工程摩擦学9 摩擦学设计[精]
第3章摩擦学设计
（3）摩擦状态转化
仅依据润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑 状态，尚须与表面粗糙度进行对比，图3.2。 实际机械中的摩擦副，通常几种润滑状态会 同时存在--------混合润滑状态。
（4）摩擦状态的判断
① 通常用膜厚比来判断摩擦状态-测量困难，不便采用
hmin Ra1 Ra 2
2 2
hmin—两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度；
介于1~3之间，因此该摩擦副处在混合润滑状态。
3.2.2 摩擦设计
内摩擦:发生在物质内部，阻碍分子间相对运动
流体分子间的摩擦
摩擦
静摩擦
外摩擦:发生在接触表面，阻碍相对滑动（趋势） 动摩擦 本课程讲述
F 定义：摩擦力与法向力的比值，即 f N
摩擦系数在静摩擦条件下是变化的。
1．摩擦系数
一般与摩擦副材质有关，通常从试验中得到。
3 s
dV W 或磨粒磨损的式 ka ds H
对稳定的一维磨损，高度h的磨损率为常数，即:
dh 常数 dt
再通过对时间的积分可以得到对应时间下的磨 损的高度h。
2．磨损设计准则
（1）要求轴承表面的平均压强不大于材料的 许用压强，以避免材料过载，即 p p （2）要求轴承的摩擦功耗不大于材料的许用 值，以防止表面温升过高产生胶合，即 pv pv （3）要求表面的相对速度不大于材料的许用 值，以防止轴承表面严重磨损，即
磨损
粘着磨损
根据磨损机理
磨粒磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损 气蚀磨损 微动磨损
1．磨损计算 （1）粘着磨损—金属摩擦副之间最普遍的一种
定义：当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处发 生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面迁 移 到另一个表面，便形成了粘着磨损。 粘着磨损计算根据如图3.8所示的模型求得。 dV W
机械设计中的摩擦学研究
机械设计中的摩擦学研究摩擦学是机械设计中一个关键的研究领域，它涉及到摩擦、磨损以及润滑等方面的知识。
在机械工程中，摩擦力是一个不可忽视的因素，它对机械系统的性能、寿命以及效率有着重要的影响。
因此，深入研究摩擦学对于机械设计以及制造工业来说至关重要。
摩擦力是由于物体之间的接触而产生的一种阻碍相对运动的力。
它会导致能量的损失和磨损的加剧，而这些都会对机械系统的性能产生不利影响。
因此，在机械设计中，减小摩擦力是一个被广泛关注的问题。
为了解决这个问题，人们进行了大量的研究，并提出了多种解决方案。
首先，润滑是减小摩擦力的一种重要手段。
通过在物体表面施加一层润滑剂，可以形成滑动界面，减小接触面积，从而减小摩擦力。
润滑剂可以分为干润滑和油润滑两种类型。
干润滑就是在干燥环境中使用润滑剂，而油润滑则需要在有液态介质存在的情况下进行。
适当选择和使用润滑剂，可以显著降低机械系统的摩擦力。
另外一个关键问题是磨损。
摩擦力会导致物体表面的磨损，进一步影响机械系统的正常运行。
因此，研究磨损特性以及磨损机制对于机械设计来说具有重要意义。
了解磨损的性质，可以针对不同的应用场景设计合适的材料和润滑方案，从而最大程度地延长机械系统的使用寿命。
摩擦学研究的一个重要领域是表面工程。
通过对物体表面进行微观处理，可以改变其表面性质，从而实现减小摩擦的目的。
表面工程包括表面涂层、表面纹理和表面修饰等技术。
这些技术可以增加表面的硬度、降低表面粗糙度、改变摩擦系数等，进而减小摩擦力。
表面工程的研究结果已经在许多领域得到了应用，比如汽车制造、航空航天等。
