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1、机械设计摩擦原理第1页，本讲稿共20页引 言4-0 引 言 摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高，表面磨损。过大的磨损会使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。世界上使用的能源大约有 1/31/2 消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废。润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效方法。关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。第2页，本讲稿共20页4-1 摩 擦4-1摩 擦一、摩擦的分类一、摩擦的分类静 摩 擦
2、动 摩 擦1 按运动的状态不同分为：滑动摩擦滚动摩擦2 按运动的形式不同分为：干摩擦边界摩擦流体摩擦混合摩擦3 滑动摩擦滑动摩擦按润滑状态不同分为：第3页，本讲稿共20页摩 擦2摩 擦二、滑动摩擦的四种摩擦状态二、滑动摩擦的四种摩擦状态 1）干摩擦：是指表面间无任何润滑剂或保护膜，表面金属直接接触时的摩擦。2）边界摩擦：是指两摩擦面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性能的摩擦。研究干摩擦的理论主要 有：“机械理论”、“分子理论”、“机械分子理论”等。其摩擦阻力最大，磨损最严重。第4页，本讲稿共20页摩 擦3摩 擦 润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅
3、，称为物理吸附膜。润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力，称为油性。润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜，称为化学化学吸附膜。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：第5页，本讲稿共20页摩 擦4摩 擦 ）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。能生成反应膜的润滑油称为极压油。注：温度对边界膜的影响很大。温度越高，边界膜越容易破坏。反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜，这种能力称为极压
4、性。流体摩擦（或称流体润滑）的原理在本章第四节详细介绍。其摩擦系数最小，且不会产生磨损，是理想的摩擦状态。第6页，本讲稿共20页摩 擦5 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为边界摩擦。4 4）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。摩 擦第7页，本讲稿共20页 磨损主要是运动副中的摩擦导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，促使机器提前报废。4-2磨 损4-2 磨 损 单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系
5、。一、典型宏观磨损过程一、典型宏观磨损过程 磨损量时间磨合稳定磨损剧烈磨损 一个机械零件的磨损过程大体可分为三个阶段：1）磨合阶段 磨合（跑合）：是指新零件在运转初期的磨损。第8页，本讲稿共20页磨 损1 新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。新摩擦表面的微观形貌2）稳定磨损阶段 这个阶段属于零件的正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这一阶段的长短直接影响机器的寿命。3）剧烈磨损阶段 零件经长时间工作磨损以后，表面精度下降，效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损加剧，最终导
6、致零件报废。磨 损注：应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。第9页，本讲稿共20页磨 损2二、磨损的类型 磨 损 按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型：1）粘着磨损也称胶合 2）疲劳磨损即疲劳点蚀 3）磨粒磨损也称磨料磨损，4）腐蚀磨损 摩擦表面的微观凸峰粘在一起后，在相对运动中，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。是外界的硬颗粒或粗糙的硬表面在相对运动中，对摩擦表面的擦伤所引起的磨损。是高副（点、线接触）机械零件的常件磨损形式。第10页，本讲稿共20页磨 损3 摩擦表面在摩擦过程中，伴随有表面材料被腐蚀的现象，这种情况下产生的磨损即为腐蚀磨损。三
