第4章 机械摩擦

1、机械设计机械设计20072007 第四章第四章 摩擦、磨损与润滑摩擦、磨损与润滑 4-2 摩擦摩擦 4-3 磨损磨损 4-4 润润 滑滑 4-5 流体动力润滑的基本原理流体动力润滑的基本原理 4-1 引引 言言 机械设计机械设计20072007 教学时数：教学时数：2学时学时 教学目的与要求：教学目的与要求：了解摩擦和磨损的形成机理与分类，了解了解摩擦和磨损的形成机理与分类，了解 润滑剂的主要质量指标，掌握流体动力润滑的基本概念及其润滑剂的主要质量指标，掌握流体动力润滑的基本概念及其 形成条件。形成条件。 教学内容教学内容:主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。主要介绍有关摩擦、磨损和润

2、滑的一些基础知识。 教学重点教学重点: 摩擦的类别、磨损形成的三个阶段，动压油膜形摩擦的类别、磨损形成的三个阶段，动压油膜形 成的条件。成的条件。 教学难点：教学难点：动压油膜形成的条件。动压油膜形成的条件。 机械设计机械设计20072007 引引 言言 第一节第一节 引引 言言 摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩 擦会使效率降低，温度升高，表面磨损。过大的磨损会使机器丧失擦会使效率降低，温度升高，表面磨损。过大的磨损会使机器丧失 应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命

3、。 世界上使用的能源大约有世界上使用的能源大约有 1/31/2 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力消耗于摩擦。如果能够尽力 减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废。 润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效方法。润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效方法。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。 本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知

4、识。 机械设计机械设计20072007 第二节第二节 摩摩 擦擦 4-14-1摩摩 擦擦 一、摩擦的分类一、摩擦的分类 静静 摩摩 擦擦 动动 摩摩 擦擦 1 1 按运动的状态不同分为：按运动的状态不同分为： 滑动摩擦滑动摩擦 滚动摩擦滚动摩擦 2 2 按运动的形式不同分为：按运动的形式不同分为： 干摩擦干摩擦 边界摩擦边界摩擦 流体摩擦流体摩擦 混合摩擦混合摩擦 3 3 滑动摩擦按润滑状态不同分为：滑动摩擦按润滑状态不同分为： 机械设计机械设计20072007 二、滑动摩擦的四种摩擦状态二、滑动摩擦的四种摩擦状态 1 1）干摩擦干摩擦：是指表面间无任何润滑剂或保护膜，表面金属直：是指表面间无

5、任何润滑剂或保护膜，表面金属直 接接触时的摩擦。接接触时的摩擦。 2 2）边界摩擦：边界摩擦：是指两摩擦面被吸附在是指两摩擦面被吸附在 表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边 界膜和表面吸附性能的摩擦。界膜和表面吸附性能的摩擦。 研究干摩擦的理论主要研究干摩擦的理论主要 有：有：“机械机械 理论理论”、“分子理论分子理论”、“机械分子机械分子 理理 论论”等。等。 （由于时间按关系不细讲）（由于时间按关系不细讲） 其摩擦阻力最大，磨损最严重。其摩擦阻力最大，磨损最严重。 机械设计机械设计20072007摩摩 擦擦3 3 润滑剂中的润滑剂中的极性分子极性分子与金属表

6、面相互吸引，形成定向排列的分子栅，与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅， 称为称为物理吸附膜。物理吸附膜。 润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性油性。 润滑剂中的活性分子靠润滑剂中的活性分子靠离子键离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称吸附在金属表面上形成的吸附膜，称 为为化学吸附膜化学吸附膜。 吸附膜吸附膜 反应膜反应膜 边界膜分为：边界膜分为： 物理吸附膜物理吸附膜 化学吸附膜化学吸附膜 在润滑剂中添加入在润滑剂中添加入硫、磷、氯硫、磷、氯等元素，它们与表面金属发生化等元素，它们与表面金属发生化 学反应生成的边界膜，称为学反应生成的边界膜，称

7、为反应膜反应膜。 边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下：边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下： 机械设计机械设计20072007 摩摩 擦擦4 4 ）流体摩擦流体摩擦：是指摩擦表面完全：是指摩擦表面完全 被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体 内部分子间粘性阻力的摩擦。内部分子间粘性阻力的摩擦。 能生成反应膜的润滑油称为能生成反应膜的润滑油称为极压油极压油。 注：温度对边界膜的影响很大。温度越高，边界膜越容易破坏。注：温度对边界膜的影响很大。温度越高，边界膜越容易破坏。 反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜，反应膜在高温下破裂后，能生

