工程摩擦學(xué)基礎(chǔ)第三章

第三章摩擦FRICTION教學(xué)目的及要求引見摩擦的概念、分類及丈量方法引見古典摩擦定律及其局限性熟習(xí)常用的摩擦實(shí)際的要點(diǎn)及其適用范圍掌握影響摩擦的各要素及其發(fā)揚(yáng)作用的內(nèi)在本質(zhì)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)各種摩擦實(shí)際的要點(diǎn)及其運(yùn)用范圍影響摩擦的各要素及其發(fā)揚(yáng)作用的內(nèi)在本質(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，這種景象即為摩擦?！?－1摩擦的概念與分類★摩擦的危害：●耗費(fèi)大量能量。抑制摩擦力，降低機(jī)械效率●摩擦副磨損?！癞a(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、熱疲勞、熱磨損等闡明：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：兩相互接觸的物體外表之間發(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，普通發(fā)生在液體或氣體?！茨Σ粮钡倪\(yùn)動(dòng)形狀分類：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)方式分類：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外表滾動(dòng)時(shí)的摩擦。轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦：物體在力矩作用下沿接觸外表轉(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?！茨Σ粮钡墓饣螤罘诸惛赡Σ粒好x上無光滑劑時(shí)的摩擦流體摩擦：兩摩擦外表被一層延續(xù)的流體光滑劑薄膜完全隔開時(shí)的摩擦邊境摩擦：兩摩擦外表間的流體光滑劑膜不延續(xù)，但外表被極薄的光滑膜隔開混合摩擦：同時(shí)存在流體摩擦、邊境摩擦和干摩擦的混合形狀下的摩擦，細(xì)分為半干摩擦和半流體摩擦。達(dá)·芬奇→阿蒙頓→庫倫第一定律：摩擦力的方向與接觸外表相對(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F＝μN(yùn)式中：F—摩擦力；μ—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資料性質(zhì)，與滑動(dòng)速度無關(guān)?！?－2古典的摩擦定律二、古典摩擦定律的局限性1.摩擦系數(shù)μ的問題實(shí)驗(yàn)闡明：硬鋼外表對(duì)硬鋼外表在正常大氣條件下，μ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)μ為0.1，但在很枯燥的空氣中可大于0.5。摩擦系數(shù)是資料與各種條件的綜合特征，而不是資料本身的固有特征。2.接觸面積與正壓力問題對(duì)于很光潔的硬外表，由于接觸外表間分子引力起作用，摩擦力也將隨接觸面積增大而增大。對(duì)于極硬資料如鉆石或很軟資料如聚四氟乙烯〔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：F＝cNx式中:c—常數(shù)；x—指數(shù),其值約為2/3～1。3.滑動(dòng)速度問題實(shí)際闡明，多數(shù)資料隨著滑動(dòng)速度添加，摩擦系數(shù)降低，且兩者關(guān)系隨所受載荷大小而異?！?－3各種摩擦實(shí)際概述

目的：了解摩擦產(chǎn)生的緣由，以便控制摩擦。一、機(jī)械互鎖學(xué)說(凹凸說)摩擦是外表粗糙不平的機(jī)械互鎖作用引起的。即當(dāng)兩外表相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于粗糙不平的外表在不平處相互嵌入，因此產(chǎn)生阻抗物體運(yùn)動(dòng)的阻力。VW假設(shè)兩外表由許多斜角為Θ的微凸體所組成，那么摩擦力就是爬過各微凸體需所力Fi之和。因此摩擦系數(shù)μ應(yīng)為:

μ=〔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〞的缺乏。根據(jù)“機(jī)械互鎖學(xué)說〞，外表越光滑，摩擦力越小。闡明：外表愈粗糙，μ愈大；提高外表粗糙度等級(jí)，可以降低μ等景象。Question:YesorNo?二、分子作用實(shí)際〔或分子吸引實(shí)際〕：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：摩擦過程中接觸外表間的分子相互作用力，是產(chǎn)生摩擦的一個(gè)重要緣由。摩擦過程中接觸分子分別，又構(gòu)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＝μ〔N+ArPm〕(3-3)式中Pm—單位實(shí)踐接觸面積上的分子力；Ar—實(shí)踐接觸面積。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。缺乏：但根據(jù)這一學(xué)說，當(dāng)載荷不大，外表愈粗糙，實(shí)踐接觸面積愈小時(shí)，摩擦力應(yīng)該越小，這與實(shí)踐情況不相符合。三、摩擦的粘著和犁溝實(shí)際1.簡(jiǎn)單的粘著實(shí)際什么叫粘著？在外加壓力作用下，由于外表吸引力的作用而使兩外表發(fā)生粘合的景象。根本要點(diǎn)：Ⅰ.摩擦外表處于塑性接觸形狀。因?qū)嵺`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)力到達(dá)接觸點(diǎn)的屈服極限σs時(shí)產(chǎn)生塑性變形,使接觸面積增大，直至能接受載荷為止，那么N=Ar·σs或Ar=N/σsNAr接觸點(diǎn)塑性變形，面積增大，支撐外載荷粘著區(qū)域Ⅱ?；瑒?dòng)摩擦是粘著與滑動(dòng)交替發(fā)生的粘滑過程。開場(chǎng)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)的構(gòu)成和剪切交替進(jìn)展的粘滑過程。Ⅲ。摩擦力是粘著效應(yīng)和犁溝效應(yīng)產(chǎn)生阻力的總和。F=Ar·b＋Ac·Pc實(shí)踐接觸面積粘著點(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)生摩擦力的主要緣由，尤其對(duì)硬資料而言，犁溝效應(yīng)可忽略，根據(jù)上式有：F=Ar·b=(N/σs)·b故摩擦系數(shù)f為：f=F/N=b/σs=此式得出的摩擦系數(shù)通常比實(shí)踐情況小，與實(shí)踐不相符，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，假設(shè)在金屬外表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、修正的粘著實(shí)際簡(jiǎn)單粘著實(shí)際在靜止條件下是比較合理的，實(shí)踐情況是，摩擦過程中既有法向力的作用，又有切向力的作用，才干使兩外表產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。修正粘著實(shí)際主要思索在切向力作用下，使接觸面積增大，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)添加。N切向力FA0AAr=A0+A此時(shí)，資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：σ2＋2=K2待定常數(shù),>1即：(N/Ar)2＋(F/Ar)2=K2極限情況：①只需法向力時(shí)，=0，σ=σs那么：σs2=K2(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2當(dāng)量應(yīng)力即：(N/Ar)2＋(F/Ar)2=K2極限情況：①只需法向力時(shí)，=0，σ=σs那么：σs2=K2(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2Ar2=(N/σs)2＋(F/σs)2②當(dāng)切向力很大時(shí)，忽略法向力，那么有：2=σs2當(dāng)大到等于抗剪切強(qiáng)度b時(shí)，開場(chǎng)滑動(dòng)，那么b2=σs2或=σs2/b2多數(shù)金屬的σs/b=2～5，故=4～25根據(jù)(N/Ar)2＋(F/Ar)2=σs2推出：Ar2=(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)單粘著實(shí)際上式可知，切向力的作用大大添加了實(shí)踐接觸面積〔可增大3倍以上〕，從而使摩擦力或摩擦系數(shù)顯著增大。尤其是干凈外表或在真空條件下，摩擦力增大更多。四、摩擦的分子-機(jī)械實(shí)際前蘇聯(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)，以為兩接觸外表作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即要抑制機(jī)械變形的阻力，又要抑制分子相互作用的阻力；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椋篎＝F1＋F2F1—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?？