1、第第2章章 機械零部件設計中的強度與耐磨性機械零部件設計中的強度與耐磨性2.1 概述概述2.1 概述概述載荷系數載荷系數 K -考慮各種附加載荷因素的影響。考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷名義載荷-在理想的平穩工作條件下作用在零件上在理想的平穩工作條件下作用在零件上 的載荷。的載荷。2.2 機械設計中的強度問題機械設計中的強度問題計算載荷計算載荷-載荷系數與名義載荷的乘積。載荷系數與名義載荷的乘積。然而在機器運轉時，零件還會受到各種附加載荷，工作載荷難以確定，通常用引入2.2.1 載荷與力載荷與力1. 載荷載荷 -力和力矩力和力矩靜載荷靜載荷變載荷變載荷大小、作用位置和方向大小、作用位置和

2、方向不隨不隨時間變化或隨時間時間變化或隨時間緩慢緩慢變化的載荷變化的載荷大小、作用位置和方向隨時間變化的載荷大小、作用位置和方向隨時間變化的載荷工作載荷工作載荷-機器正常工作時所受的實際載荷。機器正常工作時所受的實際載荷。工作情況系數工作情況系數 KA -只考慮工作情況的影響。只考慮工作情況的影響。FC=KF 或 TC=KT式中，F 、 T為名義載荷，FC 、 TC為計算載荷niT 95550（N m ）原動機的原動機的 額定功率為額定功率為 P P（KW KW ） 額定轉速為額定轉速為 n (r/min)n (r/min) 作用在傳動零件上的作用在傳動零件上的 名義轉矩名義轉矩 T T 為為

3、式中，式中，i - -從原動機到所計算零件之間的總傳動比從原動機到所計算零件之間的總傳動比-從原動機到所計算零件之間傳動鏈的總效率從原動機到所計算零件之間傳動鏈的總效率2. 應力應力靜應力靜應力變應力變應力不隨不隨時間變化或隨時間時間變化或隨時間緩慢緩慢變化的應力變化的應力隨時間變化的應力隨時間變化的應力靜應力靜應力: = =常數常數變應力變應力: 隨時間變化隨時間變化2minmaxm平均應力平均應力:2minmaxa應力幅應力幅:最大應力最大應力:最小應力最小應力:maxminot= =常數常數max脈動循環變應力脈動循環變應力r =0mTmaxminaam非對稱循環循環變應力非對稱循環循環

4、變應力otmaxminaa對稱循環變應力對稱循環變應力ototaamin靜應力是變應力的特例靜應力靜應力r = - -1r = + +1maxminr靜應力靜應力: = =常數常數a a=0=0 , ,maxmax= = minmin= = m m= = r =+1對稱循環變應力對稱循環變應力: m m=0=0 , ,maxmax= =a , minmin= -= -a ar = - -1ot= =常數常數靜應力靜應力r = + +1maxminaa對稱循環變應力對稱循環變應力otr = - -1maxminr脈動循環變應力脈動循環變應力: m m= =a , ,maxmax= 2= 2a ,

5、 minmin= 0= 0r =0變應力的循環特性變應力的循環特性:maxminr-脈動循環變應力脈動循環變應力-對稱循環變應力對稱循環變應力 -1 -1= 0= 0 +1 +1-靜應力靜應力max脈動循環變應力脈動循環變應力r =0motaamin2.2.2 靜應力作用下的強度靜應力作用下的強度一、靜應力下的強度條件一、靜應力下的強度條件 、 - - 許用正應力，許用剪切應力許用正應力，許用剪切應力lim、 lim - 極限正應力，極限正應力，極限剪切應力極限剪切應力limlimSScaca 危險截面處的計算應力危險截面處的計算應力 不超過許用應力不超過許用應力caca,limlimSSSS

6、caca 危險截面處的計算安全系數危險截面處的計算安全系數 不超過許用安全系數不超過許用安全系數SS ,Slim、 lim - 極限正應力，極限正應力，極限剪切應力極限剪切應力 二、靜應力下的許用應力二、靜應力下的許用應力靜應力狀態下，零件的失效形式：斷裂或塑性變形靜應力狀態下，零件的失效形式：斷裂或塑性變形 材料種類不同，所取極限應力也不同。塑性材料塑性材料 單向應力狀態下：單向應力狀態下： slimslim，復合應力狀態下：復合應力狀態下： 按第三或第四強度理論計算當量應力。按第三或第四強度理論計算當量應力。 脆性材料脆性材料 單向應力狀態下：單向應力狀態下： ，blimblim復合應力狀

7、態下：復合應力狀態下： 按第一強度理論計算當量應力。按第一強度理論計算當量應力。 2.3 機械零件的疲勞強度機械零件的疲勞強度2.3.1 疲勞斷裂特征疲勞斷裂特征靜應力狀態下，零件的失效形式：斷裂或塑性變形靜應力狀態下，零件的失效形式：斷裂或塑性變形變應力狀態下，零件的失效形式：疲勞斷裂變應力狀態下，零件的失效形式：疲勞斷裂1、疲勞斷裂的過程、疲勞斷裂的過程第一階段、第一階段、 零件表面上應力較大處的材料發生剪切滑移，產生初始裂紋零件表面上應力較大處的材料發生剪切滑移，產生初始裂紋 形成疲勞源（形成疲勞源（1個或數個）個或數個）第二階段、第二階段、 裂紋端部在切應力下發生反復塑性變形，裂紋擴展

