汽车各个系统理论力学分析

1、汽车大作业一、静力学：（一）、汽车制动系统的结构原理1、制动系统² 概述： A. 汽车制动系统是指，对汽车某些部分（主要是车轮）施加一定的力，从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置。 B. 汽车制动系统一般包括行车制动装置和停车制动装置两套独立的装置。其中行车制动装置是由驾驶员用脚来操纵的，故又称脚制动装置。停车制动装置是由驾驶员用手操纵的，故又称手制动装置。 行车制动装置的功用是使正在行驶中的汽车减速或在最短的距离内停车。而停车制动装置的功用是使已经停在各种路面上的汽车保持不动。 C. 按照制动能源情况，制动系还可分为人力制动系、动力制动系、和伺服制动系等3种。人力制动系以

2、驾驶员的体力作为制动能源；动力制动系以发动机动力所转化的气压或液压作为制动能源；而伺服制动系则是兼用人力和发动机动力作为制动能源。D. 按照制动能量的传递方式，制动系又可分为机械式、液压式、气压式和电磁式等到几种。E. 制动系统的组成（如下图）：1.前轮盘式制动器 2.制动总泵 3.真空助力器 4.制动踏板机构 5.后轮鼓式制动器 6.制动组合阀 7.制动警示灯 F. 目前，种类汽车所使用的制动器都是摩擦制动器，也就是阻止汽车运动的制动力矩来源于固定元件和旋转工作表面之间的摩擦，即将汽车运动的动能转化为摩擦产生的热能。² 形式分类及其原理说明汽车制动（刹车）器主要有鼓式制动器和盘式（

3、碟式）制动器。鼓式刹车是一种传统的制动方式，其工作原理可以很形象地用一只杯子来形容：刹车鼓（制动鼓）就像杯子，当将五个手指伸入旋转的杯子时，手指就是刹车片（即制动蹄）,只要将五指向外一张，摩擦杯子内壁，转动中的杯子就会停止旋转。鼓式制动器的组成，简单点说，是由制动油泵,活塞，刹车片（制动蹄）和鼓室组成。刹车时由制动分泵的高压刹车油推动活塞，对两片半月形的制动蹄片施加作用力,使其压紧鼓室内壁,靠摩擦力阻止刹车鼓转动从而达到制动效果。原理：当我们用脚踩下制动踏板时，人为的能量由液压机构传递给制动蹄片，使其向外张开挤压制动鼓，使制动鼓与制动蹄片之间会发生强烈的摩擦，从而产生如图的两个方向相反的制动器

4、制动力合力，合成一个与车轮旋转方向相反的力偶，从而达到制动的效果。鼓式制动器原理图如下盘式（碟式）制动器其工作原理可用一只碟子来形容，当用拇指和食指捏住旋转的碟子时，碟子就会停止旋转汽车上的碟式刹车是由刹车油泵，一个与车轮相连的刹车圆盘和圆盘上的刹车卡钳组成原理：刹车时，高压刹车油推动制动钳体内的活塞,将制动蹄片压向刹车盘，使其产生剧烈的摩擦，从而产生制动效果。盘式制动器可分为定钳盘式制动器和浮钳盘式制动器两种。定钳盘式制动器示意图如下：浮钳盘式制动器示意图如下：盘式制动原理图及其受力分析图如下：上图说明：通过摩擦垫片与刹车片充分接触，产生一个与接触点切线速度方向相反的摩擦力，从而给予刹车盘一

5、个与切线速度相反的加速度，达到减速刹车的作用。² 两种制动器的区别：项目优缺点应用鼓式制动器优点鼓式制动的主要优点是刹车蹄片磨损较少，成本较低，降低维修的费用，且绝对动力远远高于盘式制动；有自动刹紧的功能，使刹车系统可以使用较低的油压，或是使用直径比刹车碟小很多的刹车鼓。一般应用在大型工程车等需要大的制动力车辆上缺点连续刹车易使刹车片因高温而产生制动功能热衰退现象。刹车系统反应较慢，刹车的踩踏力道较不易控制，不利于做高频率的刹车动作盘式制动器的优点优点盘式制动的主要优点是在高速刹车时能迅速制动，散热效果优于鼓式刹车，制动效能的恒定性好，且制动反应快，便于安装像ABS类的高级电子设备。

