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1、制作 杨德勇,电 子 教 案,机械工业出版社,主编 马履中,（下册）,第三章 摩擦、磨损和润滑,第一节 摩 擦 第二节 磨 损 第三节 润 滑 第四节 流体润滑原理简介,在正压力作用下相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相互滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触面上产生抵抗滑动阻力的现象称为摩擦，此阻力称为摩擦力。,摩擦是一种不可逆过程，其结果使摩擦表面的物质丧失或转移，即发生磨损。过度磨损会使机器丧失应有的精度，产生振动和噪声，缩短使用寿命。,适当的润滑是减小摩擦、减轻磨损和降低能量消耗的有效手段。,第一节 摩 擦,摩擦的种类 1）内摩擦：发生在物质内部，阻碍分子间相对运动的摩擦。 2）外摩
2、擦：当相互接触的两个物体发生相对滑动或有相对滑动的趋势时，在接触表面上产生的阻碍相对滑动的摩擦。,静摩擦仅有相对滑动趋势时的摩擦 外摩擦 滑动摩擦 动摩擦相对滑动进行中的摩擦 滚动摩擦,滑动摩擦又分为四大类：干摩擦、边界摩擦(润滑)、液体摩擦(润滑)和混合摩擦(润滑),一、干摩擦,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。,由库仑公式知，摩擦力F与法向正压力N成正比，即,式中 f摩擦因数,在工程实际中并不存在真正的干摩擦，通常把未经人为添加润滑剂的摩擦状态，当作干摩擦处理。,摩擦力主要由两方面因素构成：一是摩擦表面间的粘着作用，另一是相对运动时较硬表面的微凸体尖峰对较软表面的
3、犁刨作用。,单位接触面上的压力很容易达到材料的抗压强度bc而使材料产生塑性流动，使接触面积进一步增大。因此真实接触面积Ar应为：,接触区产生塑性变形后，两接触表面的金属就很容易发生粘着，形成冷焊结点，如图 2-3-2。当外力驱使该两表面发生相对运动时，冷焊结点遭到剪断。设结点的剪切强度极限为b，于是可得粘着摩擦力为：,当有相对运动时，较硬材料表面的微凸体尖峰便对较软表面起犁刨作用犁出沟槽，从而产生犁刨摩擦力F2。,因此，接触表面上的总摩擦力F可如下近似确定：,若两接触表面的硬度相差不大或表面经过跑合，则干摩擦的摩擦力主要为粘着摩擦力，即FFl。这时，摩擦因数为:,大多数金属材料的比值b/sc较
4、为接近(b sc/5)，所以干摩擦的摩擦因数数值变化不大。,两个相互接触的物体，在切向力作用下开始相对滑动之前，由于粘着力的影响，接触表面上的微凸体峰部会产生一定的弹性变形。当切向力达到极限静摩擦力时，结点遭到剪断，物体产生相对滑动，于是极限静摩擦力便减小为动摩擦力，接触界面上微凸体峰部的弹性变形也随之相应减小。物体将产生突变位移才能进而成为稳定滑移，如图2.3.3所示。,若该两物体的相对运动较为缓慢(例如拉床的拉削运动、机床的进给运动)，这种突变位移可能破坏机械运动的连续性，而使接触表面间的摩擦力始终处于静摩擦力和动摩擦力的反复交迭变更之中，这种现象称为“爬行。 爬行不仅破坏了所要求的运动规
5、律，而且产生冲击和振动，对精密机械的危害极大。提高接触表面的切向刚度并减小极限静摩擦力与动摩擦力之间的差值，有利于避免发生“爬行”现象。,实践表明，合理选择摩擦副的材料匹配，采用减摩性良好和不易产生互溶的材料，选择合适的表面粗糙度和采取良好的润滑措施等，均有助于减小摩擦因数。在机械中，摩擦与机械效率密切相关，因此，摩擦副不允许出现干摩擦状态。,二、 边界摩擦,摩擦表面之间的润滑剂与金属表面形成的能保护金属不致粘着的一层极薄的薄膜称为边界膜，这时两摩擦表面的摩擦状态称为边界摩擦。,边界膜有两大类：吸附膜和化学反应膜。吸附膜又分为物理吸附膜与化学吸附膜。,化学吸附膜是润滑油分子以其化学键力作用在金
