哈工大机械设计课件27

1、机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节 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。摩擦是不可逆的过程。 摩擦的后果：1)发热，消耗能量，过热失效。 2)磨损，材料损失，丧失精度而失效。 统计结果：1/31/2能量消耗在摩擦上。 报废的零件中，80是由于磨损造成的。 润滑是工程中降低摩擦和功耗，提高机械效率，减轻磨损的最经济，最有效的，也是最常用的方法。2.7 摩擦、磨损和润滑基本知识摩擦、磨损和润滑基本知识机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节 摩擦的系统研究摩擦的系统研究: : 起源于十七世纪，摩擦磨损和润滑机理复杂，至起源于十七世纪，

2、摩擦磨损和润滑机理复杂，至今仍在探讨今仍在探讨 上个世纪上个世纪6060年代末，年代末，形成一门新学科摩擦学形成一门新学科摩擦学( (tribologytribology) ) 在机械设计中，正确应用摩擦学知识，产生巨大在机械设计中，正确应用摩擦学知识，产生巨大的经济效益，但投资却不大，投资：效益的经济效益，但投资却不大，投资：效益1 1：（10103030） 如果很好的控制和减小磨损，不仅可延长零件使如果很好的控制和减小磨损，不仅可延长零件使用寿命，还可节约大量维修费用。用寿命，还可节约大量维修费用。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节 19651965年英国统计，正

3、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5.155.15亿亿英镑英镑 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27.327.3亿亿美元美元 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400400亿亿人民币。人民币。 可见，学习和运用摩擦学基本理论，在机械设计中具有十分可见，学习和运用摩擦学基本理论，在机械设计中具有十分重要的意义。重要的意义。 摩擦学设计思想摩擦学设计思想，把正确应用摩擦学知识进行设计的过程称把正确应用摩擦学知识进行设计的过程称

4、为为摩擦学设计摩擦学设计。 摩擦学研究情况：十分普及（高校、研究所、工厂），国家摩擦学研究情况：十分普及（高校、研究所、工厂），国家重视（国家基金中专门设立摩擦学基金），全国摩擦学大会。重视（国家基金中专门设立摩擦学基金），全国摩擦学大会。摩擦学学报摩擦学学报，润滑与密封润滑与密封等杂志，国外等杂志，国外WearWear等。等。 摩擦磨损摩擦磨损并非总是并非总是有害，跑合、研磨、抛光；摩擦传动、制动。有害，跑合、研磨、抛光；摩擦传动、制动。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节一一 摩擦（摩擦（Friction） 摩擦的定义：摩擦的定义：在外力作用下，兩个相互接触的物体在

5、外力作用下，兩个相互接触的物体有相对运动或相对运动趋势时，在摩擦界面产生有相对运动或相对运动趋势时，在摩擦界面产生切向切向阻力阻力，这种切向阻力称为，这种切向阻力称为摩擦力摩擦力，这种这种现象现象称为称为摩擦摩擦。按照两表面的按照两表面的润滑状况润滑状况分分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) )外摩擦：外摩擦：存在于两物体表面之间的摩擦称为外摩擦。存在于两物体表面之间的摩擦称为外摩擦。内摩擦：内摩擦：流体运动时，由于分子间相互作用产生粘剪力，流体运动时，由于分子间相互作用产生

6、粘剪力，这种这种 存在存在于于流体内部流体内部的摩擦称为内摩擦。的摩擦称为内摩擦。按照按照摩擦性质摩擦性质分分2 2种：种：外摩擦外摩擦；内摩擦内摩擦摩擦的分类摩擦的分类机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节1 干摩擦干摩擦摩擦力的大小摩擦力的大小： 古典摩擦古典摩擦4 4定律定律摩擦力大小可表示为：摩擦力大小可表示为： 现代摩擦理论现代摩擦理论frnFFFAF分子机械fnFfF干摩擦的特点：干摩擦的特点：1 1 无润滑剂保护膜无润滑剂保护膜2 2 摩擦系数大、磨损较大摩擦系数大、磨损较大3 3 摩擦取决于固体表面性质摩擦取决于固体表面性质 定义：定义：不加润滑剂不加润滑

