谈摩擦在机械中的利与弊

　　【摘 要】摩擦与我们的生活和生产可以说是密不可分。走在路上，鞋与地面；坐在车上，人与车子；钉子钉在墙上，钉子与墙面；它们之间都存在摩擦力。冬天天气冷，搓搓手，摩擦生热，手就热了。在工厂流水线上物料的输送，汽车的刹车装置，螺栓连接，离合器等等，这些场合都是利用摩擦力来工作。也就是说，摩擦给我们带来很多好处。经常坐硬凳子的人，深色毛料裤子屁股部位会磨得闪闪发亮，很不雅观。真丝衣服穿着很舒服，但用手洗次数多了，尤其领边会破损。机构中相对运动的两构件间接触时间长了，间隙会变大，影响工作精度和平稳性。这些都是摩擦力的存在而造成的。由于摩擦力的存在，使得机械效率降低，造成能源浪费，甚至有些机构磨损严重而失效，直接造成经济损失。也就是说，摩擦也给我们的生活和生产带来坏处。 　　【关键词】摩擦；摩擦力；自锁作用 　　文章编号：ISSN1006―656X（2015）01-0188-01 　　一、摩擦在机械中的有利方面 　　（一）摩擦力可以用来传递动力或转矩。当两构件直接接触，就存在正压力，相互间有相对运动或相对运动趋势，它们之间就会产生摩擦力。当其中一个构件运动时，只要摩擦力足够大，就会带动另一个构件一起运动。在其他条件相同的情况下，槽面摩擦大于平面摩擦.所以，在一些需要利用摩擦力来工作的地方，可将平面接触改为槽面接触，以增大摩擦力。三角带传动和三角螺纹连接，就是其应用实例。 　　如输送带上的物品，就是利用它们与带之间的摩擦力跟带一起移动而到达要求的位置；摩擦轮传动就是利用两轮之间所产生的摩擦力来使得从动轮旋转的；手柄或旋钮上经常加工有滚花以增大摩擦力，手动机构时不会打滑而能直接将手上的力通过摩擦传给手柄或旋钮，使机构中的构件产生运动。 　　摩擦传动结构简单，传动平稳，无噪音，有时还可以无级调速。所以压力机、输送装置上广泛使用摩擦传动。 　　（二）利用摩擦力的自锁作用可以牢靠地将若干构件连接在一起或在起重设备中起到安全保护作用。有些机械，就其结构情况分析，只要加上足够大的驱动力，按理就应该能够沿着驱动力作用的方向运动起来，而实际上由于某种原因，即使把这个驱动力增到无穷大，却都无法使它运动，这种现象称为自锁。该现象被广泛地用于螺纹连接、销连接和楔键连接中。只要螺纹升角或导程角小于其螺旋副材料当量摩擦角，机构就存在自锁现象，如在蜗杆传动中，蜗杆又称为模数螺纹。当蜗杆的导程角小于蜗杆副材料的当量摩擦角时，机构就有自琐现象，以蜗轮为主动件时，无论在蜗轮上加多大的驱动力，因为摩擦力矩大于驱动力矩（或机械效率为0），所以都不能使机构发生运动。该特点就用在起重设备中，绕绳子的轮子随蜗轮一起转动，重物停在任何高度都可以，因为这里蜗轮只能为从动件。 　　（三）摩擦可以用来自动点火。摩擦帮助原始人学会了取火，从而使人第一次支配了自然力。现在人门设计出自动点火装置，利用触点与电石接触瞬间摩擦所产生的火花，将可燃性物体点燃。如打火机和煤气灶点火装置。 　　（四）利用摩擦力可以将两构件随时分离与接合。。如多片摩擦式离合器，在机器运转过程中，通过操纵机构可以使内、外两组摩擦片直接接触，利用它们之间所产生的较大摩擦力将主、从动轴连接在一起，使它们一起旋转而传递转矩和运动；通过操纵机构也可以使两组摩擦片分离，摩擦力几乎为0，两轴分开，从动轴停止运转。