机械设计课件

§4-1摩擦§4-2磨损§4-3润滑剂、添加剂和润滑方法§4-4流体润滑原理简介§4-0概述第4章摩擦、磨损及润滑概述内容提要1§4-0概述摩擦学----研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损和润滑，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科。▲摩擦--相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；▲磨损--由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；▲润滑--减轻摩擦和磨损所应采取的措施。世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的。减少摩擦节省能源；减少磨损降低设备维修次数和费用，节省制造零件及其所需材料的费用。2一、摩擦的分类与性质内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦：在相互接触的两物体发生相对滑动或有相对滑动趋势时，在接触表面上产生的阻碍相对滑动的现象。静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。§4-1摩擦3摩擦的种类及其基本性质按运动状态分静摩擦动摩擦按运动形式分滑动摩擦滚动摩擦干摩擦（润滑）流体摩擦（润滑）边界摩擦（润滑）混合摩擦（润滑）按润滑状态分4滑动摩擦又分为干摩擦、边界摩擦(边界润滑)、流体摩擦(流体润滑)及混合摩擦(混合润滑):1.干摩擦2.边界摩擦v3.液体摩擦vvvv4.混合摩擦5用膜厚比λ来大致估计两滑动表面所处的摩擦(润滑)状态，即

当膜厚比λ≤l时，为边界摩擦(润滑)状态；当λ=l～3时，为混合摩擦(润滑)状态；当λ>3时，为流体摩擦(润滑)状态。61.干摩擦两零件表面直接接触后，因为微观局部压力高而形成许多冷焊点，运动时被剪切。不允许出现干摩擦！三、滑动摩擦状态→功耗↑磨损↑温度↑→烧毁零件vv▲“机械说”--摩擦原因是表面微凸体的相互阻碍作用；▲“分子说”--摩擦原因是表面材料分子间的吸力作用；▲“机械－分子说”两种作用均有。目前采用修正后的粘附理论7简单粘附理论于1945年由鲍登(F．P．Bowden)等人提出，他们认为两个金属表面在法向载荷作用下的接触面积，并非两个金属表面互相覆盖的公称接触面积(或叫表观接触面积)A0，而是由一些表面轮廓峰相接触所形成的接触斑点的微面积的总和，叫真实接触面积Ar(下图)。由于真实接触面积很小，因此可以认为轮廓峰接触区所受的压力很高。当接触区受到高压而产生塑性变形后，这些微小接触面便发生粘附现象，形成冷焊结点。当接触面相对滑动时，这些冷焊结点就被切开。在干摩擦条件下，可将较硬表面坚硬的轮廓峰在较软表面上犁出"犁沟"所需克服的阻力忽略不计,则摩擦力8续

对于理想的弹塑性材料，当法向载荷增大时，真实接触面积Ar也随之增大，应力并不升高，而停留在材料的压缩屈服极限σSy。9续例如下图a所示为单个轮廓峰接触区在高压作用下产生塑性流动，导致接触面积增大到恰好能支承法向载荷为止的模型。故真实接触面积Ar为10续式中τB、σSy是指相接触的两种金属中较软者的剪切强度极限与压缩屈服极限。由于大多数金属的τB/σSy的比值均较接近，所以其摩擦系数相差甚小但是，这个结论不完全符合实际。例如处于真空中的洁净金属发生摩擦时，其摩擦系数要比常规环境里的摩擦系数大得多。这一事实说明真实接触面积一定比简单粘附理论所指出的大得多。在简单粘附理论中，认为真实接触面积决定于软金属的压缩屈服极限和法向载荷。对于静态接触，这在大体上是正确的。为此，鲍登等人于1964年又提出了一种更切合实际的修正粘附理论11续这种理论认为，在摩擦情况下，轮廓峰接触区除作用有法向力外,还作用有切向力,所以接触区同时有压应力和切应力存在。这时金属材料的塑性变形取决于压应力和切应力所组成的复合应力作用，而不仅仅取决于金属材料的压缩屈服极限σSy。B：单个轮廓峰接触为压应力σy及切应力τ联合作用下，单个轮廓峰的接触模型，并且假定材料的塑性变形产生于最大切应力达到某一极限值的情况。若将作用在轮廓峰接触区的切向力逐渐增大到Ff值，结点将进一步发生塑性流动，这种流动导致接触面积增大。也就是说，在复合应力作用下，接触区出现了结点增长的现象。结点增长模型如图<单个轮廓峰接触模型>c所示，其中τB为较软金属的剪切强度极限。12续在真空中，洁净的金属表面发生摩擦时结点可能大幅度地增长,因此摩擦系数较高,在空气中，由于界面上覆盖有一层氧化膜或污染膜，这种表面膜通常抗剪能力很弱,因而摩擦系数较低。修正后的粘附理论认为：

