工程摩擦学基础第三章

第三章摩擦FRICTION教学目的及要求引见摩擦的概念、分类及丈量方法引见古典摩擦定律及其局限性熟习常用的摩擦实际的要点及其适用范围掌握影响摩擦的各要素及其发扬作用的内在本质教学重点、难点各种摩擦实际的要点及其运用范围影响摩擦的各要素及其发扬作用的内在本质学时分配：4学时教学手段：讲授、提问一、概述★定义：两相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力叫做摩擦力，这种景象即为摩擦。§3－1摩擦的概念与分类★摩擦的危害：●耗费大量能量。抑制摩擦力，降低机械效率●摩擦副磨损。●产生热量。摩擦热使机械温度升高，降低机械强度、热变形、热疲劳、热磨损等阐明：摩擦的有益作用是毋庸置疑的。摩擦生热、钻木取火、人走路、车行驶、离合器、制动器、皮带传动、………机械运动中，发生相对运动的零部件统称为摩擦副，如轴与轴承、齿轮啮合、蜗轮与蜗杆、凸轮与挺杆、皮带与皮带轮等。二。摩擦的类型▲按摩擦发生的部位分类：外摩擦：两相互接触的物体外表之间发生的摩擦内摩擦：同一物体内部各个部分之间发生的摩擦，普通发生在液体或气体。▲按摩擦副的运动形状分类：静摩擦：外力作用，但未发生相对运动。动摩擦：外力作用下发生相对运动▲按摩擦副的运动方式分类：滑动摩擦：两接触物体相对滑动时的摩擦。滚动摩擦：物体在力矩作用下沿接触外表滚动时的摩擦。转动摩擦：物体在力矩作用下沿接触外表转动时的摩擦。复合摩擦：同时存在滑动和滚动摩擦。▲按摩擦副的光滑形状分类干摩擦：名义上无光滑剂时的摩擦流体摩擦：两摩擦外表被一层延续的流体光滑剂薄膜完全隔开时的摩擦边境摩擦：两摩擦外表间的流体光滑剂膜不延续，但外表被极薄的光滑膜隔开混合摩擦：同时存在流体摩擦、边境摩擦和干摩擦的混合形状下的摩擦，细分为半干摩擦和半流体摩擦。达·芬奇→阿蒙顿→库伦第一定律：摩擦力的方向与接触外表相对运动速度的方向相反，其大小与接触物体间的法向压力成正比，即F＝μN式中：F—摩擦力；μ—摩擦系数；N—法向载荷。第二定律：摩擦力大小与相接触物体间的名义接触面积无关。第三定律：摩擦力的大小取决于资料性质，与滑动速度无关。§3－2古典的摩擦定律二、古典摩擦定律的局限性1.摩擦系数μ的问题实验阐明：硬钢外表对硬钢外表在正常大气条件下，μ约为0.6，但在真空中可高达2；石墨在正常大气条件下摩擦系数μ为0.1，但在很枯燥的空气中可大于0.5。摩擦系数是资料与各种条件的综合特征，而不是资料本身的固有特征。2.接触面积与正压力问题对于很光洁的硬外表，由于接触外表间分子引力起作用，摩擦力也将随接触面积增大而增大。对于极硬资料如钻石或很软资料如聚四氟乙烯〔PTFE〕等，当压力很大时，摩擦力并不与法向载荷成正比，而是：F＝cNx式中:c—常数；x—指数,其值约为2/3～1。3.滑动速度问题实际阐明，多数资料随着滑动速度添加，摩擦系数降低，且两者关系随所受载荷大小而异。§3－3各种摩擦实际概述

目的：了解摩擦产生的缘由，以便控制摩擦。一、机械互锁学说(凹凸说)摩擦是外表粗糙不平的机械互锁作用引起的。即当两外表相对滑动时，由于粗糙不平的外表在不平处相互嵌入，因此产生阻抗物体运动的阻力。VW假设两外表由许多斜角为Θ的微凸体所组成，那么摩擦力就是爬过各微凸体需所力Fi之和。因此摩擦系数μ应为:

