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我们喜欢摩擦力给我们在路上带来的牵引力，好的刹车，让我们走路时不会看起来像刚出生的小鹿斑比。但也有一些事情让我们无法忍受——引擎失灵，螺栓卡住，老旧的落地钟再也不响了。我们绝对需要摩擦(有时候我们绝对需要更少的摩擦)，但最重要的是我们需要让它保持一致性。
当我们在处理齿轮时，我们希望零件可以很容易地相互滑动。但在同一个装配体中，我们可能需要两个部件来平稳地移动，而这只需要通过控制摩擦来实现。你如何控制运动部件装配中的摩擦?
摩擦的基础
在我们试图控制摩擦之前，我们需要了解它。摩擦是两个物体在接触面上相互作用的结果，总是试图阻止两个物体之间的运动，并有两种基本类型:静态和动态。
两种情况下的最大摩擦为:
在这种情况下，μ是一个常数，与两个物体的“粘性”成正比，这取决于材料和表面处理(例如，橡胶和粗糙混凝土之间的粘性非常高，但钢铁和聚四氟乙烯之间的粘性非常低)，和
是法向力，将两个物体推得更近的力的大小。很简单，除了物体运动时的摩擦常数，和物体静止时的摩擦常数不同。
如果你曾经非常用力地推一个箱子，结果它突然向前一倾，把你打倒在地，那么你就做了一个直观的——尽管痛苦的——实验来证明这一点。只要两个部分彼此粘在一起，它们的摩擦系数:
比各部分相互运动时要高(只要你保持在原子水平之上——我们工程师都是实际的人)。
静摩擦对牵引力至关重要，是我们走路时防止滑动的原因。只要两个物体没有相互抵消，即使施加了一个力，那么摩擦力的公式就像这样:
一旦试图使各部分相互滑动的力变得大于
部件将开始滑动，但并不平稳:因为动摩擦小于静态，运动物体将突然加速。
动摩擦方程看起来很像静态的:
但摩擦系数越小，就越小
在大多数情况下，你不会想要处理这两者之间的过渡，因为当动摩擦成为主导时，突然的倾斜。不幸的是，最糟糕的设计问题之一是“粘滑”，即机制在两种摩擦状态之间交替。
粘滑运动的场景
粘滑很容易理解，但可能会产生可怕的后果。举个简单的例子，让我们看看一辆在冬天试图停车的汽车。你在干燥的人行道上开车，速度不要太快，看到一个十字路口开过来了。你踩刹车。在制动系统中，刹车片通过动能摩擦抓住圆盘，使圆盘以一种可控的方式滑动。轮胎用静摩擦抓住路面，也给你控制和牵引力。一切都很好。
现在你碰到了一块冰，你的旧吉普车没有防抱死刹车。突然刹车锁住了，从动能摩擦变成了静摩擦，而轮胎却相反，完全失去了在路面上的牵引力，转向了阻力更低的动能摩擦。你松开刹车，试图恢复轮胎在路上的静摩擦。只要冰相对均匀，你可能就不会有问题。
然而，当你在结冰的路面上滑行时，如果你突然撞上了一块干燥的路面，你就会遇到一些麻烦:滑动的轮胎可能会突然卡住，使你的车翻车。另一个，不那么危险/有趣(在科罗拉多长大，你在十几岁的时候就学会在结冰的道路上玩;(不要告诉我的父母)粘滑的例子是当你试图关闭一个旧的梳妆台抽屉时，它一直在一边到另一边扭动，一次费力地滑动一英寸。那么，无论是危险的还是恼人的，你如何避免粘滑的情况?
几何，我亲爱的华生。
避免粘滑运动的场景
避免可怕的粘滑的最简单的方法是设计你的几何图形，以避免快速波动的力量，这通常发生在过度约束或失调。
在旧梳妆台抽屉的例子中，发生这种情况是因为抽屉的长度比宽度上的间隙短，所以抽屉歪了，卡在一边。这通常发生在许多线性运动场景中，解决方法很简单:制作尽可能长的线性导轨，以避免堵塞。
另一个常见的设计场景是机器零件沿着两条平行的导轨导轨。乍一看，这似乎是一个伟大的设计:两个导轨确保对齐，加上一些不错的衬套，移动部分应该可以轻松滑动。对吧?错了。
我们来看看自由度。第一根栏杆将允许在z方向，限制移动x和y．它也允许旋转z轴，同时限制旋转x和y轴。第一个轨道消除了四个自由度，允许两个自由度的运动，我们的目标是只有一个自由度的运动(沿着z轴)。到目前为止，一切顺利。
然后我们引入第二个轨道。第二个轨道也试图消除四个自由度的自由，结果是过度约束:两个轨道永远不会完美地对齐。在这种情况下，一个更好的解决方案将是有一个单一的圆形轨道，以约束四个DOF，和第二个轨道与车轮的两侧，消除只剩下DOF旋转沿z轴。
一旦你检查了你的几何图形，以最大化对齐和消除过度约束，你就准备看看如何以其他方式减少部件之间的摩擦……
动摩擦用自润滑材料
当然，在机械设计中减少运动部件之间摩擦的最好方法是将某种类型的滚子轴承纳入设计中。然而，这通常是一种昂贵的解决方案，对于廉价的消费者设计或非常小的空间来说是不切实际的。幸运的是，自润滑部件提供了一个几乎同样好的解决方案，通常只花很少的钱。
快速浏览一下显示摩擦系数的表格就会发现，在摩擦配合方面，并不是所有的材料都是一样的。混凝土上的橡胶非常高——系数为1.0，而聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的系数仅为0.04。即使对于中间填充系数的材料，当润滑剂被引入时，数值通常减半。你如何利用这些差异呢?
