（机械设计及理论专业论文）高副传动机构的摩擦学设计.pdf

摘要 摘要 在现代工、中，摩擦磨损是导致机械失效的主要原因。随着工业文明的发展，提高 机器的可靠性和寿命已经成为现代设备的首要问题之。但现实巾，1 程师在设计机器 零件时仍然以强度理论为主导，很少会在设训的初期，考虑具体的工作条件而采用有效 的方法来减轻摩擦、磨损。这不仅给以后的设备维修带来i a - _ n e ，而且造成了大量的人j 和物力的浪费。 从本质上讲，摩擦学设计就足合理的设计机构，使得设备在运转过程中可以保证良 好润滑状态的要求，从而能够剔除设备的最大破坏因素磨损。本文继承了主动摩擦 学设计思想，以机械传动一 j 的高副传动系统为研究列象，推导山以摩擦润滑设训参数为 j ：体，同时兼顾强度要求的齿轮摩擦学设计公式。对于齿轮传动，本文考虑了单双齿交 替啮合的现象，计算了齿轮 尚合时沿齿面油膜厚度以及压力的分饰。还提出了磨合阶段 的磨损对构件表面的粗糙度的影响会引起摩擦副l f 常工作时润滑状态的改变，计算了磨 合阶段的磨损量。并在摩擦学公式的推导中，考虑了这一因素，使得公式合理实用。 利用m a t l a b 软件计算，摩擦学设计公式在各种工作条件下的结果，同强度公式与润 滑条件公式的计算结果比较、分析，对公式进行了修正优化，使得公式更加符合实际设 计的要求。经仿真模拟，证明了推导的齿轮摩擦学没计公式的可行性。 本文在着重讨论齿轮传动机构的摩擦学设计的同时，对凸轮的摩擦学设计也进行了 初步的探讨。 关键词：摩擦学设计，润滑，磨损，传动机构，齿轮 生i 型! 奎兰至：! 兰堡篁兰：= ： 圣圣塑量 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o - m a c h i n ea n du l t r a p r e c i s i o nm a c h i n e , t h et r i b o l o g yd e s i g n h a sr i s e na n db e c o m et h ef o c u so fs t u d i e s i nm o d e mi n d u s t r i e s w e a l i st h em a i nf a c t o rf o rt h e m a c h i n ef a i l m e s oh o wt oi n c r e a s et h es t a b i l i t ya n dl i f e t i m eo ft h em a c h i n e r yh a sb e e nt h e i m p o r t a n tw o r k 南rt h ed e s i g n e l ：b u ti nr e a l i t y t h ee n g i n e e r sn s et h es t r e n g t hf o r m u l aw h e n t h e yd e s i g nm e c h m f i s ms y s t e m0 1 m a c h i n ep a r i s ，c o n s i d e r i n gf r i c t i o na n dw e a rl i u l e i tb r i n g s m u c hd i f f i c u l t i e st ot h ef i l t u r em a i n t a i na n dc a u s ea 鲫td e a lo f w a s t e t h et r i b o l o g yd e s i g ni st oe n s u r et h ed e v i c ei ng o o dl u b r i c a t i o nc a s eb yw e e d i n gt h eb a d f a c t 0 1 w e a r i nt h i sp a p e r , t h eh i g hp a i rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sc h o s e na st h es t u d yo b j e c t s ，m a d e m p h a s i si sl a i do nt h eg e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e m c o n s i d e r i n gt h a tt h es u r f a c er o u g h n e s sw i l l a f l i ：c t st h el u b r i c a t i o nc o u d i t i o n t h ea b r a s i o nq u a n t i t yi sc o m p u t e dd u r i n gt h ew e a l t r a n s i t i o n p h r a s e a l s ot h ef i l m t h i c k n e s si sc a l c u l a t