机械设计课件_摩擦磨损

1、第四章第四章 摩擦、磨损及润滑概述摩擦、磨损及润滑概述 摩摩 擦：擦： 是相互接触的物体在接触面上发生阻碍相对运动的现象。是相互接触的物体在接触面上发生阻碍相对运动的现象。 磨磨 损：损： 由于运动副表面的摩擦导致表面材料的逐渐消失或转移。由于运动副表面的摩擦导致表面材料的逐渐消失或转移。 假定在两物体接触界面滑动，其所降低的摩擦的程度。假定在两物体接触界面滑动，其所降低的摩擦的程度。 润润 滑：滑： 据统计，人类一次能源大约据统计，人类一次能源大约1/31/3是消耗于摩擦损失，约是消耗于摩擦损失，约 有有70%70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起

2、的。 调查显示：我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车调查显示：我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车 配件消耗的相比大致相等。配件消耗的相比大致相等。 根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有 关方面的花费大约占国民经济年生产总值的关方面的花费大约占国民经济年生产总值的2%2%7%7%。 2003 2003年国民经济的生产总值为年国民经济的生产总值为1169411694亿元，如果摩擦、磨亿元，如果摩擦、磨 损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5%5%计算，就损计算，就损 失失584.7584.7亿

3、元。亿元。 4 -1 4 -1 摩摩 擦擦 摩擦分类摩擦分类 动摩擦动摩擦 外摩擦外摩擦 静摩擦静摩擦 发生位置发生位置 运动情况运动情况 内摩擦内摩擦 滑动摩擦滑动摩擦 滚动摩擦滚动摩擦 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 V 干摩擦干摩擦 1.1.干摩擦干摩擦 两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的 纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。纯净金属接触时的摩擦，称为干摩擦。 在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。在机械设计中，通常把不出现显著润滑的摩擦，当作干摩擦处理。 边界摩擦边界摩擦 V 边界油膜边界油膜 2.

4、2.边界摩擦边界摩擦 两摩擦表面各附有一层极薄的两摩擦表面各附有一层极薄的 边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩边界膜，两表面仍是凸峰接触的摩 擦状态称为边界摩擦。擦状态称为边界摩擦。 与干摩擦相比，摩擦状态有与干摩擦相比，摩擦状态有 很大改善，其摩擦和磨损程度取很大改善，其摩擦和磨损程度取 决于边界膜的性质、材料表面机决于边界膜的性质、材料表面机 械性能和表面形貌。械性能和表面形貌。 (a ) (b ) 3.液体摩擦液体摩擦 两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰两摩擦表面完全被液体层隔开、表面凸峰 不直接接触的摩擦。不直接接触的摩擦。 摩擦是在液体内部的分子之间进行，故摩摩擦是在液体内部的分子之间

5、进行，故摩 擦系数极小。这时的摩擦规律已有了根本的变擦系数极小。这时的摩擦规律已有了根本的变 化，与干摩擦完全不同。化，与干摩擦完全不同。 4.4.混合摩擦混合摩擦 两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体两表面间同时存在干摩擦、边界摩擦和液体 摩擦的状态称为混合摩擦。摩擦的状态称为混合摩擦。 V 液体摩擦液体摩擦 V 混合摩擦混合摩擦 关于干摩擦理论关于干摩擦理论 机械理论、分子机械理论、分子- -机械理论、粘附理论、能量理论等机械理论、粘附理论、能量理论等 机械理论认为：机械理论认为： 摩擦力是两表面凸峰的机械啮合摩擦力是两表面凸峰的机械啮合 力的总和，因而可解释为什么表面愈力的总和，因而可

6、解释为什么表面愈 粗糙，摩擦力愈大。粗糙，摩擦力愈大。 库仑公式：库仑公式： nf FfF 分子分子-机械理论：机械理论： 摩擦力是两表面凸峰间的机械啮合力摩擦力是两表面凸峰间的机械啮合力F F1 1和表面分子相互吸引和表面分子相互吸引 力力F F2 2两部分组成，因而这一理论可以解释为什么当表面光滑时，两部分组成，因而这一理论可以解释为什么当表面光滑时， 摩擦力也会很大。摩擦力也会很大。 F Ff f = F = F1 1 + F + F2 2 这两种理论不能解释能量是如何被消耗的这两种理论不能解释能量是如何被消耗的 两金属表面真实接触面积很小，轮廓凸峰接触区的压力很两金属表面真实接触面积很

7、小，轮廓凸峰接触区的压力很 高，产生塑性变形后，发生粘附现象，形成冷焊结点。当相对高，产生塑性变形后，发生粘附现象，形成冷焊结点。当相对 滑动时，将被剪开。滑动时，将被剪开。 简单粘着理论：简单粘着理论： B sy n Brf F AF sy B n f F F f b a Fn Ari 但简单粘附理论无法解释高真空中的但简单粘附理论无法解释高真空中的 洁净金属发生摩擦时比常规环境里的摩擦洁净金属发生摩擦时比常规环境里的摩擦 系数大得多的现象。系数大得多的现象。 1964 1964年鲍登等人对简单粘附理年鲍登等人对简单粘附理 论进行修正。论进行修正。 在摩擦情况下，轮廓峰接触区除作用有法向力外

