江苏大学机械原理及设计第四章__摩擦、磨损及润滑

1、机机 械械 原理及设计原理及设计（）20222022年年3 3月月1313日日我们在初中物理中就已经接触并初步了解了摩擦我们在初中物理中就已经接触并初步了解了摩擦这个概念，即在这个概念，即在正压力正压力作用下，相互接触的物体作用下，相互接触的物体表面间有表面间有相对运动（或其趋势）相对运动（或其趋势）时，在接触表面时，在接触表面上就会产生抵抗运动的阻力，这一自然现象被称上就会产生抵抗运动的阻力，这一自然现象被称为为摩擦摩擦，阻力叫作，阻力叫作摩擦力摩擦力。有摩擦现象存在，就。有摩擦现象存在，就会产生会产生磨损磨损。摩擦、磨损既有利也有弊。据统计：。摩擦、磨损既有利也有弊。据统计：由摩擦而造成的

2、能量损耗占世界工业能量消耗的由摩擦而造成的能量损耗占世界工业能量消耗的1/3；有；有80%的零件失效是由磨损而引起的。的零件失效是由磨损而引起的。本章的内容主要是讲述在机器中本章的内容主要是讲述在机器中构成运动副构成运动副的机的机械零件的接触表面上所发生的情况，了解械零件的接触表面上所发生的情况，了解摩摩擦、擦、磨磨损的分类、机理；如何利用摩擦、磨损以及如损的分类、机理；如何利用摩擦、磨损以及如何运用润滑的方法来减小摩擦、减轻磨损。（摩何运用润滑的方法来减小摩擦、减轻磨损。（摩擦学由此而诞生）擦学由此而诞生）摩擦摩擦不利方面：消耗能量，转化为热能，引起温升不利方面：消耗能量，转化为热能，引起温

3、升有利方面：可用于传递运动或制动有利方面：可用于传递运动或制动磨损磨损不利方面：尺寸变化，精度丧失，甚至报废不利方面：尺寸变化，精度丧失，甚至报废有利方面：可用于新机器的跑合成形，使成有利方面：可用于新机器的跑合成形，使成为一种加工手段为一种加工手段(如研磨如研磨,磨削加工磨削加工)控制摩擦、磨损不利方面的有效手段控制摩擦、磨损不利方面的有效手段研究相互接触表面之间摩擦，磨损，润滑机研究相互接触表面之间摩擦，磨损，润滑机理的一门学科理的一门学科润滑润滑摩擦学摩擦学摩摩擦擦分分类类静摩擦静摩擦动摩擦动摩擦滑动摩擦滑动摩擦滚动摩擦（弹性流体动力润滑）滚动摩擦（弹性流体动力润滑）干摩擦干摩擦边界摩擦

4、（边界润滑）边界摩擦（边界润滑）混合摩擦（混合润滑）混合摩擦（混合润滑）流体摩擦（流体润滑）流体摩擦（流体润滑）一干摩擦（一干摩擦（最差状态最差状态）特点特点： f 很大，磨损严重，应力求避免很大，磨损严重，应力求避免机理机理： 1机械摩擦啮合理论机械摩擦啮合理论Ff = f * Fn式中式中 ：Ff 摩擦力摩擦力; f 摩擦系数摩擦系数; Fn 法向载荷法向载荷公式表明：公式表明： (1)Ff与与Fn成正比；成正比；(2)动摩擦系数的大动摩擦系数的大小与相对滑动速度无关；小与相对滑动速度无关； (3)摩擦力的大小与名义接摩擦力的大小与名义接触面积的大小无关。触面积的大小无关。定义定义：两摩擦

