第四章 摩擦、磨损和润滑
? 摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要
失效原因。
? 消极影响：消耗能源；
破坏精度（包括磨损和爬行）；
增大噪声
? 积极作用：驱动 (摩擦轮、无级变速）
缓冲，如宇航员座椅；
自锁，如钉子等
4.1 摩擦与润滑状态
? 摩擦分类,外摩擦（存在于两物体表面之间）
内摩擦（流体内部产生的粘剪力）
? 按照两表面的润滑状况，摩擦分为：
1）干摩擦 ----无润滑状态
2）边界摩擦 —— 边界润滑状态
3）流体摩擦 —— 流体润滑状态
4）混合摩擦 —— 混合润滑状态
5）薄膜摩擦 ----薄膜润滑状态
一、干摩擦
? 不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样
产生的摩擦称为干摩擦 (如真空中 )。
fnF fF?
? 现在观点认为：
摩擦力的组成可表示为：
f r nF F F A F??? ? ? ? ? ?分子 机械
古典摩擦理论的摩擦力计算公式：
二、边界摩擦
两表面加入润滑油后，在金属
表面会形成一层边界膜，它可
能是物理吸附膜，也可能是化
学反应膜。不满足流体动压形
成条件，或虽有动压力，但压
力较低，油膜较薄时，在载荷
的作用下，边界膜互相接触，
横向剪切力比较弱，这种摩擦
状态称为边界摩擦。 油性分子吸附在表面
三、流体摩擦
? 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，
摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子
层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体
摩擦。
四、混合摩擦
? 当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，
就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存
在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。
五、薄膜润滑状态
介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几
纳米，在现代精密机械系统 (Ra很小 )或 MEMS中
普遍存在
? 实现流体摩擦有下列三种方法,
1)流体动压润滑
楔形空间，油膜厚度最大
2）弹性流体动压润滑
考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度
的影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑,简称为弹
流润滑,
两表面的距离 称为
平均油膜厚度。接触
区的出口处油膜变薄,
这种现象称为“颈
缩”,此处两表面距离
称为最小油膜厚度。
0h
minh
3) 流体静压润滑
? 用油泵将润滑油经过节流
器以所需要压力注入被润
滑表面的油室,再由油室
的封油边流回油箱。
4.2 磨损
? 磨损：运动副表面材料不断损失
? 磨损率, 单位时间内材料的磨损体积或重量
一、磨损过程（三阶段）,
1)跑合磨损阶段
2)稳定磨损阶段
3)剧烈磨损阶段
二、磨损分类：根据磨损机理可分为
1）粘着磨损：
2）磨粒磨损 /磨削
形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，
表面尖峰接触。
现象：形成材料转移。
影响因素：材料硬度，表面粗糙度，载荷、速度、
温度，不同材料配副。
形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。
现象：表面划伤或犁沟现象。
影响因素：环境，表面硬度、粗糙度。
3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）
4）冲蚀磨损
形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮。
现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。
影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度。
形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法
向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。
现象：表面疲劳，材料损失。
影响因素：材料硬度
5）腐蚀磨损 -电化学作用
形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用
或电化学作用。
现象：表面腐蚀并磨损。
影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。
6）微动磨损
形成：小振幅、大频率、点或线接触。
现象：磨损面积小。
影响因素：载荷。
4.3 润滑剂和添加剂
? 润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂
一、润滑油的粘度
润滑油的粘度反映了润滑
油在外力作用下抵抗剪切
变形的能力，也是内摩擦
力大小的标志 。
FA ???
? ??
式中 A - - 流体剪切面积
流体剪切应力
? 剪切应力 τ与流体沿 y方向速度的梯度成正比，即
/d d y? ? ?? ? ?
