第4章螺纹联接与螺旋传动

1、4-1 摩擦 4-2 磨损 4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法 4-4 流体润滑原理简介 4-0 概述 第第4章章 机械零件设计概论机械零件设计概论 生活中哪些摩擦是有益的，哪些是有害的？生活中哪些摩擦是有益的，哪些是有害的？ n通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦 n滚动代替滑动可以将摩擦减小滚动代替滑动可以将摩擦减小 到原来的到原来的1/201/30 为什么加了润滑油的轴承滚动加快？为什么加了润滑油的轴承滚动加快？ n加润滑油可以使摩擦减小到原来的加润滑油可以使摩擦减小到原来的1/81/10 4-0 4-0 概概 述述 摩擦学摩擦学-研究相对运动的作用表面间的

2、摩擦、磨损研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损 和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边 缘学科。缘学科。 同样摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。同样摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。 世界上世界上1/31/2的能源消耗在摩擦上，各种机械零件的能源消耗在摩擦上，各种机械零件 因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损 是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措 施。施。 4-0 4-0 概概 述述 摩擦摩擦-相对运动的物体表面间的相互阻碍作

3、用现象；相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象； 磨损磨损-由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移； 润滑润滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施。减轻摩擦和磨损所应采取的措施。 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和 更换的。更换的。 减少摩擦减少摩擦 节省能源；节省能源； 减少磨损减少磨损 降低设备维修次数和费用，节省制造降低设备维修次数和费用，节省制造 零零 件及其所需材料的费用。件及其所需材料的费用。 一一、摩擦的分类摩擦的分类 内内 摩摩 擦：擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对在物

4、质的内部发生的阻碍分子之间相对 运动的现象。运动的现象。 外外 摩摩 擦：擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍 作用现象。作用现象。 静静 摩摩 擦：擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。仅有相对运动趋势时的摩擦。 动动 摩摩 擦：擦：在相对运动进行中的摩擦。在相对运动进行中的摩擦。 滑动摩擦：滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。物体表面间的运动形式是相对滑动。 滚动摩擦：滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。物体表面间的运动形式是相对滚动。 4-1 4-1 摩擦摩擦 1. 1. 干摩擦干摩擦 两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许两零件表面

5、直接接触后，因为微观局部压力高而形成许 多冷焊点，运动时被剪切。多冷焊点，运动时被剪切。 不允许出现干摩擦！不允许出现干摩擦！ 二、二、 滑动摩擦状态滑动摩擦状态 功耗功耗 磨损磨损 温度温度 烧毁轴瓦烧毁轴瓦 潘存云教授研制 潘存云教授研制 2. 边界摩擦边界摩擦 三、三、 滑动摩擦状态滑动摩擦状态 运动副表面有一层厚度运动副表面有一层厚度1 m的薄油膜，不足以将两金的薄油膜，不足以将两金 属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互 搓削。搓削。 比干摩擦的磨损轻比干摩擦的磨损轻，f 0.1 0.3 v 有一层压力油膜将两金属表面隔开，有一层

6、压力油膜将两金属表面隔开， 彼此不直接接触。彼此不直接接触。是理想的摩擦状态。 3. 液体摩擦液体摩擦 摩擦和磨损极轻摩擦和磨损极轻，f 0.001 0.01 v 潘存云教授研制 4. 4. 混合摩擦混合摩擦 v 混合摩擦是指摩擦表面间处于边界混合摩擦是指摩擦表面间处于边界 摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩 擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数 比边界摩擦时要小得多。比边界摩擦时要小得多。 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分， 常统称为常统称为不完全液体摩擦。不完全液体摩擦。 可实现：可实现

7、： f 0.001 -超润滑摩擦状态。超润滑摩擦状态。 机器的寿命机器的寿命 磨损磨损由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。 磨损曲线磨损曲线 磨合阶段磨合阶段 磨损量磨损量 时间时间 剧烈磨剧烈磨 损阶段损阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 4-2 4-2 磨损磨损 磨损过程如图：磨损过程如图： 磨合阶段磨合阶段-包括摩擦表面包括摩擦表面 轮廓峰的形状变化和表面材料轮廓峰的形状变化和表面材料 被加工硬化两个过程。被加工硬化两个过程。 稳定磨损阶段稳定磨损阶段-零件在平零件在平 稳而缓慢的速度下磨损。稳而缓慢的速度下磨损。 剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段

