机械工程基础课件

η—— 动力粘度
国际单位： pa· s(帕· 秒 )， 1 pa 物理单位：p(泊)，cp(厘泊)， 1 pa· s =10p=1000cp
1N s m
2
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Ⅱ．运动粘度ν：
( pa s ) (kg cm3 )
2 6
m2 s
4
●物理单位：st(斯)
建立条件：两表面形成收敛油楔；润滑油有一定的
黏度，且供油充分；两表面有一定的相对运动速度 且使润滑油从大口进小口出。
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2．弹性流体动力润滑—针对高副运动表面
收敛油楔
v1
v2
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◐◐必须考虑以下两个方面：
①弹性体的弹性变形 ②高压下油的粘度变化
滚动摩擦（弹性流体动力润滑）
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一．干摩擦（最差状态）
定义：两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属 接触时的摩擦。 特点： f 很大，磨损严重，应力求避免 机理： 1．机械摩擦啮合理论 Fn
Ff = f * F n
式中 ：Ff —— 摩擦力; f —— 摩擦系数;
Fn —— 法向载荷
v1 v2
=12/(12)

7· 综合弹性模量
2 2 1 1 1 1 2 E 2 E1 E2
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道森无量纲参数群：
速度参数 载荷参数
U
0 u E E
w W E G H h mi n
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机械设计
第四章 摩擦、磨损及润滑
2018年10月2日
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第四章 摩擦、磨损及润滑
§ 4－ 1 摩 §4－２ 磨 §4－３ 润
擦 损 滑
机械工程学院机械工程系 淮海工学院 我们在初中物理中就已经接触并初步了解了摩擦 这个概念，即在正压力作用下，相互接触的物体 表面间有相对运动（或其趋势）时，在接触表面 上就会产生抵抗运动的阻力，这一自然现象被称 为摩擦，阻力叫作摩擦力。有摩擦现象存在，就 会产生磨损。摩擦、磨损既有利也有弊。据统计： 由摩擦而造成的能量损耗占世界工业能量消耗的 1/3；有80%的零件失效是由磨损而引起的。
小结
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§4-３
一．概述
A．润滑的作用：
1．降低摩擦、磨损 2．防锈 3．冷却 4．缓冲吸振 5．密封
润
滑
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B．润滑剂的种类：主要有四大类
1．液体润滑剂：各种润滑油（植物油、 动物油、矿物油、合成油） 2．半固体润滑剂：各种润滑脂 3．固体润滑剂：石墨、二硫化钼 4．气体润滑剂：各种气体（空气、CO2）
本章的内容主要是讲述在机器中构成运动副的机 械零件的接触表面上所发生的情况，了解摩擦、 磨损的分类、机理；如何利用摩擦、磨损以及如 何运用润滑的方法来减小摩擦、减轻磨损。（摩 擦学由此而诞生）
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摩擦
不利方面：消耗能量，转化为热能，引起温升 有利方面：可用于传递运动或制动
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四．混合摩擦（混合润滑：最常见的状态）
定义：介于边界摩擦和液体摩擦之间
特点：f 较小，介于边界摩擦和液体摩擦之间 一般 f=0.001~0.01 问题：滑动摩擦一般分为哪四种状态？哪种最理想？
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§4-２ 磨
一．磨损过程: (分三个阶段)
损
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2．润滑油的油性及极压性 3．其他指标：油：凝点、闪点；脂：滴点、针入度
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D．添加剂（极压、油性、分散、消泡、降凝剂）等
E．润滑剂的选择：P48～50
F．润滑方法：P51～52
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二．流体润滑简介
流体静压润滑：原理、计算简单
分类
但结构复杂、成本高
进口流量 t
出口流量 t
两平行板内部由于各垂直截面处的流量 皆相等，润滑油虽能维持连续流动，但油膜 对外载荷并无承载能力。
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2· b图：
进口流量 t
出口流量 > t
两形成收敛的楔形的板内部由于进入油量大于流 出的油量，油必将由进口a和出口c两处的截面被挤出 ，内部就产生了一定的压力，这种有一定粘性的流体 流入楔形收敛间隙而产生压力的效应叫流体动力润滑 的楔效应。
计算公式
f
说明
Ff Fn

