摩擦學(xué)(第二講)

1、汽車摩擦學(xué)（第二講）流體潤(rùn)滑與Reynolds方程1課堂提問(wèn)1、潤(rùn)滑的目的是什么？ 潤(rùn)滑的目的是在摩擦表面之間形成低剪切強(qiáng)度的潤(rùn)滑膜，用它來(lái)減少摩擦阻力和降低材料磨損。2、潤(rùn)滑油的作用是什么？(1)潤(rùn)滑作用 發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果一些摩擦部位得不到適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑，就會(huì)產(chǎn)生干摩擦。實(shí)踐證明，干摩擦在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量足以使金屬熔化，造成機(jī)件的損壞甚至卡死(許多漏水或漏油的汽車出現(xiàn)拉缸、抱軸等故障，主要原因就在于此)。因此必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的摩擦部位給予良好的潤(rùn)滑。當(dāng)潤(rùn)滑油流到摩擦部位后，就會(huì)粘附在摩擦表面上形成一層油膜，減少摩擦機(jī)件之間的阻力，而油膜的強(qiáng)度和韌性是發(fā)揮其潤(rùn)滑作用的關(guān)鍵。 2(2)冷卻作用

2、燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的熱量，只有一小部分用于動(dòng)力輸出以及摩擦阻力消耗和輔助機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)上；其余大部分熱量除隨廢氣排到大氣中外，還會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)中的冷卻介質(zhì)帶走一部分。發(fā)動(dòng)機(jī)中多余的熱必須排出機(jī)體，否則發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)由于溫度過(guò)高而燒壞。這一方面靠發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系來(lái)完成，另一方面靠潤(rùn)滑油從氣缸、活塞、曲軸等表面吸收熱量后帶到油底殼中散發(fā)。(3)洗滌作用 發(fā)動(dòng)機(jī)工作中，會(huì)產(chǎn)生許多污物。如吸入空氣中帶來(lái)的砂土、灰塵，混合氣燃燒后形成的積炭，潤(rùn)滑油氧化后生成的膠狀物，機(jī)件間摩擦產(chǎn)生金屬屑等等。這些污物會(huì)附著在機(jī)件的摩擦表面上，如不清洗下來(lái)，就會(huì)加大機(jī)件的磨損。另外，大量的膠質(zhì)會(huì)使活塞環(huán)粘結(jié)卡滯，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)

3、轉(zhuǎn)。因此，必須及時(shí)將這些污物清理，這個(gè)清洗過(guò)程是靠潤(rùn)滑油在機(jī)體內(nèi)循環(huán)流動(dòng)來(lái)完成的。3(4)密封作用 發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸與活塞、活塞環(huán)與環(huán)槽以及氣門與氣門座間均存在一定間隙，這樣能保證各運(yùn)動(dòng)副之間不會(huì)卡滯。但這些間隙可造成氣缸密封不好，燃燒室漏氣，結(jié)果是降低氣缸壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。潤(rùn)滑油在這些間隙中形成的油膜，保證了氣缸的密封性，保持氣缸壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，并能阻止廢氣向下竄入曲軸箱。(4)防銹作用 發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)或存放時(shí)，大氣、潤(rùn)滑油、燃油中的水分以及燃燒產(chǎn)生的酸性氣體，會(huì)對(duì)機(jī)件造成腐蝕和銹蝕，從而加大摩擦面的損壞。潤(rùn)滑油在機(jī)件表面形成的油膜，可以避免機(jī)件與水及酸性氣體直接接觸，防止產(chǎn)生腐蝕、銹蝕