8、裂紋端部在切應力下發生反復塑性變形，裂紋擴展 直至發生疲勞斷裂直至發生疲勞斷裂2、疲勞斷裂具有以下特征：、疲勞斷裂具有以下特征： 1) 疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限 低，甚至比屈服極限低低，甚至比屈服極限低; 2) 疲勞斷口均表現為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂疲勞斷口均表現為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;3) 疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結果。疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結果。它的初期現象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應力循環次數的增加而逐漸擴展，直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時，就突然斷裂。疲勞斷

9、裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發生的突然斷裂。所以疲勞斷裂是與應力循環次數(即使用期限或壽命)有關的斷裂。 不管脆性材料或塑性材料，3、疲勞斷裂截面、疲勞斷裂截面由由光滑的疲勞發展區光滑的疲勞發展區和和粗糙的脆性斷裂區粗糙的脆性斷裂區組成組成 2.3.2 疲勞極限一、兩個概念一、兩個概念1 1）材料材料的疲勞極限的疲勞極限 ：對任意給定的應力循環特性：對任意給定的應力循環特性 ，當應，當應 力循環力循環 N N 次后，材料不發生疲勞破壞、次后，材料不發生疲勞破壞、 時所能承受的最大應力時所能承受的最大應力 。 （變應力的大小可按其最大應力進行比較）（變應

10、力的大小可按其最大應力進行比較） rNmax)(maxr2 2）疲勞壽命）疲勞壽命 N N： 材料疲勞失效前所經歷的應力循環次數。材料疲勞失效前所經歷的應力循環次數。 不同或不同或 N 不同時，疲勞極限不同時，疲勞極限 則不同。則不同。 在疲勞強度計算中，取在疲勞強度計算中，取 。rNrNlimr二、疲勞曲線（二、疲勞曲線（ - - N N 曲線）曲線） 是在循環特性 一定時，表示循環次數 N（lgN） 與疲勞極限 (lg )之間關系的曲線。 rrNrN1. 第一類第一類金屬材料的疲勞曲線（如圖所示：）金屬材料的疲勞曲線（如圖所示：）N 疲勞曲線oN0NBAr310rNN有限壽命區無限壽命區N

11、 疲勞曲線oNlg0NBArlgrNlg有限壽命區無限壽命區大多數黑色金屬及其合金，當大多數黑色金屬及其合金，當 N N N N 0 0 時，疲勞曲線呈現為時，疲勞曲線呈現為 水平直線。水平直線。 可以看出：可以看出： 隨隨 N 的的增大而減小。但是當增大而減小。但是當 N 超過超過某一循環次數某一循環次數 N0 時，曲線時，曲線 趨于水平。即趨于水平。即 不再隨不再隨 N N的增大而減小。的增大而減小。 rNrN典型的疲勞曲線如圖所示：N 疲勞曲線oN0NBAr310rNN有限壽命區無限壽命區典型的疲勞曲線如圖所示： N0 - - 應力循環基數。應力循環基數。以 N0 為界，曲線分為兩個區：

12、 1）無限壽命區：無限壽命區：當 N N0 時，曲線為水平直線，對應的疲勞極限是一個定值，用 表示。它是表征材料疲勞強度的重要指標，是疲勞設計的基本依據。 N 疲勞曲線oN0NBArNN有限壽命區無限壽命區r 可以認為：當材料受到的應力不超過應力不超過 時時，則可以經受無限 次的應力循環而不疲勞破壞。壽命是無限的壽命是無限的。 r疲勞極限 與曲線的兩個區相對應，疲勞設計分為：2）有限壽命設計有限壽命設計： N N0 時的設計。取 。 limrN 設計中常用的是疲勞曲線上的 AB 段，其方程為：（常數）稱為疲勞曲線方程2）有限壽命區：有限壽命區： 非水平段（NN0）的疲勞極限稱為條件疲勞極限條件

13、疲勞極限， 用 表示 。當材料受到的工作應力超過 時，在疲勞破壞之前，只能經受有限次的應力循環。壽命壽命是有限的是有限的。 rNr1）無限壽命設計無限壽命設計： N N0 時的設計。取 。 limrCNmrNN 疲勞曲線oN0NBAr310rNN有限壽命區無限壽命區顯然，B點的坐標滿足AB的方程，即0mCN，代入上式得：式中：C C 試驗常數試驗常數；m 特性系數，特性系數，與材料性能和應力狀態有關。CNNmrmrN0 對應于對應于 的疲勞極限，材料的疲勞極限的疲勞極限，材料的疲勞極限。0NrN N 0 0-應力循環基數，隨材料不同而不同。應力循環基數，隨材料不同而不同。 通常通常 HBSHB

