机械设计4摩擦磨损及润滑概述ppt课件

1、4-1 摩擦4-2 磨损4-3 光滑剂、添加剂和光滑方法 4-4 流体光滑原理简介 4-0 概述 第第4章章 机械零件设计概论机械零件设计概论4-0 概 述 摩擦学摩擦学-研讨相对运动的作用外表间的摩擦、磨损研讨相对运动的作用外表间的摩擦、磨损和光滑，以及三者间相互关系的实际与运用的一门边和光滑，以及三者间相互关系的实际与运用的一门边缘学科。缘学科。 摩擦摩擦-相对运动的物体外表间的相互妨碍作用景象；相对运动的物体外表间的相互妨碍作用景象； 磨损磨损-由于摩擦而呵斥的物体外表资料的损失或转移；由于摩擦而呵斥的物体外表资料的损失或转移； 光滑光滑-减轻摩擦和磨损所应采取的措施。减轻摩擦和磨损所应

2、采取的措施。关于摩擦、磨损与光滑的学科构成了摩擦学(Tribology)。世界上运用的能源大约有世界上运用的能源大约有 1/31/2 耗费于摩擦。耗费于摩擦。 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超越限制机械产品的易损零件大部分是由于磨损超越限制而报废和改换的。而报废和改换的。减少摩擦减少摩擦 节省能源；节省能源；减少磨损减少磨损 降低设备维修次数和费用，节省制造降低设备维修次数和费用，节省制造零零 件及其所需资料的费用。件及其所需资料的费用。随着科学技术的开展，摩擦学的实际和运用必将由宏观进入微观，由静态进入动态，由定性进入定量，成为系统综合研讨的领域。 二、摩擦的分类二、摩擦的分类内内 摩摩

3、 擦：在物质的内部发生的妨碍分子之间相对运擦：在物质的内部发生的妨碍分子之间相对运 动的景象。动的景象。外外 摩摩 擦：在相对运动的物体外表间发生的相互妨碍擦：在相对运动的物体外表间发生的相互妨碍 作用景象。作用景象。静静 摩摩 擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动动 摩摩 擦：在相对运动进展中的摩擦。擦：在相对运动进展中的摩擦。滑动摩擦：物体外表间的运动方式是相对滑动。滑动摩擦：物体外表间的运动方式是相对滑动。滚动摩擦：物体外表间的运动方式是相对滚动。滚动摩擦：物体外表间的运动方式是相对滚动。 “机械说机械说 -摩擦缘由是外表微凸体的相互妨碍作用；摩擦缘由是外表微凸

4、体的相互妨碍作用； “分子说分子说 -摩擦缘由是外表资料分子间的吸力作用；摩擦缘由是外表资料分子间的吸力作用；一、摩擦的机理一、摩擦的机理 “机械分子说两种作用均有。机械分子说两种作用均有。4-1 摩擦摩擦1. 干摩擦干摩擦 两零件外表直接接触后，由于微观部分压两零件外表直接接触后，由于微观部分压力高而构成许多冷焊点，运动时被剪切。力高而构成许多冷焊点，运动时被剪切。 不允许出现干摩擦！不允许出现干摩擦！2. 边境摩擦边境摩擦三、三、 滑动摩擦形状滑动摩擦形状 功耗功耗 磨损磨损 温度温度 烧毁轴瓦烧毁轴瓦 运动副外表有一层厚度运动副外表有一层厚度1 m的薄油膜，的薄油膜，缺乏以将两金属外表完

5、全分开，其外表缺乏以将两金属外表完全分开，其外表部分微观顶峰部分仍将相互搓削。部分微观顶峰部分仍将相互搓削。比干摩擦的磨损轻，比干摩擦的磨损轻，f 0.1 0.3v有一层压力油膜将两金属外表隔开，有一层压力油膜将两金属外表隔开，彼此不直接接触。是理想的摩擦形状。彼此不直接接触。是理想的摩擦形状。3. 液体摩擦液体摩擦摩擦和磨损极轻，摩擦和磨损极轻，f 0.001 0.01 vv v4. 混合摩擦混合摩擦 v 混合摩擦是指摩擦外表间处于边混合摩擦是指摩擦外表间处于边境摩擦和流体摩擦的混合形状。混合境摩擦和流体摩擦的混合形状。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比