除了表面工程外，材料的选择也对机械系统的摩擦性能有着重要影响。
不同的材料具有不同的摩擦系数和磨损特性。
在机械设计中，需要根据具体的应用场景来选择合适的材料。
例如，对于高速运动的机械系统，需要选择具有良好耐磨性和高温稳定性的材料，以保证系统的性能和寿命。
除了以上所述的几个方面，摩擦学研究还涉及到很多其他的问题。
摩擦学原理及其在摩擦副设计中的应用研究
摩擦学原理及其在摩擦副设计中的应用研究随着科技的不断进步，摩擦学已经成为了工程学领域中相当重要的一部分。
从摩擦问题的理论分析到实际的摩擦副设计中的应用，摩擦学都扮演了重要的角色。
本文就摩擦学原理及其在摩擦副设计中的应用进行研究。
摩擦学原理摩擦学是研究摩擦作用的学科，涉及很多分支学科，如磨损、润滑、摩擦学设计等。
其中摩擦学原理是应用最为广泛的一种。
摩擦原理主要与摩擦力密切相关，摩擦力不仅与所受载荷有关，也与摩擦材料、表面粗糙度、使用条件等因素有关。
在实际应用中，根据摩擦力的特性，人们常常根据材料的特性和使用条件来选择适当的材料来设计摩擦副。
此外，根据材料表面粗糙的程度以及润滑情况，设定机械零件之间的摩擦副的接触行为也是非常重要的。
因为这些因素会直接影响摩擦副的工作效率和使用寿命。
因此，在摩擦副设计中，摩擦学原理的应用是必不可少的。
摩擦副设计的应用摩擦副的设计是摩擦学的一项重要研究内容。
在设计时，人们需要根据其工作条件、载荷、表面形状、润滑条件、材料等因素来选择合适的摩擦材料。
设计中重要的一步就是要根据摩擦副材料的特性来分析和计算其工作过程中的摩擦力。
利用摩擦力计算公式可以计算出摩擦力和摩擦副中的摩擦系数。
在摩擦副设计中，摩擦系数的大小很大程度上决定着摩擦副的工作寿命和使用效果。
因此，在设计时，必须充分考虑这一因素。
不同的工作条件会对摩擦副的工作方式及长期使用产生影响。
例如，在润滑薄膜足够厚的情况下，滚动、滑动的摩擦系数都会变小，从而降低摩擦力，提高摩擦副的使用寿命。
如果长期工作的条件恶劣，需要重复高负荷的工作，那么选择摩擦副材料时需要考虑材料的磨损和其他方面的问题，使摩擦副能够长期稳定地工作。
而在摩擦副设计中，还有一个非常重要的因素：表面形状。
表面形状对摩擦副工作的摩擦力、摩擦系数以及接触应力等都有非常重要的影响。
在一定程度上，形状决定了工作面的实际接触面积，因此设计摩擦副时，必须考虑表面的粗糙度、硬度和摩擦材料的厚度。
机械工程中摩擦学的基本原理
机械工程中摩擦学的基本原理机械工程中，摩擦学是一个非常重要的学科。
它探讨的是机械运动时所涉及的摩擦现象，如何减小摩擦力，提高机械效率，以及如何更好地利用摩擦力。
摩擦学在很多领域都有应用，如机械、制造业、航空航天、汽车工业、民用和工业领域等等。
摩擦学的基本原理是：摩擦力是由于相互接触的两个物体之间的不规则表面之间的相互作用而产生的。
毫无疑问，摩擦力是运动中出现的现象，因此有意义的研究应关心动力学因素。
学习摩擦学时，需要了解三个基本概念：摩擦力，摩擦系数和极限摩擦力。
首先是摩擦力。
摩擦力是因两个表面之间的粗糙度而产生的力。
这个力是沿着两个表面的接触方向作用的，也就是垂直于物体表面。
摩擦力可以使物体停止或减速，并且可以使物体移动或加速。
其次是摩擦系数。
摩擦系数是衡量物体之间摩擦力大小的数量。
它是矛盾但却很必要的，因为摩擦力的大小并不取决于物体的质量或接触面积。
摩擦系数表示的是指定表面接触所产生的摩擦力与被卡住的表面的垂直力的比率。
不同的物体有不同的摩擦系数，而且它们通常在实验室中进行测试。
最后是极限摩擦力。
极限摩擦力是指阻止物体在受力的情况下开始移动的最大摩擦力。
通常情况下，如果施加的力小于极限摩擦力，则物体不会移动。
一旦施加的力超过极限摩擦力，则摩擦力阻力就会被克服，物体开始运动。
摩擦学中的理论和实际应用减小摩擦力是一种重要任务，因为它可以降低能源消耗并延长机器的使用寿命。
