第三章_摩擦学设计

1、 现代设计方法 摩擦学设计 周天茹 1 摩擦学 2 摩擦 3 磨损 4 润滑 5 摩擦学设计 1 摩擦学 摩擦学是二十世纪六十年代逐渐形成的一门新兴边缘学科。 摩擦学Tribology:是希腊语tribod派生而来的。 定义：摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关 理论与实践的一门科学技术。 定义中着重强调了“相对运动”和“相互作用”。通俗 来说，摩擦学就是研究相互作用表面在相对运动中过程发生 的摩擦、磨损、润滑现象的一门科学与技术，是摩擦、磨损、 润滑及其有关的实践活动的总称。 实践表明，作相对运动的接触表面在摩擦过程中，将产 生一系列的物理、化学、冶金学、力学等方面的变化，要研 究这一

2、过程和变化，必将涉及数学、物理、化学、力学、冶 金学、机械工程、材料科学、石油化工等多种学科领域。因 而，摩擦学是一门理论性和实践性都很强、综合性边缘学科。 1.1摩擦学发展概况 n史前人类的钻木取火 n祖先们在春秋时代（公元前770221年）对摩擦、磨损现 象有了一定的了解，并且已经知道采用动物油脂进行润 滑诗经中相关的记载 n西晋时代张华所著博物志最早记载了人类使用矿物油 做润滑剂 n15世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入 理论研究的途径 n 18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起，到20 世纪60年代摩擦学 成为一门独立的交叉学科 n应用及研究的领域不断扩大：机械、冶金、生物、地质、

3、音乐、体育等 1.2摩擦学研究内容 摩擦学研究的基本内容是摩擦、磨损、润滑的原理及其 应用。大体上可以包括一下几点： （1）摩擦学现象的机理 （2）材料的摩擦学特性 （3）摩擦学元件（包括人体人工关节）的特性与设计 及其摩擦学失效分析 （4）摩擦学材料 （5）润滑材料 （6）摩擦学状态的测试技术与仪器设备 （7）机器设备摩擦学失效状态的在线检测与监控以及 早期预报与诊断 （8）摩擦学数据库与知识库 1.3摩擦学的特点 （1）摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综 合发展起来的边缘学科。 （2）摩擦学是一门具有很强应用背景的横断学 科。 （3）摩擦学是一门学科边界还没有完全界定的 新兴学科。随着技

4、术的发展，摩擦学与一些先 进的技术与方法相结合，并且不断地向其他学 科渗透，从而又逐步形成新的学科分支，如摩 擦化学，摩擦学设计以及陶瓷摩擦学、高分子 材料摩擦学等。 2 摩擦 v定义：相互接触的两个物体，在外力作用下发生相对运动或具 有相对运动趋势时，接触面上具有阻止相对运动或具有相对运 动趋势的现象。 N A B F F V P 接触表面间有相对运动，就必然有产生摩擦。 要克服摩擦力，就会消耗一部分动力，从而降低 了机器的效率，而摩擦既有有害的一面，使配合 表面产生磨损，增大配合间隙，影响可靠性和精 度，但是也有有利的一面，利用摩擦来进行车辆 的行驶、机器的变速等。 为了研究摩擦、控制和利

5、用摩擦需要把各种摩 擦现象加以区分。 分类分类摩擦类型摩擦类型定定 义义特特 点点 1. 按摩擦副运按摩擦副运 动状态分动状态分 静摩擦静摩擦 当一个物体在外力作用下与另一个物体相当一个物体在外力作用下与另一个物体相 接触并产生相对运动趋势时所产生的摩擦。接触并产生相对运动趋势时所产生的摩擦。 静摩擦系数随外力的增大而静摩擦系数随外力的增大而 增大增大,有一最大值有一最大值 动摩擦动摩擦 当一个物体在外力作用下沿与它相接触的当一个物体在外力作用下沿与它相接触的 另一个物体相对运动时所产生的摩擦。另一个物体相对运动时所产生的摩擦。 2. 按摩擦副运按摩擦副运 动形式分动形式分 滑动摩擦滑动摩擦两

6、接触表面作相对滑动时所产生的摩擦。两接触表面作相对滑动时所产生的摩擦。接触点具有不同的速度接触点具有不同的速度 滚动摩擦滚动摩擦 在外力矩作用下在外力矩作用下,两物体沿接触面作相对两物体沿接触面作相对 滚动时所产生的摩擦。滚动时所产生的摩擦。 接触点具有相同的速度（速接触点具有相同的速度（速 度、大小）度、大小） 转动摩擦转动摩擦 一物体沿接触面法线与另一物体作相对转一物体沿接触面法线与另一物体作相对转 动时所产生的摩擦。动时所产生的摩擦。 3. 按摩擦副表按摩擦副表 面润滑状态面润滑状态 分分 干摩擦干摩擦 两纯净接触表面两纯净接触表面,在无任何形式的润滑剂在无任何形式的润滑剂 存在时所产生

