汽车机械基础 第3版 课件 第1、2章 汽车机械系统简介、运动构件受力分析

《汽车机械基础》

第一章汽车机械系统简介【本章内容】1.1燃油车的总体构造1.2纯电动汽车的机械系统1.熟悉燃油车及纯电动汽车的总体构造；2.熟悉燃油车的发动机和底盘的机械系统组成、作用；3.了解纯电动汽车的传动装置、行驶装置、转向装置及制动装置的组成及作用；4.理解汽车动力的传动路线。1.能识别汽车主要总成：发动机总成、转向器总成、变速器总成、前后桥、车架等；2.能正确描述燃油车各组成部分的作用；3.能正确描述纯电动车的组成及各机械装置的作用。培养学生的专业兴趣，提高学生的终身学习意识。知识目标能力目标素质目标一、典型轿车的组成燃油车一般由发动机、底盘、车身及电气设备组成。

1.1燃油车的总体构造二、典型轿车的总体结构1-发动机罩2-发动机3-发电机4-前大灯5-前轮6-变速箱7-座椅8-传动轴9-后轮10-制动器

11-后转向灯

12-驱动桥

13-行李厢

14-车顶纵梁

15-车窗

16-车门

17-转向系统

18-前悬架

三、发动机典型轿车的发动机在汽车中所处的位置发动机能够把化学能转变为机械能，也称为引擎。目前，大多数燃油车的发动机都采用往复活塞式内燃机，其主要由两大机构和五大系统组成：曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、点火系统、润滑系统、冷却系统和启动系统。柴油发动机与汽油发动机的区别是没有点火系统。汽油发动机的总体结构1-机油加注口2-气门摇臂3-凸轮轴4-排气门5-张紧轮6-正时带7-机油滤清器8-曲轴带轮9-油底壳10-汽车发电机11-连杆12-活塞13-进气门14-飞轮15-进气歧管16-进气歧管

曲柄连杆机构曲柄连杆机构一般由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。曲柄连杆机构是发动机完成能量转换的传动机构。当可燃混合气在气缸中燃烧时，活塞承受燃气压力在汽缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并通过曲轴向外输出动力。1-活塞2-活塞环3-活塞销4-连杆5-连杆螺栓6-连杆盖7-连杆轴瓦8-连杆螺母9-飞轮10-曲轴

配气机构配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入汽缸，并使废气从汽缸内排出，实现换气过程。曲轴通过正时带轮和正时皮带驱动凸轮轴转动，由凸轮的旋转控制气门定时开启和关闭。1-凸轮轴正时皮带2-凸轮轴正时带轮3-张紧轮4-曲轴正时带轮5-凸轮轴6-气门7-气门弹簧8-气门弹簧座燃油供给系统汽油机燃油供给系统的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入汽缸，并将燃烧后的废气从汽缸内排出到大气中；柴油机燃油供给系的功用是把柴油和空气分别供入汽缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。

1-燃油箱2-燃油泵3-燃油滤清器4-燃油压力调节器5-喷油器6-进气管7-节气门8-进气门9-排气门10-活塞11-排气管点火系统点火系统的功用是按照发动机的工作顺序定时产生足够强度的电火花把混合气点燃。1-电源2-点火开关3-点火线圈4-点火控制器5-点火信号发生器6-分电器7-火花塞润滑系统润滑系统的功用就是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损，同时还能对零件表面进行清洗和冷却。1-机油泵2-油底壳3-机油滤清器4-安全阀5-润滑油道讨论：汽车为什么需要润滑系统？冷却系统冷却系统的功用是将发动机受热零部件吸收的多余热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。发动机采用两种冷却方式，即风冷与水冷。1-风扇2-散热器3-冷却水管4-膨胀水箱5-发动机水套排气管6-节温器7-水泵8-气缸体水套讨论：汽车为什么需要冷却系统？启动系统曲轴在外力作用下从开始转动到发动机开始自行运转的全过程，称为发动机的启动。启动系统主要由蓄电池、点火开关、起动机等组成，在点火开关和启动继电器的控制下，蓄电池提供电能，起动机将电能转化为机械能，带动发动机的飞轮齿圈和曲轴转动，从而使发动机进入自行运转状态。1-蓄电池2-点火开关3-起动机4-飞轮5-启动继电器