当两金属界面被表面膜分隔开时,τBj为表面膜的剪切强度极限；当剪断发生在较软金属基体内时,τBj为较软金属基体的剪切强度极限τB；若表面膜局部破裂并出现金属粘附结点时，τBj将介于较软金属的剪切强度极限和表面膜的剪切强度极限之间。这个理论与实际情况比较接近，可以在相当大的范围内解释摩擦现象。在工程中，常用金属材料副的摩擦系数是指在常规的压力与速度条件下,通过实验测定的,并可认为是一个常数，其值可参考有关资料。132、边界摩擦（边界润滑）：单分子吸附膜的定向结构单分子吸附膜的摩擦原理模型多层分子吸附膜的摩擦模型

润滑油（主要是石油产品）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。极性团14运动副表面有一层厚度<1μm的薄油膜，不足以将两金属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。比干摩擦的磨损轻，f≈0.1~0.3v边界膜：比较牢固地吸附在金属表面上的分子膜，称为边界膜。15润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，牢固地吸附在金属表面上形成为物理吸附膜。润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。润滑剂中的分子靠化学键力作用而吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学吸附膜。

吸附膜反应膜边界膜分为：物理吸附膜化学吸附膜在润滑剂中添加入硫、磷、氯等元素，它们与表面金属发生化学反应生成的边界膜，称为反应膜。边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下：注：温度对边界膜的影响很大。温度越高，边界膜越容易破坏。16

３）流体摩擦：是指摩擦表面完全被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。

其摩擦系数最小，且不会产生磨损，是理想的摩擦状态。(油润滑时约为0.001～0.008)174.混合摩擦v混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。fηn/po边界摩擦混合摩擦液体摩擦摩擦特性曲线称无量纲参数ηn/p为轴承特性数。

η-动力粘度，p-压强，n-每秒转数边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。摩擦学研究的最新进展：微－纳米摩擦学理论可实现：f≤0.001----超润滑摩擦状态。vvv1819磨损—由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。§4-2磨损后果—降低机器的效率和可靠性，甚至促使机器提前报废。一、零件的磨损过程注意：磨损并不都是有害的。如磨削20新摩擦表面的微观形貌21机器的寿命磨损曲线磨合阶段磨损量时间剧烈磨损阶段稳定磨损阶段磨损过程大致如图所示：

▲磨合阶段----包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程。▲稳定磨损阶段----零件在平稳而缓慢的速度下磨损。▲剧烈磨损阶段----在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到破坏，运动副间隙增大引起额外的动载荷和振动。零件即将进入报废阶段。※设计机器时，要求缩短磨合期、延长稳定期、推迟剧烈磨损期的到来。22磨粒磨损

二、磨损的分类

疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型按磨损机理分按磨损表面外观可分为点蚀磨损胶合磨损擦伤磨损23三、磨损的机理磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：磨粒磨损—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造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微切削过程就叫磨粒磨损。24三、磨损的机理磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：粘附磨损—也称胶合，当摩擦表面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“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。严重的粘附磨损会造成运动副咬死。这种磨损是金属摩擦副之间最普遍的一种磨损形式。25三、磨损的机理磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：疲劳磨损—也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨损。点蚀过程：产生初始疲劳裂纹→扩展→微粒脱落，形成点蚀坑。

