机械设计精品课程-课件第4章.ppt

§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　述第第4章章 机械零件设计概论机械零件设计概论1生活中哪些摩擦是有益的，哪些是有害的？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鞋底上为什么有花纹?n通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦n滚动代替滑动可以将摩擦减小滚动代替滑动可以将摩擦减小 到原来的到原来的1/20~1/30为什么加了润滑油的轴承滚动加快？为什么加了润滑油的轴承滚动加快？n加润滑油可以使摩擦减小到原来的加润滑油可以使摩擦减小到原来的1/8~1/10§4-0 §4-0 概概 述述 摩擦学摩擦学--------研究相对运动的作用表面间的摩擦、磨损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同样摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象世界上世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，各种机械零件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摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施67§4-0 §4-0 概概 述述 ▲ 摩擦摩擦----相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象；▲ 磨损磨损----由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移；▲ 润滑润滑----减轻摩擦和磨损所应采取的措施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减少摩擦 节省能源；节省能源；减少磨损减少磨损 降低设备维修次数和费用，节省制造降低设备维修次数和费用，节省制造零零 件及其所需材料的费用件及其所需材料的费用8一一、、摩擦的分类摩擦的分类内内 摩摩 擦：擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对在物质的内部发生的阻碍分子之间相对 运动的现象。

运动的现象外外 摩摩 擦：擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍 作用现象作用现象静静 摩摩 擦：擦：仅有相对运动趋势时的摩擦仅有相对运动趋势时的摩擦动动 摩摩 擦：擦：在相对运动进行中的摩擦在相对运动进行中的摩擦滑动摩擦：滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动物体表面间的运动形式是相对滑动滚动摩擦：滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动物体表面间的运动形式是相对滚动§4-1 §4-1 摩　摩　擦擦91. 1. 干摩擦干摩擦 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，运动时被剪切多冷焊点，运动时被剪切 不允许出现干摩擦！不允许出现干摩擦！二、二、 滑动摩擦状态滑动摩擦状态 →功耗功耗↑ 磨损磨损↑ 温度温度↑ →烧毁轴瓦烧毁轴瓦 10潘存云教授研制潘存云教授研制2. 边界摩擦边界摩擦三、三、 滑动摩擦状态滑动摩擦状态 运动副表面有一层厚度运动副表面有一层厚度<1 μm的薄油膜，不足以将两金的薄油膜，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属表面完全分开，其表面部分微观高峰部分仍将相互搓削。

削比干摩擦的磨损轻比干摩擦的磨损轻，，f ≈ 0.1 ~ 0.3v有一层压力油膜将两金属表面隔开，有一层压力油膜将两金属表面隔开，彼此不直接接触彼此不直接接触是理想的摩擦状态3. 液体摩擦液体摩擦摩擦和磨损极轻摩擦和磨损极轻，，f ≈ 0.001 ~ 0.01 v11潘存云教授研制4. 4. 混合摩擦混合摩擦 v 混合摩擦是指摩擦表面间处于边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时要小得多　　 边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为常统称为不完全液体摩擦不完全液体摩擦可实现：可实现： f ≤0.001 ----超润滑摩擦状态超润滑摩擦状态12机器的寿命机器的寿命磨损磨损——由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移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损曲线 磨合阶段磨合阶段 磨损量磨损量时间时间剧烈磨剧烈磨损阶段损阶段 稳定磨损阶段稳定磨损阶段 §4-2 §4-2 磨　损磨　损磨损过程如图：磨损过程如图： ▲磨合阶段磨合阶段--------包括摩擦表包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程。

