第11章 摩擦学设计-2.
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汽车设计中的摩擦学设计
通过近年来发展起来的ABS技术中的电子控制系统调节制动器制动力， 防止车轮抱死打滑，使车轮保持既制动又滚动的技术状态。试验研究表明， 滑移率在20％时车轮与地面的摩阻系数最大，根据这一原理设计的ABS可使 车辆方向仍然处于受控状态。
防抱死制动系统（ABS）
防抱死制动系统（ABS）
车速 速 度
轮速
轴承宽度
不同轴承宽度下的功损
轴承宽度决定了轴承摩擦面积。图为轴承宽度对轴承摩擦功损的影响。 其中：PB为连杆大头轴承；MB为主轴承。 由图可以看出，轴承功损与轴承宽度成正比。通常对于径向轴承，在完 全液力动力润滑条件下可以认为油膜的包角是一定的。径向轴承的摩擦面积 正比于轴承宽度。因此，减小轴承宽度可以减小轴承功损。但是，过小的轴 承宽度会导致轴承比压过高。因此，在设计轴承宽度时，必须以保证轴承比 压为前提。
胎面磨损
胎面磨损是一个复杂的物理—化学过程 胎面的弹性滑移 产生热和摩擦静电 生成橡胶氧化裂纹 裂纹扩展 胎面磨损 胎面磨损的研究内容： ① 橡胶磨损机理 ② 轮胎结构和操纵（速度、转弯、制动）激烈程度的影响 ③ 对胎面磨损随行程的增加以回归函数的形式进行描述 ④ 车轮的安装角度对轮胎的摩擦和磨损的影响。 由于磨损过程极为复杂，因此到目前为止还不能对轮胎在实际行驶条件 下的磨损率作出令人满意的预测。可以肯定，驾驶员的正确操纵对降低轮胎 磨损有重要影响。
气门阀与气门阀座
气门阀与气门阀座系统是内燃机工作条件十分恶劣的摩擦副，它一方面 在气门不断开启和关闭过程中受到冲击载荷的作用，是冲击磨损的典型实 例；另一方面，排气阀头部和阀座承受着炽热废气的高速冲刷（废气温度可 达600—800℃），气门阀的工作表面经受疲劳磨损、粘着磨损、腐蚀磨损以 及高温气流中未燃尽粒子的冲蚀磨损等的作用。这些恶劣的工作条件可能使 气门阀的密封性遭到破坏，严重的将影响发动机的正常工作。所以对气门阀 与气门阀座之间的匹配设计也是汽车摩擦学的一个重要内容。
防抱死制动系统（ABS）
防抱死制动系统（ABS）
车速 速 度
轮速
轴承宽度
不同轴承宽度下的功损
轴承宽度决定了轴承摩擦面积。图为轴承宽度对轴承摩擦功损的影响。 其中：PB为连杆大头轴承；MB为主轴承。 由图可以看出，轴承功损与轴承宽度成正比。通常对于径向轴承，在完 全液力动力润滑条件下可以认为油膜的包角是一定的。径向轴承的摩擦面积 正比于轴承宽度。因此，减小轴承宽度可以减小轴承功损。但是，过小的轴 承宽度会导致轴承比压过高。因此，在设计轴承宽度时，必须以保证轴承比 压为前提。
胎面磨损
胎面磨损是一个复杂的物理—化学过程 胎面的弹性滑移 产生热和摩擦静电 生成橡胶氧化裂纹 裂纹扩展 胎面磨损 胎面磨损的研究内容： ① 橡胶磨损机理 ② 轮胎结构和操纵（速度、转弯、制动）激烈程度的影响 ③ 对胎面磨损随行程的增加以回归函数的形式进行描述 ④ 车轮的安装角度对轮胎的摩擦和磨损的影响。 由于磨损过程极为复杂，因此到目前为止还不能对轮胎在实际行驶条件 下的磨损率作出令人满意的预测。可以肯定，驾驶员的正确操纵对降低轮胎 磨损有重要影响。
气门阀与气门阀座
气门阀与气门阀座系统是内燃机工作条件十分恶劣的摩擦副，它一方面 在气门不断开启和关闭过程中受到冲击载荷的作用，是冲击磨损的典型实 例；另一方面，排气阀头部和阀座承受着炽热废气的高速冲刷（废气温度可 达600—800℃），气门阀的工作表面经受疲劳磨损、粘着磨损、腐蚀磨损以 及高温气流中未燃尽粒子的冲蚀磨损等的作用。这些恶劣的工作条件可能使 气门阀的密封性遭到破坏，严重的将影响发动机的正常工作。所以对气门阀 与气门阀座之间的匹配设计也是汽车摩擦学的一个重要内容。
初中物理：摩擦力教学设计
摩擦力教学目标1、知识与技能知道滑动摩擦力和接触面粗糙程度、接触面之间压力大小的关系；知道增大和减小摩擦的方法，并能在日常生活中应用这些知识；进一步熟悉弹簧测力计的使用方法。
2、过程与方法经历探究滑动摩擦力与压力、接触面粗糙程度关系的过程，体会怎样进行科学的猜想，理解在研究多因素问题中怎样运用“变量控制”的方法。
3、情感态度与价值观培养学生实事求地是进行实验的科学态度和科学精神。
与老教材的课程目标相比，它更注重对学生探究能力、创新精神的培养，更注重让学生主动获取知识。
教材的重难点本节教材的重难点是引导学生进行探究。
对于教材中的知识点，学生大都能理解和掌握，但更重要的是让学生在探究能力培养和探究过程体验方面，通过对影响滑动摩擦力大小的各种因素的实验探究，突出“猜想与假设”这个环节，同时认识在探究过程中“变量控制”的意义和方法。
教学设计思路为了加强这节课的探究性，体现课改精神，这节课我主要安排学生分组进行探究实验。
将全班分为三个大组，分别探究影响滑动摩擦力的其中一个因素。
教具对于每个实验小组，准备了相同的器材：一个弹簧测力计、一个木块、一块木板、一块玻璃板、一条毛巾、两个钩码。
这样做的目的是为了让学生自己根据实验的要求选择实验器材。
教学过程1、引入新课在生活中，初二学生对摩擦有感性认识，只是还没有从物理学角度对它有一个科学的认识。
为了贴近学生，一上课我就开门见山地问学生：“同学们知道摩擦吗？”待学生回答后，我又继续问：“既然大家都知道摩擦力的存在，那你们能不能举一些生活中摩擦力存在的例子呢？”然后让学生思考回答。
2、进行新课（1）介绍摩擦的分类及滑动摩擦力的概念由于教材中不仅研究了滑动摩擦，也提到了滚动摩擦，所以我在学生举例后，向学生简单介绍了摩擦的分类：摩擦分为滑动摩擦、滚动摩擦和静摩擦，并将他们所举的例子进行了简单归类，同时列举了几个他们熟悉的例子。
同时告诉学生在初1中物理学习中,我们只重点研究滑动摩擦。
摩擦学设计.