6、在连续踩踏刹车时比较不会造成刹车衰退而使刹车失灵的现象。较为常见，日常生活中的车较多都是盘式刹车缺点盘式刹车的刹车片与刹车盘之间的摩擦面积较鼓式刹车的小，使得绝对制动力小；刹车片磨损较大，致更换、维修频率可能较高。结论鼓式制动常用于后轮驱动；盘式制动常用于前轮驱动。2、真空助力制动系统原理真空制动助力系统也称作真空伺服制动系统，伺服制动系是在人力液压制动的基础上加设一套由其他能源提供制动力的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系。在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生，因而在动力伺服系统失效时，仍可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。主要结构

7、及理论力学分析 如图1所示为某轿车的真空助力式（直动式）伺服制动系回路图，它采用了左前轮制动油缸与右后轮制动油缸为一液压回路、右前轮制动油缸与左后轮制动油缸为另一液压回路的布置，即为对角线布置的双回路液压制动系统。真空助力器气室与控制阀组合的真空助力器在工作时产生推力，也同踏板力一样直接作用在制动主缸的活塞推杆上。 其中核心部件真空助力器的工作过程是：在非工作的状态下，控制阀推杆回位弹簧将控制阀推杆推到右边的锁片锁定位置，真空单向阀口处于开启状态，控制阀弹簧使控制阀皮碗与空气阀座紧密接触，从而关闭了空气阀口。此时真空助力器的真空气室和应用气室分别通过活塞体的真空气室通道与应用气室通道经控制阀腔

8、处相通，并与外界大气相隔绝。发动机起动后，发动机的进气歧管处的真空度上升，随之，真空助力器的真空气室、应用气室的真空度均上升，并处于随时工作的准备状态。当进行制动时，踩下制动踏板，踏板力经杠杆放大后作用在控制阀推杆上。首先，控制阀推杆回位弹簧被压缩，控制阀推杆连同空气阀柱往前移。当控制阀推杆前移到控制阀皮碗与真空单向阀座相接触的位置时，真空单向阀口关闭。此时，助力器的真空气室、应用气室被隔开。此时，空气阀柱端部刚好与反作用盘的表面相接触。随着控制阀推杆的继续前移，空气阀口将开启。外界空气经过滤气后通过打开的空气阀口及通往应用气室的通道，进入到助力器的应用气室（右气室），伺服力产生。由于反作用盘

9、的材质（橡胶件）有受力表面各处的单位压强相等的物理属性要求，使得伺服力随着控制阀推杆输入力的逐渐增加而成固定比例（伺服力比）增长。由于伺服力资源的有限性，当达到最大伺服力时，即应用气室的真空度为零时（即一个标准大气压），伺服力将成为一个常量，不再发生变化。此时，助力器的输入力与输出力将等量增长；取消制动时，随着输入力的减小，控制阀推杆后移，真空单向阀口开启后，助力器的真空气室、应用气室相通，伺服力减小，活塞体后移。就这样随着输入力的逐渐减小，伺服力也将成固定比例（伺服力比）的减少，直至制动被完全解除。（二）、受力分析：制动蹄复位弹簧的受力分析图如下：对其受力分析，由于整体受力平衡，得： FT2

10、-FT1=0 (11) 假设轮子的旋转方向为逆时针，汽车在制动的瞬间时，对摩擦片表面所受的压力进行分析，受力分析图如下： 设弧CD的中心为E，制动鼓对摩擦片的压力在弧CD上是连续分布，且所有压力的方向都是指向弧CD的圆心，在弧CE分布着fb1、fb2、fb3到f0共n个力，在弧DE分布着fa1、fa2、fb3到f0共n个力，其中n趋于正无穷大。由压力的对称分布可得： 在弧CE上肯定能找到有且只有一个力与弧ED上一个力的大小相等，因此假设fb1=fa1,fb2=fa2,fb3=fa3,fb4=fa4到fan-1=fbn-1(这里等号是说大小相等)。 设fbn-1在X轴和Y轴上的分量分别为fbn-

11、1x和fan-1y, fn-1在X轴和Y轴上的分量分别为fan-1x和fan-1y。 以E点为简化中心，根据力的平移定理，将力系向E点简化在y轴方向上：(-fb1y-fb2y-fb3y-fb4yfbn-1y)+ (fa1y+fa2y+fa3y+fa4y+fan-1y)=0在X轴方向上：(-fb1x-fb2x-fb3x-fb4xfbn-1x)+ (-fa1x-fa2x-fa3x-fa4x-fan-1x)-f0=2×(-fa1x-fa2x-fa3x-fa4x-fan-1x)-f0 设fbn-1x和fan-1x到E点的距离为Ln-1; fbn-1y和fan-1y到E点的距离ln-1主距：(