8、，还作用有在摩擦情况下，轮廓峰接触区除作用有法向力外，还作用有 切向力，所以接触区同时有压应力和切应力存在。切向力，所以接触区同时有压应力和切应力存在。 金属材料的塑性变形取决于压应力和切应力所组成的复合应力作用。金属材料的塑性变形取决于压应力和切应力所组成的复合应力作用。 者者的的压压缩缩屈屈服服极极限限两两种种金金属属基基体体中中的的较较软软 界界面面剪剪切切强强度度极极限限 = = Sy Bj N f F F f 4-2 4-2 磨磨 损损 1 1、磨损曲线（磨损过程）、磨损曲线（磨损过程） 磨损量磨损量 时间时间 磨合阶段磨合阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段 （

9、1）磨合磨损过程）磨合磨损过程 在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过 程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小 （2）稳定磨损阶段）稳定磨损阶段 经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条 件保持相对稳定，磨损较缓件保持相对稳定，磨损较缓, ,该段时间长短反映零件的寿命该段时间长短反映零件的寿命 （3）急剧磨损阶段）急剧磨损阶段 经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增

10、大动载振动动载振动 润滑状态改变润滑状态改变温升温升磨损速度急剧上升磨损速度急剧上升直至零件失效直至零件失效 2 2、磨损的分类、磨损的分类 1)1)粘附磨损（胶合）粘附磨损（胶合） 按破坏的机理：按破坏的机理： 粘着磨损、接触疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。粘着磨损、接触疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。 当摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再当摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再 相对滑移时，材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，便相对滑移时，材料从运动副的一个表面转移到另一个表面，便 形成了粘着磨损。形成了粘着磨损。 例如：滑动轴承中的例如：滑动轴承中的 抱轴抱轴 和

11、高速重载齿轮的和高速重载齿轮的 胶合胶合 现象。现象。 影响因素：影响因素： 同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料同类摩擦副材料比异类材料容易粘着；脆性材料比塑性材料 抗粘着能力高，在一定范围的表面粗糙度愈高抗粘着能力愈强，抗粘着能力高，在一定范围的表面粗糙度愈高抗粘着能力愈强， 此外粘着磨损还与润滑剂、摩擦表面温度及压强有关。此外粘着磨损还与润滑剂、摩擦表面温度及压强有关。 4)4)冲蚀磨损冲蚀磨损 2)2)磨粒磨损（磨损）磨粒磨损（磨损） 3)3)疲劳磨损（点蚀疲劳磨损（点蚀 ) ) 从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰，从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或

12、摩擦表面上的硬质凸峰， 在摩擦过程中引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。在摩擦过程中引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。 影响因素：影响因素：与摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有关。 与摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有关。 受变应力的摩擦副，在其表面上形成疲劳点蚀，使小块金受变应力的摩擦副，在其表面上形成疲劳点蚀，使小块金 属剥落，这种现象称为疲劳磨损。属剥落，这种现象称为疲劳磨损。 常发生在滚动轴承、齿轮、凸轮等零件上。常发生在滚动轴承、齿轮、凸轮等零件上。 影响因素：影响因素： 摩擦副材料组合、表面光洁度、润滑油粘度以及表面硬度等。摩擦副材料组合、表面光洁度、润滑油粘度以及表面硬度等。 有流动的液体或气体中

13、所夹带的硬质物体或硬质颗粒作有流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作 用引起的机械磨损。用引起的机械磨损。 5)5)腐蚀磨损腐蚀磨损 在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反 应的磨损称为腐蚀磨损。应的磨损称为腐蚀磨损。 影响因素：影响因素： 周围介质、零件表面的氧化膜及环境温度等。周围介质、零件表面的氧化膜及环境温度等。 43 润润 滑滑 在摩擦面间加入润滑剂的主要作用是改善摩擦、减轻磨损，在摩擦面间加入润滑剂的主要作用是改善摩擦、减轻磨损， 同时润滑剂还能起减振、防锈等作用，液体润滑剂还能带走摩擦热、同时润滑剂还能

14、起减振、防锈等作用，液体润滑剂还能带走摩擦热、 污物等。污物等。 润滑剂有液体润滑剂、气体润滑剂、润滑脂和固体润滑剂。润滑剂有液体润滑剂、气体润滑剂、润滑脂和固体润滑剂。 （3 3）合成油，如磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润）合成油，如磷酸酯（低温润滑剂）、硅酸盐酯（高温润 滑剂）、氟化物（耐氧化润滑剂）等，近年来应用面不断拓广。滑剂）、氟化物（耐氧化润滑剂）等，近年来应用面不断拓广。 性能指标：性能指标： 1）粘度）粘度 2）油性）油性 (润滑性润滑性) 3）凝点）凝点 4）闪点和燃点）闪点和燃点 5）极压性能）极压性能 6）氧化稳定性）氧化稳定性 1.1.液体润滑剂液体润滑剂 主要有