2.1表面形貌设计
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, 易于疲劳破坏或粘着拉脱, 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, 摩擦表面发生粘着磨损和表面剥 离. 粗糙度的设计原则 一是用加工精度与粗糙度相对应的方式设计; 二是与机械工况相适应的润滑模式设计； 三是在特殊的润滑情况下粗糙度及其纹理方向应 特殊设计。
2.3摩擦副表层设计
一般设计法则 1) 摩擦副若是粘着磨损为主, 则应采用互溶性小、 化学活性强而抗剪切强度低的表面层； 2) 摩擦副若是磨粒磨损为主, 则应采用非常硬的表 面； 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.
2.3摩擦副表层设计
3 摩擦学设计的研究现状与发展 国外发展现状 60年代末, 英国发表Jost 的调查报告, 正式 提出Tribology 一词, 摩擦学从此成为一门独立 的学科。 经典流体润滑理论已经基本成熟, 研究的重点 转向特殊介质和极端工况下的润滑理论； 材料磨损研究已从早期的宏观现象分析转向微 观机理研究； 近年来国际上提出基于能量理论或材料疲劳机 制的各种磨损理论, 可以作为摩擦副材料选择和 抗磨损设计的依据。 此外, 新型轴承和动密封装置的结构; 新型材 料与表面热处理技术; 新型润滑材料与添加剂等 方面的研究均有较大的进展。
简失 事
哥伦比亚号左翼上的裂纹
(b) 链条 自行车链条的磨损
空气与金属的摩擦导致
1.1定义 一组数据调查 全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉； 失效零件的80%是由磨损造成的； 20世纪80年代我国在冶金、煤炭、农机等五个行 业的调查表明：由于磨粒磨损损耗的备用钢材达 100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年 达几亿元。 如果从摩擦学方面采取正确的措施, 就可以大大节约能源消耗。
第11章 摩擦学设计-2
Q Qs Qs'
(11-27)
图11-15
径向滑动轴承中的耗油量
对于非压力供油，Q’s = 0。在滑动轴承实际设计中，工程上提供了 承载系数Cp与耗油量系数CQ 的关系曲线图。耗油量系数CQ被定义为
CQ Q UBd
在机器工作时，摩擦副表面的边界润滑、混合润滑和流体润 滑等三种润滑状态可以用润滑状态曲线（或称Stribeck曲线）来 说明，见图11-8。
润滑状态曲线图以摩擦系数 f 作 纵坐标，因为 f 的大小可以说明不 同的润滑状态；用同Sommerfeld数 性质类似的ηV/W 作横坐标，因为 此数可以说明润滑油膜具备多少承 载能力（η为润滑油的粘度，V为两 个表面的相对速度，W为载荷）。 制作该曲线图时，为了消除温度对 粘度的影响，试验时采用25℃作为 计算 f 的根据。
图11-11 径向动压滑动轴承的几何关系
(1) 轴承宽径比 B/d（或B/D）； (2) 半径间隙 c＝R－r＝(D－d)/2； (3) 相对间隙ψ＝c/r； (4)偏心距 e =OO ' (图 11 11) ; (5)偏心率ε=e/c； (6)最小油膜厚度 hmin c e c(1 ) r (1 ) (7)偏位角θ(图11-11)； (8)任一极角 处的油膜厚度h：在△OO’M中，根据余弦定 理，有 R2 e2 (r h)2 2e(r h)cos 整理上式并略去高次微量
图11-10
动压滑动轴承油膜压力分布
对于无限长轴承（沿Z向的压力变化率 p z 0），上式(11-16) 可简化为一维雷诺方程
3 p h (h ) 6U x x x
(11-17)
对上式进行积分并设 d p d x 0 处的油膜厚度为 hm（即油压最大 处的油膜厚度），则上式可整理成以下形式 ：
(11-27)
图11-15
径向滑动轴承中的耗油量
对于非压力供油，Q’s = 0。在滑动轴承实际设计中，工程上提供了 承载系数Cp与耗油量系数CQ 的关系曲线图。耗油量系数CQ被定义为
CQ Q UBd
在机器工作时，摩擦副表面的边界润滑、混合润滑和流体润 滑等三种润滑状态可以用润滑状态曲线（或称Stribeck曲线）来 说明，见图11-8。
润滑状态曲线图以摩擦系数 f 作 纵坐标，因为 f 的大小可以说明不 同的润滑状态；用同Sommerfeld数 性质类似的ηV/W 作横坐标，因为 此数可以说明润滑油膜具备多少承 载能力（η为润滑油的粘度，V为两 个表面的相对速度，W为载荷）。 制作该曲线图时，为了消除温度对 粘度的影响，试验时采用25℃作为 计算 f 的根据。
图11-11 径向动压滑动轴承的几何关系
(1) 轴承宽径比 B/d（或B/D）； (2) 半径间隙 c＝R－r＝(D－d)/2； (3) 相对间隙ψ＝c/r； (4)偏心距 e =OO ' (图 11 11) ; (5)偏心率ε=e/c； (6)最小油膜厚度 hmin c e c(1 ) r (1 ) (7)偏位角θ(图11-11)； (8)任一极角 处的油膜厚度h：在△OO’M中，根据余弦定 理，有 R2 e2 (r h)2 2e(r h)cos 整理上式并略去高次微量
图11-10
动压滑动轴承油膜压力分布
对于无限长轴承（沿Z向的压力变化率 p z 0），上式(11-16) 可简化为一维雷诺方程
3 p h (h ) 6U x x x
(11-17)
