3.4汽车运动构件的摩擦分析（课件）-《汽车机械基础》同步教学（航空工业出版社）

任务四 汽车运动构件的摩擦分析 （a）外观 （b）内部结构 汽车摩擦式离合器 大家都知道汽车中有一个重要部件——离合器，它用来切断或传递发动机动力，保证起步的平稳。其中，手动挡汽车中应用最广的是摩擦式离合器，如图所示。顾名思义，摩擦式离合器是利用摩擦原理来工作的。那么你知道摩擦式离合器的工作过程吗？汽车中还有哪些零部件应用了摩擦原理？让我们一起来学习摩擦的有关知识吧！ 任务描述 任务目标 拆装汽车摩擦式离合器，认识其结构组成，分析其工作原理，以了解摩擦的相关知识。 了解滑动摩擦和滚动摩擦的基本概念。 掌握滑动摩擦力和滚动摩擦力的影响因素。 了解汽车摩擦式离合器的结构组成和工作原理。 会拆装汽车摩擦式离合器。 当一个物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两者接触面间存在阻碍它们相对运动的力，这种力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。前文中对物体进行受力分析时，都假定物体表面是绝对光滑无摩擦的。在工程实际中，完全光滑的表面是不存在的，两个构件的接触面之间一般都有摩擦力的存在，有时摩擦力还起着重要的作用。例如，汽车摩擦式离合器、V带传动等依靠摩擦来传递动力，车轮依靠摩擦来驱动车辆行驶，制动器依靠摩擦来制动，连接螺栓利用摩擦起紧固作用等。根据运动形式的不同，摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦两大类。 一、滑动摩擦与滑动摩擦力 1．滑动摩擦的概念 若两个相互接触的物体之间存在相对滑动或相对滑动趋势，则这种现象称为滑动摩擦。存在滑动摩擦的物体相互接触表面间产生的阻碍滑动的力，称为滑动摩擦力。 2．滑动摩擦的种类 两物体间存在相对滑动趋势而未发生滑动的摩擦，简称静摩擦，相应的滑动摩擦力称为静滑动摩擦力，简称静摩擦力。 两物体间已发生相对滑动的摩擦，简称动摩擦，相应的滑动摩擦力称为动滑动摩擦力，简称动摩擦力。 静滑动摩擦 动滑动摩擦 3．滑动摩擦力 摩擦力总是阻碍物体间的相对运动，因此滑动摩擦力的作用点总是在物体间的相互接触处，其方向总是与滑动方向或滑动趋势方向相反；其大小随主动力的改变而变化。下面通过一个简单实验来探讨滑动摩擦力的有关性质。如图所示，在粗糙的水平桌面上放有一个重力为G的滑块，一个放有砝码的平盘通过细绳与物块相连，细绳绕过一个定滑轮而不与桌面接触，忽略细绳和平盘的质量。 滑动摩擦力实验 首先对滑块进行受力分析。滑块受到桌面对其施加的支持力，同时受到平盘内砝码通过细绳对其施加的水平拉力FT，由于滑块处于静止状态，因此滑块必定受到一个与水平拉力FT方向相反的作用力才能保持平衡状态。这个水平作用力即为滑块与桌面间的摩擦力，用Ff表示。逐渐增加平盘中砝码的质量，观察滑块的运动情况。 当砝码的质量较小时，滑块处于静止状态，其所受的拉力FT等于砝码的重力，根据平衡条件：∑Fx=0，FT -Ff =0可知摩擦力Ff与拉力FT大小相等。此时的摩擦力即为静摩擦力。 