8、-在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到 破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零件即将破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零件即将 进入报废阶段。进入报废阶段。 设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈 磨损期的到来。磨损期的到来。 磨粒磨损磨粒磨损 磨损的分类：磨损的分类： 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损磨损 类型类型 按磨损机理分按磨损机理分 按磨损表面按磨损表面 外观可分为外观可分为 点蚀磨损点蚀磨损 胶合磨损胶合磨损 擦伤

9、磨损擦伤磨损 两种不同的称谓 磨粒磨损磨粒磨损 ： 磨粒磨损磨粒磨损外部进入摩擦面间的游离硬颗外部进入摩擦面间的游离硬颗 粒（如空气中的尘土或粒（如空气中的尘土或 磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很 多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹两旁，一部分则形成多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹两旁，一部分则形成 一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程 就叫磨粒磨损。就叫磨粒磨损。 潘存云教授研制 粘附磨损粘附磨损 ： 粘附磨损粘附磨损也称胶合，

10、当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处 由于瞬时的温升和压力发生由于瞬时的温升和压力发生“冷焊冷焊”后，在相对运动时，材料从后，在相对运动时，材料从 一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。严重严重 的粘附磨损的粘附磨损 会造成运动副咬死。会造成运动副咬死。 潘存云教授研制 疲劳磨损疲劳磨损 ： 疲劳磨损疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变 的摩擦的摩擦 力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨 损。

11、点蚀过程：损。点蚀过程：产生初始疲劳裂纹产生初始疲劳裂纹扩展扩展 微粒脱落，形微粒脱落，形 成点成点 蚀坑。蚀坑。 潘存云教授研制 冲蚀磨损冲蚀磨损 ： 冲蚀磨损冲蚀磨损流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬 质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。利质颗粒冲击零件表面所引起的机械磨损。利 用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时，用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时， 管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。 潘存云教授研制 微动磨损微动磨损 是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共

12、同形 成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩 擦副的相对运动。擦副的相对运动。 应用实例应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、 旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。 腐蚀磨损腐蚀磨损 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起 腐蚀，在摩擦副相对运动时所产腐蚀，在摩擦副相对运动时所产 生的磨损即为腐蚀磨生的磨损即为腐蚀磨 损。损。 一、一、 润滑剂润滑剂 作用：作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、

13、防锈等。降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。 分类分类 液体液体润滑剂润滑剂-润滑油润滑油 半固体半固体润滑剂润滑剂-润滑脂润滑脂 固体固体润滑剂润滑剂 气体气体润滑剂润滑剂-空气空气 4-3 4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法润滑剂、添加剂和润滑方法 1. 1. 润滑油润滑油 矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应 用最广。用最广。 种类：种类： 有机油有机油-动、植物油动、植物油 矿物油矿物油-石油产品，石油产品， 化学合成油化学合成油 4-3 4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法润滑剂、添加剂和润滑方法 粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻

14、力的大小，粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小， 粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈 差差 润滑 粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩氏粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩氏 粘度）等表示。我国的石油产品常用运动粘度来标粘度）等表示。我国的石油产品常用运动粘度来标 定。定。 （1）动力粘度 （2）运动粘度 3 /mkg为动力粘度，单位为Pas；为密度，单位为 sm 2 为运动粘度，单位为 。 潘存云教授研制 润滑油的特性：润滑油的特性： 1）粘）粘-温相关性温相关性 温度温度 t 压力压力p 但但p 10 Mpa时可忽略。时

15、可忽略。变化很小 粘粘-温温图图 0.080.08 0.070.07 0.060.06 0.050.05 0.040.04 0.030.03 0.020.02 0.010.01 3030 4040 50506060 7070 8080 9090 L-TSA32 L-TSA32 L-TSA32 L-TSA32 选用原则：选用原则： 1) 载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油； 2) 载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油；载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油； 粘度值的大小不仅影响摩擦粘度值的大小不仅影响摩擦 副的运动阻力，而且对润滑油副的运动阻力，而

16、且对润滑油 膜的形成及承载能力具有决定膜的形成及承载能力具有决定 性的作用。性的作用。 2. 2. 润滑脂润滑脂 -润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠 化而成。化而成。 优点：优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度 不敏感，适用范围广。不敏感，适用范围广。 缺点：缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。 3.润滑剂的使用 润滑剂选用的基本原则是：润滑剂选用的基本原则是： 在低速、重载、高温、间隙大的情况下，应选用粘度