6、边境摩擦时要小得多。数比边境摩擦时要小得多。在普通机器中，处于后三种情况的混合形状。 f n/p o边境摩擦边境摩擦混合摩擦混合摩擦液体摩擦液体摩擦摩擦特性曲线摩擦特性曲线称无量纲参数称无量纲参数n/p为轴承特为轴承特性数。性数。 -动力粘度，动力粘度，p-压压强强 ，n-每秒转数每秒转数 边境摩擦和混合摩擦在边境摩擦和混合摩擦在工程实践中很难区分，常统工程实践中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。称为不完全液体摩擦。摩擦学研讨的最新进展：摩擦学研讨的最新进展：微纳米摩擦学实际微纳米摩擦学实际可实现：可实现： f 0.001 -超光滑摩擦形状。超光滑摩擦形状。机器的寿命机器的寿命磨损磨损由于摩擦

7、而导致零件外表资料的逐渐丧失或迁移。由于摩擦而导致零件外表资料的逐渐丧失或迁移。磨损曲线磨损曲线 磨合阶段磨合阶段 磨损量磨损量时间时间猛烈磨猛烈磨损阶段损阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 4-2 磨损磨损磨损过程大致如下图：磨损过程大致如下图： 磨合阶段磨合阶段-包括摩擦外包括摩擦外表轮廓峰的外形变化和外表表轮廓峰的外形变化和外表资料被加工硬化两个过程。资料被加工硬化两个过程。稳定磨损阶段稳定磨损阶段-零件在零件在平稳而缓慢的速度下磨损。平稳而缓慢的速度下磨损。它标志着磨擦条件相对稳定。它标志着磨擦条件相对稳定。猛烈磨损阶段猛烈磨损阶段-在经过稳定磨损阶段后，零件外表在经过稳定磨损阶段后，零件

8、外表遭到破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。遭到破坏，运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动。零件即将进入报废阶段。零件即将进入报废阶段。后果后果降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提早报废。降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提早报废。 设计机器时，要求缩短磨合期、延伸稳定期、推迟猛烈设计机器时，要求缩短磨合期、延伸稳定期、推迟猛烈磨损期的到来。磨损期的到来。它是磨损的不稳定阶段，在整个寿命周期内时间很短。磨粒磨损磨粒磨损 磨损的分类：磨损的分类： 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损磨损类型类型 按磨损机理分按磨损机理分 按磨

9、损外表按磨损外表外观可分为外观可分为 点蚀磨损点蚀磨损 胶合磨损胶合磨损 擦伤磨损擦伤磨损 两种不同的称谓 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损类型：磨损类型： 磨粒磨损磨粒磨损也简称磨损，外部进入摩擦面间的游离硬颗也简称磨损，外部进入摩擦面间的游离硬颗 粒如空气中的尘土或磨损呵斥的金属微粒或硬的轮粒如空气中的尘土或磨损呵斥的金属微粒或硬的轮廓峰尖在软资料外表上犁刨出很多沟纹时被移去的资料，廓峰尖在软资料外表上犁刨出很多沟纹时被移去的资料，一部分流动到沟纹两旁，一部分那么构成一连串的碎片一部分

10、流动到沟纹两旁，一部分那么构成一连串的碎片零落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程就叫零落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程就叫磨粒磨损。磨粒磨损。 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损类型：磨损类型： 粘附磨损粘附磨损也称胶合，当摩擦外表的轮廓峰在相互作也称胶合，当摩擦外表的轮廓峰在相互作 用的各点处由于瞬时的温升和压力发生用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊冷焊后，在相对运动时，资料从一个外表迁移到另一个外后，在相对运动时，资料从一个外表迁移到另一个外表，便构成粘附磨损。严重