μ=〔3-2〕式中F—摩擦力；N—法向载荷。回答是“No〞，这是“机械互锁学说〞的缺乏。根据“机械互锁学说〞，外表越光滑，摩擦力越小。阐明：外表愈粗糙，μ愈大；提高外表粗糙度等级，可以降低μ等景象。Question:YesorNo?二、分子作用实际〔或分子吸引实际〕：德萨古利尔：<实验物理学教程>〔1734〕尤因〔1892〕、汤姆林森〔1929)、普兰德尔、哈迪〔1936〕等提出：摩擦过程中接触外表间的分子相互作用力，是产生摩擦的一个重要缘由。摩擦过程中接触分子分别，又构成新的接触分子，接触分子转换所引起的能量损失等于摩擦力所作的功。

F＝μ〔N+ArPm〕(3-3)式中Pm—单位实践接触面积上的分子力；Ar—实践接触面积。特点：这个学说能解释前面机械互锁学所不能解释的问题。缺乏：但根据这一学说，当载荷不大，外表愈粗糙，实践接触面积愈小时，摩擦力应该越小，这与实践情况不相符合。三、摩擦的粘着和犁沟实际1.简单的粘着实际什么叫粘着？在外加压力作用下，由于外表吸引力的作用而使两外表发生粘合的景象。根本要点：Ⅰ.摩擦外表处于塑性接触形状。因实践接触面积很小，施加法向载荷时，微凸体顶端接触，先弹性变形，接触应力到达接触点的屈服极限σs时产生塑性变形,使接触面积增大，直至能接受载荷为止，那么N=Ar·σs或Ar=N/σsNAr接触点塑性变形，面积增大，支撑外载荷粘着区域Ⅱ。滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的粘滑过程。开场时在接触区域内产生粘着，在切向力作用下相对滑动，粘着点被剪断，整个滑动摩擦是粘着点的构成和剪切交替进展的粘滑过程。Ⅲ。摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。F=Ar·b＋Ac·Pc实践接触面积粘着点剪切强度犁沟面积单位面积犁沟力通常，粘着效应是产生摩擦力的主要缘由，尤其对硬资料而言，犁沟效应可忽略，根据上式有：F=Ar·b=(N/σs)·b故摩擦系数f为：f=F/N=b/σs=此式得出的摩擦系数通常比实践情况小，与实践不相符，在空气中的摩擦系数很大，真空中更大。