科学研究人员致力于寻找减小摩擦力的方法，以实现这些目标。
他们研究摩擦学原理，并关注可衡量摩擦作用的因素，如摩擦系数、磨损、腐蚀、干涉等。
在工业和制造业上，摩擦学在设计和制造机器时有着重要的应用。
例如，当制造机器部件时，需要在摩擦系数、表面光洁度和磨损方面进行考虑。
这就需要科学研究人员进一步研究材料的特性和设计材料的方式，以便有效减少摩擦。
在航空航天领域中，摩擦学的研究目标是降低动力系统的磨损，并防止零件与附近表面之间的干涉。
这个过程中需要分析航空器产生的热量，并评估其对摩擦现象的影响。
摩擦学简介
常见几种减小摩擦磨损的方法
典型的摩擦学元件
THE END
我国的摩擦学发展
摩擦学领域的四位院士： 谢友柏 温诗铸 薛群基 徐滨士
摩擦学的应用
应用场合： 机械传动中的摩擦、磨损、润滑 机加工中：切削、冲压、挤压、绞孔、轧制 交通运输：路面、轮胎、制动、刮水 电子工业、磁记录工业、建筑工业海洋工业 特殊工况下的摩擦、润滑问题：高温、低温、真空、辐射、特殊 介质、航天工业 摩擦应用中的两面性 摩擦学研究的目的：为解决工程实际中存在的各种摩擦学问题提供理 论、技术和方法 摩擦、磨损过程的复杂性：材料、环境、受力特点、结构、表面状态gineering
安琦 华东理工大学机械与动力工程学院 2011年9月
参考书目
工程摩擦学，浙江大学出版社，全永昕 主编 摩擦学原理， 机械工业出版社，[英]J·霍林 主编 摩擦学原理， 清华大学出版社， 温诗铸 主编 摩擦学原理， 高等教育出版社，郑林庆 主编
JOST 报告
1965年 Jost 等人向英国教育科学研究部提交 《关于摩擦学教育和研究的报告》 首次提出Tribology 指出：重视摩擦学研究，GDP可以增加1.1~1.8%，而投资只有 1/50
Professor D Dowson Tribology of Leeds University
摩擦研究的重要性
摩擦现象普遍存在：目前世界能源的消耗1/3~1/2以各种方式的最 终表现为摩擦损耗 磨损是导致机械失效的主要原因之一 随产品的工作参数不断提高（V、W、精度），摩擦学问题变的日 趋突出，特殊设备、特殊工况的出现 摩擦学设计已经成为现代机械设备（产品）设计的重要一环 近半个世纪以来，机械理论上的重大突破大多集中于该领域 摩擦学发展的特点：静态----动态；宏观----微观；定性----精确； 新的分支不断出现。
摩擦学设计PPT教案学习
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2．边界摩擦
边界摩擦又称为边界润滑。当运动副的 摩擦表 面被吸 附在表 面的边 界膜隔 开，摩 擦性质 取决于 边界膜 和表面 的吸附 性能时 的摩擦 称为边 界摩擦 （图 8.1 b）。润滑油中的脂肪酸是一种极性化合 物，它 的极性 分子能 牢固地 吸附在 金属表 面上。 吸附在 金属表 面上的 分子膜 ，称为 边界膜 。
v
（b）边界润滑
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按边界膜形成机理，边界膜分为吸附膜 （物理 吸附膜 及化学 吸附膜 ）和反 应膜。 润滑剂 中脂肪 酸的极 性分子 牢固地 吸附在 金属表 面上， 就形成 物理吸 附膜； 润滑剂 中分子 受化学 键力作 用而贴 附在金 属表面 上所形 成的吸 附膜则 称为化 学吸附 膜。吸 附膜的 吸附强 度随温 度升高 而下降 ，达到 一定温 度后， 吸附膜 发生软 化、失 向和脱 吸现象 ，从而 使润滑 作用降 低，磨 损率和 摩擦系 数都将 迅速增 加。
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摩擦系数
1 50
