1、 是近是近 40 年來發展起來的年來發展起來的。有關有關摩擦摩擦、磨損磨損與與潤滑科學潤滑科學的總稱，的總稱，相互接觸的摩相互接觸的摩擦表面之間的擦表面之間的摩擦摩擦和和磨損磨損的有關科學和技術的的有關科學和技術的。由于在由于在機械產品機械產品及其及其零部零部件的設計中，需要應用和處理大量的件的設計中，需要應用和處理大量的，因而也就誕生了，因而也就誕生了摩擦學設計摩擦學設計。主要介紹了主要介紹了： 摩擦學的概念及摩擦學設計內容摩擦學的概念及摩擦學設計內容 金屬表面的金屬表面的摩擦和磨損摩擦和磨損 摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇 潤滑和潤滑系統設計潤滑和潤滑

2、系統設計 摩擦學系統的監測與診斷技術摩擦學系統的監測與診斷技術是近是近40 年來發展起來的年來發展起來的一門新的邊緣學科一門新的邊緣學科。有關有關摩擦摩擦、磨損磨損與與潤滑科學潤滑科學的總稱，的總稱，是研究是研究相互接觸的摩擦表相互接觸的摩擦表面之間的面之間的摩擦摩擦和和磨損磨損的有關科學和技術的一門學科。的有關科學和技術的一門學科。是現象，是現象，是是的結果，的結果，是是降低摩擦降低摩擦、減少磨損減少磨損的重的重要措施。因此，要措施。因此，摩擦摩擦、磨損與潤滑磨損與潤滑三者有著三者有著十分密切的關系十分密切的關系。 任何任何機器的運轉機器的運轉都依賴都依賴的的來實現。而零件的來實現。而零件的

3、必然會產生必然會產生和和。 為了為了減少摩擦減少摩擦或或降低磨損降低磨損，最有效的手段是，最有效的手段是。因此，解。因此，解決決、和和就成為機械及大多數技術部門就成為機械及大多數技術部門最普遍和最重最普遍和最重要的問題要的問題之一。之一。11.1 摩擦學設計概述摩擦學設計概述問世于問世于1966年，它是世界上近幾十年中發展最快的學科之年，它是世界上近幾十年中發展最快的學科之一，這主要是由于一，這主要是由于摩擦學的研究摩擦學的研究對于國民經濟具有十分重要的意義。對于國民經濟具有十分重要的意義。由于全世界約有由于全世界約有 1/2 1/3 的能源的能源以各種形式消耗在以各種形式消耗在摩擦摩擦上，而

4、上，而摩摩擦擦導致導致磨損磨損是是機械設備失效機械設備失效的主要原因，大約有的主要原因，大約有80的損壞零件的損壞零件是由是由于于各種形式的磨損各種形式的磨損引起的。引起的。 由于由于對于工農業生產和人民生活的巨大影響，因而自這門對于工農業生產和人民生活的巨大影響，因而自這門學科與學科與1966年一經提出，就迅速引起年一經提出，就迅速引起世界各國的普遍重視世界各國的普遍重視，成為近，成為近40多年來迅速發展的技術學科，并日益得到廣泛的應用。多年來迅速發展的技術學科，并日益得到廣泛的應用。是以是以摩擦摩擦、磨損及潤滑理論磨損及潤滑理論為基礎，從為基礎，從系統工程觀點系統工程觀點出發，通過一系列出

5、發，通過一系列計算計算與與經驗類比分析經驗類比分析，來預測并排除可能，來預測并排除可能發生的故發生的故障障，使機械設備在，使機械設備在使用過程中使用過程中達到達到盡可能小的摩擦盡可能小的摩擦、損耗損耗和和經濟的穩經濟的穩定磨損率定磨損率。是是機械設備零件設計機械設備零件設計經歷了經歷了運動設計運動設計與與強度設計強度設計以后以后的的第三階段設計第三階段設計，它涉及它涉及到到流體力學流體力學、固體力學固體力學、流變學流變學、數學數學、材材料科學料科學、物理物理和和化學化學等內容。等內容。的的主要主要：摩擦副的摩擦副的類型選擇類型選擇、結構設計結構設計和和材料選擇材料選擇等；等；潤滑劑和潤滑方法的

6、選擇潤滑劑和潤滑方法的選擇、潤滑系統的設計潤滑系統的設計等；等；。為了獲得為了獲得當前當前運動狀態的信息運動狀態的信息，并，并機械故障診斷機械故障診斷，包包括括溫度、振動傳感器、油液監測器的設計或選用；信號傳輸的處理、溫度、振動傳感器、油液監測器的設計或選用；信號傳輸的處理、分析等。分析等。 11.2.1 金屬表面特性金屬表面特性機械設備機械設備的的大多都是采用大多都是采用金屬制作金屬制作的。而的。而摩擦學研究的摩擦學研究的對象對象是作是作相對運動相對運動、相互作用的表面相互作用的表面，所以了解，所以了解金屬表面的特性金屬表面的特性是解是解決決的基礎知識之一。的基礎知識之一。金屬表面的特性金屬

