第11章 摩擦学设计-1

1、 是近是近 40 年来发展起来的年来发展起来的 。有关有关摩擦摩擦、磨损磨损与与润滑科学润滑科学的总称，的总称，相互接触的摩相互接触的摩 擦表面之间的擦表面之间的摩擦摩擦和和磨损磨损的有关科学和技术的的有关科学和技术的。 由于在由于在机械产品机械产品及其及其零部零部件的设计中，需要应用和处理大量的件的设计中，需要应用和处理大量的 ，因而也就诞生了，因而也就诞生了摩擦学设计摩擦学设计。 主要介绍了主要介绍了： 摩擦学的概念及摩擦学设计内容摩擦学的概念及摩擦学设计内容 金属表面的金属表面的摩擦和磨损摩擦和磨损 摩擦学设计中的减摩和耐磨材料的选择摩擦学设计中的减摩和耐磨材料的选择 润滑和润滑系统设计

2、润滑和润滑系统设计 摩擦学系统的监测与诊断技术摩擦学系统的监测与诊断技术 是近是近40 年来发展起来的年来发展起来的一门新的边缘学科一门新的边缘学科。 有关有关摩擦摩擦、磨损磨损与与润滑科学润滑科学的总称，的总称，是研究是研究相互接触的摩擦表相互接触的摩擦表 面之间的面之间的摩擦摩擦和和磨损磨损的有关科学和技术的一门学科。的有关科学和技术的一门学科。 是现象，是现象，是是的结果，的结果，是是降低摩擦降低摩擦、减少磨损减少磨损的重的重 要措施。因此，要措施。因此，摩擦摩擦、磨损与润滑磨损与润滑三者有着三者有着十分密切的关系十分密切的关系。 任何任何机器的运转机器的运转都依赖都依赖的的来实现。而零

3、件的来实现。而零件的 必然会产生必然会产生和和。 为了为了减少摩擦减少摩擦或或降低磨损降低磨损，最有效的手段是，最有效的手段是。因此，解。因此，解 决决、和和就成为机械及大多数技术部门就成为机械及大多数技术部门最普遍和最重最普遍和最重 要的问题要的问题之一。之一。 11.1 摩擦学设计概述摩擦学设计概述 问世于问世于1966年，它是世界上近几十年中发展最快的学科之年，它是世界上近几十年中发展最快的学科之 一，这主要是由于一，这主要是由于摩擦学的研究摩擦学的研究对于国民经济具有十分重要的意义。对于国民经济具有十分重要的意义。 由于全世界约有由于全世界约有 1/2 1/3 的能源的能源以各种形式消

4、耗在以各种形式消耗在摩擦摩擦上，而上，而摩摩 擦擦导致导致磨损磨损是是机械设备失效机械设备失效的主要原因，大约有的主要原因，大约有80的损坏零件的损坏零件是由是由 于于各种形式的磨损各种形式的磨损引起的。引起的。 由于由于对于工农业生产和人民生活的巨大影响，因而自这门对于工农业生产和人民生活的巨大影响，因而自这门 学科与学科与1966年一经提出，就迅速引起年一经提出，就迅速引起世界各国的普遍重视世界各国的普遍重视，成为近，成为近40 多年来迅速发展的技术学科，并日益得到广泛的应用。多年来迅速发展的技术学科，并日益得到广泛的应用。 是以是以摩擦摩擦、磨损及润滑理论磨损及润滑理论为基础，从为基础，

5、从系统工程观点系统工程观点 出发，通过一系列出发，通过一系列计算计算与与经验类比分析经验类比分析，来预测并排除可能，来预测并排除可能发生的故发生的故 障障，使机械设备在，使机械设备在使用过程中使用过程中达到达到尽可能小的摩擦尽可能小的摩擦、损耗损耗和和经济的稳经济的稳 定磨损率定磨损率。 是是机械设备零件设计机械设备零件设计经历了经历了运动设计运动设计与与强度设计强度设计以后以后 的的第三阶段设计第三阶段设计，它涉及它涉及到到流体力学流体力学、固体力学固体力学、流变学流变学、数学数学、材材 料科学料科学、物理物理和和化学化学等内容。等内容。 的的主要主要： 摩擦副的摩擦副的类型选择类型选择、结

6、构设计结构设计和和材料选择材料选择等；等； 润滑剂和润滑方法的选择润滑剂和润滑方法的选择、润滑系统的设计润滑系统的设计等；等； 。 为了获得为了获得当前当前运动状态的信息运动状态的信息，并，并机械故障诊断机械故障诊断，包包 括括温度、振动传感器、油液监测器的设计或选用；信号传输的处理、温度、振动传感器、油液监测器的设计或选用；信号传输的处理、 分析等。分析等。 11.2.1 金属表面特性金属表面特性 机械设备机械设备的的大多都是采用大多都是采用金属制作金属制作的。而的。而摩擦学研究的摩擦学研究的 对象对象是作是作相对运动相对运动、相互作用的表面相互作用的表面，所以了解，所以了解金属表面的特性金