偟哪Σ料禂?shù)：f＝f1＋f2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)械實(shí)際模型設(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，那么A1=ha；微凸體所受的阻力：F2=A1στ=haστστ—軟資料的屈服極限。正壓力只作用在面積A2上，所以N2=A2σN=a2σNσN—微凸體資料的塑性擠壓應(yīng)力，取σN=στ那么：μ2=又∵〔r-h〕2+a2=r2r2-2rh+h2+a2=r2a2=2rh-h2h很小時(shí)，a≈故由機(jī)械作用分量求得的摩擦系數(shù)：μ2＝由分子作用分量求得的摩擦系數(shù)為：μ1=τ0—分子粘著銜接的剪切阻力。對(duì)無光滑的金屬摩擦副，τ0=25～300KPa；有光滑時(shí)為10KPa；對(duì)于金屬和聚合物的摩擦副τ0=2～5KPa。Pr—摩擦接觸點(diǎn)的平均壓力。β—系數(shù)?？偰Σ料禂?shù)為：μ=μ1+μ2=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、摩擦的能量實(shí)際對(duì)摩擦的能量實(shí)際的研討有兩種看法：一種是從外表能量的觀念出發(fā)分析摩擦機(jī)理；另一種是從能量的平衡觀念來綜合分析摩擦過程外表能量的觀念資料的滑動(dòng)過程中，粘結(jié)點(diǎn)的尺寸不僅取決于塑性變形過程，而且還遭到外表的吸引力的影響。μ=τb—粘著點(diǎn)的剪切強(qiáng)度；H—軟資料的硬度；Wab—粘著外表的能量；r—粘著點(diǎn)的平均半徑；θ—微凸體與程度面的傾斜角。能量平衡實(shí)際在摩擦過程中，會(huì)出現(xiàn)一些與能量耗費(fèi)有關(guān)的景象，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)構(gòu)造為S，那么S=｛A,P,R｝式中：A—系統(tǒng)元素；P—元素性質(zhì)；R—元素之間相互作用。以油光滑齒輪傳動(dòng)為例摩擦學(xué)系統(tǒng)有四個(gè)元素：摩擦副齒輪1和2；中間資料3；周圍介質(zhì)4。各種齒輪傳動(dòng)的摩擦形狀可以差別很大。有的傳動(dòng)是按全膜光滑設(shè)計(jì)的，例如平面雙包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)的光滑設(shè)計(jì)就是企圖獲得最正確的流體動(dòng)力光滑形狀。有的齒輪傳動(dòng)是在無油條件下任務(wù)，嚙合全過程處于干摩擦形狀。大多數(shù)齒輪傳動(dòng)那么在混合光滑形狀下任務(wù)，它的一個(gè)重要問題是分析載荷的分配。峰點(diǎn)接觸邊境光滑的摩擦學(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影響摩擦的要素影響摩擦的要素：摩擦副資料的性質(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、溫度情況、摩擦外表接觸幾何特性和外表層物理性質(zhì)，以及介質(zhì)的化學(xué)作用等。摩擦系數(shù)是表示資料摩擦特性的主要參數(shù)之一，它與資料外表性質(zhì)、介質(zhì)或環(huán)境等要素有親密關(guān)系。如鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)可以在0.05～0.8之間這樣大的范圍內(nèi)變化。所以，在給出一種資料的摩擦系數(shù)時(shí)，必需同時(shí)給出得出數(shù)值的條件和所用的測(cè)試設(shè)備。一、載荷的影響本質(zhì)：載荷是經(jīng)過接觸面積的大小和變外形狀來影響摩擦的。光滑外表在接觸面上的應(yīng)力約為資料硬度值的一半；而粗糙外表的接觸應(yīng)力到達(dá)硬度的2～3倍，即出現(xiàn)塑性變形。當(dāng)外表是塑性接觸時(shí)，滑動(dòng)摩擦系數(shù)與載荷無關(guān)。在普通情況下，金屬外表處于彈塑性接觸形狀，滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨著載荷的添加而降低。為什么？實(shí)踐接觸面積的Ar比載荷Fn添加的慢。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。由于摩擦外表處于彈塑性接觸形狀，因此滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨加載速度而改動(dòng)。當(dāng)載荷很小時(shí)，加載速度的影響更為顯著。