4、。4(6)消除沖擊載荷 發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮行程結(jié)束時(shí)，混合氣開始燃燒，氣缸壓力急劇上升。這時(shí)，軸承間隙中的潤(rùn)滑油將緩和活塞、活塞銷、連桿、曲軸等機(jī)件所受到的沖擊載荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)工作，并防止金屬直接接觸，減少磨損。5一、潤(rùn)滑狀態(tài)1、潤(rùn)滑的目的是在摩擦表面之間形成低剪切強(qiáng)度的潤(rùn)滑膜，用它來(lái)減少摩擦阻力和降低材料磨損。2、潤(rùn)滑膜：液體，氣體； 流體膜，固體膜3、潤(rùn)滑狀態(tài)：流體動(dòng)壓潤(rùn)滑；流體靜壓潤(rùn)滑；彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑；邊界潤(rùn)滑；干摩擦狀態(tài)等下面表1-1列出了各種潤(rùn)滑狀態(tài)的基本特征6各種潤(rùn)滑狀態(tài)所形成的潤(rùn)滑膜厚度不同，但是單純由潤(rùn)滑油膜厚度還不能準(zhǔn)確判斷潤(rùn)滑狀態(tài)，尚須與表面粗糙度進(jìn)行比較，下圖1-1列出了潤(rùn)

5、滑油膜厚度與粗糙度的數(shù)量級(jí)。只有當(dāng)潤(rùn)滑油膜厚度足以超過(guò)兩表面粗糙峰高度時(shí)，才有可能完全避免峰點(diǎn)接觸而實(shí)現(xiàn)全膜流體潤(rùn)滑。7二、潤(rùn)滑與摩擦機(jī)理1、四種摩擦分類： 從潤(rùn)滑觀點(diǎn)來(lái)講，常按摩擦面之間有無(wú)潤(rùn)滑材料及潤(rùn)滑劑的存在狀態(tài)來(lái)分類?？煞譃椋焊赡Σ?、邊界摩擦、液體摩擦和混合摩擦（1）干摩擦 摩擦面之間沒(méi)有潤(rùn)滑劑存在時(shí)發(fā)生的摩擦，稱為干摩擦。（2）邊界摩擦 邊界摩擦亦稱為邊界潤(rùn)滑，是指物體之間摩擦面上存在一層由潤(rùn)滑劑構(gòu)成的邊界膜發(fā)生的摩擦。（3）液體摩擦 液體摩擦亦稱為液體潤(rùn)滑，當(dāng)物體之間的接觸面被潤(rùn)滑油膜完全隔開時(shí)，物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦叫液體摩擦。8（4）混合摩擦混合摩擦亦稱為混合潤(rùn)滑，是屬于一種

6、不穩(wěn)定的潤(rùn)滑。實(shí)際上它是指上述三種摩擦中有兩種摩擦同時(shí)存在的情形，可分為半干摩擦和半液體摩擦。92、四種摩擦的機(jī)理干摩擦：干摩擦的發(fā)生有許多理論解釋，常用的是所謂“粘著機(jī)械嚙合”學(xué)說(shuō)。由于物體之間摩擦面的微觀狀態(tài)是凹凸不平的，摩擦面之間的接觸不發(fā)生在整個(gè)接觸面上，摩擦只是發(fā)生在摩擦面之間凸峰與凸峰正好相對(duì)的地方，物體之間的正壓力實(shí)際上只由占摩擦面很小部分的實(shí)際接觸面積承受。由于這些凸峰與凸峰相接觸的點(diǎn)受到相當(dāng)大的壓力而產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)了粘著現(xiàn)象,使凸峰與凸峰就好像被“熔焊”在一起。當(dāng)物體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了將這些“熔焊”在一起的點(diǎn)撕裂所需要的力，就構(gòu)成了摩擦力的主要部分。此外，還存在著一個(gè)摩擦

7、面上的凸峰正好嵌入另一個(gè)摩擦面上的凹谷的情況，當(dāng)物體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械嚙合阻力，這是摩擦力的又一個(gè)來(lái)源。因而物體之間發(fā)生干摩擦?xí)r，其摩擦力是“熔焊”點(diǎn)造成 的粘著阻力與“凹凸體”機(jī)械嚙合阻力之和。從設(shè)備的潤(rùn)滑觀點(diǎn)來(lái)講，干摩擦是有害的，主要表現(xiàn)在能量的損失（如轉(zhuǎn)為熱能）和機(jī)件的磨損上（如溫度升高導(dǎo)致材料表面抗磨性及強(qiáng)度降低同時(shí)有磨屑的產(chǎn)生）。10邊界摩擦：邊界摩擦亦稱為邊界潤(rùn)滑，是指物體之間摩擦面上存在一層由潤(rùn)滑劑構(gòu)成的邊界膜發(fā)生的摩擦。邊界膜的性質(zhì)是影響邊界摩擦的主要因素，按其形成方式，可分為吸附膜和反應(yīng)膜兩類。吸附膜是通過(guò)物理因素（分子吸引）或化學(xué)因素（電子交換產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力），使?jié)?/p>