7、属表面的特性是解是解 决决的基础知识之一。的基础知识之一。 金属表面的特性金属表面的特性，主要包括：，主要包括： 金属表面的形貌金属表面的形貌 表面的结构组成表面的结构组成 表面的接触表面的接触 11.2 金属表面的金属表面的摩擦和磨损摩擦和磨损 图图11-1 表面形貌及其特性表面形貌及其特性 图图11-2 金属零件表层的一般结构金属零件表层的一般结构 图图11-3 表面接触面积表面接触面积 An=ab，即接触表，即接触表 面的面的宏观面积宏观面积，由接触物，由接触物 体的外部尺寸决定。体的外部尺寸决定。 即金属表面弹性变形即金属表面弹性变形 部分所形成的部分所形成的接触面积总接触面积总 和和

8、，AP的大小与表面所承的大小与表面所承 受的载荷有关，通常，受的载荷有关，通常， APAn(515)。 即即轮廓接触面积轮廓接触面积AP内内各真实接触部分的微小面积的各真实接触部分的微小面积的总和总和。 如如图图11-3所示。所示。可分为如下可分为如下 3 种：种： 1. 摩擦的定义摩擦的定义 两个相互接触的两个相互接触的物体物体在在外力外力作用下作作用下作相对运动相对运动时其时其接触表面接触表面之间之间 的的切向阻抗现象切向阻抗现象，叫做，叫做。其阻力叫做。其阻力叫做。 这种这种摩擦摩擦与与两个物体接触部分的表面相互作用两个物体接触部分的表面相互作用有关，而与有关，而与物体内物体内 部状态部

9、状态无关，所以又称为无关，所以又称为外摩擦外摩擦。液体或者气体中各部分之间。液体或者气体中各部分之间相对移相对移 动动而发生的而发生的摩擦摩擦，称为，称为内摩擦内摩擦。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或。而边界润滑状态下的摩擦是吸附膜或 其它表面膜之间的摩擦，也属于其它表面膜之间的摩擦，也属于外摩擦外摩擦。 两个物体之间的两个物体之间的摩擦力摩擦力与其与其法向压力法向压力之比值，称为之比值，称为摩擦系数摩擦系数。 两上物体表面相互接触或相对运动时，就会两上物体表面相互接触或相对运动时，就会。因此，。因此， 是自然界普遍存在的一种现象。是自然界普遍存在的一种现象。 人类对人类对就是就是“摩擦起火摩

10、擦起火”。近代工业的。近代工业的摩擦轮传摩擦轮传 动动、各种车辆和飞机的、各种车辆和飞机的制动器制动器、摩擦切削摩擦切削等都是等都是为人类服务为人类服务 的例子。但在大多数情况下，的例子。但在大多数情况下，它它造成造成能量的损耗能量的损耗和和机机 件材料的磨损件材料的磨损。据统计，世界上能源有。据统计，世界上能源有1/21/3以各种形式以各种形式消耗于摩擦消耗于摩擦。 11.2.2 摩擦摩擦 和和的的是：一物体或一部分物质将自身的是：一物体或一部分物质将自身的 运动传递给与它相接触的另一物体或另一部分物质，并试图使运动传递给与它相接触的另一物体或另一部分物质，并试图使两者两者 的运动速度的运动

11、速度趋于一致，因而在趋于一致，因而在摩擦过程中摩擦过程中发生发生。 与与的的不同特征不同特征在于内部运动状况。在于内部运动状况。 流体相邻质点的运动速度是连续变化的，具有一定的流体相邻质点的运动速度是连续变化的，具有一定的 速度梯度速度梯度；是在滑动面上发生速度突变。是在滑动面上发生速度突变。 此外，此外，内摩擦力内摩擦力与相对滑动速度成正比，当滑动速度为零时与相对滑动速度成正比，当滑动速度为零时内内 摩擦力摩擦力也就消失；也就消失；而而外摩擦力外摩擦力与滑动速度的关系随工况条件变化，与滑动速度的关系随工况条件变化， 当滑动速度消失后仍有当滑动速度消失后仍有静摩擦力静摩擦力存在。存在。 以上对

12、以上对摩擦的定义摩擦的定义，确切地指出了，确切地指出了摩擦的实质摩擦的实质。显然，两接触。显然，两接触 表面有相对运动或相对运动的趋势，必然就有表面有相对运动或相对运动的趋势，必然就有，可可 以用以用摩擦力摩擦力或或摩擦系数摩擦系数反映，而反映，而始终与相对运动的方向相反。始终与相对运动的方向相反。 2. 摩擦的分类摩擦的分类 可以按以下可以按以下来分类。来分类。 1)按摩擦副的运动状态分类按摩擦副的运动状态分类 按按摩擦副的运动状态摩擦副的运动状态分类，分类，可分为：可分为：静摩擦静摩擦和和动摩擦动摩擦。 两个物体作宏观位移前的微观位移时其接触表面之间两个物体作宏观位移前的微观位移时其接触表

13、面之间 的的外摩擦外摩擦。其摩擦力称。其摩擦力称静摩擦力静摩擦力。 随作用于物体上的外力变化而变化。当外力大到克服了随作用于物体上的外力变化而变化。当外力大到克服了 最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。最大静摩擦力是物体产生宏最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。最大静摩擦力是物体产生宏 观位移前的摩擦力极限。观位移前的摩擦力极限。 两个物体作相对运动时接触表面之间的外摩擦。其阻两个物体作相对运动时接触表面之间的外摩擦。其阻 碍物体运动的切向力叫碍物体运动的切向力叫动摩擦力动摩擦力。 动摩擦力通常小于静摩擦力。动摩擦力通常小于静摩擦力。 2)按摩擦副的运动形式分类按摩擦副的运动形式分类 按按摩擦

