摩擦与润滑报告.
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2018/8/12 14
• 摩擦
损耗
1.世界工业部门的1/3-1/2的能源以摩擦的形势消耗，磨损失效占机械零件失效的60%80%。 2.近年来，机械磨损给工业国家带来的经济损失更加严重，可达国民生产总值的2%~8%。 润滑是降低摩擦，减少磨损最有效的措施。 3.1999年美国能源部针对交通运输中的摩擦损失调查显示：减少摩擦和磨损每年可节省
1.该类型的模型及其复杂，影响因数增多。 2.通过求解Reynolds equation 得出不同润滑动力学方程中的油膜厚度（oil film thickness）和压力分布(pressure distribution)，摩擦剪切力也得到数值解。 3.关注更多的细节特征如：部件表面形貌（surface topography） 4.通过模型求解Stribeck curves，从而得出在第一层次中需要用到的参数（摩擦力， 摩擦系数，承载能力）
建立发动机摩擦模型（engine friction modeling）-精确有效的 工具。预测engine power,fuel economy ,heat rejection。 coordinating various performance attribute planning the fuel econumy impovement roadmap and friction reduction roadmap for the engine. 总览全局，需要整合发动机的所有部件，使之最优化。 摩擦的预测对于系统级别的转矩控制，转速波动有较大影响。 ……
转时由于液力原斟造成的摩擦阻力，使输出功率增加，燃油消耗降低，但冷却性能降低，
抗磨损性能下降。 润滑油具有合适的粘度，高温抗剪性能，散热性，清净性，极压抗磨性。 F1赛车轮胎每分钟转速高达数万转，一场比350KM比赛中，消耗两组轮胎。
2018/8/12
4
• 系统中的摩擦学
摩擦属于发动机性能属性之一，直接影响到燃油经济性，与噪声紧密联系， 严重影响轴轴承的承载能力（主要有混合和边界润滑）。柴油机在过去几十年 的发展历程中摩擦损失逐渐减小接近10%/10年（Sandoval and Heywood,2003） 活塞 45-50% 轴承 20-30% 配气机构 7-15% 附件 20-25%
2018/8/12 7
• 发动机系统设计
the level-1 engine friction model
1.关注发动机平均循环载荷下的平均有效压力。缺少一些细节（瞬态下的摩擦力大小）。 2.不同子部件使用一个总的摩擦模型，不关注各个部件的摩擦机制。该模型包括了发动 机设计的：bore,stroke,bearing lenth,engine speed,peak cylinder presure. 3.研究参数较少，计算速度快，时间成本低。
摩擦功的测定方法：
施工图法，惯性法，倒拖法，断缸法，油耗线法。 一个循 环下发 动机摩 擦力的 变化
2018/8/12
12
• 摩擦
活塞摩擦受力分析， 缸套磨损情况 运动件摩擦力随着 转速的变化而变化 的过程。
活塞环部油膜厚度的测量：电容法。 润滑油泵对内燃机功率有显著影响，特别是在部分负荷 时影响较大。 目前正研究可供实际使用，功率可变的润滑油泵。 磨损：粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损，微 动磨损。 凸轮和挺柱的磨损：在很高的接触压力下工作，压力高 达1200-1700MPa，活动速度：2~7m/s。形成光亮的 摩擦面。
减摩（friction modifirs）, 粘性改进剂（viscosity index improvers (VI)）, 极压抗磨剂 （anti-wear agents）, 清净剂（detergents）, 防锈剂（anti-rust agents）, 氧化抑制剂 （oxidation inhibitors）, and 抗泡剂（antifoam agents）.
