工程摩擦学基础-第三章

1、 第三章第三章 摩摩 擦擦FRICTION教学目的及要求n 介绍摩擦的概念、分类及测量方法n 介绍古典摩擦定律及其局限性n 熟悉常用的摩擦理论的要点及其适用范围n 掌握影响摩擦的各因素及其发挥作用的内在实质教学重点、难点 一、概一、概 述述 定义：定义：两相互接触的物体在外力作用下发两相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生面间产生切向切向的运动阻力叫做摩擦力，这种的运动阻力叫做摩擦力，这种现象即为摩擦。现象即为摩擦。 3 31 1 摩擦的概念与分类摩擦的概念与分类图 3 1 磨 擦 力FPN摩擦的危害：摩擦的危害： 消耗

2、大量能量。消耗大量能量。克服摩擦力，降低机械效率克服摩擦力，降低机械效率 摩擦副磨损。摩擦副磨损。 产生热量。产生热量。摩擦热使机械温度升高，降低机械强度、摩擦热使机械温度升高，降低机械强度、热变形、热疲劳、热磨损等热变形、热疲劳、热磨损等 说明：摩擦的有益作用是毋庸置疑的。摩擦生热、说明：摩擦的有益作用是毋庸置疑的。摩擦生热、钻木取火、人走路、车行驶、离合器、制动器、皮带钻木取火、人走路、车行驶、离合器、制动器、皮带传动、传动、 机械运动中，发生相对运动的零部件统称为摩机械运动中，发生相对运动的零部件统称为摩擦副，如轴与轴承、齿轮啮合、蜗轮与蜗杆、凸轮擦副，如轴与轴承、齿轮啮合、蜗轮与蜗杆、

3、凸轮与挺杆、皮带与皮带轮等。与挺杆、皮带与皮带轮等。二。摩擦的类型二。摩擦的类型 按摩擦发生的部位分类：按摩擦发生的部位分类： 外摩擦：外摩擦：两相互接触的物体表面之间发生的两相互接触的物体表面之间发生的摩擦摩擦 内摩擦：内摩擦：同一物体内部各个部分之间发生的同一物体内部各个部分之间发生的摩擦，一般发生在液体或气体。摩擦，一般发生在液体或气体。按摩擦副的运动状态分类：按摩擦副的运动状态分类： 静摩擦：静摩擦： 外力作用，但未发生相对运动。外力作用，但未发生相对运动。 动摩擦：动摩擦： 外力作用下发生相对运动外力作用下发生相对运动按摩擦副的运动形式分类：按摩擦副的运动形式分类： 滑动摩擦：滑动摩

4、擦：两接触物体相对滑动时的摩擦。两接触物体相对滑动时的摩擦。 滚动摩擦：滚动摩擦：物体在力矩作用下沿接触表面滚物体在力矩作用下沿接触表面滚动时的摩擦。动时的摩擦。 转动摩擦：转动摩擦：物体在力矩作用下沿接触表面转物体在力矩作用下沿接触表面转动时的摩擦。动时的摩擦。 复合摩擦：复合摩擦：同时存在滑动和滚动摩擦。同时存在滑动和滚动摩擦。按摩擦副的润滑状态分类按摩擦副的润滑状态分类 干摩擦：干摩擦：名义上无润滑剂时的摩擦名义上无润滑剂时的摩擦 流体摩擦：流体摩擦：两摩擦表面被一层两摩擦表面被一层连续的流体润滑剂连续的流体润滑剂薄膜完全隔开薄膜完全隔开时的摩擦时的摩擦 边界摩擦：边界摩擦：两摩擦表面间

5、的两摩擦表面间的流体润滑剂膜不连续流体润滑剂膜不连续，但表面被但表面被极薄的润滑膜极薄的润滑膜隔开隔开 混合摩擦：混合摩擦：同时存在流体摩擦、边界摩擦和干摩同时存在流体摩擦、边界摩擦和干摩擦的混合状态下的摩擦，细分为半干摩擦和半流体擦的混合状态下的摩擦，细分为半干摩擦和半流体摩擦。摩擦。 达达芬奇芬奇 阿蒙顿阿蒙顿 库伦库伦第一定律：第一定律：摩擦力的方向与接触表面相对运动速度的方摩擦力的方向与接触表面相对运动速度的方向相反，其大小与接触物体间的法向压力成正比，即向相反，其大小与接触物体间的法向压力成正比，即F FN N 式中：式中：FF摩擦力；摩擦力；摩擦系数；摩擦系数；NN法向载荷。法向载

