機(jī)械設(shè)計課件摩擦磨損

1、第四章第四章 摩擦、磨損及潤滑概述摩擦、磨損及潤滑概述摩摩 擦：擦： 是相互接觸的物體在接觸面上發(fā)生阻礙相對運動的現(xiàn)象。是相互接觸的物體在接觸面上發(fā)生阻礙相對運動的現(xiàn)象。 磨磨 損：損： 由于運動副表面的摩擦導(dǎo)致表面材料的逐漸消失或轉(zhuǎn)移。由于運動副表面的摩擦導(dǎo)致表面材料的逐漸消失或轉(zhuǎn)移。 假定在兩物體接觸界面滑動，其所降低的摩擦的程度。假定在兩物體接觸界面滑動，其所降低的摩擦的程度。 潤潤 滑：滑： 據(jù)統(tǒng)計，人類一次能源大約據(jù)統(tǒng)計，人類一次能源大約1/31/3是消耗于摩擦損失，約是消耗于摩擦損失，約有有70%70%的設(shè)備損壞是由于各種形式的磨損而引起的。的設(shè)備損壞是由于各種形式的磨損而引起的。

2、 調(diào)查顯示：我國每年制造汽車消耗的鋼材與制造汽車調(diào)查顯示：我國每年制造汽車消耗的鋼材與制造汽車配件消耗的相比大致相等。配件消耗的相比大致相等。 根據(jù)美國、英國、德國等國家的統(tǒng)計，與摩擦、磨損有根據(jù)美國、英國、德國等國家的統(tǒng)計，與摩擦、磨損有關(guān)方面的花費大約占國民經(jīng)濟(jì)年生產(chǎn)總值的關(guān)方面的花費大約占國民經(jīng)濟(jì)年生產(chǎn)總值的2%2%7%7%。 2003 2003年國民經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)總值為年國民經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)總值為1169411694億元，如果摩擦、磨億元，如果摩擦、磨損有關(guān)方面的花費按占國民經(jīng)濟(jì)年生產(chǎn)總值的損有關(guān)方面的花費按占國民經(jīng)濟(jì)年生產(chǎn)總值的5%5%計算，就損計算，就損失失584.7584.7億元。億元。

3、4 -1 4 -1 摩摩 擦擦 摩擦分類摩擦分類動摩擦動摩擦 外摩擦外摩擦靜摩擦靜摩擦發(fā)生位置發(fā)生位置運動情況運動情況內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦滑動摩擦滑動摩擦滾動摩擦滾動摩擦干摩擦干摩擦邊界摩擦邊界摩擦流體摩擦流體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 兩摩擦表面間無任何潤滑劑或保護(hù)膜的兩摩擦表面間無任何潤滑劑或保護(hù)膜的純凈金屬接觸時的摩擦，稱為干摩擦。純凈金屬接觸時的摩擦，稱為干摩擦。在機(jī)械設(shè)計中，通常把不出現(xiàn)顯著潤滑的摩擦，當(dāng)作干摩擦處理。在機(jī)械設(shè)計中，通常把不出現(xiàn)顯著潤滑的摩擦，當(dāng)作干摩擦處理。 邊界摩擦邊界摩擦V邊界油膜邊界油膜2.2.邊界摩擦邊界摩擦 兩摩擦表面各附有一層極薄的兩

4、摩擦表面各附有一層極薄的邊界膜，兩表面仍是凸峰接觸的摩邊界膜，兩表面仍是凸峰接觸的摩擦狀態(tài)稱為邊界摩擦。擦狀態(tài)稱為邊界摩擦。 與干摩擦相比，摩擦狀態(tài)有與干摩擦相比，摩擦狀態(tài)有很大改善，其摩擦和磨損程度取很大改善，其摩擦和磨損程度取決于邊界膜的性質(zhì)、材料表面機(jī)決于邊界膜的性質(zhì)、材料表面機(jī)械性能和表面形貌。械性能和表面形貌。(a )(b )3.液體摩擦液體摩擦 兩摩擦表面完全被液體層隔開、表面凸峰兩摩擦表面完全被液體層隔開、表面凸峰不直接接觸的摩擦。不直接接觸的摩擦。 摩擦是在液體內(nèi)部的分子之間進(jìn)行，故摩摩擦是在液體內(nèi)部的分子之間進(jìn)行，故摩擦系數(shù)極小。這時的摩擦規(guī)律已有了根本的變擦系數(shù)極小。這時的

