机械技术基础与设计 7

§7.1摩擦与磨损§7.2润滑§7.3机械效率§7.4机械的自锁第7章机械的摩擦和效率7.1摩擦与磨损

摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/3~1/2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。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。7.1.1摩擦及其分类

两物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦。有些情况下却要利用摩擦工作，如带传动，摩擦制动器等。7.1摩擦与磨损1.干摩擦两物体的滑动表面为无任何润滑剂或保护膜的纯金属。2.

液体摩擦两摩擦表面不直接接触，被油膜隔开。根据摩擦副表面间的润滑状态将摩擦状态分为四种：7.1摩擦与磨损7.1.2

磨损及其过程

运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失，这种现象称为磨损。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。3.边界摩擦两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开。4.混合摩擦处于摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态。7.1摩擦与磨损磨损过程大致可分为以下三个阶段：1.跑合（磨合）磨损阶段2.稳定磨损阶段3.剧烈磨损阶段此阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大。在跑合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油。7.1摩擦与磨损1.磨粒磨损

由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象，称为磨粒磨损。

减轻磨粒磨损：满足润滑条件，合理地选择摩擦副的材料、降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等。7.1.3

磨损分类

按照磨损的机理以及零件表面磨损状态的不同把磨损分为：2.粘着磨损粘着作用引起的磨损，称为粘着磨损。

粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。

涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载的场合。

合理地选择配对材料，采用表面处理，限制摩擦表面的温度，控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等，都可减轻粘着磨损。7.1摩擦与磨损7.1摩擦与磨损3.疲劳磨损（点蚀）

两摩擦表面为点或线接触时，由于局部的弹性变形形成了小的接触区。这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用，则在其反复作用下，表层将产生裂纹。

合理地选择材料及材料的硬度，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂或及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提抗疲劳磨损的能力。4.腐蚀磨损

在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象，称为腐蚀磨损。

实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式出现的。7.2润滑润滑的主要作用是:减小摩擦系数,提高机械效率;减轻磨损,延长机械的使用寿命。还可起到冷却、防尘以及吸振等作用。7.2.1润滑剂的性能与选择1.润滑油

主要有矿物油、合成油、动植物油等，其中应用最广泛的为矿物油。

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，液体的流动性就愈差。7.2润滑7.2润滑

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定。（1）动力粘度（2）运动粘度η为动力粘度，单位为Pa•s；为密度，单位为。ν

为运动粘度，单位为。7.2润滑

粘度随温度的升高而降低。粘度随压强的升高而加大，但当压强小于20MPa时，其影响甚小，可不予考虑。常用润滑油的性能和用途见下表。7.2润滑7.2润滑续表2.润滑脂

润滑脂是在润滑油中加入稠化剂(如钙、钠、锂等金属皂基）而形成的脂状润滑剂，又称为黄油或干油。

润滑脂的流动性小，不易流失，所以密封简单，不需经常补充。润滑脂对载荷和速度变化不是很敏感，有较大的适应范围，但因其摩擦损耗较大，机械效率较低，故不宜用于高速传动的场合。7.2润滑(1)滴点是指润滑脂受热后从标准测量杯的孔口滴下第一滴油时的温度。(2)锥入度即润滑脂的稠度。

目前使用最多的是钙基润滑脂，其耐水性强，但耐热性差。3.润滑剂的选用

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，应选用粘度较大的润滑油；而在高速、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。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。7.2润滑

因摩擦损失是不可避免的，故必有ξ>0和η<1。

机械的损失功(Wf)与输入功(Wd)的比值，7.3机械效率1.机械效率的概念及意义（1）机械效率机械的输出功(Wr)与输入功(Wd)的比值，以η表示。机械损失系数或损失率，以ξ表示。η＝Wr/Wd＝1－ξ＝1－Wf/Wd（2）机械效率的意义

它是机械中的一个主要性能指标，机械效率反映了输入功在机械中的有效利用的程度，降耗节能是国民经济可持续发展的重要任务之一。2.机械效率的确定（1）机械效率的计算确定1）以功表示的计算公式η＝Wr/Wd＝1－Wf/Wd2）以功率表示的计算公式η＝Pr/Pd＝1－Pf/Pd3）以力或力矩表示的计算公式η＝F0/F＝M0/M即η＝理想驱动力实际驱动力理想驱动力矩实际驱动力矩＝实际机械装置

