第四章 摩擦、磨损和润滑
摩擦、磨损与润滑概述
1、摩擦是引起能量损耗的主要原因。
2、摩擦是造成材料失效和材料损耗的主要原因。
3、摩擦学：
关于摩擦、磨损与润滑的学科(Tribology)
4、润滑是减小摩擦和磨损的最有效的手段。
§4-2 摩 擦
一、摩擦的概念：
正压力作用下，相互接触的两物体受切向外力的影 响而发生相对位移，或有相对滑动的趋势时，在接触 表面上就会产生抵抗滑动的阻力－摩擦。
Ff Ar B
Ar Ari A a b
干摩擦理论：
机械理论： 摩擦力是两表面凸峰的机械啮合力的总和。
分子理论： 产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸引力作用。
分子-机械理论： 摩擦力是由两表面凸峰的机械啮合力和表
面分子相互吸引力两部分组成。
粘附理论：
阿蒙顿摩擦定律：
第一定律：摩擦力与法向载荷成正比。
R —0.4两粗糙面3.的0 综合不平混度合摩擦
3～4
流体摩擦
( 1 时，不平度凸峰为总载荷的30%)
流体摩擦：
1、定义：
当两摩擦面间的油膜厚度大到足以将两表面的不平凸峰完全 分开，这种摩擦叫液体摩擦。
2、特点：
3～4
①、油分子大都不受金属表面的吸附作用的支配，而能完全移动。
件上。润滑脂还可以用于简单的密封。
常用的润滑装置
常用润滑装置
一、间歇润滑装置
常用润滑装置
一、间歇润滑装置
常用润滑装置
二、间歇润滑装置
§4-5 流体润滑原理简介
英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象流，体润总滑1 结出流体动压润滑理 论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开 始有所突破。
第4章机械零件摩擦
气体润滑剂 液体润滑剂 固体润滑剂 半固体润滑剂
4.3 润滑剂、添加剂
1、润滑油
润滑油
机油：动物油、植物油 矿物油：来源充足、价格低廉、用途广。 化学合成油
评定指标 1）粘度：
① 动力粘度： 油呈层流分布，层与层之间 的摩擦剪应力τ应满足如下关系：
v
y
此式称为牛顿液体流动定律。
η——比例常数，即：流体动力粘度。表征液体内摩擦阻力大小。 单 位：国际单位： Pa.s（帕.秒） 绝对单位： 称为1P（泊） P=0.1Pa.s=100cP(厘泊)
粘着力Fa：两金属表面间互相粘着的凸峰剪断力。 犁刨力Fm：较硬的凸峰在较软的凸峰的犁刨作用。
因此，摩擦力为：
F fFn Fa Fm Fn( fa fm)
干摩擦特点：摩擦系数一般在f=0.1数量级，阻力大、 磨损重、发热高、易胶合、寿命短。
4.1 摩 擦
2、边界摩擦： 两金属表面间由于润滑油与金属表面的吸附作用，
4.3 润滑剂、添加剂
② 运动粘度
(Pa s) (kg / m3)
m2 / s
单 位：St（斯）。 换算关系：1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s
1cSt=1mm2/s
注：根据国家标准GB443-84规定，润滑油在40℃的运动粘度中心 值作为润滑的牌号。 例如：牌号L-AN5润滑，在40℃时其运 动粘度为5.06cSt.
