摩擦学原理固体摩擦
摩擦原理课件固体摩擦详细
摩擦材料：包括金属、塑 料、橡胶等不同材质的摩 擦材料
测量仪器：包括力传感器、 位移传感器等用于测量摩 擦力的仪器
控制设备：包括计算机、 控制器等用于控制实验过 程的设备
辅助材料：包括润滑油、 清洁剂等用于维护实验设 备的材料
实验方法与步骤
准备实验材 料：固体材 料、摩擦力实 验条件、实
04
固体摩擦的应用
机械工程中的摩擦应用
机械传动：利用摩擦力实现动 力传递和速度控制
制动系统：利用摩擦力实现车 辆的减速和停车
密封系统：利用摩擦力实现密 封效果防止泄漏
润滑系统：利用摩擦力实现润 滑效果减少磨损和能耗
交通工具中的摩擦应用
轮胎与地面的 摩擦：提供车 辆行驶的驱动
力
刹车系统中的 摩擦：通过摩 擦力使车辆减
验步骤等
进行实验操 作：按照实 验方案进行 实验操作记 录实验数据
分析实验结 果：对实验 数据进行分 析得出结论
撰写实验报 告：详细记 录实验过程、 实验结果、 实验结论等
实验总结： 总结实验经 验提出改进 建议为后续 研究提供参
考
实验结果与分析
实验目的：验证固体摩擦原理 实验方法：采用摩擦力测量仪进行测量 实验结果：摩擦力与接触压力、滑动速度、接触面积等因素有关 分析：摩擦力与接触压力成正比与滑动速度成反比与接触面积成正比 结论：固体摩擦原理在实验中得到验证为工程应用提供了理论依据
松开
橡皮擦：橡皮擦与纸张 的摩擦力使笔迹擦除
汽车轮胎：轮胎与地面 的摩擦力提供汽车前进
的动力
门锁：锁舌与锁孔的摩 擦力使门锁紧
笔尖：笔尖与纸张的摩 擦力使笔迹清晰
拉链：拉链与衣物的摩 擦力使拉链拉合
自行车链条：链条与齿 轮的摩擦力使自行车前
第2章固体摩擦.
2.1.3 粘滑现象
精细的实验研究证明：干摩擦运动并非连续平稳的滑动， 而是一个物体相对于另一个物体断续的滑动，就是所谓的 粘滑现象，也称为跃动现象。
在起动过程中，静摩擦系数明显高于动摩擦系数。
摩擦力随时间的变化呈锯齿状的曲线。
粘滑问题的等效力学模型
的，但不适用于弹性及粘弹性材料。
定律三 静摩擦系数大于动摩擦系数。 这一定律不适用于粘弹性材料，尽管关于粘弹性材料
究竟是否具有静摩擦系数还没有定论。
定律四 摩擦系数与滑动速度无关。 严格地说，第四定律不具有普适性，对金属来说基本
符合这一规律，而对粘弹性体来说，摩擦系数则明显与滑 动速度有关。
上述经典摩擦定律并非基本的物理定律，只是从实验结果中 总结得出的几条规律，大致适用于常规工况条件下比较洁净 或有污染膜的固体表面的干摩擦。
f A
W
f 并不是一个常量，它随A／W比值而变化，这与实验结果 相符。 摩擦二项式定律经实验证实相当适用于边界润滑，也适用 于某些实际接触面积较大的干摩擦问题。
2.3 滑动摩擦
研究摩擦系数的变化及其影响因素，以便控制摩擦过程和 降低摩擦损耗，是一项具有普遍意义的课题。
影响摩擦系数的各种因素：材料副配对性质、静止接触时 间、法向载荷的大小和加载速度、摩擦副的刚度、滑动速 度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质 以及环境介质的化学作用等。
摩擦系数随着工况条件的变化很大，因而预先确定摩擦系 数准确的数据和全面估计各种因素的影响是十分困难的。
2.3.1 载荷对摩擦系数的影响
载荷通过真实接触面积的大小和变形状态影响摩擦力。 当粗糙峰处于塑性接触时，摩擦系数与载荷大小无关。 在一般情况下，金属表面处于弹塑性接触状态。由于真实 接触面积与载荷的非线性关系，使得摩擦系数随着载荷的 增加而降低。
摩擦学原理-固体摩擦、磨损理论
§20-3 磨损的基本形式
磨料磨损影响因素
§20-3 磨损的基本形式
(2)磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒磨损。 当磨粒运动方向与固体表面接近于平行时, 在固体表面产生擦伤 或犁沟痕迹。 当磨粒运动方向与固体表面垂直时，常称为冲击磨损，在表面产 生高应力碰撞，磨出较深的沟槽。
§20-3 磨损的基本形式
(3) 在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起磨粒作用，也 是二体磨损。
糙度越小, 摩擦系数越低。 问题