• 润滑
不 同 摩 擦 系 数
Hydrodynamic lucribution
Mixed lubrication Boundary lubrication
活塞裙 部，轴承 活塞环 凸轮，挺 杆
film thickness to roughness ratio
承载能力 油膜厚度
2018/8/12
16
the level-2 engine friction model
1.比第一级别更详细，在瞬态的基础上研究摩擦力的大小。 2.基于不同润滑机制预测不同部件的摩擦系数和摩擦力。 3.考虑较多的参数，研究因系统概括性研究而忽略的某些影响。
the level-3 engine friction model
基本理论
耗散结构理论（dissipative structure） 协同学（Synergetics：协同导致有序。 突变论（Catastrophe Theory） 两大机构，五大系统 钢 铁 软 件 石 油
塑 料
发动机 扭矩
2018/8/12
6
• 发动机系统工程
system engineer 总司令：彭德怀
component engineer
列兵：黄继光
建立最精切的摩擦模型。包括活塞组件，配齐机构，发动机轴承等。 关注：摩擦的设计参数，润滑，轴承，运动，漏气，机油消耗，噪声。 仿真模型需要与实际运行情况高度匹配。建立液体动力润滑，热弹性液 体动力润滑。 不同润滑机制（lubrication regimes）,得出精确解答。
2018/8/12 8
• 摩擦
摩擦是一个非线性的 、 远离平衡态的热力学 过程 。人们对摩擦中基本纳观过程知之甚 少 , 至今还没有一个被普遍接受的理论 。
摩擦机理研究历史
1 古典摩擦理论 G.Amontons提出Coulomb理论，也称库伦定律 （1）摩擦力大小与接触面积无关 （2）摩擦力大小与法向载荷成正比 法国物理学家C.A.coulomb提出第三条定律 （3）静摩擦系数大于动摩擦系数 2 分子机械理论 该理论认为，在摩擦过程中，两个相互接触的物体表面上的凹凸峰间的机械咬合以及 表面分子之间的吸引是阻碍两个物体相对运动的主要原因。 3 简单粘着理论 两个接触的表面在接触时，只有少数的高峰接触，实际接触面积少，接触压力大，产 生塑性变形，由于压力的作用，接触区增大，直至接触趋于面积足以承载外载荷为止。 此模型忽略了剪切作用，接触表面的氧化膜，油膜影响。后来修正的粘着理论加入了忽 略的两个因数。
烧瓦 润滑油 -添加剂 基础油 可靠性下降 排放改善
润滑油
振动
2018/8/12
噪声
油耗
动力输出
排放
可靠性，耐久性
18
• 润滑基本原理
剪切流
压力流
圆柱间隙流动
qv e qv c 3 1 2 2
油楔效应
偏心圆柱环形流动
偏心存在使得通过圆柱间隙的流量加大，有利于 轴承的润滑。 油楔效应：使得油膜的承载能力提升。 通过动力计算得出轴心轨迹图，在最大载荷下根 据雷诺方程计算最小油膜厚度。
1200亿美元，重型车每年损失约16亿桶柴油。
4.一辆乘用车其摩擦损失可达到33%。
干摩擦：接触表面无任何保护膜，金属直接接触。摩擦阻力最大，磨损最严重。 边界摩擦：两摩擦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吸附性能。
物理吸附 吸附膜 边界摩擦 反应膜
2018/8/12 15
化学吸附
2018/8/12 19
• 润滑研究路线
随着系统科学在工程领域的广泛应用， 70 年代德国工程师从润滑系统的角度出 通用汽车公司。 发，建立了润滑系统模型，并借助计算机进行大量的优化计算， 开端 （ GM）开发的一种往复式发动机摩擦与润滑分析综合软件包 FLARE，法国 IMAGINE 公司开发的 AMESim 软件[2]和英国 FLOWMASTER 公司开发的 FLOWMASTER 2软件是机械液压方面比较成熟的商用软件，用其可以进行润 滑系统的建模并仿真。 国内一些研发公司在合作过程中也逐渐了解了国外一些著名公司如德国的奔驰 公司、 FEV 公司、 奥地利 AVL 公司、英国 RICARDO 公司、美国西南研究所 等关于润滑系统设计的新理念、新方法和新技术. 以左正兴教授为首的北京理工大学和以毕小平教授为首的装甲兵工程学院都对 发动机的润滑系统进行了大量研究并取得了一定成果。北理工和国防科工委合 作开发研究了相应的软件DELSAS.
