第三章-摩擦学设计.知识讲解
机械设计精品课件 摩擦
其它
（4）注意控制摩擦副的工作条件 （5）合理的结构设计： 在结构设计中，可以应用置换原理，即 允许系统中一个零件磨损以保护另一个更重要的零件。 （6）润滑：合理选择润滑剂及添加剂，适当选用高粘度的润滑 油、在润滑油中使用极压添加剂或采用固体润滑剂，可以提高耐 疲劳磨损的能力。 （7）合理采用过滤与密封技术
摩 擦2
摩
擦
对于大多数金属，按上式计算的摩擦系数相差甚小，约为0.2。 但是这个结论不完全符合实际。 修正的粘着理论认为： 在摩擦情况下，轮廓峰接触区除作用有法向力外，还作用有一切 向力，实际接触面积的增大是由于法向载荷和切向载荷联合作用 的结果。也就是说，接触点发生屈服，是由法向载荷引起的压应 力和切向载荷引起的切应力的合成应力共同作用引起。切应力使 粘结点产生进一步的塑性流动，使接触面积增加，粘着结点增长， 因而出现大的摩擦系数。
润滑油的主要性质
润
三 润滑油的主要性能指标 粘度、油性、闪点和燃点、倾点、其它
滑
1 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）。
粘度的物理意义： 两个平行的平板之间充满 润滑油，B 板静止，A 板以速度
O
υ
y
dy
A
du
x
u
υ 运动，各油层的速度呈直线
F f = F分子 + F机械 = α ⋅ Ar + β ⋅ Fn
粘着理论：（20世纪40年代） 两固体表面在法向力的作用下，微 凸体尖端接触，摩擦副真实接触面积 很小 ，接触面上接触点处压力很大 ， 接触点塑性变形后，接触表面的脏污 膜遭破坏，容易使基本金属产生粘着 现象而产生冷焊结点。在接触面相对 滑动时，这些冷焊结点被剪切。摩擦 过程就是粘着和滑动交替进行的跃动 过程，即粘滑过程。 在粘滑过程中，一方面要克服粘结 点的切向阻力 τ b Ar ， 还要克服软表面阻止硬表面上微凸体前进的梨沟力，（很小，可忽略） Ff τ FN µ= = b F f ≈ Arτ b = τ b FN σ sy σs 当忽略弹性材料的冷作硬化的影响时， 、 相接触的两种金属中较软 者的剪切强度极限和压缩屈服极限。
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》第三节-摩擦-磨损-润滑
t
度不会继续改变，所占时
间比率较小
O
时间t
2、稳定磨损阶段
经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦
条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命
3、急剧磨损阶段 经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载振动
→润滑状态改变→温升↑→磨损速度急剧上升→直至零件失效
二、磨损的类型
弹性变形
流体摩擦（润滑）
塑性变形
边界膜
边界摩擦（润滑）—最低要求
边界膜 液体
液
混合摩擦（润滑）
边界膜
液体
一、干摩擦
摩擦理论： 库仑公式 Ff f () Fn
新理论：分子—机械理论、能量理论、粘着理论
简单粘着理论：
Ff
Ar B
Fn
sy
B
a
n
Ar Ari i 1
f () Ff B Fn sy
（3）条件粘度（相对粘度）—恩氏粘度
3、影响润滑油粘度的主要因素
（1）温度 润滑油的粘度随着温度的升高而降低
粘度指数VI ，35，85，110
（2）压力
p 0 ep
P>10MP时，随P↑→ηP↑
4、配油计算
K v vB vA vB
配油比
1、根据摩擦面间存在润滑剂的状况，滑动摩擦分
为哪几种？ 2、获得流体动力润滑的基本条件是什么？
3、典型的磨损分哪三个阶段？磨损按机理分哪几 种类型？
4、什么是流体的粘性定律？
5、粘度的常用单位有哪些？影响粘度的主要因素是 什么？如何影响？
6、评价润滑脂和润滑油性能的指标各有哪几个？
润滑油压分布
v1
v2
高中物理摩擦力说课稿
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摩擦学设计
3. 润滑
• 摩擦面间加入润滑剂，改变摩擦 状态，可减少摩擦、降低磨损。 • 混和摩擦状态； • 流体摩擦（润滑）状态： 静压润滑； 动压润滑。