最直接的解决方案是寻找自然摩擦小的材料对，并在任何可能的时候将其融入到你的设计中。显然,聚四氟乙烯或缩醛树脂都是低摩擦的选择，但其他塑料也很好:尼龙与许多其他塑料和金属的摩擦小，而且价格便宜得多。另一个好处是，使用低摩擦塑料或塑料与金属的配合，在许多设计中可以避免润滑。
然而，有些情况下需要更大的强度，为此，你可能需要查看金属套管。青铜是与钢配合使用的常见选择，甚至更好的是，青铜可能与润滑剂(如硅酮)浸渍到材料中:强度和极低的摩擦不需要持续润滑。
即使是摩擦很小的材料，也要仔细考虑表面光洁度对接触面的影响。在宏观层面上，大多数摩擦力是由表面特性决定的，所以光滑的表面摩擦力较小——但要小心，因为如果表面太光滑，它们很可能会吱吱作响，很快就会磨损。一般来说，32 - 64rms的表面(金属)将是非常低的摩擦(和容易铣削)，而20 rms左右的表面(容易转弯的零件)将有更长的寿命。
当需要比轴套更大的强度或更平滑的操作时，开始查看保持架轴承是一个好主意，例如球或销轴承，它本身值得一篇文章。然而，通过一些创造性的设计，滑动部件的需要可能被完全消除……
使用柔性代替滑动部件
在塑料普及之前，工业设计中有数量惊人的销钉、接头、导轨和滑轨。在我成长的过程中，我父亲的锻造店有一个百年的工业自动动力锤，保持它运转的唯一方法就是把半罐润滑脂倒进十二辆Zerks车里，润滑所有的活动部件。然而，自20世纪后半叶聚合物问世以来，我们的设计大大增加了灵活性。
例如，看看老式的糖果容器，比如薄荷糖罐。即使在这样一个廉价的容器上，锡罐也被小心地折叠起来，形成一个铰链，形成一个小的，高摩擦的连接。现在，看看Bubble Yum容器(老兄，我还没想过这些呢)或牙线盒，注意它们完全没有滑动部件生活铰链背部的弯曲取代了摩擦。
类似地，旧的橱柜或外壳上的锁扣过去很复杂，容易产生摩擦:轴支撑、销、锁扣和弹簧都是设计的一部分。当前的设计用简单取代了所有这些复杂悬臂门闩，不仅消除了一个摩擦点，也消除了大量的成本和复杂性。
当然，对于任何设计，除非你尝试过原型，否则你不能真正相信它，幸运的是，现在有一些很棒的、经济有效的方法来测试你的设计。
低摩擦原型的材料选择
令人高兴的是，对于大多数衬套(无论是塑料的还是金属的)轴承，标准部件都可以从货架上买到，并且可以插入你的数控加工或3d打印原型，测试真实的几何形状和材料。很少有理由定制轴承和轴套，所以要充分利用廉价的批量生产。
对于在最终设计中使用柔性塑料的设计，原型设计变得更加复杂。很多3D打印材料都很脆，无法承受反复的弯曲，所以你需要明智地选择材料和打印方法。
在基本的低循环测试中，中国人民解放军用FDM印刷的TPU可以用来制作高品质的生活铰链。SLS在尼龙是重复弯曲的另一个不错的选择,而大多数PolyJet材料以许多cycles-however过于脆弱,保持检查新PolyJet材料,因为新材料正在生产的,和一些更现代的材料,像TangoPlus,有很好的结果与灵活的应用程序。(有关最新的3D打印资料，请参阅Fictiv功beplay客户端下载能指南,我们的材料指南，或在这里注册获取更新。)
设计中的应用
无论你为你的设计选择何种材料和几何形状，记住动态设计的基础知识，观察自由度，并检查降低摩擦的方法总是有助于设计的改进。从牛油到马车车轴，我们已经走过了一段路，但也许更令人惊讶的是，从那个时代以来，基本的东西一直没有改变。机械设计的美丽之处之一就是它的常量，我们可以通过这些常量来模仿过去几个世纪的设计，并从材料的精心选择中学习，将旧的原则应用到新设计中。想了解更多关于为您的设计选择材料?看看我们材料数据表指南了解什么对你的设计是最好的。如果你想了解更多关于工程和设计的知识，一定要注册，让我们的建议直接发送到你的收件箱!
