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1、第三章第三章 摩擦、磨损和润滑摩擦、磨损和润滑3-1 3-1 摩擦摩擦 1）在外力作用下，一物体相对另一物体运动运动时，其法向力引起两物体接触面产生切向力，这种现象称为摩擦摩擦，这种切向力称为摩擦力摩擦力。 2）存在于两物体表面间的摩擦称为外摩擦外摩擦。 3）流体运动时，由于分子间相互作用产生粘剪力，这种存在于流体内部的摩擦称为内摩擦内摩擦。4）按照两表面的润滑状况，摩擦分为：干摩擦干摩擦边界摩擦边界摩擦流体摩擦流体摩擦流体润滑流体润滑混合摩擦混合摩擦一、干摩擦一、干摩擦 不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的摩擦称为干摩擦干摩擦。摩擦力的大小：摩擦力大小可表示为：二、边界摩擦二
2、、边界摩擦 两表面加入润滑油后，不满足流体动压条件或动压力较低、油膜较薄时，在金属表面只形成一层边界膜（物理吸附膜或化学反应膜）。这种摩擦状态称为边边界摩擦。界摩擦。三、液体摩擦（流体润滑）三、液体摩擦（流体润滑） 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为液体摩擦液体摩擦。实现液体摩擦有下列三种方法:1.流体动压润滑流体动压润滑2.2.弹性流体动压润滑弹性流体动压润滑考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影响的动压润滑称为弹性流体弹性流体动压润滑动压润滑( (弹流润滑弹流润滑) )。两表面的距离 称为平均油
3、膜厚度。接触区的出口处油膜变薄,这种现象称为“颈颈缩缩”,此处两表面距离 称为最小油膜厚度最小油膜厚度。3.3.流体静压润滑流体静压润滑用油泵将润滑油经过节流器以所需要压力注入被润滑表面的油室,再由油室的封油边流回油箱。四、混合摩擦四、混合摩擦当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦混合摩擦。3-2 3-2 磨损磨损运动副表面材料不断损失的现象称为磨损磨损。单位时间内材料的磨损量（体积、重量、厚度等）称为磨损率磨损率。零件的磨损过程大致可分为三个阶段。1.跑和磨损阶段跑和磨损阶段2.稳定磨损阶段稳定磨损阶段3.剧烈磨损阶
4、段剧烈磨损阶段根据磨损机理可将磨损分为: :1.粘着磨损2.磨粒磨损3.疲劳磨损4.冲蚀磨损5.腐蚀磨损3-2 3-2 磨损磨损3-3 3-3 润滑剂和添加剂润滑剂和添加剂润滑剂是润滑油、润滑脂和固体润滑剂的总称一、润滑油的粘度一、润滑油的粘度润滑油的粘度反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，也是内磨擦力大小的标志。剪切应力与流体沿y方向速度的梯度成正比，即定义为流体的粘度。上式称为牛顿流体粘性定律牛顿流体粘性定律,凡符合此定律的流体称为牛顿流体牛顿流体,否则称为非牛顿流体非牛顿流体。1.动力粘度图示,长、宽、高各为1m的流体，如果使立方体顶面流体层相对底面流体层产生1m/s的运动速度，
