下载文档原格式
曲轴的受力情况分析及主要强化方式
在汽车发动机中，曲轴是承受负荷最大的部件，在发动机工作时，曲轴的各部分会受到弯曲、扭转、拉压和剪切等力的作用。
曲轴时常处于高速旋转的运动状态之中，这会很容易造成磨损和发热烧损，因此要求轴颈表面要有很好的表面耐磨度，同时要防止曲轴的疲劳断裂，在曲轴常见的故障中，因弯曲疲劳断裂引起的故障率高达百分之八十以上。
为了保证发动机正常地、可靠地工作，这就要求曲轴要有足够的强度、耐磨性、刚度和平衡精度，因此，我们在曲轴的制造过程中，必须对曲轴进行强化处理。
对曲轴的强化处理指的是在不改变曲轴的结构的前提下，采用物理的、化学的以及机械的方法，使曲轴得到尽可能大的强化度，以达到提高曲轴的各项力学性能的目的。
在现实生产中，我们可以依据曲轴的工况和实际技术要求，选择一种或多种强化手段对曲轴进行强化处理。
常见的对曲轴强化处理方式主要有以下几种：轴颈表面和圆角淬火强化方式、圆角滚压强化方式、氮化强化方式和碳氮共渗强化方式等。
汽车运行过程中的物理问题作者：刘振康来源：《新课程·教研版》2010年第14期随着我国经济建设的不断发展,汽车已经十分普及。
汽车运行过程中的物理问题已成为高中物理在实际生活中运用的一个重点,同时也是同学们在学习中的一个难点。
为了启发同学们思考,现将此类问题分析整理如下:一、汽车的牵引力(驱动力)汽车的牵引力F源自于汽车的内燃发动机带动前或后轮转动时在车轮与地面接触的切点处,沿车轮转动的切线的反方向对地面所施的摩擦力(如图1),此摩擦力应为静摩擦力,作用点在驱动轮上(轮与地面接触的切点),此作用点随轮的转动不断改变。
如果驱动轮打滑汽车就失去了牵引力不能前进。
现在国内的汽车有前驱动的,有后驱动的,也有前后驱动的,都同此理。
牵引力F的大小与车轮、地面的材料、接触程度和压力有关,也与汽车发动机的功率P(驱动轮的转速)有关。
二、汽车运行过程汽车在平直路面上行驶,一般可分为启动、正常行驶和制动减速停止三个过程。
在行驶过程中满足:P=Fv。
v为汽车运行速度。
发动机的功率即牵引力的功率。
由于力与速度方向相同,P=Fv。
如果发动机保持牵引力不变,则功率将随运行速率增大而增加。
但发动机的功率的增大是有一定限度的,发动机实际功率不能超过其额定功率。
当发动机达到额定功率并保持功率不变运行时,其牵引力与运行的速率成反比。
因此,汽车以恒定的加速度a做匀加速运动只能维持到速度增加到某一极值v1。
若汽车的质量为m,汽车运行中所受阻力为F2,则牵引力F1=F2+ma,可知v1=P/(F2+ma)。
当汽车速度达到v1之后,车速仍可增大(因为牵引力大于阻力),但随着速度增大,牵引力将减小到与阻力大小相等,得v2=P额/F2。
显然车速达到最大速度之前,必然经历一段加速度逐渐减小的加速运动,直至加速度减为零。
尤其是汽车以恒定功率开始运动到达最大速度的过程,汽车始终做变加速运动。
匀变速运动的运动学公式不能应用此类问题。
例如汽车以恒定功率运动,在t秒内速度由v1增加到v2。
汽车行驶中的惯性力问题分析当代，人们的物质生活日益丰富，家庭轿车也相对普遍。
接下来将讨论汽车在平地行驶时的惯性力的问题。
我们不妨先假设汽车为一刚体系，其质量为m ，质心C 距离地面h ，每个轮子所受恒定的摩擦力为F s ,与质心水平距离均为d ，根据汽车行驶的状态不同，可以分三个阶段讨论：1、汽车处于启动阶段； 选取整辆车为研究对象，受力分析如右图（1），汽车发动机所提供的拉力为F ，若忽略车轮的转动，则易知整个刚体系作匀加速的平移运动，加速度为a 1，对车加惯性力F I1，其大小为 F I1=ma 1 根据达朗贝尔原理，列平衡方程∑F x =0，F - F I1 - 4F s =0 ∑F y =0，4F N – mg =0∑M C =0，-4M 1 + 2F N d –2F N d –4F s h =0可以求得a 1=（F-F s ）/m ；F N =mg/4 ；M 1=-F s h .2、汽车处于平稳行驶阶段；此时汽车处于匀速运动阶段，整个刚体系的加速度a =0，故其附加惯性力亦为零，汽车处于平衡状态。
