工程摩擦學(xué)基礎(chǔ)-

1、 第三章 摩 擦FRICTION教學(xué)目的及要求 介紹摩擦的概念、分類及測(cè)量方法 介紹古典摩擦定律及其局限性 熟悉常用的摩擦理論的要點(diǎn)及其適用范圍 掌握影響摩擦的各因素及其發(fā)揮作用的內(nèi)在實(shí)質(zhì)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 各種摩擦理論的要點(diǎn)及其應(yīng)用范圍 影響摩擦的各因素及其發(fā)揮作用的內(nèi)在實(shí)質(zhì) 學(xué)時(shí)分配：4學(xué)時(shí) 教學(xué)手段：講授、提問一、概 述 定義：兩相互接觸的物體在外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面間產(chǎn)生切向的運(yùn)動(dòng)阻力叫做摩擦力，這種現(xiàn)象即為摩擦。 31 摩擦的概念與分類摩擦的危害： 消耗大量能量?？朔Σ亮?，降低機(jī)械效率 摩擦副磨損。 產(chǎn)生熱量。摩擦熱使機(jī)械溫度升高，降低機(jī)械強(qiáng)度、熱變形、熱

2、疲勞、熱磨損等 說明：摩擦的有益作用是毋庸置疑的。摩擦生熱、鉆木取火、人走路、車行駛、離合器、制動(dòng)器、皮帶傳動(dòng)、 機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件統(tǒng)稱為摩擦副，如軸與軸承、齒輪嚙合、蝸輪與蝸桿、凸輪與挺桿、皮帶與皮帶輪等。二。摩擦的類型 按摩擦發(fā)生的部位分類： 外摩擦：兩相互接觸的物體表面之間發(fā)生的摩擦 內(nèi)摩擦：同一物體內(nèi)部各個(gè)部分之間發(fā)生的摩擦，一般發(fā)生在液體或氣體。按摩擦副的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分類： 靜摩擦： 外力作用，但未發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 動(dòng)摩擦： 外力作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)按摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式分類： 滑動(dòng)摩擦：兩接觸物體相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦。 滾動(dòng)摩擦：物體在力矩作用下沿接觸表面滾動(dòng)時(shí)的摩擦。 轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦：物

3、體在力矩作用下沿接觸表面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦。 復(fù)合摩擦：同時(shí)存在滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦。按摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)分類 干摩擦：名義上無潤(rùn)滑劑時(shí)的摩擦 流體摩擦：兩摩擦表面被一層連續(xù)的流體潤(rùn)滑劑薄膜完全隔開時(shí)的摩擦 邊界摩擦：兩摩擦表面間的流體潤(rùn)滑劑膜不連續(xù)，但表面被極薄的潤(rùn)滑膜隔開 混合摩擦：同時(shí)存在流體摩擦、邊界摩擦和干摩擦的混合狀態(tài)下的摩擦，細(xì)分為半干摩擦和半流體摩擦。 達(dá)芬奇 阿蒙頓 庫(kù)倫第一定律：摩擦力的方向與接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的方向相反，其大小與接觸物體間的法向壓力成正比，即FN 式中：F摩擦力；摩擦系數(shù)；N法向載荷。第二定律：摩擦力大小與相接觸物體間的名義接觸面積無關(guān)。第三定律：摩擦力的大小取決于材

4、料性質(zhì)，與滑動(dòng)速度無關(guān)。 32 古典的摩擦定律二、古典摩擦定律的局限性1. 摩擦系數(shù)的問題 試驗(yàn)表明：硬鋼表面對(duì)硬鋼表面在正常大氣條件下，約為0.6，但在真空中可高達(dá)2；石墨在正常大氣條件下摩擦系數(shù)為0.1，但在很干燥的空氣中可大于0.5。 摩擦系數(shù)是材料與各種條件的綜合特征，而不是材料本身的固有特征。 2. 接觸面積與正壓力問題 對(duì)于很光潔的硬表面，由于接觸表面間分子引力起作用，摩擦力也將隨接觸面積增大而增大。 對(duì)于極硬材料如鉆石或很軟材料如聚四氟乙烯（PTFE）等，當(dāng)壓力很大時(shí)，摩擦力并不與法向載荷成正比，而是： FcNx式中: c常數(shù)；x指數(shù),其值約為2/31。3. 滑動(dòng)速度問題 實(shí)踐表