7、的摩擦。存在时所产生的摩擦。 只有在真空中存在只有在真空中存在,工程上指工程上指 无人为润滑剂的摩擦。无人为润滑剂的摩擦。 边界摩擦边界摩擦 (润滑润滑) 两接触表面间存在一层具有润滑性能的边两接触表面间存在一层具有润滑性能的边 界膜情况下所产生的摩擦。界膜情况下所产生的摩擦。 不符合流体力学规律的润滑不符合流体力学规律的润滑 油膜称为边界膜。油膜称为边界膜。 流体摩擦流体摩擦 (润滑润滑) 相对运动的两物体表面完全被一层流体润相对运动的两物体表面完全被一层流体润 滑膜隔开时所产生的摩擦。滑膜隔开时所产生的摩擦。 摩擦主要发生在接触表面间摩擦主要发生在接触表面间 的润滑膜内。的润滑膜内。 混合

8、摩擦混合摩擦 半干摩擦半干摩擦干摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。干摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。 半流体摩擦半流体摩擦流体摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。流体摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。 4.按摩擦副按摩擦副 摩擦特性分摩擦特性分 减摩摩擦减摩摩擦 通过某种措施减小摩擦通过某种措施减小摩擦,以降低摩擦损失提高机以降低摩擦损失提高机 器效率的摩擦。器效率的摩擦。 对摩擦表面采取减摩对摩擦表面采取减摩 措施。措施。 增摩摩擦增摩摩擦 通过某种措施增大摩擦通过某种措施增大摩擦,以实现特定功能或达到以实现特定功能或达到 特种工作要求的摩擦。特种工作要求的摩擦。 如各种制动或摩擦离如各种制

9、动或摩擦离 合装置。合装置。 n此外，还有其他分类方法，这里就不再介绍了。 n以上各种类型的摩擦，只限于发生在相对运动的两物体接 触界面上，只与接触面有关与固体内部状态无关，统称为 外摩擦。 n由于冲击、拉压、振动和扭曲等，使物体（包括固体、液 体和气体）内部各部分物质之间产生相对运动，而引起内 能消散的现象称为内摩擦。对于固体，内摩擦表现为一种 迟滞或能量损失（如发热）；对于流体来说，内摩擦则表 现为液体或气体的粘性。 3 磨损 v定义：磨损是指相互作用的物体表面在相对运动中，接触 表面层内材料发生转移和损耗的过程。 v磨损的类型：依据近代对磨损的分类可以分为六种类型： 粘着磨损：是指在摩擦

10、过程中，由于粘着点的剪切作用，是 摩擦表面的材料从一个表面脱落或者转移到另一个表面的 磨损现象。一般发生在干摩擦或者边界摩擦表面上。 磨粒磨损：在摩擦过程中，由于外界硬颗粒或摩擦表面上硬 的微凸体引起表面材料脱落的现象。 表面疲劳磨损：摩擦表面在交变载荷的作用，表层材料由于 疲劳而局部剥落，形成麻点或凹坑的现象。一般在固体有 缺陷的地方最先出现。 腐蚀磨损（摩擦化学磨损）：是金属腐蚀和粘着磨损、磨粒 磨损的复合。 微动磨损：是粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损的复合。 冲蚀磨损（侵蚀磨损） 粘着磨损 疲劳磨损（点蚀） 磨粒磨损 磨损过程 1.初期磨损：即磨合阶段，磨合是磨损过程中的非均匀阶段，在整个

11、磨损过程中 所占比例很小，但磨损率很大。在磨合阶段，由于新摩擦副粗糙表面的真实 接触面积很小，应力很大，磨损很快。在良好的工作条件下，经过一段时间 或一定摩擦距离以后，表面逐渐磨平，表面粗糙度减小，过渡到正常磨损阶 段。 2.正常磨损：即稳定磨损阶段，其磨损率为常量，该阶段在整个磨损过程中所占 的比例越大，说明设备的寿命越长。 3.急剧磨损：在稳定工作达到一定时间后，由于磨损量的累积，或者由于偶然的 外来因素（工况变化）的影响，在短期内，是摩擦副的摩擦系数增大，磨损 率急剧增加，或严重发热，产生噪声等异常，致使摩擦副的零件迅速失效。 磨损量 目的 润滑剂分类 气体：空气及其它气体介质。 液体：

