摩擦理论PPT课件

.,1,第5章摩擦理论,基本概论固体接触的摩擦液膜介质的摩擦材料的摩擦特性,滑动摩擦定律润滑摩擦机理滚动摩擦,.,2,5.1、基本概论,什么叫摩擦：相对运动的接触表面产生能量耗散的效应，称之为摩擦。摩擦类型：运动状态（动、靜）运动形式（滑动、滚动）润滑状况（干、流体）摩擦不是材料固有的特性，而是摩擦幅一种系统响应,.,3,5.2、固体接触的摩擦,5.2.1滑动摩擦库伦定律：经典摩擦四定律摩擦力与载荷成正比F=W摩擦因数与名义接触面积无关静摩擦因数大于动摩擦因数摩擦因数与滑动速度无关,.,4,.,5,.,6,.,7,.,8,酚醛树脂聚酯树脂环氧树脂,.,9,聚乙烯聚丙烯尼龙,.,10,5.2.2滑动摩擦机理：,5.2.2.1机械啮合理论：（Amontons)1699年提出：摩擦由于表面粗糙峰的相互啮合、碰撞以及弹性变形，特别是硬粗糙峰嵌入软表面后在滑动过程中形成的犁沟效应。,摩擦力F=W摩擦因数=tan,对于机加表面粗糙度，5。,.,11,接触面积,.,12,5.2.2.2粘着摩擦理论,F.P.Bowden和D.Talor提出：两金属表面在摩擦过程中会形成金属接点，并在接点处发生剪切。此外，较硬表面的的凸点会在较软的表面上产生犁沟，因此摩擦力可有两项之和来表示。,F=T+Pe=Aa+SpeT为剪切力，Pe为犁沟力；,滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程；瞬间高温粘着剪切滑动,.,13,粘着摩擦机理,对于金属材料，摩擦力主要是两滑动表面间金属接点的粘着效应，而忽略犁沟过程。粘着摩擦力分量：FaAraa：干摩擦的剪切强度局部有液膜时：FaAra+(1-)f:无润滑液的面积分数，f：液膜的剪切强度f=V/h（动力粘度，V速度，h厚度）,.,14,粘着摩擦机理,粘着系数：aFa/WAra/W=a/pr,对于塑性接触：,对于弹性接触：,(p75),.,15,粘着摩擦机理,aF/W=a/H结论：摩擦力与接触面积无关摩擦力与载荷成正比指导意义：在金属表面镀(涂)一层低剪切强度的膜可降低摩擦因数，如软金属、润滑剂、氧化膜等.,对于多数金属而言：H5k，ak，a1/5,.,16,粘着摩擦机理,（a）剪切力使粘着接点长大在简单粘着理论中，分析实际接触面积时只考虑受压屈服极限Hs，而计算摩擦力时又只考虑剪切极限a。实际上，在相对滑动摩擦状态时，由于存在切向力，接触点的变形是法向应力和切向应力联合作用的结果。,.,17,粘着摩擦机理,根据强度当量理论的一般规律，假定当量应力形式为：,为待定常数，,即：,若切向力F0，接触点的压应力为H，pmH。,（1）,.,18,粘着摩擦机理,大多数金属材料满足b=0.2H，可求得=25,实验证明25,Bowden等人取=9（Ar）0表示无切应力的接触面积；(F/W)表示摩擦力引起接触面积的增加；因此剪切力使接触面积显著增加，所以得到比简单粘着理论大得多的摩擦因数值，也更接近于实际。,.,19,表面能效应,拉宾诺维奇（Rabinowicz)提出，在材料滑动过程中，粘结点的尺寸不仅取决于塑性变形过程，而且受到表面吸引力的作用影响，推出摩擦因数。法向负载W使压头压入dx所作的功等于材料塑变功与表面能变化之差。,表面粘差模型,粘着摩擦机理,.,20,s为软金属的剪切强度，H为硬度，Wad为粘着功，为表面粗糙度角，r为微凸体的接触面积。,表面粘差模型,粘着摩擦机理,进一步推导出：,.,21,粘着摩擦机理,粘着功Wad=a+babab是一个难确定的参数Wad=C(a+b)，C为互溶性系数(0.125C1)结论：增加材料硬度，降低界面粘着功，可减摩作用降低摩擦副间金属互溶性，可起到减摩作用。表面越光滑，摩擦因数越大。,.,22,小结,粘着摩擦理论首先测出了实际接触面积只占名义接触面积的极小部分；揭示了接触峰点的塑性流动和瞬间高温对于形成粘着结点的作用。同时相当完善地解释了许多滑动摩擦现象。如摩擦力与名义接触面积无关、表面膜的减摩作用、滑动摩擦中的跃动现象以及粘着磨损和材料转移现象。,.,23,5.2.2.3形变摩擦机理,犁沟效应是硬金属表面的粗糙峰嵌入软金属内，在滑动中推挤软金属，使之塑性流动并犁出一条沟槽。犁沟效应的阻力是摩擦力的组成部分。