当砝码质量逐渐增加时，处于静止状态的滑块受到的拉力FT逐渐增大，静摩擦力Ff 也逐渐增大。但Ff不会一直增大，当拉力增大到一定值时，滑块将要开始滑动而尚未滑动，这种状态称为临界状态。在临界状态时，滑块受到的静摩擦力达到最大值，用Ffmax表示。静摩擦力Ff的大小为 大量实验表明，最大摩擦力Ffmax的大小与物体接触面间的正压力FN成正比，即 FN —接触面间的正压力，单位为N； μ —静摩擦系数，简称摩擦系数，没有单位。 研究表明，静摩擦系数 μ的值大部分情况小于1，但可以等于或大于1。静摩擦系数与两物体的材料及接触面的状况（如表面粗糙度、温度、湿度等）有关，而与接触面的面积大小无关。 当砝码质量不断增加，使水平拉力FT足够大，Ff 超过最大静摩擦力Ffmax时，滑块将在桌面上滑动。此时，滑块所受的摩擦力即为动摩擦力，一般用Ff'表示。大量实验表明，动摩擦力Ff'的大小也与物体接触面间的正压力FN成正比，即： μ' —动摩擦系数，没有单位。 动摩擦系数不仅与接触物体的材料和表面状况有关，还与物体间的相对滑动速度有关。一般情况下，动摩擦系数 μ' 均小于静摩擦系数μ。 综合上述摩擦力实验中的三种滑动摩擦情况可知，在分析摩擦问题时，首先应分清物体处于静止状态、临界状态还是滑动状态，然后再采用相应的方法计算摩擦力。 ① 处于静止状态时，静摩擦力的大小：0 < Ff <Ffmax ，具体由静平衡条件计算。 ② 处于临界状态时，静摩擦力达到最大Ffmax = μFN。 ③ 处于滑动状态，动摩擦力Ff'=μ'FN。 二、滚动摩擦与滚动摩擦力 1．滚动摩擦与滚动摩擦力的概念 若两个相互接触的物体之间存在相对滚动或相对滚动趋势，则这种现象称为滚动摩擦。存在滚动摩擦的物体相互接触表面间产生阻碍滚动的力，称为滚动摩擦力。例如，汽车在路面正常行驶时，路面与车轮之间就存在滚动摩擦力。 2．滚动摩擦力偶 滚动摩擦力实质上是一种力偶。下面通过一个简单实验来探讨滚动摩擦力的性质。在水平地面上放置一个汽车车轮，车轮重量为G，半径为R。如图所示，在轮心处施加一个水平向右的拉力FT，当FT较小时，车轮保持静止，此时车轮受到向下的受力G，向上的支持力FN，向右的拉力FT，必定还受到一个向左的静摩擦力Ff才能保持平衡。向右拉车轮时，车轮既有沿地面向右滑动的趋势，又有绕地面接触点滚动的趋势。静摩擦力Ff只能阻止车轮的滑动，而不能阻止车轮的滚动，且FT与Ff 组成一对力偶(FT ，Ff )将驱使车轮滚动。车轮保持静止平衡状态，则必有一个力偶(FT ， Ff )与平衡，该力偶称为滚动摩擦力偶。 滚动摩擦力偶产生的主要原因是由于车轮紧压在地面上，在接触面处产生了一定的局部变形。此时，支持力FN 的作用线向拉力FT 的方向移动一段距离e，如图所示，则G与FN 组成一个力偶，其方向与 (FT ， Ff )相反，阻碍车轮滚动。该力偶即为滚动摩擦力偶，用Mf 表示。 车轮受力变形 逐步增大拉力FT，当FT 增大到使车轮达到开始滚动而尚未滚动的临界状态时，支持力FN的偏移值也相应地增加到最大值δ，故临界状态时的滚动摩擦力偶矩达到最大值，其大小为： δ —滚动摩擦系数，具有长度单位，常用mm。其值主要与两接触面的材料硬度及表面状况有关。 