《机械设计》课程授课教案（讲稿）3.3、3.2、3.4 摩擦、磨损和润滑基础

课程名称：《机械设计》第4讲次第三章摩擦、磨损和润滑基础3-1摩擦授课题目3-2磨损3-3润滑3-4流体动力润滑的基本原理【目的要求】掌握摩擦、磨损和润滑的主要类型：掌握常用的润滑剂：掌握粘度、油性等润滑油的主要性质：掌握形成流体动压润滑的条件：【重点】掌握形成流体动压润滑的条件；【难点】雷诺润滑方程；内容第三章摩擦、磨损和润滑基础摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高，表面磨损。过渡的磨损会使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。世界上使用的能源大约有1/3~1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，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，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效的方法，关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。3-1摩擦一、摩擦的种类厂内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。厂外摩擦：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。厂滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。L滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。滑动摩擦分为如下4种状态1.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。2.边界摩擦：是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。3.流体摩擦：是指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。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。4。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

课程名称：《机械设计》 第 4 讲次 授课题目 第三章 摩擦、磨损和润滑基础 3-1 摩擦 3-2 磨损 3-3 润滑 3-4 流体动力润滑的基本原理 【目的要求】 掌握摩擦、磨损和润滑的主要类型； 掌握常用的润滑剂；掌握粘度、油性等润滑油的主要性质； 掌握形成流体动压润滑的条件； 【重 点】 掌握形成流体动压润滑的条件； 【难 点】 雷诺润滑方程； 内 容 第三章摩擦、磨损和润滑基础 摩擦现象是自然界中普遍存在的物理现象。对于机器来讲，摩擦会使效率降低，温度升高， 表面磨损。过渡的磨损会使机器丧失应有的精度，进而产生振动和噪音，缩短使用寿命。世界 上使用的能源大约有 1/3~1/2 消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省 能源。另外，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，如果能控制和 减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。 润滑是减小摩擦、减小磨损、提高机械效率的最常用最有效的方法。 关于摩擦、磨损与润滑的学科构成了摩擦学。 本章主要介绍有关摩擦、磨损和润滑的一些基础知识。 3-1 摩擦 一、摩擦的种类 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。 滑动摩擦分为如下４种状态 1．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。 2．边界摩擦：是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜和表 面的吸附性能时的摩擦。 3．流体摩擦：是指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。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。 4．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

二、摩擦的机理1．干摩擦：研究于摩擦的理论主要有以下几种：“机械理论”认为产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；“分子理论”认为产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用：“机械一分子理论”认为两种作用均有。2.流体摩擦（流体润滑）（在后续内容中讨论）。3.边界摩擦（边界润滑）边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下：物理吸附膜吸附膜边界膜分为化学吸附膜反应膜物理吸附膜：润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅。油性：润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力。化学吸附膜：润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜。反应膜：在润滑剂中添加硫、磷、氯等元素，他们与金属表面发生化学反应生成的边界膜。反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜，这种能够能力称为极压性。能生成反应膜的润滑油称为极压油。3-2磨损磨损：是运动副之间的摩擦导致的零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，基至促使机器提前报废。单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。一、典型宏观磨损过程一个零件的磨损过程大致可分为以下三个阶段：1）磨合阶段磨合（跑合）：是指新的零件在运转初期的磨损，磨损率较高。新的摩擦副表面比较粗糙，真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。2）稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。这磨损一阶段的长短直接影响机器的寿命。量磨合稳定磨损3）剧烈磨损阶段零件经长时剧烈磨损间工作磨损以后，表面精度下降，表面形状和尺寸有较大的改变，破坏了原有的间隙和润滑性质，使效率降低，温度升高，冲击振动加大，导致磨损时间加剧，最终导致零件报废

