机械设计摩擦磨损和润滑精选课件.ppt
关于机械关于机械设计摩擦摩擦磨磨损和和润滑滑第一页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010机械零件设计中常见的摩擦和磨损机械零件设计中常见的摩擦和磨损自锁条件：自锁条件：最大有效圆周力：最大有效圆周力：1 1 螺纹连接螺纹连接2 2 带传动带传动第二页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20103 3 齿轮传动齿轮传动第三页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010蜗杆传动的效率：蜗杆传动的效率：4 4 蜗杆传动蜗杆传动5 5 滚动轴承滚动轴承第四页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010本章主要内容本章主要内容1.摩擦2.磨损3.润滑4.补充知识第五页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010摩擦学的发展历史摩擦学的发展历史v摩擦学摩擦学 Tribology 最早出现在最早出现在1966年，来源于古希腊语年，来源于古希腊语 tribosv摩擦学是分析和解决装备中磨损、可靠性和维修的一门摩擦学是分析和解决装备中磨损、可靠性和维修的一门科学。科学。v国际摩擦学理事会国际摩擦学理事会(International Tribology Council)，各国摩擦学学术团体联合组成的国际性学术组织，缩写各国摩擦学学术团体联合组成的国际性学术组织，缩写ITC。1973年成立。现有年成立。现有35个会员国，中国机械工程学会代表个会员国，中国机械工程学会代表中国参加。总部设在英国伦敦。中国参加。总部设在英国伦敦。第六页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010摩擦学的发展历史摩擦学的发展历史v人们了解摩擦学的相关知识要早于历史记录时间v钻木取火v碾谷物的石辊使用的轴承v古代的战车第七页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010摩擦学的发展历史摩擦学的发展历史v达芬奇最早提出了摩擦因数的概念，认为摩擦因数是摩擦力与正压力之比。第八页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v阿孟顿的研究图中D为一螺旋弹簧，C是一弹簧片，用来施加压力。从弹簧D的伸长，可以计算出作水平运动所需的力。欧拉（L.Euler，1707-1783）在1750年用数学形式表示阿孟顿的实验结果，即：F=fN。这个公式人们通常称之为库仑摩擦定律。因为对摩擦现象进行系统实验研究的是库仑。第九页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v库仑的研究1781年，法国科学院悬奖竞赛，题目中有一个是关于摩擦定律和绳索的牢固性问题。库仑当时是皇家工程部的高级军官，以其论文：简单机械的理论赢得了该奖。库仑采用的滑动摩擦实验装置：实验桌长约250厘米，上面嵌有两块平行木板AB与AB，各长360厘米，宽20厘米，相隔7.5厘米。在嵌板的左端BB安装有直径30厘米的滑轮h，滑轮上挂着载有砝码的盘子P，P下面挖了一个深120厘米的洞穴，为的是避免在测动摩擦时砝码盘降落下来碰到地板。嵌板右端AA上装有带杠杆的轴，用来收卷绳索。每次实验，都事先用杠杆将重物拉回原处。重物有300公斤重，无法靠手来挪动位置。库仑研究滚动摩擦的装置第十页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v采用数学模型对摩擦进行研究1737年，贝利多（B.F.de Belidor）用一个一个半球接成的模型(如图)当作摩擦面，验证了凸凹说，可以说，这是用模型对摩擦进行研究的最早尝试。英国物理学家德萨居利斯（J.T.Desaguliers）提出的粘合说。他在1724年向英国皇家学会作的报告中明确地把摩擦面之间的阻力归因于粘合力的产生。他介绍了他曾经用两个铅球（分别重1英磅和2英磅）做的实验：两个铅球都切去直径约14英寸的球缺，用手再将两个切面对接，边捻边用力压，使两个铅球的断面互相贴紧，粘合在一起，第十一页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010 德萨居利斯在1734年出版的实验物理学教程一书中，把产生摩擦力的原因归为摩擦表面的分子力的作用，并由此推断，摩擦表面愈是光滑，摩擦力应该愈大。这一观念导致了润滑减小摩擦的研究，对机械设计起着重要的指导作用。第十二页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v19世纪的研究英国的工程师雷尼（George Rennie）。他对各种材料之间的滑动摩擦进行了大量研究。图示是他用过的实验装置，他在1829年指出，需要建立一个更普遍的理论，把各种表面的弯曲和断面考虑在内。他最先解释了润滑剂的作用，解释润滑剂填充了表面之间的不规则性，同时使之更为光滑。他还注意到当压力超过某一数值时，摩擦系数迅速增大。这表明，库仑摩擦定律的成立是有条件的，也说明，在摩擦过程中应该考虑凸凹受到破坏这一情况。也就是说，摩擦和磨损是同时发生的现象。第十三页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v原子力显微镜和扫描隧道显微镜 由德国人G.Binnig(1947-)和瑞士人H.Roher(1933-)1981年发明，根据量子力学原理中的隧道效应而设计。两人因此获得1986年 诺贝尔奖。