14、S350 350 的鋼，的鋼，N N0 01110107 7 HBS HBS350 350 的鋼，的鋼，N N0 0252510107 7則rNrmrNkNN0壽命系數；壽命系數；N NN N0 0時，時，k kN N=1=1mNNNk0注：1）計算 時，如 N ，則取 N 。Nk0N0N 2）工程中常用的是對稱循環應力（ =-1）下的疲勞極限，計 算時，只須把 和 換成 和 即可。rrN1N1r3）對于受切應力的情況，則只需將各式中的 換成 即可。 4）當N （ ）時，因 N 較小，可按靜強度計算。 310410 2. 第二類第二類金屬材料的疲勞曲線（如圖所示：）金屬材料的疲勞曲線（如圖所示

15、：）有色金屬及高硬度合金鋼，無論有色金屬及高硬度合金鋼，無論 N N 多大，疲勞曲線也多大，疲勞曲線也不存在不存在水平直線。水平直線。公式與前面有限壽命段相同公式與前面有限壽命段相同2.3.3 疲勞極限應力圖 極限應力圖極限應力圖am 是在疲勞壽命N 一定時，表示疲勞極限 與 之間關系的線圖。 rNr疲勞壽命為 （無限壽命）時的 極限應力圖如右圖所示。am0N451, 0A)2,2(00B0 ,bCamo無限壽命極限應力線ma材料相同，材料相同，r r 不同時，不同時， 也不同，可用疲勞極限應力圖表示。也不同，可用疲勞極限應力圖表示。r疲勞極限應力圖也稱為等壽命疲勞曲線，為二次曲線。amE45

16、0 ,sS 極限應力線上的點稱為極限應力點。三個特殊點 A、B、C 分別為對稱循環、脈動循環、以及靜應力下的極限應力點。 極限應力線上的每個點，都表示了某個r下的極限應力 。 ramrrr疲勞強度線orma r屈服強度線)(armsr0 ,bC1, 0A45)2,2(00B-1r+1且且r0（非對稱循環變應力）可根據簡化疲勞極限應力圖直接求得（非對稱循環變應力）可根據簡化疲勞極限應力圖直接求得amE450 ,sS疲勞失效區orma r塑性失效區)(armsr0 ,bC1, 0A45)2,2(00BAE段，任一點的極限應力為：段，任一點的極限應力為：ES段，任一點的極限應力為：段，任一點的極限應

17、力為：rarmrrarmsrrmra- 循環特性循環特性 r 時的時的疲勞極限疲勞極限- 循環特性循環特性 r 時的時的極限平均應力極限平均應力- 循環特性循環特性 r 時的時的極限應力幅極限應力幅2.3.4 影響零件疲勞強度的主要因素 前邊提到的各疲勞極限 ，實際上是材料材料的力學性能指標，是用試件試件通過試驗測出的。 而實際中的各機械零件與標準試件，在形體、面質量以及絕對尺寸等方面往往是有差異的。因此實際機械零件的疲勞強度與用試件測出的疲勞強度必然有所不同。 影響零件疲勞強度的主要因素有以下三個： 一、應力集中的影響一、應力集中的影響 應力集中 在零件剖面的幾何形狀突然變化之處，局部應力遠

18、大于名義應力， 這種現象稱為應力集中。 機械零件上的應力集中應力集中會加快疲勞裂紋的形成和擴展。從而導致零件的疲勞強度下降疲勞強度下降。 用應力集中應力集中系數系數 、 （也稱疲勞缺口系數）計入應力集中的影響。KK理論應力集中系數無法直接判斷零件疲勞強度降低的程度。同時，零件材料對應力集中的敏感程度不同。有效應力集中系數有效應力集中系數 表示零件疲勞強度降低的程度。表示零件疲勞強度降低的程度。KkK)/(11式中：1k)(1 無應力集中試樣的疲勞極限 受到對稱循環變應力的作用 有應力集中試樣的疲勞極限-1注： 當同一剖面上同時有幾個應力集中源時，應采用其中最大的最大的應力集中系數進行計算。 二

19、、絕對尺寸的影響二、絕對尺寸的影響零件的尺寸越大，在各種冷、熱加工中出現缺陷，產生微觀裂紋等疲勞源的可能性（機會）增大。從而使零件的疲勞強度降低。 用絕對尺寸系數絕對尺寸系數 、 ，計入截面絕對尺寸對零件疲勞極 限的影響。 0)/()(11dd式中：d)(10)(1 d 直徑為d 的試樣的疲勞極限 受到對稱循環變應力的作用 直徑為d0 的試樣的疲勞極限 d0 =610mm-1三、表面狀態的影響三、表面狀態的影響 表面狀態：是指表面粗糙度及其表面處理。其他條件相同時，表面越光滑（粗糙度值越?。趶姸仍礁摺１砻鎻娀B碳、表面淬火、表面滾壓、噴丸等）可顯著提高零件的疲勞強度。 用表面狀態系數表

