机械设计----摩擦

1第三章磨擦、磨损及润滑（一）教学要求掌握摩擦副分类及基本性质、磨损过程和机理及润滑的类型及润滑剂类型。（二）教学的重点与难点摩擦副基本性质和典型磨损过程（三）教学内容§3—1摩擦摩擦——两接触的物体在接触表面间相对滑动或有一趋势时产生阻碍其发生相对滑动的切向阻力，——这种现角叫磨擦磨损——由于摩擦引起的摩擦能耗和导致表面材料的不断损耗或转移，即形成磨损。使零件的表面形状与尺寸遭到缓慢而连续破坏→精度、可靠性↓效率↓直至破坏润滑——减少摩擦、降低磨损的一种有效手段。摩擦学（Tribology）——包含力学、流变学、表面物理、表面化学及材料学、工程热物理学等学科，是一门边缘和交叉学科。摩擦内摩擦——发生在物质内部外摩擦——两个相互接触表面之间的摩擦接运动状态——摩擦静摩擦——仅有相对滑动趋势时的摩擦动摩擦本节只讨论金属摩擦副的滑动摩擦根据摩擦面间存在润滑剂的状况，干摩擦——最不利滑动摩擦边界摩擦（边界润滑）——最低要求流体摩擦（流体润滑）——如图3-1所示混合摩擦（混合润滑）——最理想各种状态下的摩擦系数见表3-1，图3-2为摩擦特性曲线pvf/的关系。一、干摩擦——两摩擦表面直接接触，不加入任何润滑剂的摩擦而实际上，即使很洁净的表面上也存在脏污膜和的氧化膜，∴实际f比在真空中测定值小很多。摩擦理论：①库仑公式nffFF（nF—法向力）——至今沿用机理：②机械摩擦理论→认为两个粗糙表面接触时，接触点相互啮合，摩擦力为啮合点问切向阻力的总和，表面越粗糙，摩擦力就越大。但不能解释光滑表面间的摩擦现象——表面愈光滑、接触面越大，fF越大，且与滑动速度V有关。③新理论：分子—机械理论、能量理论、粘着理论—常用简单粘着理论：如图3-3所示，摩擦副真实接触面积Ar只有表现接触面积A的百分之2一和万分之一，)10000~100/(AAr，∴接触面上压力很大，很容易达到材料的压缩屈服极限sy→产生塑性流动→接触面↑，∴nF↑应力并不升高∴synFAr（3-1）接触点塑性变形后→脏污膜遭破坏，容易使基本金属产生粘着现象→产生冷焊结点→滑动时，先将结点切开，设结点的剪切强度极限为B，则摩擦力为BsynBrfFAF（3-2）∴金属摩擦系数syBnfFFf（3-3）B两接触金属中较软者的剪切强度——剪切发生在软金属站界面的剪切强度极限BffB,（脏污表面）——剪切发生在结点金属上sy——较硬的基本材料的压缩屈服极限∵大多数金属syB/很相近，∴f很相近∴降低摩擦系数的措施：在硬金属基体表面涂覆一层极薄的软金属（使）sy取决于基体材料，B取决于软金属。二、边界摩擦（边界润滑）——摩擦面上有一层边界膜起润滑作用边界膜物理吸附膜——润滑油中脂肪酸极性分子与金属表面相互吸引而引成的吸附膜，其摩擦如图3-4a和3-4b所示，图3-5为吸附在金属表面上的多层分子膜模型，距表面愈远吸附能力愈弱，剪切强度愈低，∴f随层数而下降。膜——边界膜较薄（一个分子长约2nm，如膜有10个分子厚，其厚度为0.02μm，远小于两摩擦表面的粗糙度之和），∴磨损不可避免。另外，温度对物理吸附膜影响较大→受热膜易脱附、乱向甚至破坏，∴适于常温、轻载、低速下工作。化学吸附膜——由润滑油中的分子靠分子键与金属表面形成化学吸附的称——强度、稳定性好于物理吸附膜，受热后熔化温度较高，适合于中等载荷、速度和温度下工作。化学反应膜——润滑油中加入硫、磷等元素的化合物（即添加剂）与金属表面进行化学反应而形成的膜——较厚、熔点较高、剪切强度较低、稳定性较好，∴适合于重载、高速和高温。减小边界摩擦的措施：1）控制PV（控制摩擦发热，防止脱附）；2）合理选择摩擦副材料及润滑剂；33）降低表面粗糙度；4）在润滑剂中加入油性润滑剂和极压添加剂，提高边界膜的强度。三、混合摩擦（润滑）膜厚比)/(21aalinRRhlinh——两滑动表面间，最小公称油膜厚度；)(,21mRRaa21,aaRR——分别为两表面轮廓算术平均偏差。1——边界摩擦5~1——混合摩擦。越大，油膜承载比例截止大，此时虽仍有一些微凸体直接接触，但其摩擦阻力小得多，f也比边界摩擦小得多。