机械设计 第二章.

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1、2-2 摩 擦 2-3 磨 损 2-4 润 滑 2-5 流体润滑原理简介 2-1 概 述 第2章 机械零部件的摩擦、磨损、润滑 潘 海 兵 潘 海 兵 q 摩擦 是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； q 磨损 是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； q 润滑 是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。 摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相 互关系的理论与应用的一门边缘学科。 随着科学技术的发展，摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观，由静态 进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研究的领域。 世界上使用

2、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。 概 述2-1 Date2 潘 海 兵 潘 海 兵 摩 擦 二、摩擦的分类 内 摩 擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。 外 摩 擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。 静 摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。 动 摩 擦：在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对

3、滚动。 q “机械说” 产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用； q “分子说” 产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用； 一、摩擦的机理 q “机械分子说” 两种作用均有。 2-2 Date3 潘 海 兵 潘 海 兵 1785年，法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来 又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用 材料粘附概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘附理论。 摩 擦 三、 种滑动摩擦状态 （详细介绍） . 干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。 2-2 Date4 潘 海 兵 潘 海 兵 简单黏附理论模型：在干摩擦

4、条件下，可将较硬表面坚硬的轮廓峰在较 软表面上犁出“犁沟”时所需克服的阻力忽略不计，则摩擦力 结点材料的剪切强度极限，MPa； 真实接触面积，mm2 摩擦力，N Date5 潘 海 兵 潘 海 兵 对于理想的弹塑性材料真实接触面积A为: 故得： 金属的摩擦系数为： B、sy是指相接触两种金属中较软者的剪切强度极限与压缩 屈服极限。 上述结论不完全符合实际。为此，鲍登等人于1964年又提出了 一种更切合实际的修正黏附理论。 大多数金属的的B/sy值均较接近，所以摩擦系数相差甚小。 Date6 潘 海 兵 潘 海 兵 修正黏附理论认为:在摩擦情况下，轮廓峰接触区同时有压应力 和切应力存在。金属材料

5、的塑性变形同时取决于压应力和切应力 的复合作用，而不仅仅取决于金属材料的压缩屈服极限。 故修正后的粘附理论为: 粘附理论与实际情况比较接近，可以在相当大的范围内解释 摩擦现象。 在工程中,常用金属材料副的摩擦系数是指: 在常规压力与速度条件下，通过实验测定的一个常数。 Date7 潘 海 兵 潘 海 兵 . 边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其 摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。 （详细介绍） 边界摩擦 边界膜分类：吸附膜、反应膜 物理吸附膜润滑油中的极性分子与金 属表面相互吸附而形成 化学吸附膜润滑油中的分子靠分子键 与金属表面形成化学吸附 化学反应膜润滑油中的化学添

6、加剂与金属 进行化学反应而形成的膜 Date8 潘 海 兵 潘 海 兵 3 流体摩擦（流体润滑） 流体膜厚度大到足以将两 表面的粗糙峰完全隔开，就形 成了流体润滑。因为摩擦完全 发生在流体内部分子之间，金 属表面无磨损，这是理想的润 滑状态。 根据流体膜形成原理，流体润滑可分为： 流体静压润滑人为的在两运动副表面间输入具有一定 压力的润滑油，强迫形成润滑油膜。 流体动压润滑依靠几何效应、速度效应、粘度效应及供油 量自动形成油膜的润滑。该润滑不能在两平行表间形成。 Date9 潘 海 兵 潘 海 兵 工程实际中，多数摩擦处于边界摩擦和混合摩擦状态。这 两种状态能有效降低摩擦，减轻磨损，所以设计时

7、应尽量使 运动副能维持这两种摩擦状态。 4 混合摩擦（混合润滑） 混合摩擦介于边界摩擦和液体摩擦之间。两运动副表面 间存在比边界润滑状态要厚的润滑油膜，但该油膜又不足以 完全将两表面完全隔开，从而仍有某些粗糙峰接触。 Date10 潘 海 兵 潘 海 兵 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为 不完全液体摩擦。 随着科学技术的发展，关于摩擦学的研究已逐渐深入到微观 研究领域，形成了微纳米摩擦学理论，引发出许多新的概念 ，比如提出了超润滑的概念等。从理论上讲，超润滑是实现摩 擦系数为零的摩擦状态，但在实际研究中，一般认为摩擦系数 在0.001量级（或更低）的摩擦状态即可认为属于超润滑。

8、关于 这方面的研究也是目前微纳米摩擦学研究的一个重要方面。 Date11 潘 海 兵 潘 海 兵 磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会 影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。 在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈 磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了解。 一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即： 磨合阶段 新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。 稳定磨损阶段 属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。 剧烈磨损阶段 属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。 对磨损的研究开展较晚，20世纪50年代提出粘