e dc o n s i d e r i n gt h ea l t e r n a t i o no fs i n g l e d o u b l et e e t h m e s h i n g o nt h eb a d so ft h ea b o v ew o r k c o m b i n i n gf i l es t r e n g t hf o r m u l a ，t h ed e s i g nf o r m u l a f o rg e a rs y s t e mi sp r o p o s e dt a k i n gt h et r i b o l o g yr e q u i r e m e n t sa st h eb a s i so f t h ed e s i g n u s i n gt h es o f t w a r e ，m a t l a b ，w ec o m p u t et h er e s u l t so ft h ed e s i g nf o r m u l au n d e rt h e c o n d i t i o n sw h e ns o m ep r i m a r yp a r a m e t e r sv a r y , a n dm o d i f yi tm o r er e a s o n a b l e t h r o u g h s i m u l a t i n ga n dc a l c u l a t i n ga g a i n ，t h er e s u l t ss h o wt h a ti tc a nb eu s e du n d e rs o m ed e f i n i t e c o n d i t i o n st od e s i g ng e a r s i ts a t i s f i e sb o t ht h er e q u e s to f t h es t r e n g t ha n dt h el u b r i c a t i o n m o r e o v e nt h i sp a p e ra l s om a k eap r i m a r yd i s c u s s i o no nt h ec a md e s i g n k e y w o r d s ：t r i b o l o g yd e s i g n ，l u b r i c a t i o n ，w e a r , t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，g e a r i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取碍的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名椰陟蜊：，列年6 月二同 l 、 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究一：研率虹 导师签名序上 时l n j ：冲6 月上f 同 时问埘年6 月五诣 山东理工大学硕上学位论文绪论 1 1 摩擦学的形成及发展 第一章绪论 摩擦学作为一门实践t ：! d k 强的技术基础学科，它的形成羽i 发展1 j 社会的，f i 产要求和科 学技术的进步密切相关，心而摩擦学形成。j 发展问实际生活密f i 可分，其研究模式和范 畴也随着社会的进步在不断的发展。 摩擦学是研究作相对运动f l j i 巧表面m 的摩擦行为的科：学。它的璐本1 人j 容足研究工件表 面的摩擦、磨损和润滑问题。摩擦是两个物体l 目对运动的物体往其接触丽j i 发生的切向 | j i = i 抗现象；磨损是摩擦表研j j 物质不断消耗的过程；润滑则足撒少摩擦、磨损的重要于 段。这三者是相互联系，密f i 可分的。 据考古学显示人类存史- 6 1 f , , j 代就对摩擦问题发生兴趣，并有了简单的应用。然而，对 丁摩擦问题的研究则要晚的多，其研究肯最早可以追溯到1 5 世纪的达芬奇。他曾经 使用大理石做实验并最早确立的摩擦力与法向压力成正比的概念。他还对滑动轴承的磨 损问题作过研究，并提出j 合理的建议。早= l j j 的润滑研究也是从滑动轴承开始的。1 8 8 3 年俄国科学家彼得罗夫提出了有润滑的两同心圆柱体问摩擦力的表达式。同年，英国人 托尔在研究机车车辆轮轴和轴承的性念时，发现轴转动时润滑油中会产生很高的流体压 力。三年后，水力学家雷诺( k e y n o l d s0 ) 根据托尔试验发表了被称为对建立流体润滑 理论具有历史性意义的论文，论证了产生流 车= 压力的原理，为流体润滑技术奠定了理论 基础。其后在摩擦、磨损和润滑三个方面的科学都有了长足的发展。但仅从一个方面去 研究，很难探明摩擦所引起的复杂现象，也就很难解决实践中提出的许多问题。随着生 产和科学的发展，节约能源和对机器的性能和町靠性的要求月益提高，摩擦磨损和润滑 问题显得越来越重要。因此在本【l = = 纪六十年代后期，摩擦、磨损、润滑发展成为门独 移的交叉学科，称之为“摩擦学”。