第一节　摩擦

世界能源的1/3～1/2最终以各种不同形式的摩擦消耗掉，因此，降低机械的摩擦损失，对节约能源至关重要。为了减小机械的摩擦和磨损，必须对机械表面的性状、摩擦和磨损的情形进行研究。

一、摩擦的作用

1.摩擦的定义

相互接触的物体在相对运动时或具有相对运动的趋势时，接触面间所产生阻碍其相对运动的阻力称为摩擦力，发生的现象则称为摩擦。

互相接触的物体相对运动时产生的摩擦现象，在生产实践中早就被人们注意到。早在1508年，达·芬奇就正确地阐述了有关摩擦力的概念。1699年，法国工程师阿蒙顿归纳了两条有关摩擦的基本定律：第一，摩擦与两物体的接触面的大小无关；第二，摩擦阻力与垂直负荷成正比。

根据此定律得出摩擦力与负荷的关系：

f=F/P

式中　f——摩擦系数；

F——摩擦力，N；

P——摩擦面上的垂直负荷，N。

在一定条件下，摩擦系数f是一个常数，但摩擦系数与摩擦接触表面积、摩擦表面的材料、摩擦的种类和摩擦表面的加工精度等有关。如两块铜材在空气中的摩擦系数约为0.6，石墨与石墨的摩擦系数在不太干燥的空气中约为0.1，在很干燥的空气中超过0.5。

摩擦现象是在两个摩擦表面之间产生的，摩擦力的大小与摩擦表面的相互作用有密切的关系。

2.摩擦的作用

在许多场合，摩擦对人类有利。比如，人们依靠摩擦来拿起和握住物品，房间内的家具依靠与地面的摩擦而保持在固定的位置，水龙头利用摩擦力而拧紧，钉子依靠摩擦力而固定在木材中以及人们生活中用刷子洗刷掉衣服上的污渍等。

在更多的情况下，摩擦是一个有害的因素，需要采取一定的措施进行限制，这在机械行业是一个十分普遍的问题。摩擦产生的危害主要体现在以下几个方面。

（1）消耗动力　金属表面发生相对运动时，其凸起的部分发生碰撞，会消耗一部分机械能。金属在摩擦过程中会产生塑性变形，导致能量的大量消耗。

（2）金属表面产生大量热能　金属表面发生相对运动时因摩擦而产生的热能使机件表面温度升高，严重时甚至使金属熔化而烧结。

由于这些热量集中在金属表面，瞬时温度可达500～1000℃，而高温下，化学反应很容易进行。例如常用的抗磨剂二烷基二硫代磷酸锌，在温度达到140℃时会分解，并进一步生成聚合物，分解出的活性元素还会与摩擦副表面发生作用。矿物油中的烃类当温度达到400℃左右时分解，当遇到氧或受到摩擦表面的催化作用时，会在更低的温度下发生化学反应。

（3）机件磨损　在摩擦碰撞过程中，凸起部分会被撕裂，或因疲劳而碎裂，坚硬的部分还可将较软的部分划伤，这些都会使机件损毁，即磨损。机械零件表面磨损后往往造成设备精度丧失，需要进行维修，使得生产过程不得不被迫停工。

除了传动皮带、摩擦轮等部件外，一般的机械部件都要求减小摩擦和磨损，以保证机械的正常、高效运转。

摩擦对人们的生活既有利又有害，这是一个客观规律。只要认真研究和了解摩擦的原因，并采取相应的措施，就能达到利用摩擦为人类造福和控制、减缓摩擦，提高机械效率，延长机器零件使用寿命的目的。

二、产生摩擦的原因

当两个金属表面被负荷压紧并发生相对运动时，阻碍运动进行的阻力就是产生摩擦的根本原因。

1.机械啮合

机械啮合由物体表面不平滑的凸起部分阻挡相互的运动而产生。任何实际存在的表面都不是绝对平滑的，一般都留有加工的痕迹，即使经过精密的加工，如研磨，其表面也只是相对光滑些，绝对光滑的表面是不存在的。