7、表面的特性，主要包括：，主要包括： 金屬表面的形貌金屬表面的形貌 表面的結構組成表面的結構組成 表面的接觸表面的接觸 11.2 金屬表面的金屬表面的摩擦和磨損摩擦和磨損圖圖11-1 表面形貌及其特性表面形貌及其特性 圖圖11-2 金屬零件表層的一般結構金屬零件表層的一般結構 圖圖11-3 表面接觸面積表面接觸面積 An=ab，即接觸表，即接觸表面的面的宏觀面積宏觀面積，由接觸物，由接觸物體的外部尺寸決定。體的外部尺寸決定。 即金屬表面彈性變形即金屬表面彈性變形部分所形成的部分所形成的接觸面積總接觸面積總和和，AP的大小與表面所承的大小與表面所承受的載荷有關，通常，受的載荷有關，通常，APAn(

8、515)。即即輪廓接觸面積輪廓接觸面積AP內內各真實接觸部分的微小面積的各真實接觸部分的微小面積的總和總和。 如如圖圖11-3所示。所示。可分為如下可分為如下 3 種：種：1. 摩擦的定義摩擦的定義兩個相互接觸的兩個相互接觸的物體物體在在外力外力作用下作作用下作相對運動相對運動時其時其接觸表面接觸表面之間之間的的切向阻抗現象切向阻抗現象，叫做，叫做。其阻力叫做。其阻力叫做。這種這種摩擦摩擦與與兩個物體接觸部分的表面相互作用兩個物體接觸部分的表面相互作用有關，而與有關，而與物體內物體內部狀態部狀態無關，所以又稱為無關，所以又稱為外摩擦外摩擦。液體或者氣體中各部分之間。液體或者氣體中各部分之間相對

9、移相對移動動而發生的而發生的摩擦摩擦，稱為，稱為內摩擦內摩擦。而邊界潤滑狀態下的摩擦是吸附膜或。而邊界潤滑狀態下的摩擦是吸附膜或其它表面膜之間的摩擦，也屬于其它表面膜之間的摩擦，也屬于外摩擦外摩擦。兩個物體之間的兩個物體之間的摩擦力摩擦力與其與其法向壓力法向壓力之比值，稱為之比值，稱為摩擦系數摩擦系數。兩上物體表面相互接觸或相對運動時，就會兩上物體表面相互接觸或相對運動時，就會。因此，。因此，是自然界普遍存在的一種現象。是自然界普遍存在的一種現象。人類對人類對就是就是“摩擦起火摩擦起火”。近代工業的。近代工業的摩擦輪傳摩擦輪傳動動、各種車輛和飛機的、各種車輛和飛機的制動器制動器、摩擦切削摩擦切

10、削等都是等都是為人類服務為人類服務的例子。但在大多數情況下，的例子。但在大多數情況下，它它造成造成能量的損耗能量的損耗和和機機件材料的磨損件材料的磨損。據統計，世界上能源有。據統計，世界上能源有1/21/3以各種形式以各種形式消耗于摩擦消耗于摩擦。11.2.2 摩擦摩擦和和的的是：一物體或一部分物質將自身的是：一物體或一部分物質將自身的運動傳遞給與它相接觸的另一物體或另一部分物質，并試圖使運動傳遞給與它相接觸的另一物體或另一部分物質，并試圖使兩者兩者的運動速度的運動速度趨于一致，因而在趨于一致，因而在摩擦過程中摩擦過程中發生發生。與與的的不同特征不同特征在于內部運動狀況。在于內部運動狀況。流體

11、相鄰質點的運動速度是連續變化的，具有一定的流體相鄰質點的運動速度是連續變化的，具有一定的速度梯度速度梯度；是在滑動面上發生速度突變。是在滑動面上發生速度突變。此外，此外，內摩擦力內摩擦力與相對滑動速度成正比，當滑動速度為零時與相對滑動速度成正比，當滑動速度為零時內內摩擦力摩擦力也就消失；而也就消失；而外摩擦力外摩擦力與滑動速度的關系隨工況條件變化，與滑動速度的關系隨工況條件變化，當滑動速度消失后仍有當滑動速度消失后仍有靜摩擦力靜摩擦力存在。存在。以上對以上對摩擦的定義摩擦的定義，確切地指出了，確切地指出了摩擦的實質摩擦的實質。顯然，兩接觸。顯然，兩接觸表面有相對運動或相對運動的趨勢，必然就有表

12、面有相對運動或相對運動的趨勢，必然就有，可可以用以用摩擦力摩擦力或或摩擦系數摩擦系數反映，而反映，而始終與相對運動的方向相反。始終與相對運動的方向相反。2. 摩擦的分類摩擦的分類可以按以下可以按以下來分類。來分類。1)按摩擦副的運動狀態分類按摩擦副的運動狀態分類按按摩擦副的運動狀態摩擦副的運動狀態分類，分類，可分為：可分為：靜摩擦靜摩擦和和動摩擦動摩擦。 兩個物體作宏觀位移前的微觀位移時其接觸表面之間兩個物體作宏觀位移前的微觀位移時其接觸表面之間的的外摩擦外摩擦。其摩擦力稱。其摩擦力稱靜摩擦力靜摩擦力。隨作用于物體上的外力變化而變化。當外力大到克服了隨作用于物體上的外力變化而變化。當外力大到克