14、副的运动形式摩擦副的运动形式分类，分类，可分为：可分为：滑动摩擦滑动摩擦、滚动摩擦滚动摩擦和和 滑滑- -滚摩擦滚摩擦。 (1)：指两个接触物体之间的指两个接触物体之间的动摩擦动摩擦，其接触表面上切向，其接触表面上切向 速度的大小和（或）方向不同。也就是两表面速度的大小和（或）方向不同。也就是两表面发生相对滑动运动时发生相对滑动运动时的的 动摩擦。动摩擦。 在力矩作用下，物体沿接触表面在力矩作用下，物体沿接触表面滚动时的摩擦滚动时的摩擦。也。也 就是两表面发生纯滚动运动时的就是两表面发生纯滚动运动时的动摩擦动摩擦。滚动摩擦时，其接触表面上。滚动摩擦时，其接触表面上 至少有一点切向速度的大小和方

15、向均相同。至少有一点切向速度的大小和方向均相同。 指两个接触物体之间的动摩擦，其接触表面上指两个接触物体之间的动摩擦，其接触表面上同同 时发生滚动和滑动运动时时发生滚动和滑动运动时的摩擦。的摩擦。 3)按摩擦副表面的润滑状态分类按摩擦副表面的润滑状态分类 按按摩擦副表面的润滑状态摩擦副表面的润滑状态分类，分类，可分为：干摩擦、液体摩可分为：干摩擦、液体摩 擦、边界摩擦和混合摩擦等。擦、边界摩擦和混合摩擦等。 在大气条件下，摩擦表面间名义上在大气条件下，摩擦表面间名义上没没 有润滑剂有润滑剂存在时的摩擦。存在时的摩擦。 指相对运动的两物体表面完全被指相对运动的两物体表面完全被一层流体一层流体所隔

16、开的所隔开的 摩擦。这时的摩擦。这时的摩擦取决于流体的粘度摩擦取决于流体的粘度。流体可是液体或气体。当为液。流体可是液体或气体。当为液 体时称体时称液体摩擦液体摩擦；为气体时称；为气体时称气体摩擦气体摩擦。 流体摩擦流体摩擦时，摩擦是发生在流体内部。时，摩擦是发生在流体内部。 是指摩擦表面间有是指摩擦表面间有一层极薄的吸附润滑膜存在时一层极薄的吸附润滑膜存在时的的 摩擦，这层膜叫摩擦，这层膜叫边界润滑膜边界润滑膜，其厚度大约为，其厚度大约为0.01m或更薄。这时摩擦或更薄。这时摩擦 取决于润滑膜的特性如表面特性。取决于润滑膜的特性如表面特性。 是指介于是指介于上述三种摩擦之间上述三种摩擦之间的

17、摩擦。这种类型的摩的摩擦。这种类型的摩 擦是属于过渡状态的擦是属于过渡状态的摩擦摩擦，如半干摩擦和半流体摩擦。，如半干摩擦和半流体摩擦。 半干摩擦半干摩擦是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。是指同时有边界摩擦和干摩擦的情况。 半流体摩擦半流体摩擦是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。是指同时有流体摩擦和边界摩擦的情况。 3. 摩擦理论摩擦理论 是两个接触表面相互作用引起的是两个接触表面相互作用引起的滑动阻力滑动阻力和和能量损耗能量损耗。摩擦摩擦 现象现象涉及的因素很多，因而提出了涉及的因素很多，因而提出了各种不同的摩擦理论各种不同的摩擦理论，现简述如下。，现简述如下。 十八世纪以前的十八世纪以前的

18、摩擦理论摩擦理论认为，认为，摩擦摩擦起源于起源于表面粗糙度表面粗糙度，滑动摩，滑动摩 擦中能量损耗于微凸峰的相互啮合、嵌入及弹塑变形，特别是硬微凸擦中能量损耗于微凸峰的相互啮合、嵌入及弹塑变形，特别是硬微凸 峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。峰嵌入软表面后在滑动中形成的犁沟效应。 这一理论认为这一理论认为，表面越粗糙，表面越粗糙摩擦系数越摩擦系数越大，反之随着表面粗糙度大，反之随着表面粗糙度 的降低，的降低，摩擦系数降低摩擦系数降低。 实践表明，实践表明，摩擦机械理论摩擦机械理论只适用于只适用于普通粗糙表面普通粗糙表面，而当，而当表面粗糙表面粗糙 度降到表面分子吸引力有效作用度降到表面分子

19、吸引力有效作用时，如时，如时，这时时，这时摩擦系摩擦系 数数反而剧增，这说明反而剧增，这说明机械理论机械理论就不适用了。就不适用了。 / r r FAW fA W 这种理论认为这种理论认为，摩擦摩擦是起因于是起因于两摩擦表面两摩擦表面上上分子间的作用力分子间的作用力，是，是 由于分子的活动性和分子力作用可使由于分子的活动性和分子力作用可使固体粘附固体粘附在一起而产生在一起而产生阻抗现象阻抗现象。 根据根据似得出这样的结论，即表面越粗糙实际接触面似得出这样的结论，即表面越粗糙实际接触面 积越小，因而积越小，因而摩擦系数应越小摩擦系数应越小。因而，。因而，摩擦分子理论摩擦分子理论能解释一些能解释一