2)润滑性（油性） ——物理膜 润滑性是指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界油
膜，以减小摩擦和磨损损性能。 适用于低速、重载或润滑不充分的场合。
3）极压性 ——（化学膜） 极压性能是润滑油中加入硫、氯、磷的有机极性化合物事，油
第4章 磨擦 磨损及润滑
工程中常用运动粘度，单位是：St(斯)或 cSt(厘斯)；
润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为LAN10的油在40℃时的运动粘度大约为10 cSt。
润滑脂 ：润滑油+稠化剂 润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。 滴点，决定工作温度。
固体润滑剂 ：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。
二、添加剂
为了提高油的品质和性能，常在润滑油或润滑脂中加入一些 分量虽小但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质叫添 加剂。
添加剂的作用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
提高油性、极压性 延长使用寿命 改善物理性能
添加剂的种类
油性添加剂 极压添加剂 分散净化剂 消泡添加剂 抗氧化添加剂 降凝剂 增粘剂
三、润滑方法
润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有： 滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等
具体说明
三、流体静压润滑 流体静压润滑是指借助外部供入的压力油形成的流体膜来承
受外载荷的润滑方式。
具体说明
采用流体静压润滑可在两个静止且平行的摩擦表面间形 成流体膜，其承载能力不依赖于流体粘度，故能用粘度极低 的润滑剂，且既可使摩擦副有较高的承载能力，又可使摩擦 力矩降低。
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详细说明
在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损 期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了 解。
二、磨损的分类
关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为：
磨粒磨损 也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或 硬的轮廓峰尖所引起的磨损。
疲劳磨损
粘附磨损 运
也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩 擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的 磨损。 也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点 处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对
机械设计第四章：摩擦、磨损与润滑概述
化学吸附膜（化学键）
度影响较大
反应膜:比较稳定
§4-1 摩擦
三、流体摩擦
流体摩擦：指运动副的摩擦表面被流体膜隔开（λ>3～4） 摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。 摩擦系数最小（f=0.001-0.008），无磨损产生，是理想的 摩擦状态。
四、混合摩擦
混合摩擦：摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状 态（=1～3） 。 混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时 要小得多。 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为 不完全液体摩擦。
汽车的磨合期如同运动员在参赛前的热身运动
目的:汽车磨合也叫走合。汽车磨合期是指新车
或大修后的初驶阶段。机体各部件机能适应环境的 能力得以调整提升。新车、大修车及装用大修发动 机的汽车在初期使用阶段都要经过磨合，以便相互 配合机件的磨擦表面进行吻合加工，从而顺利过渡
到正常使用状态。汽车磨合的优劣，会对汽车寿命、
滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等 用于低速 用于高速
§4-3 润滑剂、添加剂和润滑办法
三、润滑方法
滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等
用于低速
用于高速
浸油与飞溅润滑
喷油润滑
油脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需润 滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。