它涉及到多i l j 学科，这使得摩擦学研究具有更强的实 践性，成为当今最活跃的交叉学科。 摩擦现象是普遍存在的。据统计，目前世界能源消耗有1 3 到l 2 以各种形式表现为 摩擦损耗，因摩擦导致的磨损又是机械失效的主要原因之一，为修复或更换因摩擦损坏 的零件要花费很多资金和人力。如果能充分利用摩擦学知识和技术，对机械进行合理的 设计，则在提高机械性能、延长使用寿命和避免失效事故方面会节约大量的能源。因此 摩擦学的研究和应用对于国民经济的发展有着十分重要的意义。而且随着生产的发展， 机械设备和新材料不断涌现，也提出了许多有待解决的问题，这也使得摩擦学成为推动 现代生产和技术进步的重要学科。 山东理1 犬学硕t - 学位论文 经过近儿百年的发展，摩擦学的研究与应用越来越受到人们的重视。1 8 世纪的特点 是以试验为基础的经验研究模式。1 9 世纪末，开创了基于连续介质力学的研究模式。摩 擦学的研究是存近几十年中迅速发展起来，到现在已经呈现出白热化的状态。从2 0 世纪 2 0 年代开始，摩擦学逐渐发展成为涉及数学、力学、机械学、材料科学和物理化学等许 多学科的综合研究学科。 1 i 1 国际发展现状 1 9 6 5 年英吲教育科学研究部发表关于摩擦学教育和研究报告，首次提h5t r i b o l o g y 。词扼要的定义为“关于摩擦过程的科学”。此后，由于摩擦学对于丁农业生，。和人民牛 活的巨大影响，现在已经受到世界各国的普遍重视。摩擦学理论与应用作为一门独立的 学科，其研究进入了个新的时期，成为近几l 、年来迅速发展的学科，并得到h 益j l 泛 的应用1 9 州1 。 随着鲜沦j ，应用研究的深入丌鹾，为j 有效的发挥摩擦学在经济建设中的潜在效益， 摩擦学研究的发展将逐渐由宏观进入微观，山定性进入定量，由静态进入动态。同时研 究领域也在逐步扩展，丌始从分析摩擦学现象为丰逐步向着分析与控制相结合，甚至以 控制摩擦学性能为目标的方向发展。此外，摩擦学研究工作也从以往主要面向设备维修 和技术改造逐步进入机械产品的创莉设计。 现代科学技术的发展对摩擦学研究起着巨大的推动作用。计算机科学和数值分析技 术的迅猛发展使得许多复杂的摩擦学现象有可能进行精确的定量计算：各种材料表面微 观分析仪器的丌发和广泛应用，为麽损表而层的分析提供了磨损机理的研究手段。同时 材料科学的迅速发展，产生许多新材料并促使表面处理新技术的不断涌现，这刘磨损研 究向着广度和深度的发展起着重要的推动作用。表面处理技术已成为近年来摩擦学研究 中发展最为迅速的领域之；纳米科技的发展派生出一系列的新学科，纳米摩擦学或称 微观摩擦学就是其中之一。纳米摩擦学提供了一种新的研究模式，即从原子尺度上揭示 摩擦磨损与润滑机理，从而建立材料微观结构与宏观特性之问的构性关系，这将更加符 合摩擦学的研究规律。纳米摩擦学的出现标志着摩擦学发展进入了一个新阶段。 摩擦学问题中各种因素错综复杂，涉及到多门学科，因此多学科的综合分析是摩擦 学研究的显著特点。随着理论研究和实验技术的日益先进，摩擦学研究由单一学科研究 进入多学科的综合研究。 目前国际上流行的研究主要集中在如下几个方面口”： i 润滑设计 目前在大型系统的轴承设汁计算中广泛采用润滑设计方法，进行轴承的承载能力、 摩擦功耗、油膜稳定性等问题的核算。在高副接触传动和大型工程机械也考虑润滑设计 问题。润滑设计的特点是理论与实验修正相结合，。泛采用数值解，主要的发展是以数 山东埋工大学硕士学位论文 绪论 值解为基础的弹性流体动力润滑理论，其理论是随着计算机技术和数值分析技术的迅猛 发展而得到的，已经建立了分别考虑摩擦表面的弹性变形、热效应、表面形貌、润滑膜 的流变学特性、非稳态工况等实际因素的影响，甚至多参数的综台影响。为齿轮传动、 凸轮设计、滚动轴承等的设计核算提供理论依据。 “磨损设计 由于磨损是机械设备的主要失效形式之一，造成的经济损失十分乜大，所以材料的 磨损机叫圾提高耐磨性的研究受到摩擦学界的广泛重视。材料的埘麝性与多种因素有关 受制于摩擦学系统的影响，人致有接触条件、环境介质和工况等，接触条件包括接触表 面的形状、表j i i t i 糙度、表面加工质量、材料本身的理化性能、相配材料的强度、硬度 等：环境介质j i 要是润滑剂其特性由润渭剂本身的基本特性及添加剂因素等决定：工 况也楚比较难于全面考虑的问题，包括载荷、速度、环境条件等的，曼化。所以说龄损问 题的五许究是相当复杂的，要综合考虑全丽的囚素是非常阐难的目前磨损计+ 辫的模剐很 多，都是研究工作者考虑不i 亓 f f j 条件而得出，其使用条件是有限的，并没有公认n 勺汁算 公式，所以利用其设计是 l ；j | 难的。日前的表而t 程、表面处理新技术主要研究的内容为 摩檫、磨损问题。 i i i 纳米瘁擦学 纳米摩擦学是在9 0 年代迅速兴起，主要从事纳米尺度的摩擦学研究，理论分析主要 是计算机分子动力学模拟，测试仪器为各类扫描探针显微镜。钊目前主要研究集中在材 料微观摩擦磨损机理与控制，表面与界面分予工程，通过材料表面微观改性和纳米涂层， 或建立有序分子润滑膜，以获得优异的减摩耐磨性能。