现代设计方法 摩擦学设计 周天茹1摩擦学2摩擦3磨损4润滑5摩擦学设计1 摩擦学摩擦学是二十世纪六十年代逐渐形成的一门新兴边缘学科。摩擦学Tribology:是希腊语tribod派生而来的。定义：摩擦学是研究相对运动的相互作用表面及其有关理论与实践的一门科学技术。定义中着重强调了“相对运动”和“相互作用”。通俗来说，摩擦学就是研究相互作用表面在相对运动中过程发生的摩擦、磨损、润滑现象的一门科学与技术，是摩擦、磨损、润滑及其有关的实践活动的总称。实践表明，作相对运动的接触表面在摩擦过程中，将产生一系列的物理、化学、冶金学、力学等方面的变化，要研究这一过程和变化，必将涉及数学、物理、化学、力学、冶金学、机械工程、材料科学、石油化工等多种学科领域。因而，摩擦学是一门理论性和实践性都很强、综合性边缘学科。1.1摩擦学发展概况n史前人类的钻木取火n祖先们在春秋时代（公元前770221年）对摩擦、磨损现象有了一定的了解，并且已经知道采用动物油脂进行润滑诗经中相关的记载n西晋时代张华所著博物志最早记载了人类使用矿物油做润滑剂n15世纪，意大利的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的途径n18世纪起摩擦学研究蓬勃兴起，到20世纪60年代摩擦学成为一门独立的交叉学科n应用及研究的领域不断扩大：机械、冶金、生物、地质、音乐、体育等1.2摩擦学研究内容摩擦学研究的基本内容是摩擦、磨损、润滑的原理及其应用。大体上可以包括一下几点：（1）摩擦学现象的机理（2）材料的摩擦学特性（3）摩擦学元件（包括人体人工关节）的特性与设计及其摩擦学失效分析（4）摩擦学材料（5）润滑材料（6）摩擦学状态的测试技术与仪器设备（7）机器设备摩擦学失效状态的在线检测与监控以及早期预报与诊断（8）摩擦学数据库与知识库1.3摩擦学的特点（1）摩擦学是一门在某些传统学科的基础上综合发展起来的边缘学科。（2）摩擦学是一门具有很强应用背景的横断学科。（3）摩擦学是一门学科边界还没有完全界定的新兴学科。随着技术的发展，摩擦学与一些先进的技术与方法相结合，并且不断地向其他学科渗透，从而又逐步形成新的学科分支，如摩擦化学，摩擦学设计以及陶瓷摩擦学、高分子材料摩擦学等。2 摩擦v定义：相互接触的两个物体，在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，接触面上具有阻止相对运动或具有相对运动趋势的现象。NABF FVP接触表面间有相对运动，就必然有产生摩擦。要克服摩擦力，就会消耗一部分动力，从而降低了机器的效率，而摩擦既有有害的一面，使配合表面产生磨损，增大配合间隙，影响可靠性和精度，但是也有有利的一面，利用摩擦来进行车辆的行驶、机器的变速等。为了研究摩擦、控制和利用摩擦需要把各种摩擦现象加以区分。分类分类摩擦类型摩擦类型定定 义义特特 点点1.按按摩摩擦擦副副运运动状态分动状态分 静摩擦静摩擦当一个物体在外力作用下与另一个物体相当一个物体在外力作用下与另一个物体相接触并产生相对运动趋势时所产生的摩擦。接触并产生相对运动趋势时所产生的摩擦。 静摩擦系数随外力的增大而静摩擦系数随外力的增大而增大增大,有一最大值有一最大值 动摩擦动摩擦当一个物体在外力作用下沿与它相接触的当一个物体在外力作用下沿与它相接触的另一个物体相对运动时所产生的摩擦。另一个物体相对运动时所产生的摩擦。 2. 按按摩摩擦擦副副运运动形式分动形式分 滑动摩擦滑动摩擦两接触表面作相对滑动时所产生的摩擦。两接触表面作相对滑动时所产生的摩擦。接触点具有不同的速度接触点具有不同的速度滚动摩擦滚动摩擦在外力矩作用下在外力矩作用下,两物体沿接触面作相对滚两物体沿接触面作相对滚动时所产生的摩擦。动时所产生的摩擦。接触点具有相同的速度（速接触点具有相同的速度（速度、大小）度、大小）转动摩擦转动摩擦一物体沿接触面法线与另一物体作相对转一物体沿接触面法线与另一物体作相对转动时所产生的摩擦。