
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薄膜摩擦
它介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几纳米， 在现代精密机械系统(Ra很小)或MEMS中普遍存在，称为薄 膜摩擦。
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二、磨损
• 磨损：运动副表面材料不断损失 • 磨损率: 单位时间内材料的磨损体积或质量
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摩擦、磨损、润滑和密封失效是现代机械系统的 主要失效原因。 • 消极影响：
消耗能源； 破坏精度（包括磨损和爬行）； 增大噪声
• 积极作用：驱动(摩擦轮、无级变速）
缓冲，如宇航员座椅； 自锁，如钉子等
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1 磨损过程（三阶段）:
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2 磨损分类：根据磨损机理可分为 1）粘着磨损 • 形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破 坏，表面尖峰接触。 • 现象：形成材料转移。
• 影响因素：材料硬度，表面结构的粗糙度，载 荷、速度、温度，不同材料配副。
机械设计
摩擦、磨损和润滑 基本知识
哈尔滨工业大学 机电学院机械设计系 敖宏瑞 2010年秋季学期
机械零件设计中常见的摩擦和磨损
1 螺纹连接
自锁条件：

2 带传动 最大有效圆周力：
Fmax e f 1 2 F0 1 1 f 1 e
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一、摩擦
摩 擦
内摩擦 流体内部产 生的粘剪力
外摩擦 存在于两物 体表面之间
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• 按照两表面的润滑状况，摩擦分为： 1）干摩擦----无润滑状态
2）边界摩擦——边界润滑状态
3）流体摩擦——流体润滑状态
4）混合摩擦——混合润滑状态
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2）磨粒磨损/磨削 • 形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。 • 现象：表面划伤或犁沟现象。
• 影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。
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3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀） • 形成：接触应力反复作用。如轴承、齿轮中。 • 现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。
扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope， STM)
工作原理： 当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重 叠，外加一电压（2mV~2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子 逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系，当 探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针 与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电 流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。 扫 描 隧 道 显 微 镜 的 分 辨 率 很 高 ， 横 向 为 0.1~0.2nm ， 纵 向 可 达 0.001nm。它的优点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察， 而普通电镜只能观察制作好的固体标本。
19世纪的研究
英国的工程师雷尼（George Rennie）。他对各种材料之间的滑动摩擦 进行了大量研究。图示是他用过的实验装置，他在1829年指出，需要 建立一个更普遍的理论，把各种表面的弯曲和断面考虑在内。他最先 解释了润滑剂的作用，解释润滑剂填充了表面之间的不规则性，同时 使之更为光滑。他还注意到当压力超过某一数值时，摩擦系数迅速增 大。这表明，库仑摩擦定律的成立是有条件的，也说明，在摩擦过程 中应该考虑凸凹受到破坏这一情况。也就是说，摩擦和磨损是同时发 生的现象。
钙基脂、钠基 脂、锂基脂、 铝基脂、其 它润滑脂
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1 润滑油 • 分类：
有机油（动植物油)、矿物油（石油产品）和化学合成油
• 润滑油的理化性能指标 1）润滑油的粘度
粘度的物理意义： 反映了润滑油在外力作用下抵 抗剪切变形的能力，也是内摩擦力 大小的标志。
Leabharlann Baidu
Cycle Diagram
粘着 磨损 腐蚀 磨损 冲蚀 磨损
磨粒 磨损
磨损
疲劳 磨损
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三、润滑剂
润滑剂
润滑油
有机油（动 植物油)、 矿物油（石 油产品）、 化学合成油
润滑脂
固体添加剂
油性添加剂、抗 磨剂、防锈剂、 降凝剂、纳米 添加剂，等
• 影响因素：表面硬度、表面结构的粗糙度，润滑 油粘度。
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4）冲蚀磨损 • 形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法 向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。
• 现象：表面疲劳，材料损失。
• 影响因素：材料硬度
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摩擦学的发展历史
人们了解摩擦学的相关知识要早于历史记录时间
钻木取火
碾谷物的石辊使用的轴承 古代的战车
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摩擦学的发展历史 达芬奇
最早提出了摩擦因数的概念，认为摩擦因数是摩擦力与 正压力之比。
库仑研究滚动摩擦的装置
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采用数学模型对摩擦进行研究
1737年，贝利多（B.F. de Belidor）用一个 一个半球接成的模型(如图)当作摩擦面， 验证了凸凹说，可以说，这是用模型对摩 擦进行研究的最早尝试。
英国物理学家德萨居利斯（J.T.Desaguliers）提 出的粘合说。 他在1724年向英国皇家学会作的报告中明确地 把摩擦面之间的阻力归因于粘合力的产生。他介 绍了他曾经用两个铅球（分别重1英磅和2英磅） 做的实验：两个铅球都切去直径约1／4英寸的球 缺，用手再将两个切面对接，边捻边用力压，使 两个铅球的断面互相贴紧，粘合在一起，