6、荷。第二定律第二定律：摩擦力大小与相接触物体间的名义接触面积：摩擦力大小与相接触物体间的名义接触面积无关。无关。第三定律第三定律：摩擦力的大小取决于材料性质，与滑动速度：摩擦力的大小取决于材料性质，与滑动速度无关。无关。 3 32 2 古典的摩擦定律古典的摩擦定律二、古典摩擦定律的局限性二、古典摩擦定律的局限性n1. 摩擦系数的问题 试验表明：硬钢表面对硬钢表面在正常大气条件下，试验表明：硬钢表面对硬钢表面在正常大气条件下，约为约为0.60.6，但，但在真空中可高达在真空中可高达2 2；石墨在正常大气条件下摩擦系数；石墨在正常大气条件下摩擦系数为为0.10.1，但在很，但在很干燥的空气中可大于

7、干燥的空气中可大于0.50.5。 摩擦系数是材料与各种条件的综合特征，而不是材料本身的固有特征。 2. 接触面积与正压力问题 对于很光洁的硬表面，由于接触表面间分子引力起作用，摩擦力对于很光洁的硬表面，由于接触表面间分子引力起作用，摩擦力也将随接触面积增大而增大也将随接触面积增大而增大。 对于极硬材料如钻石或很软材料如聚四氟乙烯（PTFE）等，当压力很大时，摩擦力并不与法向载荷成正比，而是： FcNx式中: c常数；x指数,其值约为2/31。3. 滑动速度问题 实践表明，多数材料随着滑动速度增加，摩擦系数降低，且两者关系随所受载荷大小而异。 3 33 3 各种摩擦理论概述各种摩擦理论概述 目的

8、：目的：了解摩擦产生的原因，以便控制摩擦。了解摩擦产生的原因，以便控制摩擦。一、一、机械互锁学说机械互锁学说( (凹凸说凹凸说) ) 摩擦是表面粗糙不平的机械互锁作用引起摩擦是表面粗糙不平的机械互锁作用引起的。即当两表面相对滑动时，由于粗糙不平的。即当两表面相对滑动时，由于粗糙不平的表面在不平处相互嵌入，因而产生阻抗物的表面在不平处相互嵌入，因而产生阻抗物体运动的阻力。体运动的阻力。 VWNiFi 若两表面由许多斜角为的微凸体所组成，则摩擦力就是爬过各微凸体需所力Fi之和。因此摩擦系数应为: = （3-2） 式中 F摩擦力； N法向载荷。tgNFNFii回答是回答是“No” No” ， 这是这

9、是“机械互机械互锁学说锁学说”的不足。的不足。根据根据“机械互锁学说机械互锁学说”，表面越光滑，摩擦力越小。，表面越光滑，摩擦力越小。说明：表面愈粗糙，愈大；提高表面粗糙度等级，可以降低等现象。Question:Yes or No ?Yes or No ?二、分子作用理二、分子作用理论（或分子吸引理论论（或分子吸引理论 ）： 德萨古利尔：德萨古利尔：实验物理学教程实验物理学教程（17341734） 尤因尤因 （18921892）、汤姆林森（）、汤姆林森（1929)1929)、普兰德尔、普兰德尔、哈迪（哈迪（19361936）等提出：）等提出： 摩擦过程中接触表面间的分子相互作用力，是产摩擦过程

10、中接触表面间的分子相互作用力，是产生摩擦的一个重要原因。生摩擦的一个重要原因。 摩擦过程中接触分子分离，又形成新的接触分摩擦过程中接触分子分离，又形成新的接触分子，接触分子转换所引起的能量损失等于摩擦力所子，接触分子转换所引起的能量损失等于摩擦力所作的功。作的功。 F（N+ArPm） (3-3)式中 Pm单位实际接触面积上的分子力； Ar实际接触面积。特点：这个学说能解释前面机械互锁学所不能解 释的问题。不足：但根据这一学说，当载荷不大，表面愈粗糙，实际接触面积愈小时，摩擦力应该越小，这与实际情况不相符合。三、摩擦的粘着和犁沟理论三、摩擦的粘着和犁沟理论1.1.简单的粘着理论简单的粘着理论 什

11、么叫粘着？什么叫粘着？ 在外加压力作用下，由于表面吸引在外加压力作用下，由于表面吸引力的作用而使两表面发生粘合的现象。力的作用而使两表面发生粘合的现象。基本要点：基本要点：. . 摩擦表面处于塑性接触状态。摩擦表面处于塑性接触状态。 因实际接触面积很小，施加法向载荷时，因实际接触面积很小，施加法向载荷时，微凸体顶端接触，先弹性变形，接触应力达微凸体顶端接触，先弹性变形，接触应力达到接触点的屈服极限到接触点的屈服极限s时产生塑性变形时产生塑性变形, ,使接使接触面积增大，直至能承受载荷为止，则触面积增大，直至能承受载荷为止，则 N = A r s 或或 A r = N/ sNA r接触点塑性变形

