摩擦学在机械设计中的应用

摩擦学在机械设计中的应用

【摘要】一般来说任何机械中都存在摩擦作用，摩擦学是研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术，并把在机械设计中正确运用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。当然，摩擦在机械中也并非总是有害的，如带传动、汽车及拖拉机的制动器等正是靠摩擦来工作的，这时还要进行增摩技术的研究。这种反方向的研究领域也属于摩擦学的学科范畴。

【关键词】摩擦学润滑机械设计

一、摩擦学简述

（一）概念

摩擦学是研究作相对运动的相互作用表面及其有关理论和实践的一门学科。由于在自然界中，任何物体接触表面的相对运动都会存在着摩擦，有摩擦必然会产生能量消耗或表面材料的磨损，而润滑则是降低摩擦，减少消耗和磨损的重要技术手段。

随着科技的发展和摩擦学研究的深入，摩擦学研究方法由以试验性为主拓宽到理论模型和计算机仿真；研究领域由宏观摩擦学拓宽到微观摩擦学；零件寿命研究由宏观失效分析拓宽到预测磨损寿命的摩擦学设计；磨损机理研究由微观分析拓宽到磨损表面信息融合技术。基于摩擦、磨损和润滑数据的摩擦学设计也逐步被工程界重视，并有效地推动了机器向高寿命和高可靠性的方向发展。摩擦学的研究内容日益体现出其与物理学、化学、数学、力学、材料科学和医学的交叉和与机械、测试、分析与表面技术等工程学科相融合的特色。

（二）发展

对摩擦学提出科学论断的第一位科学家是生活在意大利文艺复兴时代的达芬奇（Leonardo Da Vinci，1452~1519）。他在对机器的设计中，观察到摩擦的约束本质以及摩擦对螺旋千斤顶及齿轮结构的影响；他通过对处于水平和斜面上两物体的摩擦阻力的测量，认识到摩擦力取决于法向载荷二与名义接触面积无关，并定义摩擦系数是摩擦力与法向载荷之比，其比例系数为1/4，这一研究结果使他成为对摩擦力进行定量研究的第一人。

1699年，法国物理学家阿芒顿（Amontons）研究了两个平面之间的干摩擦之后，再次发现了上述摩擦理论。第一，阻止界面滑动的摩擦力与正压力成正比；第二，摩擦力的大小与接触面无关。这些发现后来被法国物理学家库仑（C.A.Coulomb,1736~1806）修正。法国科学家库仑（Coulomb）是首位对摩擦进行较为系统研究的科学家。他可能在材料科学，电工学和磁性学方面的知名度比他在摩擦学领域的高，但他在摩擦学领域的贡献（发现摩擦二项式定律）使他的名字与摩擦学紧紧相连，并使他成为18世纪摩擦学领域最具代表性的人物。

1880年在柏林的物理学学会上，赫兹（Hertz，1857~1894）被关于Newton 合金（一种含铋、铅、锡的易熔合金）环失效问题的讨论吸引了。他意识到该问题涉及接触应力和接触变形的关系，于是开展了弹性体间的接触和变形的研究，完成了摩擦与变形的理论计算。Hertz理论是摩擦学学科的重要基础理论之一，也是摩擦和磨损理论赖以发展的理论基础。从此，摩擦学理论向前跨越了一大

步。

（三）研究摩擦学的意义

我们知道生活中处处都存在摩擦，摩擦的存在对我们的生活有利有害。一方面在工业机械设计生产中对于由滑动和滚动表面构成的现代机械而言，摩擦学是非常重要的。利用摩擦的机械有制动阀门、离合器、车辆驱动轮、螺栓、螺母等。利用磨损的场合有铅笔写字、机加工、抛光等。不需要摩擦磨损的场合有内燃机、航天发动机、齿轮、凸轮、轴承、密封等。

而另一方面，由于缺乏摩擦学知识而每年造成的损失巨大；据统计，目前世界三分之一总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗。因此，从经济和可靠性角度看，减少摩擦和控制磨损的重要性不可低估。按照Jost的论述，通过摩擦学研究及其合理实践，将节约一个工业化国家1%的国民生产总值。近期研究表明，通过节约获取的利益相当于研发投入经费的50倍，这些节约不仅现实而且重要，他不需要要投入大量资金。研究摩擦学的目的是减少或消除表面摩擦磨损所造成的损失，提高生产效率，改善产品性能，减少零件失效，节约可观资源。

二、摩擦学在机械设计中的应用

（一）摩擦学在设计中涉及的因素

1．磨损问题

磨损过程相当复杂，关于它的研究现在还处于初始阶段，研究内容涉及实际接触面积、磨损机理、磨屑形成机理及各种参数对磨损的影响等问题。许多磨损机理和计算方法均带有很大的局限性，距离工程上的应用还有相当大的距离。因此，对磨损规律、磨损机理及磨损计算方法的研究，应当予以足够的重视。