5、明，多數(shù)材料隨著滑動(dòng)速度增加，摩擦系數(shù)降低，且兩者關(guān)系隨所受載荷大小而異。 33 各種摩擦理論概述 目的：了解摩擦產(chǎn)生的原因，以便控制摩擦。一、機(jī)械互鎖學(xué)說(凹凸說) 摩擦是表面粗糙不平的機(jī)械互鎖作用引起的。即當(dāng)兩表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于粗糙不平的表面在不平處相互嵌入，因而產(chǎn)生阻抗物體運(yùn)動(dòng)的阻力。 VW 若兩表面由許多斜角為的微凸體所組成，則摩擦力就是爬過各微凸體需所力Fi之和。因此摩擦系數(shù)應(yīng)為: = （3-2） 式中 F摩擦力； N法向載荷?；卮鹗恰癗o” ， 這是“機(jī)械互鎖學(xué)說”的不足。根據(jù)“機(jī)械互鎖學(xué)說”，表面越光滑，摩擦力越小。說明：表面愈粗糙，愈大；提高表面粗糙度等級(jí)，可以降低等現(xiàn)象。Q

6、uestion:Yes or No ?二、分子作用理論（或分子吸引理論 ）： 德薩古利爾：實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教程（1734） 尤因 （1892）、湯姆林森（1929)、普蘭德爾、哈迪（1936）等提出： 摩擦過程中接觸表面間的分子相互作用力，是產(chǎn)生摩擦的一個(gè)重要原因。 摩擦過程中接觸分子分離，又形成新的接觸分子，接觸分子轉(zhuǎn)換所引起的能量損失等于摩擦力所作的功。 F（N+ArPm） (3-3)式中 Pm單位實(shí)際接觸面積上的分子力； Ar實(shí)際接觸面積。特點(diǎn)：這個(gè)學(xué)說能解釋前面機(jī)械互鎖學(xué)所不能解 釋的問題。不足：但根據(jù)這一學(xué)說，當(dāng)載荷不大，表面愈粗糙，實(shí)際接觸面積愈小時(shí)，摩擦力應(yīng)該越小，這與實(shí)際情況不相符合

7、。三、摩擦的粘著和犁溝理論1.簡(jiǎn)單的粘著理論 什么叫粘著？ 在外加壓力作用下，由于表面吸引力的作用而使兩表面發(fā)生粘合的現(xiàn)象?；疽c(diǎn)：. 摩擦表面處于塑性接觸狀態(tài)。 因?qū)嶋H接觸面積很小，施加法向載荷時(shí)，微凸體頂端接觸，先彈性變形，接觸應(yīng)力達(dá)到接觸點(diǎn)的屈服極限s時(shí)產(chǎn)生塑性變形,使接觸面積增大，直至能承受載荷為止，則 N = A r s 或 A r = N/ sNA r接觸點(diǎn)塑性變形，面積增大，支撐外載荷粘著區(qū)域?；瑒?dòng)摩擦是粘著與滑動(dòng)交替發(fā)生的粘滑過程。 開始時(shí)在接觸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生粘著，在切向力作用下相對(duì)滑動(dòng)，粘著點(diǎn)被剪斷，整個(gè)滑動(dòng)摩擦是粘著點(diǎn)的形成和剪切交替進(jìn)行的粘滑過程。摩擦力是粘著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)

8、產(chǎn)生阻力的總和。 F = A r b Ac Pc實(shí)際接觸面積粘著點(diǎn)剪切強(qiáng)度犁溝面積單位面積犁溝力 通常，粘著效應(yīng)是產(chǎn)生摩擦力的主要原因，尤其對(duì)硬材料而言，犁溝效應(yīng)可忽略，根據(jù)上式有： F = A r b = (N/ s ) b故摩擦系數(shù)f為： f = F/N = b/ s =此式得出的摩擦系數(shù)通常比實(shí)際情況小，與實(shí)際不相符，在空氣中的摩擦系數(shù)很大，真空中更大。 從上式可以了解到，如果在金屬表面上涂覆一層軟金屬薄膜，使剪切強(qiáng)度降低，就可以顯著降低摩擦系數(shù)。 2、修正的粘著理論 簡(jiǎn)單粘著理論在靜止條件下是比較合理的，實(shí)際情況是，摩擦過程中既有法向力的作用，又有切向力的作用，才能使兩表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)

