機(jī)械設(shè)計(jì)摩擦原理

機(jī)械設(shè)計(jì)摩擦原理第1頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一引言§4-0引言摩擦現(xiàn)象是自然界中普遍存在的物理現(xiàn)象。對(duì)于機(jī)器來(lái)講，摩擦?xí)剐式档停瑴囟壬?，表面磨損。過(guò)大的磨損會(huì)使機(jī)器喪失應(yīng)有的精度，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，縮短使用壽命。世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無(wú)用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過(guò)限度而報(bào)廢。潤(rùn)滑是減小摩擦、減小磨損、提高機(jī)械效率的最常用最有效方法。關(guān)于摩擦、磨損與潤(rùn)滑的學(xué)科構(gòu)成了摩擦學(xué)。本章主要介紹有關(guān)摩擦、磨損和潤(rùn)滑的一些基礎(chǔ)知識(shí)。第2頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§4-1摩擦§4-1摩擦一、摩擦的分類(lèi)靜摩擦動(dòng)摩擦1按運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)不同分為：滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦2按運(yùn)動(dòng)的形式不同分為：干摩擦邊界摩擦流體摩擦混合摩擦3滑動(dòng)摩擦按潤(rùn)滑狀態(tài)不同分為：第3頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一摩擦2摩擦二、滑動(dòng)摩擦的四種摩擦狀態(tài)

1）干摩擦：是指表面間無(wú)任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜，表面金屬直接接觸時(shí)的摩擦。

2）邊界摩擦：是指兩摩擦面被吸附在表面的邊界膜隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面吸附性能的摩擦。

研究干摩擦的理論主要有：“機(jī)械理論”、“分子理論”、“機(jī)械－分子理論”等。其摩擦阻力最大，磨損最嚴(yán)重。第4頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一摩擦3摩擦潤(rùn)滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，形成定向排列的分子?xùn)牛Q(chēng)為物理吸附膜。潤(rùn)滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱(chēng)為油性。潤(rùn)滑劑中的活性分子靠離子鍵吸附在金屬表面上形成的吸附膜，稱(chēng)為化學(xué)吸附膜。吸附膜反應(yīng)膜邊界膜分為：物理吸附膜化學(xué)吸附膜在潤(rùn)滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的邊界膜，稱(chēng)為反應(yīng)膜。邊界摩擦靠邊界膜起潤(rùn)滑作用，邊界膜的類(lèi)型如下：第5頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一摩擦4摩擦

３）流體摩擦：是指摩擦表面完全被流體膜隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。能生成反應(yīng)膜的潤(rùn)滑油稱(chēng)為極壓油。注：溫度對(duì)邊界膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。反應(yīng)膜在高溫下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反應(yīng)膜，這種能力稱(chēng)為極壓性。流體摩擦（或稱(chēng)流體潤(rùn)滑）的原理在本章第四節(jié)詳細(xì)介紹。其摩擦系數(shù)最小，且不會(huì)產(chǎn)生磨損，是理想的摩擦狀態(tài)。第6頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一摩擦5

邊界摩擦和混合摩擦在工程實(shí)際中很難區(qū)分，常統(tǒng)稱(chēng)為邊界摩擦。4）混合摩擦：是指摩擦表面間處于邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態(tài)。

混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數(shù)比邊界摩擦?xí)r要小得多。摩擦第7頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磨損主要是運(yùn)動(dòng)副中的摩擦導(dǎo)致零件表面材料的逐漸喪失或遷移。磨損會(huì)影響機(jī)器的效率，降低工作的可靠性，促使機(jī)器提前報(bào)廢?！?-2磨損§4-2磨損單位時(shí)間（或單位行程、轉(zhuǎn)等）材料的損失量，稱(chēng)為磨損率。

