第三章摩擦学设计
汽车设计中的摩擦学设计

防抱死制动系统(ABS)
防抱死制动系统(ABS)
车速 速 度
轮速
轴承宽度
不同轴承宽度下的功损
轴承宽度决定了轴承摩擦面积。图为轴承宽度对轴承摩擦功损的影响。 其中:PB为连杆大头轴承;MB为主轴承。 由图可以看出,轴承功损与轴承宽度成正比。通常对于径向轴承,在完 全液力动力润滑条件下可以认为油膜的包角是一定的。径向轴承的摩擦面积 正比于轴承宽度。因此,减小轴承宽度可以减小轴承功损。但是,过小的轴 承宽度会导致轴承比压过高。因此,在设计轴承宽度时,必须以保证轴承比 压为前提。
胎面磨损
胎面磨损是一个复杂的物理—化学过程 胎面的弹性滑移 产生热和摩擦静电 生成橡胶氧化裂纹 裂纹扩展 胎面磨损 胎面磨损的研究内容: ① 橡胶磨损机理 ② 轮胎结构和操纵(速度、转弯、制动)激烈程度的影响 ③ 对胎面磨损随行程的增加以回归函数的形式进行描述 ④ 车轮的安装角度对轮胎的摩擦和磨损的影响。 由于磨损过程极为复杂,因此到目前为止还不能对轮胎在实际行驶条件 下的磨损率作出令人满意的预测。可以肯定,驾驶员的正确操纵对降低轮胎 磨损有重要影响。
气门阀与气门阀座
气门阀与气门阀座系统是内燃机工作条件十分恶劣的摩擦副,它一方面 在气门不断开启和关闭过程中受到冲击载荷的作用,是冲击磨损的典型实 例;另一方面,排气阀头部和阀座承受着炽热废气的高速冲刷(废气温度可 达600—800℃),气门阀的工作表面经受疲劳磨损、粘着磨损、腐蚀磨损以 及高温气流中未燃尽粒子的冲蚀磨损等的作用。这些恶劣的工作条件可能使 气门阀的密封性遭到破坏,严重的将影响发动机的正常工作。所以对气门阀 与气门阀座之间的匹配设计也是汽车摩擦学的一个重要内容。
3.3摩擦学设计及其应用—滑动轴承

机械工程系 设计工程研究所
18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起,到20世纪60年代 摩擦学成为一门独立的交叉学科;
应用及研究的领域不断扩大:机械、冶金、生物、 地质、音乐、体育等。
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3.汽车中的摩擦学 发 动 机 中 的 摩 擦 学 问 题
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润滑脂
针入度(稠度):标志着润滑脂内阻力的大小和流 动性的强弱。
针入度越大,润滑脂越稀;反之亦然。 滴点:在规定的加热条件下,润滑脂由标准测量 杯的孔口滴下第一滴时的温度称为润滑脂的滴点。
滴点标志着润滑脂耐高温的能力。一般润滑脂 的工作温度应低于滴点20-30C。
选择耐磨材料、合理选择润滑剂和添加剂、控制 易损件的工作条件。
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3. 润滑 (1)目的 ➢对于不完全液体润滑—降低摩擦及减少磨损; ➢对于液体动力润滑—工作介质并具有冷却作用。 (2)润滑剂分类 ➢液体:水、矿物油及液态金属等; ➢气体:空气及其它气体介质; ➢固体:石墨、二硫化钼等; ➢半固体:润滑脂。
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添加剂 为改善润滑油或润滑脂的性能,以适应某些特
殊的需要,在润滑油或润滑脂中加入一些物质,称 为添加剂。
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3.3.3 滑动轴承 3.3.3.1 滑动轴承的特点与应用
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1.滑动轴承的特点 面接触,承载能力高,抗震性好,寿命长,噪音 小 一般摩擦阻力大,效率低 但流体润滑轴承,摩擦系数很小,在高速下运转, 工作平稳,旋转精度高,无磨损 因此,在许多场合下,滚动轴承还无法替代
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
摩擦学设计.

2.1表面形貌设计
表面形貌设计主要是表面粗糙度的设计。 当表面过于光滑时, 液体或气体润滑介质难以介入摩擦副 之间, 运动中导致摩擦副表面的氧化膜破裂而发生干摩擦, 易于疲劳破坏或粘着拉脱, 但是, 当表面过于粗糙时, 微 凸体接触数量少, 接触应力大, 微凸体之间发生严重的弹 塑性变形, 相对滑动时, 摩擦表面发生粘着磨损和表面剥 离. 粗糙度的设计原则 一是用加工精度与粗糙度相对应的方式设计; 二是与机械工况相适应的润滑模式设计; 三是在特殊的润滑情况下粗糙度及其纹理方向应 特殊设计。
2.3摩擦副表层设计
一般设计法则 1) 摩擦副若是粘着磨损为主, 则应采用互溶性小、 化学活性强而抗剪切强度低的表面层; 2) 摩擦副若是磨粒磨损为主, 则应采用非常硬的表 面; 3) 摩擦副若是几种摩擦磨损过程混合的情况, 即采 用强度正梯度法则-硬度负梯度法则的复合梯度法 则设计.
2.3摩擦副表层设计
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。
简失 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。
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
机械设计----摩擦

