《汽车维修工程》第三版课件：第二章+汽车零部件损伤机理分析

当速度梯度变化时，η为常数的流体称为牛顿流体。除高黏度或含有大量特种 添加剂的流体外，一般的润滑油均可看作是牛顿流体。
2.1 摩擦学基础
2）弹性液体动压润滑 重载条件下产生的两种情况: 第一，由于接触压应力大（轮齿表面接触应力可达70MPa、发动机凸轮轴凸
轮与挺杆间的接触应力可达689MPa），接触处产生很大的弹性变形和塑性变形 进而变平、变大，有利于产生油楔。
2.1 摩擦学基础
１. 干摩擦
干摩擦是指物体纯净表面直接接触时的摩擦现象。通常所讲的干摩擦，一般
是指在无润滑油条件下，两物体表面之间可能存在着自然污染膜时的摩擦。
１）古典摩擦定律
库仑在对摩擦现象进行了比较系统的研究后，在1785年提出了摩擦定律的基
本公式。即 或
F
W
F W
（2-1） （2-2）
软的金属剪切强度极限τb代替金属粘结点的剪切强度τ′b，则


b xy
（2-7）
2.1 摩擦学基础
３）有自然污染膜的金属粘着理论 在简单粘着理论基础上，考虑到接触面间有自然污染膜的条件下提出的金属
粘着理论，实验表明，污染膜的剪切强度极限一般低于金属基体的剪切强度极限。
2.1 摩擦学基础
设膜的剪切强度为τf ,则τf ＝cτb （c<1）。当F/Ar＝τf时,污染膜开始剪切，
2.2 零件的磨损
磨料磨损是最常见的磨损形式。 2. 磨料磨损机理 磨损形成过程不但与材料和磨料的性质有关，而且也与它们之间的接触和运 动形式以及接触压力有关。目前，关于磨料磨损的机理有3种假说 ： （1）微量切削为主的假说。 （2）疲劳破坏为主的假说。 （3）压痕为主的假说。
2.1 摩擦学基础
图2-7 压力油膜的产生及其速度分布
流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的黏性。黏性的大小用黏度表示。
2.1 摩擦学基础
式中：T——内摩擦力；
T A dv
dz
（2-15）
dv——两流层间的相对运动速度；
dz——两流层间的距离；
A——流体的面积；
dv/dz——速度梯度；
η——流体的黏度。
μ′———当量摩擦系数。
摩擦二项式定律不仅适用于干摩擦，也适用于边界摩擦，它可以用来解释实际接触面 积较大时的摩擦问题。
2.1 摩擦学基础
2. 液体摩擦（流体润滑） 液体摩擦是两个固体摩擦表面被连续的润滑油完全隔开的摩擦状态。
2.1 摩擦学基础
1）流体动压润滑 利用摩擦表面的相对运动，把润滑油带到摩擦表面之间，形成一层有一定厚 度和压力的油膜，外由润滑油的压力来平衡；摩擦表面完全被润滑油膜隔开，而 不直接接触，这种状态称为流体动压润滑。 汽车的曲轴轴颈与轴承，活塞、活塞环和汽缸，齿轮、凸轮、滑动轴承等均 采用流体动压润滑。这些配合副在特殊情况下可能变成边界润滑。 形成流体动压润滑的条件有3个：一是两摩擦表面间两端的间隙由大到小， 即沿运动方向上的油膜厚度逐渐减小，形成油楔；二是两摩擦表面间有一定的相 对运动；三是有充足的润滑油。
粘结面积停止增大，并且开始滑动。当c很小时，则
c b f
xy
xy
（2-8）
这个结论与简单粘着理论一致，这是因为污染膜的剪切强度极限比金属的 低。其次，是实际接触面积不可能大幅度地增长，因而实际接触面积仅由法向和 屈服极限σxy决定，而与金属的剪切力无关。这些现象也是与实际情况相符合。
第二节 零件的磨损
一、磨损含义及分类