9、。修正粘著理論主要考慮在切向力作用下，使接觸面積增大，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加。N切向力FA0AAr=A0+ A 此時(shí)，材料的屈服是法向力和切向力共同作用的結(jié)果。根據(jù)應(yīng)力合成規(guī)律有： 2 2 = K2待定常數(shù), 1即： (N/A r)2 (F/A r)2 = K2 極限情況：只有法向力時(shí)， =0，= s則：s2=K2 (N/A r)2 (F/A r)2= s2當(dāng)量應(yīng)力即： (N/A r)2 (F/A r)2 = K2 極限情況：只有法向力時(shí)， =0，= s則：s2=K2 (N/A r)2 (F/A r)2= s2 A r2 =(N/s)2 (F/s)2當(dāng)切向力很大時(shí)，忽略法向力，則有： 2 = s

10、2當(dāng)大到等于抗剪切強(qiáng)度b時(shí)，開始滑動(dòng)，則 b2 = s2 或 =s2/ b2 多數(shù)金屬的s/ b = 25，故 =425根據(jù)(N/A r)2 (F/A r)2 = s2 推出： A r2 = (N/s)2 (F/ b)2切向力產(chǎn)生的面積增大部分法向力作用部分，對(duì)應(yīng)于簡(jiǎn)單粘著理論 上式可知，切向力的作用大大增加了實(shí)際接觸面積（可增大3倍以上），從而使摩擦力或摩擦系數(shù)顯著增大。尤其是潔凈表面或在真空條件下，摩擦力增大更多。四、摩擦的分子-機(jī)械理論 前蘇聯(lián)科學(xué)家克拉蓋爾斯基提出的學(xué)說。 要點(diǎn)：這一學(xué)說強(qiáng)調(diào)摩擦的雙重本質(zhì)，認(rèn)為兩接觸表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即要克服機(jī)械變形的阻力，又要克服分子相互作用的阻力；

11、摩擦力就是接觸面積上分子和機(jī)械作用所產(chǎn)生的阻力之和。 摩擦力來源于兩方面，即分子的相互作用和微凸體的機(jī)械作用?？偰Σ亮椋?FF1F2F1粘結(jié)點(diǎn)上分子間相互作用力；F2微凸體的犁溝作用所引起的變形阻力。 總的摩擦系數(shù)：ff1 f 2 將單個(gè)微凸體看成其頂部成球形作為犁溝作用的模型來討論。 分子-機(jī)械理論模型 設(shè)球狀微凸體的半徑為r，球壓入軟平面的深度為h，垂直于運(yùn)動(dòng)方向的截面積A1為受阻力面積，約等于ABC的面積，則A1=ha；微凸體所受的阻力： F2=A1=ha 軟材料的屈服極限。正壓力只作用在面積A2上，所以 N2=A2N= a2N N微凸體材料的塑性擠壓應(yīng)力，取N =則：2= 又（r-h

12、）2+a2=r2 r2-2rh+h2+a2=r2 a2=2rh-h2h很小時(shí)，a故由機(jī)械作用分量求得的摩擦系數(shù)： 2 由分子作用分量求得的摩擦系數(shù)為： 1= 0分子粘著連接的剪切阻力。對(duì)無潤(rùn)滑的金屬摩擦副，0 =25300KPa；有潤(rùn)滑時(shí)為10KPa；對(duì)于金屬和聚合物的摩擦副0=25KPa。 Pr摩擦接觸點(diǎn)的平均壓力。 系數(shù)?？偰Σ料禂?shù)為：=1+2= kx系數(shù)，對(duì)單個(gè)微凸體的塑性接觸kx=0.55；對(duì)于彈性接觸，kx=0.19。 五、摩擦的能量理論 對(duì)摩擦的能量理論的研究有兩種看法：一種是從表面能量的觀點(diǎn)出發(fā)分析摩擦機(jī)理； 另一種是從能量的平衡觀點(diǎn)來綜合分析摩擦過程 表面能量的觀點(diǎn) 材料的滑動(dòng)