干摩擦油光滑加載速度/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)隨加載速度的添加而添加。對(duì)于非金屬資料，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〔A—1〕的摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系闡明：1)在開場(chǎng)時(shí)摩擦系數(shù)隨載荷添加而添加，摩擦系數(shù)到達(dá)最大值后，摩擦系數(shù)又隨載荷添加而減少。2)時(shí)間對(duì)摩擦系數(shù)也有影響。二、外表膜對(duì)摩擦系數(shù)的影響大多數(shù)金屬的外表在大氣中會(huì)自然生成與外表結(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外表上構(gòu)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)改動(dòng)實(shí)踐接觸面積的大小，而且該膜使金屬外表的物理化學(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，具有外表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)Ff＝Ar×στ可知：

由于外表膜存在，摩擦力和摩擦系數(shù)會(huì)隨之降低摩擦副資料摩擦系數(shù)〔f〕真空中加熱大氣中清潔外表氧化膜鋼—鋼粘著0.780.27銅—銅粘著1.210.76外表氧化膜對(duì)摩擦系數(shù)的影響平板資料鋼銅平板資料鎳平板資料錫鉛載荷〔N〕凸腳資料摩擦系數(shù)f載荷〔N〕凸腳資料摩擦系數(shù)f載荷〔N〕凸腳資料摩擦系數(shù)f2.20Pb1.00.501.40Pb0.680.40Pb1.001.3521.400.780.3611.400.3910.401.141.342.40Sn0.660.411.40Sn0.680.40Sn0.900.4821.400.560.3511.400.4410.400.830.512.40Bi0.620.501.40Bi0.391.40Bi0.600.6021.400.440.3411.400.2610.400.541.002.40Al0.710.401.40Al0.511.40Al0.911.0021.400.450.2511.400.2610.400.681.002.40Cu0.371.201.40Cu0.491.40Cu1.001.0021.400.311.4611.400.2710.400.841.142.40Zn0.410.351.40Zn—1.40Zn0.910.8321.400.300.3411.40—10.400.691.102.40鋼0.530.231.40鋼0.501.40鋼0.831.3821.400.820.1711.400.3910.400.600.57表3-4實(shí)驗(yàn)室條件下，純真金屬的摩擦系數(shù)上表闡明以下幾點(diǎn)：純真金屬資料的摩擦副，由于不存在外表氧化膜，摩擦系數(shù)比較高滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨著載荷的添加而降低；同種金屬對(duì)磨時(shí)由于粘著的影響摩擦系數(shù)激增膜的構(gòu)成速度和膜的厚度對(duì)摩擦系數(shù)也有影響用半徑R＝0.3mm的球形壓頭在40N下沿著涂有銦膜〔厚度＝0.01–10微米〕的工具鋼試樣外表上滑動(dòng)時(shí)測(cè)出。三、資料性質(zhì)金屬摩擦副的摩擦系數(shù)，隨配對(duì)資料性質(zhì)的不同而不同。分子或原子構(gòu)造一樣或相近的兩種資料互溶性大，反之，分子或原子構(gòu)造差別大那么互溶性小。互溶性較大的資料組成摩擦副，易發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)增高；互溶性較小的資料組成摩擦副，不易發(fā)生粘著，摩擦系數(shù)普通都比較低。四、滑動(dòng)速度摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度添加而升高，越過一極大值后，又隨滑動(dòng)速度的添加而減少。當(dāng)壓力增大時(shí)，該最大值對(duì)應(yīng)于較小的速度值?；瑒?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，改動(dòng)了摩擦外表層的性質(zhì)和接觸情況，因此摩擦系數(shù)必將隨之變化。對(duì)溫度不敏感的資料〔如石墨〕，摩擦系數(shù)實(shí)踐上幾乎與滑動(dòng)速度無關(guān)。五、溫度摩擦副相互滑動(dòng)時(shí)，溫度的變化使外表資料的性質(zhì)發(fā)生改動(dòng)，從而影響摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)隨摩擦副任務(wù)條件的不同而變化，詳細(xì)情況需用實(shí)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