5、所需要的外力F为1N时，则流体的粘度为1Ns/m，叫做“帕秒”，常用Pas表示。用这种方法定义的粘度为动力粘度动力粘度。粘度的表示方法粘度的表示方法流体的动力粘度与同温度下的密度的比值,称为 运动粘度运动粘度:恩氏恩氏粘度粘度是相对粘度的一种,它是用200ml的粘性流体,在给定的温度t下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间,与同体积蒸馏水在20时流经相同毛细管所需时间的比值来衡量流体的粘性。恩氏粘度用 表示。2.运动粘度运动粘度的单位是cm/s叫做“斯”,常用St表示。3.相对粘度1.粘温特性二、润滑油的粘温特性和粘压特性二、润滑油的粘温特性和粘压特性润滑油的粘度随温度变化的指数关系:2.润滑
6、油的粘压特性 粘度和压力的关系近似表 示为:三、润滑油的其它特性三、润滑油的其它特性1.油性2.闪点和燃点 3.凝点4.极压性5.酸值四、润滑脂及其主要性能四、润滑脂及其主要性能在润滑油中加入适量的稠化剂，加热后混合均匀，冷却成为润滑脂。润滑脂的性能指标主要有针入度、滴点、析油量、机械杂质、灰分、水分等。（1）针入度（2）滴点五、固体润滑剂五、固体润滑剂六、添加剂六、添加剂第十二章第十二章 滑动轴承滑动轴承12-1 12-1 概述概述滑动轴承的滑动轴承的基本结构一、滑动轴承的分类 按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为: 液体摩擦轴承非液体摩擦轴承液体动压润滑轴承液体静
7、压润滑轴承 按滑动轴承承受载荷的方向可分为:径向滑动轴承推力滑动轴承二、滑动轴承的特点和应用非液体摩擦滑动轴承：结构简单，使用方便。损耗较大。液体摩擦轴承的特点有：（1）在高速重载下能正常工作，寿命长。（2）精度高。（3）滑动轴承可做成剖分式的，能满足特殊结构的需要。（4）液体摩擦轴承具有很好的缓冲和阻尼作用，可以吸 收震动，缓和冲击。（5）滑动轴承的径向尺寸比滚动轴承的小。（6）起动摩擦阻力较大。12-2 12-2 滑动轴承的结构形式滑动轴承的结构形式一、径向滑动轴承1.整体式径向滑动轴承整体式轴承结构简单,磨损后间隙过大时无法调整;轴颈只能从轴承端部安装和拆卸。2.剖分式径向滑动轴承剖分式
8、径向滑动轴承装拆方便,还可以通过增减剖分面上的调整垫片的厚度来调整间隙。二、推力滑动轴承推力轴承由轴承座和推力轴颈组成12-3 12-3 轴瓦的材料和结构轴瓦的材料和结构轴承材料指的是轴瓦材料滑动轴承的失效形式主要是轴瓦的胶合和磨损一、对轴瓦材料的要求（1）有足够的疲劳强度（2）有足够的抗压强度（3）有良好的减磨性和耐磨性（4）具有较好的抗胶合性（5）对润滑油要有较好的吸附能力（6）有较好的适应性和嵌藏性（7）良好的导热性（8）经济性、加工工艺性好轴瓦的应用轴瓦的应用弹塑瓦滑动轴承应用弹塑瓦滑动轴承应用弹塑瓦推力滑动轴承应用弹塑瓦推力滑动轴承应用弹塑瓦径向滑动轴承应用弹塑瓦径向滑动轴承应用二、
9、常用的轴瓦材料及其性质轴瓦材料可分为三类： 金属材料、粉末冶金材料和非金属材料金属材料包括轴承合金、青铜、黄铜、铝合金和铸铁（1）轴承合金轴承合金又称白金或巴氏合金锡基轴承合金，如ZChSnSb10-6，ZChSnSb8-4铅基轴承合金，如ZChPbSb16-16-2，ZChPbSb15-15-3这两种轴承合金都有较好的跑合性、耐磨性和这两种轴承合金都有较好的跑合性、耐磨性和抗胶合性。但轴承合金强度不高，价格很贵。抗胶合性。但轴承合金强度不高，价格很贵。在钢或铜制成的轴瓦内表面上浇注一层轴承合金，这层轴承合金称轴承衬轴承衬，钢或铜制成的轴瓦机体称瓦背瓦背。（2）青铜抗胶合能力仅次于轴承合金，强