5、表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属：两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。接触时的摩擦。FnFn2粘附理论粘附理论A简单简单粘粘附理论：附理论：1945年由鲍登等人提出，认为接触面年由鲍登等人提出，认为接触面积并非公称接触面积积并非公称接触面积A0，而是由一些表面轮廓峰相接触所形成，而是由一些表面轮廓峰相接触所形成的接触斑点的微面积的总和（真实接触面积的接触斑点的微面积的总和（真实接触面积Ar）。由于）。由于Ar很小很小，轮廓峰接触区压力很高，产生塑性变形，发生粘附现象，形，轮廓峰接触区压力很高，产生塑性变形，发生粘附现象，形成冷焊结点。相对运动时，冷焊结点被割开。成冷焊结点。

6、相对运动时，冷焊结点被割开。限较软材料的剪切强度极较软材料压缩屈服极限真实接触面积式中：BsyrAtsBsynBrfFAFtst增加增加当不变知由rnsysynrAFFAsssyBnfFFfst说明说明计算公式计算公式讨论：讨论：1为什么大多数金属表面的为什么大多数金属表面的f 值相差不大？值相差不大？ 2为什么真空中两洁净表面的为什么真空中两洁净表面的 f 值较大？值较大？ 简单的黏附理论简单的黏附理论认为真实的接触面积认为真实的接触面积Ar决定于软金决定于软金属的压缩屈服极限和法向载荷属的压缩屈服极限和法向载荷Fn，由于大多数金属，由于大多数金属的的B/Sy的比值较接近，所以其摩擦系数相差

7、很小，的比值较接近，所以其摩擦系数相差很小，这在常规环境下，因为在界面上覆盖有一层氧化膜这在常规环境下，因为在界面上覆盖有一层氧化膜或污染膜，对于静态接触，大体是正确的。但对于或污染膜，对于静态接触，大体是正确的。但对于处于真空中的洁净金属发生摩擦时不适用，真空中处于真空中的洁净金属发生摩擦时不适用，真空中的的f值比常规环境下的大得多。因此鲍登等人于值比常规环境下的大得多。因此鲍登等人于1964年又提出了更切合实际的年又提出了更切合实际的修正黏附理论。修正黏附理论。B 修正粘附理论：修正粘附理论：A ri+ A ri=0B在在Fn产生的产生的y和和Ff产生的产生的的联合作用下，使结点产的联合作

8、用下，使结点产生塑性流动，生塑性流动，Ar增加，结点增长，摩擦系数增加，结点增长，摩擦系数f增大增大)()(限基体材料的压缩屈服极界面剪切强度极限syBjnfFFfst计算公式计算公式说明说明式中：式中：Bj为界面的剪切强度极限为界面的剪切强度极限 Sy为较软基体材料的压缩屈服极限为较软基体材料的压缩屈服极限应用：应用：爬行现象爬行现象当相对运动速度较小时，两表面的摩擦力在当相对运动速度较小时，两表面的摩擦力在静、静、 动摩动摩 擦力之间反复变化的现象称为擦力之间反复变化的现象称为 原因原因：粘附理论（：粘附理论（ 即即 凸峰凸峰 粘着粘着弹性变形弹性变形剪断剪断 反复变化）反复变化）后果后果

9、：造成机器运动不规则：造成机器运动不规则冲击、振动冲击、振动措施措施：提高表面质量，改善润滑条件：提高表面质量，改善润滑条件vFnFn 问题：问题：爬行现象是怎样产生的？爬行现象是怎样产生的？爬行曲线爬行曲线二边界摩擦（边界润滑：二边界摩擦（边界润滑：最低要求最低要求）定义定义：当金属表面间存在一层极厚的的边界油膜时：当金属表面间存在一层极厚的的边界油膜时的摩擦的摩擦特点特点：较小，磨损较小，寿命有所提高。较小，磨损较小，寿命有所提高。机理机理：边界膜可分三种：边界膜可分三种（见下页）（见下页）1物理吸附膜：物理吸附膜：润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固的吸附在金润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固的吸附在