13、服了最大靜摩擦力時，物體才開始宏觀運動。最大靜摩擦力是物體產生宏最大靜摩擦力時，物體才開始宏觀運動。最大靜摩擦力是物體產生宏觀位移前的摩擦力極限。觀位移前的摩擦力極限。兩個物體作相對運動時接觸表面之間的外摩擦。其阻兩個物體作相對運動時接觸表面之間的外摩擦。其阻礙物體運動的切向力叫礙物體運動的切向力叫動摩擦力動摩擦力。動摩擦力通常小于靜摩擦力。動摩擦力通常小于靜摩擦力。2)按摩擦副的運動形式分類按摩擦副的運動形式分類按按摩擦副的運動形式摩擦副的運動形式分類，分類，可分為：可分為：滑動摩擦滑動摩擦、滾動摩擦滾動摩擦和和滑滑- -滾摩擦滾摩擦。(1)：指兩個接觸物體之間的指兩個接觸物體之間的動摩擦動

14、摩擦，其接觸表面上切向，其接觸表面上切向速度的大小和（或）方向不同。也就是兩表面速度的大小和（或）方向不同。也就是兩表面發生相對滑動運動時發生相對滑動運動時的的動摩擦。動摩擦。在力矩作用下，物體沿接觸表面在力矩作用下，物體沿接觸表面滾動時的摩擦滾動時的摩擦。也。也就是兩表面發生純滾動運動時的就是兩表面發生純滾動運動時的動摩擦動摩擦。滾動摩擦時，其接觸表面上。滾動摩擦時，其接觸表面上至少有一點切向速度的大小和方向均相同。至少有一點切向速度的大小和方向均相同。指兩個接觸物體之間的動摩擦，其接觸表面上指兩個接觸物體之間的動摩擦，其接觸表面上同同時發生滾動和滑動運動時時發生滾動和滑動運動時的摩擦。的摩

15、擦。3)按摩擦副表面的潤滑狀態分類按摩擦副表面的潤滑狀態分類按按摩擦副表面的潤滑狀態摩擦副表面的潤滑狀態分類，分類，可分為：干摩擦、液體摩可分為：干摩擦、液體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦等。擦、邊界摩擦和混合摩擦等。在大氣條件下，摩擦表面間名義上在大氣條件下，摩擦表面間名義上沒沒有潤滑劑有潤滑劑存在時的摩擦。存在時的摩擦。指相對運動的兩物體表面完全被指相對運動的兩物體表面完全被一層流體一層流體所隔開的所隔開的摩擦。這時的摩擦。這時的摩擦取決于流體的粘度摩擦取決于流體的粘度。流體可是液體或氣體。當為液。流體可是液體或氣體。當為液體時稱體時稱液體摩擦液體摩擦；為氣體時稱；為氣體時稱氣體摩擦氣體摩擦。流

16、體摩擦流體摩擦時，摩擦是發生在流體內部。時，摩擦是發生在流體內部。是指摩擦表面間有是指摩擦表面間有一層極薄的吸附潤滑膜存在時一層極薄的吸附潤滑膜存在時的的摩擦，這層膜叫摩擦，這層膜叫邊界潤滑膜邊界潤滑膜，其厚度大約為，其厚度大約為0.01m或更薄。這時摩擦或更薄。這時摩擦取決于潤滑膜的特性如表面特性。取決于潤滑膜的特性如表面特性。是指介于是指介于上述三種摩擦之間上述三種摩擦之間的摩擦。這種類型的摩的摩擦。這種類型的摩擦是屬于過渡狀態的擦是屬于過渡狀態的摩擦摩擦，如半干摩擦和半流體摩擦。，如半干摩擦和半流體摩擦。半干摩擦半干摩擦是指同時有邊界摩擦和干摩擦的情況。是指同時有邊界摩擦和干摩擦的情況。

17、半流體摩擦半流體摩擦是指同時有流體摩擦和邊界摩擦的情況。是指同時有流體摩擦和邊界摩擦的情況。3. 摩擦理論摩擦理論是兩個接觸表面相互作用引起的是兩個接觸表面相互作用引起的滑動阻力滑動阻力和和能量損耗能量損耗。摩擦摩擦現象現象涉及的因素很多，因而提出了涉及的因素很多，因而提出了各種不同的摩擦理論各種不同的摩擦理論，現簡述如下。，現簡述如下。十八世紀以前的十八世紀以前的摩擦理論摩擦理論認為，認為，摩擦摩擦起源于起源于表面粗糙度表面粗糙度，滑動摩，滑動摩擦中能量損耗于微凸峰的相互嚙合、嵌入及彈塑變形，特別是硬微凸擦中能量損耗于微凸峰的相互嚙合、嵌入及彈塑變形，特別是硬微凸峰嵌入軟表面后在滑動中形成的

18、犁溝效應。峰嵌入軟表面后在滑動中形成的犁溝效應。這一理論認為這一理論認為，表面越粗糙，表面越粗糙摩擦系數越摩擦系數越大，反之隨著表面粗糙度大，反之隨著表面粗糙度的降低，的降低，摩擦系數降低摩擦系數降低。實踐表明，實踐表明，摩擦機械理論摩擦機械理論只適用于只適用于普通粗糙表面普通粗糙表面，而當，而當表面粗糙表面粗糙度降到表面分子吸引力有效作用度降到表面分子吸引力有效作用時，如時，如時，這時時，這時摩擦系摩擦系數數反而劇增，這說明反而劇增，這說明機械理論機械理論就不適用了。就不適用了。/rrFAWfA W這種理論認為這種理論認為，摩擦摩擦是起因于是起因于兩摩擦表面兩摩擦表面上上分子間的作用力分子間