12、，面积增大，支撑外载荷接触点塑性变形，面积增大，支撑外载荷粘着区域粘着区域。滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的粘。滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的粘滑过程。滑过程。 开始时在接触区域内产生粘着，在切向开始时在接触区域内产生粘着，在切向力作用下相对滑动，粘着点被剪断，整个力作用下相对滑动，粘着点被剪断，整个滑动摩擦是粘着点的形成和剪切交替进行滑动摩擦是粘着点的形成和剪切交替进行的粘滑过程。的粘滑过程。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。的总和。 F = A r b Ac Pc实际接触面积实际接触面积粘着点剪切强度粘着点剪切强度犁沟面积犁沟面积单位面积犁沟力单位

13、面积犁沟力 通常，粘着效应是产生摩擦力的主要原因，通常，粘着效应是产生摩擦力的主要原因，尤其对硬材料而言，犁沟效应可忽略，根据尤其对硬材料而言，犁沟效应可忽略，根据上式有：上式有： F = A r b = (N/ s ) b故摩擦系数故摩擦系数f f为：为： f = F/N = b/ s =软材料屈服极限软材料剪切强度此式得出的摩擦系数通常比实际情况小，与实际不相符，在空此式得出的摩擦系数通常比实际情况小，与实际不相符，在空气中的摩擦系数很大，真空中更大。气中的摩擦系数很大，真空中更大。 从上式可以了解到，如果在金从上式可以了解到，如果在金属表面上涂覆一层软金属薄膜，使属表面上涂覆一层软金属薄

14、膜，使剪切强度降低，就可以显著降低摩剪切强度降低，就可以显著降低摩擦系数。擦系数。 2 2、修正的粘着理论、修正的粘着理论 简单粘着理论在静止条件下是比较合简单粘着理论在静止条件下是比较合理的，实际情况是，摩擦过程中既有理的，实际情况是，摩擦过程中既有法向法向力力的作用，又有的作用，又有切向力切向力的作用，才能使两的作用，才能使两表面产生相对运动。修正粘着理论主要考表面产生相对运动。修正粘着理论主要考虑在切向力作用下，使虑在切向力作用下，使接触面积增大接触面积增大，从，从而导致摩擦系数增加。而导致摩擦系数增加。N切向力切向力FA0 AAr=A0+ A 此时，材料的屈服是法向力和切向力共此时，材

15、料的屈服是法向力和切向力共同作用的结果。根据应力合成规律有：同作用的结果。根据应力合成规律有： 2 2 = K2待定常数待定常数, 1即：即： (N/A r)2 (F/A r)2 = K2 极限情况：极限情况：只有法向力时只有法向力时， =0，= s则：则：s2=K2 (N/A r)2 (F/A r)2= s2当量应力当量应力即：即： (N/A r)2 (F/A r)2 = K2 极限情况：极限情况：只有法向力时只有法向力时， =0，= s则：则：s2=K2 (N/A r)2 (F/A r)2= s2 A r2 =(N/s)2 (F/s)2当切向力很大时，忽略法向力，则有：当切向力很大时，忽略

16、法向力，则有： 2 = s2当当 大到等于抗剪切强度大到等于抗剪切强度 b时，开始滑动，则时，开始滑动，则 b2 = s2 或或 =s2/ b2 多数金属的多数金属的s/ b = 25，故故 =425根据根据(N/A r)2 (F/A r)2 = s2 推出：推出： A r2 = (N/ s)2 (F/ b)2切向力产生的面积增大部分切向力产生的面积增大部分法向力作用部分，对应于简单法向力作用部分，对应于简单粘着理论粘着理论 上式可知，切向力的作上式可知，切向力的作用大大增加了实际接触面积用大大增加了实际接触面积（可增大（可增大3 3倍以上），从而使倍以上），从而使摩擦力或摩擦系数显著增大。摩

17、擦力或摩擦系数显著增大。尤其是洁净表面或在真空条尤其是洁净表面或在真空条件下，摩擦力增大更多。件下，摩擦力增大更多。四、摩擦的分子摩擦的分子- -机械理论机械理论 前苏联科学家克拉盖尔斯基提出的学说。 要点：这一学说强调摩擦的双重本质，认为两接触表面作相对运动时，即要克服机械变形的阻力，又要克服分子相互作用的阻力；摩擦力就是接触面积上分子和机械作用所产生的阻力之和。 摩擦力来源于两方面，即分子的相互作用和摩擦力来源于两方面，即分子的相互作用和微凸体的机械作用。微凸体的机械作用。总摩擦力为： FF1F2F1粘结点上分子间相互作用力；F2微凸体的犁沟作用所引起的变形阻力。 总的摩擦系数：ff1 f