20、些摩擦摩擦 机械理论机械理论不能解释的现象，但是对实际粗糙表面，又与实际不符。不能解释的现象，但是对实际粗糙表面，又与实际不符。 这种理论认为这种理论认为，摩擦过程中有表面微凸峰间的，摩擦过程中有表面微凸峰间的机械啮合力机械啮合力和和摩擦摩擦 表面分子相互吸引力表面分子相互吸引力这两个方面的这两个方面的阻力阻力。因此，可用。因此，可用二项式摩擦定理二项式摩擦定理 来说明来说明这种理论这种理论，即，即 （11-1） 摩擦力摩擦力： 摩擦系数摩擦系数： （11-2） 式中，式中， 由摩擦表面分子特性决定的系数；由摩擦表面分子特性决定的系数； 由摩擦表面机械特性决定的系数；由摩擦表面机械特性决定的系

21、数； Ar 实际接触面积； 实际接触面积； W 外载荷。外载荷。 分子机械理论分子机械理论较较更为完善一些，主要是因为更为完善一些，主要是因为 它既考虑了它既考虑了微凸峰间分子的吸引力微凸峰间分子的吸引力，并又明确指出，界面间微凸峰，并又明确指出，界面间微凸峰 的机械啮合力是的机械啮合力是产生摩擦产生摩擦的主要原因。的主要原因。该理论该理论更为符合实际情况。更为符合实际情况。 ebre SpAPTF 式中，式中，T 剪切力，剪切力，TAr ；Pe 犁沟力，犁沟力，Pe = S pe； 其中，其中，Ar 为粘着面积即实际接触面积；为粘着面积即实际接触面积；b 粘着点的剪切粘着点的剪切 强度；强度

22、；S 犁沟面积；犁沟面积；pe 单位面积的犁沟力。单位面积的犁沟力。 粘着理论粘着理论和和分子机械理论分子机械理论相比较，相比较，二者二者都考虑了都考虑了表面微凸峰表面微凸峰间的间的 啮合力啮合力，但，但这种这种啮合力啮合力是由是由微凸峰微凸峰受载后的受载后的塑性变形塑性变形 所产生，同时，还考虑了所产生，同时，还考虑了微凸峰微凸峰在接触以后产生在接触以后产生粘结粘结，如果被外力所，如果被外力所 剪切而分离时，还必须克服剪切而分离时，还必须克服微凸峰间相互位移微凸峰间相互位移所需的所需的切向力切向力。 由于由于粘着结点粘着结点具有很强的具有很强的粘着力粘着力，当两表面作相对滑动时，当两表面作相

23、对滑动时，粘着粘着 点点被切断，当一表面比另一表面硬时，则硬的微凸体顶峰还将较软的被切断，当一表面比另一表面硬时，则硬的微凸体顶峰还将较软的 表面上拉划出表面上拉划出犁沟犁沟，这时，这时，摩擦力摩擦力是是粘着效应粘着效应和和犁沟效应犁沟效应产生阻力的产生阻力的 总和总和，即，即剪切这些粘着点的力剪切这些粘着点的力和和拉划出犁沟的力之和拉划出犁沟的力之和就是就是。 按上述按上述 为为 （11-3） S b b WAF s b W F f 式中，式中，b 为较软材料的剪切强度极限； 为较软材料的剪切强度极限； s 为较软材料的抗压屈服极限； 为较软材料的抗压屈服极限； W为外载荷。为外载荷。 对于

24、对于金属摩擦副金属摩擦副，通常，通常Pe 的数值的数值远小于远小于 T 值。值。认为认为粘着粘着 效应效应是是产生摩擦力产生摩擦力的主要原因。如果的主要原因。如果忽略忽略犁沟效应犁沟效应，式式(11-3)变为变为 摩擦力摩擦力： （11-4） 摩擦系数摩擦系数：（11-5） 4. 影响摩擦的因素影响摩擦的因素 在于弄清摩擦的机理，以便在于弄清摩擦的机理，以便控制摩擦过程控制摩擦过程和和 降低摩擦损耗。降低摩擦损耗。是多方面的，目较普遍的认识认为有是多方面的，目较普遍的认识认为有 以下以下几个主要方面几个主要方面： (1)金属材料的性质（材料互溶性，材料的金相分子结构等）；金属材料的性质（材料互

25、溶性，材料的金相分子结构等）； (2)法向载荷；法向载荷； (3)表面的滑动速度；表面的滑动速度； (4)环境及表面间的温度；环境及表面间的温度； (5)表面的粗糙度；表面的粗糙度； (6)表面膜等。表面膜等。 因此，在研究分析因此，在研究分析具体摩擦现象具体摩擦现象及及问题问题时，应给于全面考虑。时，应给于全面考虑。 部分常用材料的部分常用材料的滑动摩擦系数滑动摩擦系数见见表表11-1。 表表11-1 部分常用材料的滑动摩擦系数部分常用材料的滑动摩擦系数 1. 磨损的定义及其表示方法磨损的定义及其表示方法 相互接触物体的表面相对运动过程中，相互接触物体的表面相对运动过程中，表层物质发生不断损