从上式可以了解到，假设在金属外表上涂覆一层软金属薄膜，使剪切强度降低，就可以显著降低摩擦系数。2、修正的粘着实际简单粘着实际在静止条件下是比较合理的，实践情况是，摩擦过程中既有法向力的作用，又有切向力的作用，才干使两外表产生相对运动。修正粘着实际主要思索在切向力作用下，使接触面积增大，从而导致摩擦系数添加。N切向力FA0AAr=A0+A此时，资料的屈服是法向力和切向力共同作用的结果。根据应力合成规律有：σ2＋2=K2待定常数,>1即：(N/Ar)2＋(F/Ar)2=K2极限情况：①只需法向力时，=0，σ=σs那么：σs2=K2(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2当量应力即：(N/Ar)2＋(F/Ar)2=K2极限情况：①只需法向力时，=0，σ=σs那么：σs2=K2(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2Ar2=(N/σs)2＋(F/σs)2②当切向力很大时，忽略法向力，那么有：2=σs2当大到等于抗剪切强度b时，开场滑动，那么b2=σs2或=σs2/b2多数金属的σs/b=2～5，故=4～25根据(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2推出：Ar2=(N/s)2＋(F/b)2切向力产生的面积增大部分法向力作用部分，对应于简单粘着实际上式可知，切向力的作用大大添加了实践接触面积〔可增大3倍以上〕，从而使摩擦力或摩擦系数显著增大。尤其是干净外表或在真空条件下，摩擦力增大更多。四、摩擦的分子-机械实际前苏联科学家克拉盖尔斯基提出的学说。要点：这一学说强调摩擦的双重本质，以为两接触外表作相对运动时，即要抑制机械变形的阻力，又要抑制分子相互作用的阻力；摩擦力就是接触面积上分子和机械作用所产生的阻力之和。摩擦力来源于两方面，即分子的相互作用和微凸体的机械作用。总摩擦力为：F＝F1＋F2F1—粘结点上分子间相互作用力；F2—微凸体的犁沟作用所引起的变形阻力。总的摩擦系数：f＝f1＋f2将单个微凸体看成其顶部成球形作为犁沟作用的模型来讨论。分子-机械实际模型设球状微凸体的半径为r，球压入软平面的深度为h，垂直于运动方向的截面积A1为受阻力面积，约等于△ABC的面积，那么A1=ha；微凸体所受的阻力：F2=A1στ=haστστ—软资料的屈服极限。正压力只作用在面积A2上，所以N2=A2σN=a2σNσN—微凸体资料的塑性挤压应力，取σN=στ那么：μ2=又∵〔r-h〕2+a2=r2r2-2rh+h2+a2=r2a2=2rh-h2h很小时，a≈故由机械作用分量求得的摩擦系数：μ2＝由分子作用分量求得的摩擦系数为：μ1=τ0—分子粘着衔接的剪切阻力。对无光滑的金属摩擦副，τ0=25～300KPa；有光滑时为10KPa；对于金属和聚合物的摩擦副τ0=2～5KPa。Pr—摩擦接触点的平均压力。β—系数。总摩擦系数为：μ=μ1+μ2=kx—系数，对单个微凸体的塑性接触kx=0.55；对于弹性接触，kx=0.19。五、摩擦的能量实际对摩擦的能量实际的研讨有两种看法：一种是从外表能量的观念出发分析摩擦机理；另一种是从能量的平衡观念来综合分析摩擦过程外表能量的观念资料的滑动过程中，粘结点的尺寸不仅取决于塑性变形过程，而且还遭到外表的吸引力的影响。μ=τb—粘着点的剪切强度；H—软资料的硬度；Wab—粘着外表的能量；r—粘着点的平均半径；θ—微凸体与程度面的倾斜角。能量平衡实际在摩擦过程中，会出现一些与能量耗费有关的景象，如弹性和塑性变形、发光、辐射、振动及噪声等，要采用了系统分析的方法来解释。设系统构造为S，那么S=｛A,P,R｝式中：A—系统元素；P—元素性质；R—元素之间相互作用。以油光滑齿轮传动为例摩擦学系统有四个元素：摩擦副齿轮1和2；中间资料3；周围介质4。各种齿轮传动的摩擦形状可以差别很大。有的传动是按全膜光滑设计的，例如平面双包络蜗杆传动的光滑设计就是企图获得最正确的流体动力光滑形状。有的齿轮传动是在无油条件下任务，啮合全过程处于干摩擦形状。大多数齿轮传动那么在混合光滑形状下任务，它的一个重要问题是分析载荷的分配。峰点接触边境光滑的摩擦学行为，情况比较复杂。运用黑箱方法作系统分析可将问题简化。§3-4影响摩擦的要素影响摩擦的要素：摩擦副资料的性质、环境气氛、静止接触时间、载荷情况、摩擦副的刚度和弹性、运转速度、温度情况、摩擦外表接触几何特性和外表层物理性质，以及介质的化学作用等。摩擦系数是表示资料摩擦特性的主要参数之一，它与资料外表性质、介质或环境等要素有亲密关系。如钢对钢的摩擦系数可以在0.05～0.8之间这样大的范围内变化。所以，在给出一种资料的摩擦系数时，必需同时给出得出数值的条件和所用的测试设备。一、载荷的影响本质：载荷是经过接触面积的大小和变外形状来影响摩擦的。光滑外表在接触面上的应力约为资料硬度值的一半；而粗糙外表的接触应力到达硬度的2～3倍，即出现塑性变形。当外表是塑性接触时，滑动摩擦系数与载荷无关。在普通情况下，金属外表处于弹塑性接触形状，滑动摩擦系数随着载荷的添加而降低。为什么？实践接触面积的Ar比载荷Fn添加的慢。45钢对铸铁在300r/min和干摩擦条件下，摩擦系数随载荷变化的情况。由于摩擦外表处于弹塑性接触形状，因此滑动摩擦系数随加载速度而改动。当载荷很小时，加载速度的影响更为显著。