7、、减小磨损的主要方法三、减小磨损的主要方法（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。（2）合理选择摩擦副材料 （3）进行表面处理（4）注意控制摩擦副的工作条件等磨 损 除了上述四种基本磨损类型以外，还有侵蚀磨损、微动磨损等其他形式，由于时间关系，不多讲。第11页，本讲稿共20页4-3润滑4-3 润滑剂、添加剂、润滑方法润滑：是指在两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。此外，润滑还可起到散热降温，防锈、防尘，缓冲吸振等作用。一、润滑的分类一、润滑的分类 1）流体动力润滑：靠两摩擦表面的相对运动建立压力油膜（称 为动压油膜），两表面被压力油膜完全分开，实现流体润滑。2）流体静力润滑：两
8、摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完 全分开，强迫形成压力油膜，实现流体润滑。3）弹性流体动力润滑：是指理论上为点、线接触的摩擦副，在考虑表面的弹性变形等因素的基础上建立的流体动力润滑。4）边界润滑和混合润滑 （即边界摩擦和混合摩擦）。第12页，本讲稿共20页润滑剂二、润滑剂二、润滑剂润 滑：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。凡是能减小摩擦阻力，减小磨损的物质都可作为润滑剂。1 润滑剂的分类1）液体润滑剂：主要有：动植物油、矿物油、水、液态金属等。2）润滑脂：注：润滑油和润滑脂在实际中应用最广。俗称黄油。由润滑油+稠化剂混合而成。润滑脂的主要性能指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决定工作温度。
9、3)固体润滑剂4）气体润滑剂：如空气、氮气、二氧化碳等。第13页，本讲稿共20页润滑油的主要性质润 滑2 润滑油的主要性质1）油性：是润滑油吸附于摩擦表面形成边界膜的能力。油性越好，吸附能力就越强。2）粘度：是表示油液内部相对运动时产生内摩擦阻力大小的性能 指标。（粘度是选择润滑油的主要依据）。下面分析粘度的物理意义：两个平行的平板之间充满润滑油，B板静止，A板以速度 运动，各油层的速度呈直线分布。相邻油层之间有相对运动，会产生内摩擦阻力。第14页，本讲稿共20页粘度润 滑研究表明：油液内摩擦切应力 与速度梯度 成正比。即式中：即为润滑油的动力粘度。其国际单位为：（帕秒）动力粘度 与同温度下该
10、流体的密度 之比，称为运动粘度 。即运动粘度 运动粘度 的国际单位是：，此单位太大，常用注：我国润滑油的牌号就是用40下运动粘度的平均值表示的。（数）影响粘度的主要因素：a)温度 温度 润滑油的粘度 （见图4-10）第15页，本讲稿共20页添加剂润 滑b)压力 当压力5MPa时，对粘度的影响不大，可不予考虑。当压力5MPa时，粘度随压力升高明显增加，不能忽略其影响。式中：为一个大气压下的粘度；为粘压指数；为压强。三、添加剂三、添加剂 为了改善润滑剂某些方面的性能，在润滑剂中加入的化学合成物，称为添加剂。添加剂的种类很多，例如：油性添加剂、极压添加剂、降凝剂、增粘剂等第16页，本讲稿共20页4-
11、4流体动力润滑基本原理4-4 流体动力润滑的基本原理一、形成动压油膜的条件一、形成动压油膜的条件 先分析两个平行平板的情况，两板之间充满润滑油。平行间隙不能形成动压油膜。再分析两板之间构成楔形间隙的情况，如右图所示。油压分布曲线 楔形间隙能够形成动压油膜。（动画）流体动力润滑是指借助于两个摩擦表面的相对运动产生动压油膜，靠油膜的压力将两摩擦表面完全隔开，实现流体润滑。第17页，本讲稿共20页流体动力润滑原理2形成动压油膜的条件：1）两摩擦表面之间必须能形成收敛的楔形间隙；3）两表面之间必须有一定的相对运动速度。2）两表面之间必须连续充满具有一定粘度的液体；二、雷诺润滑方程二、雷诺润滑方程 从动
12、压油膜中取出一个微元体，在一定假设下对其进行受力分析，经推导可得表示油膜压力在 x 方向的变化率 与油膜厚度 h 之间关系的方程：流体动力润滑的基本原理详细推导第18页，本讲稿共20页流体动力润滑原理3流体动力润滑的基本原理式中：为油压最大处的油膜厚度；、分别为油膜中某截面处的（坐标为x）油压和油膜厚度。上式即为一维雷诺润滑方程。利用雷诺方程也可解释形成动压油膜的条件。第19页，本讲稿共20页流体润滑流体润滑原理简介二、弹性流体动力润滑 弹性流体动力润滑理论是研究在点、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。这时的计算必须把在油膜压力下，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与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题。（详细说明）流体静力润滑是指借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润滑方式。三、流体静力润滑（详细说明）采用流体静力润滑可在两个静止且平行的摩擦表面间形成流体膜，其承载能力不依赖于流体粘度，故能用粘度极低的润滑剂，且既可使摩擦副有较高的承载能力，又可使摩擦力矩降低。第20页，本讲稿共20页