7、剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的摩擦称为产生的摩擦称为干摩擦干摩擦。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节2 边界摩擦边界摩擦定义：定义：两表面加入润滑油后，在金属表面会形成一层边界膜，两表面加入润滑油后，在金属表面会形成一层边界膜，它可能是它可能是物理吸附膜物理吸附膜，也可能是，也可能是化学反应膜化学反应膜。不满足流体动压。不满足流体动压形成条件，形成条件，或虽有动压力，但压力较低，油膜较薄或虽有动压力，但压力较低，油膜较薄时，在载荷时，在载荷的作用下，边界膜互相接触，这种摩擦状态称为的作用下，边界膜互相接触，这种摩擦状态

8、称为边界摩擦边界摩擦。边界摩擦的特点：边界摩擦的特点：1 1 摩擦磨损较小摩擦磨损较小2 2 取决于边界膜取决于边界膜3 3 取决于膜与边界作用取决于膜与边界作用机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节3 流体摩擦（流体润滑）流体摩擦（流体润滑）定义：定义：当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，摩擦表当两摩擦表面被流体（液体或气体）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，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，这种摩擦称为这种摩擦称为流体摩擦流体摩擦。实现流体摩擦的方法实现流体摩擦的方法:1 1）流体流体动压润滑动

9、压润滑流体摩擦的特点：流体摩擦的特点：1 需要一定的条件！需要一定的条件！2 摩擦系数很小，几乎无磨损摩擦系数很小，几乎无磨损3 摩擦仅取决于润滑剂性质，摩擦仅取决于润滑剂性质，与边界几乎无关。与边界几乎无关。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节2）弹性流体动压润滑）弹性流体动压润滑定义：考虑了接触区弹性变形和压力定义：考虑了接触区弹性变形和压力对对接触区润滑油接触区润滑油粘度粘度的影的影响的动压润滑称为响的动压润滑称为弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑(EHL),(EHL),简称为简称为弹流润滑弹流润滑。特性：特性：两表面的距离两表面的距离 称称为平均油膜厚度。为平均油

10、膜厚度。接触区的出口处油膜变薄接触区的出口处油膜变薄, ,这种现象称为这种现象称为“颈缩颈缩”, ,此此处两表面距离处两表面距离 称为称为最最小油膜厚度。小油膜厚度。仅在高副接触状态出现！仅在高副接触状态出现！0hminh机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节3）流体静压润滑）流体静压润滑定义：定义：用油泵将润滑油经过节流用油泵将润滑油经过节流器器, , 以所需要压力注入被润滑表以所需要压力注入被润滑表面的油室面的油室, ,再由油室的封油边流回再由油室的封油边流回油箱。油箱。特点：特点：可以全工况实现液体摩擦，可以全工况实现液体摩擦，几乎无磨损，几乎无磨损，但是需要较复杂

11、的但是需要较复杂的液压系统，造价高，维护费用大。液压系统，造价高，维护费用大。流体动压和弹性流体动压的问题流体动压和弹性流体动压的问题：（靠运动速度足够大产生）（靠运动速度足够大产生）1 1 启停阶段速度低，动压力小，不能保证流体润滑，有磨损启停阶段速度低，动压力小，不能保证流体润滑，有磨损2 2 工作参数变化，动压力不稳定工作参数变化，动压力不稳定3 3 运动精度不足够高运动精度不足够高机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节定义：定义：当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，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、边界摩擦和干摩擦同时存在的现就会出现流

12、体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为象，这种摩擦状态称为混合摩擦混合摩擦。特点：特点：1 1 多种摩擦状态并存，主要多种摩擦状态并存，主要以边界和流体摩擦为主；以边界和流体摩擦为主；2 2 摩擦系数比边界摩擦低，有稍许磨损。摩擦系数比边界摩擦低，有稍许磨损。但有时与边界摩擦难以区分，但有时与边界摩擦难以区分，工程上将混合摩擦与边界摩擦统称为非液体摩擦或不完全液体工程上将混合摩擦与边界摩擦统称为非液体摩擦或不完全液体摩擦状态。摩擦状态。 4 混合摩擦混合摩擦机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节二二 磨损（磨损（Wear）磨损定义磨损定义：运动副表面材料

13、不断损失的现象称为磨损。：运动副表面材料不断损失的现象称为磨损。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、：单位时间内材料的磨损量（体积、重量、厚度等）称为磨损率。厚度等）称为磨损率。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节一个零件的一个零件的磨损过程磨损过程大致可分为三个阶段。大致可分为三个阶段。相当使用寿命相当使用寿命运动间隙增大，运动间隙增大，引起动载荷，引起动载荷，温升增加温升增加粗糙度大，实际面积小粗糙度大，实际面积小剪应力大。磨损快剪应力大。磨损快磨平、增大面积，磨损慢磨平、增大面积，磨损慢1.1.跑和磨损阶段跑和磨损阶段开始磨损较快，逐渐开始磨