15、三大类：主要有三大类： （1 1）矿物油，主要是石油产品，此种油来源充足，稳定性好、）矿物油，主要是石油产品，此种油来源充足，稳定性好、 成本低，故应用最广；成本低，故应用最广； （2 2）动、植物油，其油性好，最适于边界润滑使用，但稳）动、植物油，其油性好，最适于边界润滑使用，但稳 定性差，来源不足，所以，应用较少；定性差，来源不足，所以，应用较少； 1、粘性定律、粘性定律 y u 牛顿流体牛顿流体 内摩擦定律内摩擦定律 流体的动力粘度流体的动力粘度 2、粘度常用单位、粘度常用单位 （1）动力粘度）动力粘度 单位：单位：Ns/m2 1m 1m 1m F=1N v=1m/s（2）运动粘度）运动

16、粘度v -流体的切应力流体的切应力 表示速度面积各为表示速度面积各为1m1m2 2的两层流体相距的两层流体相距1m1m时，相对滑动速度时，相对滑动速度 为为1m/s1m/s，所需要的力为，所需要的力为1N1N，此时流体的粘度为，此时流体的粘度为1Pa.s1Pa.s。 1Pas = 10P = 1000cP 工程上把动力粘度工程上把动力粘度与流体密与流体密 度度的比值称为运动粘度的比值称为运动粘度。 记为记为=/ /。 )/(/)( 3 mkgsPav 物理单位：物理单位：cm2/s，1St（斯）（斯） 蒸馏水在蒸馏水在2020C C的运动粘度为的运动粘度为1cSt1cSt； L-AN10L-A

17、N10全损耗系统用油全损耗系统用油4040C C 时粘度值即为时粘度值即为10cSt10cSt。 （3）条件粘度（相对粘度）条件粘度（相对粘度）恩氏粘度恩氏粘度 用润滑油同水作比较所测得的粘度，称为相对粘度。用润滑油同水作比较所测得的粘度，称为相对粘度。 在一定温度下在一定温度下200cm3200cm3的油样流过直径为的油样流过直径为2.8mm2.8mm的孔所需时间，的孔所需时间， 与同体积与同体积2020C C的蒸馏水流过时间的比值，即为该油样的恩氏粘的蒸馏水流过时间的比值，即为该油样的恩氏粘 度，以符号度，以符号EtEt表示。表示。E20E20表示测定温度为表示测定温度为2020C C。

18、3、影响润滑油粘度的主要因素、影响润滑油粘度的主要因素 （1）温度）温度 润滑油的粘度随着温度的升高而降低润滑油的粘度随着温度的升高而降低 （2）压力）压力 p p e 0 P10MP时，随时，随PP 表表4-14-1 2.气体润滑剂气体润滑剂 最常用的是空气，此外还有氢气、水蒸汽及液态金属蒸气等最常用的是空气，此外还有氢气、水蒸汽及液态金属蒸气等 均可作为气体润滑剂。其特点是粘度低、功耗少、温升小，其粘均可作为气体润滑剂。其特点是粘度低、功耗少、温升小，其粘 度随温度变化小，故适于高温和低温环境下的高速场合，但承载度随温度变化小，故适于高温和低温环境下的高速场合，但承载 能力低。能力低。 3

19、.润滑脂润滑脂 为使润滑剂易于保持在摩擦表面，用稠化剂将润滑油稠化为使润滑剂易于保持在摩擦表面，用稠化剂将润滑油稠化 成膏状，即润滑脂。稠化剂是各种金属皂，如钾皂、钠皂、钙成膏状，即润滑脂。稠化剂是各种金属皂，如钾皂、钠皂、钙 皂等，从而可形成不同皂类的润滑脂。有时为提高抗氧化能力皂等，从而可形成不同皂类的润滑脂。有时为提高抗氧化能力 和润滑性能，还常常加入添加剂。和润滑性能，还常常加入添加剂。 钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂钙基润滑脂、钠基润滑脂、锂基润滑脂 性能指标：性能指标： 1）针入度）针入度 2）滴点）滴点 3）安定性）安定性 润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点润滑脂受热开始滴下的温度称为滴点 是润滑脂稠度指标。锥入度愈小，稠度愈大、流是润滑脂稠度指标。锥入度愈小，稠度愈大、流 动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻力也大。动性愈小，承载能力强，密封好，但摩擦阻力也大。 4.固体润滑剂固体润滑剂 使用时常将润滑剂粉末与胶粘剂混合起来制成的润滑剂。使用时常将润滑剂粉末与胶粘剂混合起来制成的润滑剂。 石墨、二硫化钼、氮化硼、蜡、石