机械系统中摩擦模型的研究进展

机械系统中摩擦模型的研究进展

作者：朱金秋

来源：《智富时代》2016年第04期

【摘要】社会经济的飞速发展，我国市场当中对机械系统的生产有了更高的要求，摩擦力在任何的机械系统当中都有存在，因此要想保证机械系统可以持久稳定的使用，那么必须选取有效的办法来消除或降低其摩擦对机械系统中摩擦力的影响，本文对机械系统当中存在的摩擦现象以及其摩擦的模型进行了简单的介绍，希望对机械系统的生产发展有所帮助。

【关键词】机械系统；摩擦模型；研究

引言

在我们生活当中摩擦力无处可见，摩擦力其存在有利的一方面，比如说在机械设备当中摩擦压力以及摩擦传动机等，这些都对我们的生活带来了方便，但是其也存在消极的方面就像在机械系统当中因为其摩擦对精密的机械系统带来损伤，所以对机械系统当中摩擦模型的研究非常重要。

一、摩擦现象介绍

摩擦的实质是一种作用力，主要作用于两个摩擦表面的切线方向上。摩擦的研究由来已久，至今已经有400多年的历史了，随着实验仪器和研究方法的发展以及各种摩擦模型的深入研究，摩擦特性的神秘面纱被慢慢的解开，与摩擦相关的因素被逐渐挖掘出来。下面就六种主要的摩擦现象进行简单的介绍。

（一）库伦摩擦

库伦摩擦也被称之为运动摩擦，主要指的是运动状态下的摩擦。库伦摩擦是日常生活中最为常见的摩擦现象也是最早被人们发现和研究的摩擦现象。库伦摩擦力的大小取决于法向载荷的大小，并与法向载荷呈线性关系，随着法向载荷的增加而增加。库伦摩擦力的方向与物体的运动方向相反，无论是库伦摩擦力的大小还是方向都与物体的速度大小无关。

（二）粘性摩擦

当两个物体之间存在粘性流体的时候，那么两个物体之间就存在着粘性摩擦。粘性摩擦主要是由于两个物体之间两个物体之间的粘性行为造成的。粘性摩擦力的大小与物体的速度呈正线性关系，且当物体的运动速度为0时，物体间的粘性摩擦力大小也为0，且粘性摩擦力的速度与物体的速度是相同的。

（三）Stribeck摩擦

Stribeck摩擦也被称之为Stribeck效应。Stribeck摩擦是针对物体低速区的摩擦行为提出的。Stribeck摩擦力属于一种稳态速度函数，在低速区随着物体速度的增加而降低，但是当物体的速度超过某一值时，Stribeck摩擦力的大小就会随着物体的增大而增大。

（四）静摩擦力

静摩擦力描述的是物体从静止到运动所需力的大小，它普遍的存在于物体之间。静摩擦力的大小却决于两个物体间的力，两个物体间力越大，那么静摩擦力就越大，反之越小。静摩擦力的大小不受物体间相对速度的影响，且静摩擦力的值大于库伦摩擦力的值。

（五）预滑动位移

静止的物体受外力作用时就有相对运动的趋势，当外力的值比最大静摩擦力小的时候，物体就会出现非常微小的位移，被称之为预滑动位移，也被成为Dahl效应。预滑动行为中摩擦力的大小与弹簧中拉力的大小有相似之处，力的大小与物体的位移有关。

（六）摩擦滞后

摩擦滞后描述的是一种物体间摩擦力的变化滞后于相对速度变化的现象，通常也被称之为摩擦记忆。在摩擦滞后中，摩擦力的大小与物体的运动速度形成了一个迟滞环。其中，物体增速时摩擦力的幅值要大于减速时摩擦力的幅值，且所形成迟滞环的宽度决定于物体速度的变化率。

二、摩擦模型

（一）库伦模型

研究工作人员通过大量的研究得出，在库伦模型当中摩擦力的大小将会伴随着法向荷载大小的变化而发生变化，不过和两个物体的运动方向之间存在着反比例的关系，但是和它们的运动速度的变化无关，库伦模型是产生较早的对摩擦现象进行描述的一种模型，其摩擦力的大小是通过速度的方向的计算函数来得到的，因此库伦模型在表达摩擦力方面在某种程度上受到了一定的限制，而且只有在两物体的运动速度大于零时才可以对其摩擦力进行描述，如果其速度就为零，其摩擦值将会发生变化。

（二）Dahl模型

Dahl模型中，当两个物体之间的摩擦力即将要达到最大值时，其物体之间的摩擦界面的接触极点和弹簧一样，将会出现欲滑动的现象。Dahl模型将这种现象用微分方程的方式进行描述，其主要目的是将摩擦力与位移之间的关系表现出来，这种模型是一种动态的模型，它的特点是具有连续性，可以弥补静态与动态切换的不连续，并且通过切向的柔顺性将预滑动时的

位移加入到其摩擦的模型当中，因此在机械系统当中此模型可以对其预滑动的位移进行描述，但是它不能描述静态摩擦力。

（三）鬃毛模型

鬃毛模型从微观的角度来对物体之间接触点的特性进行描述。如果在物体之间的接触面是弹性鬃毛接触，而且接触面上方物体的刚度小于下方物体，那么两个物体之间的运动将会使得鬃毛的弹性发生变化，这是就会产生摩擦力，当运动的速度增加时，其鬃毛也就会发生滑动的现象。鬃毛模型会捕捉其摩擦模型的随机特征，但是不能计算出其间的耗时问题，而且其间存在不连续性，只能花费大量时间进行积分运算来得出，所以其数值效果的表达不是很好。

（四）集成模型

集成模型就是通过将摩擦力在每个阶段的表现形式连接在一起，来对其摩擦的特性进行全面的描述，这是一种比较完善的模型结构，它将其它模型当中存在的问题都得到了合理的解决，很好地将摩擦得动静态的特征展现出来，实际上强硬的将摩擦的动静态的摩擦连接在一起，那就是将两个状态进行切换的问题，这种现象从物理学的角度分析是不正确得，其没有实际性的物理意义，因此在某种程度上阻碍了其运行，而且这项模型结构比较复杂，所以其实际的使用性很低。

（五）Lugre模型

Lugre这样模型就是将Dahl的模型进行扩展的得来得，它采用了鬃毛模型的设计思想，选择一微分方程就可以将摩擦力的动态和静态描述出来，这项模型也特别适合于摩擦力补偿的设计和应用当中，但是其有一缺点就是不能将摩擦模型的参数识别出来。

结语

总而言之，摩擦的存在是不可避免的，消除摩擦对机械系统产生的影响是不现实，如何有效的削弱摩擦力对机械系统的影响是当前热议的话题。本文通过对六种常见摩擦现象的介绍，并进一步的分析了五种模型，对摩擦模型的建立及研究起到了一定的帮助。

【参考文献】

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