四、汽车底盘1-转向系2-制动系3-传动系4-行驶系底盘是用来支撑和安装汽车发动机及其零部件的总成，形成汽车的整体造型，接受发动机的动力，使汽车能够正常运动和行驶。底盘由四部分组成：传动系、行驶系、转向系和制动系。传动系传动系统主要由离合器、变速器、万向节、传动轴和驱动桥组成。对发动机前置后轮驱动的汽车，发动机的动力通过离合器传给变速器2，再通过传动轴3、万向节4、主减速器和差速器5传给驱动半轴6，驱动半轴将动力传给驱动车轮，进而使车轮转动。传动系统具有减速、变速、倒车、中断发动机的动力传递及左右车轮差速等功能。传动系与发动机配合工作时，能保证汽车在各种工况下正常行驶。1-发动机2-变速器3-传动轴4-万向节5-主减速器和差速器6-半轴行驶系行驶系接受发动机经传动系统传来的转矩，通过驱动车轮与路面间的附着作用，产生汽车牵引力，保证汽车正常行驶，此外行驶系还能缓和不平路面对车身造成的冲击和振动，保证汽车行驶的平顺性。行驶系主要由车架、车桥（也称车轴）、悬架和车轮组成，图示为载货汽车的行驶系组成，现在的普通轿车一般已没有车架，仅由悬架和车轮等部分组成。1-车架2-车桥3-悬架4-车轮转向系转向系的功用是改变或恢复汽车行驶方向。主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成。转向操纵机构作用是将驾驶员作用在转向盘上的力传递到转向器。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向力一般通过转向器后会改变传递方向。转向传动机构将转向器输出的力和运动传递给车轮，使左右车轮按一定关系偏转。1-方向盘2-转向轴3-转向器4-转向横拉杆5-转向泵6-转向臂制动系汽车制动系的作用是使行驶中的汽车减速甚至停止。制动系统根据作用不同可分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系统及辅助制动系统。行车制动系统和驻车制动系统是每一辆汽车都必须具备的。使行驶中的汽车降低速度甚至停车的制动系统称为行车制动系统；使已停驶的汽车驻留原地不动的制动系统称为驻车制动系统。1-制动踏板2-真空助力器3-制动器4-手刹5-制动管路

五、汽车车身轿车车身结构图车身安装在底盘车架上，供驾乘人员乘坐或装载货物。轿车和客车的车身一般为整体结构，卡车的车身一般由驾驶室和货箱两部分组成。汽车车身结构主要包括：车身外壳、车门、车窗、前面板、内外饰件和车身附件、座椅、通风、加热、冷却和空调装置等。

六、电气设备电气系统是汽车的重要组成部分之一，主要包括电子系统和电气系统。电气设备由电源系、发动机启动系和点火系、汽车照明和信号装置等组成。此外，在现代汽车上愈来愈多地装用各种电子设备：微处理机、中央计算机系统及各种人工智能装置等，显著地提高了汽车的性能。1.2纯电动汽车的机械系统新能源汽车是指使用新型能源代替传统燃油的汽车，主要包括电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车以电力作为动力源，用电机驱动车轮行驶。沿用传统的汽车构造结构划分，新能源电动汽车可分为电动机、底盘、车身和电气设备四部分，或者划分为电力驱动系统、电源系统和辅助系统三部分。1-电动机2-底盘3-电气设备4-车身纯电动汽车底盘新能源电动汽车的机械系统主要包括传动装置、行驶装置、转向装置及制动装置，工业用的电动汽车还设有为完成作业要求而设置的工作装置。

