摩擦学设计

摩擦学设计是以摩擦、磨损及润滑理论为基础，从系统工程观点 出发，通过一系列计算与经验类比分析，来预测并排除可能发生的故 障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的摩擦、损耗和经济的稳 定磨损率。
摩擦学设计是机械设备零件设计经历了运动设计与强度设计以后 的第三阶段设计，它涉及到流体力学、固体力学、流变学、数学、材 料科学、物理和化学等内容。
两个物体之间的摩擦力与其法向压力之比值，称为摩擦系数。
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。
外摩擦与内摩擦的不同特征在于内部运动状况。 内摩擦时流体相邻质点的运动速度是连续变化的，具有一定的 速度梯度；而外摩擦是在滑动面上发生速度突变。 此外，内摩擦力与相对滑动速度成正比，当滑动速度为零时内 摩擦力也就消失；而外摩擦力与滑动速度的关系随工况条件变化， 当滑动速度消失后仍有静摩擦力存在。
1. 摩擦的定义
两个相互接触的物体在外力作用下作相对运动时其接触表面之间 的切向阻抗现象，叫做摩擦。其阻力叫做摩擦力。
这种摩擦与两个物体接触部分的表面相互作用有关，而与物体内 部状态无关，所以又称为外摩擦。液体或者气体中各部分之间相对移 动而发生的摩擦，称为内摩擦。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或 其它表面膜之间的摩擦，也属于外摩擦。
11.2 金属表面的摩擦和磨损
11.2.1 金属表面特性
机械设备的工作表面大多都是采用金属制作的。而摩擦学研究 的对象是作相对运动、相互作用的表面，所以了解金属表面的特性 是解决摩擦学问题的基础知识之一。
金属表面的特性，主要包括金属表面的形貌、表面的结构组成 以及表面的接触。
1. 金属表面形貌
图11-1 表面形貌及其特性
以上对摩擦的定义，确切地指出了摩擦的实质。显然，两接触 表面有相对运动或相对运动的趋势，必然就有摩擦现象，其量值可 以用摩擦力或摩擦系数反映，而摩擦力始终与相对运动的方向相反。
2. 摩擦的分类
摩擦可以按以下不同的方式来分类。
1)按摩擦副的运动状态分类
按摩擦副的运动状态分类，摩擦可分为：静摩擦和动摩擦。 (1)静摩擦：两个物体作宏观位移前的微观位移时其接触表面之间 的外摩擦。其摩擦力称静摩擦力。 静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。当外力大到克服了 最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。最大静摩擦力是物体产生宏 观位移前的摩擦力极限。 (2)动摩擦：两个物体作相对运动时接触表面之间的外摩擦。其阻 碍物体运动的切向力叫动摩擦力。 动摩擦力通常小于静摩擦力。
(1)金属材料的性质（材料互溶性，材料的金相分子结构等）； (2)法向载荷； (3)表面的滑动速度； (4)环境及表面间的温度； (5)表面的粗糙度； (6)表面膜等。 因此，在研究分析具体摩擦现象及问题时，应给于全面考虑。
11.2.3 磨损
1. 磨损的定义及其表示方法
相互接触物体的表面相对运动过程中，表层物质发生不断损失的 现象称为磨损，表现为物体尺寸和(或)形状的变化。
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。
(2)分子作用理论 这种理论认为，摩擦是起因于两摩擦表面上分子间的作用力， 是由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附在一起而产生阻抗 现象。
半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。 半流体摩擦是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。
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。