F fW Wtg
(1) 超精加工表面间的摩擦系数反而增加
(2) 表面吸附一层极性分子后, 其厚度不及抛光粗糙度的十分之
一，摩擦系数极大减小
§20-2 摩擦理论
2、分子作用理论 Tomlinson于1929年提出分子间电荷力所产生的能量损耗是摩擦的 起因, 推导出Amontons公式
机械的、组织结构的、物理的、化学的变化
3、表面层的破坏 擦伤
点蚀
剥落
微观
胶合
点蚀、剥落
§20-3 磨损的基本形式
磨损机理
疲劳磨损 粘着磨损 磨料磨损 腐蚀磨损
§20-3 磨损的基本形式
一、疲劳磨损 相对滚动或滚动兼滑动的表面，在循环接触应力作用下，由于材 料疲劳而形成凹坑。
1、表面萌生 金属表面在循环接触应力作用下, 疲劳裂纹发源于材料表层内部 的应力集中源, 如非金属夹杂物或空穴。裂纹萌生以后，首先顺 滚动方向平行于表面扩展，然后分叉延伸到表面，使磨屑剥落后 形成凹坑，其断口比较光滑。
我的摩擦学导论第五章
常见的两种摩擦类型：
★干摩擦
干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属
接触时的摩擦。又称库伦摩擦
★流体摩擦
工程实际中并不存在干摩擦。通常是将未经人为润 滑的摩擦状态当作干摩擦处理。干摩擦时摩擦阻力 很大，磨损严重，应避免。
是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体 内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数 最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。
引言
如果两个固体放到一块 即产生切向力（F）。使 它们由静止而相对运动 所需施加的切向力的大 小 称 为 静 摩 擦 力 （Fstatic或Fs ）。在进 入相对运动状态前需有 几微秒的时间来克服静 摩擦力。而维持相对运 动的切向力称为动摩擦 力 （ Fkinetic或 Fk ） 。 (在一定条件下)静摩擦力 大于或等于动摩擦力， 如图5.1.2。
图5.2.9 橡胶在硬表面 间上产生粘着的机理
第5章 摩擦
粘摩擦机理
粘合摩擦系数就可以用下式来表示： (5.2.15) 其中:
a
(
Ar
2 W
) a tan
tan —阻尼系数。
假设一个光滑的半球形橡胶在一个干净的光滑的玻璃表面滑动，它们之间 就会发生间断地分离，这样就有高速地从头到尾的滑动。粘合似乎在贯穿 于这种波动中，这就使得橡胶表面会有折痕，也有可能会由切向的压力而 发生扣死。切线应力梯度是发生间断分离的驱动力。橡胶在玻璃上的运动 不是交叉面间的滑动而类似于通过地毯后留下的一段皱褶或者说是像毛毛 虫的移动。
第5章 摩擦
粘摩擦机理
塑性变形的粘合摩擦：
大部分的固体材料的剪切强度是由接触状况决定的。对 于塑料和一些非金属材料，有
(5.2.14a)
摩擦学的基本原理及其应用
摩擦学的基本原理及其应用摩擦是我们日常生活中经常遇到的现象。
车辆行驶时的轮胎与路面摩擦，人行走时的脚与地面摩擦，任何实体在相互接触时都会产生摩擦。
而摩擦学正是研究物体在相互接触时产生的力的学科，其基本原理和应用非常重要。
一、摩擦的基本原理1. 摩擦力的定义摩擦力是指阻碍物体相对运动的力。
在物体相互接触时，由于表面间的不规则性，阻碍物体相对运动的力就会产生。
摩擦力可以分为静摩擦力和动摩擦力两种，它们通常都是与物体间接触的表面粗糙程度和材料特性等因素有关。
2. 摩擦力与接触面积的关系摩擦力与物体间接触面积成正比例关系。
接触面积越大，摩擦力越大；反之，接触面积越小，摩擦力越小。
这是因为物体直接接触的表面积越大，表面之间的微小凹凸就越大，摩擦力就越大。
3. 摩擦力与物体间压力的关系摩擦力与物体间压力成正比例关系。
即当物体间的压力增大时，摩擦力也随之增大，反之亦然。
这是因为物体间的压力越大，表面间的不规则性就越小，微小凹凸就进一步压缩，摩擦力就会增大。
二、摩擦学的应用1. 制动系统摩擦制动是利用静摩擦力使车轮停止转动的一种制动方式。
汽车、自行车等的制动系统都是靠摩擦制动来实现的。
在制动过程中，制动器上的刹车片与转动的车轮表面接触，产生静摩擦力使转轮停止转动。