10、金 属表面上属表面上 应用场合应用场合：常温（常温（70）、轻载、低速）、轻载、低速2化学吸附膜：化学吸附膜：润滑剂中分子受化学键的作用而贴附在金属润滑剂中分子受化学键的作用而贴附在金属 表面上表面上 应用场合应用场合：中等载、中速、中温度（：中等载、中速、中温度（ 120）3化学反应膜：化学反应膜：s、p、cl等与金属化学反应在油与金属界等与金属化学反应在油与金属界 面处形成薄膜面处形成薄膜应用场合应用场合：重载、高速、高温（：重载、高速、高温（150 200）提高边界油膜强度的主要措施：提高边界油膜强度的主要措施： 1合理选配材料；合理选配材料； 2降低粗糙度；降低粗糙度； 3合理采用添加

11、剂。合理采用添加剂。三流体摩擦（流体润滑：三流体摩擦（流体润滑：最理想的状态最理想的状态）定义定义：两表面完全分开，形成液体与液体之间的摩擦：两表面完全分开，形成液体与液体之间的摩擦特点特点：很小，一般很小，一般f=0.0010.008，四混合摩擦（混合润滑：四混合摩擦（混合润滑：最常见的状态最常见的状态）定义定义：介于边界摩擦和液体摩擦之间：介于边界摩擦和液体摩擦之间特点特点：f 较小，介于边界摩擦和液体摩擦之间较小，介于边界摩擦和液体摩擦之间 一般一般 f=0.0010.01问题：问题：滑动摩擦一般分为哪四种状态？哪种最理想？滑动摩擦一般分为哪四种状态？哪种最理想？一磨损过程一磨损过程:(

12、分三个阶段分三个阶段)设计或使用机器的原则：设计或使用机器的原则：力求缩短磨合期，力求缩短磨合期， 延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损到来延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损到来。 跑合磨损跑合磨损(磨合磨合)阶段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说明说明2表面疲劳磨损表面疲劳磨损原因原因：的反复作用的反复作用现象：现象：金属表面产生麻点、麻坑，又叫点蚀金属表面产生麻点、麻坑，又叫点蚀措施：措施：提高提高H ；提高表面质量；提高硬度；提高表面质量；提高硬度； 提高润滑油的黏度、加入极压添加剂。提高润滑油的黏度、加入极压添加剂。二磨损机理（或分类）主要四种基本类型二磨损机理（或分类）主要四种

13、基本类型1粘附磨损粘附磨损原因：原因：轮廓峰塑变成冷焊结点而粘着轮廓峰塑变成冷焊结点而粘着现象：现象：轻微磨损、涂抹、划伤、撕脱、咬死轻微磨损、涂抹、划伤、撕脱、咬死措施：措施：限制温度、压强；选择合适的润滑剂、添限制温度、压强；选择合适的润滑剂、添加剂；摩擦副的材料；提高表面质量、跑合。加剂；摩擦副的材料；提高表面质量、跑合。3磨粒磨损磨粒磨损原因：原因：灰尘、杂质等硬颗粒灰尘、杂质等硬颗粒现象：现象：较软表面的沟纹较软表面的沟纹4其它类型：其它类型：腐蚀磨损；腐蚀磨损；微动磨损；微动磨损； 流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损。流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损。 措施：措施：提高表面质量与硬度；提高润滑油

14、的提高表面质量与硬度；提高润滑油的清洁度清洁度小结小结磨损的类型随工作条件的改变而转化，实际磨损的类型随工作条件的改变而转化，实际上大多数的磨损是上述磨损型式的复合型式。如上大多数的磨损是上述磨损型式的复合型式。如微动磨损就是典型的复合磨损，粘附磨损与疲劳微动磨损就是典型的复合磨损，粘附磨损与疲劳磨损而产生的颗粒会引起磨粒磨损。磨损而产生的颗粒会引起磨粒磨损。一概述一概述A润滑的作用：润滑的作用：1降低摩擦、磨损降低摩擦、磨损2防锈防锈3冷却冷却4缓冲吸振缓冲吸振5密封密封B润滑剂的种类：主要有四大类润滑剂的种类：主要有四大类1液体润滑剂：各种润滑油（植物油、液体润滑剂：各种润滑油（植物油、