四、流体摩擦（润滑）——膜厚比5摩擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓完全隔开时，即形成了全液体摩擦，f极小，是理想摩擦状态。§3—2磨损磨损是摩擦的直接结果，→使材料损耗↓，工作精度↓，可靠性↓，一般是有害的，但工程上也有利用磨损作用的场合：如精加工中的磨削与抛光、机器的跑合等。一、典型的磨损过程——如图3~61、磨合磨损过程——形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小。2、稳定磨损阶段——经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓习——该段时间长短反映零件的寿命。3、急剧磨损阶段——经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大→动载、振动→润滑状态改变→温升↑→使磨损速度急剧上升→直至零件失效注意：实际机械零件在使用过程中，这三个过程无明显界限。若不经跑合，压力过大，v过高或润滑不良等，则经跑合直接进入剧烈磨损阶段。二、磨损的类型1、粘着磨损——由于吸附膜破裂而使轮廓直接接触形成冷焊结点（粘着），并由于接触表面间的相对运动使材料由—表面→转移至另一表面，载荷越大，温度越高，粘着越严重。粘着磨损程度：1）轻微磨损（较浅层）2）涂抹（剪切在软金属浅层）3）划伤（剪切在软金属浅层硬表面划伤）4）撕脱（剪切在基本金属较深处）胶合——高速重载接触副常5）咬死见失效形式2、磨粒磨损——由于外部进入的硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物在较软的材料表面（犁刨出很多沟没时被移去的材料）进行微切削的过程叫磨粒磨损。零件材料表面越硬，磨损越小，一般要求金属材料的硬度应至少比磨粒硬度大30%。3、表面疲劳磨损——受交变接触应力的摩擦副表面微体积材料在重复变形时疲劳破坏而从摩擦副表面剥落下来，这种现象称表面疲劳磨损（点蚀）。减少表面疲劳磨损的措施：1）减小接触应力；2）提高硬度；3）减小表面粗糙度；4）适当提高润滑油的粘度，在润滑油中加入极压添加剂和固体润滑剂。4、腐蚀磨损——摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的磨4损。腐蚀磨损氧化磨损——铝合金表面酸、水、氧化膜起保护作用，钢铁表面脆性氧化膜22OFe、43OFe起腐蚀作用。特殊介质腐蚀磨损——与酸、碱、盐等特殊介质作用而引起的腐蚀磨损。a)侵蚀磨损——由于流体在与零件作相对高速运动时产生气泡，气泡在溃灭的瞬间产生极大的冲击力和高温，由于其反复作用，使零件表面产生疲劳破坏出现麻点，并扩展为海绵状空穴——气蚀磨损。侵蚀磨损气蚀磨损——内燃机和缸套外壁，水轮机叶片，水泵零件等冲蚀磨损——由于流体夹带硬质颗粒以一定速度冲击零件表面引起的磨损称为~，如水泵零件、水轮机、火箭尾部喷管等。b)微动磨损——是一种较隐蔽的由粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损共同形成的一种复合磨损。它发生在名义上相对静止、实际上存在循环的微幅相对滑动的两个紧密接触的表面上。机理：1）先粘着磨损→氧化（腐蚀磨损）→氧化后的颗粒留在接触处而起磨粒作用，造成表面磨粒磨损→工作表面变粗糙，引起疲劳裂纹。§3—3润滑润滑剂的作用：除了降低摩擦，减小磨损外，还起到冷却、降温，减缓锈蚀，缓冲吸振、清污和密封等作用。一、润滑剂及主要性能润滑剂液体（水、油）（橡胶、塑料零件的润滑）单固体——润滑脂固体——石墨、二硫化钼气体——（空气）适于高速高温、防污染等特殊场合常用润滑滑润滑脂1、润滑油有机油（动植物油）——使用较少，性能不稳定矿物油（石油产品）——来源广、成本低，适用范围广且稳定性好，∴故应用最为广泛合成油（用化学手段合成）——有特殊性能，针对特殊用途，且成本较高性能指标：1）粘度——表征润滑油流动时其油层内摩擦阻力的大小的一个主要指标，详见后面定义。