11、表，便构成粘附磨损。严重 的粘附磨损会呵斥运动副咬的粘附磨损会呵斥运动副咬死。死。 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损类型：磨损类型： 疲劳磨损疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦外表资料微体积在交也称点蚀，是由于摩擦外表资料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的资料疲劳所引起变的摩擦力作用下，反复变形所产生的资料疲劳所引起的机械磨损。点蚀过程：的机械磨损。点蚀过程：产生初始疲劳裂纹产生初始疲劳裂纹扩展扩展 微粒零落，形微粒零落，形 成点蚀坑。成点蚀坑。 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒

12、磨损 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损类型：磨损类型： 冲蚀磨损冲蚀磨损流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬 质颗粒冲击零件外表所引起的机械磨损。质颗粒冲击零件外表所引起的机械磨损。利利 用高压空气保送型砂或高压水保送碎石时，用高压空气保送型砂或高压水保送碎石时， 管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。近年来，由于燃气涡轮机的叶片、火箭发动机的尾喷管这样一些部位的破坏，才引起人们对这种磨损方式的特别留意 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 疲劳磨损疲劳

13、磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损类型：磨损类型： 腐蚀磨损腐蚀磨损当摩擦外表资料在环境的化学或电化学作当摩擦外表资料在环境的化学或电化学作 用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产 生的磨损即为腐蚀磨损。生的磨损即为腐蚀磨损。 磨损的机理：磨损的机理： 磨粒磨损磨粒磨损 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损类型：磨损类型： 微动磨损微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损 机理共同构成的复合磨损。微幅运动可理机理共同

14、构成的复合磨损。微幅运动可理 解为缺乏以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。解为缺乏以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。 运用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的运用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋合螺纹的任务面、铆钉的任务面等。配合面、旋合螺纹的任务面、铆钉的任务面等。一、一、 光滑剂光滑剂 作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。分类分类液体光滑剂液体光滑剂-光滑油光滑油半固体光滑剂半固体光滑剂-光滑脂光滑脂固体光滑剂固体光滑剂1. 光滑油光滑油 矿物油来源充足、本钱低廉、稳定性好、因此运用最广。矿物油来源充足、本钱低廉、

15、稳定性好、因此运用最广。种类：种类：气体光滑剂气体光滑剂-空气空气有机油有机油-动、植物油动、植物油矿物油矿物油-石油产品，石油产品， 化学合成油化学合成油 4-3 光滑剂、添加剂和光滑方法光滑剂、添加剂和光滑方法 A在轴承中，光滑油最重要的物理参数是粘度，它是选择光滑油的主要根据。粘度表征液体流动的内摩擦特性。A、B两板之间充溢了液体，B板静止，A板程度挪动速度为v。由于液体与金属外表的吸附作用，A板外表的液体速度为v，而B板外表的液体速度为0。两板之间的速度呈线性分布。液体层与层之间摩擦切应力：液体层与层之间摩擦切应力：=dudy-流体中恣意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。流体中恣意点

16、处的切应力与该处的速度梯度成正比。-液体的动力粘度，简称粘度液体的动力粘度，简称粘度量纲：力量纲：力时间时间/长度长度2单位：单位： N s /m2 (Pa s) 称为泊称为泊 。或厘泊：或厘泊：1P=1 dyn s /cm2 实验结果：实验结果： oxyydydu分析位置y处薄层的受力 B粘度粘度-重要目的，粘度值越高，油越稠，反之越稀；重要目的，粘度值越高，油越稠，反之越稀； 粘度的种类粘度的种类动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度条件粘度条件粘度1) 动力粘度动力粘度- 牛顿液体流动定律牛顿液体流动定律 1泊泊=100厘泊厘泊工程中常用运动粘度：工程中常用运动粘度： = 单位：单位： m2