对上式进行积分并设 d p d x 0 处的油膜厚度为 hm（即油压最大 处的油膜厚度），则上式可整理成以下形式 ：
摩擦学设计PPT教案学习
（a）干摩擦
第4页/共85页
2．边界摩擦
边界摩擦又称为边界润滑。当运动副的 摩擦表 面被吸 附在表 面的边 界膜隔 开，摩 擦性质 取决于 边界膜 和表面 的吸附 性能时 的摩擦 称为边 界摩擦 （图 8.1 b）。润滑油中的脂肪酸是一种极性化合 物，它 的极性 分子能 牢固地 吸附在 金属表 面上。 吸附在 金属表 面上的 分子膜 ，称为 边界膜 。
v
（b）边界润滑
第5页/共85页
按边界膜形成机理，边界膜分为吸附膜 （物理 吸附膜 及化学 吸附膜 ）和反 应膜。 润滑剂 中脂肪 酸的极 性分子 牢固地 吸附在 金属表 面上， 就形成 物理吸 附膜； 润滑剂 中分子 受化学 键力作 用而贴 附在金 属表面 上所形 成的吸 附膜则 称为化 学吸附 膜。吸 附膜的 吸附强 度随温 度升高 而下降 ，达到 一定温 度后， 吸附膜 发生软 化、失 向和脱 吸现象 ，从而 使润滑 作用降 低，磨 损率和 摩擦系 数都将 迅速增 加。
第13页/共85页
摩擦系数
1 50
1 0. 5 0.1 0.05
0.0 0.0015
纯净金
氧化膜
属
干摩擦状态
边界润 边界润滑 流体润
滑
和流体润滑
滑
图8.3 摩擦系数的典型值
第14页/共85页
随着工况参数的改变可能导致润滑状态 的转化 。图 8.4 是典型的 S t r i b e c k 曲线，它表示润滑状态转化过程以及摩 擦系数 随润滑 油粘度 、滑 动速度 v 和轴承单位面积载荷 p 变化的规律。
合理选择摩擦副材料和润滑剂，降低表 面粗糙 度值， 在润滑 剂中加 入适量 的油性 添加剂 和极压 添加剂 ，都能 提高边 界膜强 度。
第4页/共85页
2．边界摩擦
边界摩擦又称为边界润滑。当运动副的 摩擦表 面被吸 附在表 面的边 界膜隔 开，摩 擦性质 取决于 边界膜 和表面 的吸附 性能时 的摩擦 称为边 界摩擦 （图 8.1 b）。润滑油中的脂肪酸是一种极性化合 物，它 的极性 分子能 牢固地 吸附在 金属表 面上。 吸附在 金属表 面上的 分子膜 ，称为 边界膜 。
v
（b）边界润滑
第5页/共85页
按边界膜形成机理，边界膜分为吸附膜 （物理 吸附膜 及化学 吸附膜 ）和反 应膜。 润滑剂 中脂肪 酸的极 性分子 牢固地 吸附在 金属表 面上， 就形成 物理吸 附膜； 润滑剂 中分子 受化学 键力作 用而贴 附在金 属表面 上所形 成的吸 附膜则 称为化 学吸附 膜。吸 附膜的 吸附强 度随温 度升高 而下降 ，达到 一定温 度后， 吸附膜 发生软 化、失 向和脱 吸现象 ，从而 使润滑 作用降 低，磨 损率和 摩擦系 数都将 迅速增 加。
第13页/共85页
摩擦系数
1 50
1 0. 5 0.1 0.05
0.0 0.0015
纯净金
氧化膜
属
干摩擦状态
边界润 边界润滑 流体润
滑
和流体润滑
滑
图8.3 摩擦系数的典型值
第14页/共85页
随着工况参数的改变可能导致润滑状态 的转化 。图 8.4 是典型的 S t r i b e c k 曲线，它表示润滑状态转化过程以及摩 擦系数 随润滑 油粘度 、滑 动速度 v 和轴承单位面积载荷 p 变化的规律。
合理选择摩擦副材料和润滑剂，降低表 面粗糙 度值， 在润滑 剂中加 入适量 的油性 添加剂 和极压 添加剂 ，都能 提高边 界膜强 度。
摩擦学设计
摩擦学设计
Tribology Design
组员：李兵 江鹏 龚文强 韩猛猛 赵奎鹏
Contents
1 2
3 4
摩擦学设计的定义 摩擦学设计的主要内容和方法 摩擦学设计的研究现状 摩擦学设计的应用
1.1定义
摩擦学（Tribology）是近40年来发展起来 的一门新的边缘学科。 其定义为：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科学。它是 一门跨学科的科学。其内容包括摩擦、磨 损、润滑、接触力学、表面物理和化学等 方面的专题。
简单实例
(a)自行车链传动
哥 伦 比 亚 号 失 事
哥伦比亚号左翼上的裂纹
(b) 链条 自行车链条的磨损
空气与金属的摩擦导致
1.1定义 一组数据调查 全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉； 失效零件的80%是由磨损造成的； 20世纪80年代我国在冶金、煤炭、农机等五个行 业的调查表明：由于磨粒磨损损耗的备用钢材达 100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年 达几亿元。 如果从摩擦学方面采取正确的措施, 就可以大大节约能源消耗。
3 摩擦学设计的研究现状与发展 国外发展现状 60年代末, 英国发表Jost 的调查报告, 正式 提出Tribology 一词, 摩擦学从此成为一门独立 的学科。 经典流体润滑理论已经基本成熟, 研究的重点 转向特殊介质和极端工况下的润滑理论； 材料磨损研究已从早期的宏观现象分析转向微 观机理研究； 近年来国际上提出基于能量理论或材料疲劳机 制的各种磨损理论, 可以作为摩擦副材料选择和 抗磨损设计的依据。 此外, 新型轴承和动密封装置的结构; 新型材 料与表面热处理技术; 新型润滑材料与添加剂等 方面的研究均有较大的进展。
2.1表面形貌设计
Tribology Design
组员：李兵 江鹏 龚文强 韩猛猛 赵奎鹏