二、摩擦的机理 1．干摩擦： 研究干摩擦的理论主要有以下几种： “机械理论” 认为产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用； “分子理论”认为 产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用； “机械－分子理论” 认为两种作用均有。 2．流体摩擦（流体润滑）（在后续内容中讨论）。 3．边界摩擦（边界润滑） 边界摩擦靠边界膜起润滑作用，边界膜的类型如下： 物理吸附膜 吸附膜 化学吸附膜 反应膜 物理吸附膜: 润滑剂中的极性分子与金属表面相互吸引，形成定向排列的分子栅。 油性: 润滑油靠物理吸附形成边界膜的能力。 化学吸附膜： 润滑剂中的活性分子靠离子键吸附在金属表面上形成的吸附膜。 反应膜: 在润滑剂中添加硫、磷、氯等元素，他们与金属表面发生化学反应生成的边界膜。 反应膜在高温下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反应膜，这种能够能力称为极压性。 能生成反应膜的润滑油称为极压油。 3-2 磨 损 磨损：是运动副之间的摩擦导致的零件表面材料的逐渐丧失或迁移。 磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。 单位时间（或单位行程、转等）材料的损失量，称为磨损率。 耐磨性：是指材料抵抗脱落的能力。与磨损率成倒数关系。 一、典型宏观磨损过程 一个零件的磨损过程大致可分为以下三个阶段： 1）磨合阶段 磨合（跑合）：是指新的零件在运转初期的磨损，磨损率较高。新的摩擦副表面比较粗糙， 真实微观接触面积比较小，压强大，因此运转初期的磨损比较快。但是，磨损以后表面的微观 凸峰降低，接触面积增大，压强减小，磨损的速度逐渐减慢。 2）稳定磨损阶段 属于零件正 常工作阶段，磨损率稳定且较低。这 一阶段的长短直接影响机器的寿命。 3）剧烈磨损阶段 零件经长时 间工作磨损以后，表面精度下降，表 面形状和尺寸有较大的改变，破坏了 原有的间隙和润滑性质，使效率降低， 温度升高，冲击振动加大，导致磨损 加剧，最终导致零件报废。 边界膜分为 O 磨 损 量 时间 磨合 稳定磨损 剧烈磨损

二、 磨损的类型按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型：1.粘着磨损也称胶合，当摩擦表面的微观凸峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力而粘在一起后，相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨损。2.疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变接触应力和摩擦力的作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。3.磨粒磨损也称磨料磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。4.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。三、减小磨损的主要方法（1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。合理选择润滑剂及添加剂，适当选用高粘度的润滑油、在润滑油中使用极压添加剂或采用固体润滑剂，可以提高耐疲劳磨损的能力。（2）合理选择摩擦副材料由于相同金属比异种金属、单相金属比多相金属粘着倾向大，脆性材料比塑性材料抗粘着能力高，所以选择异种金属、多相金属、脆性材料有利于提高抗粘着磨损的能力。采用硬度高和韧性好的材料有益于抵抗磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦化学磨损。提高表面的光洁程度，使表面尽量光滑，同样可以提高耐疲劳磨损的能力。（3）进行表面处理对摩擦表面进行热处理（表面淬火等）、化学处理（表面渗碳、氮化等）、喷涂、镀层等也可提高摩擦表面的耐磨性。（4）注意控制库擦副的工作条件对于一定硬度的金属材料，其磨损量随着压强的增大而增加，因此设计时一定要控制最大许用压强。另外，表面温度过高易使油膜破坏，发生粘着，还易加速摩擦化学磨损的进程，所以应限制摩擦表面的温升。3-3润滑润滑一一是指在作相对运动的两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。此外，润滑还可起到散热降温，防锈防尘，缓冲吸振等作用。一、润滑的分类1.流体动力润滑依靠两摩擦表面的相对运动把润滑油带入两表面之间，自行产生足够的压力，建立压力油膜（称为动压油膜），靠油膜的压力把两表面分开，实现流体润滑。2.流体静力润滑两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开，强迫形成承载油膜，实现流体润滑。3.弹性流体动力润滑主要是指在理论上为点、线接触的条件下，考虑流体动力效应、润滑油的粘一压特性以及接触体的弹性变形的基础上建立的流体动压润滑。4.边界润滑和混合润滑（见前述边界摩擦和混合摩擦）