料被加工硬化两个过程▲稳定磨损阶段稳定磨损阶段--------零件在零件在平稳而缓慢的速度下磨损平稳而缓慢的速度下磨损▲剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段----在经过稳定磨损阶段后，零件表面遭到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烈磨损期的到来13磨粒磨损磨粒磨损 磨损的分类：磨损的分类： 疲劳磨损疲劳磨损 粘附磨损粘附磨损 冲蚀磨损冲蚀磨损 腐蚀磨损腐蚀磨损 微动磨损微动磨损 磨损磨损类型类型 按磨损机理分按磨损机理分 按磨损表面按磨损表面外观可分为外观可分为 点蚀磨损点蚀磨损 胶合磨损胶合磨损 擦伤磨损擦伤磨损 两种不同的称谓 14磨粒磨损磨粒磨损 ：： 磨粒磨损磨粒磨损——外部进入摩擦面间的游离硬颗外部进入摩擦面间的游离硬颗 粒（如空气中的尘土或粒（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。

就叫磨粒磨损潘存云教授研制15粘附磨损粘附磨损 ：： 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由于瞬时的温升和压力发生““冷焊冷焊””后，在相对运动时，材料从后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损严重严重 的粘附磨损的粘附磨损会造成运动副咬死会造成运动副咬死潘存云教授研制16疲劳磨损疲劳磨损 ：： 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也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦变的摩擦 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：磨损点蚀过程：产生初始疲劳裂纹产生初始疲劳裂纹→扩展扩展→ → 微粒脱落，形微粒脱落，形 成点蚀坑成点蚀坑 潘存云教授研制17冲蚀磨损冲蚀磨损 ：： 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，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管道内壁所产生的机械磨损是实例之一潘存云教授研制18微动磨损微动磨损—— 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摩擦副的相对运动 应用实例应用实例：轴与孔的过盈配合面、滚动轴承套圈的配合面、：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、铆钉的工作面等旋合螺纹的工作面、铆钉的工作面等腐蚀磨损腐蚀磨损—— 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腐蚀，在摩擦副相对运动时所产 生的磨损即为腐蚀磨生的磨损即为腐蚀磨损19一、一、 润滑剂润滑剂 作用：作用：降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等。

降低摩擦功耗、减少磨损、冷却、吸振、防锈等分类分类液体液体润滑剂润滑剂----润滑油润滑油半固体半固体润滑剂润滑剂----润滑脂润滑脂固体固体润滑剂润滑剂气体气体润滑剂润滑剂----空气空气§4-3 §4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法润滑剂、添加剂和润滑方法 201. 1. 润滑油润滑油 矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用矿物油来源充足、成本低廉、稳定性好、因而应用最广种类：种类：有机油有机油--------动、植物油动、植物油矿物油矿物油--------石油产品，石油产品， 化学合成油化学合成油 §4-3 §4-3 润滑剂、添加剂和润滑方法润滑剂、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，液体的流动性就愈粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈差差21 润滑 粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩粘度可用动力粘度、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氏粘度）等表示我国的石油产品常用运动粘度来标定。

标定1）动力粘度（2）运动粘度η为动力粘度，单位为Pa•s；为密度，单位为ν为运动粘度，单位为 22潘存云教授研制润滑油的特性：润滑油的特性： 1）粘）粘----温相关性温相关性 温度温度 t ↑ 压力压力p ↑→ η ↓但但p <10 Mpa时可忽略时可忽略变化很小→ η ↑ 粘粘--温温图图 0.080.080.070.070.060.060.050.050.040.040.030.030.020.020.010.013030 4040 50506060 7070 8080 9090℃℃ηL-TSA32L-TSA32L-TSA32L-TSA32选用原则：选用原则：1) 载荷大、温度高的轴承，宜选用粘度大的油；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；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粘度值的大小不仅影响摩擦副的运动阻力，而且对润滑油副的运动阻力，而且对润滑油膜的形成及承载能力具有决定膜的形成及承载能力具有决定性的作用性的作用232. 2. 润滑脂润滑脂----润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠润滑油与各种稠化剂（钙、钠、铝、锂等金属皂）混合稠化而成。

化而成优点：优点：密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度密封简单、不需要经常添加、不易流失；对速度和温度不敏感，适用范围广不敏感，适用范围广缺点：缺点：摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合摩擦损耗较大、机械效率低，不适宜高速场合243.润滑剂的使用 润滑剂选用的基本原则是：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；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一般润滑剂不能适用的场合25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：润滑油供油方式有：4 4、润滑方法、润滑方法润滑方式润滑方式 人工给油；人工给油； 油杯滴油；油杯滴油；浸油润滑、飞溅给油；浸油润滑、飞溅给油；用油泵强制润滑和冷却。