6、属表面形成保护膜，它的剪切强度与抗粘着能力较低，但熔点较高(约120C)。所以，能在中等速度及中等载荷下起润滑作用。,物理吸附膜是由分子引力所形成的。吸附膜吸附在金属表面的模型如图2.3.4所示。,在高速重载的摩擦副中，常用具有极压添加剂的润滑油。在较高的温度(约150C-200C)下，润滑油分子中含有的以活性原子形式存在的硫、氯、磷元素与金属起化学反应，生成较厚的无机物膜覆盖在金属表面，称为化学反应膜。这种反应膜有低剪切强度和高熔点，比前两种膜更为稳定，因此，可在高压、大滑动速度条件下保护金属不发生粘着。,边界摩擦时润滑油中的添加剂和温度对摩擦因数有较大的影响。因此加入脂肪酸和极压添加剂可以
7、使润滑剂在较大的温度范围内都具有良好的减摩效果。如图2.3.5 ，低温时依靠吸附膜减摩，高温时则靠化学反应膜得到减小摩擦的效果。,三、液体摩擦,当两摩擦表面被具有一定压力和足够厚度的液体层完全分隔开、表面凸峰不直接接触，这种摩擦状态称液体摩擦，也称液体润滑。 在液体摩擦状态下，其摩擦性能取决于流体内部分子之间的粘滞阻力，故摩擦因数极小(约为0.0010.008)，是一种理想的摩擦状态。摩擦规律也已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。,四、混合摩擦,当两摩擦表面不能被具有压力的液体层完全分隔开，摩擦表面间处于既有边界摩擦又有液体摩擦的混合状态称为混合摩擦。,综上所述，液体摩擦润滑状态是最理想的润滑
8、状态；干摩擦是应该避免的；边界摩擦和混合摩擦最常见，亦称边界润滑和混合润滑状态，有时也称非全液体润滑状态。,第二节 磨 损,摩擦副表面在接触或相对运动运动过程中，导致表面材料的逐渐消失或转移的现象，称为磨损。 磨损会影响机器的效率，降低机器的精度和可靠度。在一些特定的场合和情况下，工程上也利用磨损的特性来提高机器和机械零件的质量，如跑合、研磨等。,机械零件的磨损过程分为：磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。,按照磨损失效的机理，磨损主要有四种基本类型，即磨粒磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损。,（1）磨粒磨损 外界进入摩擦表面间的硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰，在摩擦过程中引起表面材料脱
9、落的现象。特征是摩擦表面沿着滑动方向形成划痕，在一些脆性材料上还会有崩碎和颗粒。,（2）粘着磨损 摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各个点产生冷焊结点，相对滑移时发生剪切断裂，被剪切的材料或者脱落，或者从运动副的一个表面转移到另一个表面。粘着磨损是金属摩擦副间一种较为普遍的磨损类型，特别是在高温、重载和润滑不良的情况下 。,（3）接触疲劳磨损 两个相互滚动或者滚动兼滑动的摩擦表面，在接触变应力作用下，其表面会形成接触疲劳点蚀，使小块金属剥落，这种现象称为接触疲劳磨损，简称疲劳磨损。接触疲劳磨损常发生在滚动轴承、齿轮和凸轮等零件的高副接触表面上。,（4）腐蚀磨损 由金属与周围介质发生化学反应或电化
10、学反应，造成摩擦副表面的损伤，统称为腐蚀磨损。,实际上，大多数的磨损都是以复合形式出现，即以上几种磨损形式相伴存在。因此对于磨损量的精确计算到目前为止还是很困难，工程上往往以几种磨损形式中某种磨损形式占主导地位来考虑。 微动磨损就是一种典型的复合磨损形式。微动磨损发生在名义上相对静止，但实际上存在循环的微幅相对滑动的两紧密接触的摩擦表面上。如过盈配合的轴与孔表面、受振动影响的联接螺纹结合面和滚动轴承的套圈配合面等均可出现微动磨损。研究证明，控制紧配合的预应力和过盈量，可以减轻微动磨损，采用适当的表面热处理或涂镀技术也可减轻微动磨损。铝对铸铁、铝对不锈钢、铸铁对镀铬层等抗微动磨损能力都很差，设计
11、时应予以注意。,第三节 润滑,在摩擦面间加入润滑剂可以降低摩擦、减轻磨损，同时润滑油膜能起到减振、防锈等作用。,一、润滑剂,（一）液体润滑剂,应用最广泛的是润滑油，有动、植物油，矿物油和化学合成油。,（二）润滑脂,用稠化剂将润滑油稠化成膏状，分钙皂、钠皂、锂皂等 。,（三）气体润滑剂,最常用的是空气，此外还有氢气、氦气、水蒸气、其它工业气体以及液态金属蒸气等,（四）固体润滑剂,常用的有无机化合物(石墨、二硫化钼、硼砂等)、有机化合物(金属皂、动物脂等)和聚合物（如聚四氟乙稀和尼龙等）,二、润滑剂的性能指标,（一） 润滑油的主要性能指标,（1）粘度 指流体抵抗剪切变形的能力，它表明流体内摩擦阻力