14、损较快，逐渐减慢。减慢。2.2.稳定磨损阶段稳定磨损阶段磨损速度平稳缓慢磨损速度平稳缓慢3.3.剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段磨损速度急剧增大磨损速度急剧增大设计时：要力求缩短跑合期，设计时：要力求缩短跑合期，延长延长 稳定期稳定期，推迟剧烈，推迟剧烈期期机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节磨损的类型磨损的类型1.1.粘着磨损粘着磨损，汽缸活塞等，汽缸活塞等，有润滑表面有润滑表面常见磨损形式。与材料常见磨损形式。与材料的冶金相容性有关。也称为的冶金相容性有关。也称为胶合胶合磨损磨损。2.2.磨粒磨损磨粒磨损，挖掘机斗齿等，挖掘机斗齿等，干摩擦状态干摩擦状态的主要磨损形式。与的

15、主要磨损形式。与硬度及其组合有关。也称为硬度及其组合有关。也称为磨损磨损。3.3.疲劳磨损疲劳磨损，齿轮、轴承等，齿轮、轴承等，高副接触高副接触表面主要磨损形式。与表面主要磨损形式。与接触应力和循环次数有关。也称为接触应力和循环次数有关。也称为疲劳点蚀疲劳点蚀或或点蚀点蚀。根据根据磨损机理，把磨损分磨损机理，把磨损分6类：类：机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节4 4. .冲蚀磨损冲蚀磨损，火箭发动机尾管等，具有，火箭发动机尾管等，具有一定速度一定速度的接触表面主的接触表面主要磨损形式。与冲击强度有关要磨损形式。与冲击强度有关。5.5.腐蚀磨损腐蚀磨损，摩擦片等，与，摩

16、擦片等，与腐蚀腐蚀介质接触的表面的主要介质接触的表面的主要磨损形磨损形式式。与材料的电化学特性有关。与材料的电化学特性有关。6 6. .微动磨损微动磨损，摩擦副在，摩擦副在微幅振动微幅振动下，下，复合磨损复合磨损型式。型式。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节三三 润滑剂和添加剂润滑剂和添加剂（Lubrication）加润滑剂的目的加润滑剂的目的减轻磨损减轻磨损降低摩擦降低摩擦带走带走摩擦摩擦热热防锈防锈除污除污减振减振密封密封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机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设

17、计2.7节节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固体润滑剂石墨石墨,二硫化鉬二硫化鉬,聚四氟乙烯聚四氟乙烯润滑剂的选择润滑剂的选择主要以机械的用途、重要性和使用条件主要以机械的用途、重要性和使用条件来选择。来选择。通常机械中通常机械中常用润滑油和润滑常用润滑油和润滑脂；脂；特殊环境特殊环境选择固体润滑剂，如真空、选择固体润滑剂，如真空、高低温、清净等环境。高低温、清净等环境。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节1 1 液体润滑剂（润滑油）的性质液体润滑剂（润滑油）的性质1 1） 润

18、滑油的粘度概念润滑油的粘度概念粘性流体模型粘性流体模型 润滑油的润滑油的粘度粘度反映了润滑油在反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，外力作用下抵抗剪切变形的能力，是是内摩擦力大小内摩擦力大小的标志。的标志。 AF式中式中 A A- -流体剪切面积，流体剪切面积，mmmm2 2 - -流体剪切应力，流体剪切应力，MPaMPa机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节实验表明，剪切应力实验表明，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 - -定义为流体的粘度。上式称为定义为流体的粘度。上式称为牛顿流体粘性定律牛顿流体粘性定律凡

19、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。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节2 ）粘度的表示方法）粘度的表示方法（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，如果使立方的流体，如果使立方体顶面流体层相对底面流体层产生体顶面流体层相对底面流体层产生1m/s1m/s的运动速度，的运动速度，所需要的外力所需要的外力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”

20、，常用，常用PaPas s表示。用这种方法定义的粘表示。用这种方法定义的粘度为度为动力粘度动力粘度。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节（2 2）运动粘度）运动粘度 （销售和应用常用）（销售和应用常用）定义：定义：流体的动力粘度与同温度下的密度流体的动力粘度与同温度下的密度 的比值的比值, ,称称为为 运动粘度运动粘度单位单位: cm: cm/s,/s,称称“斯斯”, ,常用常用StSt表示表示,1/100,1/100为为“厘斯厘斯” cStcSt。换算：换算：1m1m2 2/s=10/s=104 4St=10St=106 6cStcSt工业上，润滑油的牌号是指在工业上