20、面狀態系數 計入表面狀態的影響。 0)/()(11式中：)(10)(1 某種表面狀態下試樣的疲勞極限 受到對稱循環變應力的作用 精拋光（未強化處理）的試樣的疲勞極限-1綜合影響系數綜合影響系數 在計算中，上述三個系數都只計在應力幅上，故可將三個系數 組成一個綜合影響系數綜合影響系數：KKD)(rDKK)(或 試驗證明：應力集中、尺寸和表面狀態都只對應力幅應力幅 有影響，而對平均應力平均應力 沒有明顯的影響。（即對靜應力沒有影響） am 計算時，只要用綜合影響系數綜合影響系數對零件的工作應力幅工作應力幅修正即可。其余公式見課本P252.3.5 穩定變應力狀態下零件疲勞強度的計算穩定變應力和非穩定

21、變應力1.穩定變應力- 循環中平均應力、應力幅和周期都不隨時間 變化的變應力。2.非穩定變應力-上述參數之一若隨時間變化則稱作非穩定變應力。maT穩定變應力穩定變應力規律性不穩定變應力隨機性不穩定變應力1. 許用應力法許用應力法2.3.5 穩定變應力狀態下零件疲勞強度的計算S11maxaa式中：max1 零件在危險點處的最大工作應力 零件受到對稱循環變應力的作用 零件在對稱循環下的許用應力-1S 安全系數零件受對稱循環變應力對稱循環變應力作用：零件受非對稱循環變應力非對稱循環變應力作用：aa 零件所受的最大工作應力幅 零件的許用應力幅要用降低了的許用應力值要用降低了的許用應力值1. 許用應力法

22、2.3.5 穩定變應力狀態下零件疲勞強度的計算2. 安全系數法安全系數法零件危險點處的最大工作應力最大工作應力應小小于或等于于或等于零件的許用應力許用應力零件危險截面處的安全系數安全系數應大大于或等于于或等于零件的許用安全系數許用安全系數SS 零件危險截面處的安全系數安全系數 零件的許用安全系數許用安全系數SS安全系數表示的強度約束條件見課本P262.3.6 復合應力狀態下安全系數的強度約束條件零件在對稱循環彎扭復合應力對稱循環彎扭復合應力狀態下：22SSSSS零件在非對稱循環彎扭復合應力非對稱循環彎扭復合應力狀態下：的計算公式不同，見課本P26SS ,2.4 2.4 機械零件的表面接觸強度機

23、械零件的表面接觸強度 若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后由于若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸。受載后由于變形，其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產生變形，其接觸處為一小面積，通常此面積甚小而表層產生的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強的局部應力卻很大，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度度稱為接觸強度。如如:齒輪、凸輪、滾動軸承等。齒輪、凸輪、滾動軸承等。失效形式常表現為：失效形式常表現為：疲勞點蝕疲勞點蝕后果：后果：減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承減少了接觸面積、損壞了零件的光滑表面、降低了承載能力、引起振動和噪音。載能力、引起振動和噪音

24、。屬于變應力作用下的接觸疲勞破壞初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋初始疲勞裂紋 機械零件的接觸應力通常是隨時間作周期性變化的，在載荷重復作用下，首先在表層內約1520m處產生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴展(潤滑油被擠進裂紋中將產生高壓，使裂紋加快擴展，終于使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑 ，這種現象稱為渡勞點蝕。發生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力 。裂紋的擴展與斷裂裂紋的擴展與斷裂 油油金屬剝落出現小坑金屬剝落出現小坑由彈性力學可知，應力為：由彈性力學可知，應力為：222121211111EEbFnH“+”用于外接觸用于外接觸，“-

25、”用于內接觸用于內接觸。H HH H2b b11Fnb b2H HH HFn222121211111EEbFnH（MPa）b b -接觸長度接觸長度;F Fn n -作用在圓柱體上的載荷作用在圓柱體上的載荷; E E1 1, E, E2 2 兩圓柱體材料的彈性模量兩圓柱體材料的彈性模量1 1, ,2 2兩圓柱體的兩圓柱體的泊松比泊松比H H -最大接觸應力最大接觸應力接觸疲勞強度的判定條件為：接觸疲勞強度的判定條件為：HHHHHSlim,而222121211111EEbFnH 材料的許用接觸應力材料的許用接觸應力HlimH 材料的接觸疲勞極限材料的接觸疲勞極限HS接觸疲勞安全系數接觸疲勞安全系

26、數2.5 機械設計中的摩擦、磨損與潤滑2.5.1 摩擦摩擦2.5.2 磨損磨損2.5.3 潤潤 滑滑2.5.4 流體動力潤滑的基本原理流體動力潤滑的基本原理引引 言言引引 言言 摩擦現象是自然界中普遍存在的物理現象。對于機器來講，摩摩擦現象是自然界中普遍存在的物理現象。對于機器來講，摩擦會使效率降低，溫度升高，表面磨損。過大的磨損會使機器喪失擦會使效率降低，溫度升高，表面磨損。過大的磨損會使機器喪失應有的精度，進而產生振動和噪音，縮短使用壽命。應有的精度，進而產生振動和噪音，縮短使用壽命。 世界上使用的能源大約有世界上使用的能源大約有 1/31/2 1/31/2 消耗于摩擦。如果能夠盡力消耗于

