工程摩擦學基礎第三章

第三章摩擦FRICTION教學目的及要求引見摩擦的概念、分類及丈量方法引見古典摩擦定律及其局限性熟習常用的摩擦實際的要點及其適用范圍掌握影響摩擦的各要素及其發(fā)揚作用的內在本質教學重點、難點各種摩擦實際的要點及其運用范圍影響摩擦的各要素及其發(fā)揚作用的內在本質學時分配：4學時教學手段：講授、提問一、概述★定義：兩相互接觸的物體在外力作用下發(fā)生相對運動或具有相對運動趨勢時，在接觸面間產生切向的運動阻力叫做摩擦力，這種景象即為摩擦?！?－1摩擦的概念與分類★摩擦的危害：●耗費大量能量。抑制摩擦力，降低機械效率●摩擦副磨損?！癞a生熱量。摩擦熱使機械溫度升高，降低機械強度、熱變形、熱疲勞、熱磨損等闡明：摩擦的有益作用是毋庸置疑的。摩擦生熱、鉆木取火、人走路、車行駛、離合器、制動器、皮帶傳動、………機械運動中，發(fā)生相對運動的零部件統(tǒng)稱為摩擦副，如軸與軸承、齒輪嚙合、蝸輪與蝸桿、凸輪與挺桿、皮帶與皮帶輪等。二。摩擦的類型▲按摩擦發(fā)生的部位分類：外摩擦：兩相互接觸的物體外表之間發(fā)生的摩擦內摩擦：同一物體內部各個部分之間發(fā)生的摩擦，普通發(fā)生在液體或氣體。▲按摩擦副的運動形狀分類：靜摩擦：外力作用，但未發(fā)生相對運動。動摩擦：外力作用下發(fā)生相對運動▲按摩擦副的運動方式分類：滑動摩擦：兩接觸物體相對滑動時的摩擦。滾動摩擦：物體在力矩作用下沿接觸外表滾動時的摩擦。轉動摩擦：物體在力矩作用下沿接觸外表轉動時的摩擦。復合摩擦：同時存在滑動和滾動摩擦?！茨Σ粮钡墓饣螤罘诸惛赡Σ粒好x上無光滑劑時的摩擦流體摩擦：兩摩擦外表被一層延續(xù)的流體光滑劑薄膜完全隔開時的摩擦邊境摩擦：兩摩擦外表間的流體光滑劑膜不延續(xù)，但外表被極薄的光滑膜隔開混合摩擦：同時存在流體摩擦、邊境摩擦和干摩擦的混合形狀下的摩擦，細分為半干摩擦和半流體摩擦。達·芬奇→阿蒙頓→庫倫第一定律：摩擦力的方向與接觸外表相對運動速度的方向相反，其大小與接觸物體間的法向壓力成正比，即F＝μN式中：F—摩擦力；μ—摩擦系數；N—法向載荷。第二定律：摩擦力大小與相接觸物體間的名義接觸面積無關。第三定律：摩擦力的大小取決于資料性質，與滑動速度無關?！?－2古典的摩擦定律二、古典摩擦定律的局限性1.摩擦系數μ的問題實驗闡明：硬鋼外表對硬鋼外表在正常大氣條件下，μ約為0.6，但在真空中可高達2；石墨在正常大氣條件下摩擦系數μ為0.1，但在很枯燥的空氣中可大于0.5。摩擦系數是資料與各種條件的綜合特征，而不是資料本身的固有特征。2.接觸面積與正壓力問題對于很光潔的硬外表，由于接觸外表間分子引力起作用，摩擦力也將隨接觸面積增大而增大。對于極硬資料如鉆石或很軟資料如聚四氟乙烯〔PTFE〕等，當壓力很大時，摩擦力并不與法向載荷成正比，而是：F＝cNx式中:c—常數；x—指數,其值約為2/3～1。3.滑動速度問題實際闡明，多數資料隨著滑動速度添加，摩擦系數降低，且兩者關系隨所受載荷大小而異?！?－3各種摩擦實際概述

目的：了解摩擦產生的緣由，以便控制摩擦。一、機械互鎖學說(凹凸說)摩擦是外表粗糙不平的機械互鎖作用引起的。即當兩外表相對滑動時，由于粗糙不平的外表在不平處相互嵌入，因此產生阻抗物體運動的阻力。VW假設兩外表由許多斜角為Θ的微凸體所組成，那么摩擦力就是爬過各微凸體需所力Fi之和。因此摩擦系數μ應為:

μ=〔3-2〕式中F—摩擦力；N—法向載荷?；卮鹗恰癗o〞，這是“機械互鎖學說〞的缺乏。根據“機械互鎖學說〞，外表越光滑，摩擦力越小。闡明：外表愈粗糙，μ愈大；提高外表粗糙度等級，可以降低μ等景象。Question:YesorNo?二、分子作用實際〔或分子吸引實際〕：德薩古利爾：<實驗物理學教程>〔1734〕尤因〔1892〕、湯姆林森〔1929)、普蘭德爾、哈迪〔1936〕等提出：摩擦過程中接觸外表間的分子相互作用力，是產生摩擦的一個重要緣由。摩擦過程中接觸分子分別，又構成新的接觸分子，接觸分子轉換所引起的能量損失等于摩擦力所作的功。

F＝μ〔N+ArPm〕(3-3)式中Pm—單位實踐接觸面積上的分子力；Ar—實踐接觸面積。特點：這個學說能解釋前面機械互鎖學所不能解釋的問題。缺乏：但根據這一學說，當載荷不大，外表愈粗糙，實踐接觸面積愈小時，摩擦力應該越小，這與實踐情況不相符合。三、摩擦的粘著和犁溝實際1.簡單的粘著實際什么叫粘著？在外加壓力作用下，由于外表吸引力的作用而使兩外表發(fā)生粘合的景象。根本要點：Ⅰ.摩擦外表處于塑性接觸形狀。因實踐接觸面積很小，施加法向載荷時，微凸體頂端接觸，先彈性變形，接觸應力到達接觸點的屈服極限σs時產生塑性變形,使接觸面積增大，直至能接受載荷為止，那么N=Ar·σs或Ar=N/σsNAr接觸點塑性變形，面積增大，支撐外載荷粘著區(qū)域Ⅱ?；瑒幽Σ潦钦持c滑動交替發(fā)生的粘滑過程。開場時在接觸區(qū)域內產生粘著，在切向力作用下相對滑動，粘著點被剪斷，整個滑動摩擦是粘著點的構成和剪切交替進展的粘滑過程。Ⅲ。摩擦力是粘著效應和犁溝效應產生阻力的總和。F=Ar·b＋Ac·Pc實踐接觸面積粘著點剪切強度犁溝面積單位面積犁溝力通常，粘著效應是產生摩擦力的主要緣由，尤其對硬資料而言，犁溝效應可忽略，根據上式有：F=Ar·b=(N/σs)·b故摩擦系數f為：f=F/N=b/σs=此式得出的摩擦系數通常比實踐情況小，與實踐不相符，在空氣中的摩擦系數很大，真空中更大。