9、着理论后，60年代在相继研 制出各种表面分析仪器的基础上，磨损研究才得以迅速开展。 （详细介绍） 磨 损2-3 Date12 潘 海 兵 潘 海 兵 F磨粒磨损 也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰 尖所引起的磨损。 F冲蚀磨损 流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在摩 擦表面引起的磨损。 F微动磨损 是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合 磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。 F粘附磨损 也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时 的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一 个表面，便形成

10、粘附磨损。 F疲劳磨损 也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下 ，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。 关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为： F腐蚀磨损 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩 擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。 磨 损 2-3 Date13 潘 海 兵 潘 海 兵 运动粘度 粘度分类 动力粘度 条件粘度 牛顿黏性定律 X Y o h U 1）粘度 粘度的物理意义： 反映流体粘滞性大小 衡量流体抵抗剪切变形的能力 标志着流体内摩擦阻力的大小 第一层油与上板同速流动 最下层油与底板一样静止不动 由于油的粘滞性，沿Y方向油层以

11、不同速度u沿X 方向移动，于是润 滑油在油层厚度h内形成层流动。 1 润滑剂：气体、液体、半固体和固体 2-4 润 滑 1.润滑油：有机油、矿物油、化学合成油。 Date14 潘 海 兵 潘 海 兵 h U X Y o 沿Y方向的速度变化率 （速度梯度）表示为： 牛顿在1687年指出： 层流流体各油层间的剪应力 与其速度梯度成正比。即： 公式中的“”表示为油层的速度 u 随 y 的增大而减小。 Date15 潘 海 兵 潘 海 兵 h U 流体单位面积上的剪切阻力 比例常数，即流体的动力粘度 动力粘度又称绝对粘度，主要 用于流体动力学计算中。 其单位为: 牛顿内摩擦定律: 牛顿流体符合牛顿内摩

12、擦定律的流体被称为牛顿流体。 Date16 潘 海 兵 潘 海 兵 运动粘度测得的动力粘度与相同温度下该流体的密度的比值，即 ： 条件粘度测得的动力粘度与相同温度下该流体的密度的 比值。用E表示。 润滑油的粘温效应：粘度随温度升高而降低，随温度降 低而升高。粘度随温 度变化的程度用粘度指数衡量， 粘度指数越高，粘度随温度的变化越小，说明粘温 性能越好。 润滑油的粘压效应：粘度随压力升高而提高。压力越高 粘压效应越明显。 Date17 潘 海 兵 潘 海 兵 2）油性（润滑性）指润滑油中的极性分子吸附于摩擦表面 的性质 。油膜与金属表面 的吸附能力越强，润滑性越好。 3）极压性 化学合成油中的极

13、性分子生成抗磨损、耐高压 化学反应边界膜的性能。 4）闪点油在标准仪器中加热所蒸发出的油汽，一遇火焰即 能发出闪光时的最低温度，称为油的闪点 5）凝点在规定条件下，使液体不能再自由流动的最高温度 6）氧化稳定性 3. 固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。 2.润滑脂：润滑油+稠化剂 润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点 ，决定工作温度。 Date18 潘 海 兵 潘 海 兵 提高油性、极压性 延长使用寿命 改善物理性能 添加剂的作用 油性添加剂 极压添加剂 分散净化剂 消泡添加剂 抗氧化添加剂 降凝剂 增粘剂 添加剂的种类 为了提高油的品质和性能，常在润滑油或润滑脂中加入

14、一些分量虽小但对 润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。 2 添加剂 Date19 潘 海 兵 潘 海 兵 润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有： 滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 用于低速 用于高速 油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需润滑的零件上 。润滑脂还可以用于简单的密封。 3 润滑方法 常用的润滑装置 浸油与飞溅润滑喷油润滑 Date20 潘 海 兵 潘 海 兵 流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产 生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。 英国的雷诺于1886年继前人观察

15、到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理 论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论 开始有所突破。根据摩擦面间油膜形成原理流体润滑可分为3种。 流体润滑原理简介 一、流体动力润滑 （动画） 2-5 Date21 潘 海 兵 潘 海 兵 1 流体动力润滑 适应场所：低副零部件 润滑所属类型：流体润滑 几何条件：两摩擦表面不平行，润滑油从 大口进，从小口出 润滑形成条件 运动条件：两摩擦面具有一定的相对运动速度 且要连续不断供油 粘度条件：润滑油具有一定的粘度 Date22 潘 海 兵 潘 海 兵 弹性流体动力润滑理论是研究在点、线接触条件下，两弹性 物体间的流体动力润滑膜的力学性质。这时的计算必须把在油膜 压力下，摩擦表面的变形的弹性方程、表述润滑剂粘度与压力间 关系的粘压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油 膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题。 （详细说明） 2 弹性流体动力润滑 Date23 潘 海 兵 潘 海 兵 2 弹性流体动力润滑 适应场所：高副零部件 该类润滑计算综合考虑的因素： 1. 考虑两摩擦表面的弹性变形 2.考虑液体