哈工大机械设计课程(授课老师：赵小力)第17讲

1、第第4 4章章 摩擦、磨损和润滑摩擦、磨损和润滑 一、摩擦一、摩擦 1 1、摩擦简介、分类及其产生机理、摩擦简介、分类及其产生机理 2 2、各种摩擦状态的特点、各种摩擦状态的特点 二、磨损二、磨损 1 1、磨损及磨损率的定义、磨损及磨损率的定义 2 2、磨损的、磨损的3 3个阶段个阶段 3 3、几种典型的磨损类型、几种典型的磨损类型 三、润滑三、润滑 1 1、润滑的主要目的及润滑剂的分类、润滑的主要目的及润滑剂的分类 2 2、润滑油的主要特性、润滑油的主要特性 3 3、润滑脂的主要特性、润滑脂的主要特性 4 4、固体润滑剂和添加剂、固体润滑剂和添加剂 第第4 4章章 摩擦、磨损和润滑摩擦、磨损

2、和润滑 摩擦摩擦存在于有相对运动或有相对运动趋势的物体表面或内部。存在于有相对运动或有相对运动趋势的物体表面或内部。 摩擦的后果摩擦的后果：1 1 发热，消耗能量，过热失效。发热，消耗能量，过热失效。 2 2 磨损磨损，材料损失，丧失精度而失效。，材料损失，丧失精度而失效。 统计结果统计结果：1/31/31/21/2能量消耗在摩擦上。能量消耗在摩擦上。 报废的机械零件中，报废的机械零件中，8080是由于磨损造成的是由于磨损造成的。 润滑润滑是工程中降低摩擦和功耗，提高机械效率，减轻磨损的最是工程中降低摩擦和功耗，提高机械效率，减轻磨损的最 经济，最有效的，也是最常用的方法。经济，最有效的，也是

3、最常用的方法。 摩擦学设计摩擦学设计 摩擦学摩擦学 19661966年年 表面与界面的科学表面与界面的科学 运用摩擦学知识进行设计的过程成为运用摩擦学知识进行设计的过程成为摩擦学设计摩擦学设计。 19651965年英国统计，正确应用摩擦学知识，每年可节约年英国统计，正确应用摩擦学知识，每年可节约 19741974年日本统计，正确应用摩擦学知识，每年可节约年日本统计，正确应用摩擦学知识，每年可节约 到到20002000年中国统计，正确应用摩擦学知识，每年可节约年中国统计，正确应用摩擦学知识，每年可节约 。 l 典型应用典型应用： 钻木取火 带传动 刹车片 自锁，如钉子 跑合 l 典型应用典型应用

4、： 大型电站设备； 陀螺旋转件； 发动机主轴； 气浮轴承； 大多数机械装置 l 摩擦学设计：摩擦学设计： 减小摩擦；减小摩擦； 降低或避免磨损；降低或避免磨损； 节约能源；节约能源； 延长机械的使用寿命。延长机械的使用寿命。 l 摩擦学设计：摩擦学设计： 增大摩擦；增大摩擦； 耐磨损耐磨损 2.7.1 2.7.1 摩擦摩擦 在外力作用下，两个相互接触的物体或物体内部有相对运动或在外力作用下，两个相互接触的物体或物体内部有相对运动或 相对运动趋势时，在摩擦界面产生切向阻力，这种切向阻力称相对运动趋势时，在摩擦界面产生切向阻力，这种切向阻力称 为为摩擦力摩擦力，这种现象称为，这种现象称为摩擦摩擦。

5、 外摩擦外摩擦：接触物体间存在相对运动或趋势时的阻力：接触物体间存在相对运动或趋势时的阻力 内摩擦内摩擦：在物质内部阻碍分子间相对运动的阻力：在物质内部阻碍分子间相对运动的阻力 按照摩擦性质分按照摩擦性质分2种：外摩擦；内摩擦种：外摩擦；内摩擦 根据摩擦表面间存在润滑剂的状况可分为根据摩擦表面间存在润滑剂的状况可分为4 4种：种： 干摩擦干摩擦 边界摩擦边界摩擦( (边界润滑边界润滑) ) 流体摩擦流体摩擦( (流体润滑流体润滑) ) 混合摩擦混合摩擦( (混合润滑混合润滑) ) 一、干摩擦一、干摩擦 定义：表面间无任何润滑剂或保护膜的两物质表面直接接触定义：表面间无任何润滑剂或保护膜的两物质