12、fb1x×L1+fb2x×L2+fb3x×L3+fb4x×L4+fbn-1x×Ln-1)+ (-fa1x×L1-fa2x×L2-fa3x×L3-fa4Xl4-fan-1x×Ln-1)+(fb1y×l1+fb2y×l2+fb3y×l3+fb4y×l4+fbn-1y×ln-1)+ (-fa1y×l1-fa2y×l2-fa3y×l3-fa4y×l4-fan-1y×ln-1)=0 由此可知，弧DC上的压力系向E点简

13、化，得到合力为:2×(-fa1x-fa2x-fa3x-fa4x-fan-1x)-f0令Fn=2×(-fa1x-fa2x-fa3x-fa4x-fan-1x)-f0（负号为X轴的负方向） 假设轮子的旋转方向为逆时针，汽车在制动的瞬间时，对右制动蹄和摩擦片整体进行分析，受力分析图如下： 由于整体受力平衡，则取B点为距心,得： -F1×d4+FT2×d3+Fn2×d1+Fu1×d2=0（1） F1-FT2-Fn2+FX1=0（2） Fy1+Fu1=0（3） 设摩擦片与制动鼓之间的摩擦系数为u，得：Fu1=Fn2×u (4) 由（1）

14、（4），得：Fu1=(F1×d4-FT2×d3)/(d2+d1/u) (5)汽车在制动的瞬间时，对左制动蹄和摩擦片整体进行受力分析，受力分析图如下： 由于整体受力平衡，则取A点为距心,得： F2×d4-FT1×d3-Fn1×d1+Fu2×d2=0（6） -Fx2+FT1+Fn1+FX1=0（7） Fy2-Fu2=0（8） 设摩擦片与制动鼓之间的摩擦系数为u，得：Fu2=Fn1×u (9)由（6）（9），得：Fu2=(F2×d4-FT1×d3)/(d1/u-d2) (10)讨论左右摩擦片所受的摩擦力的大小情

15、况：由于FT1和FT1以及FT2和FT2两对都是作用力与反作用力，则FT1=FT1 FT2=FT2由（11）得：FT1=FT2则FT1=FT2(大小相等方向相反) 同理得：F1=F2由（5）和（10），可知：Fu1=(F1×d4-FT2×d3)/(d2+d1/u) Fu2=(F2×d4-FT1×d3)/(d1/u-d2)又因为d1/u+d2>d1/u-d1, FT1=FT2, F1=F2则Fu2>Fu1 由此可知，左制动蹄的摩擦片所受的摩擦力大于右制动蹄的摩擦片所受的摩擦力。因此也称左制动蹄为助势蹄或转紧蹄，右制动蹄也相应称为减势蹄或转松蹄，

16、而这个制动器就叫非平衡式制动器。同时也因此产生了问题： 其一是在两蹄摩擦片工作面积相等的情况下，由于领蹄与从蹄所受法向反力不等，领蹄摩擦片上的单位压力较大，因而磨损较严重，两蹄寿命不等。为使两蹄摩擦片磨损均匀，寿命接近一致，可使前制动蹄片长于后制动蹄摩擦片。此时，应注意两蹄安装时不能互换位置。其二是由于制动蹄对制动鼓施加的法向力不相平衡，则两蹄法向力之和只能由车轮轮毂轴承的反力来平衡，这就对轮毂轴承造成了附加径向载荷，使其寿命缩短。下面分析一下单向双领蹄式制动器：单向双领蹄式制动器中的左制动蹄受力分析如下图： 汽车在制动的瞬间时，对左制动蹄和摩擦片整体进行受力分析，受力分析图如下： 由于整体受

17、力平衡，则取A点为距心,得： F2×d4 -Fn1×d1+Fu2×d2=0（12） -Fx2+Fn1-F2=0(13) Fy2-Fu2=0（14）设摩擦片与制动鼓之间的摩擦系数为u，得：Fu2=Fn1×u (15)由（12）（15）得：Fu2=(F2×d4)/(d1/u-d2) (16)单向双领蹄式制动器中的右制动蹄受力分析如下图： F1×d4 Fn2（d4-d1）+Fu1×d2=0 （17） Fx1-Fn2+F1=0 （18） -Fy1+Fu1=0 （19） 设摩擦片与制动鼓之间的摩擦系数为u，得：Fu1= Fn1