3、汽车处于减速阶段；同样，选取整辆车为研究对象，受力分析如图（2），此时汽车开始制动，发动机不提供动力，若忽略车轮的转动，则整个刚体系作匀减速的平移运动，加速度为a 2，对车加惯性力F I2，其大小为 F I2=ma 2 根据达朗贝尔原理，列平衡方程∑F x =0，F I2 - 4F s =0 ∑F y =0，4F N – mg=0∑M C =0,-4M 2 + 2F N d –2F N d –4F s h =0可以求得a 2=4F s /m ；M 2=-F s h =M 1 .若要求出某个瞬时汽车行驶的速度，则可以结合汽车在一段时间内行驶的路程，利用动能定理便可求出。
F I1 a 1 m g F s F s F N F N v 1图（1）F C A B M 1M 1y F I2 m g a 2 v 2 C B A F N F s F s 图（2）M 2 M 2 F N。
汽车行驶阻力分析222.1 滚动阻力轮胎滚动时，与支承地面的接触区产生法向和切向相互作用力，并使接触区的轮胎和地面发生相应的变形。
这种变形取决于轮胎和地面的相对刚度。
轮胎在硬路面上滚动时，轮胎变形是变形的主要成份；而当轮胎在松软地面滚动时，主要变形为地面的沉陷变形。
轮胎在滚动过程中，轮胎的各个组成部分间摩擦以及橡胶元、帘线等分子之间的摩擦，产生摩擦热而耗散，这种损失称为弹性元件的迟滞损失。
图2-7中的右图为简化的轮胎模型。
它将充气轮胎视为由无数弹簧-阻尼器单元组成的弹性轮。
当每个单元进入印迹时，弹簧-阻尼器组成的轮胎单元首先被压缩，然后松弛。
由于存在阻尼消耗压缩能量，轮胎内部阻尼摩擦产生迟滞损失，这种迟滞损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶。
图2-7中的左图所示为轮胎的弹性特性。
图中的C曲线为压缩过程（加载）曲线，而D曲线为松弛过程（卸载）曲线。
两条曲线所包围的面积及为阻尼的迟滞能量损失。
图2-7右图的阴影表示为轮胎接触区受力情况。
汽车静止时，车轮与地面接触区法向反作用力分布是前后对称的，其合力垂直接触面指向轮心（经接触面的车轮中心垂线n-n'）;当车轮滚动时，以从动轮等速滚动为例，接触区法向反作用力的分布前后不对称，合法向反作用力F zi向前偏移了一段距离a，见图2-8。
这是因为轮胎与地面接触区的前端处于压缩行程，而后端处于松弛行程，因而接触面前端法向力大于后端法向力。
如果将合法向反作用力后移距离a至车轮中心的垂线n-n'，则有阻碍车轮滚动的阻力偶矩F fi从动轮等速转动时，受力平衡方程为式中：W i 为重力；F pi 为水平推力要使从动轮在刚性路面上等速滚动，必须在轮心上作用水平推力F pi ，与接触面的切向反作用力构成力偶矩来克服滚动阻力偶矩 T fi 。
即(2-24)令 f= a /r ，贝y W 叫或如上佥二他r式（2-25）表明，滚动阻力可视为车轮在一定条件下滚动时所需的推力与车轮负荷之比， 或单位汽车重力所需之推力。
汽车运动过程中的受力分析
摘要：汽车运动过程之中需要收到很多较为复杂的力的综合作用，本文结合汽车实际的受力情况，选择其中较为典型的水平行驶、加速行驶和转弯这三种情况的受力情况进行分析。
希望通过笔者的分析可以提高人们对于汽车受力情况的了解，更为科学的掌握汽车运动过程中的综合情况。
关键词：汽车；运动；受力分析；速度
前言：
随着现代经济社会的不断发展与进步，汽车已经成为现代人生活之中不可或缺的生活用品，汽车的普及极大的改变了现代人的生活方式与生产方式，促进了现代社会的巨大进步。
但是，针对汽车受力情况的具体研究与分析的文献国内还鲜有报道，笔者结合多年工作的经验，对汽车在运动过程之中的受力情况进行了系统的分析，希望可以通过这些分析提高人们对于汽车运动情况的了解，更好的掌握汽车的受力情况，为今后汽车行业的发展带来积极的启发。
1.汽车在水平行驶过程之中的受力分析
汽车在行驶的过程之中受到的力主要有两种：牵引力和摩擦力。
这是从大的方向上进行概述。
传统思维认为，汽车在水平行驶的过程之中主要受到发动机的牵引力，但是从力学方面进行分析这种思维是错误的。
其实，带动汽车向前行驶的直接动力是轮胎的静摩擦f，这是汽车在行驶之中受到的直接动力。
为了更好的说明汽车的手里情况，我们将汽车受到的静摩擦力也就是直接动力定义为F1，汽车在运动的过程之中当然还会受到相应的摩擦阻力，主要包括汽车轮胎的滚动摩擦f1、汽车内部部件之间的摩擦力f2以及汽车受到的空气阻力f3..牛顿第一定律指出，汽车保持匀速行驶的条件为受到的和外来为0，即：