本章主要介绍了如下方面内容： ➢ 摩擦学的概念及摩擦学设计内容 ➢ 金属表面的摩擦和磨损 ➢ 摩擦学设计中的减摩和耐磨材料的选择 ➢ 润滑和润滑系统设计 ➢ 摩擦学系统的监测与诊断技术
11.1 摩擦学设计概述
摩擦学（Tribology）是近40 年来发展起来的一门新的边缘学科。 它是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，是研究相互接触的摩擦表 面之间的摩擦和磨损的有关科学和技术的一门学科。 摩擦是现象，磨损是摩擦的结果，润滑是降低摩擦、减少磨损的重 要措施。因此，摩擦、磨损与润滑三者有着十分密切的关系。
流体摩擦时，摩擦是发生在流体内部。 (3)边界摩擦：是指摩擦表面间有一层极薄的吸附润滑膜存在时的 摩擦，这层膜叫边界润滑膜，其厚度大约为0.01μm或更薄。这时摩擦 取决于润滑膜的特性如表面特性。
(4)混合摩擦：是指介于上述三种摩擦之间的摩擦。这种类型的摩 擦是属于过渡状态的摩擦，如半干摩擦和半流体摩擦。
(4) 粘着理论 粘着理论和分子机械理论相比较，二者都考虑了表面微凸峰间的 啮合力，但粘着摩擦理认为这种啮合力是由微凸峰受载后的塑性变形 所产生，同时，还考虑了微凸峰在接触以后产生粘结，如果被外力所 剪切而分离时，还必须克服微凸峰间相互位移所需的切向力。由于粘 着结点具有很强的粘着力，当两表面作相对滑动时，粘着点被切断， 当一表面比另一表面硬时，则硬的微凸体顶峰还将较软的表面上拉划 出犁沟，这时，摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和，即剪 切这些粘着点的力和拉划出犁沟的力之和就是摩擦力。
(3)滚－滑摩擦：指两个接触物体之间的动摩擦，其接触表面上同 时发生滚动和滑动运动时的摩擦。
3)按摩擦副表面的润滑状态分类
按摩擦副表面的润滑状态分类，摩擦可分为：干摩擦、液体摩 擦、边界摩擦和混合摩擦等。
(1)干摩擦（无润滑摩擦）：在大气条件下，摩擦表面间名义上没 有润滑剂存在时的摩擦。
(2)液体摩擦：指相对运动的两物体表面完全被一层流体所隔开的 摩擦。这时的摩擦取决于流体的粘度。流体可是液体或气体。当为液 体时称液体摩擦；为气体时称气体摩擦。
定理来说明这种理论，即
摩擦力：
F Ar W
摩擦系数： f Ar /W
（11-1） （11-2）
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。
摩擦力： 摩擦系数：
F
A b
W
b S
f F b W s
（11-4） （11-5）
式中，τb
为较软材料的剪切强度极限；σs
压屈服极限；W
为外载荷。
为较软材料的抗
4. 影响摩擦的因素
研究摩擦的根本目的在于弄清摩擦的机理，以便控制摩擦过程和 降低摩擦损耗。影响摩擦的因素是多方面的，目较普遍的认识认为有 以下几个主要方面：
2. 金属的表层结构
图11-2 金属零件表层的一般结构
3. 金属表面的接触
如图11-3所示。接触 面积可分为如下 3 种：
(1)名义接触面积An An=a×b ， 即 接 触 表 面的宏观面积，由接触物 体的外部尺寸决定。
(2)轮廓接触面积AP 即金属表面弹性变形
部分所形成的接触面积总
和，AP的大小与表面所承 受的载荷有关，通常，
(3)磨损度：指磨损量与发生磨损所经过的规定距离或所作的功 之比值。
(4)耐磨性：用以表示材料抵抗磨损的性能。它以规定的摩擦条 件下的磨损率的倒数来表示。
2. 磨损的类型
磨损的分类方法很多，为了对磨损现象能够深入地理解和研究， 现代机械工程常按摩擦表面破坏的机理和特性对磨损进行分类。为此， 一般可将磨损分为如下五类：
按上述粘着理论得出的摩擦力 F 为
F T Pe Ar b Spe
（11-3）
Fra Baidu bibliotek
式中，T
剪切力，T＝Ar ；Pe
犁沟力，Pe = S pe；其中，Ar
为粘着面积即实际接触面积；τb 粘着点的剪切强度；S
犁沟面积；；pe
单位面积的犁沟力。
对于金属摩擦副，通常Pe 的数值远小于 T 值。粘着理论认为粘着 效应是产生摩擦力的主要原因。如果忽略犁沟效应，式(11-3)变为