磨损是物体表面相接触并作相对运动时，材料自该表面逐渐损失以致表面损 伤的现象，通常将磨损按其表面破坏机理和特征分为磨料磨损、粘着磨损、表面 疲劳磨损和腐蚀磨损，各类磨损的特点，见表2-2。
表2-2 各类磨损的内容及特点
类型
定2义.2 零件的磨损 磨损表面特征
实例
刮伤、沟槽、 擦痕
擦伤、锥形坑、 鱼鳞片状、麻 点、沟槽
磨损表面特征
农业及矿山机 械零件、内燃
机气缸壁等 内燃机的铝活 塞与缸壁、轴
瓦等
实例
裂纹、麻点、 剥落
滚动轴承、齿轮 副、凸轮和挺杆
有反应物产生， 形成膜、颗粒
曲轴轴颈氧化磨 损、气缸套低温 腐蚀等
2.2 零件的磨损
二、磨料磨损
１. 磨料磨损含义 物体表面与磨料相互摩擦而引起表面材料损失的现象称为磨料磨损。一般地 说，凡是硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）都是磨料。 磨料磨损包括两种情况： 第一，粗糙的金属表面相对较软的金属表面滑动时的磨损； 第二，硬金属对软金属摩擦表面有游离硬磨料引起的磨损。
F Ar1
（2-17）
式中：σsy ——较软金属的压缩屈服极限。 1 sy
（2-18）
2.1 摩擦学基础
4. 实际摩擦特性——混合摩擦 实际的摩擦现象是固体摩擦、流体摩擦和边界摩擦的混合存在状态，把这种
状态称作混合摩擦。
图 2-11 各种不同润滑条件下的摩擦系 数
第二章 汽车零部件损伤机理分析
两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在 接触面间产生切向运动的阻力称为摩擦阻力，而这种现象称为摩擦。摩擦的分类， 见表2-1。
表2-1 摩擦的分类
分类依据
摩擦副运动状态 摩擦副运动形式 摩擦副表面的润滑情况
主要类型
静摩擦； 动摩擦 滑动摩擦； 滚动摩擦 干摩擦； 边界摩擦； 液体摩擦； 混合摩擦
其摩擦力可用下式表示:
式中：τ′b ——粘接部分的剪切强度； pe——犁沟力。
（2-4）
图2—5 微凸体模型及其压力分布图 a）球体；ｂ)柱体；ｃ)锥体
2.1 摩擦学基础
由式（2-4）可知，摩擦力F包括两部分:Ａrτ′b是粘着摩擦力，由于高压和变形等原因在接触面间产
生很强烈的粘着（或称固相焊合），相对滑动时就形成了粘着摩擦力。其次，pe是犁沟力，是由于相互
式中：μ——摩擦系数；
Ｆ——滑动摩擦力；
Ｗ——法向。
2.1 摩擦学基础
古典摩擦定律的主要内容包括: （1）摩擦力与作用在摩擦面上的法向成正比； （2）摩擦力与名义接触面积的大小无关； （3）摩擦力与滑动速度的大小无关； （4）静摩擦系数大于动摩擦系数。
2.1 摩擦学基础
2）简单粘着理论 鲍登（Bowden）和泰伯（Tabor）在1950年提出了简单粘着理论。当两金属表 面相接触时，仅仅在微凸体顶部压力很大，以致产生塑性变形。
对大多数金属材料而言τb ≈1/5σxy ,则μ的值为0.2左右,这与实际情况（大气中 μ>0.5）相差很大。因此，须对简单粘着理论进行修正，从而提出了金属表面有 自然污染膜存在时的粘着理论。
2.1 摩擦学基础
在极限情况下，由于表面自然膜破裂，金属不但与自然污染层接触，而且金
属之间也相应接触。此时的摩擦力决定于金属对金属及金属对污染膜摩擦时实际
接触平面的硬度不同而产生。一般情况下，pe只占Ａrτ′b的百分之几，可略去不计。因此式（2-4）可表
达为:
F