• 润滑
某大型船用柴油机的在某一循环下轴心轨迹图
2018/8/12
ห้องสมุดไป่ตู้17
润滑油性质
Lubricant properties and impact on engine friction.Lubricant oil 作用是减摩和承载, 冷切， 带走杂质和颗粒物。
Lubricant oil additives：
Many engine components operate in mixed lubrication, for example the piston rings and the The engine bearings 也运行在 mixed lubrication under cams. severe instantaneous loading
2018/8/12
5
• 发动机系统工程
运用先进的科学方法，进行组织管理，以求最佳效果的技术。-《现代汉语词典》 系统工程是一门把已有学科分支中的知识有效的组合起来用以解决综合性的工程问题。 《大英百科全书》 是一门方法 性的应用学科。
基本特点
系统的整体性 要素与系统不可分割 1+1=2 ？ 系统的开放性 和外界有物质，能量，信 息 的交换。 系统的层次等级性 有结构，有等级，有次序。
库仑力
剪切力
粘性摩擦
配气机构
连杆，曲 轴轴承
活塞，活 塞销
动摩擦
发动机
水套冷切 液
摩擦
燃油，润 滑油
静摩擦
2018/8/12
增压器轴 承
喷油器， 油泵柱塞
齿轮
11
• 摩擦
根据爱泼鲁的建议，可以把发动机总的摩擦功分为三部分： （1）由于活塞，活塞环，的运动，活塞销，连杆轴承，主轴承的运动而产生的。 （2）由于传动辅助装置引起的，包括气门机构。 （3）由于运动部件的启动和液动效应引起的摩擦功损失。包括活塞下部的泵气效应， 连杆曲轴引起的扇风损失和机油飞溅损失。
摩擦与润滑
结构
F1 赛车科技 摩擦与润滑理论 发动机系统工程 发动机摩擦与润滑 总结
2018/8/12
2
• F1赛车
从古至今，人类从未停止对超越自我、挑战极限的探索，即使这一过程伴随不尽的鲜 血、伤残甚至死亡，赛车是人类这一天性的最佳诠释。 胜利的荣耀背后是残酷的生死存 亡，接着就是对科学技术的挑战。
2018/8/12 9
• 摩擦
4 综合理论 运动过程中的摩擦阻力来自于三个方面：表面微凸体变形产生的摩擦系数，刻槽产生 的摩擦系数，粘着摩擦产生的摩擦系数。该理论较之前更能描述摩擦的真正机理。
影响摩擦力大小的因数：相互作用的来那个物体的正压力，表面粗糙度，运动副材
料，表面氧化膜和污染膜的分布厚薄以及化学性质，表面间的剪切力。
发动机
车轮
转速 18000r/mi n
活塞加速 度超过子 弹
干式油底 壳
每分钟数 万转
150KM消 耗一个轮 胎
暖胎
2018/8/12
3
• F1发动机润滑与轮胎磨损
0-100km/h，只需2.3秒，曾经最高转速达到22000r/min. 转速保持在16000-2000r/min之间，功率570kw.一般跑车转速在8000r/min。 没有性能优异的润滑油与之匹配，Fl赛车发动机在几秒钟之内就将遭到破坏。润滑油膜 越厚，高温抗磨损能力越强。但是油膜越厚，由于液力粘滞的原因，会造成发动机动力 损失，降低发动机转速：而油膜越薄，则发动机转速越高，能够降低发动机运动部件运
摩擦的运用
钻木取火，离合器，车轮，走路，关节……
摩擦损害
使结构功能失效：磨料磨损，粘着磨损，接触疲劳磨 损，腐蚀磨损。 消耗能源：摩擦生热，热应力，消耗机油，降低粘性。 限制轴承的发展，影响重负荷，高转速下的承载能力。 磨损缸套，活塞，轴承，曲轴，连杆，气门体。
2018/8/12 10
• 摩擦
2018/8/12 13
• 润滑
Mixed lubrication theory
Mixed lubrication, also called partial lubrication, is an important lubrication regime in internal combustion engines. elastohydrodynamic lubrication 和 metal-tometal contact在混合润滑 机制下都发生。