（1）
（2）
结合（1），我们可知汽车所收到的静摩擦力等于三种摩擦组合之和时，汽车才可以在水平面上做匀速直线运动。
（2）向我们展示的是滑动摩擦力的定义式，通过该定义式我们可知，汽车收到的滑动摩擦力与汽车的重力成正比，同时和地面的摩擦因数存在很大的关系。
但是，这里需要注意的是，汽车一般收到的摩擦力是滚动摩擦与滑动摩擦之间存在很大的差别，滑动摩擦可以近似等于最大静摩擦，也就是汽车的直接动力。
2.加速行驶汽车的受力分析
加速行驶汽车的受力分析需要结合牛顿第二运动定律进行相关分析，而且这是汽车所受的力较为复杂，为了论述的简单化，在本文中我们将汽车的受力做了理想化处理。
汽车在加速行驶的过程之中所受到的动力为F1，汽车所受到的综合阻力为F2，汽车获得的加速度为a，汽车的质量为m。
由牛顿第二定律：
（3）
带入公式可得：
（4）
解（4）得：（5）
通过上述三个公式我们可以看出，汽车在进行加速运动的过程之中，主要受到的力为牵引动力和摩擦阻力两种力的综合效果，只有当牵引动力F1大于摩擦阻力F2时汽车才能做加速运动，加速度为正；反之，当牵引动力F1小于摩擦阻力F2时汽车只能做减速运动，也就是说这个时候汽车的加速度为负值。
对于加速行驶进行受力分析是最有意义的分析，这是由于汽车在在工作的过程之中多数处于加速和加速的状态之下。
例如，汽车在启动的过程之中就是加速运动，根据不同的汽车的性能有等牵引力启动和等功率启动两种形式，这两种启动形式中的加速度存在很大差别。
等功率启动的过程相对较为复杂，这种情况之下汽车开始启动的过程之中加速度在逐步的发生变化，随着速度的增加加速度会减小，达到一定程度之后加速度开始保持不变。
对于等牵引力启动而言，这个时候汽车的加速度处于一个稳定的状态，这是由于汽车所受的合外力保持不变的原因造成的，因此这种启动是相对较为简单的启动方式，其受力分析也较为简单。
3.汽车在转弯过程中的受力分析
汽车的运动状态一般分为匀速行驶、加速行驶两种状态，前文已经对于这两种状态下汽车的受力分析进行了系统的论述。
但是，汽车在转弯过程之中的受力情况与前两种状态下的受力之间存在明显的不同，为了让人们更加全面的了解汽车的受力状态，笔者对汽车在转弯过程中的受力情况也进行简单分析。
汽车在转弯过程之中的受力之所以和普通行驶状态下不同，是因为汽车在转弯过程之中的受力更为复杂，除了前文已经提及的牵引动力和汽车阻力这两种主要的力之外，汽车在转弯的过程之中必须提供相应的向心力。
对于向心力的理解一定要正确，我们这里所说的向心力不是一个真正存在的力，而是一种合力，是汽车转弯过程之中必须存在的一个合外力。
汽车转弯过程其实是在做圆周运动，做圆周运动就必须有向心力。
（6）是向心力的计算式：
（6）
也就是说汽车在转弯的过程之中不能处于受力平和的状态，这时的汽车存在一个向心加速度a，这个向心加速度的存在决定了汽车在必须存在一个向心力，这个向心力一般是由汽车轮胎的侧向静摩擦提供的，要有与运动方向成90 度的指向圆心方向的充当向心力静摩擦力f=mv2/r=mω2r=mr（2π/T）2=mω2v。
一些设计较为科学的公路在转弯处设计成外侧较高内侧较低的情况，这种设计也是考虑到向心力的原因，这种设计可以实现汽车重力的一部分分力当做汽车转弯的向心加速度，这样就减小了轮胎横向静摩擦的压力，增加了汽车行驶过程之中的安全系数，同时减轻了对于轮胎的磨损。
4.结束语
汽车在运动的过程之中所受的力是十分复杂的，本文只是针对水平行驶、加速行驶以及转弯过程中的几种受力情况进行了简要的分析，希望可以通过这篇文章的论述，提高人们对于汽车受力情况的认识，为我国汽车行业的发展带来一定的参考价值。
参考文献：
[1]李安定，尹念东. 汽车驾驶模拟器的运动模型研究[J]. 黄石理工学院学报，2008，02：26-30.
[2]胡宏德.基于LabVIEW的汽车运动轨迹跟踪仿真软件开发[J].轻型汽车技术，2013，Z2：21-23+38.
[3]郭世钢.从汽车运动中的牵引力看系统建模[J]. 渝州大学学报（自然科学版），1995，04：5-9.
胡宁，男，籍贯：河北省沧州市，研究方向：车辆工程，作者单位：山东科技大学。