其应用主耍在计算机磁记录设备 超精密和微型机械，形成了一定的研究成果，但研究远远达不到要求，还没有提到设计 的议程。 其它方面也有定的发展，生态摩擦学、牛物摩擦学等与其它学科交叉，如人工关 节的置换，是机械与生物学科的交叉结合研究的产品。 打摩擦学设计 木谍题所研究的摩擦学设计是在摩擦学研究的基础上发展起来的新的设汁方法。随 着摩擦学研究的深入，摩擦学设计被提到了重要地位。在各个研究领域现行的摩擦学设 计摹本上只是对存在摩擦学特征的系统进行摩擦、磨损和润滑的计算。因此，现行的摩 擦学设计只是被动进行校核计算。 在国际上，目6 u 摩擦学设计还没有发展起来，对于运动副的摩擦学计算是一个古老 的课题，现在采取了不同的计算方法进行计算和简化，如在高副设计中的弹流润滑分 析、热弹流、热微弹流等，对己经设计的轴承和高副传动系统进行检验，流体润滑轴 承的计算现在已较为成熟，但是并没有提出采用摩擦学进行设计，其主要参数仍按非 摩擦学凶素得到，摩擦学设计是刚刚起步的科学。 i h 东理工大学硕士学位论文绪论 1 1 2 国内发展现状 摩擦学的研究最早在我国兴起始于六十年代，同样是伴随机械工业的发展而得到人 们的重视。许多学者对摩擦学研究的重要意义表示了高度的关注，这使得摩擦学的发展 提升到很重要的位置，促进了摩擦学的迅速发展。到目前为止，我国的学者就摩擦学的各 个方而进行了广泛的研究，以逐步接近于困际发展水平i l 刮。但是由于影响摩擦学研究的 因素十分复杂、多变，很难掌握其规律性，冈此对于摩擦学的研究大部分都停科在理沦 研究的层面上。有的学者从研究摩擦学的基础理论入手，研究了造成磨损的本质原因 i ”。“，以及防止磨损的方法，提出了各种基本磨损理论、润滑理论等。还有部分学者从 具体应刚方面入手，针对某一具体应用范围，研究了具体的机械零件的摩擦磨损理沦， 如齿轮，凸轮，轴承等，提出了很多啦一有成效的没汁理念和具体公式”。其- ，曲庆文 等学者提出了摩擦学的主动设订方法，并对高副传动机构进行了基础研究工作 。 试验是我们进 j ：设计的重要工作，j + 以为摩擦廓损润滑理论的验证提供了大量的实 际设计数据。山于试验条件的限制，给摩擦学试验仿真的发展提供了充分的发展空问， 很多学者和机构在仿真方面作了大量的研究工作p 8 删，提供了仿真试验平台，利用仿真 技术模拟我们可以在短时问进行大量的摩擦靡损试验，方便快捷，而且可以节省大量的 人力物力。 国内的些研究机构和学者还就摩擦学的设计知识应用进行了研究。其研究结果主 要应用j + 大型汽轮发电机、内燃机、大型工程机械等大功率设备。清华大学、西安交通 大学等都在进行摩擦学领域的研究，提出了摩擦学设计的思想，北京航空航天大学进行 了内燃机缸套活塞环系统的摩擦学设计，得出了较有意义的结果；清华大学摩擦学国家 重点实验室则主要以高副齿轮传动为主，进行高副条件下的摩擦学性能计算和实验，分 析瞬态响应；西安交通大学润滑理论及轴承研究所则以摩擦学大系统理论为指导，进行 摩擦学知识获取及系统设计。 1 1 3 摩擦学设计知识的网络集成 摩擦学系统是机器系统的一种抽象，它有三个基本特性：系统依赖性，时间依赖性 以及跨学科的特性。由于这三个特性，摩擦学设计中的建模十分困难，而知识的获取就 成为最重要的一项任务。数字模拟、物理实验和在线运行系统状态监测可以作为获取知 识的主要来源。 在计算机技术迅速发展的基础上，摩擦学设计知识的在线获取、网络集成现在也是 摩擦学设计虚拟技术的发展趋势之一。众所周知，摩擦学设计参数复杂众多，摩擦润滑 状态也是千变万化的，因此才产生了繁多的摩擦、磨损及润滑理论。在进行摩擦学设计 时，我们必须准确地判断研究对象的工作条件及使用环境，才能进行合理的摩擦润滑设 4 山东理工大学硕士学位论文 计。因此获取丰富详尽的摩擦学设计知识是我们进行设计的重要基础。可以准确、及时 的提供摩擦学设计所需的知识，为解决工程问题提供了简洁的途径，并且可以打破地域、 时域的限制，在最大程度促进设计人员之问的交流。国内的很多学者在这方面的研究取 得了很大的成就【2 棚删。 1 2 课题研究的目的及意义 1 2 1 研究的目的 摩擦学问世已经将近半个世纪了，有关摩擦学理论研究有了很大的发展，研究成果 也涉及到各个行业的很多方面。但是如何将已自的知识转移到：【：业应用中去，仍然是一 个没有解决的问题。谢友柏院十认为：任何产品，它的绝大部分内容在设计阶段都已经 确定，之后，可以变动的余地很少。现存，不了解摩擦学的设计师总是把摩擦问题放到 设讨的后期去处理。因为他认为到那时候有很多经验可以帮助他解决这些问题，不过真 正到了后期，仅有很少的关于摩擦学的成果叮以被采用，因为设计的大局已经按照老经 验确定了。因此，将摩擦学知识转移到工业t p 去的最有效的途径就是在设计的最初阶段 就引入摩擦学知识并行进行并行摩擦学设计。对此，曲庆文还提出在设计时以摩擦学设 计参数为主体进行设计p j 。本文的研究目的是希望可以以摩擦学的参数作为基本设计参 数，推导出咀摩擦学理论为主体的设计公式，使得设计产品首先满足摩擦学的要求，保 证润滑的需要，以避免严重磨损的出现，提高设备的使用寿命。 1 2 2 研究的意义 本文所研究的高副传动系统的摩擦学设计是以摩擦磨损控制为主导思想的设计方 法。