• 平行平板在层流状态时，满足：
∂u τ = −η ∂y
式中： • τ —— 两 板 间 流 体 微 团 所 受 摩 擦 力； • η——润滑剂粘度； • u——两板间的相对运动速度。
第三部分 摩擦学原理
• 滑动轴承 • 带传动
摩擦学设计概述 1 摩擦学设计
• 机械运动——摩擦——磨损——机件失 效； • 摩擦、磨损问题主要是解决： 选配材料； 润滑。 • 摩擦学——以研究摩擦磨损和润滑问题 为基本任务的科学。
2 摩擦、磨损、润滑
1. 摩擦及其基本性质 • 摩擦状态可分： 干摩擦； 边界摩擦； 流体摩擦； 混和摩擦。
干摩擦——两运动表面直接接触； 边界摩擦 —— 摩擦表面间的接触是通过表 面边界膜实现的状态； 流体摩擦 —— 摩擦表面间被一层流体完全 分离； 混和摩擦——以上几种摩擦共存的状态 粘着磨损——如：齿轮轮齿表面 的胶合； 表面疲劳磨损——如：点蚀 磨粒磨损； 腐蚀磨损。
第三章 摩擦、磨损和润滑
适当的润滑是减小摩擦、减轻磨损和降低能量消耗的有效手 段。
第一节 摩 擦
摩擦的种类 1）内摩擦：发生在物质内部，阻碍分子间相对运动的摩擦。 2）外摩擦：当相互接触的两个物体发生相对滑动或有相对滑
在液体摩擦状态下，其摩擦性能取决于流体内部分子之间的 粘滞阻力，故摩擦因数极小(约为0.001～0.008)，是一种理想的 摩擦状态。摩擦规律也已有了根本的变化，与干摩擦完全不同。
四、混合摩擦
当两摩擦表面不能被具有压力的液体层完全分隔开，摩擦表 面间处于既有边界摩擦又有液体摩擦的混合状态称为混合摩擦。
边界膜有两大类：吸附膜和化学反应膜。吸附膜又分为物理 吸附膜与化学吸附膜。
物理吸附膜是由分子引力所 形成的。吸附膜吸附在金属表面 的模型如图2.3.4所示。
化学吸附膜是润滑油分子 以其化学键力作用在金属表面 形成保护膜，它的剪切强度与 抗粘着能力较低，但熔点较高 (约120°C)。所以，能在中等 速度及中等载荷下起润滑作用。
机械零件的磨损过程分为：磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损 阶段。
按照磨损失效的机理，磨损主要有四种基本类型，即磨粒磨损、 粘着磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损。
（1）磨粒磨损 外界进入摩擦表面间的硬质颗粒或摩擦表面上 的硬质凸峰，在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象。特征是摩擦表 面沿着滑动方向形成划痕，在一些脆性材料上还会有崩碎和颗粒。
中心值列于表2.3.1。
此外，常用的还有比较法测定粘度，称为条件粘度(或相对粘 度)。我国常用的条件粘度为恩氏粘度，即在规定温度下200cm3的 油样流过恩氏粘度计的小孔(直径2.8 mm)所需时间(s)与同体积的 蒸馏水在20°C下流过相同小孔时间的比值即为该油样的恩氏粘度， 以符号°Et表示，其角标t表示测定时的温度。美国常用赛氏通用 秒(SUS)，英国常用雷氏秒(R)作为条件湿或吸附于金属摩擦表面 形成边界膜的性能称为油性。吸附能力强，则愈有利于边界油膜的 形成，油性愈好。
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。
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。
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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
（8）摩擦学数据库与知识库
1.3摩擦学的特点
（1）摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综 合发展起来的边缘学科。
（2）摩擦学是一门具有很强应用背景的横断学 科。
（3）摩擦学是一门学科边界还没有完全界定的 新兴学科。随着技术的发展，摩擦学与一些先 进的技术与方法相结合，并且不断地向其他学 科渗透，从而又逐步形成新的学科分支，如摩 擦化学，摩擦学设计以及陶瓷摩擦学、高分子 材料摩擦学等。
