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1、上海机械学院学报15卷4期J....Vol.15N第第SHANGHAIINSTMECHENGO41993多滚动摩擦机理和滚动摩擦系数汪志城(机械工程系)海,摘要指出古典滚动摩擦定律存在着一定的局限性对滚动摩擦机理从摩擦学观点进行了探讨,分析了滚动阻力来自微观滑动和弹性滞后·通过一系列金属和非金属材料的摩擦试_资验,测得滚动摩擦系数值及其变化规律,从而指出了影响滚动摩擦系数的主要因素.最后认为,滚动摩擦系数还须靠实测来确定.关;滚动摩擦系数;微观滑动;弹性滞后镶词滚动摩擦1古典滚动摩擦定理的局限性玄滚动摩擦副在工程技术中与滑动摩擦副一样被大量地采用.滚动摩擦能减少阻力这一.,原理早在史前古
2、埃及金字塔的建造图像中已见使用随着车轮的发明人们已比较朴素地理解到它与滑动摩擦有着本质的区别.18世纪初,当库仑首先阐明古典滑动摩擦定理后不,,1785久就开始了对滚动摩擦机理的探索这就是在理论力学中所见到的于年发表的滚`,,动摩擦定理并导出了有量纲的滚动摩擦系数k这一定理可简述为当一刚性圆柱或球,,半径为R在一非刚体的平面上受法向力N和切向力F的作用而滚动时(图1)引起平,面在滚动前方的变形而使反力转移此反力分解成’F’N’两力.从力偶平衡得滚动摩擦系数k为:令与FR.k二二弃N.(、一l),这一定理虽然沿用到今天但进一步推敲可知存在着一些问题:`.,a按理论力学对滚动的定义二当点或线
3、接触功两,因而相对速度为零,一物体滚动时其接触点为瞬心,;这样已不属旦发生变形接触点或线已成平面或曲面于正宗的滚动.称为滚动摩擦意义含糊.图1滚动摩擦时的力偶平衡梦b..这一模型没有把物体的机械性质和接触的性质的影响反映进去:193一收搞日期一0405上海机械学院学报1993年第15卷,娜实际上古典滚动摩擦定理犯了与古典滑动摩擦定理同样的毛病即仅从力学的学科范.,围内去研究问题其结论是局限的因此滚动摩擦的研究和滚动摩擦系数的计算或测定近年来仍然是摩擦学范围内受到普.,,遍关注的一个问题可是由于问题的复杂性对滚动摩擦系统的论述并不多实验数据更,少有些摩擦学著作中不把滚动摩擦列人讨论2从现代
4、摩擦学理论来分析滚动摩擦务,一般文献上并没有严格下过定义,什么是滚动摩擦其原因可能是对滚动这一词的理,,理解持有不同的看法在理论力学中所指的滚动与实际物体间的相对滚动涵义完全不同为,、此笔者认为对滚动摩擦应作出下述定义更为合理当点或线接触的两物体在法向力及转矩十.,作用下产生相对运动趋势或相对运动时其表面间的阻抗就是滚动摩擦.,这里应着重指出的是这一相对运动与滑动摩擦性质完全不同当球、圆柱、回转体或其他曲面体与另一曲面体相接触(包括内接触与外接触)或与平面相接触,,.,这种接触理论上属点线接触在法向载荷作用下则点线立即由于变形(弹变或塑变)而构成一微小的平面、矩形、.一面积的(即圆椭圆等
5、)(图2)在弹性变形范围内这奢。止裤奎奄互图2两物体相接触接触区的几何形状,ert大小和接触区的压力可由赫兹(H)z公式计算例如一圆柱与平面相接触(见下页,,图3)当法向载荷为N时A和接触压力:其接触区面积p的分布分别为A=Zbl夕了、砚白气乙,叭、产.少嵘b一+〔孚(导影)犷:第4期汪志城滚动摩擦机理和滚动摩擦系数1卜p一,一`万(,器〔会}式中b接触区半宽—l圆柱轴向长度,R—两接触物体的综合曲率半径这里即为圆柱体半径—离接触区法线处的任意距离X,,:v—Z分别为两接触物体的泊桑比诀、,:EE—分别为两接触物体的弹性模量,、这里面积—A是名义接触面积随载荷N的大小材料的性质特别是E和
6、综合曲率半径R的,rA的一小,大小而变化可是实际接触面积A仅为部分它又和接触物体的表面质量有,,:`,一,资关是许多表面微凸体凸峰之间相接触的面积总和即A二艺A在数量上约为10一一`,,r,,10A由于名义接触面积很小因而A更小在无转矩作用下接触区中的微凸体的接.,因而整个接触区处于粘结状态(图4)触受载部位已达到屈服并产生冷焊和粘结当在圆柱,:,体上施加一小转矩圆柱尚未发生宏观运动时可作如下分析在法线处的粘结点转矩引起,,,的切向力F的效应与滑动摩擦相同将导致A的增加其增加规律由法向力N和切向力F,。的联合作用的程度所决定按鲍登(Bwden)的粘着理论为=(、2+:()2水丝产“二s6
7、fa.,:,气为较软材料的受压屈服极限式中为一随材料性质而变的常数Ar的增加表明在切向力作用下剪断这些粘结点时呈现出较大的阻抗·4,在图中见到的距离法线一定远处靠左边的微凸体粘结点则在切向力的作用下出,,现法向分离和切向滑移的复合作用其强度将与距法线的距离成正比亦就是说随转矩的,,即出,,作用在接触区的左侧粘结点开始滑移分离现滑移区由于滑移量小可称之为微焦庵一上租勇口卜农l声粘着区图3圆柱与平面接触时接触区形状及压力分布图4圆柱与平