η定义为流体的动力粘度
上式称为牛顿流体粘性定律,凡符合此定律的
流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体 。
除此以外，还有运动粘度和相对粘度（恩氏
粘度）
1）动力粘度 η
图示,长、宽、高各为 1m的流体，如果使立方体顶面流
体层相对底面流体层产生 1m/s的运动速度，所需要的外
力 F为 1N时，则流体的粘度 η为 1N?s/m2，叫做“帕秒”，
常用 Pa?s表示。有时也用“（ dyn ?s/cm2）泊 P”、“厘泊
cP”表示。
换算关系,1Pa? S=10P=1000cP
2）运动粘度
? 流体的动力粘度与同温度下的密度 ρ的比值,称为
运动粘度,
??
??
单位是 cm2/s,叫做“斯”,常用 St表示
恩氏粘度是相对粘度的一种,它是用 200ml的粘性流体,
在给定的温度 t下流经一定直径和长度的毛细管所需的
时间,与同体积的蒸馏水在 20℃ 时流经同样的毛细管所
需时间的比值来衡量流体的粘性。恩氏粘度用 表示
oEt
3) 相对粘度 oEt
?
换算关系,1m2/s=104St=106cSt 矿物油 ρ=0.85~0.9
1、粘温特性
二、润滑油的特性
? 润滑油的粘度随温度的
变化存在指数关系,
? ?00 / mt tt???
2、润滑油的粘压特性
? 粘度和压力的关系
近似表示为,
0
ape???
3、油性 — 反 映在摩擦表面的吸附性能
（边界润滑和粗糙表面尤其重要）
4、闪点 — 瞬 时燃烧和碳化的温度；
燃点 — 长 时间连续燃烧的温度（高温性能）；
5、凝点 — 冷 却，由液体转变为不能流动的临界
温度； (低温启动性能 )
6、极压性（ EP）,在重压下表面膜破裂的最大
接触载荷，用 PB表示,(极限载荷）
7、酸值 — 限制 润滑剂变质后对表面的腐蚀
四、润滑脂及其主要性能
? 组成：基础油 +稠化剂 +添加剂 +澎润土
? 润滑脂的性能指标主要有针入度、滴点、析油量、
机械杂质、灰分、水分等
1）针入度
软 硬程度 H(mm)/0.1
阻力大小、流动性强弱
标准锥体,150g,25 ℃, 5s
h
2）滴点 ----固体 ?流体的温度转折点，表示耐热性
3）防水性能；
4）静音性能；
5）种类
A)钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；
B)钠基脂：高温，但不抗水；
C)锂基脂：多用途，最好；
D)铝基脂：高度耐水性，航运机械
E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、
稠化剂等）
五、固体润滑剂
?用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；
?种类,MoS2,PTFE，石墨，氟化石墨,WS2、
纳米材料
?应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂
六、添加剂
? 作用越来越大，在润滑脂、合成油中不加添加剂，
则润滑很差或没有润滑作用
? 种类繁多：
１）油性添加剂，极性分子结构；
２）抗磨／极压（ EP）添加剂
３）抗氧化／腐蚀添加剂；
４）洁净分散剂，汽车中
５）防锈剂
６）降凝剂
７）增粘剂
８）消泡剂－－液压油
9）纳米添加剂－－新材料
七、润滑装置
? 单体供油装置
油壶,油杯,油枪
? 集中供油装置
a) 简单的少数点位集中供油
b) 设备中心、车间及工厂级集中供油
泵站 +(稳压 +冷却 )+过滤 +分配器 +工位润滑
手动润滑泵 电动润滑泵
? 摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要
失效原因。
? 消极影响：消耗能源；
破坏精度（包括磨损和爬行）；
增大噪声
? 积极作用：驱动 (摩擦轮、无级变速）
缓冲，如宇航员座椅；
自锁，如钉子等
4.1 摩擦与润滑状态
? 摩擦分类,外摩擦（存在于两物体表面之间）
内摩擦（流体内部产生的粘剪力）
? 按照两表面的润滑状况，摩擦分为：
1）干摩擦 ----无润滑状态
2）边界摩擦 —— 边界润滑状态
3）流体摩擦 —— 流体润滑状态
4）混合摩擦 —— 混合润滑状态
5）薄膜摩擦 ----薄膜润滑状态
一、干摩擦
? 不加润滑剂时，相对运动的零件表面直接接触，这样
产生的摩擦称为干摩擦 (如真空中 )。
fnF fF?