第十四页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM)工作原理：当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.10.2nm，纵向可达0.001nm。它的优点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本。第十五页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v摩擦、磨损、润滑和密封失效是现代机械系统的主摩擦、磨损、润滑和密封失效是现代机械系统的主要失效原因。要失效原因。v消极影响：消极影响：消耗能源；消耗能源；破坏精度（包括磨损和爬行）；破坏精度（包括磨损和爬行）；增大噪声增大噪声 v积极作用：积极作用：驱动驱动(摩擦轮、无级变速）摩擦轮、无级变速）缓冲，如宇航员座椅；缓冲，如宇航员座椅；自锁，如钉子等自锁，如钉子等第十六页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010一、摩擦一、摩擦内摩擦内摩擦流体内部产流体内部产生的粘剪力生的粘剪力摩摩 擦擦外摩擦外摩擦存在于两物存在于两物体表面之间体表面之间第十七页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010按照两表面的润滑状况，摩擦分为：按照两表面的润滑状况，摩擦分为：1 1）干摩擦）干摩擦-无润滑状态无润滑状态 2 2）边界摩擦）边界摩擦边界润滑状态边界润滑状态 3 3）流体摩擦）流体摩擦流体润滑状态流体润滑状态 4 4）混合摩擦）混合摩擦混合润滑状态混合润滑状态第十八页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20101 1 干摩擦干摩擦v 不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样产生的摩擦称为干摩擦摩擦称为干摩擦(如真空中如真空中)。特点：特点：最大；摩擦功耗大；磨损严重。最大；摩擦功耗大；磨损严重。v古典摩擦理论：古典摩擦理论：v现在的观点：现在的观点：第十九页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20102 2 边界摩擦边界摩擦 两表面加入润滑剂后，在金属表面会形成一层边界膜两表面加入润滑剂后，在金属表面会形成一层边界膜（物理吸附膜或者化学反应膜）。（物理吸附膜或者化学反应膜）。特点：特点：油膜较薄，在载荷的作用下，两金属表面微观的凸峰油膜较薄，在载荷的作用下，两金属表面微观的凸峰互相接触，横向剪切力比较弱。互相接触，横向剪切力比较弱。油性分子吸附在表面油性分子吸附在表面第二十页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20103 3 流体摩擦流体摩擦 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，摩擦表面当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子层间的粘剪阻力就是摩擦不会产生金属间的直接摩擦，流体分子层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体摩擦。属于内摩擦。力，这种摩擦称为流体摩擦。属于内摩擦。特点：特点：v f 最小，最小，f=0.0010.01；v 金属表面无磨损。金属表面无磨损。第二十一页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010实现流体摩擦必须具备一定的条件。分述如下实现流体摩擦必须具备一定的条件。分述如下:1)1)流体动压润滑流体动压润滑 所需条件：楔形空间，足够速度，粘性流体所需条件：楔形空间，足够速度，粘性流体第二十二页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v应用实例：硬盘驱动器第二十三页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v air bearing第二十四页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010第二十五页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20102 2）弹性流体动压润滑）弹性流体动压润滑 考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度的影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑，简称为弹流润滑。响的动压润滑称为弹性流体动力润滑，简称为弹流润滑。两表面的距离称为平均油膜厚度。接触区的出口处油膜变薄两表面的距离称为平均油膜厚度。接触区的出口处油膜变薄,这种现象称为这种现象称为“颈缩颈缩”,此处两表面距离称为最小油膜厚度。此处两表面距离称为最小油膜厚度。第二十六页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20103)3)流体静压润滑流体静压润滑 用油泵将润滑油经过节流器以所需要压力注入被润滑用油泵将润滑油经过节流器以所需要压力注入被润滑表面的油室表面的油室,再由油室的封油边流回油箱。再由油室的封油边流回油箱。第二十七页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20104 4 混合摩擦混合摩擦 当动压润滑条件不完全具备，且有的边界膜遭破坏时，当动压润滑条件不完全具备，且有的边界膜遭破坏时，就会出现就会出现流体摩擦流体摩擦、边界摩擦边界摩擦和和干摩擦干摩擦同时存在同时存在的现象，这的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。