2）油性——润滑油的极性分子与金属表面吸附形成的边界油膜的吸附能力。在低速、重载的情况下，一般都是边界润滑，油性就有特别重要的意义。3）凝点——润滑油冷却到不能流动时的温度称~，在低温下工作的机械应用凝点低的润滑油。4）闪点和燃点——蒸发的油气，一遇火焰即能闪光时的最低温度，称为油的闪点。闪光时间长达5S时油温称为燃点。高温工作时应选闪点较高的润滑油。5）极压性能——是指加入含硫、磷、氯的有机极性化合物（极压添加剂）后，油中极性分子在金属表面生成抗腐，耐高压化学反应边界膜的性能。在重载、高速、高温条件下极压性很重要。6）氧化稳定性——防止高温下润滑油氧化生成酸性物质从而影响润滑油的性能并腐蚀5金属。常用润滑油新旧牌号对照及性能和应用见表3-2，注意，牌号数值越大，润滑油粘度越高。2、润滑脂——润滑油加稠化剂（如钙、钠、锂的金属皂）的膏状混合物分类——按皂基不同钙基润滑脂—抗水性好，价谦，但耐热性差T55°~65℃钠基润滑脂—耐热性较好，T120℃,但抗水性差，有一定防腐性锂基润滑脂—抗水性良好，较好的吸附能力，有一定的防锈能力。但耐热性较差T50℃(70℃)此外，还有复合基润滑脂及特种润滑脂。润滑脂的主要性能指标：（1）针入度——表示润滑脂稀周度的指标，是润滑脂的一项主要指标，润滑脂牌号即为其针入度的等级，牌号越小，针入度等级越高。（2）滴点——反映润滑脂的耐高温性能，润滑脂的工作温度应低于滴点20~30℃。（3）安全性——反映润滑脂在贮存和使用过程中维持润滑性能的能力，包括抗水性，抗氧化性和机械安定性。常用润滑脂的牌号、性能及应用见表3-3。3、固体润滑剂——用固体粉末代替润滑油膜，称为~无机化合物石墨f=0.05~0.15有良好的粘附性和高的导热、导电能性二硫化钼最常用氮化硼f=0.02~0.2有牢固的粘附性以上在低温和高温条件下使用有机化合物蜡聚氟乙烯酚醛树脂金属及金属化合物Pb、Zn、Sn等一般用于不适合用油脂润滑的情况4、润滑剂的添加为改善润滑剂的性能而加进润滑剂中的某些物质称为~种类极压添加剂—重载—降凝剂—降低凝固温度油性添加剂—增加吸附能力—防锈剂—防止锈蚀粘度指数改进剂—改变粘度抗蚀添加剂—耐腐蚀消泡添加剂—高速运动时给出侵蚀磨损最常用的有：极压添加剂—在重载接触副中使用，能在高温下分解出一种活性元素与金属表面起化学反应，生成一种低剪切强度的金属化合物薄层，以增进抗粘着能力。它有各种不同的类型油性添加剂—边界润滑添加剂，由极性很强的分子组成，在常温下也能吸附在金属表面形成边界膜二、粘性定律与润滑油的粘度1、粘性定律6粘度——流体抵抗变形的能力，它标志着流体内摩擦阻力的大小如图3-7所示，流体（有一定粘度）在两个平行板之间（不可压缩），施力F于A板使之以速度v移动，另一极B静止不动，两板间润滑油作层流运动，y处油层流动速度为μ，流动时各油层间存在切应力τ，与该处的速度梯度yu成正比，牛顿流体粘性定律：—层流yu（3-5）τ——流体单位面积上的切应力（剪切阻力）yu——流体垂直于运动方向的速度梯度“-”表示μ随y增大而减小。η——比例常数，流体的动力粘度满足牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体。2、粘度常用单位（1）动力粘度η如图3-8所示，长、宽、高各为1m的液体，如果使上、下平面发生1m/s的相对滑动速度，所需施加的力F为1N时，该液体的粘度为1N·s/m2或1Pa·s（帕·s）（国际单位制）1dyn·s/cm2—1P（泊），P1001称为CP（厘泊）1Pa·s=10P=1000CP（2）运动粘度v——动力粘度η与同温度下该液体的密度ρ的比值)/(/)(3mkgsPav(m2/s)(3-6)一般矿物油密度3/900~850mkg物理单位：cm2/s，—1St（斯），cStSt1001（厘斯）换算关系：1m2/s=104St=106Cst，1cSt=1mm2/s润滑油的牌号即是以运动粘度以厘斯为单位的平均值为其牌号老国标是以50℃时的平均运动粘度值为其牌号GB443-64新国