15、动物油、矿物油、合成油）动物油、矿物油、合成油）2半固体润滑剂：各种润滑脂半固体润滑剂：各种润滑脂3固体润滑剂：石墨、二硫化钼固体润滑剂：石墨、二硫化钼4气体润滑剂：各种气体（空气、气体润滑剂：各种气体（空气、CO2）C润滑剂的主要指标润滑剂的主要指标主要分为三类主要分为三类动力粘度动力粘度动力粘度动力粘度：牛顿的粘性定律牛顿的粘性定律yAFAFtt式中：式中： 油层之间的剪应力油层之间的剪应力 油层沿油层沿y方向的速度梯度方向的速度梯度 v 油层速度油层速度 “-” 表示表示v随随y增大而减小增大而减小 动力粘度动力粘度 国际单位：国际单位： pas(帕帕秒秒)， 物理单位：物理单位：p(泊

16、泊)，cp(厘泊厘泊)， 1 pas =10p=1000cp211msNpayvsmcmkgspa23)()(运动粘度运动粘度： ：st(斯斯)cst(厘斯厘斯)stcstsm46210101： 旧标准旧标准：GB44364规定，以规定，以50 oC或或100 oC的运动粘度的运动粘度的中心值划分等级，确定牌号。的中心值划分等级，确定牌号。 新标准新标准：GB314182规定，以规定，以40 oC的运动粘度中心值的运动粘度中心值分级分级 例例：32号润滑油的含义如何？号润滑油的含义如何？sm1032smm32:262c40答条件粘度条件粘度(恩氏度恩氏度oEt)ppe式中：式中：粘度系数，粘度

17、系数，pa-1； p 压强，压强， pa ；o 大气压下油的粘度，大气压下油的粘度， pa s； e 自然对数的底，自然对数的底，e=2.718；p压力压力p下的粘度，下的粘度， pa s；：主要有二个主要有二个温度的影响：温度的影响：随温度增加而减小；粘度指数随温度增加而减小；粘度指数VI 越越大，粘度随温度变化小。大，粘度随温度变化小。压力的影响：压力的影响：当当p20Mpa时，随压力增加而增大时，随压力增加而增大2润滑油的油性及极压性润滑油的油性及极压性3其他指标：其他指标：油油：凝点、闪点；：凝点、闪点；脂脂：滴点、针入度：滴点、针入度D添加剂添加剂（极压、油性、分散、消泡、降凝剂）等

18、（极压、油性、分散、消泡、降凝剂）等E润滑剂的选择：润滑剂的选择：P4850F润滑方法：润滑方法：P5152二流体润滑简介二流体润滑简介分类分类流体静压润滑：流体静压润滑：原理、计算简单原理、计算简单 但结构复杂、成本高但结构复杂、成本高流体动压润滑：流体动压润滑：原理、计算复杂原理、计算复杂 但结构简单但结构简单1流体动力润滑流体动力润滑针对针对低副低副运动表面运动表面定义定义：依靠摩擦副的两运动表面作相对运动：依靠摩擦副的两运动表面作相对运动时，把油带入两表面间，形成具有足够压力时，把油带入两表面间，形成具有足够压力的油膜，从而将两表面分开。的油膜，从而将两表面分开。如图所示两运动平板如图

19、所示两运动平板假设：假设： 流体不可压缩流体不可压缩 流体沿流体沿向作层流运动向作层流运动1a图：图：tt出口流量进口流量两平行板内部由于各垂直截面处的流量两平行板内部由于各垂直截面处的流量皆相等，润滑油虽能维持连续流动，但油膜皆相等，润滑油虽能维持连续流动，但油膜对外载荷并无承载能力。对外载荷并无承载能力。分析分析建立条件建立条件：两表面形成收敛油楔；润滑油有一定的两表面形成收敛油楔；润滑油有一定的黏度，且供油充分；两表面有一定的相对运动速度黏度，且供油充分；两表面有一定的相对运动速度且使润滑油从大口进小口出。且使润滑油从大口进小口出。tt出口流量进口流量2b图：图：两形成收敛的楔形的板内部

