機械設(shè)計摩擦磨損和潤滑

關(guān)于機械設(shè)計摩擦磨損和潤滑第1頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010機械零件設(shè)計中常見的摩擦和磨損自鎖條件：最大有效圓周力：1螺紋連接2帶傳動第2頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20103齒輪傳動第3頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010蝸桿傳動的效率：4蝸桿傳動5滾動軸承第4頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010本章主要內(nèi)容1.摩擦2.磨損3.潤滑4.補充知識第5頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010摩擦學(xué)的發(fā)展歷史摩擦學(xué)Tribology

最早出現(xiàn)在1966年，來源于古希臘語tribos摩擦學(xué)是分析和解決裝備中磨損、可靠性和維修的一門科學(xué)。國際摩擦學(xué)理事會(InternationalTribologyCouncil)，各國摩擦學(xué)學(xué)術(shù)團(tuán)體聯(lián)合組成的國際性學(xué)術(shù)組織，縮寫ITC。1973年成立?，F(xiàn)有35個會員國，中國機械工程學(xué)會代表中國參加?？偛吭O(shè)在英國倫敦。第6頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010摩擦學(xué)的發(fā)展歷史人們了解摩擦學(xué)的相關(guān)知識要早于歷史記錄時間鉆木取火碾谷物的石輥使用的軸承古代的戰(zhàn)車第7頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010摩擦學(xué)的發(fā)展歷史達(dá)芬奇最早提出了摩擦因數(shù)的概念，認(rèn)為摩擦因數(shù)是摩擦力與正壓力之比。第8頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010阿孟頓的研究圖中D為一螺旋彈簧，C是一彈簧片，用來施加壓力。從彈簧D的伸長，可以計算出作水平運動所需的力。歐拉（L.Euler，1707-1783）在1750年用數(shù)學(xué)形式表示阿孟頓的實驗結(jié)果，即：F=f·N。這個公式人們通常稱之為庫侖摩擦定律。因為對摩擦現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)實驗研究的是庫侖。第9頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010庫侖的研究1781年，法國科學(xué)院懸獎競賽，題目中有一個是關(guān)于摩擦定律和繩索的牢固性問題。庫侖當(dāng)時是皇家工程部的高級軍官，以其論文：《簡單機械的理論》贏得了該獎。庫侖采用的滑動摩擦實驗裝置：實驗桌長約250厘米，上面嵌有兩塊平行木板AB與A′B′，各長360厘米，寬20厘米，相隔7.5厘米。在嵌板的左端BB′安裝有直徑30厘米的滑輪h，滑輪上掛著載有砝碼的盤子P，P下面挖了一個深120厘米的洞穴，為的是避免在測動摩擦?xí)r砝碼盤降落下來碰到地板。嵌板右端AA′上裝有帶杠桿的軸，用來收卷繩索。每次實驗，都事先用杠桿將重物拉回原處。重物有300公斤重，無法靠手來挪動位置。

庫侖研究滾動摩擦的裝置第10頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010采用數(shù)學(xué)模型對摩擦進(jìn)行研究1737年，貝利多（B.F.deBelidor）用一個一個半球接成的模型(如圖)當(dāng)作摩擦面，驗證了凸凹說，可以說，這是用模型對摩擦進(jìn)行研究的最早嘗試。英國物理學(xué)家德薩居利斯（J.T.Desaguliers）提出的粘合說。他在1724年向英國皇家學(xué)會作的報告中明確地把摩擦面之間的阻力歸因于粘合力的產(chǎn)生。他介紹了他曾經(jīng)用兩個鉛球（分別重1英磅和2英磅）做的實驗：兩個鉛球都切去直徑約1／4英寸的球缺，用手再將兩個切面對接，邊捻邊用力壓，使兩個鉛球的斷面互相貼緊，粘合在一起，

第11頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010德薩居利斯在1734年出版的《實驗物理學(xué)教程》一書中，把產(chǎn)生摩擦力的原因歸為摩擦表面的分子力的作用，并由此推斷，摩擦表面愈是光滑，摩擦力應(yīng)該愈大。這一觀念導(dǎo)致了潤滑減小摩擦的研究，對機械設(shè)計起著重要的指導(dǎo)作用。第12頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,201019世紀(jì)的研究英國的工程師雷尼（GeorgeRennie）。他對各種材料之間的滑動摩擦進(jìn)行了大量研究。圖示是他用過的實驗裝置，他在1829年指出，需要建立一個更普遍的理論，把各種表面的彎曲和斷面考慮在內(nèi)。他最先解釋了潤滑劑的作用，解釋潤滑劑填充了表面之間的不規(guī)則性，同時使之更為光滑。他還注意到當(dāng)壓力超過某一數(shù)值時，摩擦系數(shù)迅速增大。這表明，庫侖摩擦定律的成立是有條件的，也說明，在摩擦過程中應(yīng)該考慮凸凹受到破壞這一情況。也就是說，摩擦和磨損是同時發(fā)生的現(xiàn)象。第13頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡由德國人G.Binnig(1947-)和瑞士人H.Roher(1933-)1981年發(fā)明，根據(jù)量子力學(xué)原理中的隧道效應(yīng)而設(shè)計。兩人因此獲得1986年諾貝爾獎。第14頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010掃描隧道顯微鏡（scanningtunnelingmicroscope，STM)工作原理：