26、失的表层物质发生不断损失的 现象现象称为称为，表现为，表现为物体尺寸物体尺寸和和(或或)形状的变化形状的变化。 为了说明为了说明材料磨损程度材料磨损程度和和耐磨性能耐磨性能，需要用，需要用表征表征磨损现磨损现 象象。通常采用下述。通常采用下述。 指以尺寸、体积或重量的减少量来表示的磨损过程指以尺寸、体积或重量的减少量来表示的磨损过程 结果的量。通常可用结果的量。通常可用线磨损量线磨损量、体积磨损量体积磨损量、重量磨损量重量磨损量来表示。来表示。磨磨 损量损量是评定材料耐磨性能，控制产品质量和研究摩擦磨损机理的重要是评定材料耐磨性能，控制产品质量和研究摩擦磨损机理的重要 指标之一。指标之一。 是

27、指磨损量对产生磨损的行程或时间之比值。它可是指磨损量对产生磨损的行程或时间之比值。它可 用用三种方式三种方式表示，即表示，即(1)单位滑动距离的材料磨损量单位滑动距离的材料磨损量；(2)单位时间的单位时间的 材料磨损量材料磨损量；(3)每转或每一往复行程的材料磨损量每转或每一往复行程的材料磨损量。 指磨损量与发生磨损所经过的规定距离或所作的指磨损量与发生磨损所经过的规定距离或所作的 功之比值。功之比值。 用以表示材料抵抗磨损的性能。它以规定的摩擦用以表示材料抵抗磨损的性能。它以规定的摩擦 条件下的条件下的来表示。来表示。 很多，为了对很多，为了对能够深入地理解和研究，能够深入地理解和研究，现现

28、 代机械工程代机械工程常按常按摩擦表面破坏的机理摩擦表面破坏的机理和和特性特性对对磨损进行分类磨损进行分类。 为此，一般可将为此，一般可将分为分为如下五类如下五类： 粘着磨损粘着磨损 磨料磨损磨料磨损 表面疲劳磨损表面疲劳磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 这五类磨损的机理这五类磨损的机理及及特点特点见见表表11-2。 表表11-2 五种基本磨损类型五种基本磨损类型 下面介绍几种较为重要的下面介绍几种较为重要的。 很多很多是在是在静态条件静态条件下作出的，如下作出的，如静负荷静负荷、不变速不变速 度度、或是、或是用热负荷用热负荷（Thermalload）即）即计算温度的方法计算温度的方法

29、来解决。来解决。 现已提出的现已提出的如下。如下。 其中，其中， pH 为 为Hertz最大压力；最大压力；US 为物体表面的相对滑动速度。为物体表面的相对滑动速度。 该准则该准则虽很简单，但是包括了虽很简单，但是包括了：载荷载荷和和速度速度。 在在不同的载荷不同的载荷和和速度速度下，下，实验数据值的离散程度实验数据值的离散程度虽不超过虽不超过50%， 但误差是很大的。尽管如此，仍可作为设计时的参考。但误差是很大的。尽管如此，仍可作为设计时的参考。 S fWUconst 也可写成也可写成 (11-6) 式中，式中，f 为摩擦系数；为摩擦系数；W 为载荷。为载荷。 fWUS的物理意义的物理意义是

30、因摩擦而消耗的能量，也可看成是因摩擦而是因摩擦而消耗的能量，也可看成是因摩擦而 产生的热。但是，在产生胶合时的产生的热。但是，在产生胶合时的摩擦系数摩擦系数 f 值很难确定，因此，值很难确定，因此，采采 用此式用此式较为困难较为困难。 是从是从 发展而来的。发展而来的。 几十年来，有许多研究者开展了对几十年来，有许多研究者开展了对指数指数 x 值值的确定研究。求得的确定研究。求得 x 值的方法值的方法：理论分析法理论分析法、经验数据的总结经验数据的总结以及以及试验结果的总试验结果的总 结结。对于某一种具体条件下，只有通过。对于某一种具体条件下，只有通过试验的方法试验的方法求得求得 x 数值后，

31、数值后， 这个准则这个准则才有实际应用的价值。才有实际应用的价值。 粘着磨损的计算粘着磨损的计算是基于是基于如下假设如下假设：表面的粘结点表面的粘结点是相同的圆形，其是相同的圆形，其 半径为半径为r，每一个粘结点的面积每一个粘结点的面积为为r2 ，并且，并且支持着的载荷支持着的载荷为为pyr2 ， py为为 材料的屈服压强；通过每一个粘结点的滑动距离为材料的屈服压强；通过每一个粘结点的滑动距离为2r（见（见图图11-4），假），假 定磨粒呈半球状，定磨粒呈半球状，每一个磨粒的体积每一个磨粒的体积 2r3/3。 图图11-4粘着磨损的计算模型粘着磨损的计算模型 2 3 a r Vn 2 ya W