19、的作用力，是，是由于分子的活動性和分子力作用可使由于分子的活動性和分子力作用可使固體粘附固體粘附在一起而產生在一起而產生阻抗現象阻抗現象。根據根據似得出這樣的結論，即表面越粗糙實際接觸面似得出這樣的結論，即表面越粗糙實際接觸面積越小，因而積越小，因而摩擦系數應越小摩擦系數應越小。因而，。因而，摩擦分子理論摩擦分子理論能解釋一些能解釋一些摩擦摩擦機械理論機械理論不能解釋的現象，但是對實際粗糙表面，又與實際不符。不能解釋的現象，但是對實際粗糙表面，又與實際不符。這種理論認為這種理論認為，摩擦過程中有表面微凸峰間的，摩擦過程中有表面微凸峰間的機械嚙合力機械嚙合力和和摩擦摩擦表面分子相互吸引力表面分子

20、相互吸引力這兩個方面的這兩個方面的阻力阻力。因此，可用。因此，可用二項式摩擦定理二項式摩擦定理來說明來說明這種理論這種理論，即，即（11-1）摩擦力摩擦力：摩擦系數摩擦系數： （11-2）式中，式中， 由摩擦表面分子特性決定的系數；由摩擦表面分子特性決定的系數； 由摩擦表面機械特性決定的系數；由摩擦表面機械特性決定的系數； Ar實際接觸面積；實際接觸面積； W 外載荷。外載荷。分子機械理論分子機械理論較較更為完善一些，主要是因為更為完善一些，主要是因為它既考慮了它既考慮了微凸峰間分子的吸引力微凸峰間分子的吸引力，并又明確指出，界面間微凸峰，并又明確指出，界面間微凸峰的機械嚙合力是的機械嚙合力是

21、產生摩擦產生摩擦的主要原因。的主要原因。該理論該理論更為符合實際情況。更為符合實際情況。ebreSpAPTF式中，式中，T 剪切力，剪切力，TAr ；Pe 犁溝力，犁溝力，Pe = S pe；其中，其中，Ar 為粘著面積即實際接觸面積；為粘著面積即實際接觸面積；b 粘著點的剪切粘著點的剪切 強度；強度；S 犁溝面積；犁溝面積；pe 單位面積的犁溝力。單位面積的犁溝力。粘著理論粘著理論和和分子機械理論分子機械理論相比較，相比較，二者二者都考慮了都考慮了表面微凸峰表面微凸峰間的間的嚙合力嚙合力，但，但這種這種嚙合力嚙合力是由是由微凸峰微凸峰受載后的受載后的塑性變形塑性變形所產生，同時，還考慮了所產

22、生，同時，還考慮了微凸峰微凸峰在接觸以后產生在接觸以后產生粘結粘結，如果被外力所，如果被外力所剪切而分離時，還必須克服剪切而分離時，還必須克服微凸峰間相互位移微凸峰間相互位移所需的所需的切向力切向力。由于由于粘著結點粘著結點具有很強的具有很強的粘著力粘著力，當兩表面作相對滑動時，當兩表面作相對滑動時，粘著粘著點點被切斷，當一表面比另一表面硬時，則硬的微凸體頂峰還將較軟的被切斷，當一表面比另一表面硬時，則硬的微凸體頂峰還將較軟的表面上拉劃出表面上拉劃出犁溝犁溝，這時，這時，摩擦力摩擦力是是粘著效應粘著效應和和犁溝效應犁溝效應產生阻力的產生阻力的總和總和，即，即剪切這些粘著點的力剪切這些粘著點的力

23、和和拉劃出犁溝的力之和拉劃出犁溝的力之和就是就是。按上述按上述 為為 （11-3）SbbWAFsbWFf 式中，式中，b 為較軟材料的剪切強度極限；為較軟材料的剪切強度極限； s 為較軟材料的抗壓屈服極限；為較軟材料的抗壓屈服極限； W為外載荷。為外載荷。對于對于金屬摩擦副金屬摩擦副，通常，通常Pe 的數值的數值遠小于遠小于 T 值。值。認為認為粘著粘著效應效應是是產生摩擦力產生摩擦力的主要原因。如果忽略的主要原因。如果忽略犁溝效應犁溝效應，式式(11-3)變為變為摩擦力摩擦力：（11-4）摩擦系數摩擦系數：（11-5）4. 影響摩擦的因素影響摩擦的因素在于弄清摩擦的機理，以便在于弄清摩擦的機

24、理，以便控制摩擦過程控制摩擦過程和和降低摩擦損耗。降低摩擦損耗。是多方面的，目較普遍的認識認為有是多方面的，目較普遍的認識認為有以下以下幾個主要方面幾個主要方面：(1)金屬材料的性質（材料互溶性，材料的金相分子結構等）；金屬材料的性質（材料互溶性，材料的金相分子結構等）；(2)法向載荷；法向載荷；(3)表面的滑動速度；表面的滑動速度；(4)環境及表面間的溫度；環境及表面間的溫度；(5)表面的粗糙度；表面的粗糙度；(6)表面膜等。表面膜等。因此，在研究分析因此，在研究分析具體摩擦現象具體摩擦現象及及問題問題時，應給于全面考慮。時，應給于全面考慮。部分常用材料的部分常用材料的滑動摩擦系數滑動摩擦系