21、，润滑油的牌号是指在40 40 时润滑油运动粘度的平均值。时润滑油运动粘度的平均值。 机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节3 3）相对粘度）相对粘度( (条件粘度）（生产中多用）条件粘度）（生产中多用）oEt恩氏粘度恩氏粘度：用：用200ml200ml的粘性流体的粘性流体, ,在给定的温度在给定的温度t t下流经下流经一定直径和长度的毛细管所需的时间一定直径和长度的毛细管所需的时间, ,与同体积的蒸馏与同体积的蒸馏水在水在2020时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量时流经同样的毛细管所需时间的比值来衡量流体的粘性。流体的粘性。恩氏粘度用恩氏粘度用 表示表示。（时间比值

22、）。（时间比值）是相对粘度的一种表示方法是相对粘度的一种表示方法机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节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（1 1）粘温特性）粘温特性 润滑油的粘度随温度的变润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系化存在指数关系: :00/mttt式中：式中：m粘温指数粘温指数知道两个温度（知道两个温度（t,t0）对应的）对应的),(0其他值就可以计算了其他值就可以计算了机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节（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示为粘度和压力的关系近似表示为: :0ap

23、e0-常压下油的粘度（常压下油的粘度（Pa.s） P-油的压力油的压力(Pa)-粘压指数（粘压指数（m 2/N）,与油的种类有关与油的种类有关机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节4） 工业润滑油粘度牌号工业润滑油粘度牌号机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节5 5） 润滑油的润滑油的其它其它特性特性（1 1）油性）油性 （2 2）极压性）极压性（3 3）凝点）凝点（4 4）闪点和燃点）闪点和燃点 (5(5）酸值）酸值油性油性润滑剂在摩擦表面的吸附性能。润滑剂在摩擦表面的吸附性能。 油性越好，吸附能力越强。油性越好，吸附能力越强。极压性极压性润滑油中

24、的活性分子与摩擦表面形成润滑油中的活性分子与摩擦表面形成 耐压、耐压、 减摩、抗磨化学膜的能力，称为极压性。减摩、抗磨化学膜的能力，称为极压性。 极压性越好，形成油膜能力越强。极压性越好，形成油膜能力越强。润滑油的特性除了粘度以外，还包含以下特性：润滑油的特性除了粘度以外，还包含以下特性：机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节工业常用润滑油牌号及应用工业常用润滑油牌号及应用机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节2、润滑脂及其主要性能、润滑脂及其主要性能润滑脂的组成：润滑脂的组成：在润滑油中加入适量的稠化剂，加热在润滑油中加入适量的稠化剂，加热后混合均

25、匀，冷却成为润滑脂。后混合均匀，冷却成为润滑脂。润滑脂的性能指标：润滑脂的性能指标：主要有针入度、滴点、析油量、主要有针入度、滴点、析油量、机械杂质、灰分、水分等。机械杂质、灰分、水分等。1 1）针入度）针入度 表示润滑脂的稠化度或软硬性能。低速重载场表示润滑脂的稠化度或软硬性能。低速重载场合宜选用针入度小的润滑脂。合宜选用针入度小的润滑脂。2 2）滴点）滴点表示润滑脂的耐热性能，是一个温度的概念。滴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，润滑脂的工作温度应比滴点低点高耐热性好，润滑脂的工作温度应比滴点低2020o oC C。3 3）析油量）析油量表示油从脂中的析出量（分油量）

26、。过大过小均表示油从脂中的析出量（分油量）。过大过小均不宜。过大，润滑脂会过早枯竭，润滑脂寿命太短；过小，不宜。过大，润滑脂会过早枯竭，润滑脂寿命太短；过小，润滑油量不充分，润滑不良。小于润滑油量不充分，润滑不良。小于5 51010。机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节常用润滑脂的牌号、性能和应用常用润滑脂的牌号、性能和应用机电工程学院机电工程学院 张锋张锋机械设计机械设计2.7节节3 固体润滑剂固体润滑剂 在恶劣条件或有特殊要求的场合，润滑油和润滑脂不能应用，在恶劣条件或有特殊要求的场合，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。可以选择固体润滑剂。它们多数是粉末状，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、聚四氟乙烯等。等。 特点是：剪切强度低，摩