Contents
1 2
3 4
摩擦学设计的定义 摩擦学设计的主要内容和方法 摩擦学设计的研究现状 摩擦学设计的应用
1.1定义
摩擦学（Tribology）是近40年来发展起来 的一门新的边缘学科。 其定义为：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科学。它是 一门跨学科的科学。其内容包括摩擦、磨 损、润滑、接触力学、表面物理和化学等 方面的专题。
简单实例
(a)自行车链传动
哥 伦 比 亚 号 失 事
哥伦比亚号左翼上的裂纹
(b) 链条 自行车链条的磨损
空气与金属的摩擦导致
1.1定义 一组数据调查 全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉； 失效零件的80%是由磨损造成的； 20世纪80年代我国在冶金、煤炭、农机等五个行 业的调查表明：由于磨粒磨损损耗的备用钢材达 100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年 达几亿元。 如果从摩擦学方面采取正确的措施, 就可以大大节约能源消耗。
3 摩擦学设计的研究现状与发展 国外发展现状 60年代末, 英国发表Jost 的调查报告, 正式 提出Tribology 一词, 摩擦学从此成为一门独立 的学科。 经典流体润滑理论已经基本成熟, 研究的重点 转向特殊介质和极端工况下的润滑理论； 材料磨损研究已从早期的宏观现象分析转向微 观机理研究； 近年来国际上提出基于能量理论或材料疲劳机 制的各种磨损理论, 可以作为摩擦副材料选择和 抗磨损设计的依据。 此外, 新型轴承和动密封装置的结构; 新型材 料与表面热处理技术; 新型润滑材料与添加剂等 方面的研究均有较大的进展。
2.1表面形貌设计
11-摩擦学设计方法分析
第11章 摩擦学设计方法
摩擦状态
摩擦与磨损
润滑
第11章 摩擦学设计方法
工程背景
据估计，全世界在工业方面约有30％的能量 消耗于摩擦过程中。磨损会使零件的表面形状和 尺寸遭到缓慢而连续的破坏，使机器的效率和可 靠性逐渐降低，从而丧失原有的工作性能，最终 导致零件的突然破坏。 磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中， 大约有80％是由于各种形式的磨损造成的。 为了控制摩擦、减缓磨损、提高机械效率、保 证机器工作的可靠性，最有效的手段是在相对运 动的接触表面之间加入润滑剂，即润滑。
第11章 摩擦学设计方法
1．黏附磨损 由于零件表面接触时，实际上只有少数凸 起的峰顶在接触，它们因受压力而产生弹塑性 变形，导致摩擦表面的吸附膜和脏污膜破坏， 同时因摩擦而产生高温，造成基体金属的“焊 接”现象，使接触峰顶牢固地黏附在一起。当 摩擦表面发生相对滑动时，材料从一个表面迁 移到另一个表面，便形成了黏附磨损。
F f N
摩擦系数一般与摩擦副材质有关，通常 从试验中得到。
第11章 摩擦学设计方法
摩擦系数
静摩擦系数 动摩擦系数
仅有相对滑动趋势时的摩擦称为静摩擦 相对滑动进行中的摩擦称为动摩擦
第11章 摩擦学设计方法
一般静摩擦系数指的是最大静摩擦系 数fm，即当切向力T达到最大时，使物体产 生运动前的瞬间切向力Tmax与法向力N之比， 即
简单实例
第11章 摩擦学设计方法
11.1摩擦状态 当在正压力作用下相互接触的两个物体受切 向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的 趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力， 这一自然现象称为摩擦，这时所产生的阻力称为 摩擦力。 摩擦状态与分类
内摩擦 发生在物质内部，阻碍分子间相对运动
摩擦状态
摩擦与磨损
润滑
第11章 摩擦学设计方法
工程背景
据估计，全世界在工业方面约有30％的能量 消耗于摩擦过程中。磨损会使零件的表面形状和 尺寸遭到缓慢而连续的破坏，使机器的效率和可 靠性逐渐降低，从而丧失原有的工作性能，最终 导致零件的突然破坏。 磨损是摩擦的必然结果，在失效的机械零件中， 大约有80％是由于各种形式的磨损造成的。 为了控制摩擦、减缓磨损、提高机械效率、保 证机器工作的可靠性，最有效的手段是在相对运 动的接触表面之间加入润滑剂，即润滑。
第11章 摩擦学设计方法
1．黏附磨损 由于零件表面接触时，实际上只有少数凸 起的峰顶在接触，它们因受压力而产生弹塑性 变形，导致摩擦表面的吸附膜和脏污膜破坏， 同时因摩擦而产生高温，造成基体金属的“焊 接”现象，使接触峰顶牢固地黏附在一起。当 摩擦表面发生相对滑动时，材料从一个表面迁 移到另一个表面，便形成了黏附磨损。
F f N
摩擦系数一般与摩擦副材质有关，通常 从试验中得到。
第11章 摩擦学设计方法
摩擦系数
静摩擦系数 动摩擦系数
仅有相对滑动趋势时的摩擦称为静摩擦 相对滑动进行中的摩擦称为动摩擦
第11章 摩擦学设计方法
一般静摩擦系数指的是最大静摩擦系 数fm，即当切向力T达到最大时，使物体产 生运动前的瞬间切向力Tmax与法向力N之比， 即
简单实例
第11章 摩擦学设计方法
11.1摩擦状态 当在正压力作用下相互接触的两个物体受切 向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的 趋势时，在接触表面上就会产生抵抗滑动的阻力， 这一自然现象称为摩擦，这时所产生的阻力称为 摩擦力。 摩擦状态与分类