17、较在低速、重载、高温、间隙大的情况下，应选用粘度较 大的润滑油；大的润滑油； 在高速、轻载、低温、间隙小的情况下应选粘度较小的在高速、轻载、低温、间隙小的情况下应选粘度较小的 润滑油。润滑油。 润滑脂主要用于速度低、载荷大、不需经常加油、使用润滑脂主要用于速度低、载荷大、不需经常加油、使用 要求不高或灰尘较多的场合。要求不高或灰尘较多的场合。 气体、固体润滑剂主要用于高温、高压、防止污染等一气体、固体润滑剂主要用于高温、高压、防止污染等一 般润滑剂不能适用的场合。般润滑剂不能适用的场合。 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 润滑油供油方式有：润滑油供油方式有： 4 4、润滑方法、润

18、滑方法 润滑方式润滑方式 人工给油；人工给油； 油杯滴油；油杯滴油； 浸油润滑、飞溅给油；浸油润滑、飞溅给油； 用油泵强制润滑和冷却。用油泵强制润滑和冷却。 低速传动低速传动 高速传动高速传动 甩油环甩油环 喷油润滑喷油润滑 油泵油泵 冷冷 却却 器器 滴油润滑滴油润滑 浸油润滑浸油润滑 飞溅润滑飞溅润滑 潘存云教授研制 潘存云教授研制 潘存云教授研制 针阀针阀 式油式油 杯杯 旋盖式油杯旋盖式油杯 脂用 潘存云教授研制 压注式油杯压注式油杯 弹簧盖油杯弹簧盖油杯 润滑装置润滑装置 1. 油杯油杯 潘存云教授研制 潘存云教授研制 2. 油环油环 潘存云教授研制 潘存云教授研制 一、流体动力润滑

19、一、流体动力润滑 F F F F v F 4-4 4-4 流体润滑原理简介流体润滑原理简介 流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相 对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产 生的压力来平衡外载荷。生的压力来平衡外载荷。 两平形板之间不能形成压力油膜！两平形板之间不能形成压力油膜！ 潘存云教授研制 一、流体动力润滑一、流体动力润滑 4-4 4-4 流体润滑原理简介流体润滑原理简介 流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相流体动力润滑是指两个作

20、相对运动物体的摩擦表面，借助于相 对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产 生的压力来平衡外载荷。生的压力来平衡外载荷。 动压油膜动压油膜-因运动 而产生的压力油膜。 v vv h1 a a h2 c c vv F pmax 潘存云教授研制 F 形成动压油膜的必要条件：形成动压油膜的必要条件： 1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙；两工件之间的间隙必须有楔形间隙； 2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体；两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体； 3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动芳方向必两工件表面必须有相对

21、滑动速度。其运动芳方向必 须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。 Fy =F Fx 0 Fy =F Fx = 0 应用实例应用实例-向心滑动轴承动压油膜的形成过程：向心滑动轴承动压油膜的形成过程： 静止静止 爬升爬升 将轴起抬将轴起抬 转速继续升高 质心质心左移左移 稳定运转稳定运转达到工作转速 e -偏心距偏心距 e 二、弹性流体动力润滑二、弹性流体动力润滑 弹性流体动力润滑理论弹性流体动力润滑理论-研究在点、线接触条件下，研究在点、线接触条件下， 两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。 求解油膜求解油膜压力

22、分布压力分布、润滑膜、润滑膜厚度分布厚度分布等问题等问题 在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程；在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程； 表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程；表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程； 流体动力润滑的主要方程。流体动力润滑的主要方程。 流体动力润滑理论的前提：流体动力润滑理论的前提： 润滑剂粘度不随压力变化；润滑剂粘度不随压力变化； 零件摩擦表面为刚体；零件摩擦表面为刚体； 潘存云教授研制 潘存云教授研制 依靠依靠润滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将润滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将 润滑剂带入间隙。由于接触压力较高使接触面发生局润滑剂带入间隙。由于接触压力较高使接触面发生局 部变形，接触面积增大，并形成了一个平行缝隙，在部变形，接触面积增大，并形成了一个平行缝隙，在 出油口处的接触面边缘出现了使间隙变小的突出部分，出油口处的接触面边缘出现了使间隙变小的突出部分， 称为缩颈现象，此处形成了最小油膜厚度，出现了第称为缩颈现象，此处形成了最小油膜厚度，出现了第 二个峰值压力。二