摩擦学设计
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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
T (sec)
实验结果表明：无论球与圆盘相对滑动速度为多少，随着微坑面积
比的增大，摩擦系数在实验所给的面积比范围内不断降低。这是因
为：微坑面积比影响着摩擦副间实际接触区域内真实接触面积与塑
性接触面积的变化，也影响着微坑产生流体动压的油膜压力的大小 及分布。
时间t
1、磨合磨损过程
新的零件在开始使用时一般处于 这一阶段，磨损率较高，所占时间 比率较小
2、稳定磨损阶段
经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳 定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳 定，磨损较缓,该段时间长短反映零件 的寿命
3、急剧磨损阶段
经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副 间隙增大→动载振动→润滑状态改变→ 温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件 失效
膜厚度越大，润滑效果好。
微织构的影响
传统摩擦学研究认为, 相互接触的两个表面越光滑摩擦系数越 小。近年来的研究表明, 表面并非越光滑就越耐磨, 而是具有一定 非光滑形态的表面反而具有更好的耐磨性能。
表面织构，是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一 定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的点阵。
摩擦状态
润滑膜厚度
干摩擦（无润滑）
摩擦系数 >0.1～1
边界摩擦 流体摩擦 弹性流体动力润滑
混合摩擦
100～102nm
>0.1μm
0.01～ 1.0μm
0.01～0.1 0.001～0.01 0.001～0.01
0.01～0.5
磨损
磨损量q q
磨合磨 损阶段
I
稳定磨损阶段
II
剧烈磨损阶段
III
t O
工件参数： 尺寸参数 表面形貌，Ra 微织构
润滑剂粘度的影响
H P
0.06
10
0.008596
0.05
0.0187
0.0272PaBiblioteka s80.046 0.03
0.02
4
0.01 0.00
0
2
0 20 40 60 80 100 120 140
A
齿轮齿数 齿轮模数
法面压力角
螺旋角 齿宽
齿顶高系数 传动比
摩擦学设计
背景
世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力 减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的 易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能 控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制 造零件及其所需材料的费用。
摩擦学
• 研究作相对运动物体的相互作用表面、类型及其机理、中间介 质及环境所构成的系统的行为与摩擦及损伤控制的科学与技术。
摩擦系统能量传递与消耗
机械能的损耗过程 （1）功输入接触区----形成真实接触面积； （2）接触区能量的变换----弹性变形、塑性变形、黏附； （3）能量消耗
储存----产生点缺陷及位错、应变能储存 发射----声子（声波、声音）
光子（摩擦发光） 电子 热能----产生热和熵
减摩方法
工况 ： 运行条件 合理布置结构位置 润滑（润滑剂，粘度etc） 材料
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
T (sec)
实验结果表明：无论球与圆盘相对滑动速度为多少，随着微坑面积
比的增大，摩擦系数在实验所给的面积比范围内不断降低。这是因
为：微坑面积比影响着摩擦副间实际接触区域内真实接触面积与塑
性接触面积的变化，也影响着微坑产生流体动压的油膜压力的大小 及分布。
时间t
1、磨合磨损过程
新的零件在开始使用时一般处于 这一阶段，磨损率较高，所占时间 比率较小
2、稳定磨损阶段
经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳 定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳 定，磨损较缓,该段时间长短反映零件 的寿命
3、急剧磨损阶段
经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副 间隙增大→动载振动→润滑状态改变→ 温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件 失效
膜厚度越大，润滑效果好。
微织构的影响
传统摩擦学研究认为, 相互接触的两个表面越光滑摩擦系数越 小。近年来的研究表明, 表面并非越光滑就越耐磨, 而是具有一定 非光滑形态的表面反而具有更好的耐磨性能。
表面织构，是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一 定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的点阵。
摩擦状态
润滑膜厚度
干摩擦（无润滑）
摩擦系数 >0.1～1
边界摩擦 流体摩擦 弹性流体动力润滑
混合摩擦
100～102nm
>0.1μm
0.01～ 1.0μm
0.01～0.1 0.001～0.01 0.001～0.01
0.01～0.5
磨损
磨损量q q
磨合磨 损阶段
I
稳定磨损阶段
II
剧烈磨损阶段
III
t O
工件参数： 尺寸参数 表面形貌，Ra 微织构
润滑剂粘度的影响
H P
0.06
10
0.008596
0.05
0.0187
0.0272PaBiblioteka s80.046 0.03
0.02
4
0.01 0.00
0
2
0 20 40 60 80 100 120 140
A
齿轮齿数 齿轮模数
法面压力角
螺旋角 齿宽
齿顶高系数 传动比
摩擦学设计
背景
世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力 减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的 易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能 控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制 造零件及其所需材料的费用。
摩擦学
• 研究作相对运动物体的相互作用表面、类型及其机理、中间介 质及环境所构成的系统的行为与摩擦及损伤控制的科学与技术。
摩擦系统能量传递与消耗
机械能的损耗过程 （1）功输入接触区----形成真实接触面积； （2）接触区能量的变换----弹性变形、塑性变形、黏附； （3）能量消耗
储存----产生点缺陷及位错、应变能储存 发射----声子（声波、声音）
光子（摩擦发光） 电子 热能----产生热和熵
减摩方法
工况 ： 运行条件 合理布置结构位置 润滑（润滑剂，粘度etc） 材料