摩擦學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、2015年 6 月10日課程論文摩擦學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用姓 名張良簫班 級(jí)機(jī)設(shè)6班學(xué) 號(hào)20122162855 / 5摩擦學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用【摘要】一般來(lái)說(shuō)任何機(jī)械中都存在摩擦作用，摩擦學(xué)是研究有關(guān)摩擦、磨損與潤(rùn)滑的科學(xué)與技術(shù)，并把在機(jī)械設(shè)計(jì)中正確運(yùn)用摩擦學(xué)知識(shí)與技術(shù)，使之具有良好的摩擦學(xué)性能這一過(guò)程稱(chēng)為摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，摩擦在機(jī)械中也并非總是有害的，如帶傳動(dòng)、汽車(chē)及拖拉機(jī)的制動(dòng)器等正是靠摩擦來(lái)工作的，這時(shí)還要進(jìn)行增摩技術(shù)的研究。這種反方向的研究領(lǐng)域也屬于摩擦學(xué)的學(xué)科范疇?！娟P(guān)鍵詞】摩擦學(xué) 潤(rùn)滑 機(jī)械設(shè)計(jì)1、 摩擦學(xué)簡(jiǎn)述（1） 概念摩擦學(xué)是研究作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及其有關(guān)理論和實(shí)踐的一門(mén)

2、學(xué)科。由于在自然界中，任何物體接觸表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都會(huì)存在著摩擦，有摩擦必然會(huì)產(chǎn)生能量消耗或表面材料的磨損，而潤(rùn)滑則是降低摩擦，減少消耗和磨損的重要技術(shù)手段。 隨著科技的發(fā)展和摩擦學(xué)研究的深入，摩擦學(xué)研究方法由以試驗(yàn)性為主拓寬到理論模型和計(jì)算機(jī)仿真；研究領(lǐng)域由宏觀摩擦學(xué)拓寬到微觀摩擦學(xué)；零件壽命研究由宏觀失效分析拓寬到預(yù)測(cè)磨損壽命的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)；磨損機(jī)理研究由微觀分析拓寬到磨損表面信息融合技術(shù)。基于摩擦、磨損和潤(rùn)滑數(shù)據(jù)的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)也逐步被工程界重視，并有效地推動(dòng)了機(jī)器向高壽命和高可靠性的方向發(fā)展。摩擦學(xué)的研究?jī)?nèi)容日益體現(xiàn)出其與物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)的交叉和與機(jī)械、測(cè)試、

3、分析與表面技術(shù)等工程學(xué)科相融合的特色。（2） 發(fā)展對(duì)摩擦學(xué)提出科學(xué)論斷的第一位科學(xué)家是生活在意大利文藝復(fù)興時(shí)代的達(dá)芬奇（Leonardo Da Vinci，14521519）。他在對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)中，觀察到摩擦的約束本質(zhì)以及摩擦對(duì)螺旋千斤頂及齒輪結(jié)構(gòu)的影響；他通過(guò)對(duì)處于水平和斜面上兩物體的摩擦阻力的測(cè)量，認(rèn)識(shí)到摩擦力取決于法向載荷二與名義接觸面積無(wú)關(guān)，并定義摩擦系數(shù)是摩擦力與法向載荷之比，其比例系數(shù)為1/4，這一研究結(jié)果使他成為對(duì)摩擦力進(jìn)行定量研究的第一人。1699年，法國(guó)物理學(xué)家阿芒頓（Amontons）研究了兩個(gè)平面之間的干摩擦之后，再次發(fā)現(xiàn)了上述摩擦理論。第一，阻止界面滑

4、動(dòng)的摩擦力與正壓力成正比；第二，摩擦力的大小與接觸面無(wú)關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)后來(lái)被法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵觯–.A.Coulomb,17361806）修正。 法國(guó)科學(xué)家?guī)靵觯–oulomb）是首位對(duì)摩擦進(jìn)行較為系統(tǒng)研究的科學(xué)家。他可能在材料科學(xué)，電工學(xué)和磁性學(xué)方面的知名度比他在摩擦學(xué)領(lǐng)域的高，但他在摩擦學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)（發(fā)現(xiàn)摩擦二項(xiàng)式定律）使他的名字與摩擦學(xué)緊緊相連，并使他成為18世紀(jì)摩擦學(xué)領(lǐng)域最具代表性的人物。1880年在柏林的物理學(xué)學(xué)會(huì)上，赫茲（Hertz，18571894）被關(guān)于Newton合金（一種含鉍、鉛、錫的易熔合金）環(huán)失效問(wèn)題的討論吸引了。他意識(shí)到該問(wèn)題涉及接觸應(yīng)力和接觸變形的關(guān)系，于是開(kāi)展