5、摩擦規(guī)律已有了根本的變化，與干摩擦完全不同?；c干摩擦完全不同。4.4.混合摩擦混合摩擦 兩表面間同時存在干摩擦、邊界摩擦和液體兩表面間同時存在干摩擦、邊界摩擦和液體摩擦的狀態(tài)稱為混合摩擦。摩擦的狀態(tài)稱為混合摩擦。 V液體摩擦液體摩擦V混合摩擦混合摩擦關(guān)于干摩擦理論關(guān)于干摩擦理論機(jī)械理論、分子機(jī)械理論、分子- -機(jī)械理論、粘附理論、能量理論等機(jī)械理論、粘附理論、能量理論等機(jī)械理論認(rèn)為：機(jī)械理論認(rèn)為： 摩擦力是兩表面凸峰的機(jī)械嚙合摩擦力是兩表面凸峰的機(jī)械嚙合力的總和，因而可解釋為什么表面愈力的總和，因而可解釋為什么表面愈粗糙，摩擦力愈大。粗糙，摩擦力愈大。庫侖公式：庫侖公式： nfFfF分子分

6、子-機(jī)械理論：機(jī)械理論： 摩擦力是兩表面凸峰間的機(jī)械嚙合力摩擦力是兩表面凸峰間的機(jī)械嚙合力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 2兩部分組成，因而這一理論可以解釋為什么當(dāng)表面光滑時，兩部分組成，因而這一理論可以解釋為什么當(dāng)表面光滑時，摩擦力也會很大。摩擦力也會很大。F Ff f = F= F1 1 + F + F2 2這兩種理論不能解釋能量是如何被消耗的這兩種理論不能解釋能量是如何被消耗的 兩金屬表面真實接觸面積很小，輪廓凸峰接觸區(qū)的壓力很兩金屬表面真實接觸面積很小，輪廓凸峰接觸區(qū)的壓力很高，產(chǎn)生塑性變形后，發(fā)生粘附現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點。當(dāng)相對高，產(chǎn)生塑性變形后，發(fā)生粘附

7、現(xiàn)象，形成冷焊結(jié)點。當(dāng)相對滑動時，將被剪開?；瑒訒r，將被剪開。 簡單粘著理論：簡單粘著理論：BsynBrfFAFsyBnfFFfbaFnAri 但簡單粘附理論無法解釋高真空中的但簡單粘附理論無法解釋高真空中的潔凈金屬發(fā)生摩擦?xí)r比常規(guī)環(huán)境里的摩擦潔凈金屬發(fā)生摩擦?xí)r比常規(guī)環(huán)境里的摩擦系數(shù)大得多的現(xiàn)象。系數(shù)大得多的現(xiàn)象。 1964 1964年鮑登等人對簡單粘附理年鮑登等人對簡單粘附理論進(jìn)行修正。論進(jìn)行修正。 在摩擦情況下，輪廓峰接觸區(qū)除作用有法向力外，還作用有在摩擦情況下，輪廓峰接觸區(qū)除作用有法向力外，還作用有切向力，所以接觸區(qū)同時有壓應(yīng)力和切應(yīng)力存在。切向力，所以接觸區(qū)同時有壓應(yīng)力和切應(yīng)力存在。

8、金屬材料的塑性變形取決于壓應(yīng)力和切應(yīng)力所組成的復(fù)合應(yīng)力作用。金屬材料的塑性變形取決于壓應(yīng)力和切應(yīng)力所組成的復(fù)合應(yīng)力作用。者者的的壓壓縮縮屈屈服服極極限限兩兩種種金金屬屬基基體體中中的的較較軟軟界界面面剪剪切切強(qiáng)強(qiáng)度度極極限限=SyBjNfFFf4-2 4-2 磨磨 損損1 1、磨損曲線（磨損過程）、磨損曲線（磨損過程）磨損量磨損量時間時間磨合階段磨合階段穩(wěn)定磨損階段穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段劇烈磨損階段（1）磨合磨損過程）磨合磨損過程 在一定載荷作用下形成一個穩(wěn)定的表面粗糙度，且在以后過在一定載荷作用下形成一個穩(wěn)定的表面粗糙度，且在以后過程中，此粗糙度不會繼續(xù)改變，所占時間比率較小程中，此粗糙度

9、不會繼續(xù)改變，所占時間比率較小（2）穩(wěn)定磨損階段）穩(wěn)定磨損階段 經(jīng)磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩擦條經(jīng)磨合的摩擦表面加工硬化，形成了穩(wěn)定的表面粗糙度，摩擦條件保持相對穩(wěn)定，磨損較緩件保持相對穩(wěn)定，磨損較緩, ,該段時間長短反映零件的壽命該段時間長短反映零件的壽命（3）急劇磨損階段）急劇磨損階段 經(jīng)穩(wěn)定磨損后，零件表面破壞，運動副間隙增大經(jīng)穩(wěn)定磨損后，零件表面破壞，運動副間隙增大動載振動動載振動潤滑狀態(tài)改變潤滑狀態(tài)改變溫升溫升磨損速度急劇上升磨損速度急劇上升直至零件失效直至零件失效 2 2、磨損的分類、磨損的分類1)1)粘附磨損（膠合）粘附磨損（膠合）按破壞的機(jī)理：按破壞的機(jī)

