汽车设计中的摩擦学设计分析解析28页PPT

（a）干摩擦
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2．边界摩擦
边界摩擦又称为边界润滑。当运动副的 摩擦表 面被吸 附在表 面的边 界膜隔 开，摩 擦性质 取决于 边界膜 和表面 的吸附 性能时 的摩擦 称为边 界摩擦 （图 8.1 b）。润滑油中的脂肪酸是一种极性化合 物，它 的极性 分子能 牢固地 吸附在 金属表 面上。 吸附在 金属表 面上的 分子膜 ，称为 边界膜 。
v
（b）边界润滑
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按边界膜形成机理，边界膜分为吸附膜 （物理 吸附膜 及化学 吸附膜 ）和反 应膜。 润滑剂 中脂肪 酸的极 性分子 牢固地 吸附在 金属表 面上， 就形成 物理吸 附膜； 润滑剂 中分子 受化学 键力作 用而贴 附在金 属表面 上所形 成的吸 附膜则 称为化 学吸附 膜。吸 附膜的 吸附强 度随温 度升高 而下降 ，达到 一定温 度后， 吸附膜 发生软 化、失 向和脱 吸现象 ，从而 使润滑 作用降 低，磨 损率和 摩擦系 数都将 迅速增 加。
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摩擦系数
1 50
1 0. 5 0.1 0.05
0.0 0.0015
纯净金
氧化膜
属
干摩擦状态
边界润 边界润滑 流体润
滑
和流体润滑
滑
图8.3 摩擦系数的典型值
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随着工况参数的改变可能导致润滑状态 的转化 。图 8.4 是典型的 S t r i b e c k 曲线，它表示润滑状态转化过程以及摩 擦系数 随润滑 油粘度 、滑 动速度 v 和轴承单位面积载荷 p 变化的规律。
合理选择摩擦副材料和润滑剂，降低表 面粗糙 度值， 在润滑 剂中加 入适量 的油性 添加剂 和极压 添加剂 ，都能 提高边 界膜强 度。

在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
摩擦学设计是以摩擦、磨损及润滑理论为基础，从系统工程观点 出发，通过一系列计算与经验类比分析，来预测并排除可能发生的故 障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的摩擦、损耗和经济的稳 定磨损率。
2. 摩擦的分类
摩擦可以按以下不同的方式来分类。
1)按摩擦副的运动状态分类
按摩擦副的运动状态分类，摩擦可分为：静摩擦和动摩擦。 (1)静摩擦：两个物体作宏观位移前的微观位移时其接触表面之间 的外摩擦。其摩擦力称静摩擦力。 静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。当外力大到克服了 最大静摩擦力时，物体才开始宏观运动。最大静摩擦力是物体产生宏 观位移前的摩擦力极限。 (2)动摩擦：两个物体作相对运动时接触表面之间的外摩擦。其阻 碍物体运动的切向力叫动摩擦力。 动摩擦力通常小于静摩擦力。
11.1 摩擦学设计概述
摩擦学（Tribology）是近40 年来发展起来的一门新的边缘学科。 它是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，是研究相互接触的摩擦表 面之间的摩擦和磨损的有关科学和技术的一门学科。 摩擦是现象，磨损是摩擦的结果，润滑是降低摩擦、减少磨损的重 要措施。因此，摩擦、磨损与润滑三者有着十分密切的关系。
11.2 金属表面的摩擦和磨损
11.2.1 金属表面特性
机械设备的工作表面大多都是采用金属制作的。而摩擦学研究 的对象是作相对运动、相互作用的表面，所以了解金属表面的特性 是解决摩擦学问题的基础知识之一。
金属表面的特性，主要包括金属表面的形貌、表面的结构组成 以及表面的接触。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确