17、/ s 称为斯称为斯St：cm2 /s 或厘斯或厘斯cSt：1St=100 cSt2) 运动粘度运动粘度 表表4-1 常用常用光滑油的主要性质常用常用光滑油的主要性质名名 称称全损耗全损耗系统用油系统用油GB443-89汽轮机油汽轮机油GB11120-89代代 号号40 的粘度的粘度mm2/sL-AN7 6.127.48 -10 110凝点凝点 C闪点闪点(开式开式) C用于高速底负荷机械、用于高速底负荷机械、精细机床、纺织纱锭的精细机床、纺织纱锭的光滑和冷却。光滑和冷却。普通机床的液压油。普通机床的液压油。用于普通滑动轴承、用于普通滑动轴承、齿轮、蜗轮的光滑齿轮、蜗轮的光滑用于重型机床导轨、

18、用于重型机床导轨、矿山机械的光滑。矿山机械的光滑。用于汽轮机、发电机等用于汽轮机、发电机等高速高负荷轴承和各种高速高负荷轴承和各种小型液体光滑轴承小型液体光滑轴承L-AN100 90110 0 210L-AN10 9.011.0 -10 125L-AN15 13.516.5 -10 165L-AN32 28.832.2 -10 170L-AN46 41.450.6 -10 180L-AN68 61.274.8 -10 190L-TSA32 28.835.2-7 180-7 180L-TSA46 41.450.6主要用途主要用途3) 条件粘度条件粘度 指在一定条件下，利用某种规格的粘度计，经过测

19、指在一定条件下，利用某种规格的粘度计，经过测定光滑油穿过规定孔道的时间来进展度量的粘度。定光滑油穿过规定孔道的时间来进展度量的粘度。常用的有：常用的有： 恩氏度恩氏度 Et -中国惯用中国惯用 赛氏通用秒赛氏通用秒SUS-美国惯用美国惯用 雷氏秒雷氏秒 -英国惯用英国惯用 运动粘度与条件粘度之间的换算关系：运动粘度与条件粘度之间的换算关系： cStEEVEtttt64. 80 . 82 . 335. 1时，当cStEEVEtttt0 . 46 . 72 . 3 时，当cStEVEttt14. 72 .16 时，当 光滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌光滑油的牌号与运动粘度有一定的对应

20、关系，如：牌号为号为L-AN10的油在的油在40时的运动粘度大约为时的运动粘度大约为10 cSt。光滑油的特性：光滑油的特性： 1粘粘-温相关性温相关性 温度温度 t 压力压力p 但但p 350 才开场氧化，才开场氧化， 可在水中可在水中任务。任务。-摩擦系数低，运用温度范围广摩擦系数低，运用温度范围广 (-60300 )，但遇水性能下降。，但遇水性能下降。-摩擦系数低，只需石墨的一半。摩擦系数低，只需石墨的一半。运用方式：运用方式：1.1.调和在光滑油中；调和在光滑油中；2.2.涂覆、烧结在摩擦外表构成覆盖膜；涂覆、烧结在摩擦外表构成覆盖膜；3.3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。混入金属或塑

21、料粉末中烧结成型。其运用日渐广泛油性添加剂油性添加剂 种类种类添加剂添加剂-为了改善光滑剂质量和性能而添加的物质。为了改善光滑剂质量和性能而添加的物质。二、添加剂二、添加剂 非极压油非极压油软化温度软化温度t/ t/ 摩擦系数摩擦系数 f f含脂肪酸和极压添加剂的油含脂肪酸和极压添加剂的油含脂肪含脂肪酸的油酸的油含极压添含极压添加剂的油加剂的油作用作用-提高油性、极压性、延伸运用寿命、改善性能。提高油性、极压性、延伸运用寿命、改善性能。极压添加剂极压添加剂分散净化剂分散净化剂消泡添加剂消泡添加剂抗氧化添加剂抗氧化添加剂降凝剂降凝剂增粘剂增粘剂光滑油光滑在工程中的运用最普遍，其供油方式有：光滑油