内摩擦 发生在物质内部，阻碍分子间相对运动
摩擦学原理
=
0
故
0 ( dz 0 ( z ) 2 1
1
0 ( z)
2 1 则（2-3）变为 ( z) e 2 （2-4) 2 式(2-4)表示的分布曲线是标准的Gauss分布。而 (z )为概 率密度函数，它表示不同高度出现的概率。 20
8
一维形貌通常用轮廓曲线的高度参数来表示，如图21，它描绘沿截面方向（X方向）上轮廓高度z的起伏变化。 选择轮廓的平均高度线亦即中心线为X轴，使轮廓曲线在X 轴上下两侧的面积相等。一维形貌参数种类繁多，最常用 Ra 的有轮廓算术平均偏差值 和轮廓均方根偏差或称均方 根值 或 Rq
图2—1 外形轮廓曲线
3
摩擦学问题中各种因素往往错终复杂，涉及到多 门学科，例如流体力学、固体力学、流变学、热物理、 应用数学、材料科学、物理化学，以及化学和物理学 等内容。因此多学科的综合分析是摩擦学研究的显著 特点。
4
由于摩擦学现象发生在表面层，影响因素繁多， 这就使得理论分析和实验研究都较为困难，因而理 论与实验研究的相互促进和补充是摩擦学研究的另 一个特点。随着理论研究的日益深入和实验技术日 益先进，目前摩擦学研究方法的发展趋势正由宏观 进入微观；由定性进入定量；由静态进入动态；以 及由单一学科角度的分析进入多学科的综合研究。
a
q
14
由于二维形貌参数还不够全面，描述粗糙 表面的最好方法是采用三维形貌参数。 二维轮廓曲线族：通过一组间隔很密的二维轮 廓曲线来表示形貌的三维变化； 等高线图：用表面形貌的等高线表示表面的起 伏变化。
15
图2－3 二维轮廓曲线族
图2－4 等高线图
16
切削加工的表面形貌包含着周期变化和随 机变化两个组成部分，因此采用形貌统计参数 比用单一形貌参数来描述表面几何特征更加科 学和反映更多的信息。这就是将轮廓曲线上各 点的高度、波长、坡度或曲率等用概率密度分 布函数来表示它们的变化，这里主要介绍表面 形貌的高度分布函数和自相关函数。
第11章 摩擦学设计-2分解
hh dp 6U ( 3 m ) dx h
(11-18)
上式称为一维雷诺方程的积分表达式。为了区别，通常把式(1117)称为一维雷诺方程的微分表达式。利用式(11-18)可求得油膜压力 函数p(x)，再次积分就可求得油膜的承载能力P。 由式(11-18)可以看出，建立流体动压润滑必须满足以下条件： (1) 两相对滑动表面之间必须相互倾斜而形成收敛油楔； (2) 两滑动表面应具有一定的相对滑动速度，并且其速度方向应 该使润滑油从楔形大口流入，从小口流出；在一定范围内，油膜承 载能力与滑动速度成正比关系； (3) 润滑油应具有一定的粘度，粘度愈大，油膜承载能力也愈大 。
图11-10
动压滑动轴承油膜压力分布
对于无限长轴承（沿Z向的压力变化率 p z 0），上式(11-16) 可简化为一维雷诺方程
3 p h (h ) 6U x x x
(11-17)
对上式进行积分并设 d p d x 0 处的油膜厚度为 hm（即油压最大 处的油膜厚度），则上式可整理成以下形式 ：
11.4.1 摩擦副间的基本润滑状态 1. 摩擦副间的基本润滑状态
摩擦副表面间的润滑可分为非流体润滑和流体润滑两大类。 流体润滑是指在适当条件下，摩擦副的两摩擦表面被一层粘性流 体润滑膜（厚度约为1.5～2μm以上）完全分开，有流体压力平衡外载 荷。由于两摩擦表面不是直接接触，当两表面相互滑动时，产生的摩 擦为润滑油分子之间的内摩擦，因此摩擦系数很小，一般为0.001～ 0.008，从而有效地降低了磨损。 此时，流体润滑的摩擦性质完全决定于流体的粘性而与两个摩擦 表面的材料无关。所用的粘性流体可以是液体，如各类润滑油、水等， 也可以是气体，如空气、氦、氢等，相应地称为液体润滑和气体润滑。 流体润滑的主要优点是：摩阻低，摩擦系数很小，一般为0.001～ 0.008(液体动压润滑)或更低(气体润滑及静压润滑)，可以改善摩擦副 的动态性能并能有效地降低磨损。
摩擦学设计PPT之1-2章：绪论、固体表面特性
由此可以看出，在设计过程中重视和积极的对产品进行摩擦学设计具有
显著地经济效益和社会效益。
第二章 固体表面特性
由摩擦学的定义我们已经知道，摩擦学特性是接触
表面在相对运动过程中表现出的行为和特性。要对 机械系统进行摩擦学设计，就必须全面系统的掌握 摩擦学的基本原理，而它与相互作用表面的性质有 着极其密切的联系。为此，我们首先对固体表面的 特性进行学习和讨论。
影响摩擦学性能的因素非常多，而且，各种因素往往错综复杂，涉及到
多门学科的综合运用，因此，摩擦学设计的重要特点是多学科的综合分 析和运用。
1.3 摩擦学设计与摩擦学
1.1.3. 摩擦学设计与摩擦学
摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用的，具有很强的实践性。
从摩擦学的发展历史可以看出，随着工程技术的发展和新产品开发的需 要，出现许多重要的摩擦学现象和摩擦学问题需要解释和解决，这就促 进了摩擦学理论的形成和发展，而摩擦学新的研究成果反过来又为产品 的设计提供理论指导，使人们设计出更为可靠耐用的产品。
并不仅限于磨损。由于摩擦原因而导致的非法运动（振动、噪声、爬行、 溜行等）以及发热和变形等，都将导致运动精度的降低和运动保证功能 丧失，这些都是属于与摩擦学行为有关的可靠性问题。通过摩擦学设计 就可以避免这些情况的出现，从而提高产品的精度和可靠性。
1.5 摩擦学设计的地位和作用