摩擦学设计的最重要的意义在于主动控制摩擦磨损，使设计更加合理化。以往的机 械设计都是以机械的强度为核心来进行的，被动计算润滑问题，若不满足再进行结构尺 寸的调整。本文研究的摩擦学设计的主要目的是以摩擦润滑设计为中心，以形成机器的 合理的润滑状态为目标进行设计，同时兼顾强度设计，即把摩擦学设计与强度设计相结 合，推导出摩擦学设计公式，保证机器在工作过程中的润滑状态或摩擦状态，使设计的 产品首先满足摩擦学要求，剔除设备损坏率最大的因素磨损。并将理论研究结果、 试验结果同实际结果作比较，尽量推导出能够用于实际设计的合理的摩擦学设计理论。 摩擦学的研究及研究结果的应用对r 国民经济具有重要的意义。前文已经提到，在 摩擦学的研究方面，国内外的很多学者、研究机构都作了很多卓有成效的 _ 作，但上述 研究都没有把摩擦学设计的基本参数确定为设计参数，即进行主动摩擦学设计，仍然为 单纯进行摩擦学行为分析。在机械设备的使用过程中或者是设备出现摩擦磨损方面的故 山东理工人学硕士学位论文绪诒 计。因此获取丰富详尽的摩擦学设计知识是我们进行设计的重要基础。可以准确、及时 的提供摩擦学漫计所需的知识，为解决工程“题提供了简沽的途径，并且可以抒破地域、 时域的限制，在最大程度促进设计人员之间的交流。国内的很多学者在这方面的研究取 得了很大的成就 2 ”“。 1 2 课题研究的目的及意义 1 2 1 研究的目的 摩擦学问世已经将近二 个世纪了，有关摩擦学理沦研究有了很大的发服，研究成果 世陟及到各个行业的很多力面。但是空何将已囱的知识转移到工业应用叶j 支，仍然是+ 个没f j 解决的问题。谢友柏院【，认为：任何产品，它的绝大部分内容在设汁阶段都已经 确定，之后，可以变动的余地很少。现存，不了解摩擦学的设计师总是把摩擦问题放刮 设训的后期去处理。冈为他认为到那刚候有很多经验可以帮助他解决这些问题，不过真 正到了后期，仅有很少的关于摩擦学的成果可以被二 乏爿，凶为设计的大局已经按 ! l 老经 验确定了。幽此，将摩擦学知识转移到t ! 眇p 去的最有效的进行就是存设计的晟初阶段 就引入摩擦学知识并行进行并行摩擦学设计。对此，曲庆文还提出在设计时以摩擦学设 计参数为主体进行设计j 。本文的研究目的是希挚- u 以以摩擦学的参数作为基本设计参 数，推导出咀摩擦学理论为丰体的设计公式，使得设计产品首先满足摩擦学的要求，保 i f 润滑的需要，以避免严重磨损的出现，提高设各的使用寿命。 1 2 0 研究的意义 本文所研究的高副传动系统的摩擦学设计是以摩擦磨损控制为主导思想的设计方 法。摩擦学设计的最重要的意义在于主动控制摩擦磨损，使设计更加合理化。以往的机 械设计都是以机械的强度为核心米进行的，被动计算润滑问题，若不满足再进行结构尺 寸的调整。本文研究的摩擦学设计的主要目的是以摩擦润滑设计为中心，以形成机器的 合理的润滑状态为目标进行设计，司时兼哦强度设计，即把摩擦学设汁与强度设计相结 合，推导出摩擦学设计公式，保证机器在工作过程中的涡# ，状态或摩擦状态，使设计的 产品自先满足摩擦学要求，剔除设备损坏率最大的防i 素磨搬。并将理论研究结果、 试验结果同实际结果作比较，堪量推导卅能够用于实际设计的台理的摩擦学设计理论。 摩擦学的研究及研究结果的j 面用卅j 国民经济具有重要的意义。前文已经提到，在 摩擦学的研究方而，国内外的很多学者、研究机构都作了很多卓有成效的丁作，但上述 研究都没有把摩擦学设计的荜木参数确定为设计参数，即进行主动摩擦学设计，仍然为 单纯进行摩擦学行为分析。在机械设各的使用过程中或者是设备出现摩擦磨损方面的故 单纯进行摩擦学行为分析。在机械设备的使用过程中或者是设各出现摩擦磨损方面的故 山东理工大学硕士学位论文 计。因此获取丰富详尽的摩擦学设计知识是我们进行设计的重要基础。可以准确、及时 的提供摩擦学设计所需的知识，为解决工程问题提供了简洁的途径，并且可以打破地域、 时域的限制，在最大程度促进设计人员之问的交流。国内的很多学者在这方面的研究取 得了很大的成就【2 棚删。 1 2 课题研究的目的及意义 1 2 1 研究的目的 摩擦学问世已经将近半个世纪了，有关摩擦学理论研究有了很大的发展，研究成果 也涉及到各个行业的很多方面。但是如何将已自的知识转移到：【：业应用中去，仍然是一 个没有解决的问题。谢友柏院十认为：任何产品，它的绝大部分内容在设计阶段都已经 确定，之后，可以变动的余地很少。现存，不了解摩擦学的设计师总是把摩擦问题放到 设讨的后期去处理。因为他认为到那时候有很多经验可以帮助他解决这些问题，不过真 正到了后期，仅有很少的关于摩擦学的成果叮以被采用，因为设计的大局已经按照老经 验确定了。因此，将摩擦学知识转移到工业t p 去的最有效的途径就是在设计的最初阶段 就引入摩擦学知识并行进行并行摩擦学设计。对此，曲庆文还提出在设计时以摩擦学设 计参数为主体进行设计p j 。本文的研究目的是希望可以以摩擦学的参数作为基本设计参 数，推导出咀摩擦学理论为主体的设计公式，使得设计产品首先满足摩擦学的要求，保 证润滑的需要，以避免严重磨损的出现，提高设备的使用寿命。 1 2 2 研究的意义 本文所研究的高副传动系统的摩擦学设计是以摩擦磨损控制为主导思想的设计方 法。