在磨粒磨损和擦伤磨损中，它是摩擦力的主要分量。微凸体与软材料相接触的投影面积为：,圆锥粗糙峰的犁沟模型,犁沟横断面积为：AH=rh,假定材料各向同相性，则：,.,24,大多数工程表面，微凸体相对水平的角度都很小，一般小于50，犁削分量仅不到0.056。半径为R的球形微凸体与软表面的犁削：若犁削宽度小于球形微凸体的半径：,若犁削宽度大于球形微凸体的半径：,.,25,摩擦因素与r/R的变化,球压入的深度越深，摩擦因素越大,.,26,5.2.2.4变形-犁削-粘着理论,20世纪70年代N.P.Suh认为摩擦是由微凸体的变形、磨粒和微凸体对表面的犁削以及粘着三者综合作用的结果。纯铁与钢在室温氩气中摩擦实验,.,27,.,28,.,29,.,30,.,31,.,32,.,33,.,34,.,35,.,36,.,37,.,38,.,39,5.2.3滚动摩擦,滚动摩擦是一个表面在另一表面上作流动时遇到的阻力，滚动摩擦因素在510-310-5，而干滑动摩擦的摩擦因素在0.11.0。,.,40,滚动摩擦,滚动摩擦因数：e=FR/W严格意义上，滚动摩擦因数是单位距离上驱动力F所做功与法向载荷之比。fr=FL/L/W=F/W=e/R滚动类型自由滚动：只有法向力受制滚动：有法向力和切向牵引力曲线滚动：在曲线滚道内,.,41,5.2.3.1摩擦机理,微观滑移：弹性滞后：塑性变形：粘着作用：,.,42,a)微观滑动,1）雷诺(Reynolds)滑移雷诺在1876年对滚动摩擦的性质作了详细研究。认为两个弹性模量不同的物体Hertz接触时，导致接触区产生不同程度的变形，因此表面产生微观滑动。微观滑动摩擦力作用着的滑移区是引起滚动阻力的原因之一。,如：硬圆柱体在橡胶上滚动。加载后，圆柱体在橡胶中压入一条沟槽，压缩引起的伸长在1处比2、3处要大。在滚动过程中，A、B表面伸长的大小也不同，B是弹性体，表面伸长大；而A弹性差，表面伸长小，则A和B的界面由于伸长的差异而发生滑动。,.,43,2）卡脱微滑,两圆柱体相互滚动时，在滚动方向有切向牵引力。在接触区内两轮的摩擦力相反。主动轮1的表层进入接触区时受到压缩，而在离开接触区中点后受到拉伸;,a)微观滑动,动轮2的表层进入接触区时受到拉伸，而在接触区中点后受到压缩。这样两轮的表层会产生不同情况的弹性变形，因此产生相对滑移。,.,44,3）希思柯特(Heahcote)滑移,当一个球在槽型滚道内滚动时，球滚动时的瞬时转动中心并不是两物体的接触点，而是绕瞬时轴线AA转动，在接触区内各接触点与旋转轴线的距离不同，即各点的线速度不同，于是引起球上各接触点相对于槽发生滑移。这种滑移是由球和槽型滚道的结构特点引起的。由滑移引起的阻力与槽半径或槽和球的曲率半径差有关。,微观滑动,.,45,b)弹性滞后,当材料受力变形时，在弹性范围内，如果将应变量放大，常常发现加载线和卸载线不重合，加载线高于卸载线，如图所示，即加载时用于变形的功大于卸载时材料放出的功，有一部分功被材料吸收，这种现象叫做弹性滞后。,加载线和卸载线所围成的封闭回线，称为弹性滞后回线。弹性滞后回线所包围的面积，表示材料在一次应力循环中以不可逆方式吸收的能量。,.,46,b)弹性滞后,1952年泰伯提出滚动摩擦的弹性滞后理论，假定滚动阻力是由于滚动材料中的弹性滞后损耗造成的，即在滚动时物体变形的过程中，表面承受压缩及扭转二者的联合作用，弹性变形能在接触消除时大部分得到恢复，但是由于松弛效应的缘故，释放的能量比原先的能量要小，这个差别被看成滚动摩擦损耗。,滚动摩擦力与滞后损失系数、滚动体的几何形状、作用载荷及两接触物体的弹性模量有关。,.,47,b)弹性滞后,需要指出的是：滚动接触区中材料的应力状态与简单拉伸大不相同。因此，圆柱滚动时弹性滞后损失系数约为简单拉伸试验所测的3倍；,弹性滞后损失与变形速率有关。在低速情况下，接触区后部的材料有充分的时间恢复变形，接触区的压力基本上是对称分布的，所以滚动摩擦阻力小；而在高速滚动时，滚动摩擦阻力增大。,.,48,c)塑性变形,金属物体滚动接触时，若接触压力超过一定数值，首先在距接触表面某一距离处产生屈服。产生塑性变形是需要能量的。其表现为滚动摩擦阻力，可根据弹塑性力学计算。,一个球体在平面上滚动，球体在第一次滚过平面时就在平面上形成一条塑性变形的滚道，泰伯求得这种滚动摩擦力的经验公式为,.,49,3.2.3塑性变形,滚动阻力主要是由滚动球体前方的塑性变形造成的。