t Bj (界面剪切强度极限 ) s ' sy (基体材料的压缩屈服极 限)
式中：τBj为界面的剪切强度极限 σ’Sy为较软基体材料的压缩屈服极限 ●应用：爬行现象
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定义：当相对运动速度较小时，两表面的摩擦力在 静、 动摩 擦力之间反复变化的现象称为爬行
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C．润滑剂的主要指标 1．润滑油的粘度 (1)分类∶主要分为三类 Ⅰ．动力粘度η
机械工程学院机械工程系 淮海工学院 动力粘度η：牛顿的粘性定律 F t A
t
F A

y
式中：τ—— 油层之间的剪应力 v —— 油层沿y方向的速度梯度 y v—— 油层速度 “-”—— 表示v随y增大而减小
Fn
公式表明： (1) Ff与Fn成正比；(2) 动摩擦系数的大 小与相对滑动速度无关； (3) 摩擦力的大小与名义接 触面积的大小无关。
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2．粘附理论
A· 简单粘附理论：1945年由鲍登等人提出，认为接触面
积并非公称接触面积A0，而是由一些表面轮廓峰相接触所形成 的接触斑点的微面积的总和（真实接触面积Ar）。由于Ar很小 ，轮廓峰接触区压力很高，产生塑性变形，发生粘附现象，形 成冷焊结点。相对运动时，冷焊结点被割开。
流体动压润滑：原理、计算复杂
但结构简单
1．流体动力润滑针对低副运动表面
定义：依靠摩擦副的两运动表面作相对运动 时，把油带入两表面间，形成具有足够压力 的油膜，从而将两表面分开。
机械工程学院机械工程系 淮海工学院 如图所示两运动平板
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假设： ① 流体不可压缩 ② 流体沿χ向作层流运动 分析 1· a图：
◐◐油膜形状特点：
①高压接触区，膜厚相同为ho ②油膜出口处有缩颈，产生hmin（压力有突变）
◐◐油压分布特点：
①高压接触区，压力分布同赫兹应力 ②缩颈处产生很大的压力高峰
3. 润滑状态图
收敛油楔
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七个影响因素：
1· 最小油膜厚度hmin
2· 单位宽载荷w=F/B 3· 卷油速度u=(v1+v2)/2 4· 粘度0 5· 粘压系数 6· 综合曲率半径
cst(厘斯) 1m s 10 cst 10 st
●润滑油的牌号：
旧标准：GB443—64规定，以50 oC或100 oC的运动粘度 的中心值划分等级，确定牌号。 新标准：GB3141—82规定，以40 oC的运动粘度中心值 分级 例：32号润滑油的含义如何？
答 : 40 c 32mm2 s 32106 m2 s
磨损
润滑 摩擦学
不利方面：尺寸变化，精度丧失，甚至报废 有利方面：可用于新机器的跑合成形，使成 为一种加工手段(如研磨,磨削加工)
控制摩擦、磨损不利方面的有效手段
研究相互接触表面之间摩擦，磨损，润滑机 理的一门学科
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§4－1 摩
擦
摩 擦 分 类
静摩擦
滑动摩擦 动摩擦
干摩擦 边界摩擦（边界润滑） 混合摩擦（混合润滑） 流体摩擦（流体润滑）
简单的黏附理论认为真实的接触面积Ar决定于软金 属的压缩屈服极限和法向载荷Fn，由于大多数金属 的τB/σSy的比值较接近，所以其摩擦系数相差很小 ，这在常规环境下，因为在界面上覆盖有一层氧化 膜或污染膜，对于静态接触，大体是正确的。但对 于处于真空中的洁净金属发生摩擦时不适用，真空 中的f值比常规环境下的大得多。因此鲍登等人于 1964年又提出了更切合实际的修正黏附理论。
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说明
Ⅰ 跑合磨损(磨合)阶段 Ⅱ稳定磨损阶段 Ⅲ剧烈磨损阶段
◐◐◐设计或使用机器的原则：力求缩短磨合期， 延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损到来。
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二．磨损机理（或分类）主要四种基本类型 1．粘附磨损
原因：轮廓峰塑变成冷焊结点而粘着
现象：轻微磨损、涂抹、划伤、撕脱、咬死 措施：限制温度、压强；选择合适的润滑剂、添 加剂；摩擦副的材料；提高表面质量、跑合。
材料参数
膜厚参数
H f W, U, G
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马丁方程：
H=4.9U/W，刚性等粘度，高速轻载
布洛克方程：
H=1.66(G· U)2/3 ，刚性等粘度，中载
道森方程：
H=2.56G0.54U0.7W-0.13， 弹性变粘度，重载
赫里布勒方程：
H=3.01U0.6W-0.2，弹性等粘度，低速重载
Fn v
Fn
原因：粘附理论（ 即 凸峰 粘着弹性变形剪断 反复变化） 后果：造成机器运动不规则冲击、振动 措施：提高表面质量，改善润滑条件
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爬 行 曲 线
问题：爬行现象是怎样产生的？
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二．边界摩擦（边界润滑：最低要求）
定义：当金属表面间存在一层极厚的的边界油膜时 的摩擦
特点：ｆ较小，磨损较小，寿命有所提高。 机理：边界膜可分三种（见下页）
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1．物理吸附膜：润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固的吸附在金 属表面上 应用场合：常温（≤70℃）、轻载、低速 2．化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键的作用而贴附在金属 表面上 应用场合：中等载、中速、中温度（ ≤120℃） 3．化学反应膜：s、p、cl等与金属化学反应在油与金属界 面处形成薄膜 应用场合：重载、高速、高温（150 ℃～200℃）
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4．膜厚比和润滑状态

