汽车常用滑动摩擦副分析

活动一　汽车常用滑动摩擦副分析

汽车内燃机10%的能量消耗在摩擦上，为了对摩擦有个大致的了解，我们主要对发动机缸体内的活塞运动进行分析，从而理解滑动摩擦的概念。

1.仔细观察发动机内部，你认识哪些主要运动构件？

2.了解四冲程发动机的工作原理，你知道活塞是如何运动的吗？

3.观察活塞有没有磨损的痕迹，知道为什么会磨损吗？

4.掌握滑动摩擦的机理。

1.观察剖开的发动机教学实验机，对照实物，指认如图6－1－1所示各构件的名称。

（1）　　；（2）　　；（3）　　；（4）　　；

（5）　　。

2.转动实验机上的手柄或看图6－1－2，观察活塞和曲轴的运动情况。

图6－1－1　汽车发动机教学实验机

图6－1－2　汽油机四冲程发动机

3.观察活塞、曲轴的磨损情况，并做好记录，认真思考分析。

产生磨损的原因是摩擦，什么情况下会产生摩擦呢？

当两个相互接触的不光滑物体有相对运动或相对运动趋势时，它们之间必然有摩擦产生，也就形成了摩擦副。如在发动机中，活塞在气缸中往复运动，它们之间就产生了滑动摩擦，其表面之间必然产生阻碍活塞运动的力，我们把这种接触表面之间产生的阻碍滑动的力称为滑动摩擦力。当接触物体间只有相对滑动趋势而无滑动事实的摩擦称为静滑动摩擦，简称静摩擦。若滑动已发生，则称为动滑动摩擦，简称动摩擦。

由于摩擦力阻碍两物体相对运动，所以摩擦力作用于相互接触处，其指向总是与相对滑动或相对滑动趋势的方向相反，它的大小根据主动力作用的不同，可以分为3种情况：静滑动摩擦力、最大静摩擦力和动滑动摩擦力。

一、静滑动摩擦力和静滑动摩擦定律

如图6－1－3（a）所示，在粗糙的水平面上放置一重为P的物体，该物体在重力P和水平面的法向反力FN的作用下处于静止状态。现在该物体上加上一大小可变化的主动力——水平拉力F，如图6－1－3（b）所示。当拉力F较小时，物体静止在水平面上，但有相对滑动的趋势，此时，水平面对物体除了有法向反力FN外，必定还有一个与力F方向相反的切向阻力Ff，力F_f即为静摩擦力。

图6－1－3　静摩擦力

根据平衡条件有

∑^F_x＝0，F_f＝F

即摩擦力等于水平拉力，并随着水平拉力F的增大而增大，但静摩擦力不会随水平拉力F的增大而无限地增大。当水平拉力F达到一定数值时，物体处于将滑而未滑的临界状态，这时静摩擦力增大到一个极限值，这个极限值称为最大静摩擦力，以F_fmax表示，如图6－1－3（c）所示。此后，如果拉力F继续增大，静摩擦力F_f不能再继续随之增大，物体将失去原有的平衡而滑动。

①静摩擦力F_f产生于欲相对滑动的两物体的接触面上；

②静摩擦力Ff的大小随主动力的变化而变化，但介于零到最大静摩擦力之间，即0≤Ff≤F_fmax；

③静摩擦力F_f的方向与物体滑动趋势方向相反。

大量实验表明：物体处于临界状态时的最大静摩擦力的值与两物体的接触面积无关，与两物体相互接触面间的正压力（法向反力）FN成正比，即：

F_fmax＝fF_N

这就是静滑动摩擦定律，式中比例常数f称为静滑动摩擦因数，简称摩擦因数。摩擦因数的大小与相互接触的物体的材料性质和表面状况（如粗糙度、湿度、温度等）有关，是表示材料摩擦性质的物理量，其值由实验得出。

二、动摩擦力与动摩擦定律

在图6－1－3（b）中，若继续增大拉力F，只要略大于Ffmax，则物体将开始向右滑动。如图6－1－3（c）中，此时接触面之间仍有摩擦阻力，称为动摩擦力，以F_f′表示。实验表明，动摩擦力的大小与接触面间的法向反力FN成正比，而与接触面的大小无关，即：

F_f′＝f′F_N

这就是动摩擦定律。f′称为动摩擦因数，它与接触物体间的材料和表面情况有关，一般情况下，f′＜f。

实际上，动摩擦因数还与接触物体间相对滑动速度的大小有关。对于不同材料的物体，动摩擦因数随相对滑动的速度变化规律也有不同。多数情况下，动摩擦因数随相对滑动的速度的增大而减小。但当相对滑动速度不大时，动摩擦因数可近似地认为是个常数。

静摩擦因数和动摩擦因数可从工程手册中查出。常用材料的摩擦因数见表6－1－1。

表6－1－1　几种常用材料的滑动摩擦因数

三、摩擦角

当有摩擦时，支承面对平衡物体的约束力有法向约束力和切向约束力（即静摩擦力）。法向反力FN和摩擦力Ff可合成为一合力FR，称为全反力。如图6－1－4（a）所示，全反力FR与法向反力FN的夹角为φ。当静摩擦力F_f随主动力F增大而增大时，φ角也相应增大。临界状态时，静摩擦力达到最大值F_fmax，此时夹角φ也达到最大值φm，如图6－1－4（b）所示。全反力与法线夹角的最大值φm称为临界摩擦角，简称摩擦角。

图6－1－4　全反力与摩擦角

由图6－1－4可得：

即摩擦角的正切等于静摩擦因数。

四、自锁

如图6－1－5所示，在斜面上的物体，当θ角小于某一值时，无论物体的重量G有多大，物体都不会沿斜面滑下。工程上，凡依靠摩擦维持平衡的物体，若在满足一定的几何条件下，不论主动力的大小如何，都能保持平衡而不滑动，这种现象称为自锁。

由二力平衡条件可知：物体所受的主动力G必与全反力FR（图中未画出）等值反向，因此θ＝φ。

由此可以推出：斜面自锁的条件是斜面倾角小于或等于摩擦角，即θ≤φm。

图6－1－5　自锁

工程中常利用自锁原理设计一些机构或夹具，如三角螺纹连接不会自行松开等都是利用了自锁的原理；但在一些机构中，运动构件一旦自锁就无法工作，如变速箱中滑移齿轮的拨动、凸轮机构的从动杆等，必须避免自锁。

观察发动机活塞环与气缸壁、曲轴与主轴承、连杆与连杆轴，以及凸轮、摇臂与挺杆、气阀与气阀座等。

1.它们在工作中会产生摩擦吗？

2.这些摩擦是有利还是有害？若有害，在实际中应如何尽量克服？

3.你能说出汽车哪些地方存在摩擦吗？