第10章-摩擦学设计

华南理工大学第10章摩擦学设计方法10.2摩擦10.3磨损10.4润滑10.1摩擦状态（a）干摩擦v（b）边界润滑v（c）混合润滑vv（d）薄膜润滑弹性变形v（e）弹流润滑（f）流体润滑v图10.1摩擦状态10.1摩擦状态10.1.1摩擦状态分类与特性1．干摩擦干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。在工程实际中，并不存在真正的干摩擦，因为任何零件的表面不仅会因氧化而形成氧化膜，而且多少也会被润滑油所湿润或受到“油污”。在机械设计中，通常都把这种未经人为润滑的摩擦状态当作“干”摩擦处理（图10.la）。（a）干摩擦v2．边界摩擦边界摩擦又称为边界润滑。当运动副的摩擦表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的吸附性能时的摩擦称为边界摩擦（图10.1b）。润滑油中的脂肪酸是一种极性化合物，它的极性分子能牢固地吸附在金属表面上。吸附在金属表面上的分子膜，称为边界膜。（b）边界润滑v按边界膜形成机理，边界膜分为吸附膜（物理吸附膜及化学吸附膜）和反应膜。润滑剂中脂肪酸的极性分子牢固地吸附在金属表面上，就形成物理吸附膜；润滑剂中分子受化学键力作用而贴附在金属表面上所形成的吸附膜则称为化学吸附膜。吸附膜的吸附强度随温度升高而下降，达到一定温度后，吸附膜发生软化、失向和脱吸现象，从而使润滑作用降低，磨损率和摩擦系数都将迅速增加。合理选择摩擦副材料和润滑剂，降低表面粗糙度值，在润滑剂中加入适量的油性添加剂和极压添加剂，都能提高边界膜强度。3．混合摩擦21minaaRRh（10.1）当摩擦状态处于边界摩擦及流体摩擦的混合状态时称为混合摩擦（图10.1c）。混合摩擦也称为混合润滑。混合润滑及流体润滑可以用膜厚比来大致估计。（c）混合润滑v式中：hmin——两滑动粗糙表面间的最小公称油膜厚度；Ra1、Ra2——两表面轮廓算术平均偏差。4．流体摩擦当运动副的摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦称为流体摩擦，或称为流体润滑。当摩擦面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓峰完全隔开（即＞5）时，即形成了完全的流体摩擦。这时润滑剂中的分子已大都不受金属表面吸附作用的支配而自由移动，摩擦是在流体内部的分子之间进行，所以摩擦系数极小（油润滑时约为0.001~0.008），而且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。v（d）薄膜润滑弹性变形v（e）弹流润滑（f）流体润滑v即使是完全流体润滑状态也可以根据润滑膜的厚薄和摩擦副的变形与否分成薄膜润滑（图10.1d）、弹流润滑（图10.1e）和流体润滑（图10.1f）。薄膜润滑是表面非常光洁的零件在低速条件下形成的润滑膜。弹流润滑是点、线接触的零件由于表面接触压力很高而发生弹性变形所导致的。流体润滑可以是动压流体润滑，也可以是静压流体润滑。摩擦状态典型膜厚润滑膜形成方式应用干摩擦1~10nm表面氧化膜、气体吸附膜等无润滑或自润滑的摩擦副边界润滑1~50nm润滑油分子与金属表面产生物理或化学作用而形成润滑膜低速重载条件下的高精度摩擦副薄膜润滑10~100nm与流体动压润滑相同低速下的点线接触、高精度摩擦副，如精密滚动轴承等弹性流体动压润滑0.1~1m与流体动压润滑相同中高速下点线接触摩擦副，如齿轮、滚动轴承等流体动压润滑1~100m由摩擦表面的相对运动所产生的动压效应形成流体润滑膜中高速下的面接触摩擦副，如滑动轴承液体静压润滑1~100m通过外部压力将流体送到摩擦表面之间，强制形成润滑膜低速或无速度下的面接触摩擦副，如滑动轴承、导轨等表10.1各种摩擦状态的基本特征10.1.2摩擦状态的判断与转化各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，但是单纯由润滑膜的厚度还不能准确地判断润滑状态，尚须与表面粗糙度进行对比。