在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的表面，工作条件
1.1.4 摩擦学的特点
从学科性质上看，摩擦学具有以下三个特点： (1)摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综合发展起来的边缘学科。摩擦、磨 损和润滑涉及到科学技术的极其广泛的专业领域，包括力学、物理学、化学、 热力学、传热学、表面科学以及机械学和材料科学与工程等多种学科。
显著地经济效益和社会效益。
第二章 固体表面特性
由摩擦学的定义我们已经知道，摩擦学特性是接触
表面在相对运动过程中表现出的行为和特性。要对 机械系统进行摩擦学设计，就必须全面系统的掌握 摩擦学的基本原理，而它与相互作用表面的性质有 着极其密切的联系。为此，我们首先对固体表面的 特性进行学习和讨论。
影响摩擦学性能的因素非常多，而且，各种因素往往错综复杂，涉及到
多门学科的综合运用，因此，摩擦学设计的重要特点是多学科的综合分 析和运用。
1.3 摩擦学设计与摩擦学
1.1.3. 摩擦学设计与摩擦学
摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用的，具有很强的实践性。
从摩擦学的发展历史可以看出，随着工程技术的发展和新产品开发的需 要，出现许多重要的摩擦学现象和摩擦学问题需要解释和解决，这就促 进了摩擦学理论的形成和发展，而摩擦学新的研究成果反过来又为产品 的设计提供理论指导，使人们设计出更为可靠耐用的产品。
并不仅限于磨损。由于摩擦原因而导致的非法运动（振动、噪声、爬行、 溜行等）以及发热和变形等，都将导致运动精度的降低和运动保证功能 丧失，这些都是属于与摩擦学行为有关的可靠性问题。通过摩擦学设计 就可以避免这些情况的出现，从而提高产品的精度和可靠性。
1.5 摩擦学设计的地位和作用
在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的表面，工作条件
1.1.4 摩擦学的特点
从学科性质上看，摩擦学具有以下三个特点： (1)摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综合发展起来的边缘学科。摩擦、磨 损和润滑涉及到科学技术的极其广泛的专业领域，包括力学、物理学、化学、 热力学、传热学、表面科学以及机械学和材料科学与工程等多种学科。
初中物理《摩擦力》教案设计（5篇）
初中物理《摩擦力》教案设计（5篇）第一篇：初中物理《摩擦力》教案设计初中物理《摩擦力》教案设计一、教案背景1、面向学生：初中学生2、教材版本：苏科版八年级下册3、学科：物理4、课时：2课时5、学生课前准备：预习课本，根据导学案初步掌握知识。
二、教学课题1、教学目标的确定(1)知识与技能知道滑动摩擦力与什么因素有关；知道增大和减小摩擦的方法，并能在日常生活中应用这些知识；进一步熟悉弹簧测力计的使用方法。
培养学生利用知识解决实际问题的能力。
(2)过程与方法经历探究滑动摩擦力与压力、接触面粗糙程度关系的过程，体会怎样进行科学的猜想，理解在研究多因素问题中怎样运用“变量控制”的方法。
(3)情感态度与价值观：培养学生实事求地是进行实验的科学态度和科学精神。
注重对学生探究能力、创新精神的培养，更注重让学生主动获取知识。
2、教材的重难点本节教材的重难点是引导学生进行探究。
对于教材中的知识点，学生大都能理解和掌握，但更重要的是让学生在探究能力培养和探究过程体验方面，通过对影响滑动摩擦力大小的各种因素的实验探究，突出“猜想与假设”这个环节，同时认识在探究过程中“变量控制”的意义和方法。
三、教材分析1、教材分析:本节课主要讲述滑动摩擦力和决定滑动摩擦力大小的因素。
在讲述摩擦力时，为了不使问题复杂化，教材中没有提出静摩擦的问题，而是统称为摩擦。
教材对滚动摩擦也没有单独讲述，而是作为减小摩擦的方法来介绍的。
教材首先通过分析一些事例使学生认识摩擦力的存在，并在此基础上说明摩擦力是阻碍物体相对运动的；随后研究滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关。
“增大和减小摩擦的方法”是摩擦力在日常生活和工、农业生产中知识的具体应用，学会根据不同条件选择增大或减小摩擦的方法，但这些应用都基于对影响滑动摩擦力大小因素的理解，因此，应充分重视研究影响摩擦力大小因素的实验。
2、现状分析学生已经学习了力的初步知识，对力的三要素已经有所了解，同时还懂得了弹簧测力计的使用和匀速直线运动等知识。
摩擦学设计
从目前来看，绝大多数研究成果都是通过实验得出，虽然实验 结果具有客观真实性，但实验成本相对较高，并且研究工况受 实验条件限制，大多数实验只能在低载低速下进行。为了弥补 实验不足，用数值模拟的方法代替实验方法去研究高载高速高 副等特殊工况下的表面摩擦润滑性能具有非常重要的意义。
实验原理及重要参数
实验原理图：实验时，钢球静止，上面施 加有实验所需载荷，样品绕旋转中心旋转， 富油润滑。
• 摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损， 以及三者间相互关系的基础理论和实践
• 摩擦学研究的主要内容是摩擦、磨损和润滑，其主要任务就是 要控制摩擦和磨损，改善润滑，以达到节能、节材、降耗和减 排的目的。
摩擦状态
不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状 态，u、η、p 分别表示速度、润滑剂粘度和压力。