27、摩擦。如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗，便可大量節省能源。減少無用的摩擦消耗，便可大量節省能源。 機械產品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢。機械產品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢。 潤滑是減小摩擦、減小磨損、提高機械效率的最常用最有效方法。潤滑是減小摩擦、減小磨損、提高機械效率的最常用最有效方法。 關于摩擦、磨損與潤滑的學科構成了摩擦學。關于摩擦、磨損與潤滑的學科構成了摩擦學。 本章主要介紹有關摩擦、磨損和潤滑的一些基礎知識。本章主要介紹有關摩擦、磨損和潤滑的一些基礎知識。 2.5.1 摩 擦1 1、摩擦的定義和分類摩擦的定義和分類一、定義一、定義: 兩個接觸表面作相對運動或有

28、相對運動的趨勢時，將會兩個接觸表面作相對運動或有相對運動的趨勢時，將會產生阻止其相對運動的現象，這種現象就稱為摩擦。產生阻止其相對運動的現象，這種現象就稱為摩擦。 可用摩擦系數衡量其大小二、分類：二、分類：內摩擦內摩擦外摩擦外摩擦按摩擦副的運動狀態按摩擦副的運動狀態靜靜 摩摩 擦擦動動 摩摩 擦擦按摩擦副的運動形式按摩擦副的運動形式滑動摩擦滑動摩擦滾動摩擦滾動摩擦按表面潤滑狀態不同按表面潤滑狀態不同干摩擦干摩擦流體摩擦流體摩擦混合摩擦混合摩擦邊界摩擦邊界摩擦摩 擦三、滑動摩擦的四種摩擦狀態三、滑動摩擦的四種摩擦狀態 1 1）干摩擦：）干摩擦：是指表面間無任何潤滑劑或保護膜，表面是指表面間無任何

29、潤滑劑或保護膜，表面金屬直接接觸時的摩擦。金屬直接接觸時的摩擦。 2 2）邊界摩擦：）邊界摩擦：是指兩摩擦面被吸附在表面的邊界膜隔是指兩摩擦面被吸附在表面的邊界膜隔開，摩擦性質取決于邊界膜和表面吸附開，摩擦性質取決于邊界膜和表面吸附性能的摩擦。性能的摩擦。 其摩擦阻力最大，磨損最嚴重。其摩擦阻力最大，磨損最嚴重。 潤滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，形成定向排列的分子柵，稱為潤滑劑中的極性分子與金屬表面相互吸引，形成定向排列的分子柵，稱為物理吸附膜。物理吸附膜。 潤滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱為油性。潤滑油靠物理吸附形成邊界膜的能力，稱為油性。 潤滑劑中的活性分子靠離子鍵吸附在金屬表面

30、上形成的吸附膜，稱為化學潤滑劑中的活性分子靠離子鍵吸附在金屬表面上形成的吸附膜，稱為化學吸附膜。吸附膜。 吸附膜吸附膜反應膜反應膜邊界膜分為：邊界膜分為：物理吸附膜物理吸附膜化學吸附膜化學吸附膜 在潤滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發生化在潤滑劑中添加入硫、磷、氯等元素，它們與表面金屬發生化學反應生成的邊界膜，稱為反應膜。學反應生成的邊界膜，稱為反應膜。 邊界摩擦靠邊界膜起潤滑作用，邊界膜的類型如下：邊界摩擦靠邊界膜起潤滑作用，邊界膜的類型如下： 能生成反應膜的潤滑油稱為極壓油。能生成反應膜的潤滑油稱為極壓油。 注：溫度對邊界膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。注：溫度對邊界

31、膜的影響很大。溫度越高，邊界膜越容易破壞。 反應膜在高溫下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反應膜，反應膜在高溫下破裂后，能生成新的化合物，形成新的反應膜，這種能力稱為極壓性。這種能力稱為極壓性。 摩 擦4摩 擦 ）流體摩擦：是指摩擦表面完全）流體摩擦：是指摩擦表面完全被流體膜隔開，摩擦性質取決于流體被流體膜隔開，摩擦性質取決于流體內部分子間粘性阻力的摩擦。內部分子間粘性阻力的摩擦。 其摩擦系數最小，且不會產生磨損，是理想的摩擦狀態。 邊界摩擦和混合摩擦在工程實際中很難區分，常統稱為邊界摩擦。4 4）混合摩擦：是指摩擦表面間處于）混合摩擦：是指摩擦表面間處于干摩擦，邊界摩擦和流體摩擦的混合狀干

32、摩擦，邊界摩擦和流體摩擦的混合狀態。態。 混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系數比邊界摩擦時要小得多。2 2、影響、影響摩擦的主要因素摩擦的主要因素摩擦是個很復雜的現象，其大小余摩擦副材料的表面性質、表面形摩擦是個很復雜的現象，其大小余摩擦副材料的表面性質、表面形狀、周圍介質、環境溫度、實際工作條件等有關。狀、周圍介質、環境溫度、實際工作條件等有關。金屬的表面膜金屬的表面膜大氣中自然生成強度相當高的氧化膜或其他污染膜。人為在金屬表面上形成大氣中自然生成強度相當高的氧化膜或其他污染膜。人為在金屬表面上形成一層很薄的膜，氧化膜、硫化膜一層很薄的膜，氧化膜、硫化膜摩擦副的材料性質摩擦副的材料性質摩擦