动时所产生的摩擦。 3.按摩擦副表按摩擦副表面润滑状态面润滑状态分分 干摩擦干摩擦两两纯纯净净接接触触表表面面,在在无无任任何何形形式式的的润润滑滑剂剂存存在时所产生的摩擦。在时所产生的摩擦。只有在真空中存在只有在真空中存在,工程上指工程上指无人为润滑剂的摩擦。无人为润滑剂的摩擦。边界摩擦边界摩擦(润滑润滑)两两接接触触表表面面间间存存在在一一层层具具有有润润滑滑性性能能的的边边界膜情况下所产生的摩擦。界膜情况下所产生的摩擦。不不符符合合流流体体力力学学规规律律的的润润滑滑油膜称为边界膜。油膜称为边界膜。流体摩擦流体摩擦(润滑润滑)相对运动的两物体表面完全被一层流体润相对运动的两物体表面完全被一层流体润滑膜隔开时所产生的摩擦。滑膜隔开时所产生的摩擦。摩擦主要发生在接触表面间摩擦主要发生在接触表面间的润滑膜内。的润滑膜内。混合摩擦混合摩擦半干摩擦半干摩擦干摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。干摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。半流体摩擦半流体摩擦流体摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。流体摩擦与边界摩擦同时发生的混合摩擦。4.按按摩摩擦擦副副摩擦特性分摩擦特性分 减摩摩擦减摩摩擦通通过过某某种种措措施施减减小小摩摩擦擦,以以降降低低摩摩擦擦损损失失提提高高机机器器效率的摩擦。效率的摩擦。对对摩摩擦擦表表面面采采取取减减摩摩措施。措施。增摩摩擦增摩摩擦通过某种措施增大摩擦通过某种措施增大摩擦,以实现特定功能或达到特以实现特定功能或达到特种工作要求的摩擦。种工作要求的摩擦。如各种制动或摩擦离如各种制动或摩擦离合装置。合装置。n此外，还有其他分类方法，这里就不再介绍了。n以上各种类型的摩擦，只限于发生在相对运动的两物体接触界面上，只与接触面有关与固体内部状态无关，统称为外摩擦。n由于冲击、拉压、振动和扭曲等，使物体（包括固体、液体和气体）内部各部分物质之间产生相对运动，而引起内能消散的现象称为内摩擦。对于固体，内摩擦表现为一种迟滞或能量损失（如发热）；对于流体来说，内摩擦则表现为液体或气体的粘性。3 磨损v定义：磨损是指相互作用的物体表面在相对运动中，接触表面层内材料发生转移和损耗的过程。v磨损的类型：依据近代对磨损的分类可以分为六种类型：粘着磨损：是指在摩擦过程中，由于粘着点的剪切作用，是摩擦表面的材料从一个表面脱落或者转移到另一个表面的磨损现象。一般发生在干摩擦或者边界摩擦表面上。磨粒磨损：在摩擦过程中，由于外界硬颗粒或摩擦表面上硬的微凸体引起表面材料脱落的现象。表面疲劳磨损：摩擦表面在交变载荷的作用，表层材料由于疲劳而局部剥落，形成麻点或凹坑的现象。一般在固体有缺陷的地方最先出现。腐蚀磨损（摩擦化学磨损）：是金属腐蚀和粘着磨损、磨粒磨损的复合。微动磨损：是粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损的复合。冲蚀磨损（侵蚀磨损）粘着磨损疲劳磨损（点蚀）磨粒磨损磨损过程1.初期磨损：即磨合阶段，磨合是磨损过程中的非均匀阶段，在整个磨损过程中所占比例很小，但磨损率很大。在磨合阶段，由于新摩擦副粗糙表面的真实接触面积很小，应力很大，磨损很快。在良好的工作条件下，经过一段时间或一定摩擦距离以后，表面逐渐磨平，表面粗糙度减小，过渡到正常磨损阶段。2.正常磨损：即稳定磨损阶段，其磨损率为常量，该阶段在整个磨损过程中所占的比例越大，说明设备的寿命越长。3.急剧磨损：在稳定工作达到一定时间后，由于磨损量的累积，或者由于偶然的外来因素（工况变化）的影响，在短期内，是摩擦副的摩擦系数增大，磨损率急剧增加，或严重发热，产生噪声等异常，致使摩擦副的零件迅速失效。