2.1 摩擦的基本特性

15 世纪，意大利科学家达·芬奇第一个提出摩擦的基本概念。之后，法国科学家阿蒙顿在大量试验的基础上建立了两个摩擦定律。随后，法国科学家库仑继前人的研究，利用机械啮合理论解释干摩擦，提出了摩擦理论。接着英国科学家鲍登开始使用黏着磨损概念研究干摩擦，提出摩擦理论。而后，英国科学家雷诺根据流体动力润滑现象，建立了流体动力润滑基本方程式。由这些研究得出了 4 个经典的摩擦定律。

定律一 滑动摩擦力的大小与接触面间的法向载荷成正比。

其数学表达式为：

式中 F ——滑动摩擦力；

μ ——摩擦系数；

N ——正压力。

通常称该定律为库仑定律，也可以认为是摩擦系数的定义。

定律二 摩擦系数的大小与接触面积无关。

该定律适用于具有屈服极限的材料，而对弹性材料和黏弹性材料不适合，如聚四氟乙烯材料等。

定律三 静摩擦系数大于动摩擦系数。

该定律不适合黏弹性材料，尽管对黏弹性材料是否具有静摩擦系数尚无定论。

定律四 摩擦系数与滑动速度无关。

该定律对于金属材料来说基本符合，对于其他材料而言则不适合。

近些年国内外专家学者对摩擦学理论的研究取得了长足的进展，进一步完善了摩擦学基本理论，也对经典的摩擦理论提出了质疑，但在许多工程实际问题上经典摩擦理论仍然被广泛使用。

深入研究表明，摩擦还具有以下主要特性。

（1）静止接触时间

研究发现，静摩擦系数受静止接触时间长短的影响，且静摩擦系数随着接触时间的增加而增大，这一规律对塑性材料更为明显。一般情况下，软钢和黄铜的静摩擦系数随着接触时间的增加总是在增大；而对于磷青铜和杜拉铝来说，静摩擦系数随着接触时间的增加会出现下降的阶段，但总的趋势是增大的。

研究表明，静摩擦系数随着接触时间的增加而增大，主要原因是在法向载荷作用下，粗糙峰在压入的同时产生较高的接触应力和塑性变形，这样致使实际的接触面积增加。接触时间的增加也促使粗糙峰接触应力和塑性变形程度增大，所以静摩擦系数增大。

（2）跃动现象

固体之间的干摩擦运动并非连续的滑动，而是物体之间发生相对断续的滑动，这种现象称为跃动现象。滑动摩擦是黏着与滑动交替发生的跃动过程。由于接触点的金属处于塑性流动状态，在摩擦中接触点可能产生瞬时高温，故使两金属产生黏着，黏着结点具有很强的黏着力。随后在摩擦力作用下，黏着结点被剪切而产生滑动。这样滑动摩擦就是黏着结点的形成和剪切交替发生的过程。在具有弹态和黏弹态性质的聚四氟乙烯材料的摩擦过程中这种现象更为显著。

摩擦过程中产生跃动现象对机器工作的平稳性是不利的，会在机器工作中产生噪声，例如车辆制动时的刺耳声、材料切削过程的振动声、摩擦离合器闭合时的颤动声等。因此降低摩擦过程中的跃动现象是提高机器工作中平稳性的重要途径。

（3）预位移

静止的物体在外力的作用下开始滑动，当切向力小于静摩擦力的极限值时，物体因产生一极小的预位移而达到新的静止位置。预位移的大小随着切向力的增大而增大，物体开始做稳定的滑动时，最大的预位移称为极限位移，此时的切向力就是最大静摩擦力。

研究预位移对机械零件的设计具有重要的意义。预位移状态下的摩擦力对研究制动装置的可靠性具有重要的意义。

（4）摩擦力

摩擦力是黏着效应和犁沟效应产生阻力的总和、摩擦副中硬表面的粗糙峰在法向载荷作用下嵌入软表面中，并假设粗糙峰的形状为半圆柱体。这样，接触面积由两部分组成：一部分为圆柱面，它是发生黏着效应的面积，滑动时发生剪切；另一部分为端面，它是犁沟效应作用的面积，滑动时硬峰推挤软材料。所以摩擦力 F 的组成为：

式中 T ——剪切力（ T = A _b ）；

P _e ——犁沟力（ P = SP _e ）；

A ——黏着面积即实际接触面积；

_b ——黏着结点的剪切强度；

S ——犁沟面积；

P _e ——单位面积的犁沟力。

（5）摩擦过程会生热，形成温度场

在摩擦过程中，由于表层材料的变形或破断而消耗掉的能量大部分转变成热能，从而引起摩擦副表面温度的升高。摩擦热不仅会影响摩擦零件的工作性能，还会影响接触区内的应力分布。摩擦热的产生和扩散如图 2.1、图 2.2 所示。

从微观上看，摩擦热是由接触区域内许多微凸峰接触而产生的。将摩擦能转换为热能的过程称为摩擦发热，两个运动物体表面所产生的摩擦能量损失，主要是以热的形式表现出来的，实际接触处在很短的时间就能产生相当高的温度，并且很快由表层向内层扩散，在摩擦副中形成一个不稳定的温度场。 Wj6iAoiyTVfCcIhWmmJZU2LYr68ZTSvdKeR2qj4ZMBMJWQIXh4hy7lUJphAAJWf1