滚子半径越大，接触面积和弹性变形愈小，滚动摩擦阻力也愈小。在设计滚动摩擦机械时，要想减小滚动摩擦阻力，应尽可能地采用较大的滚子半径，并减小接触面积或弹性变形，也就是选择合适的材料副。,.,50,d)黏着作用,滚动摩擦时，摩擦副之间也会产生黏着，但滚动摩擦产生的黏着接点在分离时，其方向是垂直于界面的，因此没有接点的增大现象。而滑动摩擦时所产生的接点在分离时，其方向与界面相切，因此有接点的增大现象。这是滚动摩擦系数小于滑动摩擦的原因之一。,.,51,Coulomb(1785年)最早用实验方法得出滚动摩擦定律：滚动阻力系数fr与滚动体半径R的乘积是一个常量，也就是滚动摩擦系数k或者偏心距e为常量。它们的数值取决于摩擦副的材料性质，而与载荷大小无关。Dupuit(1837年)提出了修正公式，通常称为Dupuit定律，即,式中，D为滚动体直径；滚动摩擦系数k为由材料和表面状况确定的常量，不随速度和载荷而变化。滚动摩擦定律末涉及滚动摩擦机理，它可以近似地应用于工程计算。,5.2.3.2动摩擦定律,.,52,5.3液膜介质的摩擦,当接触界面上有润滑性较好的液膜时，表面能产生的粘着力，可能会导致很高的静摩擦力、动摩擦力和磨损。两光滑表面构成的摩擦副中，液膜产生的静摩擦是一个重要的问题。滑动所需力等于真实摩擦力Fi与粘滞力Fs之和，粘性力是弯月面和粘性效应的复合力，因此有：,r没有弯月面时的摩擦因数，Fm为法向弯月面力，Fvl为滑动方向粘性力,摩擦因数,.,53,两平面间液膜的弯月力,Am为弯月面面积，L为液体表面张力，为润湿角，h为膜厚,.,54,液体粘性力,液体介质接触产生的粘性力分量可按下式计算,为比例常数，为液体粘度，ts分离两表面的时间,.,55,两平面间液膜的粘性力,例：两个半径为10mm的圆形平面之间充满了厚度10nm的水膜拜（L=73nN/m，=60)，计算其粘着力。,解：Am=2R2,.,56,接触界面液膜对静、动摩擦因素与液膜厚度h和表面粗糙度Rq有关，摩擦力是h/Rq的函数当h/Rq3时，界面完全浸入液体中，不存在弯月力，只发生液膜剪切，摩擦力很小。,.,57,5.4材料的摩擦特性,影响材料摩擦因数的因素有接触表面、配副材料、表面处理、工作条件。材料本身的性质：成分、结构、硬度、互溶性=s/s=s/(H/3),.,58,不同材料的动摩擦因素(空气,干),.,59,润滑材料与硬表面的动摩擦因素（空气、室温）,.,60,5.4.1金属的摩擦特性,（1）摩擦特性洁净金属表面接触时具有很大的粘着作用，导致高摩擦因数和高磨损率。氧化膜和污染膜显著降低摩擦因素。延展性的金属摩擦因素较高，六方金属及非六方金属具有低摩擦因数，铬表面有坚韧的氧化膜，能起减摩售后服务。合金的低于纯金属巴氏合金、黄铜、青铜和灰铸铁具有较低的摩擦因数,.,61,硬度,.,62,表面膜,氧化膜和硫化膜的减摩作用（）,.,63,（2）工况的影响,滑动速度、接触压力、温度、环境及相对湿度有很大关系。（3）接触表面粗糙度,.,64,速度,.,65,表面粗糙度,.,66,温度,.,67,陶瓷的摩擦特性,陶瓷是以共价键或离子键相结合，性能稳定、硬度高，延展性低、接触面积小，摩擦因数低。断裂韧度低是影响陶瓷摩擦磨损一个重要因数。载荷、滑动速度、温度和试验持续时间影响陶瓷的摩擦性能。,.,68,聚合物的摩擦特性,聚合物具有低摩擦因数和中等磨损率；弹性模量低，只有金属和陶瓷的1/10；聚合物的摩擦主要来自粘着、变形和弹性粘滞。温度对聚合物的摩擦因数影响大。,.,69,载荷,.,70,减摩材料,1巴氏合金：锡基：Sn(7893%)+Sb(414%)+Cu(38%)铅基：Pb+Sb(1018%)+Sn(020%)成本低，高温强度好，亲油，有自润滑性2铜基轴承合金3聚合物：尼龙，聚四氟乙烯4自润滑轴承（无油轴承）5边界润滑轴承6金属基轴承,.,71,自润滑轴承（无油）,金属基板（低碳钢、铜合金、不锈钢），上面烧结铜粉，同时在铜粉上高温轧粘PTFE和Pb作为内层。金属基板保证了轴承能够承受较高的机械强度，而铜粉则使金属基板与轴承衬里之间能够更好的结合，这种结构提高了轴承的尺寸稳定性与热传导性。同时，PTFE内层使摩擦变得极