10、度较高铸锡磷青铜铅青铜铝青铜（3）黄铜（4）铝合金（5）铸铁（6）粉末冶金材料（7）轴承塑料三、轴瓦结构轴瓦的瓦背和轴承衬的联接形式见下表整体式轴瓦整体式轴瓦轴瓦和轴承一般采用过盈配合剖分式轴瓦剖分式轴瓦为了向摩擦表面间加注润滑剂,在轴承上方开设注油孔为了向摩擦表面输送和分布润滑剂,在轴瓦内面开有油沟整整体体式式剖剖分分式式液体摩擦轴承的油沟应开在非承载区,周向油沟应靠近轴承的两端。对某些载荷较大的轴承,在轴瓦内开有油室 值大表明摩擦功大,温升大,边界膜易破坏,其限制条件为:12-4 12-4 非液体摩擦轴承的计算非液体摩擦轴承的计算一、非液体摩擦径向滑动轴承的计算1.验算压强 压强P 过大可
11、能使轴瓦产生塑性变形而破坏边界膜, 且一旦出现干摩擦状态则加速磨损。应保证压强不超过允许值p,即MPa2.验算 值MPam/s3.验算速度对于跨度较大的轴m/s二、非液体摩擦推力滑动轴承的计算1.验算压强MPa2.验算 值三、非液体摩擦径向滑动轴承的配合12-5 12-5 液体动压形成原理及基本方程液体动压形成原理及基本方程液体摩擦轴承分为:流体动压轴承流体静压轴承径向轴承推力轴承轴颈和轴承两相对运动表面间完全被一层油膜所分开一、流体动压润滑形成原理1.基本假设(1) 两板间流体作层流运动;(2) 两板间流体为牛顿流体,其粘度只随温度变化, 忽略压力对粘度的影响,且流体不可压缩;(3) 与两板
12、M、N相接触的流体层与板间无滑动出现;（4）流体的重力和流动过程中产生的惯性力可以略去;（5）由于间隙很小，压力沿y方向大小不变;（6）平板沿Z方向无限长，所以流体沿Z方向无流动。2.流体动压力的形成及承载原理从层流运动的油膜中取一微单元体进行分析,可得此式说明压力沿x方向的变化率与速度梯度沿y方向的变化率成正比。流体动压力的形成和压力油膜承载原理靠运动表面带动粘性流体以足够的速度流经收敛形间隙时,流体内所产生压力叫流体动压力流体动压力间隙内具有动压力的油层称为流体动压油膜流体动压油膜3.形成流体动压的条件形成流体动压的必要条件是:(1)流体必须流经收敛间隙,而且间隙倾角越大则产生的油膜压力越
13、大。(2)流体必须有足够速度(3)流体必须是粘性流体二、流体动压基本方程将此式变形并积分，得此式称为一维流体动压基本方程，也叫一维雷诺方程一维雷诺方程12-6 12-6 液体动压径向滑动轴承的计算液体动压径向滑动轴承的计算一、径向滑动轴承的工作过程二、径向滑动轴承的几何参数及其基本方程的形式1）几何参数几何参数此式即为动压径向滑动轴承的基本方程三、承载系数和最小油膜厚度计算影响最小油膜厚度的因素很多，可以用一个表示这些因素综合影响的无量纲数承载量系数承载量系数对（12-8）积分整理得沿垂直方向的总油膜力:2）基本方程形式）基本方程形式轴承稳定工作时,外载荷 和总油膜力和垂直分量P相平衡,即（1