Ar
' b
摩擦系数:

F


' b
W
xy
（2-5）
（2-6）
由式（2-6）可见，当摩擦表面材料一定时，摩擦力与法向成正比，与名义接触面积无关。
上述分析是建立在理想的弹性材料的基础上，忽略了加工硬化的影响。为了更接近实际情况，以较
实际接触面积Ar是在轮廓接触面积内，各真实接触部分微小面积，如图2-4中 虚线圈内黑点表示各接触点面积的总和。Ap只有An面积的5％~10％，Ar则仅 为An的0.01％ ~1％。对于一般材料，呈弹性接触时，Ar与的2/3次方成正比， 呈塑性接触时，Ar与的一次方成正比。
2.1 摩擦学基础
二、摩擦的定义和分类
3. 表面接触面积
接触面积可分为3种：名义接触面积An、轮廓接
触面积Ap和实际接触面积Ar 。
图2-4 三种接触面积
名义接触面积An是由接触表面的宏观界面的边界确定的面积，即 An ＝a×b， 如图2-4所示，
轮廓接触面积Ap是物体接触表面被压皱部分所形成面积，如图2-4中虚线范围 面积的总和，大小与所受有关。
第二章 汽车零部件损伤机理分析
第一节 摩擦学基础
一、固体表面性质及接触面积
1. 表面形貌
图2-1 固体表面形貌 1—表面状态；2—截面轮廓线；3—中线；4—空腔；5—实体；
6—高度分布曲线；7—支承面积曲线
2.1 摩擦学基础
2. 金属表面物质 在大气条件下，由于不可能得到纯净的固体表面，固体表面上总是覆盖着各 种性质的薄膜。金属表面的一般组成。
图2-3 金属表层的一般结构 1-污染膜；2-吸附膜；3-氧化膜；
4-加工变形；5-金属基体
污染膜包括油污或灰尘等 吸附膜是来自大气中的液体和气体分
子的吸附层（包括物理吸附膜和化学 吸附膜）， 氧化膜是金属表面被氧化而成的物质 层， 加工变形层是由机械加工而形成的冷 作硬化层。
2.1 摩擦学基础
图2-6 半球形滑块在平面上的摩擦
2.1 摩擦学基础
４）分子 － 机械理论 苏联学者克拉盖尔斯（N.B.KpazellckuX）在1939年提出了分子-机械理论
摩擦理论，理论Fra Baidu bibliotek为摩擦具有两重性，摩擦表面的实际接触部分，在很大的单位 压力作用下，表面凸峰相互压入和啮合，同时相互接触的表面分子也有引力作用。 因此，摩擦过程就是克服表面凸峰的机械啮合和表面分子相互吸引的过程。
第二，在很高压应力下，润滑油黏度增大。
2.1 摩擦学基础
3. 边界摩擦（边界润滑） 两固体摩擦表面被具有分层结构和润滑性能的边界膜分开时的摩擦，称为边 界摩擦。 １）边界摩擦的特点 在边界摩擦情况下，摩擦界面上存在着一层与介质性质不同的薄膜，其厚度 在0.1ｍμ以下，并具有良好的润滑性能，称为边界膜。界面的润滑性能取决于这 层膜的性质，所以，边界摩擦又称边界润滑。 ２）边界膜分类 （1）按界面存在吸附膜时，边界膜可分为吸附在金属表面的极性分子形成定 向排列的分子栅的单分子层吸附膜，也可以形成多分子层吸附膜。
2.1 摩擦学基础
（2）当边界膜是反应膜时，由于摩擦主要发生在熔点高、剪切强度低的反应 膜内，有效地防止金属表面直接接触，使摩擦系数降低。 由于表面凸凹不平，在荷载的作用下，接触凸峰的压力很大。当两摩擦表面相互 滑动时，点接触上的温度很高，导致这部分的边界膜破裂，产生金属的直接接触。
图2-10 边界润滑机理模型
由此可得摩擦系数：
2.1 摩擦学基础
式（2-12）中，β是定值，是根据机械啮合理论所确定的系数；αAr/W 是变量，考虑了 分子引力作用后对机械啮合理论的修正。
摩擦二项式还可以表示为:
F ' W N0


' 1

N0 W

（2-13） （2-14）
式中： N0———两物体间分子作用力的合力；
2.1 摩擦学基础
接触处的接触处的变形使实际接触面积增大，直至增大到接触面积恰好能承受全部为止。对于理想的弹 性—塑性材料，实际接触面积与荷载的关系，如图2-5b所示，并可用下式表示：
式中：Ｗ——法向荷载；
W Ar xy （2-3）
Ａr——实际接触面积;
F

Ar
' b

pe
σxy——金属材料的压缩屈服极限。
接触面积所占的比例。
F Ar 1 1 2
（2-9）
式中：τ1——软金属的剪切强度；
τ2——污染膜的剪切强度；
α——金属和金属接触面积与金属和污染膜接触面积的百分数。
当一个光滑的半球形滑块和一个金属平面相接触，用它来解释粘着理论在实 际应用中的意义。
根据上述粘着摩擦理论知F=Arτ。
2.1 摩擦学基础
摩擦力就是克服表面凸峰的机械啮合作用和表面分子引力所产生的切向阻力的总 和。用摩擦二项式定律表示:
或
式中：F——摩擦； W——法向荷载； Ａr——实际接触面积；
F W Ar
F
W



Ar W

Ar
W
（2-10） （2-11）
α ，β——由摩擦表面的物理性质和机械性质所确定的系数。
2.1 摩擦学基础
F Ar Ar 1 1
式中：Ar——承担全部的面积；
（ 2-16 ）
τ——金属黏结部分的剪切强度；
τ1 ——边界膜的剪切强度；
α——在承担面积内发生金属直接接触部分的百分数。
当边界膜能够起很好的润滑作用时，α是一个比较小的值。摩擦力和摩擦系
数可以近似地表示为:
磨料磨损
粘着磨损
类型
表面疲劳 磨损
腐蚀磨损
在摩擦过程中，因硬的颗粒或硬的 凸出物，冲刷摩擦表面而引起材料
脱落的现象 摩擦副相对运动时，由于固相焊合 ，接触表面的材料由一个表面转移
到另一个表面的现象
定义
两接触表面作滚动或滑动复合摩擦 时，因周期性载荷作用使表面产生 变形和应力，从而使材料导致裂纹 和分离出微片或颗粒的磨损 在摩擦过程中，金属与周围介质发 生化学或电化学反应，产生材料损 失的现象