图11-3 表面接触面积
AP≈An(5~15)％。
(3)实际接触面积Ar
即轮廓接触面积AP内各真实接触部分的微小面积的总和。
11.2.2 摩擦
两上物体表面相互接触或相对运动时，就会发生摩擦。因此，摩 擦是自然界普遍存在的一种现象。
人类对摩擦最早的应用就是“摩擦起火”。近代工业的摩擦轮传 动、各种车辆和飞机的制动器、摩擦切削等都是利用摩擦为人类服务 的例子。但在大多数情况下，摩擦是有害的，它造成能量的损耗和机 件材料的磨损。据统计，世界上能源有1/2~1/3以各种形式消耗于摩擦。
任何机器的运转都依赖其零件副的相对运动来实现。而零件的相对 运动必然会产生摩擦和磨损。
为了减少摩擦或降低磨损，最有效的手段是采用润滑。因此，解 决摩擦、磨损和润滑问题就成为机械及大多数技术部门最普遍和最重 要的问题之一。
摩擦学问世于1966年，它是世界上近几十年中发展最快的学科之 一，这主要是由于摩擦学的研究对于国民经济具有十分重要的意义。
根据分子作用理论似得出这样的结论，即表面越粗糙实际接触 面积越小，因而摩擦系数应越小。因而，摩擦分子理论能解释一些 摩擦机械理论不能解释的现象，但是对实际粗糙表面，又与实际不 符。
(3)分子―机械理论
这种理论认为，摩擦过程中有表面微凸峰间的机械啮合力和摩
擦表面分子相互吸引力这两个方面的阻力。因此，可用二项式摩擦
第11章 摩擦学设计(1)
Ⅺ Tribology Design
第11章 摩擦学设计
内容简介
摩擦学（Tribology）是近 40 年来发展起来的一门新的边缘学 科。它是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，是研究相互接触的摩 擦表面之间的摩擦和磨损的有关科学和技术的一门学科。
由于在机械产品及其零部件的设计中，需要应用和处理大量的 摩擦学问题，因而也就诞生了摩擦学设计。
由于全世界约有 1/2 ~ 1/3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩 擦导致磨损是机械设备失效的主要原因，大约有80％的损坏零件是由 于各种形式的磨损引起的。
由于摩擦学对于工农业生产和人民生活的巨大影响，因而自这门 学科与1966年一经提出，就迅速引起世界各国的普遍重视，成为近40 多年来迅速发展的技术学科，并日益得到广泛的应用。
为了说明材料磨损程度和耐磨性能，需要用定量方法表征磨损 现象。通常采用下述几种指标。
(1)磨损量：指以尺寸、体积或重量的减少量来表示的磨损过程 结果的量。通常可用线磨损量、体积磨损量、重量磨损量来表示。 磨损量是评定材料耐磨性能，控制产品质量和研究摩擦磨损机理的 重要指标之一。
(2)磨损率：是指磨损量对产生磨损的行程或时间之比值。它可 用三种方式表示，即单位滑动距离的材料磨损量；单位时间的材料 磨损量；每转或每一往复行程的材料磨损量。
2)按摩擦副的运动形式分类
按摩擦副的运动形式分类，摩擦可分为：滑动摩擦、滚动摩擦和 滑-滚摩擦。
(1)滑动摩擦：指两个接触物体之间的动摩擦，其接触表面上切向 速度的大小和（或）方向不同。也就是两表面发生相对滑动运动时的 动摩擦。
(2)滚动摩擦：在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦。也 就是两表面发生纯滚动运动时的动摩擦。滚动摩擦时，其接触表面上 至少有一点切向速度的大小和方向均相同。
● 粘着磨损 ● 磨料磨损 ● 表面疲劳磨损 ● 腐蚀磨损 ● 微动磨损 这五类磨损的机理及特点见表11-2。
表11-2 五种基本磨损类型
类型 粘着 磨损 磨料 磨损
摩擦学设计的基本内容主要包括如下三方面：
(1)摩擦副设计。
它包括摩擦副的类型选择、结构设计和材料选择等；
(2)润滑系统设计。
它包括润滑剂和润滑方法的选择、润滑系统的设计等；
(3)状态监测及故障诊断系统设计。
为了获得摩擦副当前运动状态的信息，并进行机械故障诊断，包 括温度、振动传感器、油液监测器的设计或选用；信号传输的处理、 分析等。