而刹车片与车轮的表面摩擦系数大与小的不同，就会影响到制动效能和制动距离的长度。
2. 螺纹连接螺纹连接是常用的一种紧固连接方式，它通常用于连接杆件、面板、封板等部件。
在螺纹连接时，利用螺纹外螺距不等的原理，使螺栓和螺母之间相互旋转，从而将拼接的两个构件紧密地连接在一起。
在设计时，需要根据要求计算螺栓和螺母的摩擦力，以保证连接牢固。
3. 轴承轴承是一种广泛应用于机器设备中的组件，主要用于支撑机器转动部件，并在其旋转过程中承受轴向和径向的载荷。
它的基本原理就是利用滚动体或滑动体之间的摩擦来实现支承转动。
因此，轴承性能的好坏与其摩擦力有着密不可分的关系。
4. 润滑油润滑油作为目前普遍使用的润滑材料，被广泛应用于各种机械设备中，其作用是减小机械件表面的摩擦，以达到降低能耗、延长机器使用寿命的效果。
机械设计中的摩擦学原理分析
机械设计中的摩擦学原理分析摩擦学是研究摩擦、磨损和润滑的学科，对于机械设计来说，摩擦学原理的应用至关重要。
摩擦学原理的理解能够帮助工程师们设计出更有效、更可靠的机械系统。
本文就机械设计中的摩擦学原理进行详细分析。
一、摩擦学基本概念摩擦是由于两个物体之间的接触而产生的阻碍相对运动的力。
摩擦由于两个物体之间的微小不平整而产生，其平衡状态下的力大小可以用摩擦系数表示。
摩擦系数越大，两个物体之间的摩擦力就越大，相对滑动也就越困难。
磨损是指在摩擦作用下，物体表面逐渐剥落、破损或变形的过程。
摩擦作用时产生的热量会导致磨损，并且可以通过润滑来减少磨损。
润滑是指利用润滑剂在接触表面形成润滑膜，减少摩擦和磨损的过程。
润滑可以分为液体润滑、固体润滑和气体润滑三种方式。
润滑剂的选择应根据工作条件和材料特性进行合理选择，以确保机械系统的正常运行。
二、摩擦学在机械设计中的应用1. 摩擦副配对设计在机械设计中，合理选择和设计摩擦副对是至关重要的。
摩擦副应具备摩擦系数小、磨损少、寿命长等特点，以保证机械系统的正常运行。
在进行摩擦副设计时，需要考虑工作条件、材料的性质、润滑和摩擦副配合间隙等因素。
2. 摩擦和磨损分析摩擦和磨损分析是机械设计中重要的一环，通过合理的分析可以预测摩擦副件的损坏和寿命，进行合理的维护和更换。
同时，也可以通过分析优化摩擦副材料、润滑方式等因素，减少磨损，提高机械系统的效能。
3. 润滑技术应用在机械设计中，润滑技术的应用可以减少机械系统的摩擦和磨损，延长使用寿命。
润滑可以使用液体润滑剂、固体润滑剂或气体润滑剂，根据工作条件选用合适的润滑方式。
4. 摩擦噪音和振动控制摩擦副件在运动过程中会产生噪音和振动，影响机械系统的正常工作和使用寿命。
为了减轻噪音和振动，需要通过设计和选择合适的材料、润滑方式以及减振措施等途径来控制和减少噪音和振动的产生。
三、机械设计中的摩擦学原理实例以某自动化生产线上的输送系统设计为例，通过摩擦学原理的应用可以解决以下问题：1. 提高输送效率：通过合理选择输送系统的摩擦副件材料和润滑方式，减小摩擦力，提高输送效率。
机械结构的摩擦学与表面工程技术
机械结构的摩擦学与表面工程技术摩擦学是研究物体之间相对运动时的力学现象和规律的学科，而机械结构中的摩擦学则是将其应用在机械系统中，以提高运动性能与寿命。
而表面工程技术则是为了改善材料表面的性能而进行的一系列工艺技术和处理方法。
机械结构的摩擦学与表面工程技术在现代工程领域起着不可忽视的作用。
一、摩擦学的基本原理与应用1.1 摩擦力与摩擦系数摩擦力是物体在相对运动时所受到的阻碍力，摩擦系数则是描述物体之间摩擦力大小的参量。
摩擦力对机械系统的性能和寿命有着直接影响，因此减小摩擦力是提高机械系统效率的关键。
为了有效地减小摩擦力，我们需要了解不同材料之间的摩擦系数，并通过表面工程技术对材料进行改良。
1.2 润滑与磨损润滑是减小摩擦力的常用方法，通过在物体之间形成润滑膜，可以减少摩擦力和磨损。
在机械结构中，常用的润滑方式包括干摩擦、润滑油膜、固体润滑材料等。
此外，针对高温和高速运动的机械系统，还可以采用液体金属润滑等先进的润滑方式。
1.3 动摩擦学与静摩擦学动摩擦学和静摩擦学是摩擦学中的两个重要分支。
动摩擦学研究物体在相对运动时的摩擦现象和规律，而静摩擦学研究物体在静止时的摩擦现象和规律。
了解动摩擦学和静摩擦学的原理与特点，对于优化机械结构和提高机械性能非常重要。