使用该方式两轴接合平稳，冲击和振动小，过载时可打滑，能起保护作用。 　　（五）利用摩擦力可使高速旋转的构件减速或停止运转。如制动器和交通运输机械上的刹车装置。无论带状制动器、锥形制动器、还是蹄鼓制动器，都是利用摩擦力矩降低机器运动部件的转速或使其停止回转。 　　（六）利用摩擦传动过载打滑的特点可以保护机器中的重要构件。如摩擦轮传动当过载时，两构件接触部位会产生打滑现象，因而可防止薄弱环节的损坏，对重要构件起到安全保护作用。利用摩擦原理工作的装置中都有这个特点，如摩擦式棘轮机构、摩擦式离合器及带传动（同步齿型带传动除外）。 　　（七）磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，有些磨损在机械中确是有益的。如磨削加工。像研磨，人们利用它来提高零件的表面光洁度和使刀具的切削刃口变得锋利。 　　制动系统失灵或摩擦传动失效，都直接涉及到机器设备和生产者的安全；尤其是对各类运输工具（火车、飞机、汽车、船舰等）来说，显得更为重要，并且随着机器向高速、重载方向的发展，制动系统的可靠性与耐久性是首先要解决的问题。制动器、摩擦式离合器和摩擦传动装置中的摩擦副，其工作原理是利用摩擦力，装置本身就是个能量转换器，即将转动的动能转化为热能和其它形式的能（振动、声能），要求耐久可靠，所以可选用摩阻材料，摩阻材料又称为制动摩擦材料或刹车材料，它是各种机器设备的制动器、摩擦式离合器和摩擦传动装置中不可缺少的材料之一。摩阻材料最主要的特点是能够吸收动能并转化为热能，进一步将热能传入空气中，材料本身无剧烈磨损也不破坏摩擦副，在反复使用过程中仍能保持一定的制动或传动效率。如铁基粉末冶金摩阻材料使用于干摩擦条件下工作的摩擦片，耐热性高，强度好，但对偶件表面易“粘着”，摩擦系数的稳定性差，耐磨性不如铜基粉末冶金摩阻材料，铜基摩阻材料主要用于轻载的干摩擦和油润滑介质的工作条件。 　　二、摩擦在机械中的有害方面 　　（一）摩擦会造成构件的磨损，进而影响工作精度和平稳性。任何机器的运动都是依赖其组成构件的相对运动来实现，当机器运转时，其具有相对运动的表面间也必然有摩擦力产生。由于长时间的相对运动，表层材料不断发生损耗，致使孔（槽）的尺寸变大，而轴的尺寸变小，接触部位的间隙变大，使得两构件相对运动的精度降低，运动的平稳性变差，所以减小磨损非常重要。 　　①影响磨损的因素：磨损是多因素在摩擦表面相互作用的过程。在摩擦面上外界机械作用是确定磨损过程的重要因素，它包括摩擦类型、摩擦表面相对移动速度及摩擦时载荷的大小三个方面；材料及其加工方法对磨损的影响与材料本身的机械、物理及化学性能有关，也与这些性能在摩擦和磨损过程的变化有关；环境介质对金属的摩擦和磨损有很大的影响；温度改变摩擦副材料的性能，也改变摩擦表面污染膜的形态，同时温度还改变润滑剂的性能；一般来说，表面光洁度提高，则抗粘着磨损的能力也增大。但过分提高摩擦副表面光洁度，因润滑剂不能储存于摩擦表面内，又会促进粘着。 　　②减小磨损的方法：一般可以采用润滑、选择耐磨性好的材料、使用减摩材料、对材料表面进行耐磨处理及合理地选择摩擦副配偶材料等方法来改善磨损状况。不论构件间的相对运动是旋转还是移动，都可以使用润滑剂进行润滑来减小磨损，，像滑块机构、齿轮传动、滑动轴承与轴之间等等。