12、的大小，是选择润滑剂的重要性能指标。定义了两种粘度，即动力粘度(绝对粘度) 和运动粘度。,牛顿粘性定律，其数学表达式为,工程上把动力粘度与同温度下该流体的密度的比值称为运动粘度，即,GB/T3141-1994规定：以40C时润滑油的运动粘度中心值作为润滑油的粘度等级牌号。润滑油运动粘度的允许范围应在中心值的土10偏差之内。工业用润滑油粘度牌号分类、运动粘度范围及其中心值列于表2.3.1。,此外，常用的还有比较法测定粘度，称为条件粘度(或相对粘度)。我国常用的条件粘度为恩氏粘度，即在规定温度下200cm3的油样流过恩氏粘度计的小孔(直径2.8 mm)所需时间(s)与同体积的蒸馏水在20C下流过相
13、同小孔时间的比值即为该油样的恩氏粘度，以符号Et表示，其角标t表示测定时的温度。美国常用赛氏通用秒(SUS)，英国常用雷氏秒(R)作为条件粘度单位。,润滑油的粘度随着温度的变化而发生显著变化。图2.3.9为常用全损耗润滑油的粘温特性曲线。,同样，压力对润滑油的粘度也有影响，但是，低压时这种影响很小，通常忽略不计，但高压(100 MPa以上)时，影响较大，特别是在弹性流体动压润滑中不容忽视。试验研究表明，对于一般矿物润滑油的粘压关系可用下式表示：,（2）油性 又称润滑性。润滑油润湿或吸附于金属摩擦表面形成边界膜的性能称为油性。吸附能力强，则愈有利于边界油膜的形成，油性愈好。 （3）极压性 极压性
14、是指在润滑油中添加入含磷、硫和氯等的极性化合物后，油中的极性分子在金属表面生成具有耐磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。极压性能改善高速、重载、高温条件下工作的润滑油的润滑性能。 （4）凝点 润滑油冷却到不能流动时的最高温度称为凝点，是润滑油在低温下工作的一个重要指标。低温工作的场合应选择凝点低的润滑油。 （5）闪点 润滑油在标准仪器中加热，其蒸发出的油气遇火焰发生闪烁时的最低温度称为闪点，是衡量油的易燃性的一种指标。高温工况的场合应选择闪点高的润滑油。通常应使工作温度比油的闪点低3040C。,（二） 润滑脂的主要性能指标,（1）滴点 润滑脂在规定加热条件下，从标准量杯孔口开始滴下第一滴的温度称
15、为滴点，润滑脂的工作温度最少要低于滴点3050C。 （2）锥入度 将一个质量为1.5N的标准锥体，在25C恒定温度下，由表面经5秒后刺入润滑脂的深度。锥入度是表明润滑脂稠度的指标。锥入度愈小，稠度愈大、流动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻力也大。,机械中常用的润滑方法有定期润滑和连续供油润滑两种形式。,三、润滑方法,第四节 流体润滑原理简介,根据摩擦面间油膜形成的原理，流体润滑可分为流体动力润滑、流体静力润滑和弹性流体动力润滑。,一、流体动力润滑,利用摩擦副表面的相对运动，将粘性流体带进摩擦面之间，自行产生足够厚的粘性流体膜，把摩擦面完全分隔开，并利用流体膜产生的压力平衡外载荷的流体润滑称
16、为流体动力润滑。,流体动力润滑的承载机理基于楔效应原理。,如图2.3.16a所示，形成剪切流。图b ，剪切流和压力流叠加 。,二、弹性流体动力润滑,弹性流体动力润滑(Elastoydrodynamic Lubrication)，简称弹流润滑(EHL或EHD) ，首先由格鲁平提出，并主要由道森予以建立完善，被公认为是二十世纪摩擦学研究领域中的一个重要的里程碑。,图2.3.17表明了作相对滚动运动的两平行圆柱体的接触润滑模型。其典型的润滑油膜形状和油膜压力分布如图2.3.18所示。,道森给出了在等温和富油条件下，线接触“颈缩”处的最小油膜厚度的计算公式：,将上述道森最小油膜厚度公式改用无量纲参数描述为：,图2.3.20示出了G=5000时线接触副的润滑油膜厚度的等值线图。,图2.3.19是当G=5000和W=310-5时膜厚参数H与膜厚形状随着速度参数U的变化而变化的情况,初始线接触副的最小油膜厚度,通常采用膜厚比