從上式可以了解到，假設在金屬外表上涂覆一層軟金屬薄膜，使剪切強度降低，就可以顯著降低摩擦系數。2、修正的粘著實際簡單粘著實際在靜止條件下是比較合理的，實踐情況是，摩擦過程中既有法向力的作用，又有切向力的作用，才干使兩外表產生相對運動。修正粘著實際主要思索在切向力作用下，使接觸面積增大，從而導致摩擦系數添加。N切向力FA0AAr=A0+A此時，資料的屈服是法向力和切向力共同作用的結果。根據應力合成規(guī)律有：σ2＋2=K2待定常數,>1即：(N/Ar)2＋(F/Ar)2=K2極限情況：①只需法向力時，=0，σ=σs那么：σs2=K2(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2當量應力即：(N/Ar)2＋(F/Ar)2=K2極限情況：①只需法向力時，=0，σ=σs那么：σs2=K2(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2Ar2=(N/σs)2＋(F/σs)2②當切向力很大時，忽略法向力，那么有：2=σs2當大到等于抗剪切強度b時，開場滑動，那么b2=σs2或=σs2/b2多數金屬的σs/b=2～5，故=4～25根據(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2推出：Ar2=(N/s)2＋(F/b)2切向力產生的面積增大部分法向力作用部分，對應于簡單粘著實際上式可知，切向力的作用大大添加了實踐接觸面積〔可增大3倍以上〕，從而使摩擦力或摩擦系數顯著增大。尤其是干凈外表或在真空條件下，摩擦力增大更多。四、摩擦的分子-機械實際前蘇聯科學家克拉蓋爾斯基提出的學說。要點：這一學說強調摩擦的雙重本質，以為兩接觸外表作相對運動時，即要抑制機械變形的阻力，又要抑制分子相互作用的阻力；摩擦力就是接觸面積上分子和機械作用所產生的阻力之和。摩擦力來源于兩方面，即分子的相互作用和微凸體的機械作用。總摩擦力為：F＝F1＋F2F1—粘結點上分子間相互作用力；F2—微凸體的犁溝作用所引起的變形阻力?？偟哪Σ料禂担篺＝f1＋f2將單個微凸體看成其頂部成球形作為犁溝作用的模型來討論。分子-機械實際模型設球狀微凸體的半徑為r，球壓入軟平面的深度為h，垂直于運動方向的截面積A1為受阻力面積，約等于△ABC的面積，那么A1=ha；微凸體所受的阻力：F2=A1στ=haστστ—軟資料的屈服極限。正壓力只作用在面積A2上，所以N2=A2σN=a2σNσN—微凸體資料的塑性擠壓應力，取σN=στ那么：μ2=又∵〔r-h〕2+a2=r2r2-2rh+h2+a2=r2a2=2rh-h2h很小時，a≈故由機械作用分量求得的摩擦系數：μ2＝由分子作用分量求得的摩擦系數為：μ1=τ0—分子粘著銜接的剪切阻力。對無光滑的金屬摩擦副，τ0=25～300KPa；有光滑時為10KPa；對于金屬和聚合物的摩擦副τ0=2～5KPa。Pr—摩擦接觸點的平均壓力。β—系數?？偰Σ料禂禐椋害?μ1+μ2=kx—系數，對單個微凸體的塑性接觸kx=0.55；對于彈性接觸，kx=0.19。五、摩擦的能量實際對摩擦的能量實際的研討有兩種看法：一種是從外表能量的觀念出發(fā)分析摩擦機理；另一種是從能量的平衡觀念來綜合分析摩擦過程外表能量的觀念資料的滑動過程中，粘結點的尺寸不僅取決于塑性變形過程，而且還遭到外表的吸引力的影響。μ=τb—粘著點的剪切強度；H—軟資料的硬度；Wab—粘著外表的能量；r—粘著點的平均半徑；θ—微凸體與程度面的傾斜角。能量平衡實際在摩擦過程中，會出現一些與能量耗費有關的景象，如彈性和塑性變形、發(fā)光、輻射、振動及噪聲等，要采用了系統(tǒng)分析的方法來解釋。設系統(tǒng)構造為S，那么S=｛A,P,R｝式中：A—系統(tǒng)元素；P—元素性質；R—元素之間相互作用。以油光滑齒輪傳動為例摩擦學系統(tǒng)有四個元素：摩擦副齒輪1和2；中間資料3；周圍介質4。各種齒輪傳動的摩擦形狀可以差別很大。有的傳動是按全膜光滑設計的，例如平面雙包絡蝸桿傳動的光滑設計就是企圖獲得最正確的流體動力光滑形狀。有的齒輪傳動是在無油條件下任務，嚙合全過程處于干摩擦形狀。大多數齒輪傳動那么在混合光滑形狀下任務，它的一個重要問題是分析載荷的分配。峰點接觸邊境光滑的摩擦學行為，情況比較復雜。運用黑箱方法作系統(tǒng)分析可將問題簡化。§3-4影響摩擦的要素影響摩擦的要素：摩擦副資料的性質、環(huán)境氣氛、靜止接觸時間、載荷情況、摩擦副的剛度和彈性、運轉速度、溫度情況、摩擦外表接觸幾何特性和外表層物理性質，以及介質的化學作用等。摩擦系數是表示資料摩擦特性的主要參數之一，它與資料外表性質、介質或環(huán)境等要素有親密關系。如鋼對鋼的摩擦系數可以在0.05～0.8之間這樣大的范圍內變化。所以，在給出一種資料的摩擦系數時，必需同時給出得出數值的條件和所用的測試設備。一、載荷的影響本質：載荷是經過接觸面積的大小和變外形狀來影響摩擦的。光滑外表在接觸面上的應力約為資料硬度值的一半；而粗糙外表的接觸應力到達硬度的2～3倍，即出現塑性變形。當外表是塑性接觸時，滑動摩擦系數與載荷無關。在普通情況下，金屬外表處于彈塑性接觸形狀，滑動摩擦系數隨著載荷的添加而降低。為什么？實踐接觸面積的Ar比載荷Fn添加的慢。45鋼對鑄鐵在300r/min和干摩擦條件下，摩擦系數隨載荷變化的情況。由于摩擦外表處于彈塑性接觸形狀，因此滑動摩擦系數隨加載速度而改動。當載荷很小時，加載速度的影響更為顯著。