18、5;u (20)由（17）（20）得：Fu1= (F1×d4)/(d4-d1)/u-d2) （21）由于d4=2×d1 结合（21）和（16）得：Fu1= (F1×d4)/（d4/2u-d2）Fu2=(F2×d4)/(d4/2u-d2)因此Fu1=Fu2 所以两蹄施加给制动鼓的两个法向力互相平衡，这种制动器称为平衡式制动器制动鼓受力分析 假设车轮转动方向逆时针（如图左大箭头），则在忽略重力影响下，制动鼓受到左右两边摩擦片的压力和与其运动方向相反的滑动摩擦力，且摩擦系数为u，制动鼓内半径为R。 如图，现将左右两边的压力分别以fNb和fNa普遍命名，左右两边

19、受到的摩擦力分别以fSb和fSa普遍命名，并以水平轴线处受到的压力、摩擦力编码为fNb0、fNa0、fSb0、fSa0。 以右边作为说明：向上压力依次命名为fNa1、fNa2、，、fNan，相应处受到的摩擦力依次为fSa1、fSa2、，、fSan；向下压力的压力依次命名为fNa-1、fNa-2、，、fNa-n，相应处受到的摩擦力依次为fSa-1、fSa-2、，、fSa-n。左边受力命名同理。以右边作为分析对象，则其受到的压力可表示为，摩擦力可表示为，其中k=-n，-3，-2，-1，0,1,2,3，n。 现抽出其中任意一对位置对称的压力及相应的摩擦力（图中红色箭头）做平面汇交力系（图中蓝色箭头）

20、分析，如下图。设该任意对称位置压力Y方向分力到制动鼓中心E点的矢径大小为L（k），X方向分力到E点的矢径大小为l（k）。 已知压力对称大小相等，所以fNak=fNa-k，k=1,2,3，n，且其与X，Y轴最小夹角相等，所以 由力的平移定理，将平面汇交力系移到点E，得X轴方向：Y轴方向：fNa对E点的矩：fSa对E点的矩： 所以，总体分析，右边摩擦片对制动鼓的作用有（如下图）Y轴方向：X轴方向： 顺时针方向的矩同理，左边摩擦片对制动鼓的作用有：X轴方向：Y轴方向： 对点E的矩为：（逆时针方向）总受力图如下：轮缸活塞受力分析 其中f5为轮缸5内部压力增大时对活塞7的推力，而f10为制动蹄受到活塞对

21、其的推力时的反作用力。二、运动学（一）、发动机的曲柄连杆机构简介曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。在作功冲程中，它将燃料燃烧产生的热能活塞往复运动、由曲轴旋转运动转变为机械能，对外输出动力；在其它冲程中，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。1、功能作用 曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后产生的气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。（1）将气体的压力变为曲轴的转矩；（2）将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动；（3）把燃烧作用在活塞顶上的力转变为曲轴的

22、转矩，以向工作机械输出机械能。2、组成介绍 曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。（1）机体组：气缸体、气缸盖、气缸垫、曲轴箱、汽缸套及油底壳；（2）活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆；（3）曲轴飞轮组：曲轴、飞轮；（1）机体组机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。a气缸体 气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，是发动机中最重要的一个部件。 气缸体上部拍了出所有气缸，气缸周围的空腔相互连通构成水套。下半部分是用来支承曲轴的曲轴箱。缸体的材料一般用灰铸铁，为提高

23、气缸的耐磨性，有时在铸铁中加入少量合金元素如镍、钼、铬、磷等。c气缸盖 气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，与活塞顶部和气缸壁一起构成燃烧室。 一般水冷式发动机气缸盖内铸有冷却水套，缸盖下端面与缸体上端面向所对应的水套是相通的，利用水的循环来冷却燃烧室壁等高温部分；风冷式发动机气缸盖上铸有许多散热片，靠增大散热面积来降低燃烧室的温度。 发动机的气缸盖上应有进排气门座导管孔和进排气通道等。d气缸垫 气缸盖与气缸体之间装有气缸衬垫，其作用是保证气缸盖与气缸体间的密封，防止燃烧室漏气、水套漏水。e油底壳 油底壳的主要作用是储存机油并封闭曲轴箱。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成。（2）活塞连杆组活塞

24、连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成，将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。a活塞 活塞的作用是与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室，并承受气缸中气体压力，通过活塞销将作用力传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞可分为头部、环槽部和裙部三部分。 活塞头部活塞是燃烧室的组成部分，其形状取决于燃烧室的形式。 活塞环槽活塞环安装在活塞环槽内。在油环槽底面上钻有许多径向回油孔，当活塞向下运动时,油环把气缸壁上多余的机油刮下来经回油孔流回油底壳。 活塞裙部活塞裙部起导向作用。b活塞环 活塞环安装在活塞环槽内，用来密封活塞与气缸壁之间的间隙，防止窜气，同时使活塞往复运动便顺捷。c活塞销 活塞销的作用是连接