14、2-10）由式（12-10）可得（12-11）设计时,根据长径比L/d用式(12-11)计算 ,然后由滑动轴承图查得 ，再由下式计算得 。最小油膜厚度必须满足四、滑动轴承的热平衡计算在热平衡状态，对于非压力供油的径向滑动轴承有轴承的设计计算就是选择合适的参数，使轴承的最小油膜厚度（ ）满足式（12-12），使温升（ ）在规定的范围。作用在轴颈上的径向载荷 ，轴颈直径 和轴的转数 ，以及轴承的工作条件等。五、耗油量和摩擦功率（1）耗油量（2）摩擦功率W六、滑动轴承主要参数和选择在液体摩擦滑动轴承设计中已知条件通常是：1.轴承长颈比L/d的选择2.相对间隙和轴承配合的选择选择的经验公式为3.润滑油
15、的选择及粘度的确定4.最小油膜厚度许用值的确定七、滑动轴承摩擦特性曲线12-7 12-7 多油楔动压轴承简介多油楔动压轴承简介一、多油楔滑动轴承当轴承具有一个压力区时称单油楔轴承单油楔轴承椭圆轴承摆动油楔轴承三油楔轴承二、多油楔推力轴承根据瓦块固定与否，分为固定瓦固定瓦和摆动瓦推力轴承摆动瓦推力轴承12-8 12-8 润滑剂与润滑装置润滑剂与润滑装置一、滑动轴承用润滑剂的选择1.液体摩擦轴承用润滑油的选择(1)重载有冲击时的选择较高的粘度;(2)高速、轻载时选择较低的粘度2.非液体摩擦轴承用润滑剂的选择非液体摩擦轴承有的用润滑油,有的用润滑脂。这要用系数K来估计当 时可选用润滑脂来润滑, 时则
16、需用润滑油润滑二、润滑方式及润滑装置润滑方式有连续润滑连续润滑和间歇润滑间歇润滑注油器针阀式油杯用润滑脂时，一般采用间歇式润滑。用润滑油时，对于小型、低速或间歇运动的机器也可采用间歇式润滑。比较重要的轴承应当采用连续润滑方式，常用的连续润滑有以下几种：滴油润滑 油杯润滑 浸油润滑 飞溅润滑 压力循环润滑油芯式油杯油杯润滑研究型课组一研究型课组一1 1）“齿轮传动齿轮传动齿轮传动齿轮传动”接触强度的讲解是从赫兹公式解决接触强度的讲解是从赫兹公式解决接触强度的讲解是从赫兹公式解决接触强度的讲解是从赫兹公式解决 高副接触问题展开；高副接触问题展开；高副接触问题展开；高副接触问题展开； “滑动轴承滑动
17、轴承滑动轴承滑动轴承”液体动压的讲解，是从雷诺方程解液体动压的讲解，是从雷诺方程解液体动压的讲解，是从雷诺方程解液体动压的讲解，是从雷诺方程解 决低副润滑问题展开。决低副润滑问题展开。决低副润滑问题展开。决低副润滑问题展开。一、几点讨论一、几点讨论一、几点讨论一、几点讨论两类接触两类接触两种算法两种算法两个章节之间有哪些内在联系？两个章节之间有哪些内在联系？2 2 2 2）经典雷诺理论曾否认点、线接触副有油膜存在的可经典雷诺理论曾否认点、线接触副有油膜存在的可能性；经典赫兹理论在齿面线接触问题中，也没有能性；经典赫兹理论在齿面线接触问题中，也没有涉及润滑油膜问题。但是，人们早就发现涉及润滑油膜
18、问题。但是，人们早就发现“润滑良润滑良好的重载齿轮经长期运转后其工作齿面仍保留着原好的重载齿轮经长期运转后其工作齿面仍保留着原原有的加工刀痕原有的加工刀痕”。3 3）上世纪上世纪60年代，赫兹理论与雷诺理论终于成功地结年代，赫兹理论与雷诺理论终于成功地结 合起来应用于齿轮接触润滑问题。合起来应用于齿轮接触润滑问题。 这一现象说明了什么这一现象说明了什么？研究者们创新出什么理论？研究者们创新出什么理论？由公式可看出，它只注重高副（点、线接触）弹由公式可看出，它只注重高副（点、线接触）弹性条件下，接触压力性条件下，接触压力PH与接触应力与接触应力H的分布状态的分布状态问题，并未考虑润滑油的受压与流