22、光滑在工程中的运用最普遍，其供油方式有：三、光滑方法三、光滑方法光滑方式光滑方式 人工给油；人工给油； 油杯滴油；油杯滴油；浸油光滑、飞溅给油；浸油光滑、飞溅给油；用油泵强迫光滑和冷却。用油泵强迫光滑和冷却。低速传动低速传动高速传动高速传动甩油环甩油环喷油光滑喷油光滑 油泵油泵冷冷却却器器滴油光滑滴油光滑 浸油光滑浸油光滑 飞溅光滑飞溅光滑 针阀针阀式油式油杯杯旋盖式油杯旋盖式油杯 脂脂用用压注式油杯压注式油杯弹簧盖油杯弹簧盖油杯四、光滑安装四、光滑安装 1. 油杯油杯 2. 油环油环 一、流体动力光滑一、流体动力光滑 FFFF先分析平行板的情况。板B静止，板A以速度向左运动，板间充溢光滑油，

23、无载荷时， 液体各层的速度呈三角形分布，近油量与处油量相等，板A不会下沉。但假设板A有载荷时，油向两边挤出，板A逐渐下沉，直到与B板接触。 v F4-4 流体光滑原理简介 流体动力光滑是指两个作相对运动物体的摩擦外表，流体动力光滑是指两个作相对运动物体的摩擦外表，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦外表完全借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦外表完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。动压油膜动压油膜-因运动因运动而产生的压力油膜。而产生的压力油膜。 v vvh1aah2ccvv两平形板之间不能构成压力油膜！两平形板之间不能构成压力油膜！ 如两板

24、不平行板。板间间隙呈沿运动方向由大到小呈收敛楔形分布，且板A有载荷， 当板A运动时，两端速度假设程虚线分布，那么必然进油多而出油少。由于液体实践上是不可紧缩的，必将在板内挤压而构成压力，迫使进油端的速度往内凹，而出油端的速度往外鼓。进油端间隙大而速度曲线内凹，出油端间隙小而速度曲线外凸，进出油量相等，同时间隙内构成的压力与外载荷平衡，板A不会下沉。这阐明了在间隙内构成了压力油膜。这种因运动而产生的压力油膜称为动压油膜。各截面的速度图不一样，从凹三角形过渡到凸三角形，中间必有一个位置呈三角形分布。FpmaxF构成动压油膜的必要条件：构成动压油膜的必要条件：1.两工件之间的间隙必需有楔形间隙；两工

25、件之间的间隙必需有楔形间隙；2.两工件外表之间必需延续充溢光滑油或其它液体；两工件外表之间必需延续充溢光滑油或其它液体；3.两工件外表必需有相对滑动速度。其运动芳方向必两工件外表必需有相对滑动速度。其运动芳方向必 须保证光滑油从大截面流进，从小截面出来。须保证光滑油从大截面流进，从小截面出来。 Fy =F Fx 0 Fy =F Fx = 0运用实例运用实例-向心滑动轴承动压油膜的构成过程：向心滑动轴承动压油膜的构成过程：静止静止 爬升爬升 将轴起抬将轴起抬转速继续升高转速继续升高质心左移质心左移稳定运转到达任务转速稳定运转到达任务转速e -偏心距偏心距e二、弹性流体动力光滑二、弹性流体动力光滑

26、 弹性流体动力光滑实际弹性流体动力光滑实际-研讨在点、线接触条件下，研讨在点、线接触条件下，两弹性物体间的流体动力光滑膜的力学性质。两弹性物体间的流体动力光滑膜的力学性质。求解油膜压力分布、光滑膜厚度分布等问题求解油膜压力分布、光滑膜厚度分布等问题 在油膜压力下，摩擦外表的变形的弹性方程；在油膜压力下，摩擦外表的变形的弹性方程；表述光滑剂粘度与压力间关系的粘压方程；表述光滑剂粘度与压力间关系的粘压方程；流体动力光滑的主要方程。流体动力光滑的主要方程。流体动力光滑实际的前提：流体动力光滑实际的前提：-顺应于低副中两零件之间的光滑问题，顺应于低副中两零件之间的光滑问题， 光滑剂粘度不随压力变化；光滑剂粘度不随压力变化；零件摩擦外表为刚体；零件摩擦外表为刚体； 依托光滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将依托光滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将光滑剂带入间隙。由于接触压