思考题：
4—1 4—5 4—10 4—11
§4-1 摩擦
滑动摩擦分为：
干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦
一、干摩擦 表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。通 常将未经人为润滑的摩擦状态当作“干摩擦”处理。
§4-1 摩擦
二、边界摩擦
第四章 摩擦、磨损及润滑概述
第四章 摩擦、磨损及润滑概述
第一节 摩擦 一、摩擦效果——能量损耗、发热、磨损
——利用摩擦 二、摩擦分类 内摩擦:发生在物质内部，阻碍分子间相对运动 外摩擦：
静摩擦 动摩擦——滚动摩擦
滑动摩擦——
1．干摩擦 机械传动中不允许
2．边界摩擦 边界油膜（十层分子厚度仅 为0.02μm），金属突峰接触，摩擦系数0.1 左右
油温 3．疲劳磨损（点蚀） 提高表面硬度、减小粗糙度值和控制接触应
力
4．流体体磨粒磨损、流体侵蚀磨损
流动所夹带的硬物质引起的机械磨损，管道 磨损
流体冲蚀作用引起的机械磨损，燃汽轮机叶 片、火箭发动机尾喷管的磨损。
5．腐蚀磨损
机械化学磨损是指由机械作用及材料与环境 的化学作用或电化学作用共同引起的磨损
2．流体静力润滑 3．弹性流体动力润滑 λ>3～4 4．边界润滑 5．混合润滑
1．如图所示，在 情况下，两相对运动的平 板间粘性流体不能形成油膜压力。
2．摩擦副接触面间的润滑状态判据参数膜厚 比值λ为 时，为混合润滑状态，值λ为 时，可达到流体润滑状态。
A．6.25; B. 1.0；C. 5.2； D. 0.35。
λ≤1——边界摩擦
λ>3——流体摩擦
1≤λ≤3——混合摩擦
第二节 磨损 一、磨损过程 ——磨合、 稳定磨损、 剧烈磨损。 二、磨损分类 1．磨粒磨损 开式齿轮传动 合理选择材料，提高表面硬度
2．粘着磨损 ——轻微磨损、胶合、咬死
齿轮传动、蜗杆传动滑动轴承等 合理选择摩擦副材料、润滑剂，限制压力和
3．各种油杯中， 可用于脂润滑。
A.针阀式油杯；B.油绳式油杯；C.旋盖式油杯。
4．为了减轻摩擦副的表面疲劳磨损，下列措施中， 是不合理的
第四章摩擦、磨损及润滑概述§4―1摩擦学发展概况§4―2
机械设计教案（68）第四章 摩擦、磨损及润滑概述大纲要求：了解机械零件的润滑状态；了解机械零件的摩擦与磨损规律；掌握常用润滑 材料和润滑方式；了解常用密封方法和密封件的性能与选用。
（2＋1 学时） 重点内容：机械零件的摩擦状态、磨损规律。
常用润滑油和润滑脂的主要性能指标及选 用原则。
常用润滑方式。
常用密封方法。
常用密封件的性能及选用。
§4―1 摩擦学发展概况Jost 的报告，Tribology诞生，摩擦学研究得到世界各国的广泛重视，成果丰硕。
§4―2 摩擦静摩擦 滚动摩擦摩擦 摩擦 干摩擦动摩擦 滑动摩擦 边界摩擦流体摩擦 混合摩擦边界摩擦 流体摩擦 混合摩擦膜厚比λ≤ 1 λ ＞ 3 1 ≤λ≤ 3F.P.Bowden ,Tabor在 1945年提出摩擦的粘着理论，1963 年又进一步提出修正的粘着 理论。
目前可以解释很多摩擦现象。
边界摩擦理论认为：边界膜 吸附膜 物理吸附膜 （靠润滑油中的极性分子形成――油性）化学吸附膜 （靠润滑油中的化学键结合形成）反应膜（靠润滑油中的 S、P、Cl等与金属表面的化学反应形成――极压性）维持边界膜是相互运动的摩擦表面所必需的，否则将会产生剧烈摩擦。
吸附膜 只在较低温度下存在。
反应膜 只在较高温度下（通常 150 o C～200 o C)才能生成。
反应膜牢固，但有腐蚀性。
添加剂的合理应用 ，见图4－10流体润滑（液体润滑） 动压液体润滑 （滑动轴承中讲述）静压液体润滑§4―3 磨损磨损的一般规律 ，图 4－6 ――磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段 跑合（磨合）的重要性――有合适的磨合期，按一定的规程进行缓慢、逐级加载，并注 意润滑油的清洁，防止磨粒磨损。
磨损按其机理可分为：粘附磨损磨粒磨损机械设计教案（68）疲劳磨损冲蚀磨损（流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损）腐蚀磨损（机械化学磨损）§4－3 润滑剂、添加剂和润滑方法（一）润滑剂1．润滑油润滑油的种类润滑油的主要性质指标：⑴ 粘度――表征润滑油流动时的内部阻力。
机械设计摩擦磨损润滑
摩
擦
分开结点的力就是摩擦力：Ff＝Arτ
B
b）修正粘附理论：轮廓峰接触同时存在
法向力和切向力，金属的塑性变形取决于 压应力和切应力组成的复合应力。 法向力作用 切向力 摩擦系数： 产生结点 结点发生塑性流动
Ff
接触面积Ari 极限 f Fn sy 较软基体的压缩屈服强度极限
润滑油的主要性质
润
滑
2 润滑油的主要性质
1）油性：是润滑油吸附于摩擦表面形成边界膜的能力。油性越好， 吸附能力就越强。 2）粘度：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能 指标。 （粘度是选择润滑油的主要依据）。
O