摩擦学设计的最重要的意义在于主动控制摩擦磨损，使设计更加合理化。以往的机 械设计都是以机械的强度为核心来进行的，被动计算润滑问题，若不满足再进行结构尺 寸的调整。本文研究的摩擦学设计的主要目的是以摩擦润滑设计为中心，以形成机器的 合理的润滑状态为目标进行设计，同时兼顾强度设计，即把摩擦学设计与强度设计相结 合，推导出摩擦学设计公式，保证机器在工作过程中的润滑状态或摩擦状态，使设计的 产品首先满足摩擦学要求，剔除设备损坏率最大的因素磨损。并将理论研究结果、 试验结果同实际结果作比较，尽量推导出能够用于实际设计的合理的摩擦学设计理论。 摩擦学的研究及研究结果的应用对r 国民经济具有重要的意义。前文已经提到，在 摩擦学的研究方面，国内外的很多学者、研究机构都作了很多卓有成效的 _ 作，但上述 研究都没有把摩擦学设计的基本参数确定为设计参数，即进行主动摩擦学设计，仍然为 单纯进行摩擦学行为分析。在机械设备的使用过程中或者是设备出现摩擦磨损方面的故 山东埋_ 丁大学硕学位论文绪论 障时，简单的进行一些补救工作，而这不能根本解决问题，同真正意义上的摩擦学设计 相差较远。而这正是我们提出研究本课题的意义所在。我们旨在以摩擦学设计参数为基 本设计参数，结合现行的强度理论，建立摩擦学设计公式。即在设计初期便尽量保证机 械设备在运行过程中所需要的润滑条件，避免恶劣的摩擦磨损情况的出现，这不仅可以 提高机械设备的寿命，而且可以为国民经济节约大量的人力物力。 1 3 课题的主要任务及方法 本课题的研究内容主要包括： i 高副传动系统的摩擦、磨损及润滑的计算分析： 鉴于摩擦现象的普遍存在及其影响冈素的复杂性，选择媳型 动机构一齿轮传动机 构为主要研究对象。分析影响其润滑，造成摩擦磨损的主要因素，并对多种合理假设的 情况进行计算。分析计算数据为建模及摩擦学设计公式的推导打下基础。 2 高副传动系统摩擦、磨损、润滑的建模； 由于影响摩擦磨损的因素复杂而且众多，因此计算模型的建立是进行计算的重要基 石 | 。针对所研究的基本对象的典型情况，根据困内外学者的研究理论进行一系列的假设 与简化，建立起适合基本情况的数学计算模型 3 强度理论与摩擦学设计的统一： 这一部分的任务是课题的主要创新点。采用主动摩擦学设计的理念，以摩擦学参数 为设计的基本参数，在保证机械设备在运行过程中能够保持良好润滑的条件下，兼顾强 度设计理论，并考虑磨合阶段摩擦磨损对于润滑状态的影响，推导出强度理论与摩擦学 设计理论统一的公式。 4 摩擦学设计公式的仿真优化； 利用m a t hw o r k s 公司开发的m a t l a b 软件做仿真试验，对设计公式在不同条件的计 算结果同实际设计情况相比较，不断修j f 、优化摩擦学设计公式，使设计公式符合实际 设计的需要。 5 结果计算分析 对于建立的齿轮摩擦学设计公式选择现有的典型设计数据进行计算，与常规使用的 强度理论方法相比较，进行差别分析，提出摩擦学设计公式的优越性一在保证强度需要 的基础上可以满足设备运行的润滑要求，计算旨在对以上模型进行检测，验证所建立的 模型的正确性；分析模型的准确度。 1 4 课题的关键技术 本课题是对高副传动机构进行润滑设计，以齿轮传动机构为代表，研究高副传动机 山东理工大学硕士学位论文 构在工作中的摩擦学行为并初步提出解决传动机构中存在的摩擦磨损问题。本文以主动 摩擦学设计为设计理念，提出结合强度设计公式，推导出摩擦学设计公式，希望可以在 没计的初始阶段便解决普遍存在于机械机构中的摩擦磨损问题。课题的关键技术包括下 面几点： 1 ，高副传动系统的润滑方式建模：建立以设计为丰体的润滑理论模型，建立完整的 摩擦学演算，变被动为主动。 2 ，高副传动系统的摩擦磨损方式建模：这是习润滑方式相埘应的，考虑到摩擦磨损的 _ i i 司方式，以进行设计计算 3 高剐传动系统的摩擦学失效判据模型：在设计过程中，除应遵循强度设计的基本 准则外，对摩擦学设计问题还要提出摩擦学设计的设计准9 n 以确定设计的主要 参数。 d 高副传动系统的强度理论模型：主要是对常规设计模型的修j f ，以使得有利于与 摩擦学设计的结合。 5 强度理论模型与摩擦学设计的结合建模：综合强度设计和摩擦学设计的特性，进 行综合建模，使得设计既符合强度理论又能得到理想的摩擦学设计效果。 1 5 论文结构 1 绪论 2 摩擦学基础理论 3 主动摩擦学设计 4 仿真试验与理论验证 5 结语与展望 山东理工大学颈1 ：学位论文摩擦学基础理论 2 1 前言 第二章摩擦学基础理论 本章总结了摩擦学设计的基础理论，分析磨合过程中表面磨损对予润滑状态的影响。 并针对高副传动系统中的齿轮和l r 、轮系统，分析了其基本接触情况，推导了摩擦磨损讨一 算公式及润滑计算公式。 2 2 磨合过程的有关问题 表面形貌对摩擦副性能的影响很大，由磨损和塑性变形引起的表面粗糙度变化是摩 擦学系统性能具有时变特性的主要原凼之一。磨合是初期磨损，可以引起摩擦副表面粗 糙度的变化，进而影响润滑状态。良好的磨合能够获得最佳使用粗糙度，保证零件长时 间处于良好润滑状态，延长零件寿命。因此，磨合过程中，正确预测及合理的控制摩擦 副的表面粗糙度的变化是很有必要的。 