一、传动装置传动装置指的是驱动电机转轴和车轮之间的机械连接部分，由于电动机具有良好的牵引特性，因此纯电动汽车不需要离合器和变速箱。纯电动汽车的传动装置主要包括减速器、传动轴、差速器等。（a）固定速比减速器（b）两档减速器

二、行驶装置行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。其结构与燃油车类似，主要由车架、车桥、车轮和悬架等部件组成。

三、转向装置

四、制动装置电动汽车转向装置的作用是保持或改变行驶方向，其组成与燃油车类似，主要包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构等部件。新能源电动汽车的制动装置也是为汽车减速或停车而设置的，包括行车制动和驻车制动两套装置。制动装置组成与燃油车类似，通常由制动器和制动传动装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。小结1.传统汽车的组成2.纯电动汽车机械系统组成《汽车机械基础》

第2章运动构件受力分析【本章内容】2.1静力学基础2.2平面汇交力系2.3力矩与力偶2.4摩擦2.5刚体定轴转动2.1静力学基础学习目标：1.理解平衡和刚体的概念；

2.了解力的定义、力的三要素和力

的表示方法；

3.熟悉静力学的公理及其应用。一、静力学的基本概念和基本公理

静力学是从公元前三世纪开始发展的，奠基者是阿基米德。静力学主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律。1.静力学基本概念

平衡：物体相对于地面保持静止或作匀速直线运动的状态。

力的概念：①力的定义：力是物体之间的相互作用，这种作用能使物体的运动状态发生改变，或使物体变形。运动是物质存在的形式，平衡是相对的、暂时的。②力的三要素：大小、方向、作用点。

③力的表示方法：刚体的概念：刚体就是在任何力的作用下，其大小和形状都保持不变它只是一个理想化的力学模型。在静力学中，常把受力物体看作是刚体。是一个理想化的力学模型2.静力学的基本公理力的平行四边形公理：二力平衡公理：加减平衡力系公理：推论1：力的可传性原理：作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用。推论2：三力平衡汇交定理：作用与反作用公理：二、约束与约束力相关概念：自由体：位移不受限制的物体称为自由体，例如飞行的飞机。非自由体：位移受到限制的物体成为非自由体，例如汽车、发动机、车轮。约束：限制非自由体运动的周围物体称为约束。如汽车受地面的限制，地面对汽车来说就是约束。约束力：约束作用于非自由体上的限制其运动的力称为约束力。常见约束类型及其约束力

柔索约束：由柔软的绳索、皮带、链条等所形成的约束称为柔索约束。光滑接触面约束：两个互相接触的物体，当忽略接触面上的摩擦力时，这种光滑接触面构成的约束称为光滑接触面约束。铰链约束：由铰链构成的约束称为铰链约束。常见的铰链支座有固定铰链支座和活动铰链支座两种。固定铰链支座活动铰链支座固定端约束：是指一端固定，另一端自由的支座，也称为固定端支座。

径向轴承（向心轴承）：轴承约束是工程中常用的支撑形式。

练习：根据所学约束及约束力相关知识填表。三、受力分析与受力图画物体的受力图一般步骤如下：（1）画出分析对象的简图；（2）在简图上画出已知力；（3）在简图上画出所受到的约束力。例1如图所示为发动机曲柄连杆机构的简图，曲柄AB的重力为G，活塞C受力为F，系统保持平衡状态。试画出各零件及机构整体的受力图。解：分析——曲柄AB受到3个力的作用，连杆BC受2个力的作用，活塞C受3个力作用，因BC两端均为铰链约束，且不计自重，为二力杆。（1）连杆BC的受力图：因BC为二力杆，其约束力沿两铰链B、C中心连线，且FB=FC，并设定其方向，如图b。（2）曲柄AB的受力：因其自重G所以AB不是二力杆。先画出其自重G，A处为固定铰链约束，其约束力为FAx、FAy，B处受连杆约束，根据作用与反作用公理FB‘=-FB，如图c。（3）活塞C的受力：已知力F，气缸对活塞的约束，属光滑接触面约束，且为双面约束，其约束力方向不确定，可假设其向上（或向下），活塞还受到连杆对活塞的约束力，根据作用与反作用公理可知FC＇=-FC，如图d。（4）机构整体的受力图如图a所示。例2：如图所示为三铰钢架，忽略钢架自重，试画出AC、BC的受力图。解：钢架AC受三个力作用；BC只在B、C两点受力，因不计刚架自重，所以BC为二力杆。（1）钢架BC的受力图：因BC为二力杆，其约束力沿两铰链B、C中心连线，且FB=-FC，并设定其方向（如设为压力）。（2）钢架AC的受力图：AC受三个力作用，即：已知力F、A和C两处的铰链约束力。2.2平面汇交力系学习目标：1.了解平面汇交力系合成的几何法及平