图10.2列出润滑膜厚度与粗糙度的数量级。只有当润滑膜厚度足以超过两表面的粗糙峰高度时，才有可能完全避免峰点接触而实现全膜流体润滑。对于实际机械中的摩擦副，通常几种润滑状态会同时存在，统称为混合润滑状态。10﹣310﹣210﹣1110102厚度/μm图10.2润滑膜厚度与粗糙度高度单分子吸附层边界膜流体润滑膜研磨表面均方根值粗加工表面均方根值弹流膜根据润滑膜厚度鉴别润滑状态的办法虽然是可靠的，但由于测量上的困难，往往不便采用。另外，也可以用摩擦系数值作为判断各种润滑状态的依据。图10.3为摩擦系数的典型数值。纯净金属氧化膜边界润滑边界润滑和流体润滑流体润滑干摩擦状态图10.3摩擦系数的典型值0.0050.010.050.10.51510摩擦系数随着工况参数的改变可能导致润滑状态的转化。图10.4是典型的Stribeck曲线，它表示润滑状态转化过程以及摩擦系数随润滑油粘度、滑动速度v和轴承单位面积载荷p变化的规律。混合润滑边界润滑流体润滑10﹣110﹣210﹣910﹣810﹣7摩擦系数μ轴承特性数p图10.4Stribeck曲线润滑就是将润滑剂导入两摩擦表面，将两摩擦表面部分或全部隔开。这样，摩擦主要发生在润滑剂内部，从而可以大大降低摩擦和减少磨损。根据摩擦面间油膜形成的原理，可把流体润滑分为流体动力润滑及流体静力润滑。流体动力润滑是利用摩擦面间的相对运动而自动形成承载油膜的润滑，如滑动轴承的轴颈与轴承表面的相对运动。流体静力润滑则是从外部将加压的油送入摩擦面间，强迫形成承载油膜的润滑，如精密车床导轨的悬浮。10.4润滑当两个共轭曲面体作相对滚动或滚一滑运动时（滚动轴承中的滚动体与套圈相接触，一对齿轮的两个轮齿相啮合等），若条件合适，也能在接触处形成承载油膜。这时不但接触处的弹性变形和油膜厚度都同样不容忽视，而且它们还彼此影啊，互为因果，因而把这种润滑称为弹性流体动力润滑。当润滑剂不足以把两摩擦表面完全隔开时，仍然可以起到一定的减摩和耐磨作用，这时的润滑是混合润滑或边界润滑状态。下面主要对流体动力润滑、弹流润滑和流体静力润滑的基本理论进行介绍，有关其他润滑机理可查阅有关参考文献。10.4.1流体动力润滑1．润滑油粘度定义流体流动时，由于流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作用，将不断产生剪切变形，而流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能力。粘度是流体粘滞性的度量，用以描述流动时的内摩擦。（1）动力粘度图10.11牛顿流体流动模型AxByOuu=vu=0在厚度为h的流体表面上有一块面积为A的平板，在F力的作用下以速度V运动。此时，由于粘性流体的内摩擦力将运动依次传递到各层流体。由于流体的粘滞性，在相互滑动的各层之间将产生剪应力即流体的内摩擦力，由它们将运动传递到各相邻的流体层，使流动较快的层减速，而流动较慢的层加速，形成按一定规律变化的流速分布。当A、B表面平行时，各层流速v将按直线分布。Newton提出了粘滞剪应力与剪应变率成正比的假设，称为牛顿粘性定律，即:式中，τ——剪应力，即单位面积上的摩擦力，=F/A；γ——剪应变率，即剪应变随时间的变化率。（10.13）牛顿粘性定律可再写成式中，η——流体的动力粘度。粘度是剪应力与单位速度梯度之比，在国际单位制（SI）中，它的单位为N·s/m2或写作Pa·s，如图10.12。但在工程应用中常采用CGS制，动力粘度的单位用Poise，简称泊（P），或泊的百分之一即厘泊（cP）。1P=1dyne·s/cm2=0.1N·s/m2=0.1Pa·s（10.14）dydvv=1m/sFt=1N1m图10.12粘度定义1m1m粘度是剪应力与单位速度梯度之比，在国际单位制（SI）中，它的单位为N·s/m2或写作Pa·s，如图10.12。1Reyn=1lbf·s/in2=1.4510-5P采用英制单位时，动力粘度的单位用雷恩（Reyn）。凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为牛顿流体，而不符合牛顿定律的流体为非牛顿流体，或称具有非牛顿性质。