18、 2 将单个微凸体看成其顶部成球形作为犁沟作用的模型来讨论。 NvaA22aahrABC分子-机械理论模型 设球状微凸体的半径为r，球压入软平面的深度为h，垂直于运动方向的截面积A1为受阻力面积，约等于ABC的面积，则A1=ha；微凸体所受的阻力： F2=A1=ha 软材料的屈服极限。正压力只作用在面积A2上，所以 N2=A2N= a2N N微凸体材料的塑性挤压应力，取N =则：2= ah2aha2NFN22221又（r-h）2+a2=r2 r2-2rh+h2+a2=r2 a2=2rh-h2h很小时，arh2212145. 0222rhrhrhh故由机械作用分量求得的摩擦系数： 2 由分子作用

19、分量求得的摩擦系数为： 1= 0分子粘着连接的剪切阻力。对无润滑的金属摩擦副，0 =25300KPa；有润滑时为10KPa；对于金属和聚合物的摩擦副0=25KPa。 Pr摩擦接触点的平均压力。 系数。rp0总摩擦系数为：=1+2= kx系数，对单个微凸体的塑性接触kx=0.55；对于弹性接触，kx=0.19。 rhKpxr0五、摩擦的能量理论五、摩擦的能量理论 n 对摩擦的能量理论的研究有两种看法：一种是从表面能量的观点出发分析摩擦机理；n 另一种是从能量的平衡观点来综合分析摩擦过程 表面能量的观点表面能量的观点 n材料的滑动过程中，粘结点的尺寸不仅取决于塑性变形过程，而且还受到表面的吸引力的

20、影响。 rHctgWHabb21= b粘着点的剪切强度； H软材料的硬度；Wab粘着表面的能量；r粘着点的平均半径；微凸体与水平面的倾斜角。 能量平衡理论 在摩擦过程中，会出现一些与能量消耗有关的现象，如弹性和塑性变形、发光、辐射、振动及噪声等，要采用了系统分析的方法来解释。设系统结构为S，则S=A,P,R 式中：A系统元素； P元素性质； R元素之间互相作用。 以油润滑齿轮传动为例 (1)(2)(3)(4)摩擦学系统有四个元素：摩擦副齿轮1和2；中间材料3；周围介质4。 各种齿轮传动的摩擦状态可以差别很大。有的传动是按全膜润滑设计的，例如平面双包络蜗杆传动的润滑设计就是企图获得最佳的流体动力

21、润滑状态。有的齿轮传动是在无油条件下工作，啮合全过程处于干摩擦状态。大多数齿轮传动则在混合润滑状态下工作，它的一个重要问题是分析载荷的分配。峰点接触边界润滑的摩擦学行为，情况比较复杂。运用黑箱方法作系统分析可将问题简化。 有 用 输 出 Y损 耗 输 出 Z输 入 X干 扰系 统 结 构摩 擦 磨 损 （ 熵 、 噪 声 、 振 动 ）磨 损 产 物运 动 功熵 （ 热 ）振 动材 料 （ 污 垢 介 质 ）运 动 功润 滑 油有 用 x y3-4 3-4 影响摩擦的因素影响摩擦的因素 影响摩擦的因素：摩擦副材料的性质、环境气氛、静止接触时间、载荷情况、摩擦副的刚度和弹性、运转速度、温度状况、

22、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质，以及介质的化学作用等。 摩擦系数是表示材料摩擦特性的主要参数之一，它与材料表面性质、介质或环境等因素有密切关系。如钢对钢的摩擦系数可以在0.050.8之间这样大的范围内变化。所以，在给出一种材料的摩擦系数时，必须同时给出得出数值的条件和所用的测试设备。一、载荷的影响一、载荷的影响 实质：载荷是通过实质：载荷是通过接触面积的大小接触面积的大小和和变形变形状态状态来影响摩擦的。来影响摩擦的。 光滑表面在接触面上的应力约为材料硬度光滑表面在接触面上的应力约为材料硬度值的一半；而粗糙表面的接触应力达到值的一半；而粗糙表面的接触应力达到硬度的硬度的2 23 3倍，即