10、理： 粘著磨損、接觸疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。粘著磨損、接觸疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。 當(dāng)摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各點產(chǎn)生結(jié)點后再當(dāng)摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各點產(chǎn)生結(jié)點后再相對滑移時，材料從運動副的一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，便相對滑移時，材料從運動副的一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，便形成了粘著磨損。形成了粘著磨損。 例如：滑動軸承中的例如：滑動軸承中的 抱軸抱軸 和高速重載齒輪的和高速重載齒輪的 膠合膠合 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 影響因素：影響因素： 同類摩擦副材料比異類材料容易粘著；脆性材料比塑性材料同類摩擦副材料比異類材料容易粘著；脆性材料比塑性材料抗粘著能力高，在一定范圍的表面

11、粗糙度愈高抗粘著能力愈強(qiáng)，抗粘著能力高，在一定范圍的表面粗糙度愈高抗粘著能力愈強(qiáng)，此外粘著磨損還與潤滑劑、摩擦表面溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。此外粘著磨損還與潤滑劑、摩擦表面溫度及壓強(qiáng)有關(guān)。4)4)沖蝕磨損沖蝕磨損2)2)磨粒磨損（磨損）磨粒磨損（磨損）3)3)疲勞磨損（點蝕疲勞磨損（點蝕 ) ) 從外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬質(zhì)顆粒或摩擦表面上的硬質(zhì)凸峰，從外部進(jìn)入摩擦面間的游離硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔系挠操|(zhì)凸峰，在摩擦過程中引起材料脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。在摩擦過程中引起材料脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。影響因素：影響因素：與摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有關(guān)。與摩擦材料的硬度、磨粒的硬度有關(guān)。 受變應(yīng)力的摩擦副，在其

12、表面上形成疲勞點蝕，使小塊金受變應(yīng)力的摩擦副，在其表面上形成疲勞點蝕，使小塊金屬剝落，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損。屬剝落，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損。 常發(fā)生在滾動軸承、齒輪、凸輪等零件上。常發(fā)生在滾動軸承、齒輪、凸輪等零件上。 影響因素：影響因素：摩擦副材料組合、表面光潔度、潤滑油粘度以及表面硬度等。摩擦副材料組合、表面光潔度、潤滑油粘度以及表面硬度等。 有流動的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒作有流動的液體或氣體中所夾帶的硬質(zhì)物體或硬質(zhì)顆粒作用引起的機(jī)械磨損。用引起的機(jī)械磨損。5)5)腐蝕磨損腐蝕磨損 在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反在摩擦過程中，摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)

13、反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)的磨損稱為腐蝕磨損。應(yīng)的磨損稱為腐蝕磨損。影響因素：影響因素： 周圍介質(zhì)、零件表面的氧化膜及環(huán)境溫度等。周圍介質(zhì)、零件表面的氧化膜及環(huán)境溫度等。43 潤潤 滑滑 在摩擦面間加入潤滑劑的主要作用是改善摩擦、減輕磨損，在摩擦面間加入潤滑劑的主要作用是改善摩擦、減輕磨損，同時潤滑劑還能起減振、防銹等作用，液體潤滑劑還能帶走摩擦熱、同時潤滑劑還能起減振、防銹等作用，液體潤滑劑還能帶走摩擦熱、污物等。污物等。潤滑劑有液體潤滑劑、氣體潤滑劑、潤滑脂和固體潤滑劑。潤滑劑有液體潤滑劑、氣體潤滑劑、潤滑脂和固體潤滑劑。（3 3）合成油，如磷酸酯（低溫潤滑劑）、硅酸鹽酯（高溫潤）合成油，如磷酸酯（

14、低溫潤滑劑）、硅酸鹽酯（高溫潤滑劑）、氟化物（耐氧化潤滑劑）等，近年來應(yīng)用面不斷拓廣。滑劑）、氟化物（耐氧化潤滑劑）等，近年來應(yīng)用面不斷拓廣。性能指標(biāo)：性能指標(biāo)： 1）粘度）粘度 2）油性）油性 (潤滑性潤滑性)3）凝點）凝點 4）閃點和燃點）閃點和燃點 5）極壓性能）極壓性能 6）氧化穩(wěn)定性）氧化穩(wěn)定性 1.1.液體潤滑劑液體潤滑劑主要有三大類：主要有三大類：（1 1）礦物油，主要是石油產(chǎn)品，此種油來源充足，穩(wěn)定性好、）礦物油，主要是石油產(chǎn)品，此種油來源充足，穩(wěn)定性好、成本低，故應(yīng)用最廣；成本低，故應(yīng)用最廣；（2 2）動、植物油，其油性好，最適于邊界潤滑使用，但穩(wěn)）動、植物油，其油性好，最適