32、prn 单位滑动长度时的单位滑动长度时的磨损体积磨损体积 V 为为 式中，式中，na 为全部接触斑点的数目。 为全部接触斑点的数目。 设每一个点所支持的载荷为设每一个点所支持的载荷为pyr2 ，可得，可得总载荷总载荷 W 为为 3 y W V p 3 y W Vk p 故得故得 上式上式是在假定所有粘结点都磨去一个磨粒的条件下求得的。如果是在假定所有粘结点都磨去一个磨粒的条件下求得的。如果 只有全部接触点的只有全部接触点的 k 部分产生磨削，部分产生磨削，上式上式可写为可写为 式中，式中，k是一个凸峰接触时是一个凸峰接触时可能产生磨削的概率可能产生磨削的概率。 由由上式上式可以得到可以得到：材

33、料的磨损体积材料的磨损体积与与滑动距滑动距 离离成正比，与成正比，与载荷载荷成正比，与成正比，与较软材料的屈服压强较软材料的屈服压强成反比。成反比。 (11-12) 2 2 y n r p W 2 cotVnr 2cot y W V p 因单位距离的因单位距离的磨损体积磨损体积 。故得。故得 图图11-5圆锥凸峰嵌入式的圆锥凸峰嵌入式的 磨料磨损计算模型磨料磨损计算模型 假如采用假如采用硬的圆锥凸峰硬的圆锥凸峰在较软的表面上划过的在较软的表面上划过的磨损模型磨损模型来进行来进行磨磨 料磨损的计算料磨损的计算，若视，若视圆锥凸峰圆锥凸峰的大小相同，并具有相同的的大小相同，并具有相同的半角半角 （

34、见（见 图图11-5），当圆锥凸峰划过一个单位距离时，），当圆锥凸峰划过一个单位距离时，凸峰凸峰使软物体移去的体使软物体移去的体 积为积为 r。但因但因r cot ，则可得移动单位距离时一个凸峰所划去的体则可得移动单位距离时一个凸峰所划去的体 积为积为 r2cot 。假定较软材料的屈服压强为。假定较软材料的屈服压强为 py ，则则每一个圆锥凸峰每一个圆锥凸峰所承所承 担的载荷为担的载荷为 (r2/2)py 。如果有。如果有 n 个凸峰接触个凸峰接触，则，则为为 (11-14) a B k W V H 适用于适用于二体磨料磨损二体磨料磨损。对于。对于三体磨料磨损三体磨料磨损，式式(11-15)

35、仍可近似地采用，只是仍可近似地采用，只是 ka 值要低一些，因在值要低一些，因在三体磨料磨损三体磨料磨损情况下，情况下， 很多很多磨料磨料是在是在滚动滚动而不是而不是滑动滑动。 上式上式是以是以圆锥凸峰模型圆锥凸峰模型为基础而推得的，没有考虑为基础而推得的，没有考虑凸峰的高度凸峰的高度 分布不同的状态分布不同的状态。材料在滑动方向的前方。材料在滑动方向的前方产生堆积产生堆积，会改变接触面，会改变接触面 积；材料的弹性模量积；材料的弹性模量E 对对也有影响。也有影响。 因此，可用因此，可用下式算计下式算计 式中，式中，HB 为较软材料的硬度； 为较软材料的硬度；ka 为磨料磨损常数。对不 为磨料

36、磨损常数。对不 同的磨料，同的磨料，ka 值不同。值不同。 (11-15) 组成组成摩擦副的机械零部件摩擦副的机械零部件在正常的运行条件下，其在正常的运行条件下，其典型磨损过典型磨损过 程程一般分为一般分为三个阶段三个阶段，如，如图图11-6所示。所示。 图图11-6 典型磨损过程典型磨损过程 如如图图11-6中的中的 OA线段线段所示。所示。 由于新的由于新的摩擦副表面摩擦副表面具有一定的具有一定的表面粗糙度表面粗糙度，在，在载荷载荷作用下，开作用下，开 始时实际接触面积较少，单位接触面积实际承受的载荷较大。因此，始时实际接触面积较少，单位接触面积实际承受的载荷较大。因此， 在运行初期，磨损

37、率较快。在运行初期，磨损率较快。 随着随着跑合过程跑合过程的进行，的进行，摩擦表面粗糙峰摩擦表面粗糙峰逐渐磨平，其逐渐磨平，其表面表面变得光变得光 滑，实际接触面积逐渐增大，磨损减缓。滑，实际接触面积逐渐增大，磨损减缓。 经过经过磨合磨合，摩擦表面摩擦表面发生发生加工硬化加工硬化，微观几何形状改变，建立了，微观几何形状改变，建立了 弹性接触的条件弹性接触的条件，这时，这时磨损磨损稳定下来，稳定下来，磨损量磨损量与与时间时间成正比增长，成正比增长，磨磨 损率损率基本不变，如基本不变，如图图11-6中的中的 AB线段线段。 经过较长时间的经过较长时间的稳定磨损稳定磨损后，后，摩擦条件摩擦条件发生较

38、大变化，如摩擦表发生较大变化，如摩擦表 面间的间隙增大，表面温度过高，以及金属组织的变化等致使磨损率面间的间隙增大，表面温度过高，以及金属组织的变化等致使磨损率 急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，产生异常的噪声和振动。急剧增加。这时机械效率下降，精度降低，产生异常的噪声和振动。 最后导致零件的失效。如最后导致零件的失效。如图图11-6中的中的 。 从从磨损过程的变化磨损过程的变化来看，为了提高来看，为了提高机器零件的使用寿命机器零件的使用寿命，则应尽，则应尽 量延长量延长 磨损阶段磨损阶段。 图图11-7(a)是在是在载荷一定载荷一定而而改变滑动速度改变滑动速度时，时，钢对钢表面钢对钢表面