? 现在观点认为：
摩擦力的组成可表示为：
f r nF F F A F??? ? ? ? ? ?分子 机械
古典摩擦理论的摩擦力计算公式：
二、边界摩擦
两表面加入润滑油后，在金属
表面会形成一层边界膜，它可
能是物理吸附膜，也可能是化
学反应膜。不满足流体动压形
成条件，或虽有动压力，但压
力较低，油膜较薄时，在载荷
的作用下，边界膜互相接触，
横向剪切力比较弱，这种摩擦
状态称为边界摩擦。 油性分子吸附在表面
三、流体摩擦
? 当两摩擦表面被流体（液体或气体）完全隔开时，
摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子
层间的粘剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体
摩擦。
四、混合摩擦
? 当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，
就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存
在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。
五、薄膜润滑状态
介于干摩擦和边界摩擦之间，薄膜厚度仅几
纳米，在现代精密机械系统 (Ra很小 )或 MEMS中
普遍存在
? 实现流体摩擦有下列三种方法,
1)流体动压润滑
楔形空间，油膜厚度最大
2）弹性流体动压润滑
考虑了接触区弹性变形和压力对接触区润滑油粘度
的影响的动压润滑称为弹性流体动力润滑,简称为弹
流润滑,
两表面的距离 称为
平均油膜厚度。接触
区的出口处油膜变薄,
这种现象称为“颈
缩”,此处两表面距离
称为最小油膜厚度。
0h
minh
3) 流体静压润滑
? 用油泵将润滑油经过节流
器以所需要压力注入被润
滑表面的油室,再由油室
的封油边流回油箱。
4.2 磨损
? 磨损：运动副表面材料不断损失
? 磨损率, 单位时间内材料的磨损体积或重量
一、磨损过程（三阶段）,
1)跑合磨损阶段
2)稳定磨损阶段
3)剧烈磨损阶段
二、磨损分类：根据磨损机理可分为
1）粘着磨损：
2）磨粒磨损 /磨削
形成：边界摩擦，载荷大，速度高，边界膜破坏，
表面尖峰接触。
现象：形成材料转移。
影响因素：材料硬度，表面粗糙度，载荷、速度、
温度，不同材料配副。
形成：表面微峰或外界硬质颗粒进入摩擦面。
现象：表面划伤或犁沟现象。
影响因素：环境，表面硬度、粗糙度。
3）疲劳磨损（也称疲劳点蚀）
4）冲蚀磨损
形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮。
现象：表层金属剥落，形成点蚀凹坑。
影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度。
形成：一定速度的硬质微粒反复作用，表面受法
向力及切向力。燃气涡轮机叶片、水轮机叶片。
现象：表面疲劳，材料损失。
影响因素：材料硬度
5）腐蚀磨损 -电化学作用
形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸产生化学作用
或电化学作用。
现象：表面腐蚀并磨损。
影响因素：环境、润滑油的腐蚀性。
6）微动磨损
形成：小振幅、大频率、点或线接触。
现象：磨损面积小。
影响因素：载荷。
4.3 润滑剂和添加剂
? 润滑剂：润滑油、润滑脂和固体润滑剂
一、润滑油的粘度
润滑油的粘度反映了润滑
油在外力作用下抵抗剪切
变形的能力，也是内摩擦
力大小的标志 。
FA ???
? ??
式中 A - - 流体剪切面积
流体剪切应力
? 剪切应力 τ与流体沿 y方向速度的梯度成正比，即
/d d y? ? ?? ? ?