• 摩擦
损耗
1.世界工业部门的1/3-1/2的能源以摩擦的形势消耗，磨损失效占机械零件失效的60%80%。 2.近年来，机械磨损给工业国家带来的经济损失更加严重，可达国民生产总值的2%~8%。 润滑是降低摩擦，减少磨损最有效的措施。 3.1999年美国能源部针对交通运输中的摩擦损失调查显示：减少摩擦和磨损每年可节省
1.该类型的模型及其复杂，影响因数增多。 2.通过求解Reynolds equation 得出不同润滑动力学方程中的油膜厚度（oil film thickness）和压力分布(pressure distribution)，摩擦剪切力也得到数值解。 3.关注更多的细节特征如：部件表面形貌（surface topography） 4.通过模型求解Stribeck curves，从而得出在第一层次中需要用到的参数（摩擦力， 摩擦系数，承载能力）
建立发动机摩擦模型（engine friction modeling）-精确有效的 工具。预测engine power,fuel economy ,heat rejection。 coordinating various performance attribute planning the fuel econumy impovement roadmap and friction reduction roadmap for the engine. 总览全局，需要整合发动机的所有部件，使之最优化。 摩擦的预测对于系统级别的转矩控制，转速波动有较大影响。 ……
转时由于液力原斟造成的摩擦阻力，使输出功率增加，燃油消耗降低，但冷却性能降低，
抗磨损性能下降。 润滑油具有合适的粘度，高温抗剪性能，散热性，清净性，极压抗磨性。 F1赛车轮胎每分钟转速高达数万转，一场比350KM比赛中，消耗两组轮胎。
2018/8/12
4
• 系统中的摩擦学
摩擦属于发动机性能属性之一，直接影响到燃油经济性，与噪声紧密联系， 严重影响轴轴承的承载能力（主要有混合和边界润滑）。柴油机在过去几十年 的发展历程中摩擦损失逐渐减小接近10%/10年（Sandoval and Heywood,2003） 活塞 45-50% 轴承 20-30% 配气机构 7-15% 附件 20-25%
2018/8/12 7
• 发动机系统设计
the level-1 engine friction model
1.关注发动机平均循环载荷下的平均有效压力。缺少一些细节（瞬态下的摩擦力大小）。 2.不同子部件使用一个总的摩擦模型，不关注各个部件的摩擦机制。该模型包括了发动 机设计的：bore,stroke,bearing lenth,engine speed,peak cylinder presure. 3.研究参数较少，计算速度快，时间成本低。
摩擦功的测定方法：
施工图法，惯性法，倒拖法，断缸法，油耗线法。 一个循 环下发 动机摩 擦力的 变化
2018/8/12
12
• 摩擦
活塞摩擦受力分析， 缸套磨损情况 运动件摩擦力随着 转速的变化而变化 的过程。
活塞环部油膜厚度的测量：电容法。 润滑油泵对内燃机功率有显著影响，特别是在部分负荷 时影响较大。 目前正研究可供实际使用，功率可变的润滑油泵。 磨损：粘着磨损，磨粒磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损，微 动磨损。 凸轮和挺柱的磨损：在很高的接触压力下工作，压力高 达1200-1700MPa，活动速度：2~7m/s。形成光亮的 摩擦面。
减摩（friction modifirs）, 粘性改进剂（viscosity index improvers (VI)）, 极压抗磨剂 （anti-wear agents）, 清净剂（detergents）, 防锈剂（anti-rust agents）, 氧化抑制剂 （oxidation inhibitors）, and 抗泡剂（antifoam agents）.