25、活塞和连杆小头，并将活塞所受的气体作用力传给连杆。d连杆 连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。 连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。 连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。（3）曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和一些附件组成。飞轮组主要由曲轴和飞轮以及其他不同作用的零件和飞轮以及其他不同作用的零件和附件组成。a曲轴 曲轴的作用是将活塞连杆组传来的气体作用力转变成曲轴的旋转力矩对外输出，并驱动发动机的配气机构及其他辅助装置工作。 曲轴前端主要用来驱动配气机构、水泵和

26、风扇等附属机构，前端轴上安装有正时齿轮(或同步带轮)、风扇与水泵的带轮、扭转减振器以及起动爪等。 主轴颈和连杆轴颈是发动机中最关键的滑动配合副，一般均进行表面淬火，轴颈过渡圆角处还须进行滚压强化等化等工艺，以提高其抗疲劳强度。b飞轮飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，外缘上压有一个齿圈，与起动机的驱动齿轮啮合，供起动机发动机时使用。（二）发动机的曲柄连杆以及活塞进行运动学的分析：中心曲柄连杆机构简图如图1所示，图1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为连杆小头孔中心或活塞销中心。 当曲柄按等角速度旋转时，曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动，活塞A点沿气缸中

27、心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动，其大头B点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。在实际分析中，为使问题简单化，一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究。活塞做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。（1）活塞的速度方程求解：（图1）运用瞬心法，由图2可知，AB连杆的瞬心在O点上，则：设当t=0时，曲柄OB在AO直线上，也就是=0，可

28、得(1)因为曲柄OB是以恒定的角速度转动的，则B点的速度为：all a-+ -设连杆AB的角速度为，则可得：化简可得：(2)活塞的速度为：(3)式子（3）可以进一步简化：（4）则将（4）代入（3）可得：（5）（2）活塞的加速度的方程求解：将活塞的速度对时间t进行求导便可得到活塞的加速度：（6）将（5）代入（6）可得： 图（2）因为对速度进行时间t积分很难求出，下面我用另外一种方法求活塞的位移假设在某一时刻，曲柄转角为a，并按顺时针方向旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为b，如图2.1 所示。 当a=°0度时，活塞销中心A在最上面的位置A，此位置称为上止点。当a=180度时

29、，A点在最下面的位置A”，此位置称为下止点。（3）此时活塞的位移x为:（1）（式中：l为连杆比）可进一步简化，由图2可以看出：（2）把（2）代入（1），可得：三 动力学部分(1)汽车振动简介1、 总述把汽车作为一个系统，是一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统。由于汽车内部各部分的固有频率不同，汽车在行驶中常因路况不平、车速和运动方向的变化，车轮、发动机和传动系统的不平衡，以及齿轮的冲击等外部和内部的激振作用而极易产生整车和局部的强烈振动。汽车的这种振动使其动力性得不到充分的发挥，经济性变坏。同时还要迎新汽车的通过性、操纵稳定性和平顺性，使乘员产生不舒服和疲乏的感觉，甚至损坏汽车的零部件和运载货物

30、，缩短汽车的使用寿命。2、 发动机和传动系统的振动：汽车行驶时因道路不平，汽缸内的燃气压力和运动件的不平衡惯性力周期性变化的结果，都会是曲轴系统和发动机整机产生振动。其中，曲轴系统的扭振比较重要，而且与整车传动系统有关。发动机和传动系统振动主要研究发动机在车架上是整机振动、以及出曲轴和传动系统扭振意外的其他振动，入气门机构的振动等。发动机在车架上的整机振动会引起车身板金件与车架相连的其他零件等产生振动和噪声，影响汽车的耐久性和舒适性。曲轴受周期性变化的干扰力作用，这种干扰力会使发动机和传动系统产生强烈的扭振。由于扭振引起的这些装置和附加应力大大超过工作应力，这会影响发动机和创动系统的工作质量哈寿命，产生噪声，造成严重的破坏。3、 制动系统的振动：在汽车制动时，行驶方向的惯性力和作用在轮胎上的地面制动力所形成的力矩会使前轴负荷增大，后轴负荷减小，从而加强了制动时整车的振动。此外，当汽车制动时，不论是鼓式制动器还是盘式制动器都会产生振动，并引起严重的噪声。这种振动和噪声，不仅影响乘员的舒适性，还会严重污染城市环境。会加速