当车轮开始滚动后，可用公式 Mf = δFN 计算滚动摩擦力偶矩。在工程实际中，由于滚动摩擦系数δ很小，因此，滚动摩擦力偶矩非常小，通常可忽略不计。 三、摩擦式离合器 1．摩擦式离合器的结构组成 摩擦式离合器系统由主动部分、从动部分、压紧装置、分离机构和操纵机构5部分组成，如图所示。其中，主动部分包括飞轮1、离合器盖2和压盘7；从动部分包括从动盘8和变速器输入轴4；压紧装置为压紧弹簧6；分离机构包括分离叉9、分离轴承5、分离杠杆10等，操纵机构包括脚踏板3、分离拉杆和回位弹簧（未画出）等。 （a）接合状态 （b）分离状态 摩擦式离合器 1—飞轮；2—离合器盖；3—脚踏板；4—变速器输入轴；5—分离轴承； 6—压紧弹簧； 7—压盘；8—从动盘；9—分离叉；10—分离杠杆 2．摩擦式离合器的工作过程 摩擦式离合器中的主要零部件为飞轮、从动盘和压盘。其中，飞轮与发动机曲轴固连，从动盘与变速器输入轴固连。未踩下踏板时，压紧弹簧通过压盘将从动轮压紧在飞轮上，发动机飞轮带动变速器输入轴同步旋转，即为离合器的接合状态，如图（a）所示；踩下离合器踏板后，分离机构将从动轮与飞轮分开，即为离合器的分离状态，如图（b）所示。 摩擦式离合器从分离到接合过程中，飞轮与从动盘经历以下三个状态。 分离状态：飞轮与从动轮之间处于分离状态，两者按各自转速独立选择，没有摩擦力存在； 半联动状态：飞轮与从动轮由分离状态逐渐过渡到接合状态，两者之间出现相对滑动，有动摩擦力存在； 接合状态：从动盘被压盘紧压在飞轮上，处于完全接合状态，两者以相同转速同步旋转，有静摩擦力存在。 知识拓展 汽车中许多零部件是依靠摩擦工作的，而摩擦的存在必然伴随着磨损，造成零部件损伤，缩短汽车的使用寿命。因此，应正确区分摩擦的应用，有益的摩擦要设法增大，有害的摩擦要设法减小。 一、汽车用燃料 机械工程中很多场合需要用到摩擦，例如，汽车中摩擦式离合器利用从动盘与发动机飞轮之间的静摩擦力来传递扭矩；V带传动中依靠V带与带轮之间的静摩擦力来传递力；汽车车轮依靠地面的静摩擦力来驱动车辆行驶；制动器依靠摩擦刹车片与轮毂之间的动摩擦力来制动；螺栓连接利用连接件与螺栓之间的静摩擦力来防松，这些都是有益摩擦的典型实例。 增大有益摩擦主要有以下方法： ① 增大物体间的压力。 ② 增大接触面间的粗糙程度。 ③ 用滑动摩擦代替滚动摩擦。 二、有害摩擦 汽车的运转是依靠各零件的相对运动来实现的，而相对运动必然伴随着摩擦和磨损。在摩擦过程中，摩擦表面发生的尺寸、形状和表面质量的变化称为磨损。摩擦的有害因素主要包括：使机件产生磨损，造成机械效率降低，增加能量消耗。例如，汽车发动机中活塞环与气缸壁、缸套与活塞、曲轴轴承与连杆轴承之间都存在有害摩擦。工程实际中，应尽量克服摩擦的有害因素，将摩擦对机械的影响降到最低。 减小有害摩擦主要有以下方法： ① 条件允许的前提下，尽量用滚动摩擦代替滑动摩擦。 ② 降低接触表面的粗糙程度，在接触面之间加注合适的润滑剂。 ③ 尽量使用减摩材料，减少因摩擦造成的磨损。 购买新汽车后，通常需要行驶1 000～3 000公里的磨合里程，其作用是磨去传动零部件（特别是发动机活塞环与气缸壁）表面的细微瑕疵，使零部件运转时更好地配合，使汽车发挥最佳的工作性能。 谢谢观赏 $$