二、磨损的类型 按磨损的机理不同，机械零件的磨损大体分为四种基本类型： 1．粘着磨损 也称胶合，当摩擦表面的微观凸峰在相互作用的各点处由于瞬时的温 升和压力而粘在一起后，相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘着磨 损。 2．疲劳磨损 也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变接触应力和摩擦力的作 用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。 3．磨粒磨损 也称磨料磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所 引起的磨损。 4．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。 三、减小磨损的主要方法 （1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法。 合理选择润滑剂及添加剂，适当选用高粘度的润滑油、在润滑油中使用极压添加剂或 采用固体润滑剂，可以提高耐疲劳磨损的能力。 (2 ) 合理选择摩擦副材料 由于相同金属比异种金属、单相金属比多相金属粘着倾向大，脆性材料比塑性材料抗 粘着能力高，所以选择异种金属、多相金属、脆性材料有利于提高抗粘着磨损的能力。采 用硬度高和韧性好的材料有益于抵抗磨粒磨损、疲劳磨损和摩擦化学磨损。提高表面的光 洁程度，使表面尽量光滑，同样可以提高耐疲劳磨损的能力。 （3）进行表面处理 对摩擦表面进行热处理（表面淬火等）、化学处理（表面渗碳、氮化等）、喷涂、镀层 等也可提高摩擦表面的耐磨性。 （4）注意控制摩擦副的工作条件 对于一定硬度的金属材料，其磨损量随着压强的增大而增加，因此设计时一定要控制 最大许用压强。另外，表面温度过高易使油膜破坏，发生粘着，还易加速摩擦化学磨 损的进程，所以应限制摩擦表面的温升。 3-3 润 滑 润滑――是指在作相对运动的两个摩擦表面之间加入润滑剂，以减小摩擦和磨损。 此外，润滑还可起到散热降温，防锈防尘，缓冲吸振等作用。 一、润滑的分类 1．流体动力润滑 依靠两摩擦表面的相对运动把润滑油带入两表面之间，自行产生 足够的压力，建立压力油膜（称为动压油膜），靠油膜的压力把两表面分开，实现流体润 滑。 2．流体静力润滑 两摩擦表面被外部供油装备输入的压力油完全分开，强迫形成承 载油膜，实现流体润滑。 3．弹性流体动力润滑 主要是指在理论上为点、线接触的条件下，考虑流体动力效 应、润滑油的粘－压特性以及接触体的弹性变形的基础上建立的流体动压润滑。 4．边界润滑和混合润滑 （见前述边界摩擦和混合摩擦）

二、润滑剂1.润滑油：动植物油、矿物油、合成油。粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。1）动力粘度用n表示。U两个平行的平板之间充满润滑油，B板AOx静止，A板以速度运动，各油层的速度呈直线分布。相邻油层之间有相对运动，会产生y内摩擦阻力。aydus研究表明：油液内摩擦切应力与速度梯B度成正比。duyT=即dy式中n即为润滑油的动力粘度。动力粘度的单位是：Pa.s（帕.秒）2）运动粘度即动力粘度n与同温度下该流体密度p的比值。=P常用单位：mm2/s。工程中常用运动粘度，国际单位是：、m/s：*润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为L-AN10的油在40℃时的运动粘度大约为10mm2/s。润滑油粘度与温度和压力的关系a）粘度与温度的关系：润滑油的粘度一般随温度的升高而降低（图3-10，）b）粘度与压力的关系：润滑油的粘度会随压力的增加而增大，在高压时尤为显著。但在一般润滑情况下，压力对润滑油的粘度影响不大，可以忽略。当压力增加到5MPa以上时（例如弹性流体动力润滑条件下），影响不宜忽略。2.润滑脂：由润滑油+稠化剂混合而成。主要性能指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决定工作温度。3.固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。4.气体润滑剂：空气、氮气、二氧化碳等气体和固体润滑剂主要在一些特殊的场合下应用

二、润滑剂 1．润滑油： 动植物油、矿物油、合成油。 粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀； 粘度的种类有很多，如：动力粘度、运动粘度、条件粘度等。 1）动力粘度 用  表示。 两个平行的平板之间充满润滑油，B 板 静止，A 板以速度运动，各油层的速度呈直 线分布。相邻油层之间有相对运动，会产生 内摩擦阻力。 研究表明：油液内摩擦切应力与速度梯 度 成正比。 即 dy du  = − 式中 η 即为润滑油的动力粘度。 动力粘度的单位是： Pa.s（帕.秒） 2）运动粘度  即动力粘度  与同温度下该流体密度  的比值。    = 工程中常用运动粘度，国际单位是： m2 /s； 常用单位：mm2／s。 ＊润滑油的牌号与运动粘度有一定的对应关系，如：牌号为 L-AN10 的油在 40℃时的运动 粘度大约为 10 mm2／s。 润滑油粘度与温度和压力的关系 a） 粘度与温度的关系：润滑油的粘度一般随温度的升高而降低（图 3-10，） b） 粘度与压力的关系：润滑油的粘度会随压力的增加而增大，在高压时尤为显著。但在 一般润滑情况下，压力对润滑油的粘度影响不大，可以忽略。当压力增加到 5MPa 以上时(例如 弹性流体动力润滑条件下)，影响不宜忽略。 2．润滑脂： 由润滑油+稠化剂混合而成。 主要性能指标是：锥入度，反映其稠度大小。 滴点，决定工作温度。 3．固体润滑剂： 石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。 4．气体润滑剂： 空气、氮气、二氧化碳等气体和固体润滑剂主要在一些特殊的场合下应 用