种摩擦状态称为混合摩擦。第二十八页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010薄膜摩擦薄膜摩擦 它介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几纳米，它介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几纳米，在现代精密机械系统在现代精密机械系统(Ra(Ra很小很小)或或MEMSMEMS中普遍存在，称为薄中普遍存在，称为薄膜摩擦。膜摩擦。第二十九页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010二、磨损二、磨损磨损：运动副表面材料不断损失磨损：运动副表面材料不断损失磨损率磨损率:单位时间内材料的磨损体积或质量单位时间内材料的磨损体积或质量1 1 磨损过程（三阶段）磨损过程（三阶段）:第三十页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20102 2 磨损分类：根据磨损机理可分为磨损分类：根据磨损机理可分为1 1）粘着磨损）粘着磨损v形成形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表面：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，表面尖峰接触。尖峰接触。v现象现象：形成材料转移。：形成材料转移。v影响因素影响因素：材料硬度，表面结构的粗糙度，载荷、速度、：材料硬度，表面结构的粗糙度，载荷、速度、温度，不同材料配副。温度，不同材料配副。第三十一页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20102 2）磨粒磨损）磨粒磨损/磨削磨削v形成形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。v现象现象：表面划伤或犁沟现象。：表面划伤或犁沟现象。v影响因素影响因素：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。：环境，表面硬度、表面结构的粗糙度。第三十二页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20103 3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）v形成形成：接触应力反复作用。如轴承、齿轮中。：接触应力反复作用。如轴承、齿轮中。v现象现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。v影响因素影响因素：表面硬度、表面结构的粗糙度，润滑油：表面硬度、表面结构的粗糙度，润滑油粘度。粘度。第三十三页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20104 4）冲蚀磨损）冲蚀磨损v形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法向力形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。v现象：表面疲劳，材料损失。现象：表面疲劳，材料损失。v影响因素：材料硬度影响因素：材料硬度第三十四页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20105 5）腐蚀磨损（电化学作用）腐蚀磨损（电化学作用）v形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用或电化学形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用或电化学作用。作用。v现象：表面腐蚀并磨损。现象：表面腐蚀并磨损。v影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。此外还有微动磨损此外还有微动磨损v形成：小振幅、大频率、点或线接触。形成：小振幅、大频率、点或线接触。v现象：磨损面积小。现象：磨损面积小。影响因素：载荷。影响因素：载荷。第三十五页，本课件共有48页Company name Cycle Diagram腐蚀腐蚀磨损磨损粘着粘着磨损磨损磨粒磨粒磨损磨损疲劳疲劳磨损磨损冲蚀冲蚀磨损磨损磨磨 损损 第三十六页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010三、润滑剂三、润滑剂润滑油润滑油润滑剂润滑脂润滑脂固体添加剂有有机机油油（动动植植物油物油)、矿矿物物油油（石石油油产品）、产品）、化学合成油化学合成油钙基脂、钠基钙基脂、钠基脂、锂基脂、脂、锂基脂、铝基脂、其铝基脂、其它润滑脂它润滑脂油性添加剂、抗磨油性添加剂、抗磨剂、防锈剂、降剂、防锈剂、降凝剂、纳米添加凝剂、纳米添加剂，等剂，等第三十七页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20101 1 润滑油润滑油分类：分类：有机油（动植物油有机油（动植物油)、矿物油（石油产品）和化学合成油、矿物油（石油产品）和化学合成油润滑油的理化性能指标润滑油的理化性能指标 1 1）润滑油的粘度）润滑油的粘度 粘度的物理意义：粘度的物理意义：反映了润滑油在外力作用下抵反映了润滑油在外力作用下抵抗剪切变形的能力，也是内摩擦力抗剪切变形的能力，也是内摩擦力大小的标志。大小的标志。