12、水、矿物油及液态金属等。 半固体：润滑脂 固体：石墨、二硫化钼等 主要性能指标 润滑油、润滑脂 1、对于不完全液体润滑-降低摩擦及减少磨损； 2、对于液体动力润滑-工作介质并具有冷却作用。 4 润滑 粘度流体抵抗变形的能力，标志着流体内摩擦阻力的大 小。 平行板间液体的层流流动模型 牛顿定律 y v 剪切 应力动力 粘度 速度 梯度 2.运动粘度：主要用于测量流体粘度。m2/s 1.动力粘度：主要用于流体动力计算中。Pas 2 /11msNsPa 3.两种粘度之间的换算关系： / 矿物有的密度 kg/m3 4.润滑油粘度特性 粘温特性： 温度越高、粘度越低，反之亦然。 粘压特性： 压力越高、粘

13、度越高，反之亦然。式（3-7） 一般在5MPa之下影响不大。 图3-7 全损耗系统用油的粘-温曲线 5.其它性能指标：油性、极压性、氧化稳定性、闪点、凝固点等。 针入度 （稠度） 标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。 针入度越大，润滑脂越稀；反之亦然。 滴点 在规定的加热条件下，润滑脂由标准测量杯的孔 口滴下第一滴时的温度称为润滑脂的滴点。 滴点标志着润滑脂耐高温的能力。一般润滑脂的 工作温度应低于滴点20-30C。 为改善润滑油或润滑脂的性能，以适应某些特殊的需要， 在润滑油或润滑脂中加入一些物质，称为添加剂。 自学教材p70p71相关内容 5 摩擦学设计 摩擦学设计是以摩擦学理论为基础

14、，从系统工程观点 出发，对系统进行设计的一种系统设计方法。 系统可以是机械设备、电气系统、磁记录系统等。对 机械设备而言，通过摩擦学设计最终使机械设备在使用 过程中达到尽可能小的摩擦耗损和经济、稳定的磨损率。 也就是说，摩擦学设计是使机械系统在满足磨损寿命、 磨损功耗、振动与噪声等条件下，根据摩擦学的观点对 系统进行的设计。摩擦学设计是机械设备经历了运动学 设计与强度设计以后的第三阶段设计，但是摩擦学设计 的思想应该贯穿于整个设计过程中。 影响摩擦学性能的因素非常多，而且，各种因素往往 错综复杂，涉及到多门学科的综合运用，因此，摩擦学 设计的重要特点是多学科的综合分析和运用。 5.1 摩擦学设

15、计与摩擦学 n摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用，具 有很强的实践性。从摩擦学的发展历史可以看出，随 着工程技术的发展和新产品开发的需要，出现许多重 要的摩擦学现象和摩擦学问题需要解释和解决，这就 促进了摩擦学理论的形成与发展，而摩擦学新的研究 成果反过来又为产品的设计提供理论指导，使人们设 计出更为可靠耐用的产品。 n摩擦学研究的最终目的是能够成功的应用于工程设计。 而把摩擦学的理论和最新研究成果应用于工程设计的 最合适的形式就是对产品进行摩擦学设计。摩擦学设 计就是研究如何把摩擦学的理论应用于产品设计的一 种设计方法和设计思想。 5.2 摩擦学设计的任务 n摩擦学设计是指对摩擦学系

16、统进行的设计，设 计目标是可靠和经济地实现运动保证功能。具 体包括以下内容： （1）最小目标功耗； （2）最低制造和运行成本； （3）合适的使用寿命； （4）与摩擦学行为有关的必要的可靠性； （5）与摩擦学行为有关的最大生产率。 5.3 摩擦学设计的地位与作用 n摩擦学设计是在产品完成了功能原理设计，或 说是完成方案设计之后，就必须进行地。一方 面是对产品系统进行设计；另一方面是对在摩 擦学性能方面起重要作用的所有零部件进行设 计，机械零件的摩擦学设计是在完成了运动学 设计和强度设计之后进行的。机械系统及其零 部件的摩擦学设计是其他任何设计方法所不能 替代的。 5.4 摩擦学设计的意义 n摩擦

17、是能量转换的一种形式，有摩擦就会有能 量的损耗；磨损是伴随摩擦过程而发生的必然 结果，磨损的结果是材料的损耗和破坏。 n通过摩擦学设计可以减少或避免摩擦，减少摩 擦功耗，可以节约能源。 n通过摩擦学设计可以减少磨损、延长易损件的 寿命，以减少维修和更换次数，从而节约材料 和能源，降低维护成本和提高劳动生产率。 n通过摩擦学设计可以提高产品的精度和可靠性。 在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的 表面，工作条件十分苛刻。而对于零件的整体 结构，又有关于材质的其他要求。能够使表面 材质与整体结构材质相互独立起来设计和工艺， 应予以优先考虑，这样可以用较低的成本获得 很高的表面摩擦学性能。所以，各种