26三、磨损的机理磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：流体磨粒磨损：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表面所引起的机械磨损。利用高压空气输送型砂或高压水输送碎石时，管道内壁所产生的机械磨损是实例之一。。流体侵蚀磨损是指由液流或气流的冲蚀作用引起的机械磨损。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形式的特别注意。2728三、磨损的机理磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：腐蚀磨损—当摩擦表面材料与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的磨损即为腐蚀磨损。如氧化磨损。29三、磨损的机理磨粒磨损疲劳磨损粘附磨损冲蚀磨损腐蚀磨损微动磨损磨损类型：微动磨损—是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等。30微动作用不仅要损坏配合表面的品质，而且要导致疲劳裂纹的萌生，从而急剧的降低零件的疲劳强度31一、润滑剂作用：降低摩擦、减少磨损、冷却、缓冲、吸振、防锈等。分类液体润滑剂----润滑油半固体润滑剂----润滑脂固体润滑剂（一）润滑油矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广。种类：气体润滑剂----空气有机油----动、植物油矿物油----石油产品

化学合成油§4-3润滑剂、添加剂和润滑方法32绿色润滑油(环境友好润滑油）的特点：低毒性和可生物降解性能；优良的氧化稳定性和低温性能；成本较低；原材料可回收利用；良好的使用性能和换油周期符合；环境评价要求等。可生物降解性就是以微生物来实现生化氧化。33A液体层与层之间摩擦切应力：τ=-ηdudy--流体中任意点处的切应力与该处的速度梯度成正比。η----液体的动力粘度，简称粘度量纲：力·时间/长度2单位：N·s/m2(Pa·s)称为泊。或厘泊：1P=1dyn·s/cm2实验结果：oxyydyduB1、粘度----重要指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀。

粘度的种类动力粘度运动粘度条件粘度1)动力粘度-----牛顿粘性定律（1687年）1泊=100厘泊34工程中常用运动粘度：ν

=ηρ

单位：

m2

/

s称为斯St：cm2/s或厘斯cSt：1St=100cSt2)运动粘度（40℃的粘度的中心值为润滑油的牌号）表4-1常用润滑油的主要性质名称全损耗系统用油GB443-89汽轮机油GB11120-89代号40℃的粘度mm2/sL-AN76.12~7.48-10110凝点≤C闪点(开式)≥C用于高速底负荷机械、精密机床、纺织纱锭的润滑和冷却。普通机床的液压油。用于一般滑动轴承、齿轮、蜗轮的润滑用于重型机床导轨、矿山机械的润滑。用于汽轮机、发电机等高速高负荷轴承和各种小型液体润滑轴承L-AN10090~1100210L-AN109.0~11.0-10125L-AN1513.5~16.5-10165L-AN3228.8~32.2-10170L-AN4641.4~50.6-10180L-AN6861.2~74.8-10190L-TSA3228.8~35.2-7180L-TSA4641.4~50.6主要用途353)条件粘度指在一定条件下，利用某种规格的粘度计，通过测定润滑油穿过规定孔道的时间来进行度量的粘度。常用的有：恩氏度（˚

Et）----中国惯用赛氏通用秒（SUS）----美国惯用雷氏秒----英国惯用运动粘度与条件粘度之间的换算关系：362、润滑油的特性1）粘度：粘----温相关性温度t↑压力p

↑→η↓ 但p<10Mpa时可忽略。变化很小→η↑ 粘--温图0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-TSA32L-TSA46L-TSA68L-TSA100选用原则：①载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；②载荷小、转速高的轴承，宜选用粘度小的油；

粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力，而且对润滑油膜的形成及承载能力具有决定性的作用。372）润滑性（油性）润滑性是指润滑油中的极性分子与金属表面吸附形成一边界油膜，以减小摩擦和磨损。油性愈好，吸附能力愈强。对于那些低速重载或润滑不充分的场合，润滑性具有特别重要的意义。3）极压性极压性能是润滑油中加入含硫、氯、磷的有机极性化合物之后，油中的极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能，它在重载、高速、高温条件下，可改善边界润滑性能。4）闪点润滑油在标准容器中加热所蒸发的油气，遇火焰即能发出闪光时的最低温度。是衡量油易燃性的指标。对于在高温下工作的机器，这是一个重要参数。一般要求工作温度比油的闪点低30~40℃。385）凝点润滑油在规定的条件下，不再自由流动时所达到的最高温度。它是润滑油在低温下工作的一个重要指标，直接影响到机器在低温下的启动性能和磨损情况。6）氧化稳定性从化学意义上讲，润滑油是不活泼的。但当它们暴露在高温气体中时，也会发生氧化并生成硫、氯、磷的酸性化合物。这是一种胶状沉积物，不但腐蚀金属，而且加剧零件的磨损。39（二）润滑脂----润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度不敏感，适用范围广。缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合。40润滑脂的种类：钠基润滑脂锂基润滑脂铝基润滑脂钙基润滑脂分类1、钙基润滑脂这种润滑脂具有良好的抗水性（抵抗因吸收水分而使脂的结构破坏的能力，在水存在时防止金属表面腐蚀的能力），但耐热能力差，工作温度不宜超过55~65℃。2、钠基润滑脂这种润滑脂具有较高的耐热性，但抗水性较差，工作温度可达120℃。----工程上应用最广413、锂基润滑脂这种润滑脂既能抗水，又耐高温，而且有较好的机械安定型，是一种多用途的润滑脂。工作温度不宜超过145℃。4、铝基润滑脂这种润滑脂具有良好的抗水性，对金属表面有高的吸附能力，故可起到良好的防锈作用。422)滴点，决定工作温度。在规定的加热条件下，润滑脂从标准测量杯的孔口滴下第一滴时的温度叫润滑脂的滴点。润滑脂的滴点决定了它的工作温度。润滑脂的工作温度至少应低于滴点20℃。1)锥入度：指一个重1.5N的标准锥体，于25℃恒温下，由润滑脂表面经5s刺入的深度(以0.lmm计)。它标志着润滑脂内阻力的大小和流动性的强弱。锥入度愈小表明润滑脂愈稠。锥入度是润滑脂的一项主要指标，润滑脂的牌号就是该润滑脂锥入度的等级。润滑脂的主要质量指标是：43（三）固体润滑剂聚四氟乙烯用于润滑油不能胜任工作的场合：高温、低速重载。石墨二硫化钼（MoS2）---性能稳定、t>350℃才开始氧化，可在水中工作。-----摩擦系数低，使用温度范围广(-60~300℃)，但遇水性能下降。-----摩擦系数低，只有石墨的一半。使用方式：1.调和在润滑油中；2.涂覆、烧结在摩擦表面形成覆盖膜；3.混入金属或塑料粉末中烧结成型。其应用日渐广泛44油性添加剂种类添加剂----为了改善润滑剂品质和性能而添加的物质。二、添加剂非极压油软化温度t/℃

摩擦系数f含脂肪酸和极压添加剂的油含脂肪酸的油含极压添加剂的油作用----提高油性、极压性、延长使用寿命、改善物理性能。极压添加剂分散净化剂消泡添加剂抗氧化添加剂降凝剂增粘剂45润滑油润滑在工程中的应用最普遍，其供油方式有：三、润滑方法润滑方式人工给油；油杯滴油；浸油润滑、飞溅给油；用油泵强制润滑和冷却。低速传动高速传动甩油环压力循环润滑油泵冷却器滴油润滑浸油润滑油环润滑46针阀式油杯旋盖式油杯脂用压注式油杯弹簧盖油杯四、润滑装置1.油杯

472.油环润滑

3.飞溅润滑4.压力循环润滑48一、流体动力润滑FFFFvF§4-4流体润滑原理简介

流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。动压油膜----因运动而产生的压力油膜。

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vvh1aah2ccvv两平形板之间不能形成压力油膜！Fpmax49F※形成动压油膜的必要条件：1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙；2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体；3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动方向必须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。∑Fy=F∑Fx≠0∑Fy=F∑Fx=0应用实例--向心滑动轴承动压油膜的形成过程：静止→爬升→将轴起抬→质心左移→稳定运转e----偏心距e50二、弹性流体动力润滑

弹性流体动力润滑理论----研究在点、线接触条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题▲在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程；▲表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程；▲流体动力润滑的主要方程。流体动力润滑理论的前提：----适应于低副中两零件之间的润滑问题，润滑剂粘度不随压力变化；零件摩擦表面为刚体；51依靠润滑剂的粘附作