2 摩擦
❖ 定义：相互接触的两个物体，在外力作用下发生相对运动或具 有相对运动趋势时，接触面上具有阻止相对运动或具有相对运 动趋势的现象。
V
FA
N
B
P
接触表面间有相对运动，就必然有产生摩擦。 要克服摩擦力，就会消耗一部分动力，从而降低 了机器的效率，而摩擦既有有害的一面，使配合 表面产生磨损，增大配合间隙，影响可靠性和精 度，但是也有有利的一面，利用摩擦来进行车辆 的行驶、机器的变速等。
疲
粘着磨损
劳 磨
损
（
点
蚀
）
磨粒磨损
磨损过程
磨 损 量
1.初期磨损：即磨合阶段，磨合是磨损过程中的非均匀阶段，在整个磨损过程中 所占比例很小，但磨损率很大。在磨合阶段，由于新摩擦副粗糙表面的真实 接触面积很小，应力很大，磨损很快。在良好的工作条件下，经过一段时间 或一定摩擦距离以后，表面逐渐磨平，表面粗糙度减小，过渡到正常磨损阶 段。
通过某种措施减小摩擦,以降低摩擦损失提高机器 对摩擦表面采取减摩
效率的摩擦。
措施。
通过某种措施增大摩擦,以实现特定功能或达到特 如各种制动或摩擦离
种工作要求的摩擦。
合装置。
此外，还有其他分类方法，这里就不再介绍了。
以上各种类型的摩擦，只限于发生在相对运动的两物体接 触界面上，只与接触面有关与固体内部状态无关，统称为 外摩擦。
为了研究摩擦、控制和利用摩擦需要把各种摩 擦现象加以区分。
分类 摩擦类型
定
义
特点
1. 按摩擦副运 动状态分
2. 按摩擦副运 动形式分
3. 按摩擦副表 面润滑状态 分
4.按摩擦副 摩擦特性分
静摩擦
动摩擦 滑动摩擦 滚动摩擦
转动摩擦
干摩擦 边界摩擦
(润滑) 流体摩擦
(润滑) 混合摩擦
减摩摩擦
增摩摩擦
当一个物体在外力作用下与另一个物体相 静摩擦系数随外力的增大而 接触并产生相对运动趋势时所产生的摩擦。 增大,有一最大值
第三章-摩擦学设计.
1 摩擦学
摩擦学是二十世纪六十年代逐渐形成的一门新兴边缘学科。
摩擦学—Tribology:是希腊语tribod派生而来的。
定义：摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关 理论与实践的一门科学技术。
定义中着重强调了“相对运动”和“相互作用”。通俗 来说，摩擦学就是研究相互作用表面在相对运动中过程发生 的摩擦、磨损、润滑现象的一门科学与技术，是摩擦、磨损、 润滑及其有关的实践活动的总称。
实践表明，作相对运动的接触表面在摩擦过程中，将产 生一系列的物理、化学、冶金学、力学等方面的变化，要研 究这一过程和变化，必将涉及数学、物理、化学、力学、冶 金学、机械工程、材料科学、石油化工等多种学科领域。因 而，摩擦学是一门理论性和实践性都很强、综合性边缘学科。
1.1摩擦学发展概况
史前人类的钻木取火
在时所产生的摩擦。
无人为润滑剂的摩擦。
两接触表面间存在一层具有润滑性能的边 不符合流体力学规律的润滑
界膜情况下所产生的摩擦。
油膜称为边界膜。
相对运动的两物体表面完全被一层流体润 摩擦主要发生在接触表面间
滑膜隔开时所产生的摩擦。
的润滑膜内。
半干摩擦
干摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。
半流体摩擦 流体摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。
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
1.2摩擦学研究内容
摩擦学研究的基本内容是摩擦、磨损、润滑的原理及其 应用。大体上可以包括一下几点：
（1）摩擦学现象的机理
（2）材料的摩擦学特性
（3）摩擦学元件（包括人体人工关节）的特性与设计 及其摩擦学失效分析
（4）摩擦学材料 （5）润滑材料
由于冲击、拉压、振动和扭曲等，使物体（包括固体、液 体和气体）内部各部分物质之间产生相对运动，而引起内 能消散的现象称为内摩擦。对于固体，内摩擦表现为一种 迟滞或能量损失（如发热）；对于流体来说，内摩擦则表 现为液体或气体的粘性。
3 磨损
❖ 定义：磨损是指相互作用的物体表面在相对运动中，接触 表面层内材料发生转移和损耗的过程。