23、出现塑性变形。当表倍，即出现塑性变形。当表面是面是塑性接触塑性接触时，滑动摩擦系数与载荷时，滑动摩擦系数与载荷无关。无关。 在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态，滑动摩擦系数随着载荷的增加而降低。 为什么？ 实际接触面积的Ar比载荷Fn增加的慢。 45钢对铸铁在300r/min和干摩擦条件下，摩擦系数随载荷变化的情况。 由于摩擦表面处于弹塑性接触状态，因而滑动摩擦系数随加载速度而改变。当载荷很小时，加载速度的影响更为显著。 干摩擦油润滑加载速度/N.s-15011055050110300滑动摩擦系数0.200.220.260.110.110.14表3-1 加载速度的影响（青铜与钢摩擦） 滑

24、动摩擦系数随加载速度的增加而增加。对于非金属材料，情况较为复杂: 试 验 条 件不同时间（min）下的摩擦系数f转速（rpm）载荷（N）5101520253080037.340.060.060.060.060.040.04800133.480.110.110.070.070.050.05800222.460.030.030.020.020.020.02800311.440.040.040.030.030.020.02表3-2 酚醛塑料（A1）的摩擦系数与载荷的关系 说明：1) 在开始时摩擦系数随载荷增加而增加，摩擦系数达到最大值后，摩擦系数又随载荷增加而减少。 2) 时间对摩擦系数也有影响。

25、二、表面膜对摩擦系数的影响二、表面膜对摩擦系数的影响 大多数金属的表面在大气中会自然生成与表面结合强度相当高的氧化膜或其它污染膜；也可以人为地用某种方法在金属表面上形成一层很薄的膜，如硫化膜、氧化膜、软金属膜（In、Sn、Pb等）。这些膜在一定厚度内不会改变实际接触面积的大小，而且该膜使金属表面的物理化学性质与基体金属的不同，通常膜的剪切强度低于基体金属的剪切强度。因此，具有表面膜的摩擦副其摩擦主要发生在膜间，金属与金属不易粘着。 根据FfAr可知：由于表面膜存在，摩擦力和摩擦系数会随之降低 摩擦副材料摩 擦 系 数 （f）真空中加热大气中清洁表面氧化膜钢钢粘 着0.780.27铜铜粘 着1.

26、210.76 表面氧化膜对摩擦系数的影响平板材料钢铜平板材料镍平板材料锡铅载荷（N）凸脚材料摩擦系数f 载荷（N）凸脚材料摩擦系数f载荷（N）凸脚材料摩擦系数f2.20Pb1.00.501.40Pb0.680.40Pb1.001.3521.400.780.3611.400.3910.401.141.342.40Sn0.660.411.40Sn0.680.40Sn0.900.4821.400.560.3511.400.4410.400.830.512.40Bi0.620.501.40Bi0.391.40Bi0.600.6021.400.440.3411.400.2610.400.541.002.

27、40Al0.710.401.40Al0.511.40Al0.911.0021.400.450.2511.400.2610.400.681.002.40Cu0.371.201.40Cu0.491.40Cu1.001.0021.400.311.4611.400.2710.400.841.142.40Zn0.410.351.40Zn1.40Zn0.910.8321.400.300.3411.4010.400.691.102.40钢0.530.231.40钢0.501.40钢0.831.3821.400.820.1711.400.3910.400.600.57表3-4 实验室条件下，纯净金属的摩擦系数

28、 上表说明以下几点：n纯净金属材料的摩擦副，由于不存在表面氧化膜，摩擦系数比较高 n滑动摩擦系数随着载荷的增加而降低；n同种金属对磨时由于粘着的影响摩擦系数激增 膜的形成速度和膜的厚度对摩擦系数也有影响膜的形成速度和膜的厚度对摩擦系数也有影响 用半径R0.3mm的球形压头在40N下沿着涂有铟膜（厚度0.01 10微米）的工具钢试样表面上滑动时测出。 三、 材料性质材料性质 n金属摩擦副的摩擦系数，随配对材料性质的不同而不同。分子或原子结构相同或相近的两种材料互溶性大，反之，分子或原子结构差别大则互溶性小。互溶性较大的材料组成摩擦副，易发生粘着，摩擦系数增高；互溶性较小的材料组成摩擦副，不易发生粘着，摩擦系数一般都比较低。 四、滑动速度滑动速度 摩擦系数随滑动速度增加而升高，越过一极大值后，又随滑动速度的增加而减少。当压力增大时，该最大值对应于较小的速度值。n 滑动速度对摩擦系数的影响，主要是摩擦引起温度的变化所致。滑动速度引起的发热和温度的变化，改变了摩擦表面层的性质和接触状况，