25、數見見表表11-1。表表11-1 部分常用材料的滑動摩擦系數部分常用材料的滑動摩擦系數 1. 磨損的定義及其表示方法磨損的定義及其表示方法相互接觸物體的表面相對運動過程中，相互接觸物體的表面相對運動過程中，表層物質發生不斷損失的表層物質發生不斷損失的現象現象稱為稱為，表現為，表現為物體尺寸物體尺寸和和(或或)形狀的變化形狀的變化。為了說明為了說明材料磨損程度材料磨損程度和和耐磨性能耐磨性能，需要用，需要用表征表征磨損現磨損現象象。通常采用下述。通常采用下述。指以尺寸、體積或重量的減少量來表示的磨損過程指以尺寸、體積或重量的減少量來表示的磨損過程結果的量。通常可用結果的量。通常可用線磨損量線磨損

26、量、體積磨損量體積磨損量、重量磨損量重量磨損量來表示。來表示。磨磨損量損量是評定材料耐磨性能，控制產品質量和研究摩擦磨損機理的重要是評定材料耐磨性能，控制產品質量和研究摩擦磨損機理的重要指標之一。指標之一。是指磨損量對產生磨損的行程或時間之比值。它可是指磨損量對產生磨損的行程或時間之比值。它可用用三種方式三種方式表示，即表示，即(1)單位滑動距離的材料磨損量單位滑動距離的材料磨損量；(2)單位時間的單位時間的材料磨損量材料磨損量；(3)每轉或每一往復行程的材料磨損量每轉或每一往復行程的材料磨損量。指磨損量與發生磨損所經過的規定距離或所作的指磨損量與發生磨損所經過的規定距離或所作的功之比值。功之

27、比值。用以表示材料抵抗磨損的性能。它以規定的摩擦用以表示材料抵抗磨損的性能。它以規定的摩擦條件下的條件下的來表示。來表示。很多，為了對很多，為了對能夠深入地理解和研究，能夠深入地理解和研究，現現代機械工程代機械工程常按常按摩擦表面破壞的機理摩擦表面破壞的機理和和特性特性對對磨損進行分類磨損進行分類。為此，一般可將為此，一般可將分為分為如下五類如下五類： 粘著磨損粘著磨損 磨料磨損磨料磨損 表面疲勞磨損表面疲勞磨損 腐蝕磨損腐蝕磨損 微動磨損微動磨損這五類磨損的機理這五類磨損的機理及及特點特點見見表表11-2。 表表11-2 五種基本磨損類型五種基本磨損類型下面介紹幾種較為重要的下面介紹幾種較為

28、重要的。很多很多是在是在靜態條件靜態條件下作出的，如下作出的，如靜負荷靜負荷、不變速不變速度度、或是、或是用熱負荷用熱負荷（Thermalload）即）即計算溫度的方法計算溫度的方法來解決。來解決。 現已提出的現已提出的如下。如下。 其中，其中， pH為為Hertz最大壓力；最大壓力；US 為物體表面的相對滑動速度。為物體表面的相對滑動速度。該準則該準則雖很簡單，但是包括了雖很簡單，但是包括了：載荷載荷和和速度速度。在在不同的載荷不同的載荷和和速度速度下，下，實驗數據值的離散程度實驗數據值的離散程度雖不超過雖不超過50%，但誤差是很大的。盡管如此，仍可作為設計時的參考。但誤差是很大的。盡管如此

29、，仍可作為設計時的參考。SfWUconst也可寫成也可寫成(11-6)式中，式中，f 為摩擦系數；為摩擦系數；W 為載荷。為載荷。 fWUS的物理意義的物理意義是因摩擦而消耗的能量，也可看成是因摩擦而是因摩擦而消耗的能量，也可看成是因摩擦而產生的熱。但是，在產生膠合時的產生的熱。但是，在產生膠合時的摩擦系數摩擦系數 f 值很難確定，因此，值很難確定，因此，采采用此式用此式較為困難較為困難。是從是從 發展而來的。發展而來的。幾十年來，有許多研究者開展了對幾十年來，有許多研究者開展了對指數指數 x 值值的確定研究。求得的確定研究。求得 x 值的方法值的方法：理論分析法理論分析法、經驗數據的總結經驗

30、數據的總結以及以及試驗結果的總試驗結果的總結結。對于某一種具體條件下，只有通過。對于某一種具體條件下，只有通過試驗的方法試驗的方法求得求得 x 數值后，數值后，這個準則這個準則才有實際應用的價值。才有實際應用的價值。粘著磨損的計算粘著磨損的計算是基于是基于如下假設如下假設：表面的粘結點表面的粘結點是相同的圓形，其是相同的圓形，其半徑為半徑為r，每一個粘結點的面積每一個粘結點的面積為為r2 ，并且，并且支持著的載荷支持著的載荷為為pyr2 ， py為為材料的屈服壓強；通過每一個粘結點的滑動距離為材料的屈服壓強；通過每一個粘結點的滑動距離為2r（見（見圖圖11-4），假），假定磨粒呈半球狀，定磨粒

31、呈半球狀，每一個磨粒的體積每一個磨粒的體積 2r3/3。 圖圖11-4粘著磨損的計算模型粘著磨損的計算模型 23arVn2yaWprn單位滑動長度時的單位滑動長度時的磨損體積磨損體積 V 為為式中，式中，na 為全部接觸斑點的數目。為全部接觸斑點的數目。設每一個點所支持的載荷為設每一個點所支持的載荷為pyr2 ，可得，可得總載荷總載荷 W 為為3yWVp3yWVkp故得故得上式上式是在假定所有粘結點都磨去一個磨粒的條件下求得的。如果是在假定所有粘結點都磨去一個磨粒的條件下求得的。如果只有全部接觸點的只有全部接觸點的 k 部分產生磨削，部分產生磨削，上式上式可寫為可寫為式中，式中，k是一個凸峰接