2．润滑剂类型的选择

润滑剂影响摩擦副摩擦性能，其关键指标是黏度。在设计中，润滑剂的黏度要根据摩擦副的运动形式和工况参数来确定。并由黏度决定相应的润滑剂类型。当按运动形式选润滑剂时，滚动润滑选用高黏度的润滑脂，滑动润滑选用低黏度的润滑油；当按工况参数选润滑剂时，高速低载荷选用低黏度润滑油，低速高载荷选用高黏度的润滑油；此外，因为机械启动和停车时，机械的润滑状态要经历边界润滑阶段，因此，在润滑油选择时，润滑油的油性和极压性也应考虑，保证机械启动和停车时在边界状态下润滑条件良好。

3．润滑方式的确定

摩擦副常用的润滑方式有滴油、浴油、溅油、注油和喷油等几种。润滑方式的选择主要依据摩擦副的运动速度，当滑动速度大于12m/s时．一般选用注油和喷油润滑方式；当滑动速度在3～12m/s之间时，一般选用溅油和喷油润滑方式；当滑动速度低于3m/s时，一般选用浴油和滴油润滑方式。

4．新型润滑剂

新型润滑剂的应用20世纪50年代以来，各种合成润滑油有较大的发展。我国的各种润滑油、添加剂发展也很迅速，近几年来，自润滑材料的研究和应用发展很快，是十分有前途的润滑材料。为了生态环境的可持续性发展，绿色润滑油和添加剂是今后的发展方向

（二）摩擦学设计的一般准侧

1．表面形貌设计

表面形貌通常用摩擦副的表面粗糙度来表征。粗糙度是表面的微观不平状态即微凸体的高度及其分布的描述，它直接影响着摩擦副的实际接触面积、接触应力、接触变形类型、表面持油能力及磨粒的嵌入特性等。

表面形貌设计主要是表面粗糙度的设计，当表面过于光滑时，液体或气体润滑介质难以介入摩擦副之间，运动中导致摩擦副表面的氧化膜破裂而发生干摩擦，易于疲劳破坏或黏着拉脱；但是，当表面过于粗糙时，微凸体接触数量少，接触应力大，微凸体之间发生严重的弹塑性变形，相对滑动时，摩擦表面发生黏着磨损和表面剥离。所以，如果表面粗糙度设计得恰如其分，在摩擦副磨合后就能够得到适于工况条件的平衡粗糙度。

2．摩擦副表面层设计

一般设计准则在摩擦学设计中，摩擦副的耐磨层薄膜(包括单层连续梯度膜和多层梯度膜)通常有三种设计法则。①摩擦副若是粘着磨损为主，则采用互溶性孝化学活性强而抗剪切强度低的表面层，即用抗剪切强度正梯度法则设计。②摩擦副若是磨粒磨损为主，则采用非常硬的表面，如TiC，TiN及表面淬硬层等，即采用表面硬度负梯度法则设计。③摩擦副若是几种摩擦磨损过程混合的情况，即采用强度正梯度法则-硬度负梯度法则的复合梯度法则设计。

3．.状态监测及诊断

状态监测及故障诊断技术，是为了获得摩擦副运动状态的信息，进行机械系统故障诊断，信号传输的处理，分析等。目前可以分为功能性监测诊断技术、振动与噪声监测诊断技术和润滑油油液监测诊断技术。

三、结论

摩擦学设计具有优化性，摩擦学设计不只是局限于机械强度、摩擦磨损润精等方面的满足机械设计的要求，而且还涉及到机械系统的使用寿命和效率、加工精度和加工成本、材料成分结构及性能匹配、膜层表面性能及改性工艺技术等多方面的设计要求，其设计过程是一个多因索多方案的综合优化的过程．摩擦学设计具有系统性，它不仅仅是对于某一摩擦副元件的静态的、特定摩擦学性能的、单一孤立的设计，而是从摩擦学系统的观点出发，将特定的机械抽象为摩擦学系统，从机械运行的工况实际（多参数）、过程状态（时变性）、多知识综合（机械结构设计、材料设计、力学校核、摩擦与润滑等）等多方因素综合而进行的设计．

摩擦学设计更具科学性，设计的理论由传统的基予类比法、实验法的纯机械理论的设计逐渐过渡到综台运用强度设计理论、流体力学、弹性理论、流变学、材料科学、物理学、化学、数学及最优化设计方法等多理论、跨学科的综合设计方法。

参考文献

[1]刘佐民.摩擦学理论与设计.武汉理工大学出版社，2009

[2]刘力红.高青鹏.机械设计中的摩擦学设计.淮南：安徽理工大学，2013

[3]朱汉华.周劲南.刘正林.摩擦学设计准则及其应用实例89.

[4]百度文库及百科