6、表面直接接触 时出现的摩擦状态。时出现的摩擦状态。 摩擦力的大小：摩擦力的大小： fn FfF 无润滑剂导致了摩擦系数最大无润滑剂导致了摩擦系数最大 后果：摩擦功耗和磨损增大，表面温度升高后果：摩擦功耗和磨损增大，表面温度升高 frn FFFAF 分子机械 ： 真实表面形貌真实表面形貌 陶瓷球与光滑表面陶瓷球与光滑表面SiSi片干摩擦时的摩擦系数变化图片干摩擦时的摩擦系数变化图 摩擦系数摩擦力 fp 摩擦系数摩擦力 陶瓷球与光滑陶瓷球与光滑SiSi片去离子水作润滑剂摩擦时的摩擦系数变化图片去离子水作润滑剂摩擦时的摩擦系数变化图 fp 二、边界摩擦（边界润滑）二、边界摩擦（边界润滑） 两表面加入

7、润滑油后，在金属表面会形成一层边界膜，它可能是两表面加入润滑油后，在金属表面会形成一层边界膜，它可能是 物理吸附膜和化学吸附膜物理吸附膜和化学吸附膜，也可能是，也可能是化学反应膜化学反应膜。不满足流体动。不满足流体动 压形成条件，或有较低的动压力，油膜较薄时，在载荷作用下，压形成条件，或有较低的动压力，油膜较薄时，在载荷作用下， 边界膜互相接触，这种摩擦状态称为边界膜互相接触，这种摩擦状态称为边界摩擦边界摩擦 边界膜强度不高，压力和温度作用下破坏和降低，转为干摩擦！边界膜强度不高，压力和温度作用下破坏和降低，转为干摩擦！ 三、流体摩擦（流体润滑）三、流体摩擦（流体润滑） 当两摩擦表面被流体（液

8、体或气体）完全隔开时，摩擦表面不会 产生金属间的直接摩擦，流体层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种 摩擦称为流体摩擦流体摩擦，不发生金属磨损，是理想状态 1.流体动压润滑流体动压润滑 形成原理：形成原理： 2.2.弹性流体动压润滑（高副接触）弹性流体动压润滑（高副接触） 定义：定义：考虑接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影响 的动压润滑称为弹性流体动压润滑弹性流体动压润滑, ,简称为简称为弹流润滑弹流润滑。 如齿轮、滚动轴承等。如齿轮、滚动轴承等。 3.3.流体静压润滑流体静压润滑 形成流体动压的形成流体动压的必要条件必要条件 (1) (1) 流体必须流经收敛间隙流体必须流经收敛间隙 (2)

9、(2) 流体必须有足够的速度流体必须有足够的速度 (3) (3) 流体必须是粘性流体流体必须是粘性流体 对于速度较低和不具备收敛间隙对于速度较低和不具备收敛间隙 的两物体之间的流体润滑如何实的两物体之间的流体润滑如何实 现？比如机器的启动和停止阶段。现？比如机器的启动和停止阶段。 流体静压润滑是依靠外界提供具有一定压流体静压润滑是依靠外界提供具有一定压 力的润滑油实现，承载能力不受表面的相力的润滑油实现，承载能力不受表面的相 对速度和表面粗糙度的影响，运转精度高。对速度和表面粗糙度的影响，运转精度高。 四、混合摩擦四、混合摩擦 当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，就会出现流体 摩擦、边界摩

10、擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为 混合摩擦混合摩擦。 五、薄膜摩擦五、薄膜摩擦 超流理论超流理论 液液氦氦在在0.4K0.4K时，出现了无摩擦流动。时，出现了无摩擦流动。 超滑的条件超滑的条件 19941994日本日本HiranoHirano等人提出超滑的可能性，等人提出超滑的可能性，19971997年他们用年他们用STMSTM观察观察 到超滑现象（未得到承认）。到超滑现象（未得到承认）。ErdemirErdemir和和GranickGranick分别观察到超分别观察到超 低摩擦系数薄膜。低摩擦系数薄膜。 超滑分子膜超滑分子膜 美国美国GranickGranick发现分子刷薄膜在一定

11、运动速度时摩擦系数下降到发现分子刷薄膜在一定运动速度时摩擦系数下降到 了了0.0040.004。 超滑固体膜超滑固体膜 美国美国ArgonneArgonne国家实验室国家实验室ErdemirErdemir博士博士20012001年在年在DLCDLC膜增加含膜增加含H H量，量， 使摩擦系数下降到了使摩擦系数下降到了0.0020.002。 摩擦学研究和意义 摩擦学研究是现代工程学科的共性基础需求摩擦学研究是现代工程学科的共性基础需求 研究两个相互接触、且相对运动或者有相对运动趋势的研究两个相互接触、且相对运动或者有相对运动趋势的 之间相互作用机理及相关问题和实践的一门理论和技术，之间相互作用机理