二、表面工程技术的应用与发展2.1 表面硬化技术表面硬化技术是通过改变材料表面的组织结构和化学成分，使其表面具有较高的硬度和抗磨损性能。
常用的表面硬化技术包括淬火、渗碳、涂层等。
表面硬化技术不仅可以提高材料的机械性能，还可以延长材料的寿命。
2.2 表面涂层技术表面涂层技术是一种通过将特定材料涂覆在基材表面，以改善材料性能的方法。
常见的表面涂层技术包括电镀、喷涂、镀层等。
通过表面涂层技术，可以增强材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能，从而提高机械结构的寿命和性能。
2.3 表面处理技术表面处理技术是通过改变材料表面的形貌和结构，以提高其摩擦学性能的方法。
摩擦学原理
摩擦学原理
摩擦学是物理学的一个分支，它研究的是摩擦的原理，及其在物理现象中的运用。
摩擦学的发展始于古希腊，当时科学家把它归结为三个基本原理：动摩擦、静摩擦和摩擦力的作用。
在这三个原理的基础上，科学家们进一步发展出了关于摩擦的更多理论。
动摩擦是指当两个物体相互滑动时，会产生摩擦力，这种摩擦力会对物体的运动产生阻力。
这种力可以用来减慢物体的运动，也可以用来增加物体的运动。
从物理学的角度来看，动摩擦的大小与物体的重量、滑动速度和摩擦力有关。
静摩擦是指两个物体之间的静止接触，也就是说，它们不会发生相互滑动。
在这种情况下，会产生一种叫做摩擦力的力，这种力会影响物体的运动，使其变得更加困难。
静摩擦的大小取决于两个物体之间的摩擦系数，以及它们之间的重量。
最后，摩擦力是指当两个物体接触时，会产生的一种力，这种力可以阻挡物体的运动，也可以促使物体的运动。
摩擦力的大小与两个物体的重量、摩擦系数和滑动速度有关。
总之，摩擦学原理主要包括动摩擦、静摩擦和摩擦力三个基本原理。
摩擦力可以影响物体的运动，因此它有着重要的应用，如机器的运行、车辆的制动等。
因此，摩擦学原理有助于我们理解物理现象，
为物理实验和研究提供了重要参考。
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摩擦状态 流体动压润滑 液体静压润滑 弹性流体动压润滑
薄膜润滑 边界润滑 干摩擦
典型膜厚 1~100m 1~100m 0.1~1m 10~100nm 1~50nm 1~10nm
摩擦膜形成方式
由摩擦表面的相对运动 所产生的动压效应形成
流体润滑膜 通过外部压力将流体送 到摩擦表面之间，强制
形成润滑膜
与流体动压润滑相同
静摩擦系数对接触时间的依赖性
静摩擦系数f与静止接触时间t的关系可用以下数学模型来描
述：
f (t) f ( f f0 )et
式中，f 表示很长静止接触时间后的静摩擦系数值，f0 表 示接触时间很短时的静摩擦系数值，t为接触时间，是一个常数。 也可以用Fra bibliotek列幂律方程来描述：
f (t) f0 At B
滑,简称弹流润滑) ；
（4）Thin-film lubrication (薄膜润滑)； （5）Boundary lubrication (边界润滑)； （6）Dry friction (干摩擦) 状态等六种基本状态。
本章讨论固体表面之间的干摩擦状态，包括滑动摩擦和滚动摩擦。
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表1.2 各种摩擦状态的基本特征
式中，A、B为实验常数。
对于静止接触时间的延长导致静摩擦系数增加的机理，目 前还不很清楚，但普遍认为这与粗糙峰接触点的塑性变形导 致新鲜表面的出现以及表面间的粘着有关。
定律二：The friction coefficient has nothing to do with the normal contact area (摩擦系数与表观接触面积无关)。
第二定律一般仅对具有屈服极限的材料如金属是满足的，但不适用于弹 性及粘弹性材料。
定律三： The static friction coefficient is greater than the kinematic friction coefficient (静摩擦系数大于动摩擦系数)。
与流体动压润滑相同
润滑油分子与金属表面 产生物理或化学作用而
形成润滑膜 表面氧化膜、气体吸附