耐磨性：是指材料抵抗脫落的能力。與磨損率成倒數(shù)關(guān)系。一、典型宏觀磨損過(guò)程

磨損量時(shí)間磨合穩(wěn)定磨損劇烈磨損一個(gè)機(jī)械零件的磨損過(guò)程大體可分為三個(gè)階段：1）磨合階段

磨合（跑合）：是指新零件在運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損。第8頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磨損1新的摩擦副表面比較粗糙，真實(shí)微觀接觸面積比較小，壓強(qiáng)大，因此運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強(qiáng)減小，磨損的速度逐漸減慢。新摩擦表面的微觀形貌2）穩(wěn)定磨損階段

這個(gè)階段屬于零件的正常工作階段，磨損率穩(wěn)定且較低。這一階段的長(zhǎng)短直接影響機(jī)器的壽命。3）劇烈磨損階段零件經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作磨損以后，表面精度下降，效率降低，溫度升高，沖擊振動(dòng)加大，導(dǎo)致磨損加劇，最終導(dǎo)致零件報(bào)廢。磨損注：應(yīng)該力求縮短磨合期，延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損的到來(lái)。第9頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磨損2二、磨損的類(lèi)型磨損按磨損的機(jī)理不同，機(jī)械零件的磨損大體分為四種基本類(lèi)型：1）粘著磨損也稱(chēng)膠合2）疲勞磨損即疲勞點(diǎn)蝕3）磨粒磨損也稱(chēng)磨料磨損，4）腐蝕磨損

摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，材料從一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，便形成粘著磨損。是外界的硬顆粒或粗糙的硬表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，對(duì)摩擦表面的擦傷所引起的磨損。是高副（點(diǎn)、線接觸）機(jī)械零件的常件磨損形式。第10頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磨損3摩擦表面在摩擦過(guò)程中，伴隨有表面材料被腐蝕的現(xiàn)象，這種情況下產(chǎn)生的磨損即為腐蝕磨損。三、減小磨損的主要方法

（1）潤(rùn)滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。（2）合理選擇摩擦副材料

（3）進(jìn)行表面處理

（4）注意控制摩擦副的工作條件等磨損

除了上述四種基本磨損類(lèi)型以外，還有侵蝕磨損、微動(dòng)磨損等其他形式，由于時(shí)間關(guān)系，不多講。第11頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§4-3潤(rùn)滑§4-3潤(rùn)滑劑、添加劑、潤(rùn)滑方法潤(rùn)滑：是指在兩個(gè)摩擦表面之間加入潤(rùn)滑劑，以減小摩擦和磨損。此外，潤(rùn)滑還可起到散熱降溫，防銹、防塵，緩沖吸振等作用。一、潤(rùn)滑的分類(lèi)

1）流體動(dòng)力潤(rùn)滑：靠?jī)赡Σ帘砻娴南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)建立壓力油膜（稱(chēng)為動(dòng)壓油膜），兩表面被壓力油膜完全分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。

2）流體靜力潤(rùn)滑：兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完全分開(kāi)，強(qiáng)迫形成壓力油膜，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。3）彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑：是指理論上為點(diǎn)、線接觸的摩擦副，在考慮表面的彈性變形等因素的基礎(chǔ)上建立的流體動(dòng)力潤(rùn)滑。4）邊界潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑（即邊界摩擦和混合摩擦）。第12頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一潤(rùn)滑劑二、潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質(zhì)都可作為潤(rùn)滑劑。1潤(rùn)滑劑的分類(lèi)1）液體潤(rùn)滑劑：主要有：動(dòng)植物油、礦物油、水、液態(tài)金屬等。2）潤(rùn)滑脂：注：潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂在實(shí)際中應(yīng)用最廣。俗稱(chēng)黃油。由潤(rùn)滑油+稠化劑混合而成。潤(rùn)滑脂的主要性能指標(biāo)是：錐入度，反映其稠度大小。滴點(diǎn)，決定工作溫度。3)固體潤(rùn)滑劑4）氣體潤(rùn)滑劑：如空氣、氮?dú)?、二氧化碳等。?3頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)潤(rùn)滑2潤(rùn)滑油的主要性質(zhì)1）油性：是潤(rùn)滑油吸附于摩擦表面形成邊界膜的能力。油性越好，吸附能力就越強(qiáng)。2）粘度：是表示油液內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力大小的性能指標(biāo)。（粘度是選擇潤(rùn)滑油的主要依據(jù)）。下面分析粘度的物理意義：兩個(gè)平行的平板之間充滿(mǎn)潤(rùn)滑油，B板靜止，A板以速度運(yùn)動(dòng)，各油層的速度呈直線分布。相鄰油層之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力。第14頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一粘度潤(rùn)滑研究表明：油液內(nèi)摩擦切應(yīng)力與速度梯度成正比。即式中：即為潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度。其國(guó)際單位為：（帕·秒）動(dòng)力粘度與同溫度下該流體的密度之比，稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘度。即運(yùn)動(dòng)粘度