磨损量5 摩擦学设计摩擦学设计是以摩擦学理论为基础，从系统工程观点出发，对系统进行设计的一种系统设计方法。系统可以是机械设备、电气系统、磁记录系统等。对机械设备而言，通过摩擦学设计最终使机械设备在使用过程中达到尽可能小的摩擦耗损和经济、稳定的磨损率。也就是说，摩擦学设计是使机械系统在满足磨损寿命、磨损功耗、振动与噪声等条件下，根据摩擦学的观点对系统进行的设计。摩擦学设计是机械设备经历了运动学设计与强度设计以后的第三阶段设计，但是摩擦学设计的思想应该贯穿于整个设计过程中。影响摩擦学性能的因素非常多，而且，各种因素往往错综复杂，涉及到多门学科的综合运用，因此，摩擦学设计的重要特点是多学科的综合分析和运用。5.1 摩擦学设计与摩擦学n摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用，具有很强的实践性。从摩擦学的发展历史可以看出，随着工程技术的发展和新产品开发的需要，出现许多重要的摩擦学现象和摩擦学问题需要解释和解决，这就促进了摩擦学理论的形成与发展，而摩擦学新的研究成果反过来又为产品的设计提供理论指导，使人们设计出更为可靠耐用的产品。n摩擦学研究的最终目的是能够成功的应用于工程设计。而把摩擦学的理论和最新研究成果应用于工程设计的最合适的形式就是对产品进行摩擦学设计。摩擦学设计就是研究如何把摩擦学的理论应用于产品设计的一种设计方法和设计思想。5.2 摩擦学设计的任务n摩擦学设计是指对摩擦学系统进行的设计，设计目标是可靠和经济地实现运动保证功能。具体包括以下内容：（1）最小目标功耗；（2）最低制造和运行成本；（3）合适的使用寿命；（4）与摩擦学行为有关的必要的可靠性；（5）与摩擦学行为有关的最大生产率。5.3 摩擦学设计的地位与作用n摩擦学设计是在产品完成了功能原理设计，或说是完成方案设计之后，就必须进行地。一方面是对产品系统进行设计；另一方面是对在摩擦学性能方面起重要作用的所有零部件进行设计，机械零件的摩擦学设计是在完成了运动学设计和强度设计之后进行的。机械系统及其零部件的摩擦学设计是其他任何设计方法所不能替代的。5.4 摩擦学设计的意义n摩擦是能量转换的一种形式，有摩擦就会有能量的损耗；磨损是伴随摩擦过程而发生的必然结果，磨损的结果是材料的损耗和破坏。n通过摩擦学设计可以减少或避免摩擦，减少摩擦功耗，可以节约能源。n通过摩擦学设计可以减少磨损、延长易损件的寿命，以减少维修和更换次数，从而节约材料和能源，降低维护成本和提高劳动生产率。n通过摩擦学设计可以提高产品的精度和可靠性。在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的表面，工作条件十分苛刻。而对于零件的整体结构，又有关于材质的其他要求。能够使表面材质与整体结构材质相互独立起来设计和工艺，应予以优先考虑，这样可以用较低的成本获得很高的表面摩擦学性能。所以，各种涂层技术以及表面工程中的其他技术近年来获得了迅速的发展，并在摩擦学设计中得到了广泛的应用。从总体来看，我国的摩擦学研究与国际先进水平相比差距还很大，摩擦学设计引入工程设计还是近几年的事情，很多工程设计人员对此还没有充分地了解和足够的认识。致使所设计产品的精度、可靠性和使用寿命，特别是易损部件的寿命远远低于发达国家，在市场上缺乏竞争力。而在设计过程中重视和积极的对产品进行摩擦学设计具有显著地经济效益和社会效益。5.5 摩擦学系统系统的定义：指相互间具有有机联系、相互作用、相互依赖的若干组成部分（可以是环节、元素或部件）结合而成，并具有特定功能的有机整体。摩擦学系统：由具有特定功能的机械系统或其他自然系统抽象而成的，由摩擦学元素构成，用以研究摩擦学元素行为结果的系统。5.5.1 摩擦学系统的构成一台机器中的所有摩擦副和支持子系统构成了一个摩擦学系统。5.6摩擦学设计20世纪80年代以来摩擦学设计受到广泛的重视,但所有讨论都集中在摩擦副的设计上,而摩擦学设计所拥有的系统依赖性、时问依赖性和多学科、跨学科特性决定了摩擦学问题的研究难度。