8、成新的化合物，形成新的反应膜， 这种能力称为这种能力称为极压性极压性。 其摩擦系数最小，且不会产生磨其摩擦系数最小，且不会产生磨 损，是理想的摩擦状态。损，是理想的摩擦状态。 机械设计机械设计20072007 摩摩 擦擦5 5 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中边界摩擦和混合摩擦在工程实际中 很难区分，常统称为边界摩擦。很难区分，常统称为边界摩擦。 4 4）混合摩擦：混合摩擦：是指摩擦表面间处于边是指摩擦表面间处于边 界摩擦和流体摩擦的混合状态。界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，其混合摩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摩擦系数比边界摩擦时要小得多。 机

9、械设计机械设计20072007 磨损主要是运动副中的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁磨损主要是运动副中的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁 移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报 废。废。 第三节第三节 磨磨 损损 单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率磨损率。 耐磨性耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。 一、典型宏观磨损过程一、典型宏观磨损过程 磨损量磨损量 时间时间 O 磨合磨合稳定磨损稳定

10、磨损剧烈磨损剧烈磨损 一个机械零件的磨损一个机械零件的磨损 过程大体可分为三个阶段：过程大体可分为三个阶段： 1 1）磨合阶段）磨合阶段 磨合（跑合）：是指磨合（跑合）：是指 新零件在运转初期的磨损。新零件在运转初期的磨损。 机械设计机械设计20072007 磨磨 损损1 1 新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大， 因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低， 接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢

11、。 新新摩擦摩擦表面的微观形貌表面的微观形貌 2 2）稳定磨损阶段）稳定磨损阶段 这个阶段属于零件的正常工作阶这个阶段属于零件的正常工作阶 段，磨损率稳定且较低。这一阶段段，磨损率稳定且较低。这一阶段 的长短直接影响机器的寿命。的长短直接影响机器的寿命。 3 3）剧烈磨损阶段）剧烈磨损阶段 零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，温度升零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，温度升 高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导致零件报废。 注：注： 应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。应该力求缩短磨合期，延长稳

12、定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。 机械设计机械设计20072007 磨磨 损损2 2 二、磨损的类型二、磨损的类型 按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型：按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型： 1 1）粘着磨损粘着磨损也称胶合也称胶合 2 2）疲劳磨损疲劳磨损即疲劳点蚀即疲劳点蚀 3 3）磨粒磨损磨粒磨损也称磨料磨损，也称磨料磨损， 4 4）腐蚀磨损腐蚀磨损 摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个 表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。 是外界的硬颗粒或粗糙

13、的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的 擦伤所引起的磨损。擦伤所引起的磨损。 是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。 机械设计机械设计20072007磨磨 损损3 3 摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀的现象，这种摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀的现象，这种 情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。 三、减小磨损的主要方法三、减小磨损的主要方法 （1 1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。 （2 2）合理选择摩

14、擦副材料）合理选择摩擦副材料 （3 3）进行表面处理）进行表面处理 （4 4）注意控制摩擦副的工作条件等）注意控制摩擦副的工作条件等 除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等 其他形式，由于时间关系，不多讲。其他形式，由于时间关系，不多讲。 机械设计机械设计200720074-34-3润滑润滑 第四节第四节 润润 滑滑 润滑：是指在两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。润滑：是指在两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。 此外，润滑还可起到散热降温，防锈、防尘，缓冲吸振等作用。此外，润滑还可起到散热降温，防锈、防

15、尘，缓冲吸振等作用。 一、润滑的分类一、润滑的分类 1 1）流体动力润滑流体动力润滑： 靠两摩擦表面的相对运动建立压力油膜（称靠两摩擦表面的相对运动建立压力油膜（称 为为动压油膜动压油膜），两表面被压力油膜完全分开，实现流体润滑。），两表面被压力油膜完全分开，实现流体润滑。 2 2）流体静力润滑流体静力润滑： 两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完 全分开，强迫形成压力油膜，实现流体润滑。全分开，强迫形成压力油膜，实现流体润滑。 3 3）弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑： 是指理论上为点、线接触的摩擦副，是指理论上为点、线接触的摩擦副， 在考虑表面的弹性变

16、形等因素的基础上建立的流体动力润滑。在考虑表面的弹性变形等因素的基础上建立的流体动力润滑。 4 4）边界润滑和混合润滑边界润滑和混合润滑 （即边界摩擦和混合摩擦）。（即边界摩擦和混合摩擦）。 机械设计机械设计20072007 润滑油的主要性质润滑油的主要性质 2 2 润滑油的主要性质润滑油的主要性质 1）油性油性：是润滑油吸附于摩擦表面形成边界膜的能力。油性越好，：是润滑油吸附于摩擦表面形成边界膜的能力。油性越好， 吸附能力就越强。吸附能力就越强。 2）粘度粘度：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能 指标。（指标。（粘度是选择润滑油