干摩擦油光滑加载速度/N.s-15011055050110300滑动摩擦系数0.200.220.260.110.110.14表3-1加载速度的影响〔青铜与钢摩擦〕滑动摩擦系数随加载速度的添加而添加。对于非金属资料，情况较为复杂:试验条件不同时间〔min〕下的摩擦系数f转速〔rpm〕载荷〔N〕5101520253080037.340.060.060.060.060.040.04800133.480.110.110.070.070.050.05800222.460.030.030.020.020.020.02800311.440.040.040.030.030.020.02表3-2酚醛塑料〔A—1〕的摩擦系数与载荷的关系阐明：1)在开场时摩擦系数随载荷添加而添加，摩擦系数到达最大值后，摩擦系数又随载荷添加而减少。2)时间对摩擦系数也有影响。二、外表膜对摩擦系数的影响大多数金属的外表在大气中会自然生成与外表结合强度相当高的氧化膜或其它污染膜；也可以人为地用某种方法在金属外表上构成一层很薄的膜，如硫化膜、氧化膜、软金属膜〔In、Sn、Pb等〕。这些膜在一定厚度内不会改动实践接触面积的大小，而且该膜使金属外表的物理化学性质与基体金属的不同，通常膜的剪切强度低于基体金属的剪切强度。因此，具有外表膜的摩擦副其摩擦主要发生在膜间，金属与金属不易粘着。根据Ff＝Ar×στ可知：

由于外表膜存在，摩擦力和摩擦系数会随之降低摩擦副资料摩擦系数〔f〕真空中加热大气中清洁外表氧化膜钢—钢粘着0.780.27铜—铜粘着1.210.76外表氧化膜对摩擦系数的影响平板资料钢铜平板资料镍平板资料锡铅载荷〔N〕凸脚资料摩擦系数f载荷〔N〕凸脚资料摩擦系数f载荷〔N〕凸脚资料摩擦系数f2.20Pb1.00.501.40Pb0.680.40Pb1.001.3521.400.780.3611.400.3910.401.141.342.40Sn0.660.411.40Sn0.680.40Sn0.900.4821.400.560.3511.400.4410.400.830.512.40Bi0.620.501.40Bi0.391.40Bi0.600.6021.400.440.3411.400.2610.400.541.002.40Al0.710.401.40Al0.511.40Al0.911.0021.400.450.2511.400.2610.400.681.002.40Cu0.371.201.40Cu0.491.40Cu1.001.0021.400.311.4611.400.2710.400.841.142.40Zn0.410.351.40Zn—1.40Zn0.910.8321.400.300.3411.40—10.400.691.102.40钢0.530.231.40钢0.501.40钢0.831.3821.400.820.1711.400.3910.400.600.57表3-4实验室条件下，纯真金属的摩擦系数上表阐明以下几点：纯真金属资料的摩擦副，由于不存在外表氧化膜，摩擦系数比较高滑动摩擦系数随着载荷的添加而降低；同种金属对磨时由于粘着的影响摩擦系数激增膜的构成速度和膜的厚度对摩擦系数也有影响用半径R＝0.3mm的球形压头在40N下沿着涂有铟膜〔厚度＝0.01–10微米〕的工具钢试样外表上滑动时测出。三、资料性质金属摩擦副的摩擦系数，随配对资料性质的不同而不同。分子或原子构造一样或相近的两种资料互溶性大，反之，分子或原子构造差别大那么互溶性小。互溶性较大的资料组成摩擦副，易发生粘着，摩擦系数增高；互溶性较小的资料组成摩擦副，不易发生粘着，摩擦系数普通都比较低。四、滑动速度摩擦系数随滑动速度添加而升高，越过一极大值后，又随滑动速度的添加而减少。当压力增大时，该最大值对应于较小的速度值。滑动速度对摩擦系数的影响，主要是摩擦引起温度的变化所致。滑动速度引起的发热和温度的变化，改动了摩擦外表层的性质和接触情况，因此摩擦系数必将随之变化。对温度不敏感的资料〔如石墨〕，摩擦系数实践上几乎与滑动速度无关。五、温度摩擦副相互滑动时，温度的变化使外表资料的性质发生改动，从而影响摩擦系数，摩擦系数随摩擦副任务条件的不同而变化，详细情况需用实验方法测定。1.对于大多数金属摩擦副而言，其摩擦系数均随