传动功率 小齿轮转速 齿轮的当量弹性模量
z1 39 ， z2 18 m 7mm n 20o 或 n 25o 13.3o
B 32mm ha* 1
i z1 / z2 2.16 P 1103kw
n2 10000 r / min E ' 227GPa
结论：由实验结果可知，粘度大润滑
实验下试样样品： 三角形微织构：边长443um 微坑面积比分别为5%、10%、 15%、20%。 微坑深度：20um。
实验结果：
1000 800 600
0.14
V
1
2
0.13
3
4 0.12
V (rev/sec) COF
400
0.11
200 0.10
0 0
0.09 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
实验原理及重要参数
实验原理图：实验时，钢球静止，上面施 加有实验所需载荷，样品绕旋转中心旋转， 富油润滑。
• 摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损， 以及三者间相互关系的基础理论和实践
• 摩擦学研究的主要内容是摩擦、磨损和润滑，其主要任务就是 要控制摩擦和磨损，改善润滑，以达到节能、节材、降耗和减 排的目的。
摩擦状态
不同的摩擦状态表现出的摩擦系数不同，Stribeck曲线表现了这些摩擦状 态，u、η、p 分别表示速度、润滑剂粘度和压力。
传动功率 小齿轮转速 齿轮的当量弹性模量
z1 39 ， z2 18 m 7mm n 20o 或 n 25o 13.3o
B 32mm ha* 1
i z1 / z2 2.16 P 1103kw
n2 10000 r / min E ' 227GPa
结论：由实验结果可知，粘度大润滑
实验下试样样品： 三角形微织构：边长443um 微坑面积比分别为5%、10%、 15%、20%。 微坑深度：20um。
实验结果：
1000 800 600
0.14
V
1
2
0.13
3
4 0.12
V (rev/sec) COF
400
0.11
200 0.10
0 0
0.09 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
摩擦学ppt
对于尺寸在毫米以下甚至毫微米级范围的微 型机械，如可清除血管内壁沉积物的微型机器人 等，此时表面效应非常明显，摩擦则是重要的因 素之一。 在通讯卫星中，天线需要精确的定位机构和 展开机构，要求轴承扭矩在7—10年内不变，经过 107 次循环使用后精度不变，此时必须研制新型 润滑剂以减少微观尺度的摩擦力和磨损的变化。
纳米摩擦学研究方法
（1）现代表面分析方法 纳米摩擦学的实验广泛应用表面力仪 (SFA)和扫描探针技术．包括扫描隧道显微 镜 (STM)，原子力显微镜(AFM)和激光检 测摩擦力显微镜(FFM)。它们用于测量原 子尺度的表面形貌和表面微观动态力学行 为．在微磨损、微划痕、纳米磨损与超精 加工以及分子膜边界润滑等研究中发挥巨 大的作用。
2．表面形态与混合润滑理论
摩擦学现象发生在极薄的表面层， 因此对于摩擦表面形态的形成、变化 和作用的分析，将深化摩擦学机理研 究，并就改善使用性能寻求合理的表 面形态和工艺方法提供依据。研究内 容包括：表面形貌的表征及其摩擦学 效应，表面物理化学状态在摩擦、磨 损过程中的行为与变化等。
分析表明，工程中大多数摩擦表面是 处于混合润滑状态，即部分润滑膜与表面 粗糙峰点相接触同时存在。磨损的发生是 混合润滑状态的特性。 目前有关混合润滑的设计尚停留在半 经验阶段，因此建立工程适用的混合润滑 设计理论是当前急迫的任务。这一领域的 研究集中在：部分膜润滑和微观弹流润滑 理论，各类润滑膜的失效准则和润滑状态 转化过程，粗糙表面的接触分析与载荷分 配，混合润滑的模型化和定量化研究等。
3．磨损形成机理及其控制
研究目的在于了解磨损形成过程、变化及其影响因 素，从而寻求提高耐磨性和控制磨损的措施。工程中的 磨损现象多种多样，根据形成机理可归纳为：磨粒磨损、 粘着磨损、疲劳磨损、化学腐蚀磨损等基本类型。实际 机械中的磨损大多是几种磨损类型同时发生，因此磨损 研究必须强调针对性，即密切结合各种典型零件的具体 工况条件进行分析研究，在累积数据的基础上，建立磨 损机理以及抗磨损设计方法与对策． 实际零件的磨损经历着复杂的过程，涉及因素很多， 包括工况参数、材料与表面形态、润滑与环境介质的作 用等的影响。因此，磨损研究还应强调运用多学科的综 合研究和系统工程分析的方法。
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(a)油楔
(b)油膜中的微单元体
图11-9
油楔承栽机理(动压分析)
假设：(1)润滑油的运动是层流；(2)润滑油沿z 向没有流动；(3)油 层为不可压缩流体，粘度为常量、不随压力变化；(4)忽略油的惯 性力和重力；(5)沿油膜厚度方向(y向)压力变化忽略不计。可得流 体润滑膜压力分布的二维雷诺方程为
第11章 摩擦学设计(2)
Ⅺ Tribology Design
11.4 润滑和润滑系统设计
摩擦副作相对运动时，由于存在摩擦阻力，产生接触表面间的磨 损和功率损失。 磨损会降低机器的工作精度，而摩擦功转化为热量，使表面间 的工作温度升高，严重时会造成摩擦面间的胶合。为了减少机器的磨 损和发热，保证机器安全运转，延长使用寿命和降低能源的消耗， 摩擦副工作表面间需进行润滑。 使用经验表明，润滑是减小摩擦副表面摩擦、降低磨损的最有效、 最重要的手段和措施。