當(dāng)原子尺度的針尖在不到一個納米的高度上掃描樣品時，此處電子云重疊，外加一電壓（2mV~2V），針尖與樣品之間產(chǎn)生隧道效應(yīng)而有電子逸出，形成隧道電流。電流強度和針尖與樣品間的距離有函數(shù)關(guān)系，當(dāng)探針沿物質(zhì)表面按給定高度掃描時，因樣品表面原子凹凸不平，使探針與物質(zhì)表面間的距離不斷發(fā)生改變，從而引起電流不斷發(fā)生改變。將電流的這種改變圖像化即可顯示出原子水平的凹凸形態(tài)。

掃描隧道顯微鏡的分辨率很高，橫向為0.1~0.2nm，縱向可達(dá)0.001nm。它的優(yōu)點是三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）物質(zhì)均可進(jìn)行觀察，而普通電鏡只能觀察制作好的固體標(biāo)本。第15頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010摩擦、磨損、潤滑和密封失效是現(xiàn)代機械系統(tǒng)的主要失效原因。消極影響：

消耗能源；破壞精度（包括磨損和爬行）；增大噪聲

積極作用：驅(qū)動(摩擦輪、無級變速）緩沖，如宇航員座椅；自鎖，如釘子等第16頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010一、摩擦內(nèi)摩擦流體內(nèi)部產(chǎn)生的粘剪力摩擦外摩擦存在于兩物體表面之間第17頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010按照兩表面的潤滑狀況，摩擦分為：

1）干摩擦----無潤滑狀態(tài)

2）邊界摩擦——邊界潤滑狀態(tài)

3）流體摩擦——流體潤滑狀態(tài)

4）混合摩擦——混合潤滑狀態(tài)第18頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20101干摩擦

不加潤滑劑時，相對運動的零件表面直接接觸，這樣產(chǎn)生的摩擦稱為干摩擦(如真空中)。特點：最大；摩擦功耗大；磨損嚴(yán)重。古典摩擦理論：現(xiàn)在的觀點：第19頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20102邊界摩擦

兩表面加入潤滑劑后，在金屬表面會形成一層邊界膜（物理吸附膜或者化學(xué)反應(yīng)膜）。特點：油膜較薄，在載荷的作用下，兩金屬表面微觀的凸峰互相接觸，橫向剪切力比較弱。油性分子吸附在表面第20頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20103流體摩擦

當(dāng)兩摩擦表面被流體（液體或氣體）完全隔開時，摩擦表面不會產(chǎn)生金屬間的直接摩擦，流體分子層間的粘剪阻力就是摩擦力，這種摩擦稱為流體摩擦。屬于內(nèi)摩擦。

特點：f最小，f=0.001~0.01；金屬表面無磨損。第21頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010實現(xiàn)流體摩擦必須具備一定的條件。分述如下:1)流體動壓潤滑

所需條件：楔形空間，足夠速度，粘性流體第22頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010應(yīng)用實例：硬盤驅(qū)動器第23頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010

airbearing第24頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010第25頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20102）彈性流體動壓潤滑

考慮了接觸區(qū)彈性變形和壓力對接觸區(qū)潤滑油粘度的影響的動壓潤滑稱為彈性流體動力潤滑，簡稱為彈流潤滑。

兩表面的距離稱為平均油膜厚度。接觸區(qū)的出口處油膜變薄,這種現(xiàn)象稱為“頸縮”,此處兩表面距離稱為最小油膜厚度。第26頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20103)流體靜壓潤滑

用油泵將潤滑油經(jīng)過節(jié)流器以所需要壓力注入被潤滑表面的油室,再由油室的封油邊流回油箱。第27頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20104混合摩擦

當(dāng)動壓潤滑條件不完全具備，且有的邊界膜遭破壞時，就會出現(xiàn)流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦同時存在的現(xiàn)象，這種摩擦狀態(tài)稱為混合摩擦。第28頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010薄膜摩擦