增大有益摩擦主要有以下方法： ① 增大物体间的压力。 ② 增大接触面间的粗糙程度。 ③ 用滑动摩擦代替滚动摩擦。
二、有害摩擦
汽车的运转是依靠各零件的相对运动来实现的，而相对运动必然伴随着摩擦和磨损。在摩擦 过程中，摩擦表面发生的尺寸、形状和表面质量的变化称为磨损。摩擦的有害因素主要包括：使机件 产生磨损，造成机械效率降低，增加能量消耗。例如，汽车发动机中活塞环与气缸壁、缸套与活塞、 曲轴轴承与连杆轴承之间都存在有害摩擦。工程实际中，应尽量克服摩擦的有害因素，将摩擦对机械 的影响降到最低。
当砝码的质量较小时，滑块处于静止状态，其所受的拉力FT等于砝码的重力，根据平衡条件：∑Fx=0 ，FT -Ff =0可知摩擦力Ff与拉力FT大小相等。此时的摩擦力即为静摩擦力。 当砝码质量逐渐增加时，处于静止状态的滑块受到的拉力FT逐渐增大，静摩擦力Ff 也逐渐增大。但Ff 不会一直增大，当拉力增大到一定值时，滑块将要开始滑动而尚未滑动，这种状态称为临界状态。在 临界状态时，滑块受到的静摩擦力达到最大值，用Ffmax表示。静摩擦力Ff的大小为
使汽车发挥最佳的工作性能。
一、滑动摩擦与滑动摩擦力
1．滑动摩擦的概念
若两个相互接触的物体之间存在相对滑动或相对滑动趋势，则这种现象称为滑动摩擦。存在滑动 摩擦的物体相互接触表面间产生的阻碍滑动的力，称为滑动摩擦力。
2．滑动摩擦的种类
静滑动摩擦 动滑动摩擦
两物体间存在相对滑动趋势而未发生滑动的摩擦，简称静摩擦，相 应的滑动摩擦力称为静滑动摩擦力，简称静摩擦力。
大量实验表明，最大摩擦力Ffmax的大小与物体接触面间的正压力FN成正比，即
FN —接触面间的正压力，单位为N； μ —静摩擦系数，简称摩擦系数，没有单位。
研究表明，静摩擦系数 μ的值大部分 情况小于1，但可以等于或大于1。静摩擦 系数与两物体的材料及接触面的状况（如 表面粗糙度、温度、湿度等）有关，而与

由此可以看出，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。
第二章 固体表面特性
由摩擦学的定义我们已经知道，摩擦学特性是接触
表面在相对运动过程中表现出的行为和特性。要对 机械系统进行摩擦学设计，就必须全面系统的掌握 摩擦学的基本原理，而它与相互作用表面的性质有 着极其密切的联系。为此，我们首先对固体表面的 特性进行学习和讨论。
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。
1.3 摩擦学设计与摩擦学
1.1.3. 摩擦学设计与摩擦学
摩擦学是研究接触表面在相对运动中的相互作用的，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和发展，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。
并不仅限于磨损。由于摩擦原因而导致的非法运动（振动、噪声、爬行、 溜行等）以及发热和变形等，都将导致运动精度的降低和运动保证功能 丧失，这些都是属于与摩擦学行为有关的可靠性问题。通过摩擦学设计 就可以避免这些情况的出现，从而提高产品的精度和可靠性。
1.5 摩擦学设计的地位和作用
在零件上，接受摩擦学行为作用的是零件的表面，工作条件
1.1.4 摩擦学的特点

从学科性质上看，摩擦学具有以下三个特点： (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。摩擦、磨 损和润滑涉及到科学技术的极其广泛的专业领域，包括力学、物理学、化学、 热力学、传热学、表面科学以及机械学和材料科学与工程等多种学科。