18、涂层技术 以及表面工程中的其他技术近年来获得了迅速 的发展，并在摩擦学设计中得到了广泛的应用。 从总体来看，我国的摩擦学研究与国际先进 水平相比差距还很大，摩擦学设计引入工程设 计还是近几年的事情，很多工程设计人员对此 还没有充分地了解和足够的认识。致使所设计 产品的精度、可靠性和使用寿命，特别是易损 部件的寿命远远低于发达国家，在市场上缺乏 竞争力。 而在设计过程中重视和积极的对产品进行摩 擦学设计具有显著地经济效益和社会效益。 5.5 摩擦学系统 系统的定义：指相互间具有有机联系、相互作用、 相互依赖的若干组成部分（可以是环节、元素 或部件）结合而成，并具有特定功能的有机整 体。 摩擦学系

19、统：由具有特定功能的机械系统或其他 自然系统抽象而成的，由摩擦学元素构成，用 以研究摩擦学元素行为结果的系统。 5.5.1 摩擦学系统的构成 一台机器中的所有摩擦副 和支持子系统构成了一个 摩擦学系统。 摩擦学系 统 摩擦副 1 摩擦副 2 摩擦副 n 润滑子系 统 状态监测 与故障诊 断 状态补偿 与控制子 系统 5.6摩擦学设计 20世纪80年代以来摩擦学设计受到广泛的重视,但所有讨论 都集中在摩擦副的设计上,而摩擦学设计所拥有的系统依赖 性、时问依赖性和多学科、跨学科特性决定了摩擦学问题的 研究难度。摩擦学系统中实现运动保障功能的是机器中摩擦 副的全体,而不是某一个单独的摩擦副以及支持摩

20、擦副正常 工作的子系统。因而容纳系统的时变特性、跨学科性和系统 依赖性,对摩擦学进行深入而系统的研究,应该是摩擦学设计 的基本问题,即建立在渐趋成熟的设计方法、具有使用可靠 的知识资源库和解决摩擦学问题的表面工程上,用方框图可 作如下描述。 摩擦学问题广泛存在于产品的制造过程和使用过程,特别 是在机械工业方面,摩擦学设计的好坏对一个产品的性能和 使用寿命有极大影响。据调查分析,30%的工业零件因摩擦 而损坏,主要原因是摩擦学设计方法还不能在工业生产中得 到很好的应用。目前,设计一个能经济可靠地实现运动、保 证功能的摩擦学系统,主要采用的摩擦学设计方法有: l磨料磨损计算方程、粘着磨损计算方程、

21、胶合计算方程 lIBM的零磨损、可测磨损的计算方法; l组合磨损计算方法; l以数值解为基础,考虑热效应的热弹流、考虑动态效应的非 稳态流、考虑润滑剂非牛顿性的流变弹流以及分析粗糙表面 的微观弹流等润滑理论与方法; l将各种实际因素全部纳入分析的普适性最高的润滑方程 5.6.1表面形貌设计 n表面形貌设计主要是表面粗糙度的设计,当表面过于光滑 时,液体或气体润滑介质难以介入摩擦副之间,运动中导致 摩擦副表面的氧化膜破裂而发生干摩擦,易于疲劳破坏或 粘着拉脱,但是,当表面过于粗糙时,微凸体接触数量少,接触 应力大,微凸体之间发生严重的弹塑性变形,相对滑动时,摩 擦表面发生粘着磨损和表面剥离.所以

22、,如果表面粗糙度设 计得恰如其分。 n粗糙度设计的原则有三条,一是用加工精度与粗糙度相对 应的方式设计;二是与机械工况相适应的润滑模式设计,如 全膜流体动压润滑与弹流润滑的表面设计,前者对表面粗 糙度的要求较低,而后者要求较高,表面粗糙度与表面的润 滑状态密切相关。 5.6.2 润滑剂设计 1)润滑剂类型的选择 润滑剂影响摩擦副摩擦性能,其关键指标是.在设计 中,润滑剂的粘度要根据摩擦副的运动形式和工况参 数来确定,并由粘度决定相应的润滑剂类型。 当按运动形式选润滑剂时,滚动润滑选用高粘度的润 滑脂,滑动润滑选用低粘度的润滑油; 当按工况参数选润滑剂时,高速低载荷选用低粘度润 滑油,低速高载荷选用高粘度的润滑油。 另外,因为机械启动和停车时,机械的润滑状态要经 历边界润滑阶段,因此,在润滑油选择时