用油泵强制润滑和冷却低速传动低速传动高速传动高速传动甩油环甩油环喷油润滑喷油润滑 油泵油泵冷冷却却器器滴油润滑滴油润滑 浸油润滑浸油润滑 飞溅润滑飞溅润滑 26潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制针阀针阀式油式油杯杯旋盖式油杯旋盖式油杯 脂用潘存云教授研制压注式油杯压注式油杯弹簧盖油杯弹簧盖油杯润滑装置润滑装置 1. 油杯油杯 27潘存云教授研制潘存云教授研制2. 油环油环 28潘存云教授研制潘存云教授研制一、流体动力润滑一、流体动力润滑 FFFF v F§4-4 §4-4 流体润滑原理简介流体润滑原理简介 　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　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生的压力来平衡外载荷两平形板之间不能形成压力油膜！两平形板之间不能形成压力油膜！ 29潘存云教授研制一、流体动力润滑一、流体动力润滑 §4-4 §4-4 流体润滑原理简介流体润滑原理简介 　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　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。

生的压力来平衡外载荷动压油膜动压油膜----因运动而产生的压力油膜 v vvh1aah2ccvvFpmax30潘存云教授研制F形成动压油膜的必要条件：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；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；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应用实例应用实例--向心滑动轴承动压油膜的形成过程：向心滑动轴承动压油膜的形成过程：静止静止 →爬升爬升 →将轴起抬将轴起抬转速继续升高→质心质心左移左移→稳定运转稳定运转达到工作转速e ----偏心距偏心距e31二、弹性流体动力润滑二、弹性流体动力润滑 弹性流体动力润滑理论弹性流体动力润滑理论----研究在点、线接触条件研究在点、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下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。

求解油膜求解油膜压力分布压力分布、润滑膜、润滑膜厚度分布厚度分布等问题等问题 ▲在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程；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；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的主要方程流体动力润滑理论的前提：流体动力润滑理论的前提：润滑剂粘度不随压力变化；润滑剂粘度不随压力变化；零件摩擦表面为刚体；零件摩擦表面为刚体；32潘存云教授研制潘存云教授研制 依靠依靠润滑剂的粘附作用，两圆柱体相互滚动时将润滑剂的粘附作用，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，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二个峰值压力V2FV1V1V2F赫兹接触区赫兹接触区V1V2FV1V2F赫兹接触区赫兹接触区hminh0第二个峰值压力第二个峰值压力 干摩擦接触干摩擦接触弹性流体动力润滑的机理：弹性流体动力润滑的机理：与干摩擦进行对比分析33潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制节节流流器器节流器节流器D~工作原理：工作原理：依靠供依靠供油装置，将高压油油装置，将高压油压入轴承间隙中，压入轴承间隙中，强制形成油膜。

强制形成油膜特点：特点：静压轴承静压轴承载任何工况下都载任何工况下都能胜任工作能胜任工作d0d0常用节流器常用节流器关键器件：关键器件：节流器节流器节流器作用：节流器作用：根据外载荷根据外载荷的变化自动调节各油腔内的变化自动调节各油腔内的压力油台油台 起密封作用 三、流体静力润滑三、流体静力润滑1) 静压轴承静压轴承342) 空气轴承空气轴承 空气也是一种流体润滑剂，其粘度只有空气也是一种流体润滑剂，其粘度只有L-AN7润滑油润滑油的的1/4000，， 摩擦力小到可忽略不计，因此可用于数十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分静压和动压两种气膜厚度气膜厚度----20 μm制造精度制造精度↑ 严格过滤严格过滤 优点：优点：1)不随温度变化，可用于高温或低温；不随温度变化，可用于高温或低温；2)没有油污染的危险；没有油污染的危险； 3)回转精度高，运行噪音低回转精度高，运行噪音低 缺点：缺点：承载能力不大，密封困难承载能力不大，密封困难。