1 0. 5 0.1 0.05
0.0 0.0015
纯净金
氧化膜
属
干摩擦状态
边界润 边界润滑 流体润
滑
和流体润滑
滑
图8.3 摩擦系数的典型值
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随着工况参数的改变可能导致润滑状态 的转化 。图 8.4 是典型的 S t r i b e c k 曲线，它表示润滑状态转化过程以及摩 擦系数 随润滑 油粘度 、滑 动速度 v 和轴承单位面积载荷 p 变化的规律。
合理选择摩擦副材料和润滑剂，降低表 面粗糙 度值， 在润滑 剂中加 入适量 的油性 添加剂 和极压 添加剂 ，都能 提高边 界膜强 度。
摩擦学设计
Tribology Design
组员：李兵 江鹏 龚文强 韩猛猛 赵奎鹏
Contents
1 2
3 4
摩擦学设计的定义 摩擦学设计的主要内容和方法 摩擦学设计的研究现状 摩擦学设计的应用
1.1定义
摩擦学（Tribology）是近40年来发展起来 的一门新的边缘学科。 其定义为：研究作相对运动的相互作用表 面及其有关理论和实践的一门科学。它是 一门跨学科的科学。其内容包括摩擦、磨 损、润滑、接触力学、表面物理和化学等 方面的专题。
简单实例
(a)自行车链传动
哥 伦 比 亚 号 失 事
哥伦比亚号左翼上的裂纹
(b) 链条 自行车链条的磨损
空气与金属的摩擦导致
1.1定义 一组数据调查 全世界工业能源的1/3被摩擦损耗掉； 失效零件的80%是由磨损造成的； 20世纪80年代我国在冶金、煤炭、农机等五个行 业的调查表明：由于磨粒磨损损耗的备用钢材达 100万吨以上，如考虑停机等费用造成的损失每年 达几亿元。 如果从摩擦学方面采取正确的措施, 就可以大大节约能源消耗。
3 摩擦学设计的研究现状与发展 国外发展现状 60年代末, 英国发表Jost 的调查报告, 正式 提出Tribology 一词, 摩擦学从此成为一门独立 的学科。 经典流体润滑理论已经基本成熟, 研究的重点 转向特殊介质和极端工况下的润滑理论； 材料磨损研究已从早期的宏观现象分析转向微 观机理研究； 近年来国际上提出基于能量理论或材料疲劳机 制的各种磨损理论, 可以作为摩擦副材料选择和 抗磨损设计的依据。 此外, 新型轴承和动密封装置的结构; 新型材 料与表面热处理技术; 新型润滑材料与添加剂等 方面的研究均有较大的进展。
2.1表面形貌设计
摩擦学的应用及其在机械设计中的应用
摩擦学的应用及其在机械设计中的应用摩擦学，是一个研究摩擦现象、摩擦性能、摩擦机理、摩擦控制等方面的学科，近年来随着技术的不断发展，摩擦学的应用越来越广泛。
如何应用摩擦学，是现代工程设计的重要问题之一。
本文主要探讨摩擦学的应用以及在机械设计中的应用。
一、摩擦学的应用领域摩擦学最初是一个纯学术领域的研究，但是随着工业的发展，摩擦学的应用也越来越广泛。
以下是摩擦学的具体应用领域：1.汽车工业领域：摩擦学在汽车制造中的应用很多，例如发动机缸套、扭力减震器、离合器、刹车等，这些产品的性能都与摩擦学相关。
2.航空航天领域：在飞行器的制造和运行中，摩擦学起到了重要的作用。
如旋翼轴承、发动机内部的部件、型号翼面等。
3.电子电器领域：摩擦学在微电子制造和电气设备中也有重要的应用。
如电气接触材料、固体电解质等。
4.环保领域：摩擦学在颗粒材料输送、废水污泥处理、清洗除尘等方面都有应用。
5.生物医学领域：人造心脏瓣膜、关节模拟器、骨修复材料等都与摩擦学相关。
6.材料科学领域：材料表面性质的改变，如光学透明薄膜、涂层材料、晶体稀土材料等，也与摩擦学有关。
以上仅是摩擦学应用领域的一小部分，其实摩擦学在工业、生活中的应用十分广泛。
二、摩擦学在机械设计中的应用摩擦学在机械设计中有着十分重要的应用，许多机器的稳定性、耐久性、人机交互性等方面的性能，与摩擦学的应用相关。