運(yùn)動(dòng)粘度的國(guó)際單位是：，此單位太大，常用注：我國(guó)潤(rùn)滑油的牌號(hào)就是用40℃下運(yùn)動(dòng)粘度的平均值表示的。（數(shù)）影響粘度的主要因素：a)溫度溫度潤(rùn)滑油的粘度（見(jiàn)圖4-10）第15頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一添加劑潤(rùn)滑b)壓力當(dāng)壓力≤5MPa時(shí)，對(duì)粘度的影響不大，可不予考慮。當(dāng)壓力＞5MPa時(shí)，粘度隨壓力升高明顯增加，不能忽略其影響。式中：為一個(gè)大氣壓下的粘度；為粘壓指數(shù)；為壓強(qiáng)。三、添加劑為了改善潤(rùn)滑劑某些方面的性能，在潤(rùn)滑劑中加入的化學(xué)合成物，稱(chēng)為添加劑。添加劑的種類(lèi)很多，例如：油性添加劑、極壓添加劑、降凝劑、增粘劑等第16頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§4-4流體動(dòng)力潤(rùn)滑基本原理§4-4流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理一、形成動(dòng)壓油膜的條件先分析兩個(gè)平行平板的情況，兩板之間充滿(mǎn)潤(rùn)滑油。平行間隙不能形成動(dòng)壓油膜。再分析兩板之間構(gòu)成楔形間隙的情況，如右圖所示。油壓分布曲線楔形間隙能夠形成動(dòng)壓油膜。（動(dòng)畫(huà)）流體動(dòng)力潤(rùn)滑是指借助于兩個(gè)摩擦表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)壓油膜，靠油膜的壓力將兩摩擦表面完全隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)流體潤(rùn)滑。第17頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一流體動(dòng)力潤(rùn)滑原理2形成動(dòng)壓油膜的條件：1）兩摩擦表面之間必須能形成收斂的楔形間隙；3）兩表面之間必須有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。2）兩表面之間必須連續(xù)充滿(mǎn)具有一定粘度的液體；二、雷諾潤(rùn)滑方程從動(dòng)壓油膜中取出一個(gè)微元體，在一定假設(shè)下對(duì)其進(jìn)行受力分析，經(jīng)推導(dǎo)可得表示油膜壓力在x方向的變化率與油膜厚度

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之間關(guān)系的方程：流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理詳細(xì)推導(dǎo)第18頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一流體動(dòng)力潤(rùn)滑原理3流體動(dòng)力潤(rùn)滑的基本原理式中：為油壓最大處的油膜厚度；、分別為油膜中某截面處的（坐標(biāo)為x）油壓和油膜厚度。上式即為一維雷諾潤(rùn)滑方程。利用雷諾方程也可解釋形成動(dòng)壓油膜的條件。第19頁(yè)，共20頁(yè)，2023年，2月20日，星期一流體潤(rùn)滑２流體潤(rùn)滑原理簡(jiǎn)介二、彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論是研究在點(diǎn)、線接觸條件下，兩彈性物體間的流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜的力學(xué)性質(zhì)。這時(shí)的計(jì)算必須把在油膜壓力下，摩擦表面