磨损是物体工作表面的物质由1 二表面相对运动而不断损失的现象，在生产中具有广 泛而重要的实际意义。不管磨损形式的分类如何，所有的磨损都存在一个共同的现象一 磨合。 磨损过程曲线，如图2 1 所示， 剧烈磨损区。跑合是指机器使用初期， 改善机器零件的适应性、表面形貌和 摩擦相容性的过程。磨损区的磨损率 较大，但随时问的延长而降低。跑合 后，尖峰高度降低，峰项半径增大有 利于增大接触面积，降低磨损速度。 跑合时，应注意由轻至重、缓慢加载， 并注意润滑油的清洁，防止麽屑进入 摩擦面而造成剧烈磨损和发热。跑合 阶段结束后，润滑油应进行更换或过 可以分为三个磨损区：跑合磨损区，稳定磨损区， 磨 损 量 r 。，7 厂。 时间 图2 1 磨损过程曲线 滤。稳定磨损区的磨损率较小，且基本为常数。磨损率既为磨损曲线的斜率，斜率越小， 磨损率越低，零件的使用寿命就越长。剧烈磨损区的磨损率很大，且随时间的延长而迅 速增加。零件经过长时间的使用后精度下降，间隙增大，润滑状况恶化，润滑油可以轻 易被挤出，从而产生振动、冲击和噪声，磨损加剧，温度升高，使零件迅速报废。 ：= = ：兰童些三垒i 筌鐾些篁兰! ! ! 一： ：! 一：! ：= ： ：= 鳖兰兰型型篁： 2 2 1 1 磨合的影响因素 加工后摩擦副表面微观和宏观几何缺陷的存在，使得配合表面在丌始摩擦时的实际 接触峰点压力很高，因而磨损剧烈。在磨合过程中，通过峰点的磨损和塑性变形，使实 际接触面积逐渐增加，而表面压力、摩擦系数和磨损率也随之降低，从而达到稳定的磨 损率进入正常磨损阶段。通过磨合磨损，不仅使摩擦副表面在几何上相互吻合，同时还 使表面层的结构和性质发生变化，获得适应工况条件的稳定的表面品质。由于磨合期表 面形态发生急剧变化，通常的磨损率都很大，可以磨去最大粗糙峰高度的6 5 7 t 5 。 影响磨合效果的因素很多，可以分为基本因素和附带因素。基本凼素是材料的原始 物理一机械性能、载荷因素和润滑剂。附带因素有摩擦时的温升和摩擦接触点l 与之有 火的各种物理一化学变化。各种因素是相互关联的。因此，要研究它们对磨合的影响并 存给定条件卜，确定最终的最佳粗糙度是很困难的。 不同材料、载荷、润滑、工作温度对磨损的影响如图2 ，2 所示。 磨 损 * 时间 磨 损 * 引 垂 一 图2 2 影响磨损量的因素 时间 它们对于磨损量的影响，有各自的特点，下面我们分别讨论各个凶素对于磨损的影响。 1 ) 载荷对磨合的影响 载荷对磨合质量和磨合时问具有很大的影响。在磨合开始阶段，薄表层的塑性变形部 9 山东理t 人学硕i + 学位论文摩擦学暴础理论 分随载荷的增加而增加，这就使得总功、发热量和能量的消耗增加。由于接触面积上压 力增加而产生很高的机械应力会使摩擦面的结构具有很大的缺陷，这就增加了金属的活 性，容易使磨损过大，造成不合理的磨合。因此应该控制极限压力，并且新机器丌始工 作时载荷不可过大。合理的磨合规范应当是逐步增加载荷和摩擦速度，使表面品质得到 相应改善，而磨合撮后阶段的上作条件应接近使用工况。 根据研究，载荷对磨损的影响是非线性的，即 1 o cp ，9 2 1 当压力不超过某个临界值仇时，磨合面的质量将得到改善；当压力超过临界值后磨合 粗糙度增大，这时将转到塑性接触，容易造成零件失效。 2 ) 原始粗糙度 提高摩擦副表面的制造和装配精度将显著的减少磨合阶段的磨损量。而表面粗糙度 的选择应根据磨损工况条件来确定。x p y t u o b 研究轴颈与轴承表面的磨合指出：不同加 工方法得到的表面，磨合后的粗糙度相同，但磨合时问不同。很多试验结果都证明：磨 合结束后的粗糙度与机械加工后所得到原始粗糙度大小无关，而取决于磨损二l ：= 况。磨合 后的孝h 糙度是给定工况条件下的最佳粗糙度，它保证磨损率最低。如果磨合前的粗糙度 接近最佳粗糙度，可以使磨合磨损量成倍的降低。 磨合后的表面粗糙度，称之为甲衡粗糙度，或者是使用丰h 糙度，其数值通常通过试 验来确定。图2 r 3 是l - l a c n e m l q 所做试验的结果。由上图我 f jj q 以看 _ | _ ，磨损与摩擦面粗 糙度的关系曲线为v 形，它与机械加工所获得的原始粗糙度大小和性质无关，而取决于 磨损条件。这个粗糙度是给定摩擦条件下的最佳粗糙度，它能保证磨损最少。在磨合后 的稳定磨损期能够保证油膜的最大稳定性。 l8 0 1 6 0 1 4 0 12 0 1 0 0 8 0 f ? ? o 3 0 4o 6 0 81 0 2 0 h c p 图2 3 平均磨损量与 原始粗糙度曲线 图2 4 润滑油粘度的影响 3 ) 材料性能和润滑剂的影响 摩擦副的磨合性能是配对材料的组合性质。磨合性能良好的材料不仅自身易于磨合 0 山东理工大学硕士学位论文摩擦学基础理论 而且有能够对互配件的磨合起促进作用。研究表明，载荷对磨合粗糙度的影响最大，但 是，当其它摩擦条件不变时，材料对磨合时微观几何形状的变化有很大的影响。 磨合后耐磨性取决于表面品质，而润滑油性质对磨合表面有显著影响。使用润滑油 是加快磨合的主要方法。图2 4 观察采用不同润滑油时磨合| j 仃后摩擦表面的形貌发现： 随着润滑油粘度的增加，磨合过程中粘着磨损所形成磨痕也较深较宽，使表面耐磨性降 低。