33、副的表面粗糙度摩擦副的表面粗糙度互溶性較大的金屬摩擦副，表面易黏著，摩擦系數較大；互溶性較大的金屬摩擦副，表面易黏著，摩擦系數較大；反之，較小。反之，較小。摩擦副塑性接觸，干摩擦系數為一定值，不受表面粗糙度的影響。摩擦副塑性接觸，干摩擦系數為一定值，不受表面粗糙度的影響。彈性或彈塑性接觸，干摩擦狀態時：彈性或彈塑性接觸，干摩擦狀態時： 粗糙度數值粗糙度數值，干摩系數，干摩系數； 混合摩擦狀態時：粗糙度數值混合摩擦狀態時：粗糙度數值 ，摩擦系數，摩擦系數。 （摩擦副間加入潤滑油）（摩擦副間加入潤滑油） （潤滑油覆蓋面積越大）（潤滑油覆蓋面積越大）摩擦表面間的潤滑情況摩擦表面間的潤滑情況一般情況下

34、：一般情況下：干摩擦干摩擦 摩擦系數最大摩擦系數最大 f0.1;邊界摩擦與混合摩擦邊界摩擦與混合摩擦 摩擦系數次之摩擦系數次之 f =0.010.1；流體摩擦和油潤滑時流體摩擦和油潤滑時 摩擦系數最小摩擦系數最小 f =0.0010.008。加入潤滑油會大大降低摩擦系數。加入潤滑油會大大降低摩擦系數。但潤滑情況摩擦狀態不同時，但潤滑情況摩擦狀態不同時， f 大小不同。大小不同。摩擦的約束性質摩擦的約束性質兩方面的性質：兩方面的性質：有利的一面，可以加以利用；有利的一面，可以加以利用； 利用摩擦傳動，如利用摩擦傳動，如:帶傳動，摩擦離合器、制動器，車輛行駛；帶傳動，摩擦離合器、制動器，車輛行駛；

35、 利用摩擦引起的自鎖，如：螺紋連接利用摩擦引起的自鎖，如：螺紋連接 有害的一面、摩擦會帶來能量損耗，降低效率，發熱，引起振動噪聲等。有害的一面、摩擦會帶來能量損耗，降低效率，發熱，引起振動噪聲等。對應地，設計中的摩擦約束條件也有兩方面：對應地，設計中的摩擦約束條件也有兩方面：需要利用摩擦時，需要利用摩擦時，約束條件為：摩擦（摩擦力，摩擦力矩）必須足夠大，約束條件為：摩擦（摩擦力，摩擦力矩）必須足夠大， 以保證工作的可靠性。以保證工作的可靠性。當摩擦有害時，盡量減小摩擦。當摩擦有害時，盡量減小摩擦。約束條件為：摩擦系數約束條件為：摩擦系數 不超過許用值不超過許用值 溫升溫升 不超過許用值不超過許

36、用值 效率效率 不低于許用值不低于許用值 摩擦能耗摩擦能耗 不超過許用值不超過許用值 定義：定義： 磨損主要是運動副相對運動產生摩擦導致零件表面材料磨損主要是運動副相對運動產生摩擦導致零件表面材料的逐漸消失或損失的現象。磨損會影響機器的效率，降低工作的可的逐漸消失或損失的現象。磨損會影響機器的效率，降低工作的可靠性，促使機器提前報廢。靠性，促使機器提前報廢。2.5.2磨 損2.5.2 磨 損1 1、磨損的定義和分類磨損的定義和分類分類：分類：按磨損結果分類按磨損結果分類按磨損機理分類按磨損機理分類點蝕磨損點蝕磨損膠合磨損膠合磨損擦傷磨損擦傷磨損磨粒磨損磨粒磨損表面接觸疲勞磨損表面接觸疲勞磨損腐

37、蝕磨損腐蝕磨損黏附磨損黏附磨損二、磨損的類型二、磨損的類型 按磨損的機理不同，機械零件的磨損大體分為四種基本類型：按磨損的機理不同，機械零件的磨損大體分為四種基本類型： 1 1）粘著磨損也稱膠合）粘著磨損也稱膠合 2 2）疲勞磨損即疲勞點蝕）疲勞磨損即疲勞點蝕 3 3）磨粒磨損也稱磨料磨損，）磨粒磨損也稱磨料磨損， 摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對運動中，材料從一個表摩擦表面的微觀凸峰粘在一起后，在相對運動中，材料從一個表面遷移到另一個表面，便形成粘著磨損。面遷移到另一個表面，便形成粘著磨損。 是外界的硬顆粒或粗糙的硬表面在相對運動中，對摩擦表面的是外界的硬顆粒或粗糙的硬表面在相對運動中，