13、過程中，粘結(jié)點(diǎn)的尺寸不僅取決于塑性變形過程，而且還受到表面的吸引力的影響。 = b粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度； H軟材料的硬度；Wab粘著表面的能量；r粘著點(diǎn)的平均半徑；微凸體與水平面的傾斜角。 能量平衡理論 在摩擦過程中，會(huì)出現(xiàn)一些與能量消耗有關(guān)的現(xiàn)象，如彈性和塑性變形、發(fā)光、輻射、振動(dòng)及噪聲等，要采用了系統(tǒng)分析的方法來解釋。設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為S，則S=A,P,R 式中：A系統(tǒng)元素； P元素性質(zhì)； R元素之間互相作用。 以油潤(rùn)滑齒輪傳動(dòng)為例 摩擦學(xué)系統(tǒng)有四個(gè)元素：摩擦副齒輪1和2；中間材料3；周圍介質(zhì)4。 各種齒輪傳動(dòng)的摩擦狀態(tài)可以差別很大。有的傳動(dòng)是按全膜潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的，例如平面雙包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)就是企

14、圖獲得最佳的流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)。有的齒輪傳動(dòng)是在無油條件下工作，嚙合全過程處于干摩擦狀態(tài)。大多數(shù)齒輪傳動(dòng)則在混合潤(rùn)滑狀態(tài)下工作，它的一個(gè)重要問題是分析載荷的分配。峰點(diǎn)接觸邊界潤(rùn)滑的摩擦學(xué)行為，情況比較復(fù)雜。運(yùn)用黑箱方法作系統(tǒng)分析可將問題簡(jiǎn)化。 3-4 影響摩擦的因素 影響摩擦的因素：摩擦副材料的性質(zhì)、環(huán)境氣氛、靜止接觸時(shí)間、載荷情況、摩擦副的剛度和彈性、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、溫度狀況、摩擦表面接觸幾何特性和表面層物理性質(zhì)，以及介質(zhì)的化學(xué)作用等。 摩擦系數(shù)是表示材料摩擦特性的主要參數(shù)之一，它與材料表面性質(zhì)、介質(zhì)或環(huán)境等因素有密切關(guān)系。如鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)可以在0.050.8之間這樣大的范圍內(nèi)變化。所以，在給出一

15、種材料的摩擦系數(shù)時(shí)，必須同時(shí)給出得出數(shù)值的條件和所用的測(cè)試設(shè)備。一、載荷的影響 實(shí)質(zhì)：載荷是通過接觸面積的大小和變形狀態(tài)來影響摩擦的。 光滑表面在接觸面上的應(yīng)力約為材料硬度值的一半；而粗糙表面的接觸應(yīng)力達(dá)到硬度的23倍，即出現(xiàn)塑性變形。當(dāng)表面是塑性接觸時(shí)，滑動(dòng)摩擦系數(shù)與載荷無關(guān)。 在一般情況下，金屬表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而降低。 為什么？ 實(shí)際接觸面積的Ar比載荷Fn增加的慢。 45鋼對(duì)鑄鐵在300r/min和干摩擦條件下，摩擦系數(shù)隨載荷變化的情況。 由于摩擦表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，因而滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨加載速度而改變。當(dāng)載荷很小時(shí)，加載速度的影響更為顯著。干摩擦油潤(rùn)滑

16、加載速度/N.s-15011055050110300滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.200.220.260.110.110.14表3-1 加載速度的影響（青銅與鋼摩擦） 滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨加載速度的增加而增加。對(duì)于非金屬材料，情況較為復(fù)雜: 試 驗(yàn) 條 件不同時(shí)間（min）下的摩擦系數(shù)f轉(zhuǎn)速（rpm）載荷（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（A1

17、）的摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系 說明：1) 在開始時(shí)摩擦系數(shù)隨載荷增加而增加，摩擦系數(shù)達(dá)到最大值后，摩擦系數(shù)又隨載荷增加而減少。 2) 時(shí)間對(duì)摩擦系數(shù)也有影響。 二、表面膜對(duì)摩擦系數(shù)的影響 大多數(shù)金屬的表面在大氣中會(huì)自然生成與表面結(jié)合強(qiáng)度相當(dāng)高的氧化膜或其它污染膜；也可以人為地用某種方法在金屬表面上形成一層很薄的膜，如硫化膜、氧化膜、軟金屬膜（In、Sn、Pb等）。這些膜在一定厚度內(nèi)不會(huì)改變實(shí)際接觸面積的大小，而且該膜使金屬表面的物理化學(xué)性質(zhì)與基體金屬的不同，通常膜的剪切強(qiáng)度低于基體金屬的剪切強(qiáng)度。因此，具有表面膜的摩擦副其摩擦主要發(fā)生在膜間，金屬與金屬不易粘著。 根據(jù)FfAr可知：由于表面膜存在，

