摩擦繫數
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摩擦繫數(Coefficient of Friction)
目錄 |
什麼叫摩擦繫數[1]
式中 F——摩擦力，N；
P——正壓力，N。
摩擦繫數的影響因素[2]
影響摩擦繫數的因素很多，主要有摩擦副材質、載荷、錶面粗糙度和溫度等。
1．摩擦副材料性質
摩擦副的摩擦繫數與其材料密切相關。互溶性差的金屬摩擦副的摩擦繫數較小，一般不易粘著，例如銅與鎳部分互溶，銅與鉬則無互溶。
2．載荷
摩擦副的摩擦繫數隨載荷的增加而降低，這是因為實際接觸面積比載荷增加得慢。對於有的非金屬材料，時間對它的摩擦繫數也有影響，如酚醛塑料，見表1所列。
表1 酚醛塑料的摩擦繫數與載荷的關係
| 試驗條件 | 時間／min | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 轉速／(r／min) | 載荷／N | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 |
| 摩擦繫數f | |||||||||
| 800 | 38 | 0．06 | 0．06 | O．06 | O．06 | 0．04 | 0．04 | 0．04 | 0．03 |
| 136 | O．11 | O．11 | 0．07 | 0．07 | 0．05 | 0．05 | 0．03 | 0．03 | |
| 318 | 0．04 | 0．04 | 0．03 | 0．03 | 0．02 | O．02 | 0．02 | O．02 | |
註：試驗是在室溫、水潤滑條件下，在環一塊試驗機上進行的。
3．滑動速度
在不同工況和材料條件下，滑動速度對於摩擦繫數影響是不同的。
有些材料隨著滑動速度提高，其摩擦繫數基本不變，例如石墨材料對溫度不敏感，其摩擦繫數幾乎與滑動速度無關；有些摩擦副的摩擦繫數則隨著滑動速度的提高而增大，如聚乙烯對玻璃的摩擦。有些摩擦副的摩擦繫數隨滑動速度的提高而出現一最大值，但過了最大值後，又隨著滑動速度的增加而降低，鑄鐵軋輥軋制鉛材就是這種狀況。有些摩擦副的摩擦繫數隨著滑動速度的提高反而降低，見表2所列。
表2 滑動速度與摩擦繫數的關係
| 試樣材料 | 滑動速度v／(m／s) | 摩擦繫數f |
|---|---|---|
| 銅 | 135 | O．056 |
| 350 | 0．035 | |
| 工業純鐵 | 140 | 0．063 |
| 330 | 0．027 | |
| Q235 | 150 | 0．052 |
| 350 | 0．023 |
註：對摩件為鋼環(碳的質量分數0．7％，硬度250 HB)；表中數據是在8 MPa壓強條件下得到的。
4．錶面粗糙度
在彈性或彈塑性接觸狀況下，摩擦副乾摩擦繫數隨錶面粗糙度值的降低而降低。但在塑性接觸狀況下，其乾摩擦繫數為一定值，此時錶面粗糙度對實際接觸面積無多大影響。
5．錶面膜
當摩擦副接觸錶面存在氧化膜、其他污染膜或軟金屬薄膜時，其摩擦主要發生在錶面膜間。錶面膜的存在使得金屬粘著現象不易產生，與無膜相比，摩擦繫數也較低。當然，錶面膜的形成速度和膜厚對摩擦繫數也有影響。
鋼-鋼摩擦副接觸錶面的錶面膜對摩擦繫數的影響見表3所列。