它介于干摩擦和邊界摩擦之間，薄膜厚度僅幾納米，在現(xiàn)代精密機械系統(tǒng)(Ra很小)或MEMS中普遍存在，稱為薄膜摩擦。第29頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010二、磨損磨損：運動副表面材料不斷損失磨損率:單位時間內(nèi)材料的磨損體積或質(zhì)量1磨損過程（三階段）:第30頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20102磨損分類：根據(jù)磨損機理可分為1）粘著磨損形成：邊界摩擦，載荷大，速度高，邊界膜破壞，表面尖峰接觸?，F(xiàn)象：形成材料轉(zhuǎn)移。影響因素：材料硬度，表面結(jié)構(gòu)的粗糙度，載荷、速度、溫度，不同材料配副。第31頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20102）磨粒磨損/磨削形成：表面微峰或外界硬質(zhì)顆粒進(jìn)入摩擦面?，F(xiàn)象：表面劃傷或犁溝現(xiàn)象。影響因素：環(huán)境，表面硬度、表面結(jié)構(gòu)的粗糙度。第32頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20103）疲勞磨損（也稱疲勞點蝕）形成：接觸應(yīng)力反復(fù)作用。如軸承、齒輪中?，F(xiàn)象：表層金屬剝落，形成點蝕凹坑。影響因素：表面硬度、表面結(jié)構(gòu)的粗糙度，潤滑油粘度。第33頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20104）沖蝕磨損形成：一定速度的硬質(zhì)微粒反復(fù)作用，表面受法向力及切向力。燃?xì)鉁u輪機葉片、水輪機葉片?，F(xiàn)象：表面疲勞，材料損失。影響因素：材料硬度第34頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20105）腐蝕磨損（電化學(xué)作用）形成：空氣中的酸、潤滑油中的無機酸產(chǎn)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用?，F(xiàn)象：表面腐蝕并磨損。影響因素：環(huán)境、潤滑油的腐蝕性。此外還有微動磨損形成：小振幅、大頻率、點或線接觸?，F(xiàn)象：磨損面積小。影響因素：載荷。第35頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五CompanynameCycleDiagram腐蝕磨損粘著磨損磨粒磨損疲勞磨損沖蝕磨損磨損第36頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010三、潤滑劑潤滑油潤滑劑潤滑脂固體添加劑有機油（動植物油)、礦物油（石油產(chǎn)品）、化學(xué)合成油鈣基脂、鈉基脂、鋰基脂、鋁基脂、其它潤滑脂油性添加劑、抗磨劑、防銹劑、降凝劑、納米添加劑，等第37頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20101潤滑油分類：有機油（動植物油)、礦物油（石油產(chǎn)品）和化學(xué)合成油潤滑油的理化性能指標(biāo)

1）潤滑油的粘度

粘度的物理意義：反映了潤滑油在外力作用下抵抗剪切變形的能力，也是內(nèi)摩擦力大小的標(biāo)志。第38頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010剪切應(yīng)力τ

與流體沿y

方向速度的梯度dv/dy成正比，即η定義為流體的動力粘度。上式稱為牛頓流體粘性定律,凡符合此定律的流體稱為牛頓流體，否則稱為非牛頓流體。粘度的表示方法：動力粘度、運動粘度和相對粘度第39頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010動力粘度η長、寬、高各為1m的流體，如果使立方體頂面流體層相對底面流體層產(chǎn)生1m/s的運動速度，所需要的外力F為1N時，則流體的粘度η為1N?s/m2，叫做“帕秒”，常用Pa?s表示。運動粘度流體的動力粘度與同溫度下的密度ρ的比值,稱為運動粘度:第40頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,2010相對粘度°E恩氏粘度是相對粘度的一種,它是用200ml的粘性流體,在給定的溫度t下流經(jīng)一定直徑和長度的毛細(xì)管所需的時間,與同體積的蒸餾水在20℃時流經(jīng)同樣的毛細(xì)管所需時間的比值來衡量流體的粘性。潤滑油的粘溫、粘壓特性潤滑油的粘度隨溫度的變化存在指數(shù)關(guān)系:粘度和壓力的關(guān)系近似表示為:第41頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20102）油性—反映在摩擦表面的吸附性能（邊界潤滑和粗糙表面尤其重要）3）閃點—瞬時燃燒和碳化的溫度；燃點—長時間連續(xù)燃燒的溫度（高溫性能）；4）凝點—潤滑油冷卻到不能流動時的臨界溫度；(低溫啟動性能)5）極壓性（EP）,在重壓下表面膜破裂的最大接觸載荷，用PB表示，(極限載荷）6）酸值—限制潤滑劑變質(zhì)后對表面的腐蝕第42頁，共48頁，2022年，5月20日，1點19分，星期五HarbinInstituteofTechnology,20102潤滑脂潤滑脂的組成與分類1)組成：基礎(chǔ)油+稠化劑+添加劑+膨潤土2）分類：

A)鈣基脂：抗水，適于輕中重載荷；B)鈉基脂：高溫，但不抗水；