18、摩擦力和摩擦系數(shù)會(huì)隨之降低 摩擦副材料摩 擦 系 數(shù) （f）真空中加熱大氣中清潔表面氧化膜鋼鋼粘 著0.780.27銅銅粘 著1.210.76 表面氧化膜對(duì)摩擦系數(shù)的影響平板材料鋼銅平板材料鎳平板材料錫鉛載荷（N）凸腳材料摩擦系數(shù)f 載荷（N）凸腳材料摩擦系數(shù)f載荷（N）凸腳材料摩擦系數(shù)f2.20Pb1.00.501.40Pb0.680.40Pb1.001.3521.400.780.3611.400.3910.401.141.342.40Sn0.660.411.40Sn0.680.40Sn0.900.4821.400.560.3511.400.4410.400.830.512.40Bi0.62

19、0.501.40Bi0.391.40Bi0.600.6021.400.440.3411.400.2610.400.541.002.40Al0.710.401.40Al0.511.40Al0.911.0021.400.450.2511.400.2610.400.681.002.40Cu0.371.201.40Cu0.491.40Cu1.001.0021.400.311.4611.400.2710.400.841.142.40Zn0.410.351.40Zn1.40Zn0.910.8321.400.300.3411.4010.400.691.102.40鋼0.530.231.40鋼0.501.40

20、鋼0.831.3821.400.820.1711.400.3910.400.600.57表3-4 實(shí)驗(yàn)室條件下，純凈金屬的摩擦系數(shù) 上表說明以下幾點(diǎn)：純凈金屬材料的摩擦副，由于不存在表面氧化膜，摩擦系數(shù)比較高 滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而降低；同種金屬對(duì)磨時(shí)由于粘著的影響摩擦系數(shù)激增 膜的形成速度和膜的厚度對(duì)摩擦系數(shù)也有影響 用半徑R0.3mm的球形壓頭在40N下沿著涂有銦膜（厚度0.01 10微米）的工具鋼試樣表面上滑動(dòng)時(shí)測(cè)出。 三、 材料性質(zhì) 金屬摩擦副的摩擦系數(shù)，隨配對(duì)材料性質(zhì)的不同而不同。分子或原子結(jié)構(gòu)相同或相近的兩種材料互溶性大，反之，分子或原子結(jié)構(gòu)差別大則互溶性小?；ト苄暂^大的材料

21、組成摩擦副，易發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)增高；互溶性較小的材料組成摩擦副，不易發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)一般都比較低。 四、滑動(dòng)速度 摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度增加而升高，越過一極大值后，又隨滑動(dòng)速度的增加而減少。當(dāng)壓力增大時(shí)，該最大值對(duì)應(yīng)于較小的速度值。 滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響，主要是摩擦引起溫度的變化所致?；瑒?dòng)速度引起的發(fā)熱和溫度的變化，改變了摩擦表面層的性質(zhì)和接觸狀況，因而摩擦系數(shù)必將隨之變化。 對(duì)溫度不敏感的材料（如石墨），摩擦系數(shù)實(shí)際上幾乎與滑動(dòng)速度無關(guān)。五、溫度摩擦副相互滑動(dòng)時(shí)，溫度的變化使表面材料的性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)隨摩擦副工作條件的不同而變化，具體情況需用試驗(yàn)方法測(cè)定。 1. 對(duì)于大多數(shù)金屬摩擦副而言，其摩擦系數(shù)均隨溫度的升高而減少，極少數(shù)（如金金）的摩擦系數(shù)隨溫度的升高而增大。 在壓力加工情況下，摩擦系數(shù)隨溫度的升高越過一極大值，如軋制銅材時(shí)，摩擦系數(shù)的極大值出現(xiàn)在溫度為600700左右