3 p p h (h ) (h3 ) 6U x x z z x
(11-16)
式中，x、y、z为坐标变量；U为平板沿 x方向的移动速度；h为润滑 膜厚度；p 为流体的压力。 上式是计算流体动压轴承性能的基本公式。它表达了流体动压 润滑时，油膜压力沿 x和 z（轴向）两方向发生变化以及流速沿 x方 向发生变化时，压力梯度、流速、油膜厚度、润滑油粘度等参数之 间的关系。式中等号左边部分的两项表征沿 x和 z方向油膜压力分布， 如图11-10所示。等号右边表示了沿 x方向上速度和油膜厚度变化的 影响，即表明油楔作用。
图11-10
动压滑动轴承油膜压力分布
对于无限长轴承（沿Z向的压力变化率 p z 0），上式(11-16) 可简化为一维雷诺方程
3 p h (h ) 6U x x x
(11-17)
对上式进行积分并设 d p d x 0 处的油膜厚度为 hm（即油压最大 处的油膜厚度），则上式可整理成以下形式 ：
在机器工作时，摩擦副表面的边界润滑、混合润滑和流体润 滑等三种润滑状态可以用润滑状态曲线（或称Stribeck曲线）来 说明，见图11-8。
润滑状态曲线图以摩擦系数 f 作 纵坐标，因为 f 的大小可以说明不 同的润滑状态；用同Sommerfeld数 性质类似的ηV/W 作横坐标，因为 此数可以说明润滑油膜具备多少承 载能力（η为润滑油的粘度，V为两 个表面的相对速度，W为载荷）。 制作该曲线图时，为了消除温度对 粘度的影响，试验时采用25℃作为 计算 f 的根据。
表11-9
5 种润滑类型的基本特征
2. 润滑状态的转化
润滑是减小摩擦和降低磨损的一种重要方法，它影响着摩擦副之 间能量及表面材料的转移。任何润滑现象的紊乱和失效，都会导致摩 擦副表面的摩擦特性的改变，并发生有害的结果。因此，除了有必要 研究各种润滑状态的机理外，还应了解润滑状态的失效过程以及润滑 状态的转化及特性。 一般来说，摩擦副间有下述几种润滑状态的转变： ①由层流到紊流； ②由完全的流体动压润滑到部分流体动压润滑； ③边界保护膜的破裂； ④发生强烈的金属粘着。 上述前两种润滑现象的转化很明显，但后两种润滑现象的转化十 分复杂，目前还正处研究中。
依据流体润滑油膜压力形成的方式不同，又将流体润滑分为流 体动压润滑和流体静压润滑两类。 流体动压润滑，系由摩擦表面间形成的收敛油楔和相对运动， 由粘性流体产生的油膜压力以平衡外载荷。
流体静压润滑，系由外部供油系统向摩擦表面间供给有一定压 力的流体，借助流体的静压力平衡外载荷。
非流体润滑是指在摩擦表面间用粉状或薄膜状固体进行润滑。 润滑膜为固体膜。常用的固体润滑剂有：层状晶体结构物质（如石 墨、二硫化钼等）、非层状无机物（如氧化铅等）、金属薄膜(如将 铅、锡、锌等低熔点软金属做成的干膜润滑)、塑料（如聚四氟乙烯、 尼龙等）、合成膜或化合膜等。
图11-8 滑动表面润滑状态
图中曲线表明，存在三种润滑区域：流体动压润滑区、混合润滑区（或称部分流体动压润滑区）和边界润滑区。
11.4.2 流体动压润滑原理及动压滑动轴承的设计 1. 流体动压润滑原理
流体动压润滑是机器摩擦副工作表面最希望得到的润滑状态。流 体动压润滑理论的基本方程是润滑膜压力分布的微分方程，即雷诺 （Reynold）方程。它是从粘性流体力学的基本方程出发，根据一定 的简化假定而导出。为分析方便，现以两块相互倾斜的平板为分析 对象，如图11-9所示，两板之间充满润滑油，下板静止，上板以速度 U 沿 x方向匀速移动。
11.4.1 摩擦副间的基本润滑状态 1. 摩擦副间的基本润滑状态
摩擦副表面间的润滑可分为非流体润滑和流体润滑两大类。 流体润滑是指在适当条件下，摩擦副的两摩擦表面被一层粘性流 体润滑膜（厚度约为1.5～2μm以上）完全分开，有流体压力平衡外载 荷。由于两摩擦表面不是直接接触，当两表面相互滑动时，产生的摩 擦为润滑油分子之间的内摩擦，因此摩擦系数很小，一般为0.001～ 0.008，从而有效地降低了磨损。 此时，流体润滑的摩擦性质完全决定于流体的粘性而与两个摩擦 表面的材料无关。所用的粘性流体可以是液体，如各类润滑油、水等， 也可以是气体，如空气、氦、氢等，相应地称为液体润滑和气体润滑。 流体润滑的主要优点是：摩阻低，摩擦系数很小，一般为0.001～ 0.008(液体动压润滑)或更低(气体润滑及静压润滑)，可以改善摩擦副 的动态性能并能有效地降低磨损。
hh dp 6U ( 3 m ) dx h
(11-18)
上式称为一维雷诺方程的积分表达式。为了区别，通常把式(1117)称为一维雷诺方程的微分表达式。利用式(11-18)可求得油膜压力 函数p(x)，再次积分就可求得油膜的承载能力P。 由式(11-18)可以看出，建立流体动压润滑必须满足以下条件： (1) 两相对滑动表面之间必须相互倾斜而形成收敛油楔； (2) 两滑动表面应具有一定的相对滑动速度，并且其速度方向应 该使润滑油从楔形大口流入，从小口流出；在一定范围内，油膜承 载能力与滑动速度成正比关系； (3) 润滑油应具有一定的粘度，粘度愈大，油膜承载能力也愈大 。
润滑的目的是在摩擦副表面之间形成低剪切强度的润滑膜，用它 来减小摩擦阻力和降低表面材料磨损。润滑膜可以是由液体或气体组 成的流体膜或者固体膜。 依据润滑膜的形成原理和特征，摩擦副表面间的润滑可以分为如 下 5 种基本类型： ◆ 流体动压润滑 ◆ 流体静压润滑 ◆ 弹性流体动压润滑 ◆ 边界润滑 ◆ 干摩擦状态 这 5 种润滑类型的基本特征可见表11-9。