可以选择耐磨材料，要根据摩擦情况来进行，如机床导轨、活塞环、气缸套都选用耐磨铸铁，因为这些地方需要材料减摩性和耐磨性都很好，往往采用铸铁比钢更有利。 　　（二）摩擦会造成能量消耗，使机械效率降低。机器运转时为了克服摩擦力，必须消耗一部分动力，从而使机器的效率降低。摩擦过程，实际就是能量消耗的过程。如纺织机械中因摩擦而损失的功率占总功率的85% 。据统计，目前世界上大约有1/2至1/3的能源消耗在各种不同形式的摩擦上。如自锁蜗杆的蜗杆传动，机械效率为40%～45% ；而圆弧面蜗杆的蜗杆传动，机械效率为85%～95% ；普通螺旋传动，机械效率为30%～60% 这些传动机械效率之所以低，就是因为摩擦造成的能量消耗大。 　　（三）摩擦影响到机器设备的使用寿命和生产率。机器往往由于运动副的磨损而使其早期报废或造成停工的损失。世界各国消耗在维修和配件的费用是十分可观的，就我国机械工业来说，国家分配给机械行业的钢材有不少是用于配件生产，而这些配件中的大部分又用于维修，配件的寿命短和早期损坏，大多数是由于磨损的原因造成的。据大量统计，有75%的机器零件是由于磨损而损坏的，因此磨损是引起机械零件失效的主要原因。 　　（四）摩擦影响到机构的正常工作。对于凸论机构，当压力角越大，摩擦力就越大，可能会引起机构自锁而使从动件不能运（下转第187页上接第188页）动，机构无法正常工作。为避免这种情况出现，设计时应选取合适的压力角，保证最大压力角不超过许用值，通常推荐推杆从动件盘形凸论机构推程的许用压力角[α]=25°～30°；摆杆从动件推程的许用压力角[α] =35°～40°，回程时，通常受力较小，发生自锁可能性极小，故许用压力角可取得大一些。推杆和摆杆均取 [α′] =70°～80°。 　　（五）摩擦会使运动副元素发热膨胀，从而可能导致运动副咬紧和卡死，使机器运转不灵活。由于摩擦发热，还会使机器润滑情况恶化，从而加速机器的磨损，甚至使机器毁坏。 　　两个运动构件表面之间所产生的摩擦能量损失，主要是以热的形式表现出来，实际接触处在很短的时间内就能产生相当高的温度，并且很快由表层向内层散播。研究表明，摩擦热将引起：①摩擦表面相互作用特性或摩擦状态发生质的变化，从液体摩擦转化为边界摩擦甚至干摩擦，或者相反。②摩擦表面与周围介质的作用特点改变，即引起摩擦过程动力学特性变化。如蜗杆传动，传动时，同时进入啮合的齿数较多，啮合区相对滑动速度很大，摩擦引起的热损失较大。所以为了减少传动中的摩擦，除应具有良好的润滑和冷却条件外，还应合理选择蜗杆副的配偶材料。蜗杆一般用优质结构钢或合金钢来制造，在选择蜗轮材料时，要选用减摩耐磨性好的，如可以选用青铜，但其价格高，要慎重考虑。 　　结论：摩擦传动在机械中使用广泛，可以用来传递动力或转矩，机构简单，传动平稳，无噪音，有时可无级变速，具有安全保护作用。也可以利用摩擦起连接作用，特点是稳定可靠；可以利用摩擦生火和起制动及离合作用。但同时摩擦给机械工作带来诸多坏处。由于磨损，机器的工作精度和平稳性降低，机器的寿命和效率降低。所以我们应根据具体情况，来理解摩擦在机械中的作用，合理的利用摩擦原理来设计机构，尽可能减小其不利的影响。 　　参考文献： 　　[1]《摩擦学基础》；华南工学院；戴雄杰主编 　　[2]《机械原理》；西北工业大学；机械原理及机械零件教研室编