32、觸時是一個凸峰接觸時可能產生磨削的概率可能產生磨削的概率。由由上式上式可以得到可以得到：材料的磨損體積材料的磨損體積與與滑動距滑動距離離成正比，與成正比，與載荷載荷成正比，與成正比，與較軟材料的屈服壓強較軟材料的屈服壓強成反比。成反比。(11-12) 22yn r pW2cotVnr2cotyWVp 因單位距離的因單位距離的磨損體積磨損體積 。故得。故得圖圖11-5圓錐凸峰嵌入式的圓錐凸峰嵌入式的 磨料磨損計算模型磨料磨損計算模型假如采用假如采用硬的圓錐凸峰硬的圓錐凸峰在較軟的表面上劃過的在較軟的表面上劃過的磨損模型磨損模型來進行來進行磨磨料磨損的計算料磨損的計算，若視，若視圓錐凸峰圓錐凸峰的

33、大小相同，并具有相同的的大小相同，并具有相同的半角半角 （見（見圖圖11-5），當圓錐凸峰劃過一個單位距離時，），當圓錐凸峰劃過一個單位距離時，凸峰凸峰使軟物體移去的體使軟物體移去的體積為積為 r。但因但因r cot ，則可得移動單位距離時一個凸峰所劃去的體則可得移動單位距離時一個凸峰所劃去的體積為積為 r2cot 。假定較軟材料的屈服壓強為。假定較軟材料的屈服壓強為 py ，則則每一個圓錐凸峰每一個圓錐凸峰所承所承擔的載荷為擔的載荷為 (r2/2)py 。如果有。如果有 n 個凸峰接觸個凸峰接觸，則，則為為(11-14)aBk WVH 適用于適用于二體磨料磨損二體磨料磨損。對于。對于三體磨料

34、磨損三體磨料磨損，式式(11-15)仍可近似地采用，只是仍可近似地采用，只是 ka 值要低一些，因在值要低一些，因在三體磨料磨損三體磨料磨損情況下，情況下，很多很多磨料磨料是在是在滾動滾動而不是而不是滑動滑動。上式上式是以是以圓錐凸峰模型圓錐凸峰模型為基礎而推得的，沒有考慮為基礎而推得的，沒有考慮凸峰的高度凸峰的高度分布不同的狀態分布不同的狀態。材料在滑動方向的前方。材料在滑動方向的前方產生堆積產生堆積，會改變接觸面，會改變接觸面積；材料的彈性模量積；材料的彈性模量E 對對也有影響。也有影響。因此，可用因此，可用下式算計下式算計式中，式中，HB 為較軟材料的硬度；為較軟材料的硬度；ka 為磨料

35、磨損常數。對不為磨料磨損常數。對不同的磨料，同的磨料，ka 值不同。值不同。(11-15)組成組成摩擦副的機械零部件摩擦副的機械零部件在正常的運行條件下，其在正常的運行條件下，其典型磨損過典型磨損過程程一般分為一般分為三個階段三個階段，如，如圖圖11-6所示。所示。 圖圖11-6 典型磨損過程典型磨損過程如如圖圖11-6中的中的 OA線段線段所示。所示。 由于新的由于新的摩擦副表面摩擦副表面具有一定的具有一定的表面粗糙度表面粗糙度，在，在載荷載荷作用下，開作用下，開始時實際接觸面積較少，單位接觸面積實際承受的載荷較大。因此，始時實際接觸面積較少，單位接觸面積實際承受的載荷較大。因此，在運行初期

36、，磨損率較快。在運行初期，磨損率較快。 隨著隨著跑合過程跑合過程的進行，的進行，摩擦表面粗糙峰摩擦表面粗糙峰逐漸磨平，其逐漸磨平，其表面表面變得光變得光滑，實際接觸面積逐漸增大，磨損減緩。滑，實際接觸面積逐漸增大，磨損減緩。 經過經過磨合磨合，摩擦表面摩擦表面發生發生加工硬化加工硬化，微觀幾何形狀改變，建立了，微觀幾何形狀改變，建立了彈性接觸的條件彈性接觸的條件，這時，這時磨損磨損穩定下來，穩定下來，磨損量磨損量與與時間時間成正比增長，成正比增長，磨磨損率損率基本不變，如基本不變，如圖圖11-6中的中的 AB線段線段。 經過較長時間的經過較長時間的穩定磨損穩定磨損后，后，摩擦條件摩擦條件發生較

37、大變化，如摩擦表發生較大變化，如摩擦表面間的間隙增大，表面溫度過高，以及金屬組織的變化等致使磨損率面間的間隙增大，表面溫度過高，以及金屬組織的變化等致使磨損率急劇增加。這時機械效率下降，精度降低，產生異常的噪聲和振動。急劇增加。這時機械效率下降，精度降低，產生異常的噪聲和振動。最后導致零件的失效。如最后導致零件的失效。如圖圖11-6中的中的 。從從磨損過程的變化磨損過程的變化來看，為了提高來看，為了提高機器零件的使用壽命機器零件的使用壽命，則應盡，則應盡量延長量延長 磨損階段磨損階段。圖圖11-7(a)是在是在載荷一定載荷一定而而改變滑動速度改變滑動速度時，時，鋼對鋼表面鋼對鋼表面的磨損量的磨