20、由于进入油量大于流两形成收敛的楔形的板内部由于进入油量大于流出的油量，油必将由进口出的油量，油必将由进口a和出口和出口c两处的截面被挤出两处的截面被挤出，内部就产生了一定的压力，这种有一定粘性的流体，内部就产生了一定的压力，这种有一定粘性的流体流入楔形收敛间隙而产生压力的效应叫流入楔形收敛间隙而产生压力的效应叫。v1v2收敛油楔收敛油楔2弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑针对针对高副高副运动表面运动表面必须考虑以下两个方面必须考虑以下两个方面： 弹性体的弹性变形弹性体的弹性变形 高压下油的粘度变化高压下油的粘度变化油膜形状特点油膜形状特点： 高压接触区，膜厚相同为高压接触区，膜厚相同为ho 油膜

21、出口处有缩颈，产生油膜出口处有缩颈，产生hmin（压力有突变压力有突变）油压分布特点油压分布特点： 高压接触区，压力分布同赫兹应力高压接触区，压力分布同赫兹应力 缩颈处产生很大的压力高峰缩颈处产生很大的压力高峰3. 润滑状态图润滑状态图v1v2收敛油楔收敛油楔七个影响因素七个影响因素：1最小油膜厚度最小油膜厚度hmin2单位宽载荷单位宽载荷w=F/B3卷油速度卷油速度u=(v1+v2)/2 4粘度粘度 0 5粘压系数粘压系数 6综合曲率半径综合曲率半径 = 1 2/( 12) 7综合弹性模量综合弹性模量222121E1E121E道森无量纲参数群：道森无量纲参数群： 速度参数速度参数 载荷参数载

22、荷参数 材料参数材料参数 膜厚参数膜厚参数min0hHEGEwWEuUG,U,WfH 马丁方程：马丁方程：H=4.9U/W，刚性等粘度，高速轻载，刚性等粘度，高速轻载布洛克方程：布洛克方程：H=1.66(GU)2/3 ，刚性等粘度，中载，刚性等粘度，中载道森方程道森方程：H=2.56G0.54U0.7W-0.13， 弹性变粘度，重载弹性变粘度，重载赫里布勒方程：赫里布勒方程：H=3.01U0.6W-0.2，弹性等粘度，低速重载，弹性等粘度，低速重载式中式中 膜厚比膜厚比 Rq 接触表面轮廓的均方根偏差接触表面轮廓的均方根偏差 Rq(1.201.25)Ra一般认为一般认为 1边界润滑状态边界润滑

23、状态 1 3 流体润滑状态流体润滑状态4膜厚比和润滑状态膜厚比和润滑状态22min21qqRRh1. .根据摩擦面存在润滑剂的情况，滑动摩擦可分为根据摩擦面存在润滑剂的情况，滑动摩擦可分为_、_、_及及_。其中其中_是是最理想的摩擦状态。最理想的摩擦状态。2. .边界摩擦中按边界膜形成机，边界膜分边界摩擦中按边界膜形成机，边界膜分_、_和和_。3.3.一个零件的摩擦过程大致可分为三个阶段一个零件的摩擦过程大致可分为三个阶段, ,即即_、_及及_。在设计或使用机。在设计或使用机器时，应该力求器时，应该力求_，延长，延长_，推迟，推迟_的结束。的结束。4 41010号机械油在号机械油在4040 C C时的平均运动粘度为时的平均运动粘度为_m2/s， 其动力粘度为其动力粘度为_papa s(=900kg/ms(=900kg/m3 3) )。5 5润滑油的油性是形成润滑油的油性是形成_的性能的性能, , 润滑油的极压性润滑油的极压性 是形成是形成_的性能。的性能。6温度升高，油的粘度温度升高，油的粘度_；压力较高时，；压力较高时， 压力增加，油的粘度压力增加，油的