η理论机械装置

η0η=Pr/Pd=GvG/FvF0η0=GvG/F0vF=1vGvFF

因其正行程实际驱动力为F＝Gtan(α＋φ)，理想驱动力为F0＝Gtanα，故例1

斜面机构已知

正行程F＝Gtan(α＋φ)反行程F′＝Gtan(α＋φ)现求

η及η′解η＝F0/F＝tanα/tan(α＋φ)η＝F0/F＝tanα/tan(α－φ)′′对吗？

因其反行程实际驱动力为G＝F′/tan(α－φ)，理想驱动力为G0＝F′/tanα，故η′＝G0/G＝tan(α－φ)/tanα例2

螺旋机构已知拧紧时

M＝Gd2tan(α＋φv)/2放松时M′＝Gd2tan(α－φv)/2现求η及η′解采用上述类似的方法，可得拧紧时η＝M0/M

＝tanα/tan(α＋φv)放松时η′＝G0/G＝tan(α－φv)/tanα

3.机组的机械效率计算机组由若干个机器组成的机械系统。

当已知机组各台机器的机械效率时，则该机械的总效率可由计算求得。（1）串联串联机组功率传动的特点是前一机器的输出功率即为后一机器的输入功率。串联机组的总机械效率为PrPdη＝P1P2PdP1…PkPk-1＝＝η1η2…ηk

即串联机组总效率等于组成该机组的各个机器效率的连乘积。1k2η1η2ηkPdPrP1P2P1P2Pk-1Pk-1Pk=Pr

只要串联机组中任一机器的效率很低，就会使整个机组的效率极低；且串联机器数目越多，机械效率也越低。

要提高并联机组的效率，应着重提高传动功率大的路线的效率。结论（2）并联

并联机组的特点是机组的输入功率为各机器的输入功率之和，而输出功率为各机器的输出功率之和。η＝∑Pri∑PdiP1η1+P2η2+…+PkηkP1+P2+…+Pk＝

即并联机组的总效率与各机器的效率及其锁传动的功率的大小有关，且ηmin<η<ηmax；

机组的总效率主要取决于传动功率大的机器的效率。结论12kη1η2ηkP1η1P2η2P2η2P1P2PkPd（3）混联混联机组的机械效率计算步骤为1）现将输入功至输出功的路线弄清楚；2）然后分别计算出总的输入功率∑Pd和总的输出功率∑Pr；3）最后按下式计算其总机械效率。η＝∑Pr/∑Pd

例设已知某机械传动装置的机构的效率和输出功率，求该机械传动装置的机械效率。解机构1、2、3′及4′串联的部分Pd＝Pr/(η1η2η3η4)′′′′＝5kW/(0.982×0.962)＝5.649kW机构1、2、3"、4"及5"串联的部分＝0.2kW/(0.982×0.942×0.42)＝0.561kW故该机械的总效率为η＝∑Pr/∑Pd＝(5+0.2)kW/(5.649+0.561)kW=0.837Pd

＝Pr

/(η1η2η3

η4

η5)"""""=5kW0.980.980.960.960.940.940.42=0.2kW1.机构的自锁7.4机械的自锁（1）自锁现象某些机构，就其机构而言是能够运动的，但由于摩擦的存在，却会出现无论驱动力如何增大，也无法使机械运动的现象。（2）自锁意义

设计机械时，为使机械能实现预期的运动，必须避免机械在所需的运动方向发生自锁；有些机械的工作需要具有自锁的特性，（3）自锁条件机械发生自锁实质上时机械中的运动副发生的自锁。如手摇螺旋千斤顶。F例移动副摩擦角φ。则Ft=Fsinβ=FntanβFfmax=Fntanφ当β≤φ时，有Ft≤Ffmax

即β≤φ当时，无论驱动力F如何增大，其有效分力Ft总小于驱动力F本书所引起的最大摩擦力，因而总不能推动滑块运动。即自锁现象。

结论移动副发生自锁的条件为：在移动副中，如果作用于滑块上的驱动力作用在其摩擦角之内（即β≤φ

），则发生自锁。设驱动力为F，传动角为β，φFtFnFRFfmax例转动副设驱动力为F，力臂长为a,

当F作用在摩擦圆之内时（即a≤ρ），则Ma=aF≤Mf=FR

ρ=F

ρ即F

任意增大（a不变），也不能使轴颈转动，

即发生了自锁现象。

结论转动副发生自锁的条件为：作用在轴颈上的驱动力为单力F，且作用于摩擦角之内，即a≤ρ。摩擦圆半径为ρ，FaρFR=FFR=F

故其自锁条件为α≤φv2.机械自锁条件的确定(1)从运动副发生自锁的条件来确定原因机械的自锁实质就是其中的运动副发生了自锁。例1

手摇螺旋千斤顶当α≤φv时，其螺旋副发生自锁，则此机械也必将发生自锁，(2)从生产阻力G≤0的条件来确定

当机械发生自锁时，无论驱动力如何增大，机械不能运动；这是能克服的生产阻力G≤0。支座1螺杆2托盘3重物4螺母5螺旋副手把6FGG螺旋副例手摇螺旋千斤顶自锁要求M′≤0，即

tan(α－φv)≤0故此千斤顶自锁条件为α≤φv0G