邊界潤滑原理

邊界潤滑是指直接接觸的兩個面之間存在潤滑油薄膜的潤滑。液體潤 滑對兩個面之間的液體膜上產生壓力，靠該壓力支撐負荷是流體力學的分 支問題。潤滑油的物性主要是黏性與黏度的問題，當潤滑條件變的嚴格如 負荷非常大、速度非常低、油膜非常薄時，會使油膜表面出現高低不平，

兩個面之間的凸出處開始直接接觸磨擦。

3.4.1 邊界潤滑與邊界膜

液體潤滑發展為邊界潤滑的臨界點，大體能以摩擦面的速度V 、壓力 P 、潤滑油黏度η三者的函數ηV/P 的數值的減少來判斷，也可表示流體 潤滑面上的油膜厚度。判斷液體潤滑發展為邊界潤滑的公式ηV/P 與摩 擦係數的關係稱為斯特賴貝克曲線( Striebeck Curve )，其模式圖如下 圖3-13[6]所示：

圖3-13 斯特賴貝克曲線

邊界潤滑所產生的問題在於邊界層的薄潤滑油層的性質，潤滑油分子 被表面吸附後在金屬表面形成邊界層，它是液體分子在固液介面上的吸附 現象。潤滑油中被金屬面吸附的分子含有能與金屬表面強結合的極性基，

極性基與金屬表面強結合來自於極性基的靜電極性力和化學結合力，這種 分子中有極性基的化合物稱為極性化合物，分子中沒有極性基的化合物稱 為非極性化合物。

為了減少液-固界面能，在液-固界面上分子在向界面上吸附和排列，

非極性的化合物也能向固體表面的活性中心吸附。邊界膜主要是由這種潤 滑油分子的吸附所形成，而極性化合物能形成牢固的吸附分子膜。

3.4.2 邊界潤滑與摩擦

對於邊界潤滑面，Bowden 提出了如圖3-14的模型，已潤滑的金屬與 邊界潤滑面發生接觸，在施加負荷後，邊界潤滑面高低不平的凸出部分產 生接觸並支撐負荷呈現出塑性流動。由邊界潤滑面的變形，夾在兩個金屬 面之間潤滑膜受到非常高的壓力，壓力最高的接觸部位發生局部潤滑膜破 裂而產生金屬黏著。

圖3-14 邊界潤滑面

圖中支撐負荷的面積為A ，潤滑膜被破壞斷裂後形成金屬結合的面積為 αΑ (α為潤滑膜被破壞斷裂的比例)。金屬結合部分的剪切強度為Sm ， 潤滑膜的剪切強度為St ，摩擦力為F ,公式為:

F = A{αSm + (1 - α)St} (3-5)

在邊界摩擦中α愈小時則St愈小、邊界摩擦愈小，邊界潤滑膜在高壓下必 需具有不容易破裂，同時又容易剪斷的特質，為一種牢固的邊界膜。

邊界潤滑膜的磨耗還要考慮到潤滑膜破裂所形成金屬結合的面積與 分子膜破裂的又成比例，邊界潤滑的黏著磨耗用變化了的霍爾姆公式如 下：

V = KαAl (3-6) V :磨耗體積

A :支撐負荷面積 l :摩擦距離 K :比例常數

α:為潤滑膜被破壞斷裂的比例