表3 滑動速度與摩擦繫數的關係
| 摩擦副材料 | 摩擦繫數 | |
|---|---|---|
| 具有錶面膜的錶面 | 大氣中的潔凈錶面 | |
| 鋼-鋼 | 0．11(油酸膜) | O．78 |
| 鋼-鋼 | 0．16(氧化膜-油) | |
| 鋼-鋼 | 0．19(硫化膜+油) | |
| 鋼-鋼 | 0．27(氧化膜) | |
| 鋼-鋼 | 0．32(潤滑油膜) | |
| 鋼-鋼 | 0．39(硫化膜) | |
6．溫度
摩擦副相對運動會導致溫升和材料的錶面性質的改變，使摩擦繫數受到影響。在某些情況下，摩擦繫數可能隨溫度的升高先降低到一最小值然後再升高。例如在真空中的碳化硅和用二硫化鉬潤滑的氮化硅。另一種情況是摩擦繫數隨著溫度的升高而增大，但到達一最大值後開始減小。例如軋制銅材以及聚乙烯、聚四氟乙烯、尼龍等聚合物對鋼，無氧化膜的鐵對鑄鐵，鈷對不鏽鋼的摩擦繫數也有上述類似的規律。一般固體的乾摩擦繫數大多數都隨溫度升高而降低。
溫度升高可能引起金屬相變，產生晶體結構改變，從而影響摩擦繫數。例如，灰錫(菱形晶格)向白錫(體心立方)轉變時的相變溫度為13．2℃，如在錫中加入銅、鋁等合金元素，就會改變錫的相變溫度。在相變溫度以下，摩擦繫數較高，在相變溫度以上，則摩擦繫數較低。
摩擦繫數的測量[3]
摩擦繫數大小是表示摩擦材料特性的主要參數之一。摩擦繫數f分為靜摩擦繫數fa和動摩擦繫數fk(一般直接用f表示)。一般情況下測定動摩擦數比較困難，如高真空、高壓等條件下的摩擦只測定靜摩擦繫數。
1．靜摩擦繫數的測定方法
當測定材料在一定配對條件下的靜摩擦繫數時，最簡單的方法是傾斜法和牽引法。
1)傾斜法
把被測物體放在對偶材料的斜面上(圖1)，逐漸增大斜面傾斜度，當被測物體開始滑動時其斜面的傾斜角θ即為摩擦角，靜摩擦數為fa = tanθ。
2)牽引法
把重量為形的被測物體放在如圖2所示的對偶材料B的平面上。電動機通過蝸輪蝸桿減速緩慢地帶動齒輪齒條機構，使對偶材料B平穩且緩慢向左移動，在摩擦力作用下，物體也隨之移動並拉伸彈簧當彈簧拉伸一定程度時，被測物體和B發生相對移動，此時應變梁上應變片的應變數通過儀錶反映出的最大力F，即為靜摩擦力。靜摩擦繫數
。
2．動摩擦繫數的測定法
常用測量連續摩擦時的摩擦力變化來求得摩擦繫數，主要測量方法如下：
1)重力平衡法
Amsler機或MM-200試驗機上所採用的就是此法，如圖3所示。載荷形通過上試件1加到下試件2上。下試件旋轉，上試件固定。摩擦副之間沒有摩擦時，平衡砝碼桿處於鉛垂位置。有摩擦時，平衡砝碼桿通過齒輪測力機構產生一定的偏擺，擺角的大小從刻尺6上讀出摩擦力矩。由此摩擦力矩可以換算出試件上的摩擦力。
2)彈簧力平衡法
如圖4所示。當下試件4轉動時，由於摩擦，上試件將會有沿著F方向運動的趨勢，從而使彈簧3變形。通過測量彈簧的變形，可計算出摩擦力的大小。用杠桿加砝碼的方法來代替彈簧來測摩擦力(或力矩)，也在許多試驗機上應用，如Timkeh型試驗機上的測量機構。
3)電測法
把壓力感測器附加到測力元件上，將摩擦力(或力矩)轉換成電量(電信號)，輸入到測量和記錄儀上，自動記錄下摩擦過程中摩擦力的變化。這種方法目前已普遍得到應用。
通過上述三種方法得到摩擦力，再由摩擦力與法向載荷間接求得摩擦繫數。