38、損量的變化和磨損形式的轉化。的變化和磨損形式的轉化。當當表面滑動速度很低表面滑動速度很低時，時，摩擦摩擦是在是在表面氧化膜表面氧化膜之間進行，所以產之間進行，所以產生的生的磨損磨損為為氧化磨損氧化磨損，磨損量小磨損量小。圖圖11-7列示了列示了機械零部件磨損形式機械零部件磨損形式隨隨工況條件的變化工況條件的變化而轉化的情而轉化的情況。況。圖圖11-7 磨損形式的轉化磨損形式的轉化隨著隨著，磨粒增大，磨粒增大，表面表面出現金屬光澤且變得粗糙，出現金屬光澤且變得粗糙，此時已轉化為此時已轉化為粘著磨損粘著磨損，磨損量磨損量也是增大。也是增大。當當，由于溫度升高，由于溫度升高，表面表面重新生成重新生成

39、氧化膜氧化膜，又轉，又轉化化氧化磨損氧化磨損，磨損量又變小。，磨損量又變小。若若，再次轉化為，再次轉化為粘著磨損粘著磨損，因，因磨損劇烈磨損劇烈而會導而會導致致零件失效零件失效。圖圖11-7(b)所示是當所示是當滑動速度保持一定滑動速度保持一定而而所得的實驗結果。所得的實驗結果。產生氧產生氧化磨損化磨損，磨粒主要是，磨粒主要是Fe2O3；當當 后，磨粒是后，磨粒是 FeO、Fe2O3和和 Fe3O4混合物；混合物；當當以后，便轉入危害性的以后，便轉入危害性的粘著磨損粘著磨損。各類機器中各類機器中廣泛使用著廣泛使用著。在在其材料選用其材料選用中，不僅要求具有較好的中，不僅要求具有較好的外，還要求

40、具有良外，還要求具有良好的好的。機器摩擦副機器摩擦副工作時，在工作時，在摩擦過程中摩擦過程中具有具有低摩擦系數的材料低摩擦系數的材料稱為稱為。不同工況，使用著不同的。不同工況，使用著不同的減摩材料減摩材料。11.3 摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇摩擦學設計中的減摩和耐磨材料的選擇11.3.1 減摩材料的設計與選擇減摩材料的設計與選擇對于對于機器摩擦副機器摩擦副中使用的中使用的減摩材料的主要要求減摩材料的主要要求有有如下幾點如下幾點：即要求材料具有一定的即要求材料具有一定的抗壓強度抗壓強度、抗塑性變形能力抗塑性變形能力和和抗疲勞性能抗疲勞性能。即要有一定的即要有一定的塑性變形能力塑性變形能力

41、和良好的和良好的適應性適應性、包括、包括順應性順應性、嵌入嵌入性性和和磨合性磨合性。順應性順應性是指軸承材料依靠表面的彈塑性變形補償對中誤是指軸承材料依靠表面的彈塑性變形補償對中誤差和順應其它幾何誤差的能力。差和順應其它幾何誤差的能力。嵌入性嵌入性是指軸承材料嵌藏污物和外來是指軸承材料嵌藏污物和外來微粒以減輕刮傷或磨料磨損軸頸的能力。微粒以減輕刮傷或磨料磨損軸頸的能力。磨合性磨合性是指軸承材料經短期是指軸承材料經短期輕載運轉后能減小表面粗糙度而使軸瓦表面和軸頸表面相互吻合的性輕載運轉后能減小表面粗糙度而使軸瓦表面和軸頸表面相互吻合的性質。質。即應有高的即應有高的導熱性導熱性和和熱容量熱容量，熱

42、膨脹系數小熱膨脹系數小，對，對油膜的吸附性強油膜的吸附性強，抗腐蝕性好抗腐蝕性好，以利于，以利于摩擦熱摩擦熱的導出、的導出、油膜油膜的形成和保持。的形成和保持。1. 對減摩材料的要求對減摩材料的要求各類機器中，廣泛使用著各類機器中，廣泛使用著軸承軸承- -軸頸軸頸、凸輪凸輪- -挺桿挺桿、活塞汽缸活塞汽缸等等摩擦副摩擦副。這些。這些摩擦副的材料摩擦副的材料均要求具有較好的均要求具有較好的減摩性減摩性和和耐磨性耐磨性。常用。常用的的減摩材料減摩材料如下：如下：2. 減摩材料的選用減摩材料的選用是由是由錫錫或或鉛鉛與與少量其它元素少量其它元素組成一種具有良好減摩性的組成一種具有良好減摩性的軸瓦合金

43、材料。現用的軸瓦合金材料。現用的(1)錫基巴氏合金錫基巴氏合金常用常用錫基巴氏合金牌號錫基巴氏合金牌號及及用途用途見教材見教材表表11-3。(2)鉛基巴氏合金。鉛基巴氏合金。銅基合金銅基合金包括包括銅錫合金銅錫合金及及銅鉛合金銅鉛合金兩類。兩類。銅基合金中的銅，一般采用銅基合金中的銅，一般采用青銅青銅。鋁基軸承合金鋁基軸承合金導熱性好，它的導熱性好，它的疲勞強疲勞強度約為度約為巴氏合金巴氏合金的的兩倍兩倍，使，使用溫度高，承載能力強，在用溫度高，承載能力強，在大型船用發動機中大型船用發動機中已用來代替已用來代替巴氏合金巴氏合金。主要缺點主要缺點是線膨脹系數大，運轉時容易與軸咬合。是線膨脹系數大