9.2.2 防止和减少磨损的方法 1〕润 滑
减少摩擦与磨损的有效方法之一是在摩擦副中采用液体光滑。这就意味着在流体动 压光滑形状下延续运转，只需摩擦副可以坚持这种光滑形状，就可使磨损减少。
—般说来，光滑形状对粘着磨损值有很大影响。实验阐明，流体静压光滑形状时粘着 磨损佰最小，其次足流体动压光滑形状，边境光滑形状时的粘着磨损值最大。在光滑油 脂中参与油性和极压添加剂能提高光滑油膜吸附才干及油膜厚度，因此能成倍提高抗粘 着磨损才干。
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9.2 耐 磨 设 计
9. Tribology Design
9.2.2 防止和减少磨损的方法 2〕资料选择 〔4〕微动磨损的摩擦副资料的选配
由于微动磨损是粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损等的复合方式，普通说来，适于抗 粘着磨损的资料配对也适于抗微动磨损。
抗氧化磨损或抗磨粒磨损良好的资料都能改善抗微动磨损才干。
耐磨性与金属的显微组织有关。马氏体耐磨性优于珠光体，珠光体优于铁素体。对
珠光体的形状，片状的比球状的耐磨，细片的比粗片的耐磨。回火马氏体经常比不回火 的耐磨，这是由于未回火的组织硬而脆。
对于同样硬度的钢，含合金碳化物的比普通渗碳体耐磨．碳化物的元素原子越多就 越耐磨。
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9.2 耐 磨 设 计
9. Tribology Design
9.2.2 防止和减少磨损的方法 3〕外表耐磨处置 〔1〕以提高外表硬度为主的耐磨处置，处置工艺有外表淬火、外表化学热处置、等离子 喷涂或氧乙炔喷焊、熔渗处置、复合镀层及化学堆积和物理堆积等方法。
〔2〕以改动外表化学成分与组织为主的耐磨处置，化学热处置及外表喷涂或咬焊、各种 镀层和复合镀层、堆积等方法。
当速度足以产生动压油膜，但该油膜又缺乏以将接触外表完全分开时，齿轮处于混合 光滑形状，齿面粗糙镀的最高处发生直接接触，可以促进跑合，摩擦力和磨损率明显低 于边境光滑时的值。摩擦系数在0.04—0.07之间。

✓轴承间隙
不同间隙下的轴承功损
合适的轴承间隙，有利于液力动力润滑的建立。 在合理的设计范围内，间隙增大时，轴承的摩擦功损在下降。由于轴承 间隙增大时，形成液力动力润滑的几何条件在改善，有利于楔形油膜的形成， 因此，摩擦功率损失减小了。但是，一味地增加轴承间隙也会带来很多问题。 如间隙增大则增加机油泵负荷，同时，往往也导致振动增加。
✓轴承宽度
不同轴承宽度下的功损
轴承宽度决定了轴承摩擦面积。图为轴承宽度对轴承摩擦功损的影响。 其中：PB为连杆大头轴承；MB为主轴承。
由图可以看出，轴承功损与轴承宽度成正比。通常对于径向轴承，在完 全液力动力润滑条件下可以认为油膜的包角是一定的。径向轴承的摩擦面积 正比于轴承宽度。因此，减小轴承宽度可以减小轴承功损。但是，过小的轴 承宽度会导致轴承比压过高。因此，在设计轴承宽度时，必须以保证轴承比 压为前提。
发动机中的摩擦学设计
——对发动机进行摩擦学设计，目的是减少磨损、摩擦导致的排放和燃 油损耗，力图延长零部件寿命、提高能源利用效率。
图1 内燃机中主要的燃料能量消耗 内燃机中的主要能量消耗，其中活塞的能量消耗占30％。由此可见， 发动机能耗的关键是活塞环组—缸套的磨耗问题。
➢活塞环与缸套
活塞环是发动机中的重要组成部件。活塞中一般装有2～4道活塞环，分 气环与油环2种（如图3）。它们紧贴气缸壁，主要起气密和布油作用。
➢活塞环与缸套
活塞环—汽缸壁磨损试验装置示意图
活塞环和汽缸壁的耐磨性用磨损系数来评价，磨损系数由下式得到
磨 损 体 积 K（ 载 荷 ） （ 总 滑 动 距 离 ）
K/10-8mm3/(N·m)-1
➢活塞环与缸套
实验表明，Mo环和与匹配的缸套的汽缸壁均具有相对较大的磨损 系数，Mo环的磨损系数分别是Cr环和CKS环磨损系数的6.88倍和49.6 倍；CKS环具有很低的磨损系数。