1.摩擦材料的选择在机械设计中，摩擦材料的选择是十分重要的。
例如在制动系统中，制动器摩擦衬垫的材料对于性能和使用寿命都有着重要的影响。
选材时，必须考虑到材料的摩擦性能、耐磨性、抗腐蚀性等，这就需要涉及到摩擦学知识。
2.摩擦力的控制在机械设计中，摩擦力的控制非常重要。
例如在工业机械的设计中，需要借助降低机械变形和能量损失的方式来减少摩擦。
摩擦力的控制还可以通过材料处理、设计调整等方式来实现。
3.润滑剂的选择在机械设计中，润滑剂在工作过程中起到了重要作用。
润滑剂不仅能减少摩擦力，还能延长机器零部件的使用寿命。
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9. Tribology Design
9.1 摩擦学设计概述
一个零部件能工作多长的时问，引起它失效的模式是什么等 等都特别需要摩擦学的知识。许多部件都在追求免维护和终身润 滑的日标，如内燃机，人工关节，空间部件，打印机头，计算机 硬盘等. 如何达到这一点，是当今摩擦学界面临的一个挑战.
在摩擦学设计中有两个重要的原则，一个是避免相对运动表 面间的直接接触、另一个是将润滑介质作为机器的一个组成元件 来看待。因此，将摩擦学知识转移到工业中去的最有效的途径就 是在设计开始阶段就并行地进行摩擦学设计。
工程摩擦学基础
Fundamental of Engineering Tribology
2019/11/2
9. Tribology Design
9.1 摩擦学设计概述
摩擦学设计以摩擦、磨损及润滑理论为基础、从系统工程 程观点出发，通过一系列计算与经验类比分析．预测并排除 可能发生的故障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的 摩擦、损耗和经济的稳定磨损率。
根据弹性流体动压润滑理论，适当提高润滑油的粘度，可使接触 部分的压力接近平均分布，从而提高了抗疲劳磨损能力。
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9. Tribology Design
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于磨粒磨损，纯金属和未经热处理的钢的耐磨性与自然硬度
减少摩擦与磨损的有效方法之一是在摩擦副中采用液体润滑。 这就意味着在流体动压润滑状态下连续运转对粘着磨损值有很大影响。试验表明，流体 静压润滑状态时粘着磨损佰最小，其次足流体动压润滑状态，边界 润滑状态时的粘着磨损值最大。在润滑油脂中加入油性和极压添加 剂能提高润滑油膜吸附能力及油膜厚度，因而能成倍提高抗粘着磨 损能力。
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9.2 耐 磨 设 计
9.2.1 考虑的因素 2）结构设计
磨损率受结构的影响很大，包括整机的结构和零件的形状尺 寸。例如：4M3电铲斗齿寿命较低，首钢公司迁安煤矿通过改善 斗齿形状，即把斗齿上下面上挖一长槽，将这部分材料放在齿尖 部位，加长了斗齿长度，改变了矿石与零件表面接触时的力流状 况，从而增加了耐磨性。
成正比。靠热处理提高硬度时，其耐磨性提高不如同样硬度的退火 钢。对淬硬钢来说，硬度相同时，含碳量高的淬硬钢耐磨性优于含 碳量低的淬硬钢。
耐磨性与金属的显微组织有关。马氏体耐磨性优于珠光体，珠 光体优于铁素体。对珠光体的形态，片状的比球状的耐磨，细片的 比粗片的耐磨。回火马氏体常常比不回火的耐磨，这是因为未回火 的组织硬而脆。
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9. Tribology Design