下面分析粘度的物理意义：
υ
y
dy
两个平行的平板之间充满 润滑油，B板静止，A板以速度
摩
2）边界摩擦：是指两摩擦面被吸附在
擦
表面的边界膜（牢固的吸附在金属表面
的分子膜）隔开，摩擦性质取决于边 界膜和表面吸附性能的摩擦。 边界膜极薄，不能完全避免金属的直接
接触，所以仍存在较大的磨损。
摩 擦3
摩
吸附膜 边界膜分为： 反应膜 物理吸附膜 化学吸附膜
擦
边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下：
增粘剂等
润
四、润滑方法
1、油润滑 方法： 滴油润滑 间歇式
滑
连续式
油环润滑
飞溅和浸油润滑 压力循环润滑 2、脂润滑 旋盖式油脂杯
润
滑
润
滑
润
本章小结：
滑
1、摩擦学的基本内容
2、干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦的特征；
3、磨损过程和各种磨损的机理
4、润滑的作用和润滑油的性能指标
机械设计知识点
第二章总论1.机械零件的失效形式主要有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏、破坏正常工作条件引起的失效。
2.为了提高机械零件的强度，在设计原则上可以采用以下措施：采用强度高的材料；使零件具有足够的截面尺寸；合理地设计零件的截面形状等。
第四章摩擦、磨损及润滑概述1.根据摩擦面间存在润滑剂的情况，滑动摩擦分为干摩擦、边界摩擦、混合摩擦及流体摩擦。
2.常见磨损分类：粘附、磨粒、疲劳、腐蚀、微动。
3.润滑方法：油润滑（滴油润滑、油环润滑、飞溅润滑、压力循环润滑）、脂润滑。
4.一个零件的磨损过程分三个阶段：磨合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段、5.润滑剂的主要作用是减少摩擦和磨损，降低工作表面的温度，并有防锈、减震、密封等功用。
常用的润滑剂有润滑油、润滑脂、固体润滑剂、气体润滑剂。
第五章螺纹连接和螺旋传动1.最常用的是右旋螺纹。
圆锥螺纹主要用于管连接，圆柱螺纹用于一般连接和传动。
2.粗牙和细牙螺纹牙型角都等于60度，细牙螺纹的牙型与粗牙螺纹相似，但是螺距小，升角小，自锁性好，常用于细小零件，也可作为微调机构的调整螺纹。
3.大径为螺纹的最大直径，称为公称直径。
线数n为螺纹的螺旋线数目。
4.螺纹连接的防松：摩擦防松（对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母），机械防松（止动垫圈、串联钢丝），破坏螺旋副运动关系放松（铆合、冲点、涂胶合剂）。
5.提高螺纹连接强度的措施：●降低影响螺栓疲劳强度的应力幅◆减小螺栓刚度Cb（适当增加螺栓的长度）◆增加被连接件的刚度Cm（不用垫片、采用刚度较大的垫片）●改善螺纹牙上载荷分布不均的现象◆悬置螺母◆采用钢丝螺套●减小应力集中的影响◆采用较大的圆角◆采用卸载结构●采用合理的制造工艺方法◆采用冷镦螺栓头部◆滚压螺纹6.矩形螺纹牙型角为0，其传动效率较其他螺纹高。
7.梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角为30度。
是常用的传动螺纹。
第六章键、花键、无键连接和销连接1.平键连接●平键分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键四种。
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第四章摩擦、磨损和润滑
一、选择题
4－1 现在把研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为__________。
（1）摩擦理论（2）磨损理论（3）润滑理论（4）摩擦学
4－2 两相对滑动的接触表面，依靠吸附的油膜进行润滑的摩擦状态称为____________。
（1）液体摩擦（2）干摩擦（3）混合摩擦（4）边界摩擦
4－3 两摩擦表面被一层液体隔开，摩擦性质取决于液体内部分子间粘性阻力的摩擦状态称为__________。
（1）液体摩擦（2）干摩擦（3）混合摩擦（4）边界摩擦
4－4 两摩擦表面间的膜厚比λ＝0.4～3时，其摩擦状态为__________。
（1）液体摩擦（2）干摩擦（3）混合摩擦（4）边界摩擦
4－5 两摩擦表面间的膜厚比λ＜0.4时，其摩擦状态为__________。
（1）液体摩擦（2）干摩擦（3）混合摩擦（4）边界摩擦
4－6 两摩擦表面间的膜厚比λ＞3～5时，其摩擦状态为__________。
（1）液体摩擦（2）干摩擦（3）混合摩擦（4）边界摩擦
4－7 通过滑动轴承试验，可得到摩擦系数μ与轴承特性数ηn/p相互关系的摩擦特性曲线，下图中__________是正确的。
题4－7图题4－8图
4－8 如图所示，在滑动轴承摩擦特性曲线μ—ηn/p的A区内，摩擦状态属于__________。
（1）干摩擦（2）混合摩擦（3）边界摩擦（4）液体摩擦
4－9 在滑动轴承μ—ηn/p曲线的A区内（见题4－8图），摩擦状态如图__________所示。
4－10 如图所示，混合摩擦状态应位于滑动轴承摩擦特性曲线μ—ηn/p的__________。