15、于邊界潤滑使用，但穩(wěn)定性差，來源不足，所以，應(yīng)用較少；定性差，來源不足，所以，應(yīng)用較少；1、粘性定律、粘性定律 yu牛頓流體牛頓流體內(nèi)摩擦定律內(nèi)摩擦定律流體的動力粘度流體的動力粘度 2、粘度常用單位、粘度常用單位 （1）動力粘度）動力粘度 單位：單位：Ns/m2 1m1m1mF=1Nv=1m/s（2）運動粘度）運動粘度v -流體的切應(yīng)力流體的切應(yīng)力 表示速度面積各為表示速度面積各為1m1m2 2的兩層流體相距的兩層流體相距1m1m時，相對滑動速度時，相對滑動速度為為1m/s1m/s，所需要的力為，所需要的力為1N1N，此時流體的粘度為，此時流體的粘度為1Pa.s1Pa.s。 1Pas = 10

16、P = 1000cP 工程上把動力粘度工程上把動力粘度與流體密與流體密度度的比值稱為運動粘度的比值稱為運動粘度。記為記為=/ /。 )/(/)(3mkgsPav物理單位：物理單位：cm2/s，1St（斯）（斯） 蒸餾水在蒸餾水在2020C C的運動粘度為的運動粘度為1cSt1cSt；L-AN10L-AN10全損耗系統(tǒng)用油全損耗系統(tǒng)用油4040C C 時粘度值即為時粘度值即為10cSt10cSt。 （3）條件粘度（相對粘度）條件粘度（相對粘度）恩氏粘度恩氏粘度 用潤滑油同水作比較所測得的粘度，稱為相對粘度。用潤滑油同水作比較所測得的粘度，稱為相對粘度。 在一定溫度下在一定溫度下200cm3200

17、cm3的油樣流過直徑為的油樣流過直徑為2.8mm2.8mm的孔所需時間，的孔所需時間，與同體積與同體積2020C C的蒸餾水流過時間的比值，即為該油樣的恩氏粘的蒸餾水流過時間的比值，即為該油樣的恩氏粘度，以符號度，以符號EtEt表示。表示。E20E20表示測定溫度為表示測定溫度為2020C C。 3、影響潤滑油粘度的主要因素、影響潤滑油粘度的主要因素 （1）溫度）溫度 潤滑油的粘度隨著溫度的升高而降低潤滑油的粘度隨著溫度的升高而降低（2）壓力）壓力 ppe0P10MP時，隨時，隨PP表表4-14-12.氣體潤滑劑氣體潤滑劑 最常用的是空氣，此外還有氫氣、水蒸汽及液態(tài)金屬蒸氣等最常用的是空氣，此

18、外還有氫氣、水蒸汽及液態(tài)金屬蒸氣等均可作為氣體潤滑劑。其特點是粘度低、功耗少、溫升小，其粘均可作為氣體潤滑劑。其特點是粘度低、功耗少、溫升小，其粘度隨溫度變化小，故適于高溫和低溫環(huán)境下的高速場合，但承載度隨溫度變化小，故適于高溫和低溫環(huán)境下的高速場合，但承載能力低。能力低。3.潤滑脂潤滑脂 為使?jié)櫥瑒┮子诒３衷谀Σ帘砻?，用稠化劑將潤滑油稠化為使?jié)櫥瑒┮子诒３衷谀Σ帘砻?，用稠化劑將潤滑油稠化成膏狀，即潤滑脂。稠化劑是各種金屬皂，如鉀皂、鈉皂、鈣成膏狀，即潤滑脂。稠化劑是各種金屬皂，如鉀皂、鈉皂、鈣皂等，從而可形成不同皂類的潤滑脂。有時為提高抗氧化能力皂等，從而可形成不同皂類的潤滑脂。有時為提高抗

19、氧化能力和潤滑性能，還常常加入添加劑。和潤滑性能，還常常加入添加劑。 鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂 性能指標(biāo)：性能指標(biāo)： 1）針入度）針入度 2）滴點）滴點 3）安定性）安定性 潤滑脂受熱開始滴下的溫度稱為滴點潤滑脂受熱開始滴下的溫度稱為滴點是潤滑脂稠度指標(biāo)。錐入度愈小，稠度愈大、流是潤滑脂稠度指標(biāo)。錐入度愈小，稠度愈大、流動性愈小，承載能力強(qiáng)，密封好，但摩擦阻力也大。動性愈小，承載能力強(qiáng)，密封好，但摩擦阻力也大。 4.固體潤滑劑固體潤滑劑 使用時常將潤滑劑粉末與膠粘劑混合起來制成的潤滑劑。使用時常將潤滑劑粉末與膠粘劑混合起來制成的潤滑劑。 石墨、二硫化鉬、氮化硼、蠟、石墨