• 润滑
不 同 摩 擦 系 数
Hydrodynamic lucribution
Mixed lubrication Boundary lubrication
活塞裙 部，轴承 活塞环 凸轮，挺 杆
film thickness to roughness ratio
承载能力 油膜厚度
2018/8/12
16
the level-2 engine friction model
1.比第一级别更详细，在瞬态的基础上研究摩擦力的大小。 2.基于不同润滑机制预测不同部件的摩擦系数和摩擦力。 3.考虑较多的参数，研究因系统概括性研究而忽略的某些影响。
the level-3 engine friction model
基本理论
耗散结构理论（dissipative structure） 协同学（Synergetics：协同导致有序。 突变论（Catastrophe Theory） 两大机构，五大系统 钢 铁 软 件 石 油
塑 料
发动机 扭矩
2018/8/12
6
• 发动机系统工程
system engineer 总司令：彭德怀
component engineer
列兵：黄继光
建立最精切的摩擦模型。包括活塞组件，配齐机构，发动机轴承等。 关注：摩擦的设计参数，润滑，轴承，运动，漏气，机油消耗，噪声。 仿真模型需要与实际运行情况高度匹配。建立液体动力润滑，热弹性液 体动力润滑。 不同润滑机制（lubrication regimes）,得出精确解答。
2018/8/12 8
• 摩擦
摩擦是一个非线性的 、 远离平衡态的热力学 过程 。人们对摩擦中基本纳观过程知之甚 少 , 至今还没有一个被普遍接受的理论 。
摩擦机理研究历史
1 古典摩擦理论 G.Amontons提出Coulomb理论，也称库伦定律 （1）摩擦力大小与接触面积无关 （2）摩擦力大小与法向载荷成正比 法国物理学家C.A.coulomb提出第三条定律 （3）静摩擦系数大于动摩擦系数 2 分子机械理论 该理论认为，在摩擦过程中，两个相互接触的物体表面上的凹凸峰间的机械咬合以及 表面分子之间的吸引是阻碍两个物体相对运动的主要原因。 3 简单粘着理论 两个接触的表面在接触时，只有少数的高峰接触，实际接触面积少，接触压力大，产 生塑性变形，由于压力的作用，接触区增大，直至接触趋于面积足以承载外载荷为止。 此模型忽略了剪切作用，接触表面的氧化膜，油膜影响。后来修正的粘着理论加入了忽 略的两个因数。
烧瓦 润滑油 -添加剂 基础油 可靠性下降 排放改善
润滑油
振动
2018/8/12
噪声
油耗
动力输出
排放
可靠性，耐久性
18
• 润滑基本原理
剪切流
压力流
圆柱间隙流动
qv e qv c 3 1 2 2
油楔效应
偏心圆柱环形流动
偏心存在使得通过圆柱间隙的流量加大，有利于 轴承的润滑。 油楔效应：使得油膜的承载能力提升。 通过动力计算得出轴心轨迹图，在最大载荷下根 据雷诺方程计算最小油膜厚度。
1200亿美元，重型车每年损失约16亿桶柴油。
4.一辆乘用车其摩擦损失可达到33%。
干摩擦：接触表面无任何保护膜，金属直接接触。摩擦阻力最大，磨损最严重。 边界摩擦：两摩擦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吸附性能。
物理吸附 吸附膜 边界摩擦 反应膜
2018/8/12 15
化学吸附
2018/8/12 19
• 润滑研究路线
随着系统科学在工程领域的广泛应用， 70 年代德国工程师从润滑系统的角度出 通用汽车公司。 发，建立了润滑系统模型，并借助计算机进行大量的优化计算， 开端 （ GM）开发的一种往复式发动机摩擦与润滑分析综合软件包 FLARE，法国 IMAGINE 公司开发的 AMESim 软件[2]和英国 FLOWMASTER 公司开发的 FLOWMASTER 2软件是机械液压方面比较成熟的商用软件，用其可以进行润 滑系统的建模并仿真。 国内一些研发公司在合作过程中也逐渐了解了国外一些著名公司如德国的奔驰 公司、 FEV 公司、 奥地利 AVL 公司、英国 RICARDO 公司、美国西南研究所 等关于润滑系统设计的新理念、新方法和新技术. 以左正兴教授为首的北京理工大学和以毕小平教授为首的装甲兵工程学院都对 发动机的润滑系统进行了大量研究并取得了一定成果。北理工和国防科工委合 作开发研究了相应的软件DELSAS.