17、的主要依据粘度是选择润滑油的主要依据）。）。 下面分析粘度的物理意义：下面分析粘度的物理意义： du y u dy Ox y A B 两个平行的平板之间充满两个平行的平板之间充满 润滑油，润滑油，B 板静止，板静止，A板以速板以速 度度 运动，各油层的速度呈直线运动，各油层的速度呈直线 分布。相邻油层之间有相对运分布。相邻油层之间有相对运 动，会产生内摩擦阻力。动，会产生内摩擦阻力。 机械设计机械设计20072007 粘度粘度 研究表明：油液内摩擦切应力研究表明：油液内摩擦切应力 与速度梯度与速度梯度 成正比。成正比。 dy du 即即 dy du 式中：式中： 即为润滑油的即为润滑油的动力粘

18、度动力粘度。 其国际单位为：其国际单位为： sPa 动力粘度动力粘度 与同温度下该流体的密度与同温度下该流体的密度 之比，称为之比，称为运动粘度运动粘度 。 即即运动粘度运动粘度 运动粘度运动粘度 的国际单位是：的国际单位是： ， s m 2 此单位太大，常用此单位太大，常用 s mm 2 注：我国润滑油的牌号就是用注：我国润滑油的牌号就是用4040下运动粘度的平均值表示的。下运动粘度的平均值表示的。 影响粘度的主要因素：影响粘度的主要因素： a) a) 温度温度: :温度温度 润滑油的粘度润滑油的粘度 （帕（帕秒）秒） 机械设计机械设计20072007 添加剂添加剂 b) b) 压力压力 当

19、压力当压力55MPa时，对粘度的影响不大，可不予考虑。时，对粘度的影响不大，可不予考虑。 当压力当压力5 5MPa时，粘度随压力升高明显增加，不能忽略其影响。时，粘度随压力升高明显增加，不能忽略其影响。 p e 0 式中：式中： 为一个大气压下的粘度；为一个大气压下的粘度； 为粘压指数；为粘压指数； 为压强。为压强。 0 p 三、添加剂三、添加剂 为了改善润滑剂某些方面的性能，在润滑剂中加入的化学合成为了改善润滑剂某些方面的性能，在润滑剂中加入的化学合成 物，称为添加剂。物，称为添加剂。 添加剂的种类很多，例如：油性添加剂、极压添加剂、降凝剂、添加剂的种类很多，例如：油性添加剂、极压添加剂、降

20、凝剂、 增粘剂等增粘剂等 机械设计机械设计20072007 4-44-4流体动力润滑流体动力润滑 基本原理基本原理 第五节第五节 流体动力润滑的基本原理流体动力润滑的基本原理 一、形成动压油膜的条件一、形成动压油膜的条件 先分析两个平行平板的情况，先分析两个平行平板的情况， 两板之间充满润滑油。两板之间充满润滑油。 平行间隙不能形成动压油膜。平行间隙不能形成动压油膜。 再分析两板之间构成楔形间再分析两板之间构成楔形间 隙的情况，如右图所示。隙的情况，如右图所示。 O x y A B F max p 油压分布曲线油压分布曲线 楔形间隙能够形成动压油膜。楔形间隙能够形成动压油膜。 流体动力润滑是指

21、借助于两个摩擦表面流体动力润滑是指借助于两个摩擦表面 的相对运动产生的相对运动产生动压油膜动压油膜，靠油膜的压力将，靠油膜的压力将 两摩擦表面完全隔开，实现流体润滑。两摩擦表面完全隔开，实现流体润滑。 机械设计机械设计20072007 流体动力润滑原理流体动力润滑原理3 3 式中：式中： 为油压最大处的油膜厚度；为油压最大处的油膜厚度； 分别为油膜中某截面处的（坐标为分别为油膜中某截面处的（坐标为x）油压和油膜厚度。）油压和油膜厚度。 0 h h p 上式即为上式即为一一维雷诺润滑方程维雷诺润滑方程。 利用雷诺方程也可解释形成动压油膜的条件。利用雷诺方程也可解释形成动压油膜的条件。 机械设计机械设计20072007 流体润滑流体润滑 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是研究在点、线接触条件下，两弹性物体间的流弹性流体动力润滑理论是研究在点、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。这时的计算必须把在油膜压力下，摩擦表面的变体动力润滑膜的力学性质。这时的计算必须把在油膜压力下，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与流体动力润滑的形的弹性方程、表述润滑剂粘度与压