19、动状态及其在问题，并未考虑润滑油的受压与流动状态及其在高副中所起的作用问题。高副中所起的作用问题。 赫兹公式被用来解决高副接触强度问题。它是根据赫兹公式被用来解决高副接触强度问题。它是根据完全弹性体的静态接触条件得出的。通常被用来作完全弹性体的静态接触条件得出的。通常被用来作为点、线接触副的设计依据。为点、线接触副的设计依据。 雷诺方程被用来解决低副接触润滑问题。它雷诺方程被用来解决低副接触润滑问题。它通过对低副接触润滑假设、边界条件建立、微通过对低副接触润滑假设、边界条件建立、微元体分析、平衡式求出，最后应用流量连续条元体分析、平衡式求出，最后应用流量连续条件推导出普遍意义的方程。件推导出普
20、遍意义的方程。 但由于雷诺方程是在低副条件下导出的，对于但由于雷诺方程是在低副条件下导出的，对于高副情况，其部分假设条件及数值计算关系都已高副情况，其部分假设条件及数值计算关系都已发生了变化。若不改变假设条件或简化方法，仍发生了变化。若不改变假设条件或简化方法，仍按经典雷诺理论进行分析、计算，就会出现与实按经典雷诺理论进行分析、计算，就会出现与实际完全不符的结果。这也是经典雷诺理论曾否认际完全不符的结果。这也是经典雷诺理论曾否认点、线接触副有油膜存在的主要原因之一。点、线接触副有油膜存在的主要原因之一。二、研究历程二、研究历程。接触压力将使表面产生弹性变形，从而使接接触压力将使表面产生弹性变形
21、，从而使接触表面曲率半径增大并使油膜增厚。触表面曲率半径增大并使油膜增厚。所以，马丁方程只适用轻载齿轮刚性接触问题，若所以，马丁方程只适用轻载齿轮刚性接触问题，若用它计算重载条件下的齿间油膜厚度，将会产生很用它计算重载条件下的齿间油膜厚度，将会产生很大的误差。大的误差。 1）1916年马丁（年马丁（Martin）对雷诺方程进行了数值）对雷诺方程进行了数值 计算，推导出齿轮接触面间油膜厚度方程：计算，推导出齿轮接触面间油膜厚度方程：但他忽略了重载引起的两个关键问题但他忽略了重载引起的两个关键问题:。接触区内很高的压力将使润滑油的粘度成倍增接触区内很高的压力将使润滑油的粘度成倍增 加，从而使油膜厚
22、度也显著增加。加，从而使油膜厚度也显著增加。 但由于格鲁宾只考虑到油膜入口区的情况，没有对但由于格鲁宾只考虑到油膜入口区的情况，没有对出口区的赫兹压力分布和变形进行修正。所以，它出口区的赫兹压力分布和变形进行修正。所以，它还不能满足流量连续条件。还不能满足流量连续条件。3 3 3 3）19591959年，道森年，道森年，道森年，道森DowsonDowson和希金森和希金森和希金森和希金森HigginsonHigginson 获得了使流体动压分布同弹性变形相协调获得了使流体动压分布同弹性变形相协调获得了使流体动压分布同弹性变形相协调获得了使流体动压分布同弹性变形相协调 的数值解，的数值解，的数值
23、解，的数值解，并应用于齿轮传动并应用于齿轮传动并应用于齿轮传动并应用于齿轮传动。 道森公式计算的是出口区（颈缩区）的油膜厚度，道森公式计算的是出口区（颈缩区）的油膜厚度，道森公式计算的是出口区（颈缩区）的油膜厚度，道森公式计算的是出口区（颈缩区）的油膜厚度，它适用于重载时弹性接触的齿轮，并使计算它适用于重载时弹性接触的齿轮，并使计算它适用于重载时弹性接触的齿轮，并使计算它适用于重载时弹性接触的齿轮，并使计算值与实测值更为接近。至此，道森的研究进一步完值与实测值更为接近。至此，道森的研究进一步完值与实测值更为接近。至此，道森的研究进一步完值与实测值更为接近。至此，道森的研究进一步完善了齿轮弹性流