5、了彈性體間的接觸和變形的研究，完成了摩擦與變形的理論計(jì)算。Hertz理論是摩擦學(xué)學(xué)科的重要基礎(chǔ)理論之一，也是摩擦和磨損理論賴(lài)以發(fā)展的理論基礎(chǔ)。從此，摩擦學(xué)理論向前跨越了一大步。 （3） 研究摩擦學(xué)的意義我們知道生活中處處都存在摩擦，摩擦的存在對(duì)我們的生活有利有害。一方面在工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)中對(duì)于由滑動(dòng)和滾動(dòng)表面構(gòu)成的現(xiàn)代機(jī)械而言，摩擦學(xué)是非常重要的。利用摩擦的機(jī)械有制動(dòng)閥門(mén)、離合器、車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪、螺栓、螺母等。利用磨損的場(chǎng)合有鉛筆寫(xiě)字、機(jī)加工、拋光等。不需要摩擦磨損的場(chǎng)合有內(nèi)燃機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪、凸輪、軸承、密封等。 而另一方面，由于缺乏摩擦學(xué)知識(shí)而每年造成的損失巨大 ；據(jù)統(tǒng)

6、計(jì)，目前世界三分之一總能源被一種或多種形式的摩擦所消耗。因此，從經(jīng)濟(jì)和可靠性角度看，減少摩擦和控制磨損的重要性不可低估。按照J(rèn)ost的論述，通過(guò)摩擦學(xué)研究及其合理實(shí)踐，將節(jié)約一個(gè)工業(yè)化國(guó)家1%的國(guó)民生產(chǎn)總值。近期研究表明，通過(guò)節(jié)約獲取的利益相當(dāng)于研發(fā)投入經(jīng)費(fèi)的50倍，這些節(jié)約不僅現(xiàn)實(shí)而且重要，他不需要要投入大量資金。研究摩擦學(xué)的目的是減少或消除表面摩擦磨損所造成的損失，提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品性能，減少零件失效，節(jié)約可觀資源。2、 摩擦學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（1） 摩擦學(xué)在設(shè)計(jì)中涉及的因素1 磨損問(wèn)題磨損過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，關(guān)于它的研究現(xiàn)在還處于初始階段，研究?jī)?nèi)容涉及實(shí)際接觸面積、磨損機(jī)理、磨屑形成機(jī)理

7、及各種參數(shù)對(duì)磨損的影響等問(wèn)題。許多磨損機(jī)理和計(jì)算方法均帶有很大的局限性，距離工程上的應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離。因此，對(duì)磨損規(guī)律 、磨損機(jī)理及磨損計(jì)算方法的研究，應(yīng)當(dāng)予以足夠的重視。 2 潤(rùn)滑劑類(lèi)型的選擇潤(rùn)滑劑影響摩擦副摩擦性能，其關(guān)鍵指標(biāo)是黏度。在設(shè)計(jì)中，潤(rùn)滑劑的黏度要根據(jù)摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式和工況參數(shù)來(lái)確定。并由黏度決定相應(yīng)的潤(rùn)滑劑類(lèi)型。當(dāng)按運(yùn)動(dòng)形式選潤(rùn)滑劑時(shí)，滾動(dòng)潤(rùn)滑選用高黏度的潤(rùn)滑脂，滑動(dòng)潤(rùn)滑選用低黏度的潤(rùn)滑油；當(dāng)按工況參數(shù)選潤(rùn)滑劑時(shí)，高速低載荷選用低黏度潤(rùn)滑油，低速高載荷選用高黏度的潤(rùn)滑油；此外，因?yàn)闄C(jī)械啟動(dòng)和停車(chē)時(shí)，機(jī)械的潤(rùn)滑狀態(tài)要經(jīng)歷邊界潤(rùn)滑階段，因此，在潤(rùn)滑油選擇時(shí)，潤(rùn)滑油的油性和極壓性