实践证明：在一般工况条件下的大多数润滑油特别是矿物油均属于牛顿流体性质。各种不同流体的动力粘度数值范围很宽。空气的动力粘度为0.02mPa·s，而水的粘度为1mPa·s。润滑油的粘度范围为2mPa·s~400mPa·s，熔化的沥青可达700mPa·s。（2）运动粘度在工程中，常常将流体的动力粘度与其密度的比值作为流体的粘度，这一粘度称为运动粘度，常用表示。运动粘度的表达式为：（8.15）运动粘度在国际单位制中的单位用m2/s。在CGS单位制中，运动粘度的单位为Stoke，简称St（斯），1St=102mm2/s=10-4m2/s。实际上常用St的百分之一即cSt作为单位，称为厘斯，因而1cSt=1mm2/s。通常润滑油的密度=0.7g/cm3~1.2g/cm3，而矿物油密度的典型值为0.85g/cm3，因此运动粘度与动力粘度的近似换算式可采用1(cP)=0.851(cSt)常用的润滑油的运动粘度在附表2.1中给出。（3）粘度与温度的关系粘度随温度的变化是润滑剂的一个十分重要的特性。通常，润滑油的粘度越高，其对温度的变化就越敏感。从分子学的观点来看：当温度升高时，流体分子运动的平均速度增大，而分子间的距离也增加。这样就使得分子的动量增加，而分子间的作用力减小液体的粘度随温度的升高而急剧下降，严重影响它们的润滑作用。为了确定摩擦副在实际工况条件下的润滑性能，必须根据润滑剂在工作温度下的粘度进行分析。对于润滑剂的粘度温度特性已作了大量的研究，并提出了许多关系式，其中有的公式是根据对液体流动模型的分析得出的，而有的公式则完全是经验数据的总结，因而，各种公式都存在着应用上的局限性。①粘温方程常用的粘度与温度的关系式是Reynolds粘温方程，它可以写成：)(00TTe（10.16）式中，0——温度为T0时的粘度；——温度为T时的粘度；——温粘系数，可近似取作0.031/C。100HLULVI（10.17）②粘度指数VI用粘度指数（VI值）来表示各种润滑油粘度随温度的变化程度，是一种应用普遍的经验方法。它的表达式为：先测量出待测油在210F（85C）的运动粘度值，然后据此选出在210F具有同样粘度且粘度指数分别为0和100的标准油。式中的L和H是这两种标准油在100F（38C）时的运动粘度。U是该待测油在100F时的运动粘度。然后用式（10.17）计算得到该润滑油的粘度指数值。在附表2.2中给出了几种润滑油的粘度指数。粘温指数高的润滑油表示它的粘度随温度的变化小，因而粘温性能好。③粘温曲线Reynolds粘温方程在数值计算中使用起来较方便，但有时更准确的描述粘温关系应当使用其他的方程、粘度指数或曲线图等。附图2.1给出了几种常用牌号的润滑油的粘温曲线。（4）粘度与压力的关系当液体或气体所受的压力增加时，分子之间的距离减小而分子间的引力增大，因而粘度增加。通常，当矿物油所受压力超过0.02GPa时，粘度随压力的变化就十分显著。随着压力的增加粘度的变化率也增加，当压力增到几个GPa时，粘度升高几个量级。当压力更高时，矿物油丧失液体性质而变成蜡状固体。由此可知：对于重载荷流体动压润滑，特别是弹性流体动压润滑状态，粘压特性是非常重要的问题。常用的描述粘度和压力之间变化规律的Barus粘压方程是：pe0（10.18）式中，——压力p时的粘度，0——大气压下的粘度；——粘压系数，可取2.210-8m2/N。当压力大于1GPa后，Barus粘压方程计算的粘度值过大，不再适用。2．流体动力润滑原理两个作相对运动物体的摩擦表面，用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，称为流体动力润滑。所用的粘性流体可以是液体（如润滑油），也可以是气体（如空气等），相应地称为液体动力润滑和气体动力润滑。流体动力润滑的主要优点是，摩擦力小，磨损小，并可以缓和振动与冲击。下面简要介绍流体动力润滑中的楔效应承载机理。图10.13流体动压润滑原理（a）平行情况ABv图10.13a所示A、B两板平行，板间充满有一定粘度的润滑油，若板B静止不动，板A以速度V沿x方向运动。由于润滑油