24、体润滑理论。善了齿轮弹性流体润滑理论。善了齿轮弹性流体润滑理论。善了齿轮弹性流体润滑理论。 4）19671967年，道森提出适用于弹性变粘条件下年，道森提出适用于弹性变粘条件下年，道森提出适用于弹性变粘条件下年，道森提出适用于弹性变粘条件下 的道森油膜厚度公式的道森油膜厚度公式的道森油膜厚度公式的道森油膜厚度公式基于此，道森对经典赫兹图形进行了大胆地修正，基于此，道森对经典赫兹图形进行了大胆地修正，同时推导出适用于弹性变粘条件下的著名齿轮油同时推导出适用于弹性变粘条件下的著名齿轮油膜厚度公式。膜厚度公式。维持流量连续的唯一途径是出口区表面弹性变形趋于维持流量连续的唯一途径是出口区表面弹性变形趋
25、于恢复，即间隙减小形成颈缩。由于存在颈缩，其相应恢复，即间隙减小形成颈缩。由于存在颈缩，其相应的位置上必将出现二次压力峰的位置上必将出现二次压力峰道森道森5 5 5 5）1972197219721972年特里年特里年特里年特里TallianTallian提出齿轮的部分膜弹流提出齿轮的部分膜弹流提出齿轮的部分膜弹流提出齿轮的部分膜弹流 润滑理论。润滑理论。润滑理论。润滑理论。6 6）19741974年年年年 艾金（艾金（艾金（艾金（AkinAkin）应用道森）应用道森）应用道森）应用道森- -希金森公希金森公希金森公希金森公 式分析了各种渐开线齿轮的润滑问题。提式分析了各种渐开线齿轮的润滑问题。
26、提式分析了各种渐开线齿轮的润滑问题。提式分析了各种渐开线齿轮的润滑问题。提 出直齿、斜齿、锥齿、弧齿齿轮的节点啮出直齿、斜齿、锥齿、弧齿齿轮的节点啮出直齿、斜齿、锥齿、弧齿齿轮的节点啮出直齿、斜齿、锥齿、弧齿齿轮的节点啮 合油膜厚度的一系列计算公式。合油膜厚度的一系列计算公式。合油膜厚度的一系列计算公式。合油膜厚度的一系列计算公式。 近百年来，众多科研人员计算油膜厚度的公式近百年来，众多科研人员计算油膜厚度的公式近百年来，众多科研人员计算油膜厚度的公式近百年来，众多科研人员计算油膜厚度的公式都有各自的假设或简化，因而也都有一定的使用都有各自的假设或简化，因而也都有一定的使用都有各自的假设或简化
27、，因而也都有一定的使用都有各自的假设或简化，因而也都有一定的使用范围，超过一定的界限就会引起较大的误差。范围，超过一定的界限就会引起较大的误差。范围，超过一定的界限就会引起较大的误差。范围，超过一定的界限就会引起较大的误差。 所以，到目前为止，齿轮弹性流体润滑的研究所以，到目前为止，齿轮弹性流体润滑的研究所以，到目前为止，齿轮弹性流体润滑的研究所以，到目前为止，齿轮弹性流体润滑的研究一直还在继续着一直还在继续着一直还在继续着一直还在继续着 。三、小结三、小结 从从刚性等粘条件刚性等粘条件下的马丁方程，到下的马丁方程，到弹性变粘条弹性变粘条件件下的道森公式，研究者们为齿轮的下的道森公式，研究者们为齿轮的弹性流体润弹性流体润滑理论滑理论奠定了坚实的基础奠定了坚实的基础。而这些公式和方程恰而这些公式和方程恰恰又都是雷诺方程数值计算的结果。由此，找到恰又都是雷诺方程数值计算的结果。由此，找到了研究的交叉点和切入点。了研究的交叉点和切入点。