式中
hmin R
2 q1
R
Ⅲ．条件粘度(恩氏度oEt)
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(2)粘度的影响因素：主要有二个 ◎温度的影响： 随温度增加而减小；粘度指数VI 越
大，粘度随温度变化小。粘温效应 压粘效应
p
◎压力的影响： 当p≥20Mpa时，随压力增加而增大
p
式中：
e
来自百度文库
α—粘度系数，pa-1； p —压强， pa ； ηo —大气压下油的粘度， pa · s； e —自然对数的底，e=2.718； ηp—压力p下的粘度， pa · s；
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◐提高边界油膜强度的主要措施： 1．合理选配材料； 2．降低粗糙度； 3．合理采用添加剂。
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三．流体摩擦（流体润滑：最理想的状态）
定义：两表面完全分开，形成液体与液体之间的摩擦 特点：ｆ很小，一般f=0.001~0.008，
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讨论：1· 为什么大多数金属表面的f 值相差不大？
2· 为什么真空中两洁净表面的 f 值较大？
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B· 修正粘附理论：
τ=0→τB
A ri+Δ A ri
在Fn产生的σy和Ff产生的τ的联合作用下，使结点产 生塑性流动，Ar增加，结点增长，摩擦系数f增大
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2．表面疲劳磨损
原因：sＨ的反复作用
现象：金属表面产生麻点、麻坑，又叫点蚀
措施：提高[σ]H ；提高表面质量；提高硬度； 提高润滑油的黏度、加入极压添加剂。
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3．磨粒磨损
原因：灰尘、杂质等硬颗粒 现象：较软表面的沟纹 措施：提高表面质量与硬度；提高润滑油的 清洁度 4．其它类型：◎腐蚀磨损；◎微动磨损； ◎流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损。 磨损的类型随工作条件的改变而转化，实际 上大多数的磨损是上述磨损型式的复合型式。如 微动磨损就是典型的复合磨损，粘附磨损与疲劳 磨损而产生的颗粒会引起磨粒磨损。
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计算公式
Ff
由
Art B
Ar
s sy
Fn
tB
s sy
Fn
知 当Fn 增加
s sy 不变
f

Ff Fn

tB s sy
Ar 增加
说明
式中：
A r — 真实接触面积
s sy — 较软材料压缩屈服极限 t B — 较软材料的剪切强度极
限
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