38、對摩擦表面的擦傷所引起的磨損。擦傷所引起的磨損。 是高副（點、線接觸）機械零件的常見磨損形式。是高副（點、線接觸）機械零件的常見磨損形式。 摩擦表面在摩擦過程中，伴隨有表面材料被腐蝕的現象，這種摩擦表面在摩擦過程中，伴隨有表面材料被腐蝕的現象，這種情況下產生的磨損即為腐蝕磨損。情況下產生的磨損即為腐蝕磨損。 除了上述四種基本磨損類型以外，還有侵蝕磨損、微動磨損等除了上述四種基本磨損類型以外，還有侵蝕磨損、微動磨損等其他形式，由于時間關系，不多講。其他形式，由于時間關系，不多講。4 4）腐蝕磨損）腐蝕磨損 一個機械零件的磨損一個機械零件的磨損過程大體可分為三個階段：過程大體可分為三個階段：1 1

39、）跑合磨損階段）跑合磨損階段 跑合：跑合：是指新零件在運轉初期的磨是指新零件在運轉初期的磨損。損。 2 2、磨損的過程、磨損的過程 新的摩擦副表面比較粗糙，真實微觀接觸面積比較小，壓強大，因新的摩擦副表面比較粗糙，真實微觀接觸面積比較小，壓強大，因此運轉初期的磨損比較快。此運轉初期的磨損比較快。但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強減小，磨但是，磨損以后表面的微觀凸峰降低，接觸面積增大，壓強減小，磨損的速度逐漸減慢。損的速度逐漸減慢。 時間 tO跑合磨損階段穩定磨損階段劇烈磨損階段abc磨損量q2 2）穩定磨損階段）穩定磨損階段 這個階段屬于零件的正這個階段屬于零件的正常工作階段

40、，磨損率穩定且常工作階段，磨損率穩定且較低。這一階段的長短直接較低。這一階段的長短直接影響機器的壽命。影響機器的壽命。 3 3）劇烈磨損階段）劇烈磨損階段 零件經長時間工作磨損以零件經長時間工作磨損以后，表面精度下降，效率降低，后，表面精度下降，效率降低，溫度升高，溫度升高， 沖擊振動加大，導沖擊振動加大，導致磨損加劇，最終導致零件報致磨損加劇，最終導致零件報廢。廢。磨磨 損損注：注： 應該力求縮短跑合期，延長穩定磨損期，推遲應該力求縮短跑合期，延長穩定磨損期，推遲劇烈磨損的到來。劇烈磨損的到來。時間時間 tO跑合跑合磨損磨損階段階段穩定磨損穩定磨損階段階段劇烈磨損劇烈磨損階段階段abc磨損量

41、磨損量q3 3、影響磨損的因素、影響磨損的因素 也具有二重性。也具有二重性。有利：磨合，磨削；有利：磨合，磨削；有害：降低精度、可靠性、壽命。有害：降低精度、可靠性、壽命。4 4、減小磨損的措施、減小磨損的措施（1 1）合理選擇摩擦副材料）合理選擇摩擦副材料 黏著磨損為主時：選材料硬度互溶性小的材料；黏著磨損為主時：選材料硬度互溶性小的材料；磨粒磨損磨粒磨損 ：選硬度高的材料或提高材料硬度；：選硬度高的材料或提高材料硬度；疲勞磨損疲勞磨損 ：選硬度高的材料并減少非金屬夾雜物。：選硬度高的材料并減少非金屬夾雜物。（2 2）進行有效的潤滑）進行有效的潤滑潤滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。正確

42、選用潤滑劑，使潤滑是減小摩擦、減小磨損的最有效的方法。正確選用潤滑劑，使摩擦表面處于液體摩擦，混合摩擦狀態下摩擦表面處于液體摩擦，混合摩擦狀態下 4 4、減小磨損的措施、減小磨損的措施（1 1）合理選擇摩擦副材料）合理選擇摩擦副材料 （3 3）進行適當表面處理）進行適當表面處理 （4 4）改進結構，提高加工裝配精度）改進結構，提高加工裝配精度（5 5）正確使用、維護與保養。）正確使用、維護與保養。 （2 2）進行有效的潤滑）進行有效的潤滑2.5.3 潤 滑潤滑：潤滑：是指在兩個摩擦表面之間加入潤滑劑，以減小摩擦和磨損。是指在兩個摩擦表面之間加入潤滑劑，以減小摩擦和磨損。 此外，潤滑還可起到散熱

43、降溫，防銹、密封防塵，緩沖吸振等此外，潤滑還可起到散熱降溫，防銹、密封防塵，緩沖吸振等 作用。作用。一、潤滑的分類一、潤滑的分類 1 1）流體動力潤滑：）流體動力潤滑： 靠兩摩擦表面的相對運動建立壓力油膜（稱靠兩摩擦表面的相對運動建立壓力油膜（稱 為動壓油膜），兩表面被壓力油膜完全分開，實現流體潤滑。為動壓油膜），兩表面被壓力油膜完全分開，實現流體潤滑。 2 2）流體靜力潤滑：）流體靜力潤滑： 兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完兩摩擦表面被外部供油裝備輸入的壓力油完 全分開，強迫形成壓力油膜，實現流體潤滑。全分開，強迫形成壓力油膜，實現流體潤滑。 3 3）彈性流體動力潤滑：）彈性流體動力潤