膜等
应用
中高速下的面接触 摩擦副，如滑动轴
承
低速或无速度下的 面接触摩擦副，如 滑动轴承、导轨等
中高速下点线接触 摩擦副，如齿轮、
滚动轴承等
低速下的点线接触 高精度摩擦副，如
精密滚动轴承等
低速重载条件下的 高精度摩擦副
3.1.2 The influence of static contact time
(静止接触时间的影响)
使摩擦副开始滑动所需要的切向力称为静摩擦力， 维持滑动持续进行所需要的切向力则是动摩擦力。 通常工程材料的动摩擦力小于静摩擦力，粘弹性材 料的动摩擦力有时高于静摩擦力。
静摩擦系数受到静止接触时间长短的影响。接触时 间增加将使静摩擦系数增大，对于塑性材料这一影 响更为显著。
定律一: The frictional force is proportional to the normal force (摩擦力与正压力成正比)
可写为：
F =f W 式中，F是摩擦力；f为摩擦系数；W为正压力。
上式通常称为库仑定律，可认为它是摩擦系数的定义。 第一定律在大多数情况下都是成立的，但是当接触表面非常 光滑、正压力很高或很小时，与实验结果不完全相符。
外摩擦和内摩擦的共同特征是：一物体或一 部分物质将自身的运动传递给与它相接触的另一 物体或另一部分物质，并试图使两者的运动速度
外摩擦与内摩擦之间的主要差异在于相对运 动速度的连续性。 对于内摩擦，流体相邻质点的运动速度是连 续变化的，具有一定的速度梯度，内摩擦力 的大小与速度梯度成正比，当相对滑动速度 为零时内摩擦力也就消失； 对于外摩擦，在滑动面上则会发生速度突变， 而且外摩擦力的大小与相对滑动速度之间的 关系随工况条件变化，当滑动速度消失后仍 有静摩擦力存在。
State of the friction
(摩擦状态)
根据不同摩擦机理和特征，一般的摩擦状态可以分为：
（1）Hydrodynamic lubrication (流体动压润滑)； （2） Hydrostatic lubrication (流体静压润滑)； （3） Elasto-hydrodynamic lubrication (弹性流体动压润
上述经典摩擦定律并非基本的物理定律，只是从实 验结果中总结得出的几条规律，大致适用于常规工 况条件下比较洁净的或有污染膜的固体表面的干摩 擦，已有很多实验结果显示经典摩擦定律并不完全 正确。但是，至今还没有发现或总结出更好的并且 为人们普遍接受的摩擦定律，因此在工程实际问题
中依然被近似地应用。
摩擦学教程
Chapter 3 Friction of solid (固体摩擦)
3.1 摩擦的基本特性
两个相对滑动或滚动的固体表面之间的摩擦 只与接触表面间的相互作用有关, 而与固体内部 状态无关，称为外摩擦。
液体或者气体内部各部分之间因相对移动而 发生的摩擦，称为内摩擦。
边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或其它表面 膜之间的摩擦，也属于外摩擦。
这一定律不适用于粘弹性材料，尽管关于粘弹性材料究竟是否具有静摩 擦系数还没有定论。
定律四：The friction coefficient has no relation with the sliding velocity (摩擦系数与滑动速度无关)。
严格地说，第四定律不具有普遍适用性，对金属来说基本符合这一规律， 而对粘弹性体来说，摩擦系数则明显与滑动速度有关。
无润滑或自润滑的
5摩擦副
厚度（m）
1.E+03
1.E+02 单 1.E+01 分
弹
边 界
流 膜
流 体 润
1.E+00 子 薄 膜
滑
1.E-01
吸膜 附
膜
1.E-02 层
1.E-03
研 磨 表 面 均 方 根 值
粗 加 工 表 面 均 方 根 值
1.E-04
图1.33 各摩擦层厚度与粗糙度高度 6
图1.34 摩擦系数的典型值
7
图1.35 Streibeck曲线
8
Sliding friction
(滑动摩擦)
3.1.1 Friction law (摩擦定律)
固体摩擦的早期研究是由达·芬奇 、阿芒顿 和库仑先后完 成的，他们在大量实验工作的基础上，分别总结出了固体滑 动摩擦的几个基本规律，后人把这些实验规律归纳为以下四 条，也称为四个经典摩擦定律 。