44、，運轉時容易與軸咬合。此外，由于此外，由于軸承本身硬度軸承本身硬度較高，故要求與之相配的較高，故要求與之相配的軸的硬度軸的硬度相應相應提高。提高。鋅基合金鋅基合金是在鋅中加入高量的鋁是在鋅中加入高量的鋁(8%27%)，可制得高性能的，可制得高性能的軸瓦。軸瓦。鋅基合金鋅基合金的成本低，的成本低，耐磨性耐磨性在其允許承載條件下在其允許承載條件下優于青銅優于青銅。但由。但由于受到工作溫度于受到工作溫度(約約140)的限制，它常用于低速，故還不能完全代的限制，它常用于低速，故還不能完全代替替青銅青銅。 自潤滑復合材料自潤滑復合材料是近年來發展起來的一種具有獨特是近年來發展起來的一種具有獨特減摩耐磨性

45、能減摩耐磨性能的的滑動軸承材料滑動軸承材料，廣泛應用于航空、機械、汽車、電力、農業等部門。，廣泛應用于航空、機械、汽車、電力、農業等部門。根據根據材料成分組成材料成分組成的不同，的不同，自潤滑復合材料自潤滑復合材料可分為可分為金屬基金屬基、石墨石墨基基和和高聚合物基高聚合物基三類。其中，三類。其中，石墨基石墨基和和高聚合物基高聚合物基兩類現已廣泛使用，兩類現已廣泛使用，但結構強度、磨損壽命不如但結構強度、磨損壽命不如金屬基類金屬基類。 較有代表性的較有代表性的金屬基自潤滑復合材料金屬基自潤滑復合材料是是DU自潤滑材料自潤滑材料和和DX預潤滑預潤滑材料材料，它們均由英國，它們均由英國Glacie

46、r公司公司研制。研制。以以聚合物聚合物為基的為基的自潤滑復合材料自潤滑復合材料是在是在聚合物聚合物中加入中加入添加劑添加劑，使材，使材料具有良好的料具有良好的摩擦學特性摩擦學特性，即具有，即具有低的摩擦系數低的摩擦系數和和高的耐磨性高的耐磨性。實際。實際使用的以使用的以聚合物為基聚合物為基的的自潤滑復合材料自潤滑復合材料，是以，是以固體潤滑劑固體潤滑劑作填充劑，作填充劑，所有的所有的聚合物聚合物無論是熱塑性的還是熱固性的，均作為粘結劑使用。無論是熱塑性的還是熱固性的，均作為粘結劑使用。目前常用的目前常用的固體潤滑劑固體潤滑劑有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氧化鉛等。有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氧化鉛等

47、。 又稱又稱制動摩擦材料制動摩擦材料或或剎車材料剎車材料。是各種機器設備和機構的是各種機器設備和機構的制動器制動器、離合器離合器和和摩擦傳動摩擦傳動等等制動制動和和傳動裝置傳動裝置中不可缺少的材料之一。隨著現代機器和機構日益向高速、中不可缺少的材料之一。隨著現代機器和機構日益向高速、高負荷、大功率方向發展，則對高負荷、大功率方向發展，則對摩阻材料摩阻材料的要求越來越高。的要求越來越高。摩阻材料最重要的特點摩阻材料最重要的特點是能夠吸收動能并將其轉化為熱能，進一是能夠吸收動能并將其轉化為熱能，進一步將熱能散發到空氣中去。而其中部分熱能將為表面發生的摩擦磨損步將熱能散發到空氣中去。而其中部分熱能將

48、為表面發生的摩擦磨損過程所吸收。過程所吸收。是是熱裂熱裂。這是由于使用過程中，接觸表。這是由于使用過程中，接觸表面之間不加任何潤滑劑的，若摩阻材料的熱導率不高，表面散失的熱面之間不加任何潤滑劑的，若摩阻材料的熱導率不高，表面散失的熱量比較少，當表面溫度可能超過材料的臨界值時，由于體積變化及熱量比較少，當表面溫度可能超過材料的臨界值時，由于體積變化及熱應力的作用，使應力的作用，使表面產生熱裂表面產生熱裂。11.3.2 摩阻材料的設計與選擇摩阻材料的設計與選擇因而，因而，摩阻材料摩阻材料應具有應具有下列要求下列要求：(1)高而穩定的摩擦系數；高而穩定的摩擦系數；(2)高的耐磨性、耐熱性，好的熱導性；高的耐磨性、耐熱性，好的熱導性；(3)合適的機械強度，低的彈性模量；合適的機械強度，低的彈性模量；(4)不易產生粘著、抗擦傷性好；不易產生粘著、抗擦傷性好；(5)不污染環境、制造方便、價格便宜。不污染環境、制造方便、價格便宜。 目前，常用的目前，常用的見教材見教材表表11-5。在盤式制動器、汽車離合器、某些儀表中的在盤式制動器、汽車離合器、某些儀表中的摩擦件摩擦件和和帶式摩擦傳帶式摩擦傳動件動件等零件中，常用等零件中，常用粉末冶金摩阻材料粉末冶金摩阻材料為為摩阻