44、滑： 是指理論上為點、線接觸的摩擦副，是指理論上為點、線接觸的摩擦副， 在考慮表面的彈性變形等因素的基礎上建立的流體動力潤滑。在考慮表面的彈性變形等因素的基礎上建立的流體動力潤滑。4 4）邊界潤滑和混合潤滑）邊界潤滑和混合潤滑 （即邊界摩擦和混合摩擦）。（即邊界摩擦和混合摩擦）。 二、潤滑劑種類二、潤滑劑種類石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質都可作為潤滑劑。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質都可作為潤滑劑。1 1）液體潤滑劑：）液體潤滑劑：2 2）潤滑脂：）潤滑脂：注：潤滑油和潤滑脂在實際中應用最廣。注：潤滑油和潤滑脂在實際中應用最廣

45、。俗稱黃油。由潤滑油俗稱黃油。由潤滑油+ +稠化劑混合而成。稠化劑混合而成。 潤滑脂的主要性能指標是：潤滑脂的主要性能指標是： 錐入度，反映其稠度大小。錐入度，反映其稠度大小。 滴點，決定工作溫度。滴點，決定工作溫度。3) 固體潤滑劑：固體潤滑劑：4 4）氣體潤滑劑）氣體潤滑劑 ： 如空氣、氮氣、二氧化碳等。如空氣、氮氣、二氧化碳等。 潤滑時，應首先根據工況等條件，正確選擇潤滑劑和潤滑潤滑時，應首先根據工況等條件，正確選擇潤滑劑和潤滑方式。潤滑劑在潤滑過程中起著十分重要的作用，主要可歸納如方式。潤滑劑在潤滑過程中起著十分重要的作用，主要可歸納如下：下：(1) 降低機器的摩擦功耗，從而可節約能源

46、；降低機器的摩擦功耗，從而可節約能源；(2) 減少或防止機器摩擦副零件的磨損；減少或防止機器摩擦副零件的磨損；(3) 由于摩擦功耗的降低，因摩擦所引起的發熱量將大大減少，此由于摩擦功耗的降低，因摩擦所引起的發熱量將大大減少，此 外，潤滑劑還可以帶走一部分熱量，因而，潤滑劑具有較好的外，潤滑劑還可以帶走一部分熱量，因而，潤滑劑具有較好的 降溫作用；降溫作用；(4) 潤滑膜可以隔絕空氣中的氧和腐蝕性氣體，從而保護摩擦表面潤滑膜可以隔絕空氣中的氧和腐蝕性氣體，從而保護摩擦表面 不受銹蝕，所以，潤滑劑也有防銹的作用；不受銹蝕，所以，潤滑劑也有防銹的作用；(5) 由于潤滑膜具有彈性和阻尼作用，因而，潤滑

47、劑還能起緩沖和由于潤滑膜具有彈性和阻尼作用，因而，潤滑劑還能起緩沖和 減振作用；減振作用；(6) 循環潤滑的液體潤滑劑，還可以清洗摩擦表面，將磨損產生的循環潤滑的液體潤滑劑，還可以清洗摩擦表面，將磨損產生的 顆粒及其他污物帶走，起密封、防塵的作用。顆粒及其他污物帶走，起密封、防塵的作用。潤滑劑潤滑劑二、潤滑劑二、潤滑劑潤 滑石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯等。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質都可作為潤滑劑。凡是能減小摩擦阻力，減小磨損的物質都可作為潤滑劑。1 1 潤滑劑的分類潤滑劑的分類1 1）液體潤滑劑：）液體潤滑劑：主要有：動植物油、礦物油、水、液態金屬等。主要有

48、：動植物油、礦物油、水、液態金屬等。2 2）潤滑脂：）潤滑脂：注：潤滑油和潤滑脂在實際中應用最廣。注：潤滑油和潤滑脂在實際中應用最廣。俗稱黃油。由潤滑油俗稱黃油。由潤滑油+ +稠化劑混合而成。稠化劑混合而成。 潤滑脂的主要性能指標是：潤滑脂的主要性能指標是： 錐入度，反映其稠度大小。錐入度，反映其稠度大小。 滴點，決定工作溫度。滴點，決定工作溫度。3) 固體潤滑劑：固體潤滑劑：4 4）氣體潤滑劑）氣體潤滑劑 ： 如空氣、氮氣、二氧化碳等。如空氣、氮氣、二氧化碳等。潤滑油的主要性質潤 滑2 2 潤滑油的主要性質潤滑油的主要性質1）油性：是潤滑油吸附于摩擦表面形成邊界膜的能力。油性越好，）油性：是潤滑油吸附于摩擦表面形成邊界膜的能力。油性越好， 吸附能力就越強。吸附能力就越強。2）粘度：是表示油液內部相對運動時產生內摩擦阻力大小的性能）粘度：是表示油液內部相對運動時產生內摩擦阻力大小的性能 指標。指標。 （粘度是選擇潤滑油的主要依據粘度是選擇潤滑油的主要依據）。）。下面分析粘度的物理意義：下面分析粘