12、及相关问题和实践的一门理论和技术， 是接触表面摩擦、磨损和润滑及其控制方法研究的总称是接触表面摩擦、磨损和润滑及其控制方法研究的总称 4.2 4.2 磨损磨损 磨损定义磨损定义：运动副表面材料不断损失的现象称为：运动副表面材料不断损失的现象称为磨损磨损。 磨损率定义磨损率定义：单位时间内材料的磨损量（体积、重量、厚度等）：单位时间内材料的磨损量（体积、重量、厚度等） 后果：精度和可靠性降低、温度升高，最终机器报废。后果：精度和可靠性降低、温度升高，最终机器报废。 零件的零件的磨损过程磨损过程大致分为三个阶段。大致分为三个阶段。 1.跑合磨损阶段跑合磨损阶段 磨损由快到慢，微峰磨平，实际磨损由快

13、到慢，微峰磨平，实际 接触面积增大，压强减小。接触面积增大，压强减小。 2.2.稳定磨损阶段稳定磨损阶段 磨损平稳而缓慢，其长短即使用寿命。磨损平稳而缓慢，其长短即使用寿命。 3.3.剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段 磨损由慢到快，导致配合间磨损由慢到快，导致配合间 隙增大，产生动载荷，润滑条件恶化，磨损加剧。隙增大，产生动载荷，润滑条件恶化，磨损加剧。 二、磨损分类：根据磨损机理主要可分为：二、磨损分类：根据磨损机理主要可分为： 粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损 1 1）粘着磨损：）粘着磨损： 2 2）磨粒磨损：）磨粒磨损： 形成：混合

14、摩擦或边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，形成：混合摩擦或边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏， 两表面尖峰直接接触，形成粘着结点两表面尖峰直接接触，形成粘着结点。 现象：现象：粘着结点被剪切破坏，粘着结点被剪切破坏，形成材料转移形成材料转移，或脱落成磨屑，或脱落成磨屑。 影响因素：影响因素：材料材料、硬度、表面粗糙度、载荷、速度、温度等、硬度、表面粗糙度、载荷、速度、温度等 形成：形成：表面表面硬质硬质微峰微峰或者外界硬质颗粒进入，起到磨削作用。或者外界硬质颗粒进入，起到磨削作用。 现象：现象：表面划伤或犁沟现象，使得表面脱落，表面材料不断损失表面划伤或犁沟现象，使得表面脱落，表面材料不断

15、损失 影响因素：影响因素：硬度硬度 3 3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）疲劳磨损（也称疲劳点蚀） 4 4）冲蚀磨损）冲蚀磨损 形成：高副接触的两表面，接触应力反复作用，如轴承、齿形成：高副接触的两表面，接触应力反复作用，如轴承、齿 轮中，在零件工作表面或次表面形成疲劳裂纹，轮中，在零件工作表面或次表面形成疲劳裂纹， 现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。 影响因素：表面硬度、表面粗糙度、润滑油粘度。影响因素：表面硬度、表面粗糙度、润滑油粘度。 形成：一定速度的硬质微粒冲击物体表面，表面受法向力形成：一定速度的硬质微粒冲击物体表面，表面受法向力 及切向力。燃气涡轮机叶片

16、、水轮机叶片、喷丸处及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片、喷丸处 理机喷嘴等。理机喷嘴等。 现象：表面疲劳破坏，材料损失。现象：表面疲劳破坏，材料损失。 影响因素：材料硬度影响因素：材料硬度 5 5）腐蚀磨损（电化学作用）腐蚀磨损（电化学作用） 形成：摩擦副受到空气中的酸、润滑油中的无机酸产形成：摩擦副受到空气中的酸、润滑油中的无机酸产 生化学或电化学作用。生化学或电化学作用。 现象：表面腐蚀并磨损。与腐蚀有区别现象：表面腐蚀并磨损。与腐蚀有区别 影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。 6 6）微动磨损）微动磨损 形成：载荷使微峰粘着，微动使之断裂形成磨粒，进而被氧形