8、滑劑中的極性分子產(chǎn)生定向排列形成的一層膜。反應(yīng)膜則是由含硫、磷、氯等元素的潤(rùn)滑油添加劑與摩擦表面起化學(xué)反應(yīng)，所生成的新的物 質(zhì)而構(gòu)成的一層膜。在邊界潤(rùn)滑作用比較充分，即形成的分子?xùn)庞休^大的承載能力和長(zhǎng)度時(shí)，摩擦僅發(fā)生在邊界膜之間，摩擦系數(shù)僅與摩擦面的性質(zhì)（材質(zhì)、幾何形狀等）和潤(rùn)滑劑的油性有關(guān)，也就是說(shuō)摩擦系數(shù)與摩擦面潤(rùn)滑劑之間形成極性分子?xùn)诺哪芰头肿訓(xùn)疟旧淼某休d能力有關(guān)，而與潤(rùn)滑油的粘度大小無(wú)關(guān)。當(dāng)邊界潤(rùn)滑作用較差時(shí)，某些部位的邊界膜被破 壞，造成摩擦面的直接接觸，從而形成干摩擦，使摩擦系數(shù)增大。11吸附膜的穩(wěn)定性較差，在一定溫度下，定向排列的極性分子會(huì)因熱運(yùn)動(dòng)而變得雜亂無(wú)章，甚至從摩擦面上

9、脫落下來(lái)，使得吸附膜失去承載能力，潤(rùn)滑作用大大減小。反應(yīng)膜較吸附膜穩(wěn) 定得多，因?yàn)樵诟邷叵禄瘜W(xué)反應(yīng)的速度加快，更有利于生成新的物質(zhì)來(lái)加強(qiáng)反應(yīng)膜，所以反應(yīng)膜適于重載、低速和高溫的條件。但是生成反應(yīng)膜時(shí)，一般伴隨著對(duì)金屬有腐蝕性。液體摩擦：液體摩擦?xí)r，物體之間的摩擦面沒(méi)有直接接觸，其間除了邊界潤(rùn)滑膜外，還有流動(dòng)油膜。因此摩擦僅發(fā)生在潤(rùn)滑油之間，運(yùn)動(dòng)阻力僅由潤(rùn)滑油分子間的吸引力（內(nèi)聚力）形成，因而摩擦系數(shù)很小，一般在0.010.001的范圍內(nèi)?；旌夏Σ?：可分為半干摩擦和半液體摩擦。半干摩擦是指干摩擦和邊界摩擦同時(shí)存在的情形，不充分的邊界摩擦將導(dǎo)致半干摩擦。半液體摩擦是液體摩擦和邊界摩擦同時(shí)存在的情形，不充分的液體摩擦?xí)?dǎo)致半液體摩擦。工業(yè)設(shè)備經(jīng)常處于混合摩擦狀況。 12三、潤(rùn)滑狀態(tài)與摩擦系數(shù)關(guān)系 前面表1-1根據(jù)油膜厚度鑒別潤(rùn)滑狀態(tài)的辦法雖然是可靠的，但測(cè)量上十分困難，往往不便采用。這 里是以摩擦系數(shù)數(shù)值作為判斷各種潤(rùn)滑狀態(tài)的依據(jù)。13四、潤(rùn)滑流體的粘度1、運(yùn)動(dòng)粘度與動(dòng)力粘度（1）通過(guò)自學(xué)搞清楚運(yùn)動(dòng)粘度與動(dòng)力粘度的概念。（2）會(huì)根據(jù)流體流動(dòng)莫型推導(dǎo)Newton粘性定理。（3）搞清楚粘度與溫度，與壓力的關(guān)系。14五、Reynolds方程1、假設(shè)共有八條假設(shè)如下：15