干摩擦油光滑加載速度/N.s-15011055050110300滑動摩擦系數0.200.220.260.110.110.14表3-1加載速度的影響〔青銅與鋼摩擦〕滑動摩擦系數隨加載速度的添加而添加。對于非金屬資料，情況較為復雜:試驗條件不同時間〔min〕下的摩擦系數f轉速〔rpm〕載荷〔N〕5101520253080037.340.060.060.060.060.040.04800133.480.110.110.070.070.050.05800222.460.030.030.020.020.020.02800311.440.040.040.030.030.020.02表3-2酚醛塑料〔A—1〕的摩擦系數與載荷的關系闡明：1)在開場時摩擦系數隨載荷添加而添加，摩擦系數到達最大值后，摩擦系數又隨載荷添加而減少。2)時間對摩擦系數也有影響。二、外表膜對摩擦系數的影響大多數金屬的外表在大氣中會自然生成與外表結合強度相當高的氧化膜或其它污染膜；也可以人為地用某種方法在金屬外表上構成一層很薄的膜，如硫化膜、氧化膜、軟金屬膜〔In、Sn、Pb等〕。這些膜在一定厚度內不會改動實踐接觸面積的大小，而且該膜使金屬外表的物理化學性質與基體金屬的不同，通常膜的剪切強度低于基體金屬的剪切強度。因此，具有外表膜的摩擦副其摩擦主要發(fā)生在膜間，金屬與金屬不易粘著。根據Ff＝Ar×στ可知：

由于外表膜存在，摩擦力和摩擦系數會隨之降低摩擦副資料摩擦系數〔f〕真空中加熱大氣中清潔外表氧化膜鋼—鋼粘著0.780.27銅—銅粘著1.210.76外表氧化膜對摩擦系數的影響平板資料鋼銅平板資料鎳平板資料錫鉛載荷〔N〕凸腳資料摩擦系數f載荷〔N〕凸腳資料摩擦系數f載荷〔N〕凸腳資料摩擦系數f2.20Pb1.00.501.40Pb0.680.40Pb1.001.3521.400.780.3611.400.3910.401.141.342.40Sn0.660.411.40Sn0.680.40Sn0.900.4821.400.560.3511.400.4410.400.830.512.40Bi0.620.501.40Bi0.391.40Bi0.600.6021.400.440.3411.400.2610.400.541.002.40Al0.710.401.40Al0.511.40Al0.911.0021.400.450.2511.400.2610.400.681.002.40Cu0.371.201.40Cu0.491.40Cu1.001.0021.400.311.4611.400.2710.400.841.142.40Zn0.410.351.40Zn—1.40Zn0.910.8321.400.300.3411.40—10.400.691.102.40鋼0.530.231.40鋼0.501.40鋼0.831.3821.400.820.1711.400.3910.400.600.57表3-4實驗室條件下，純真金屬的摩擦系數上表闡明以下幾點：純真金屬資料的摩擦副，由于不存在外表氧化膜，摩擦系數比較高滑動摩擦系數隨著載荷的添加而降低；同種金屬對磨時由于粘著的影響摩擦系數激增膜的構成速度和膜的厚度對摩擦系數也有影響用半徑R＝0.3mm的球形壓頭在40N下沿著涂有銦膜〔厚度＝0.01–10微米〕的工具鋼試樣外表上滑動時測出。三、資料性質金屬摩擦副的摩擦系數，隨配對資料性質的不同而不同。分子或原子構造一樣或相近的兩種資料互溶性大，反之，分子或原子構造差別大那么互溶性小?；ト苄暂^大的資料組成摩擦副，易發(fā)生粘著，摩擦系數增高；互溶性較小的資料組成摩擦副，不易發(fā)生粘著，摩擦系數普通都比較低。四、滑動速度摩擦系數隨滑動速度添加而升高，越過一極大值后，又隨滑動速度的添加而減少。當壓力增大時，該最大值對應于較小的速度值?；瑒铀俣葘δΣ料禂档挠绊懀饕悄Σ烈饻囟鹊淖兓?。滑動速度引起的發(fā)熱和溫度的變化，改動了摩擦外表層的性質和接觸情況，因此摩擦系數必將隨之變化。對溫度不敏感的資料〔如石墨〕，摩擦系數實踐上幾乎與滑動速度無關。五、溫度摩擦副相互滑動時，溫度的變化使外表資料的性質發(fā)生改動，從而影響摩擦系數，摩擦系數隨摩擦副任務條件的不同而變化，詳細情況需用實驗方法測定。1.對于大多數金屬摩擦副而言，其摩擦系數均隨