三、添加剂添加剂：为了提高油的品质和性能，在润滑油或润滑脂中加入的物质。添加剂的作用：提高油性、极压性，延长使用寿命，改善物理性能油性添加剂极压添加剂分散净化剂消泡添加剂添加剂的种类油性添加剂抗氧化添加剂降凝剂增粘剂3-4流体动力润滑的基本原理流体动力润滑是指借助于两个摩擦表面的相对运动产生动压油膜，靠油膜的压力将两摩擦表面完全隔开，实现流体润滑。一、形成动压油膜的条件平行间隙不能形成动压油膜油压分布曲线楔形间隙能够形成动压油膜。形成动压油膜的条件：111）两摩擦表面之间必须能形成收敛的楔形间隙；2）两表面之间必须连续充满具有一定粘度的液体3）两表面之间必须有一定的相对运动速度。RV二、雷诺润滑方程从动压油膜中取出一个微元体，1X在一定假设下对其进行受力分析，经推导可得表示油膜压力在x方向的变化率与油膜厚度h之间关系的方程：(h- ho)op = 6nvBh3ax[-间隙内润滑油压力p沿x方向的变化率ax式中：3h-间隙内x方向上某截面处的油膜厚度ho-间隙内油压最大处的油膜厚度（实际上是%=0处的间隙大小）ax

三、添加剂 添加剂：为了提高油的品质和性能，在润滑油或润滑脂中加入的物质。 添加剂的作用：提高油性、极压性，延长使用寿命，改善物理性能 添加剂的种类油性添加剂 3-4 流体动力润滑的基本原理 流体动力润滑是指借助于两个摩擦表面的相对 运动产生动压油膜，靠油膜的压力将两摩擦表面完 全隔开，实现流体润滑。 一、形成动压油膜的条件 平行间隙不能形成动压油膜 楔形间隙能够形成动压油膜。 形成动压油膜的条件： 1）两摩擦表面之间必须能形成收敛的楔形间 隙； 2）两表面之间必须连续充满具有一定粘度的液 体； 3）两表面之间必须有一定的相对运动速度。 二、雷诺润滑方程 从动压油膜中取出一个微元体， 在一定假设下对其进行受力分析，经推导可得表示 油膜压力在 x 方向的变化率与油膜厚度 h 之间关系的 方程： 式中：         =   − − −   间隙内油压最大处的油膜厚度（实际上是 处的间隙大小） 间隙内 方向上某截面处的油膜厚度 间隙内润滑油压力 沿 方向的变化率 0 0 x p h h x p x x p 油性添加剂 极压添加剂 分散净化剂 消泡添加剂 抗氧化添加剂 降凝剂 增粘剂 ( ) 3 0 6 υ h h h x p − =   

上式即为一维雷诺润滑方程。利用雷诺方程也可解释形成动压油膜的条件。则>0，即油压p随x的增大而增大。在油膜厚度为ho的左边，h>ho，则ax在h的右边，h<h，则0，即油压 β随x的增大而减小。则间隙内，油压的分布如ax图所示。可见，间隙内各处的油压都大于入口和出口的油压，这样就可以产生交于界面的压力以承受（平衡）外载荷。当达到平衡时，应有积分[p=F，（Jp即为分布曲线围成的面积)。显然如果B板反向倾斜，则间隙内的各处的油压会比入口和出口的油压小。而产生负压。当然也就不能抵抗外载荷F，A板将自行下沉直到与B板接触为止。所以说：要想能形成动压油膜，必须有收敛的油契（收敛的间隙）。这是建立动压油膜的必要条件。[本讲作业]思考题3-1、3-3、3-4

上式即为一维雷诺润滑方程。 利用雷诺方程也可解释形成动压油膜的条件。 在油膜厚度为 0 h 的左边， h＞h0 ，则 ＞0 x p   ，即油压 p 随 x 的增大而增大。 在 0 h 的右边， h＜h0 ，则  0 x p   ，即油压 p 随 x 的增大而减小。则间隙内，油压的分布如 图所示。可见，间隙内各处的油压都大于入口和出口的油压，这样就可以产生交于界面的压力 以承受（平衡）外载荷。当达到平衡时，应有积分  p = F ，（  p 即为分布曲线围成的面积）。 显然如果 B 板反向倾斜，则间隙内的各处的油压会比入口和出口的油压小。而产生负压。 当然也就不能抵抗外载荷 F，A 板将自行下沉直到与 B 板接触为止。所以说：要想能形成动压油 膜，必须有收敛的油契（收敛的间隙）。这是建立动压油膜的必要条件。 [本讲作业] 思考题 3-1、3-3、3-4