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（2）粘着磨损的摩擦副材料的选配 粘着现象常常因摩擦热引起材料的再结晶、扩散加速或表面软
化出现。甚至由于接触区的局部高压、高温而导致表面熔化。因此 粘着磨损与表面材料匹配密切相关。对于材料的匹配有以下规律：
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9. Tribology Design
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于磨粒磨损，纯金属和未经热处理的钢的耐磨性与自然硬度
成正比。靠热处理提高硬度时，其耐磨性提高不如同样硬度的退火 钢。对淬硬钢来说，硬度相同时，含碳量高的淬硬钢耐磨性优于含 碳量低的淬硬钢。
9.2 耐 磨 设 计
9.2.1 考虑的因素 1）选 材
要提高机器的耐磨性，最重要的问题就是要合理选择符合该 工况条件的最佳性能材料，不同类型的磨损方式，选择的方向也 不同。
例如，拖拉机发动机气缸套是易磨损件，当它严重磨损后， 发动机的功率下降，油耗增加。通过磨损的失效分析，确定了气 缸磨损的主要机制是磨料磨损和粘着磨损，因此选择材料的成分 及组织均希望能有利于抵抗上述两种磨损的性能，选用了中硅矾 铁缸套材料后比用高磷铸铁缸套的寿命提高4倍以上，而且抗腐 蚀性能良好。
摩擦学系统是机器系统的一种抽象，它由机器中的全体摩擦 副和必要的支持系统组成。设计一个能经济而可靠地实现运动并 保证功能的摩擦学系统就是摩擦学设计的任务，所以，摩擦学设 计必须理解为摩擦学系统的设计，它不仅仅只是一个摩擦副或其 中一个摩擦学元素的设计。
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9. Tribology Design
摩擦学设计是机械设备零件设计经历了运动学设计与强 度设计以后的第三阶段没计，它涉及到流体力学、固体力学、 流变学、数学、材料科学、物理和化学等内容.
一般来说，与摩擦有关的工业部件主要用于传递动力、 控制方向、机械加工及材料成形等。因此，它包括了各种部 件，如齿轮、轴、活塞、缸衬、轴承和密封件等。
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耐磨性与金属的显微组织有关。马氏体耐磨性优于珠光体，珠 光体优于铁素体。对珠光体的形态，片状的比球状的耐磨，细片的 比粗片的耐磨。回火马氏体常常比不回火的耐磨，这是因为未回火 的组织硬而脆。
对于同样硬度的钢，含合金碳化物的比普通渗碳体耐磨．碳化 物的元素原子越多就越耐磨。
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9. Tribology Design
斗轮式挖掘机斗齿角度和形状对其使用寿命有影响。如果斗 齿底面与所切割的矿岩之间的夹角太小，则整个齿底面与磨料相 对运动而磨损，磨损在齿面上划出长长的磨沟，只有在一最佳角 度时，斗齿才能减少磨损。在这方面，仿生学设计大有用武之地。
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9. Tribology Design
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 1）润 滑
9.2 耐 磨 设 计 9.2.2 防止和减少磨损的方法 2）材料选择
（1）磨粒磨损的摩擦副材料的选配 对于三体磨损来说，一般是提高摩擦表面的硬度，当表面硬度
约为1.4倍磨粒硬度时耐磨效果最好，再高则无效。三体磨损的颗 粒粒度对磨损率也有影响。实验表明，当粒度小于100μm时，越小 则表面磨损率越低；粒度大于100μm时，粒度与磨损率天关。