如果在润滑油中加入适当的油性添加剂，一方而可以加速磨合过程，另方面由于 加强了吸附膜可以避免严重的粘着磨损痕迹，因而提高了表面品质。 2 2 2 磨合规范 良好的磨合对于机械设备以后的运转有着重要的意义，。般认为良好的磨合性能 表现为磨合时间短、磨合磨损量小及磨合后的表面耐磨性好。 研究磨合规范，即如何缩短磨合的持续时间并歌得最佳的磨合效果，有很重要的意 义。分析现有的材料磨合性评定方法r 一知，这些方法通常以预先规定的载荷增长规范为 基础，而现存较先进的磨合性加速试验方法是逐级加载法。 至于磨合阶段的结束标志没有明显现象。磨合何时结束对于我们保证很好磨合效果 有着很重要的意义，我们主要通过计算磨合阶段需要的大约时间来判定磨合是否结束。 所研究的摩擦副的磨合速度取决于润滑剂的质量，磨料的数量和种类以及工况因素p 、v 。 由于磨合过程中各微凸体的高度和曲率半径在改变，而接触应力相应降低，因此为了保 证规定的磨损速度，必须按函数定期的提高外载荷。在真实接触微面积的实际应力 接近弹性极限的条件f ，通过计算或试验确定初始磨合载荷，按下式计算在载荷下 的初始磨合时间， 扣堡6 一沤可) 2 - 2 v h 式中，足为具有最低级粗糙度的接触零件的平均粗糙度值：为在载荷下的初始 磨损速度，油所取得载荷增长系数，其数值一般取1 1 1 3 。 对于标有标号i 的每一级确定磨合级数”及载荷姒有， l g 争妒 j v ，= n 】”1 ；”= 车l 一 2 - 3 l g 式中， k 。为最大磨合载荷，在典型工作条件下为平均使用载荷的5 0 。则总的磨 合时间口j 按卜式计算： 1 9 鳖 趾等6 一痂) 等 2 - 4 山东理工大学硕士学位论文 摩擦学基础理论 由于磨合规范研究的重要性，国内很多的学者和机构对此作了大量的实验和理论研 究，磨合规范以及磨合加速等方面提出了很多卓有成效的理论及实验方法；在这方面的 计算机仿真也有许多重要的研究成果。 2 2 3 磨合磨损的基本方程 关于磨损的基本方程，最主要的就是麽损率计算方程的建立。磨损率计算就是建立 单位磨损厶材料的物理一机械性能、载荷条件、摩擦面的微观j l 何特性的关系。十分明 显，这砦量之间的关系取决于表面的具体破坏机理。但在计算的巾问阶段，可以抛开磨 损机理的本质。 为了简化，我们研究最简单的情况，目- i j # i 个具f j 名义j f 面物体的摩擦，其中一个是 发牛磨损的光滑变形体，而另一个是料糙刚体。材料的体积可用轮廓纵坐标分布函数 ( 轮廓支承曲线) ，。= f 。( x ) 来计算。支承f l f i 而最初开始接触的一段可以用下列幂函数来 近似表示：，。= b x ” 其中x 为以相对单位表示的截面与轮廓顶峰线的距离，x2 i 兰，6 和v 为幂近似 参数。 求压陷体积： v b = q a 。r 一6 p d x - 生型：竺! 些口 月a 2 - 5 v + j 式中，沩两物体的接近量；妫对于同一个接近量，考虑到高度为x 的接触峰点截 面积与实际接触面积不同而引入的系数，它取决于微凸体形状和接触形式；对于球状微 凸体模型，在弹性接触体情况下删5 ，而在塑性接触情况下萨l 。 在磨损过程中，我们得到单位磨损率 卜丝：竺 2 - 6 j 一 矗 爿一j 于是考虑7 、8 两式，单位磨损为 卜南。等 而磨损率为 坐墨叩， ( v + l k 矗 2 7 2 8 山东理工大学硕士学位论文 摩擦学基础理论 在式2 - 6 中，设： o ：2 f 堡坠吖 2 9 l v 将其带入式2 - 6 并经过一定的变换可得到单位磨损的另一种形式： = _ ，胆2-10i h 2 i 、了 舯t = 赤怯 j ：式2 - 1 0 可以用丁估算磨损率。当1 1 3 时，在弹性接触的情况卜，c - - 0 2 5 o 2 1 ， 在塑性接触i 高i tk = o 1 o 15 。在实际应用中，磨损率的变化范围为5 6 个数量级 i 寅存 日_ 大群席 一取决于n 佰的变化范围很大。 2 3 高副机构的磨损计算 高副传动机构是摩擦学研究的霞要对象。高副则是滚动带滑动的摩擦副，其廉损比较 难于计算，工作时，常见的是弹性接触。我们在研究弹性接触磨损的基础上，着重介绍 高副传动机构中的典型机构齿轮机构和凸轮机构的摩擦磨损计算，及其基本训算公 式。 2 3 1 弹性接触下的磨损计算 在弹性接触下，接触疲劳点蚀和摩擦疲劳是很常见的现象。研究齿轮传动的破坏后发 现主要有摩擦疲劳和磨粒磨损两种过程存在。摩擦时，在法向力和切向力的作用下，表 层材料处r 应力和变形状态。 ( 】) 循环次数的计算 疲劳循环次数的基本计算公式 2 1 l 接触点上平均压力可以按下式计算： ：4 e ，h2-12p ，2 磊盯 而单位摩擦力为f = p r ，则2 - 1 l 可以写为： 2 1 3 f 惦堕螂 上式可用于计算在未定载荷状态下引起疲劳破坏的循环次数。 为了估算在不稳定载荷条件下引起破坏的循环次数，必须根据同样状态下的强度特 性和不同状态下的某些特性来评定损伤程度。假设下列形式的应力分布函数为不同载 巾b ，) ：j p 口。 盯，)