17、成：载荷使微峰粘着，微动使之断裂形成磨粒，进而被氧 化，参与磨损过程。化，参与磨损过程。 现象：摩擦副出现红褐色粉末（金属），表面出现磨痕。现象：摩擦副出现红褐色粉末（金属），表面出现磨痕。 影响因素：振动频率、载荷等。影响因素：振动频率、载荷等。 4.3 4.3 润滑剂和添加剂润滑剂和添加剂 润滑剂分类润滑剂分类 液体润滑剂润滑油液体润滑剂润滑油 半固体润滑剂润滑脂半固体润滑剂润滑脂 气体润滑剂空气气体润滑剂空气 固体润滑剂石墨，二硫化鉬，聚四氟乙烯固体润滑剂石墨，二硫化鉬，聚四氟乙烯 加润滑剂的目的加润滑剂的目的 主要目的是减轻磨损，其次是降低摩擦，主要目的是减轻磨损，其次是降低摩擦， 此

18、外还有带走摩擦热，防锈、除污，减振此外还有带走摩擦热，防锈、除污，减振 和密封等作用。和密封等作用。 润滑剂的选择润滑剂的选择 润滑剂定义润滑剂定义：润滑油，润滑脂和固体润滑材料等的总称：润滑油，润滑脂和固体润滑材料等的总称 主要以机械的用途、重要性和使用条件来选择。主要以机械的用途、重要性和使用条件来选择。 通常机械中常用润滑油和润滑脂；特殊环境选择通常机械中常用润滑油和润滑脂；特殊环境选择 固体润滑剂，如真空、高低温、清净等环境。固体润滑剂，如真空、高低温、清净等环境。 一、液体润滑剂（润滑油）一、液体润滑剂（润滑油） 有机油有机油：动植物油，如豆油、蓖麻油等；：动植物油，如豆油、蓖麻油等

19、； 含有较多的硬脂酸，其稳定性差且来源有限含有较多的硬脂酸，其稳定性差且来源有限 使用较少使用较少 矿物油矿物油：石油产品，粘度品种多、适应范围广、来源充足：石油产品，粘度品种多、适应范围广、来源充足 稳定性好、防腐性好、价格便宜等稳定性好、防腐性好、价格便宜等 应用最为广泛应用最为广泛 化学合成油化学合成油：采用化学合成方法制备的新型润滑油，它能：采用化学合成方法制备的新型润滑油，它能 满足矿物油所不能满足的有些特殊要求，如满足矿物油所不能满足的有些特殊要求，如 高温、低温、原子能、宇航等极端环境；高温、低温、原子能、宇航等极端环境； 一般机械设备中较少用到一般机械设备中较少用到 一、一、液

20、体润滑剂（润滑油）的性质液体润滑剂（润滑油）的性质 1 1 润滑油的粘度润滑油的粘度 润滑油的润滑油的粘度粘度反映了润滑油反映了润滑油 在外力作用下抵抗剪切变形的能在外力作用下抵抗剪切变形的能 力，是力，是内摩擦力大小内摩擦力大小的标志。的标志。 Fh h 式中 流体剪切面积 流体剪切应力 剪切应力剪切应力与流体沿与流体沿y y方向速度的梯度成正比，即方向速度的梯度成正比，即 /ddy 定义为流体的动力粘度。上式称为牛顿流体粘性定律定义为流体的动力粘度。上式称为牛顿流体粘性定律 凡符合此定律的流体称为牛顿流体凡符合此定律的流体称为牛顿流体, ,否则称为非牛顿流体。否则称为非牛顿流体。 粘性流体

21、模型粘性流体模型 1 1）动力粘度）动力粘度（润滑计算、理论研究多用）（润滑计算、理论研究多用） 定义定义：图示：图示, ,长、宽、高各为长、宽、高各为1m1m的流体，如果使立方体顶面流的流体，如果使立方体顶面流 体层相对底面流体层产生体层相对底面流体层产生1m/s1m/s的运动速度，所需要的外力的运动速度，所需要的外力F F为为 1N1N时，则流体的粘度时，则流体的粘度为为1N1Ns/ms/m，叫做，叫做“帕秒帕秒”，常用，常用P Pa as s表表 示。用这种方法定义的粘度为示。用这种方法定义的粘度为动力粘度动力粘度。 2 2 粘度的表示方法：粘度的表示方法： 2 2）运动粘度）运动粘度（