8、也應(yīng)考慮，保證機(jī)械啟動(dòng)和停車(chē)時(shí)在邊界狀態(tài)下潤(rùn)滑條件良好。3 潤(rùn)滑方式的確定摩擦副常用的潤(rùn)滑方式有滴油、浴油、濺油、注油和噴油等幾種。潤(rùn)滑方式的選擇主要依據(jù)摩擦副的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)滑動(dòng)速度大于12m/s時(shí)一般選用注油和噴油潤(rùn)滑方式；當(dāng)滑動(dòng)速度在312m/s之間時(shí)，一般選用濺油和噴油潤(rùn)滑方式；當(dāng)滑動(dòng)速度低于3m/s時(shí)，一般選用浴油和滴油潤(rùn)滑方式。4 新型潤(rùn)滑劑 新型潤(rùn)滑劑的應(yīng)用20世紀(jì)50年代以來(lái)，各種合成潤(rùn)滑油有較大的發(fā)展。我國(guó)的各種潤(rùn)滑油、添加劑發(fā)展也很迅速，近幾年來(lái)，自潤(rùn)滑材料的研究和應(yīng)用發(fā)展很快，是十分有前途的潤(rùn)滑材料。為了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展 ，綠色潤(rùn)滑油和添加劑是今后的發(fā)展方向（2） 摩

9、擦學(xué)設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)側(cè)1 表面形貌設(shè)計(jì)表面形貌通常用摩擦副的表面粗糙度來(lái)表征。粗糙度是表面的微觀不平狀態(tài)即微凸體的高度及其分布的描述，它直接影響著摩擦副的實(shí)際接觸面積、接觸應(yīng)力、接觸變形類(lèi)型、表面持油能力及磨粒的嵌入特性等。表面形貌設(shè)計(jì)主要是表面粗糙度的設(shè)計(jì)，當(dāng)表面過(guò)于光滑時(shí)，液體或氣體潤(rùn)滑介質(zhì)難以介入摩擦副之間，運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)致摩擦副表面的氧化膜破裂而發(fā)生干摩擦，易于疲勞破壞或黏著拉脫；但是，當(dāng)表面過(guò)于粗糙時(shí)，微凸體接觸數(shù)量少，接觸應(yīng)力大，微凸體之間發(fā)生嚴(yán)重的彈塑性變形，相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，摩擦表面發(fā)生黏著磨損和表面剝離。所以，如果表面粗糙度設(shè)計(jì)得恰如其分，在摩擦副磨合后就能夠得到適于工況條件的平衡粗糙度。2

10、 摩擦副表面層設(shè)計(jì)一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在摩擦學(xué)設(shè)計(jì)中，摩擦副的耐磨層薄膜(包括單層連續(xù)梯度膜和多層梯度膜)通常有三種設(shè)計(jì)法則。摩擦副若是粘著磨損為主，則采用互溶性孝化學(xué)活性強(qiáng)而抗剪切強(qiáng)度低的表面層，即用抗剪切強(qiáng)度正梯度法則設(shè)計(jì)。摩擦副若是磨粒磨損為主，則采用非常硬的表面，如TiC，TiN及表面淬硬層等，即采用表面硬度負(fù)梯度法則設(shè)計(jì)。摩擦副若是幾種摩擦磨損過(guò)程混合的情況，即采用強(qiáng)度正梯度法則-硬度負(fù)梯度法則的復(fù)合梯度法則設(shè)計(jì)。3 .狀態(tài)監(jiān)測(cè)及診斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)，是為了獲得摩擦副運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)故障診斷，信號(hào)傳輸?shù)奶幚?，分析等。目前可以分為功能性監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)、振動(dòng)與噪聲監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)和潤(rùn)

11、滑油油液監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)。3、 結(jié)論摩擦學(xué)設(shè)計(jì)具有優(yōu)化性，摩擦學(xué)設(shè)計(jì)不只是局限于機(jī)械強(qiáng)度、摩擦磨損潤(rùn)精等方面的滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，而且還涉及到機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命和效率、加工精度和加工成本、材料成分結(jié)構(gòu)及性能匹配、膜層表面性能及改性工藝技術(shù)等多方面的設(shè)計(jì)要求，其設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)多因索多方案的綜合優(yōu)化的過(guò)程摩擦學(xué)設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性，它不僅僅是對(duì)于某一摩擦副元件的靜態(tài)的、特定摩擦學(xué)性能的、單一孤立的設(shè)計(jì)，而是從摩擦學(xué)系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將特定的機(jī)械抽象為摩擦學(xué)系統(tǒng)，從機(jī)械運(yùn)行的工況實(shí)際（多參數(shù)）、過(guò)程狀態(tài)（時(shí)變性）、多知識(shí)綜合（機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、力學(xué)校核、摩擦與潤(rùn)滑等）等多方因素綜合而進(jìn)行的設(shè)計(jì)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)更具科學(xué)性，設(shè)計(jì)的理論由傳統(tǒng)的基予類(lèi)比法、實(shí)驗(yàn)法的純機(jī)械理論的設(shè)計(jì)逐漸過(guò)渡到綜臺(tái)運(yùn)用強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論、流體力學(xué)、彈性理論、流變學(xué)、材料科學(xué)、物