机械设计精品课程-课件第4章

§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章机械零件设计概论生活中哪些摩擦是有益的，哪些是有害的？鞋底上为什么有花纹?通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦滚动代替滑动可以将摩擦减小到原来的1/20~1/30为什么加了润滑油的轴承滚动加快？加润滑油可以使摩擦减小到原来的1/8~1/10§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。同样摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施。§4-0概述▲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。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。一、摩擦的分类内摩擦：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：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。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1.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！二、滑动摩擦状态→功耗↑磨损↑温度↑→烧毁轴瓦潘存云教授研制潘存云教授研制2.边界摩擦三、滑动摩擦状态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有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触。是理想的摩擦状态。3.液体摩擦摩擦和磨损极轻，f≈0.001~0.01v潘存云教授研制4.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。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。可实现：f≤0.001----超润滑摩擦状态。机器的寿命磨损—由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。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§4-2磨损磨损过程如图：▲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而外的动载荷和振动。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。磨粒磨损磨损的分类：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两种不同的称谓磨粒磨损：磨粒磨损—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，这样的微粒切削过程就叫磨粒磨损。潘存云教授研制粘附磨损：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。潘存云教授研制疲劳磨损：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。潘存云教授研制冲蚀磨损：冲蚀磨损—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。。潘存云教授研制微动磨损—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。腐蚀磨损—当摩擦表面材料在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生的磨损即为腐蚀磨损。一、润滑剂作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。分类液体润滑剂----润滑油半固体润滑剂----润滑脂固体润滑剂气体润滑剂----空气§4-3润滑剂、添加剂和润滑方法1.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：有机油----动、植物油矿物油----石油产品，化学合成油§4-3润滑剂、添加剂和润滑方法粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈差润滑粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩氏粘度）等表示。我国的石油产品常用运动粘度来标定。（1）动力粘度（2）运动粘度3/mkgη为动力粘度，单位为Pa•s；为密度，单位为sm2ν为运动粘度，单位为。潘存云教授研制润滑油的特性：1）粘----温相关性温度t↑压力p↑→η↓但p10Mpa时可忽略。变化很小→η↑粘--温图0.080.070.060.050.040.030.020.0130405060708090℃ηL-TSA32L-TSA32L-TSA32L-TSA32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。2.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。3.润滑剂的使用润滑剂选用的基本原则是：在低速、重载、高温、间隙大的情况下，应选用粘度较大的润滑油；在高速、轻载、低温、间隙小的情况下应选粘度较小的润滑油。润滑脂主要用于速度低、载荷大、不需经常加油、使用要求不高或灰尘较多的场合。气体、固体润滑剂主要用于高温、高压、防止污染等一般润滑剂不能适用的场合。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制润滑油供油方式有：4、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喷油润滑油泵冷却器滴油润滑浸油润滑飞溅润滑潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制针阀式油杯旋盖式油杯脂用潘存云教授研制压注式油杯弹簧盖油杯润滑装置1.油杯潘存云教授研制潘存云教授研制2.油环潘存云教授研制潘存云教授研制一、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。两平形板之间不能形成压力油膜！潘存云教授研制一、流体动力润滑§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。vvvh1aah2ccvvFpmax潘存云教授研制F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。其运动芳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→将轴起抬转速继续升高→质心左移→稳定运转达到工作转速e----偏心距e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：润滑剂粘度不随压力变化；零件摩擦表面为刚体；潘存云教授研制潘存云教授研制依靠润滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将润滑剂带入间隙。由于接触压力较高使接触面发生局部变形，接触面积增大，并形成了一个平行缝隙，在出油口处的接触面边缘出现了使间隙变小的突出部分，称为缩颈现象，此处形成了最小油膜厚度，出现了第二个峰值压力。V2FV1V1V2F赫兹接触区V1V2FV1V2F赫兹接触区hminh0第二个峰值压力干摩擦接触弹性流体动力润滑的机理：与干摩擦进行对比分析潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制节流器节流器D~工作原理：依靠供油装置，将高压油压入轴承间隙中，强制形成油膜。特点：静压轴承载任何工况下都能胜任工作。d0d0常用节流器关键器件：节流器节流器作用：根据外载荷的变化自动调节各油腔内的压力。油台起密封作用三、流体静力润滑1)静压轴承2)空气轴承空气也是一种流体润滑剂，其粘度只有L-AN7润滑油的1/4000，摩擦力小到可忽略不计，因此可用于数十万转的超高速轴承。空气轴承的工作原理与液体润滑轴承本质上是一样。分静压和动压两种。气膜厚度----20μm制造精度↑严格过滤优点：1)不随温度变化，可用于高温或低温；2)没有油污染的危险；3)回转精度高，运行噪音低。缺点：承载能力不大，密封困难。