2.观察轮胎与路面包含的两大摩擦问题： 一是轮胎与路面的摩擦；二是轮胎的磨损。想 一想如何使车辆在行驶中的滚动摩擦阻力减小?
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三、消除有害摩擦和强化有用摩擦的常用措施
摩擦有有利的一面：如皮带传动靠摩擦传递运动和动力， 制动器靠摩擦刹车，没有地面的摩擦汽车无法行驶，螺旋千 斤顶、联接螺栓等需要靠摩擦自锁保持平衡等等；同消除时 摩擦也有不利的一面：摩擦会使机件磨损甚至损坏，降低效 率，消耗能量等。我们研究摩擦，就是要充分利用其有利的 一面，而减少其不利的一面，具体的措施如下：
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（2）只使用后轮制动、汽车仍在向前滑行时 与（1）情况刚好相反，后轮因制动抱死而向前滑动，
所受的摩擦力为滑动摩擦力，其方向向后；因汽车仍向前 滑行，地面给前轮的静摩擦力促使前轮向前转动。所以前 轮受到的是滚动摩擦，而后轮受到的是滑动摩擦。
（3）前后轮同时制动、汽车仍向前滑行时 前后车轮制动抱死，汽车仍向前滑动，故前后车轮均受到 滑动摩擦力的作用，方向向后。
2
雪地里、沙滩上、泥坑里，打滑时汽车不能前进。
2、斜坡上的汽车关闭油门时，分析前后车 轮受到的摩擦。
假设斜坡有一定的坡度，且汽车未制动时，关闭 油门后，汽车会向前滑行。此时地面将阻碍汽车向前 运动，所以前后轮都受到静摩擦力Ff的作用而向前滚 动，都是滚动摩擦。
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3、汽车制动时的前后轮摩擦力方向分析
2、强化有用摩擦的措施： （1）设计时满足自锁条件； （2）增大接触表面的摩擦系数； （3）增大接触面的压力。
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1、观察发动机各运动件之间用了哪些方法减 小摩擦阻力？ 2、赛车轮胎有什么特点？
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项目六 汽车运动构件的摩擦分析
学生姓名
日期
自评 互评 师评

component engineer
列兵：黄继光
Ø建立最精切的摩擦模型。包括活塞组件，配齐机构，发动机轴承等。 Ø关注：摩擦的设计参数，润滑，轴承，运动，漏气，机油消耗，噪声。 Ø仿真模型需要与实际运行情况高度匹配。建立液体动力润滑，热弹性液 体动力润滑。
Ø不同润滑机制（lubrication regimes）,得出精确解答。
Øcoordinating various performance attribute
Øplanning the fuel econumy impovement roadmap and friction
reduction roadmap for the engine. Ø总览全局，需要整合发动机的所有部件，使之最优化。 Ø摩擦的预测对于系统级别的转矩控制，转速波动有较大影响。 Ø……
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• 发动机系统设计
the level-1 engine friction model
1.关注发动机平均循环载荷下的平均有效压力。缺少一些细节（瞬态下的摩擦力大小）。 2.不同子部件使用一个总的摩擦模型，不关注各个部件的摩擦机制。该模型包括了发动 机设计的：bore,stroke,bearing lenth,engine speed,peak cylinder presure. 3.研究参数较少，计算速度快，时间成本低。
cams.
severe instantaneous loading
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• 摩擦
损耗
1.世界工业部门的1/3-1/2的能源以摩擦的形势消耗，磨损失效占机械零件失效的60%80%。 2.近年来，机械磨损给工业国家带来的经济损失更加严重，可达国民生产总值的2%~8%。 润滑是降低摩擦，减少磨损最有效的措施。 3.1999年美国能源部针对交通运输中的摩擦损失调查显示：减少摩擦和磨损每年可节省 1200亿美元，重型车每年损失约16亿桶柴油。 4.一辆乘用车其摩擦损失可达到33%。