第三十八页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010剪切应力剪切应力 与流体沿与流体沿 y 方向速度的梯度方向速度的梯度 dv/dy 成正比，成正比，即即 定义为流体的动力粘度。定义为流体的动力粘度。上式称为牛顿流体粘性定律上式称为牛顿流体粘性定律,凡符合此定律的流体称凡符合此定律的流体称为为牛顿流体，牛顿流体，否则称为非牛顿流体。否则称为非牛顿流体。v 粘度的表示方法：粘度的表示方法：动力粘度、运动粘度和相对粘度动力粘度、运动粘度和相对粘度第三十九页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v动力粘度动力粘度 长长、宽宽、高高各各为为1m的的流流体体，如如果果使使立立方方体体顶顶面面流流体体层层相相对对底底面面流流体体层层产产生生1m/s的的运运动动速速度度，所所需需要要的的外外力力F为为1N时时，则则流流体体的的粘粘度度为为1Ns/m，叫叫做做“帕帕秒秒”，常常用用Pas 表示。表示。v运动粘度运动粘度 流体的动力粘度与同温度下的密度流体的动力粘度与同温度下的密度的比值的比值,称为运动粘度称为运动粘度:第四十页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v相对粘度相对粘度 E 恩恩氏氏粘粘度度是是相相对对粘粘度度的的一一种种,它它是是用用 200ml 的的粘粘性性流流体体,在在给给定定的的温温度度 t 下下流流经经一一定定直直径径和和长长度度的的毛毛细细管管所所需需的的时时间间,与与同同体体积积的的蒸蒸馏馏水水在在 20 时时流流经经同同样样的的毛毛细细管管所所需需时时间间的的比比值值来来衡量流体的粘性。衡量流体的粘性。润滑油的粘温、粘压特性润滑油的粘温、粘压特性v润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系润滑油的粘度随温度的变化存在指数关系:v粘度和压力的关系近似表示为粘度和压力的关系近似表示为:第四十一页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20102）油性）油性反映在摩擦表面的吸附性能反映在摩擦表面的吸附性能 （边界润滑和粗糙表面尤其重要）（边界润滑和粗糙表面尤其重要）3）闪点）闪点瞬时燃烧和碳化的温度；瞬时燃烧和碳化的温度；燃点燃点长时间连续燃烧的温度（高温性能）；长时间连续燃烧的温度（高温性能）；4）凝点）凝点润滑油冷却到不能流动时的临界温度；润滑油冷却到不能流动时的临界温度；(低温启动低温启动性能性能)5）极压性（）极压性（EP）,在重压下表面膜破裂的最大在重压下表面膜破裂的最大 接触载荷，用接触载荷，用PB表示，表示，(极限载荷）极限载荷）6）酸值）酸值限制润滑剂变质后对表面的腐蚀限制润滑剂变质后对表面的腐蚀第四十二页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20102 润滑脂润滑脂v润滑脂的组成与分类润滑脂的组成与分类 1)1)组成：组成：基础油基础油+稠化剂稠化剂+添加剂添加剂+膨润土膨润土 2 2）分类：）分类：A)A)钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；B)B)钠基脂：高温，但不抗水；钠基脂：高温，但不抗水；C)C)锂基脂：多用途，最好；锂基脂：多用途，最好；D)D)铝基脂：高度耐水性，航运机械铝基脂：高度耐水性，航运机械 E)E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、稠化剂等其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、稠化剂等第四十三页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,2010v润滑脂的性能指标：润滑脂的性能指标：主要有针入度、滴点、析油量、机械杂质、灰分、主要有针入度、滴点、析油量、机械杂质、灰分、水分等水分等1）针入度）针入度软硬程度软硬程度 h(mm)/0.1阻力大小、流动性强弱阻力大小、流动性强弱h2 2）滴点）滴点-固体固体流体的温度转折点，表示耐热性流体的温度转折点，表示耐热性3 3）防水性能；）防水性能；4 4）静音性能；）静音性能；第四十四页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20103、固体润滑剂、固体润滑剂v用途：用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；真空、辐射、重载等恶劣环境；v种类：种类：MoS2，PTFE，石墨，氟化石墨，石墨，氟化石墨，WS2、纳米材料纳米材料v应用方法：应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂第四十五页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20104、气体润滑剂、气体润滑剂v种类：种类：空气、氧气、氩气等空气、氧气、氩气等v用途：用途：高速轴承及不能用润滑油的场合。高速轴承及不能用润滑油的场合。第四十六页，本课件共有48页Harbin Institute of Technology,20105、添加剂、添加剂作用：作用：改善润滑性能改善润滑性能种类：种类：）油性添加剂，极性分子结构；）油性添加剂，极性分子结构；）抗磨极压（）抗磨极压（EPEP）添加剂）添加剂）抗氧化腐蚀添加剂；）抗氧化腐蚀添加剂；）洁净分散剂，汽车中）洁净分散剂，汽车中）防锈剂）防锈剂）降凝剂）降凝剂）增粘剂）增粘剂）消泡剂液压油）消泡剂液压油 9)9)纳米添加剂纳米添加剂第四十七页，本课件共有48页感感谢谢大大家家观观看看第四十八页，本课件共有48页