摩擦学系统中实现运动保障功能的是机器中摩擦副的全体,而不是某一个单独的摩擦副以及支持摩擦副正常工作的子系统。因而容纳系统的时变特性、跨学科性和系统依赖性,对摩擦学进行深入而系统的研究,应该是摩擦学设计的基本问题,即建立在渐趋成熟的设计方法、具有使用可靠的知识资源库和解决摩擦学问题的表面工程上,用方框图可作如下描述。摩擦学问题广泛存在于产品的制造过程和使用过程,特别是在机械工业方面,摩擦学设计的好坏对一个产品的性能和使用寿命有极大影响。据调查分析,30%的工业零件因摩擦而损坏,主要原因是摩擦学设计方法还不能在工业生产中得到很好的应用。目前,设计一个能经济可靠地实现运动、保证功能的摩擦学系统,主要采用的摩擦学设计方法有:l磨料磨损计算方程、粘着磨损计算方程、胶合计算方程lIBM的零磨损、可测磨损的计算方法;l组合磨损计算方法;l以数值解为基础,考虑热效应的热弹流、考虑动态效应的非稳态流、考虑润滑剂非牛顿性的流变弹流以及分析粗糙表面的微观弹流等润滑理论与方法;l将各种实际因素全部纳入分析的普适性最高的润滑方程5.6.1表面形貌设计n表面形貌设计主要是表面粗糙度的设计,当表面过于光滑时,液体或气体润滑介质难以介入摩擦副之间,运动中导致摩擦副表面的氧化膜破裂而发生干摩擦,易于疲劳破坏或粘着拉脱,但是,当表面过于粗糙时,微凸体接触数量少,接触应力大,微凸体之间发生严重的弹塑性变形,相对滑动时,摩擦表面发生粘着磨损和表面剥离.所以,如果表面粗糙度设计得恰如其分。n粗糙度设计的原则有三条,一是用加工精度与粗糙度相对应的方式设计;二是与机械工况相适应的润滑模式设计,如全膜流体动压润滑与弹流润滑的表面设计,前者对表面粗糙度的要求较低,而后者要求较高,表面粗糙度与表面的润滑状态密切相关。5.6.2 润滑剂设计1)润滑剂类型的选择润滑剂影响摩擦副摩擦性能,其关键指标是.在设计中,润滑剂的粘度要根据摩擦副的运动形式和工况参数来确定,并由粘度决定相应的润滑剂类型。当按运动形式选润滑剂时,滚动润滑选用高粘度的润滑脂,滑动润滑选用低粘度的润滑油;当按工况参数选润滑剂时,高速低载荷选用低粘度润滑油,低速高载荷选用高粘度的润滑油。另外,因为机械启动和停车时,机械的润滑状态要经历边界润滑阶段,因此,在润滑油选择时,润滑油的油性和极压性也应考虑,保证机械启动和停车时在边界状态下润滑条件良好。2)润滑方式的确定摩擦副常用的润滑方式有滴油、浴油、溅油、注油和喷油等几种.润滑方式的选择主要依据是摩擦副的运动速度,当滑动速度12m/s时,一般选用注油和喷油润滑方式;当滑动速度在312m/s之间时,一般选用溅油和喷油润滑方式;当滑动速度低于3m/s时,一般选用浴油和滴油润滑方式。5.6.3 摩擦副表面层设计一般设计法则在摩擦学设计中,摩擦副的耐磨层薄膜(包括单层连续梯度膜和多层梯度膜)通常有三种设计法则。1)摩擦副若是粘着磨损为主,则应采用互溶性小、化学活性强而抗剪切强度低的表面层,即用抗剪切强度正梯度法则设计。2)摩擦副若是磨粒磨损为主,则应采用非常硬的表面,如TiC,TiN及表面淬硬层等,即采用表面硬度负梯度法则设计。3)摩擦副若是几种摩擦磨损过程混合的情况,即采用强度正梯度法则-硬度负梯度法则的复合梯度法则设计。摩擦副表面层设计要求对于摩擦副耐磨层的设计,一般要求满足三个方面的要求：一是耐磨薄膜与基体结合强度高,防止耐磨层与基体材料在机械力或热应力的作用下脱落；二是薄膜具有良好的弹性和抗断裂性能,即基体材料有足够的硬度和屈服强度以支持薄膜不易发生大的变形,薄膜内应力在弹性变形范围内不至于过大,而且薄膜厚度很薄,当外力作用于薄膜上时,薄膜内不会产生应力集中致使薄膜断裂；三是在热负荷作用下耐磨层应呈热压应力状态,即在设计摩擦副耐磨层时,虽然基体材料和耐磨层的热膨胀系数不一样,但应使耐磨层的热膨胀系数大于基体材料,使得在摩擦热的作用下,耐磨层呈现热压应力状态,这样有利于提高耐磨层薄膜的抗磨性能。