• 润滑
某大型船用柴油机的在某一循环下轴心轨迹图
2018/8/12
ห้องสมุดไป่ตู้17
润滑油性质
Lubricant properties and impact on engine friction.Lubricant oil 作用是减摩和承载, 冷切， 带走杂质和颗粒物。
Lubricant oil additives：
Many engine components operate in mixed lubrication, for example the piston rings and the The engine bearings 也运行在 mixed lubrication under cams. severe instantaneous loading
2018/8/12
5
• 发动机系统工程
运用先进的科学方法，进行组织管理，以求最佳效果的技术。-《现代汉语词典》 系统工程是一门把已有学科分支中的知识有效的组合起来用以解决综合性的工程问题。 《大英百科全书》 是一门方法 性的应用学科。
基本特点
系统的整体性 要素与系统不可分割 1+1=2 ？ 系统的开放性 和外界有物质，能量，信 息 的交换。 系统的层次等级性 有结构，有等级，有次序。
库仑力
剪切力
粘性摩擦
配气机构
连杆，曲 轴轴承
活塞，活 塞销
动摩擦
发动机
水套冷切 液
摩擦
燃油，润 滑油
静摩擦
2018/8/12
增压器轴 承
喷油器， 油泵柱塞
齿轮
11
• 摩擦
根据爱泼鲁的建议，可以把发动机总的摩擦功分为三部分： （1）由于活塞，活塞环，的运动，活塞销，连杆轴承，主轴承的运动而产生的。 （2）由于传动辅助装置引起的，包括气门机构。 （3）由于运动部件的启动和液动效应引起的摩擦功损失。包括活塞下部的泵气效应， 连杆曲轴引起的扇风损失和机油飞溅损失。
摩擦与润滑
结构
F1 赛车科技 摩擦与润滑理论 发动机系统工程 发动机摩擦与润滑 总结
2018/8/12
2
• F1赛车
从古至今，人类从未停止对超越自我、挑战极限的探索，即使这一过程伴随不尽的鲜 血、伤残甚至死亡，赛车是人类这一天性的最佳诠释。 胜利的荣耀背后是残酷的生死存 亡，接着就是对科学技术的挑战。
2018/8/12 9
• 摩擦
4 综合理论 运动过程中的摩擦阻力来自于三个方面：表面微凸体变形产生的摩擦系数，刻槽产生 的摩擦系数，粘着摩擦产生的摩擦系数。该理论较之前更能描述摩擦的真正机理。
影响摩擦力大小的因数：相互作用的来那个物体的正压力，表面粗糙度，运动副材
料，表面氧化膜和污染膜的分布厚薄以及化学性质，表面间的剪切力。
发动机
车轮
转速 18000r/mi n
活塞加速 度超过子 弹
干式油底 壳
每分钟数 万转
150KM消 耗一个轮 胎
暖胎
2018/8/12
3
• F1发动机润滑与轮胎磨损
0-100km/h，只需2.3秒，曾经最高转速达到22000r/min. 转速保持在16000-2000r/min之间，功率570kw.一般跑车转速在8000r/min。 没有性能优异的润滑油与之匹配，Fl赛车发动机在几秒钟之内就将遭到破坏。润滑油膜 越厚，高温抗磨损能力越强。但是油膜越厚，由于液力粘滞的原因，会造成发动机动力 损失，降低发动机转速：而油膜越薄，则发动机转速越高，能够降低发动机运动部件运
摩擦的运用
钻木取火，离合器，车轮，走路，关节……
摩擦损害
使结构功能失效：磨料磨损，粘着磨损，接触疲劳磨 损，腐蚀磨损。 消耗能源：摩擦生热，热应力，消耗机油，降低粘性。 限制轴承的发展，影响重负荷，高转速下的承载能力。 磨损缸套，活塞，轴承，曲轴，连杆，气门体。
2018/8/12 10
• 摩擦
2018/8/12 13
• 润滑
Mixed lubrication theory
Mixed lubrication, also called partial lubrication, is an important lubrication regime in internal combustion engines. elastohydrodynamic lubrication 和 metal-tometal contact在混合润滑 机制下都发生。