衡的几何条件；

2.熟悉力的分解方法及力在坐标轴上投

影的计算方法；

3.掌握平面汇交力系合成的解析法。一、概念1.力系：作用在一个物体上的多个力。2.平面汇交力系：力系中各力的作用线均在物体的同一平面内且汇交于一点。二、平面汇交力系合成的几何法1.力的三角形法则如图所示，作用在物体上的同一点A的两个力F1和F2，从任选点A作AB表示力矢F1，在其末端B作BC表示力矢F2，则AC即表示合力矢F。三角形ABC称为力三角形，这种求合力矢的作图规则称为力的三角形法则。2.力的多边形法则当汇交于一点的的力不只两个时，可连续应用三角形法则，在求合力F时，只要将各已知力首尾相接，连成折线，可获得合力F。图中四个已知力与合力恰好构成一个多边形，称这种求合力的作图法称为力多边形法则。3.平面汇交力系平衡的几何条件

平面汇交力系可以合成为一个合力，即平面汇交力系可用其合力代替，因此，平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：该力系的合力为零。用矢量式表示为：∑F=0当合力为零时，力多边形的封闭边的长度为零，即由各分力画出的力多边形首尾相接，形成一个闭合多边形。因此，平面汇交力系平衡的几何条件为：力系中各力组成的力多边形自行闭合。三、平面汇交力系的解析法1.力在坐标轴上的投影2.合力投影定理3.平面汇交力系的解析法平面汇交力系的平衡条件是力系的合力为零。合力的大小为:平面汇交力系平衡的解析条件是：力系中所有各力在两个相互垂直的坐标轴上的投影的代数和都等于零，即2.3力矩和力偶学习目标：1.熟悉力矩、力偶及力偶矩的概念；

2.理解合力矩定理；

3.掌握力偶的等效条件、平面力偶系

的合成与平衡条件及力的平移定理。一、力矩与力偶的概念1.力矩：力F与转动中心O到力F的作用线的垂直距离d的乘积。Mo(F)=±F•d2.合力矩定理Mo(F)=Mo(F1)+Mo(F2)+……+Mo(Fn)=∑Mo(Fi)3.力偶和力偶矩作用在一个物体上的大小相等、方向相反作用线平行但不在同一直线上的两个力称为力偶。力偶中力的大小与力偶臂的乘积来度量，称为力偶矩。力偶用正负号表示力偶的转向。正负号的规定与力矩相同，即顺时针方向转动时为正，逆时针转动时为负。4.力偶的性质力偶对物体的作用效果由三个要素决定：（1）力偶矩的大小；（2）力偶的转向；（3）力偶的作用面。

三要素完全相同的力偶称为等效力偶。二、平面力偶系的合成与平衡条件1.平面力偶系的合成作用在物体上同一平面内的多个力偶，称为平面力偶系。平面力偶系合成的结果仍是一力偶。2.平面力偶系的平衡条件平面力偶系平衡的必要且充分条件是：力偶系中所有力偶矩的代数和等于零。三、力的平移定理根据力的可传性，力沿其作用线移动时，不改变力的作用效果。但是，在力平行移动后，力对刚体的作用效果将发生改变。原来作用在O点的力F就与作用在A点的平移力F2和一个力偶（称为附加力偶）的作用等效。力的平移定理：作用在刚体上的力F，可以平移至刚体的任一点上，而不改变原力的作用效果，但必须附加一个力偶，其力偶矩等于原力对新作用点的矩。2.4摩擦学习目标：1.了解滑动摩擦、滑动摩擦力、静滑动