39、的磨损量的磨损量 的变化和磨损形式的转化。的变化和磨损形式的转化。 当当表面滑动速度很低表面滑动速度很低时，时，摩擦摩擦是在是在表面氧化膜表面氧化膜之间进行，所以产之间进行，所以产 生的生的磨损磨损为为氧化磨损氧化磨损，磨损量小磨损量小。 图图11-7列示了列示了机械零部件磨损形式机械零部件磨损形式随随工况条件的变化工况条件的变化而转化的情而转化的情 况。况。 图图11-7 磨损形式的转化磨损形式的转化 随着随着，磨粒增大，磨粒增大，表面表面出现金属光泽且变得粗糙，出现金属光泽且变得粗糙， 此时已转化为此时已转化为粘着磨损粘着磨损，磨损量磨损量也是增大。也是增大。 当当，由于温度升高，由于温度

40、升高，表面表面重新生成重新生成氧化膜氧化膜，又转，又转 化化氧化磨损氧化磨损，磨损量又变小。，磨损量又变小。 若若，再次转化为，再次转化为粘着磨损粘着磨损，因，因磨损剧烈磨损剧烈而会导而会导 致致零件失效零件失效。 图图11-7(b)所示是当所示是当滑动速度保持一定滑动速度保持一定而而所得的实验结果。所得的实验结果。 产生氧产生氧化磨损化磨损，磨粒主要是，磨粒主要是Fe2O3； 当当 后，磨粒是 后，磨粒是 FeO、Fe2O3和和 Fe3O4混合物；混合物； 当当以后，便转入危害性的以后，便转入危害性的粘着磨损粘着磨损。 各类机器中各类机器中广泛使用着广泛使用着。 在在其材料选用其材料选用中，

41、不仅要求具有较好的中，不仅要求具有较好的外，还要求具有良外，还要求具有良 好的好的。 机器摩擦副机器摩擦副工作时，在工作时，在摩擦过程中摩擦过程中具有具有低摩擦系数的材料低摩擦系数的材料称为称为 。不同工况，使用着不同的。不同工况，使用着不同的减摩材料减摩材料。 11.3 摩擦学设计中的减摩和耐磨材料的选择摩擦学设计中的减摩和耐磨材料的选择 11.3.1 减摩材料的设计与选择减摩材料的设计与选择 对于对于机器摩擦副机器摩擦副中使用的中使用的减摩材料的主要要求减摩材料的主要要求有有如下几点如下几点： 即要求材料具有一定的即要求材料具有一定的抗压强度抗压强度、抗塑性变形能力抗塑性变形能力和和抗疲劳

42、性能抗疲劳性能。 即要有一定的即要有一定的塑性变形能力塑性变形能力和良好的和良好的适应性适应性、包括、包括顺应性顺应性、嵌入嵌入 性性和和磨合性磨合性。顺应性顺应性是指轴承材料依靠表面的弹塑性变形补偿对中误是指轴承材料依靠表面的弹塑性变形补偿对中误 差和顺应其它几何误差的能力。差和顺应其它几何误差的能力。嵌入性嵌入性是指轴承材料嵌藏污物和外来是指轴承材料嵌藏污物和外来 微粒以减轻刮伤或磨料磨损轴颈的能力。微粒以减轻刮伤或磨料磨损轴颈的能力。磨合性磨合性是指轴承材料经短期是指轴承材料经短期 轻载运转后能减小表面粗糙度而使轴瓦表面和轴颈表面相互吻合的性轻载运转后能减小表面粗糙度而使轴瓦表面和轴颈表

43、面相互吻合的性 质。质。 即应有高的即应有高的导热性导热性和和热容量热容量，热膨胀系数小热膨胀系数小，对，对油膜的吸附性强油膜的吸附性强， 抗腐蚀性好抗腐蚀性好，以利于，以利于摩擦热摩擦热的导出、的导出、油膜油膜的形成和保持。的形成和保持。 1. 对减摩材料的要求对减摩材料的要求 各类机器中，广泛使用着各类机器中，广泛使用着轴承轴承- -轴颈轴颈、凸轮凸轮- -挺杆挺杆、活塞汽缸活塞汽缸等等 摩擦副摩擦副。这些。这些摩擦副的材料摩擦副的材料均要求具有较好的均要求具有较好的减摩性减摩性和和耐磨性耐磨性。常用。常用 的的减摩材料减摩材料如下：如下： 2. 减摩材料的选用减摩材料的选用 是由是由锡锡

44、或或铅铅与与少量其它元素少量其它元素组成一种具有良好减摩性的组成一种具有良好减摩性的 轴瓦合金材料。现轴瓦合金材料。现用的用的 (1)锡基巴氏合金锡基巴氏合金 常用常用锡基巴氏合金牌号锡基巴氏合金牌号及及用途用途见教材见教材表表11-3。 (2)铅基巴氏合金。铅基巴氏合金。 铜基合金铜基合金包括包括铜锡合金铜锡合金及及铜铅合金铜铅合金两类。两类。 铜基合金中的铜，一般采用铜基合金中的铜，一般采用青铜青铜。 铝基轴承合金铝基轴承合金导热性好，它的导热性好，它的疲劳强疲劳强度约为度约为巴氏合金巴氏合金的的两倍两倍，使，使 用温度高，承载能力强，在用温度高，承载能力强，在大型船用发动机中大型船用发动