第三章 磨擦、磨损及润滑(一)教学要求掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程和机理及润滑的类型及润滑剂类型。
(二)教学的重点与难点摩擦副基本性质和典型磨损过程(三)教学内容§3—1 摩擦摩擦——两接触的物体在接触表面间相对滑动或有一趋势时产生阻碍其发生相对滑动的切向阻力,——这种现角叫磨擦磨损——由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移,即形成磨损。
使零件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续破坏→精度、可靠性↓效率↓直至破坏润滑——减少摩擦、降低磨损的一种有效手段。
摩擦学(Tribology )——包含力学、流变学、表面物理、表面化学及材料学、工程热物理学等学科,是一门边缘和交叉学科。
摩擦 内摩擦——发生在物质内部外摩擦——两个相互接触表面之间的摩擦接运动状态——摩擦 静摩擦——仅有相对滑动趋势时的摩擦动摩擦本节只讨论金属摩擦副的滑动摩擦根据摩擦面间存在润滑剂的状况,干摩擦 ——最不利滑动摩擦 边界摩擦(边界润滑) ——最低要求流体摩擦(流体润滑) ——如图3-1所示混合摩擦(混合润滑) ——最理想各种状态下的摩擦系数见表3-1,图3-2为摩擦特性曲线p v f /ηλ=-的关系。
一、干摩擦——两摩擦表面直接接触,不加入任何润滑剂的摩擦而实际上,即使很洁净的表面上也存在脏污膜和的氧化膜,∴实际f 比在真空中测定值小很多。
摩擦理论:①库仑公式 n f fF F =(n F —法向力)——至今沿用机理:②机械摩擦理论→认为两个粗糙表面接触时,接触点相互啮合,摩擦力为啮合点问切向阻力的总和,表面越粗糙,摩擦力就越大。
但不能解释光滑表面间的摩擦现象——表面愈光滑、接触面越大,f F 越大,且与滑动速度V 有关。
③新理论:分子—机械理论、能量理论、粘着理论—常用简单粘着理论:如图3-3所示,摩擦副真实接触面积Ar 只有表现接触面积A 的百分之一和万分之一,)10000~100/(A Ar =,∴接触面上压力很大,很容易达到材料的压缩屈服极限sy σ→产生塑性流动→接触面↑,∴n F ↑应力并不升高 ∴sy nF Ar σ= (3-1)接触点塑性变形后→脏污膜遭破坏,容易使基本金属产生粘着现象→产生冷焊结点→滑动时,先将结点切开,设结点的剪切强度极限为B τ,则摩擦力为B sy nB r f F A F τστ== (3-2) ∴金属摩擦系数syB n fF F f στ== (3-3) B τ 两接触金属中较软者的剪切强度——剪切发生在软金属站界面的剪切强度极限B f f B ττττ<<=,(脏污表面)——剪切发生在结点金属上 sy σ——较硬的基本材料的压缩屈服极限∵大多数金属sy B στ/很相近,∴f 很相近∴降低摩擦系数的措施:在硬金属基体表面涂覆一层极薄的软金属(使)sy σ取决于基体材料,B τ取决于软金属。
第三章-摩擦学设计.知识讲解

西晋时代张华所著《博物志》最早记载了人类使用矿物油 做润滑剂
15世纪,意大利的列奥纳多·达芬奇才开始把摩擦学引入 理论研究的途径
18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起,到20 世纪60年代摩擦学 成为一门独立的交叉学科
❖ 磨损的类型:依据近代对磨损的分类可以分为六种类型: 粘着磨损:是指在摩擦过程中,由于粘着点的剪切作用,是
摩擦表面的材料从一个表面脱落或者转移到另一个表面的 磨损现象。一般发生在干摩擦或者边界摩擦表面上。 磨粒磨损:在摩擦过程中,由于外界硬颗粒或摩擦表面上硬 的微凸体引起表面材料脱落的现象。 表面疲劳磨损:摩擦表面在交变载荷的作用,表层材料由于 疲劳而局部剥落,形成麻点或凹坑的现象。一般在固体有 缺陷的地方最先出现。 腐蚀磨损(摩擦化学磨损):是金属腐蚀和粘着磨损、磨粒 磨损的复合。 微动磨损:是粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损的复合。 冲蚀磨损(侵蚀磨损)
当一个物体在外力作用下沿与它相接触的 另一个物体相对运动时所产生的摩擦。
两接触表面作相对滑动时所产生的摩擦。 接触点具有不同的速度
在外力矩作用下,两物体沿接触面作相对滚 接触点具有相同的速度(速
动时产生的摩擦。
度、大小)
一物体沿接触面法线与另一物体作相对转 动时所产生的摩擦。
两纯净接触表面,在无任何形式的润滑剂存 只有在真空中存在,工程上指
2.正常磨损:即稳定磨损阶段,其磨损率为常量,该阶段在整个磨损过程中所占 的比例越大,说明设备的寿命越长。
(6)摩擦学状态的测试技术与仪器设备
(7)机器设备摩擦学失效状态的在线检测与监控以及 早期预报与诊断