摩擦力及最大静滑动摩擦力的概念；

2.理解滑动摩擦定理；

3.理解摩擦角及自锁现象。一、滑动摩擦与滚动摩擦1.滑动摩擦两个相互接触的物体，当有相对滑动或相对滑动趋势时，其接触表面之间产生的彼此阻碍滑动的力称为滑动摩擦力，简称摩擦力。物块仅有相对滑动趋势而不滑动时，存在的摩擦力称为静滑动摩擦力，简称静摩擦力。静摩擦力的大小不是固定的数值。静摩擦力也不能无限制地增大2.滑动摩擦定律实验证明：最大静摩擦力的大小与两物体间的正压力（即法向反力）成正比，称为静滑动摩擦定律，简称静摩擦定律。

Fmax=fsFN（1）物体处于静止状态静摩擦力Ff的大小在0到Fmax之间变化；（2）物体处于临界状态最大静摩擦力Ffm=fsFN；（3）物体处于滑动状态动摩擦力F′=fd•FN3.滚动摩擦当一个物体在另一个物体表面上滚动（或有滚动趋势）时，受到的接触面的阻碍作用称为滚动摩擦。滚动摩擦的大小用力偶矩来量度，且与正压力成正比。一般来说，在其他条件相同的情况下，克服滚动摩擦力矩使物体运动需要的力比克服滑动摩擦力所需要的力小得多。所以，汽车轮胎充气不足时，行驶起来比较费力。滚动摩擦的形成二、摩擦角与自锁摩擦角图示中法向反力FN与摩擦力Ff的合力FR来代替它们的作用，称为全反力。可以看出，全反力与接触表面的法线间的夹角将随着摩擦力的增大而增大，当摩擦力达到最大值即最大静摩擦力时，这个夹角将达到最大值，此时的夹角称为摩擦角，用φm表示。

tanφm=Ffm/FN=fs·FN/FN=fs摩擦角的正切值等于静摩擦因数。因此，摩擦角也是表示材料表面性质的一个物理量。2.自锁

图示为螺旋千斤顶，在其举起重物后，要求丝杆及重物不会自行下降，而可以在任意位置都能保持平衡，即具有自锁功能。分析：使丝杆及重物下滑的力为Gsinα，阻止其下滑的最大阻力为最大静摩擦力Fmax＝fs•Gcosα，当Gsinα≤fs•Gcosα时，即α≤φf沿运动方向的分力小于或等于最大静摩擦力时，丝杆（及重物）将不发生下滑。工程上将这种依靠摩擦维持平衡的物体，在满足一定几何条件下，无论其主动力怎样大，总能保持平衡而不滑动的现象称为自锁。自锁条件为：主动力与法线之间的夹角不大于最大摩擦角，即α≤φf。2.5刚体定轴转动学习目标：1.了解刚体定轴转动的转速、角速度和角加速度的概念；

2.理解惯性力的概念、转动零件惯性力的平衡及转动惯量的概念；

3.熟悉功率、转速和转矩的关系。问题探究：为什么汽车在上坡或者超车时要换低速挡？一、刚体绕定轴的转动1.刚体的定轴转动在运动时，刚体内各点都绕一固定的直线作圆周运动，这种运动称为刚体绕定轴转动。2.转速与角速度、线速度工程上常用转速表示转动的快慢。刚体的转速是指单位时间内刚体转过的圈数，用n表示，单位为r/min（转/分）。角速度ω与转速n之间有如下关系：ω=2πn/60=πn/30线速度与角速度的关系：v=rω3.角加速度刚体角速度变化的快慢和方向用角加速度表示，用符号ε表示，单位为rad/s2（弧度/秒2