45、机中已用来代替已用来代替巴氏合金巴氏合金。 主要缺点主要缺点是线膨胀系数大，运转时容易与轴咬合。是线膨胀系数大，运转时容易与轴咬合。 此外，由于此外，由于轴承本身硬度轴承本身硬度较高，故要求与之相配的较高，故要求与之相配的轴的硬度轴的硬度相应相应 提高。提高。 锌基合金锌基合金是在锌中加入高量的铝是在锌中加入高量的铝(8%27%)，可制得高性能的，可制得高性能的 轴瓦。轴瓦。 锌基合金锌基合金的成本低，的成本低，耐磨性耐磨性在其允许承载条件下在其允许承载条件下优于青铜优于青铜。但由。但由 于受到工作温度于受到工作温度(约约140)的限制，它常用于低速，故还不能完全代的限制，它常用于低速，故还不

46、能完全代 替替青铜青铜。 自润滑复合材料自润滑复合材料是近年来发展起来的一种具有独特是近年来发展起来的一种具有独特减摩耐磨性能减摩耐磨性能 的的滑动轴承材料滑动轴承材料，广泛应用于航空、机械、汽车、电力、农业等部门。，广泛应用于航空、机械、汽车、电力、农业等部门。 根据根据材料成分组成材料成分组成的不同，的不同，自润滑复合材料自润滑复合材料可分为可分为金属基金属基、石墨石墨 基基和和高聚合物基高聚合物基三类。其中，三类。其中，石墨基石墨基和和高聚合物基高聚合物基两类现已广泛使用，两类现已广泛使用， 但结构强度、磨损寿命不如但结构强度、磨损寿命不如金属基类金属基类。 较有代表性的较有代表性的金属

47、基自润滑复合材料金属基自润滑复合材料是是DU自润滑材料自润滑材料和和DX预润滑预润滑 材料材料，它们均由英国，它们均由英国Glacier公司公司研制。研制。 以以聚合物聚合物为基的为基的自润滑复合材料自润滑复合材料是在是在聚合物聚合物中加入中加入添加剂添加剂，使材，使材 料具有良好的料具有良好的摩擦学特性摩擦学特性，即具有，即具有低的摩擦系数低的摩擦系数和和高的耐磨性高的耐磨性。实际。实际 使用的以使用的以聚合物为基聚合物为基的的自润滑复合材料自润滑复合材料，是以，是以固体润滑剂固体润滑剂作填充剂，作填充剂， 所有的所有的聚合物聚合物无论是热塑性的还是热固性的，均作为粘结剂使用。无论是热塑性的

48、还是热固性的，均作为粘结剂使用。 目前常用的目前常用的固体润滑剂固体润滑剂有石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铅等。有石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铅等。 又称又称制动摩擦材料制动摩擦材料或或刹车材料刹车材料。 是各种机器设备和机构的是各种机器设备和机构的制动器制动器、离合器离合器和和摩擦传动摩擦传动等等制动制动和和 传动装置传动装置中不可缺少的材料之一。随着现代机器和机构日益向高速、中不可缺少的材料之一。随着现代机器和机构日益向高速、 高负荷、大功率方向发展，则对高负荷、大功率方向发展，则对摩阻材料摩阻材料的要求越来越高。的要求越来越高。 摩阻材料最重要的特点摩阻材料最重要的特点是能够吸收动能并将其

49、转化为热能，进一是能够吸收动能并将其转化为热能，进一 步将热能散发到空气中去。而其中部分热能将为表面发生的摩擦磨损步将热能散发到空气中去。而其中部分热能将为表面发生的摩擦磨损 过程所吸收。过程所吸收。 是是热裂热裂。这是由于使用过程中，接触表。这是由于使用过程中，接触表 面之间不加任何润滑剂的，若摩阻材料的热导率不高，表面散失的热面之间不加任何润滑剂的，若摩阻材料的热导率不高，表面散失的热 量比较少，当表面温度可能超过材料的临界值时，由于体积变化及热量比较少，当表面温度可能超过材料的临界值时，由于体积变化及热 应力的作用，使应力的作用，使表面产生热裂表面产生热裂。 11.3.2 摩阻材料的设计

50、与选择摩阻材料的设计与选择 因而，因而，摩阻材料摩阻材料应具有应具有下列要求下列要求： (1)高而稳定的摩擦系数；高而稳定的摩擦系数； (2)高的耐磨性、耐热性，好的热导性；高的耐磨性、耐热性，好的热导性； (3)合适的机械强度，低的弹性模量；合适的机械强度，低的弹性模量； (4)不易产生粘着、抗擦伤性好；不易产生粘着、抗擦伤性好； (5)不污染环境、制造方便、价格便宜。不污染环境、制造方便、价格便宜。 目前，常用的目前，常用的见教材见教材表表11-5。 在盘式制动器、汽车离合器、某些仪表中的在盘式制动器、汽车离合器、某些仪表中的摩擦件摩擦件和和带式摩擦传带式摩擦传 动件动件等零件中，常用等零件中，常用粉末冶金摩阻材料粉末冶金摩阻材料为为