η定义为流体的动力粘度
上式称为牛顿流体粘性定律,凡符合此定律的
流体称为牛顿流体,否则称为非牛顿流体 。
除此以外，还有运动粘度和相对粘度（恩氏
粘度）
1）动力粘度 η
图示,长、宽、高各为 1m的流体，如果使立方体顶面流
体层相对底面流体层产生 1m/s的运动速度，所需要的外
力 F为 1N时，则流体的粘度 η为 1N?s/m2，叫做“帕秒”，
常用 Pa?s表示。有时也用“（ dyn ?s/cm2）泊 P”、“厘泊
cP”表示。
换算关系,1Pa? S=10P=1000cP
2）运动粘度
? 流体的动力粘度与同温度下的密度 ρ的比值,称为
运动粘度,
??
??
单位是 cm2/s,叫做“斯”,常用 St表示
恩氏粘度是相对粘度的一种,它是用 200ml的粘性流体,
在给定的温度 t下流经一定直径和长度的毛细管所需的
时间,与同体积的蒸馏水在 20℃ 时流经同样的毛细管所
需时间的比值来衡量流体的粘性。恩氏粘度用 表示
oEt
3) 相对粘度 oEt
?
换算关系,1m2/s=104St=106cSt 矿物油 ρ=0.85~0.9
1、粘温特性
二、润滑油的特性
? 润滑油的粘度随温度的
变化存在指数关系,
? ?00 / mt tt???
2、润滑油的粘压特性
? 粘度和压力的关系
近似表示为,
0
ape???
3、油性 — 反 映在摩擦表面的吸附性能
（边界润滑和粗糙表面尤其重要）
4、闪点 — 瞬 时燃烧和碳化的温度；
燃点 — 长 时间连续燃烧的温度（高温性能）；
5、凝点 — 冷 却，由液体转变为不能流动的临界
温度； (低温启动性能 )
6、极压性（ EP）,在重压下表面膜破裂的最大
接触载荷，用 PB表示,(极限载荷）
7、酸值 — 限制 润滑剂变质后对表面的腐蚀
四、润滑脂及其主要性能
? 组成：基础油 +稠化剂 +添加剂 +澎润土
? 润滑脂的性能指标主要有针入度、滴点、析油量、
机械杂质、灰分、水分等
1）针入度
软 硬程度 H(mm)/0.1
阻力大小、流动性强弱
标准锥体,150g,25 ℃, 5s
h
2）滴点 ----固体 ?流体的温度转折点，表示耐热性
3）防水性能；
4）静音性能；
5）种类
A)钙基脂：抗水，适于轻中重载荷；
B)钠基脂：高温，但不抗水；
C)锂基脂：多用途，最好；
D)铝基脂：高度耐水性，航运机械
E)其它特种润滑脂（特种合成油、添加剂、
稠化剂等）
五、固体润滑剂
?用途：真空、辐射、重载等恶劣环境；
?种类,MoS2,PTFE，石墨，氟化石墨,WS2、
纳米材料
?应用方法：涂镀，沉积，粘贴，嵌入，添加剂
六、添加剂
? 作用越来越大，在润滑脂、合成油中不加添加剂，
则润滑很差或没有润滑作用
? 种类繁多：
１）油性添加剂，极性分子结构；
２）抗磨／极压（ EP）添加剂
３）抗氧化／腐蚀添加剂；
４）洁净分散剂，汽车中
５）防锈剂
６）降凝剂
７）增粘剂
８）消泡剂－－液压油
9）纳米添加剂－－新材料
七、润滑装置
? 单体供油装置
油壶,油杯,油枪
? 集中供油装置
a) 简单的少数点位集中供油
b) 设备中心、车间及工厂级集中供油
泵站 +(稳压 +冷却 )+过滤 +分配器 +工位润滑
手动润滑泵 电动润滑泵