（1）Ⅰ区（2）Ⅱ区（3）Ⅲ区（4）与临界特性数对应的E点
4－11 如题4－10图所示。
边界摩擦应位于滑动轴承摩擦特性曲线μ—ηn/p 的__________。
（1）Ⅰ区 （2）Ⅱ区 （3）Ⅲ区 （4）与临界特性数对应的E 点
题4－9图 题4－10图
4－12 采用含有油性和极压添加剂的润滑剂，主要是为了减小_________。
（1）粘着磨损 （2）表面疲劳磨损 （3）磨粒磨损 （4）腐蚀磨损
4－13 通过大量试验，得出的摩
擦副的磨
损过程图（磨损量q 与时间t 的关系曲
线），图中_________是正确的。
4－14 为了减轻摩擦副的表面疲
劳磨损，下列措施中_________不是正确的措施。
（1）合理选择表面粗糙度
（2）合理选择润滑油粘度
（3）合理选择表面硬度
（4）合理控
制相对滑动速度
题4－13图 4－15 根据牛顿液体粘性定律，大多数润滑油油层间相对滑动时所产生的切应力τ与偏导数y
v ∂∂之间的关系是__________。
（1）y v ∂∂-=ητ （2）2
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=y v ητ （3）y
v ∂∂-=ητ （4）2
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=y v ητ 4－16 润滑油的_________又称为绝对粘度。
（1）运动粘度（2）动力粘度（3）恩格尔粘度（4）赛氏通用秒
4－17 动力粘度η的c·g·s制（绝对单位制）单位为_________。
（1）泊（P）（2）厘斯（cSt）（3）恩氏度（o E）（4）帕·秒（Pa·s）
4－18 动力粘度η的国际单位制（SI）单位为_________。
（1）泊（P）（2）厘斯（cSt）（3）恩氏度（o E）（4）帕·秒（Pa·s）
4－19 运动粘度ν是动力粘度η与同温度下润滑油_________的比值。
（1）密度ρ（2）质量m （3）相对密度d （4）速度v
4－20 运动粘度ν的国际单位制（SI）单位为_________。
（1）m2/s （2）厘斯（cSt）（3）厘泊（cP）（4）帕·秒（Pa·s）
4－21 运动粘度ν的c·g·s制（绝对单位制）单位为_________。
（1）m2/s （2）斯（St）（3）厘泊（cP）（4）帕·秒（Pa·s）
4－22 我国常用的相对粘度（条件粘度）的单位为_________。
（1）m2/s （2）厘斯（cSt）（3）厘泊（cP）（4）恩氏粘度（o E）
4－23 当压力加大时，润滑油的粘度_________。
（1）随之加大（2）保持不变（3）随之减小
（4）增大还是减小或不变，视润滑油性质而定
4－24 当稳定升高时，润滑油的粘度_________。
（1）随之升高（2）随之降低（3）保持不变
（4）升高或降低视润滑油性质而定
4－25 在新国标中，润滑油的恩氏粘度o E是在规定的温度t等于________摄氏度时测定的。
（1）20 o C （2）40 o C （3）50 o C （4）100o C
二、分析与思考题
4－26 何谓摩擦、磨损和润滑？它们之间的相互关联如何？
4－27何谓静摩擦和动摩擦？哪种摩擦力大？
4－28按摩擦面间的润滑状况，滑动摩擦可分哪几种？
4－29 在不同润滑状态下，当载荷和润滑油粘度保持不变二滑动速度增加时，摩擦系数如何变化？这是为什么？
4－30 按照摩擦机理分，磨损有哪几种基本类型？它们各有什么主要特点？如何防止或减轻这些类型的磨损发生？
4－31 机械零件的磨损过程分为哪三个阶段？怎样跑合可以延长零件的寿命？
4－32 实现液体润滑的方法有哪几种？它们的工作原理有何不同？各自特点如何？
4－33 获得流体动压润滑的必要条件是什么？
4－34 润滑剂的作用是什么？常用润滑剂有哪几种？
4－35 流体动压润滑及弹性流体动压润滑，二者之间的最根本差别是什么？
4－36 什么是膜厚比λ？引入这个参量在润滑工程中有何现实意义？
4－37 润滑油的主要性能指标有哪些？润滑脂的主要性能指标有哪些？
4－38 试述润滑油粘度的物理意义。
粘度的表示方法有哪几种？各种粘度的单位及换算关系是什么？哪一种适用于流体动压计算中？
4－39 两种润滑油如果粘度相同，是否就可以完全代替？如果不可以，还应考虑哪些问题？
4－40 润滑油中为什么要加入添加剂？常用的添加剂有哪几种？
4－41 润滑油（指各种矿物油）的粘度—压力关系可用何经验公式表示？要求对公式中的各项予以说明。
三、设计计算题
4－42 由试验得到轴承合金材料的摩擦特性曲线如图所示，其摩擦系数最小点的轴承特性系数λc=2.5
×107。
有一滑动轴承的宽度B＝100mm，轴颈直径d=100mm，轴转速n=120r/min。
承受径向载荷F r=30000N，润滑油的动力粘度η＝0.03Pa·s。
问此轴承是否可以得到液体摩擦？
4－43 在题4－42中，如果希望λ≥λc，这时轴转速最低应为多少？如轴转速达到此最低值，该轴承处于何种润滑状态？题4－42图4－44 为了得到可靠的液体摩擦滑动轴承，在设计中常要求λ≥3λc。
按这样的要求，题4－42中的轴承尺寸应该怎样改变？。