22、销售和应用常用）（销售和应用常用） 定义：流体动力粘度与同温度下的密度定义：流体动力粘度与同温度下的密度的比值的比值, ,称为称为运动粘运动粘 度度 单位是单位是 cmcm/s,/s,叫做叫做“斯斯”, ,常用常用StSt表示。百分之一为表示。百分之一为“厘斯厘斯” ” cStcSt。 换算：换算：1m1m2 2/s=10/s=104 4St=10St=106 6cStcSt 3 3）相对粘度）相对粘度( (恩氏粘度）恩氏粘度）（生产中多用）（生产中多用） 恩氏粘度恩氏粘度是相对粘度的一种是相对粘度的一种, ,它是用它是用200ml200ml的粘性流体的粘性流体, ,在给定在给定 的温度的温度

23、t t下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间, ,与同体积与同体积 的蒸馏水在的蒸馏水在2020时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量流时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量流 体的粘性。体的粘性。恩氏粘度用恩氏粘度用 表示表示。（时间比值）。（时间比值） o t E 1 1）粘温特性）粘温特性 3 3 润滑油的粘温特性和粘压特性润滑油的粘温特性和粘压特性 润滑油的粘度随温度的润滑油的粘度随温度的 变化存在指数关系变化存在指数关系: : 00 / m t tt 2 2）润滑油的粘压特性）润滑油的粘压特性 粘度和压力的关系近似表粘度和压力的关系近似表 示为示

24、为: : 0 ap e 润滑油的其它特性润滑油的其它特性 3 3、油性、油性反反映在摩擦表面的吸附性能；映在摩擦表面的吸附性能； 4 4、闪点、闪点瞬瞬时燃烧和碳化；时燃烧和碳化； 燃点燃点长长时间连续燃烧的温度；时间连续燃烧的温度； （ 5 5、凝点、凝点冷冷却，由液体转变为固体的临界温度；却，由液体转变为固体的临界温度； 6 6、极压性、极压性活性分子与摩擦表面形成耐压、耐磨、活性分子与摩擦表面形成耐压、耐磨、 减磨的化学膜；减磨的化学膜； 在重压下油膜破裂的最大接触载荷；在重压下油膜破裂的最大接触载荷； 7 7、酸值、酸值限制限制润滑剂变质后对表面的腐蚀润滑剂变质后对表面的腐蚀. . （

25、） 常常 用用 润润 滑滑 油油 牌牌 号号 和和 应应 用用 二、润滑脂及其主要性能二、润滑脂及其主要性能 在润滑油中加入适量的稠化剂，加热后混合均匀，冷却在润滑油中加入适量的稠化剂，加热后混合均匀，冷却 成为润滑脂。润滑脂的性能指标主要有针入度、滴点、析油成为润滑脂。润滑脂的性能指标主要有针入度、滴点、析油 量、机械杂质、灰分、水分等。量、机械杂质、灰分、水分等。 1 1）锥入度）锥入度表示表示。低速重载。低速重载 场合宜选用锥入度小的润滑脂。场合宜选用锥入度小的润滑脂。 2 2）滴点表示润滑脂的耐热性能，是一个温度的概念。）滴点表示润滑脂的耐热性能，是一个温度的概念。 滴点高耐热性好，润

26、滑脂的工作温度应比滴点低滴点高耐热性好，润滑脂的工作温度应比滴点低2020o oC C。 标准锥体，标准锥体，150g150g，2525度，度，5s5s h h 常用润滑脂的牌号、性能和应用常用润滑脂的牌号、性能和应用 A)A)钙基脂：抗水，不耐高温；钙基脂：抗水，不耐高温； B)B)钠基脂：高温，但不抗水；钠基脂：高温，但不抗水； C)C)锂基脂：耐高温又抗水，多用途；锂基脂：耐高温又抗水，多用途； D)D)铝基脂：高度耐水性，航运机械铝基脂：高度耐水性，航运机械 E)E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加其它特种润滑脂（特种合成油、添加 剂、稠化剂等）剂、稠化剂等） 三、固体润滑剂三、固体润滑剂 在恶劣条件或有特殊要求的场合（真空、辐射、重载等恶劣在恶劣条件或有特殊要求的场合（真空、辐射、重载等恶劣 环境），润滑油和润滑脂不能应用，可以选择固体润滑剂。它们环境），润滑油和润滑脂不能应用，可以选择固体润滑剂。它们 多数是粉末状，有些是薄膜状。多数是粉末状，有些是薄膜状。 常用的常用的有：有：石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯、石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯、碳纳米管碳纳米管等。等。 特点是：剪切强度低，摩擦系数较小。特点是：剪切强度低，摩擦系数较小。 应用中，可以直接涂刷在摩擦部位，或填加到固体摩擦副材应用