摩擦学第二讲

摩擦学第二讲第1页，共29页，2023年，2月20日，星期五课堂提问1、润滑的目的是什么？

润滑的目的是在摩擦表面之间形成低剪切强度的润滑膜，用它来减少摩擦阻力和降低材料磨损。2、润滑油的作用是什么？(1)润滑作用发动机在运转时，如果一些摩擦部位得不到适当的润滑，就会产生干摩擦。实践证明，干摩擦在短时间内产生的热量足以使金属熔化，造成机件的损坏甚至卡死(许多漏水或漏油的汽车出现拉缸、抱轴等故障，主要原因就在于此)。因此必须对发动机中的摩擦部位给予良好的润滑。

当润滑油流到摩擦部位后，就会粘附在摩擦表面上形成一层油膜，减少摩擦机件之间的阻力，而油膜的强度和韧性是发挥其润滑作用的关键。

第2页，共29页，2023年，2月20日，星期五(2)冷却作用

燃料在发动机内燃烧后产生的热量，只有一小部分用于动力输出以及摩擦阻力消耗和辅助机构的驱动上；其余大部分热量除随废气排到大气中外，还会被发动机中的冷却介质带走一部分。发动机中多余的热必须排出机体，否则发动机会由于温度过高而烧坏。这一方面靠发动机冷却系来完成，另一方面靠润滑油从气缸、活塞、曲轴等表面吸收热量后带到油底壳中散发。(3)洗涤作用

发动机工作中，会产生许多污物。如吸入空气中带来的砂土、灰尘，混合气燃烧后形成的积炭，润滑油氧化后生成的胶状物，机件间摩擦产生金属屑等等。这些污物会附着在机件的摩擦表面上，如不清洗下来，就会加大机件的磨损。另外，大量的胶质会使活塞环粘结卡滞，导致发动机不能正常运转。因此，必须及时将这些污物清理，这个清洗过程是靠润滑油在机体内循环流动来完成的。

第3页，共29页，2023年，2月20日，星期五(4)密封作用

发动机的气缸与活塞、活塞环与环槽以及气门与气门座间均存在一定间隙，这样能保证各运动副之间不会卡滞。但这些间隙可造成气缸密封不好，燃烧室漏气，结果是降低气缸压力及发动机输出功率。润滑油在这些间隙中形成的油膜，保证了气缸的密封性，保持气缸压力及发动机输出功率，并能阻止废气向下窜入曲轴箱。

(4)防锈作用

发动机在运转或存放时，大气、润滑油、燃油中的水分以及燃烧产生的酸性气体，会对机件造成腐蚀和锈蚀，从而加大摩擦面的损坏。润滑油在机件表面形成的油膜，可以避免机件与水及酸性气体直接接触，防止产生腐蚀、锈蚀。

第4页，共29页，2023年，2月20日，星期五(6)消除冲击载荷

发动机在压缩行程结束时，混合气开始燃烧，气缸压力急剧上升。这时，轴承间隙中的润滑油将缓和活塞、活塞销、连杆、曲轴等机件所受到的冲击载荷，使发动机平稳工作，并防止金属直接接触，减少磨损。

第5页，共29页，2023年，2月20日，星期五一、润滑状态1、润滑的目的是在摩擦表面之间形成低剪切强度的润滑膜，用它来减少摩擦阻力和降低材料磨损。2、润滑膜：液体，气体；流体膜，固体膜3、润滑状态：流体动压润滑；流体静压润滑；弹性流体动压润滑；边界润滑；干摩擦状态等下面表1-1列出了各种润滑状态的基本特征第6页，共29页，2023年，2月20日，星期五第7页，共29页，2023年，2月20日，星期五各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，但是单纯由润滑油膜厚度还不能准确判断润滑状态，尚须与表面粗糙度进行比较，下图1-1列出了润滑油膜厚度与粗糙度的数量级。只有当润滑油膜厚度足以超过两表面粗糙峰高度时，才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑。第8页，共29页，2023年，2月20日，星期五第9页，共29页，2023年，2月20日，星期五二、润滑与摩擦机理

1、四种摩擦分类：

从润滑观点来讲，常按摩擦面之间有无润滑材料及润滑剂的存在状态来分类。可分为：干摩擦、边界摩擦、液体摩擦和混合摩擦（1）干摩擦

摩擦面之间没有润滑剂存在时发生的摩擦，称为干摩擦。（2）边界摩擦边界摩擦亦称为边界润滑，是指物体之间摩擦面上存在一层由润滑剂构成的边界膜发生的摩擦。（3）液体摩擦液体摩擦亦称为液体润滑，当物体之间的接触面被润滑油膜完全隔开时，物体相对运动所产生的摩擦叫液体摩擦。

第10页，共29页，2023年，2月20日，星期五（4）混合摩擦混合摩擦亦称为混合润滑，是属于一种不稳定的润滑。实际上它是指上述三种摩擦中有两种摩擦同时存在的情形，可分为半干摩擦和半液体摩擦。