即使加工很“光滑”的零件表面，在显微镜的观察下也是凸凹不平的（见图1-2），有如地球表面的地貌一样，布满了高山和深谷。零件表面的这种凸凹不平的几何形状，称为表面形貌。表面上凸起处称为波峰，凹下处称为波谷。相邻的波峰与波谷间的距离称为波幅（H），相邻波峰或相邻波谷间的距离称为波距或波长（L）。

2.摩擦副表面产生的热量

当表面发生相对运动时，由于所有摩擦作用都发生在很小的实际接触面上，因此支撑点附近的表面温度会迅速升高，产生的热量造成局部的软化和熔化而使黏结力增大。因此发生相对运动特别是高速运动时撕裂黏结点要消耗更多的动力。

3.摩擦副相互接触部分的分子间引力

实践表明，摩擦力不一定随摩擦副表面的粗糙度降低而减小，有时反而增大。这是因为表面越光滑，相互接触的部分越多，分子间引力产生的摩擦阻力也越大。

三、摩擦的分类

摩擦的现象极为普遍，种类很多，根据对摩擦现象观察和研究的依据不同，可将摩擦划分为不同的类型。摩擦的分类通常按摩擦副的运动状态、运动形式和润滑状况来划分。

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两种。

（1）静摩擦　当物体在外力作用下对另一物体产生微观弹性位移，但尚未发生相对运动时的摩擦称为静摩擦。在相对运动即将开始瞬间的静摩擦即最大静摩擦，又称极限静摩擦。此时的摩擦系数，称为静摩擦系数。

（2）动摩擦　当物体在外力作用下沿另一物体表面相对运动时，产生的摩擦称为动摩擦。两物体之间具有相对运动时的摩擦系数，称为动摩擦系数。

静摩擦小于极限静摩擦，而动摩擦则一般大于极限静摩擦。

2.按摩擦副的运动形式分类

按摩擦副的运动形式分类，摩擦可分为滑动摩擦、滚动摩擦和自旋摩擦三种。其示意图见图1-3。

（1）滑动摩擦　一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦称为滑动摩擦［见图1-3（a）］。如机床导轨的往复运动、曲轴在轴瓦套中的转动和活塞在汽缸内的运动等。

（2）滚动摩擦　圆柱形或球形的物体在另一物体上滚动时产生的摩擦称为滚动摩擦［见图1-3（b）］。如滚珠或滚柱在轴承中滚动等。

（3）自旋摩擦（转动摩擦）　物体沿垂直于接触表面的轴线作自旋运动时的摩擦，称为自旋摩擦［见图1-3（c）］。在分类时有时不作为单独的摩擦形式出现，以摩擦力矩来表征。

3.按摩擦副的润滑状况分类

按摩擦副的润滑状况分类，摩擦可分为干摩擦、液体摩擦和边界摩擦三种。

（1）干摩擦　两个物体表面间没有润滑剂存在时的摩擦称为干摩擦［见图1-4（a）］。

（2）液体摩擦　两个物体表面被一层润滑剂隔开时的摩擦称为液体摩擦［见图1-4（b）］。此时摩擦只发生在润滑剂分子之间。

（3）边界摩擦　当固体摩擦表面不是被一层具有流动性的液体隔开，而是被一层很薄的吸附油膜隔开，或是被一层具有分层结构和润滑性能的边界膜隔开时的摩擦，称为边界摩擦［见图1-4（c）］。

边界膜的厚度一般在0.1～1μm以下，摩擦面大部分区域被边界膜隔开。边界摩擦是液体摩擦和干摩擦之间的一种中间状态。摩擦阻力远小于干摩擦，摩擦系数约为0.01～0.1。

实际上，纯粹的边界摩擦并不存在。物体作相对滑动时，由于它的表面粗糙度不同，当凸起较高的部分发生边界摩擦时，凸起较低的部分处于液体摩擦状态中；当凸起较低的部分处于边界摩擦时，凸起较高的部分因挤压剧烈会导致边界膜破裂，其表面直接接触而发生局部的干摩擦。