第11页，共29页，2023年，2月20日，星期五2、四种摩擦的机理干摩擦：干摩擦的发生有许多理论解释，常用的是所谓“粘着—机械啮合”学说。由于物体之间摩擦面的微观状态是凹凸不平的，摩擦面之间的接触不发生在整个接触面上，摩擦只是发生在摩擦面之间凸峰与凸峰正好相对的地方，物体之间的正压力实际上只由占摩擦面很小部分的实际接触面积承受。由于这些凸峰与凸峰相接触的点受到相当大的压力而产生塑性变形，出现了粘着现象,使凸峰与凸峰就好像被“熔焊”在一起。当物体做相对运动时，为了将这些“熔焊”在一起的点撕裂所需要的力，就构成了摩擦力的主要部分。此外，还存在着一个摩擦面上的凸峰正好嵌入另一个摩擦面上的凹谷的情况，当物体做相对运动时，将产生机械啮合阻力，这是摩擦力的又一个来源。因而物体之间发生干摩擦时，其摩擦力是“熔焊”点造成的粘着阻力与“凹凸体”机械啮合阻力之和。

从设备的润滑观点来讲，干摩擦是有害的，主要表现在能量的损失（如转为热能）和机件的磨损上（如温度升高导致材料表面抗磨性及强度降低同时有磨屑的产生）。第12页，共29页，2023年，2月20日，星期五边界摩擦：边界摩擦亦称为边界润滑，是指物体之间摩擦面上存在一层由润滑剂构成的边界膜发生的摩擦。

边界膜的性质是影响边界摩擦的主要因素，按其形成方式，可分为吸附膜和反应膜两类。吸附膜是通过物理因素（分子吸引）或化学因素（电子交换产生的化学结合力），使润滑剂中的极性分子产生定向排列形成的一层膜。

反应膜则是由含硫、磷、氯等元素的润滑油添加剂与摩擦表面起化学反应，所生成的新的物质而构成的一层膜。在边界润滑作用比较充分，即形成的分子栅有较大的承载能力和长度时，摩擦仅发生在边界膜之间，摩擦系数仅与摩擦面的性质（材质、几何形状等）和润滑剂的油性有关，也就是说摩擦系数与摩擦面润滑剂之间形成极性分子栅的能力和分子栅本身的承载能力有关，而与润滑油的粘度大小无关。当边界润滑作用较差时，某些部位的边界膜被破坏，造成摩擦面的直接接触，从而形成干摩擦，使摩擦系数增大。

第13页，共29页，2023年，2月20日，星期五吸附膜的稳定性较差，在一定温度下，定向排列的极性分子会因热运动而变得杂乱无章，甚至从摩擦面上脱落下来，使得吸附膜失去承载能力，润滑作用大大减小。反应膜较吸附膜稳定得多，因为在高温下化学反应的速度加快，更有利于生成新的物质来加强反应膜，所以反应膜适于重载、低速和高温的条件。但是生成反应膜时，一般伴随着对金属有腐蚀性。

液体摩擦：液体摩擦时，物体之间的摩擦面没有直接接触，其间除了边界润滑膜外，还有流动油膜。因此摩擦仅发生在润滑油之间，运动阻力仅由润滑油分子间的吸引力（内聚力）形成，因而摩擦系数很小，一般在0.01～0.001的范围内。

混合摩擦：可分为半干摩擦和半液体摩擦。

半干摩擦是指干摩擦和边界摩擦同时存在的情形，不充分的边界摩擦将导致半干摩擦。

半液体摩擦是液体摩擦和边界摩擦同时存在的情形，不充分的液体摩擦会导致半液体摩擦。工业设备经常处于混合摩擦状况。第14页，共29页，2023年，2月20日，星期五三、润滑状态与摩擦系数关系前面表1-1根据油膜厚度鉴别润滑状态的办法虽然是可靠的，但测量上十分困难，往往不便采用。这里是以摩擦系数数值作为判断各种润滑状态的依据。第15页，共29页，2023年，2月20日，星期五第16页，共29页，2023年，2月20日，星期五四、润滑流体的粘度1、运动粘度与动力粘度（1）通过自学搞清楚运动粘度与动力粘度的概念。（2）会根据流体流动莫型推导Newton粘性定理。（3）搞清楚粘度与温度，与压力的关系。第17页，共29页，2023年，2月20日，星期五五、Reynolds方程1、假设共有八条假设如下：第18页，共29页，2023年，2月20日，星期五第19页，共29页，2023年，2月20日，星期五2、方程推导这里采用流体力学中微单元体分析方法推导雷诺方程。主要步骤是：1、由微单元体受力平衡条件，求出流体沿膜厚方向的流速成分布2、将流速沿油膜厚度方向积分，求得流量3、应用流量连续性条件，最后导出Reyonls(雷诺）方程的普遍形式第20页，共29页，2023年，2月20日，星期五第21页，共29页，2023年，2月20日，星期五第22页，共29页，2023年，2月20日，星期五第23页，共29页，2023年，2月20日，星期五第24页，共29