摩擦基本原理和加速汽车

摩擦可能是自然界最有用的现象。没有它，走路就不可能，也就没有皮带传动，没有离合器，没有轮子，没有刹车。然而，在不是动力的机械中，摩擦是一种不受欢迎的寄生效应，产生热量，造成磨损和浪费能量。因此，无论目标是减少摩擦还是增加摩擦，设计中都必须采用几何、材料和润滑的适当组合，即采用适当的摩擦学方法。摩擦学是对摩擦和磨损的研究，据估计，在整个美国工业中正确应用摩擦学可以每年为国家节省5000亿美元。

我们都读到过由于油门踏板故障导致汽车加速失控的问题。摩擦已被确定为可能的罪魁祸首，而几何形状、材料和润滑的适当组合可能会导致解决方案。为什么会发生这种情况?现在肯定地回答这个问题还为时过早，但我知道大多数工程师，包括机械工程师，并没有完全理解摩擦现象。未能理解这种普遍物理效应的基本原理必然会导致设计失败，其中一些可能是灾难性的。

粘滑运动是与摩擦有关的一种常见行为。一个典型的粘滑实验是把弹簧的一端固定在一个没有润滑的水平表面上的块上。弹簧的另一端以匀速水平移动。木块将如何移动?当然，它高度依赖于物理系统参数，但一种可能的结果是粘滑运动，如上图所示。当弹簧力超过Fstick时，质量加速，弹簧拉长，质量静止。然后重复这个过程，产生粘滑现象。用来描述摩擦现象的模型必须能够表现出这种行为。汽车加速踏板依赖于回弹力和滑动摩擦力之间的平衡，而滑动摩擦力可能会因磨损和污染而随时间变化，从而有效而安全地发挥作用。

在汽车电子加速踏板组件中——电子踏板是因为当油门踏板被踩下时，一个传感器告诉汽车加速——必须有一定的摩擦力，以便驾驶员更容易保持稳定的油门设置，也可以减少连续按压踏板复位弹簧带来的疲劳。设计摩擦是为了模拟传统节流电缆穿过电缆外壳时的固有摩擦。如果摩擦过大，当驾驶员的脚被移开时，踏板复位弹簧无法复位踏板——踏板卡在半开位置。改变摩擦特性当然会改变驾驶员对油门的感觉。此外，如果允许发生磨损或污染并改变摩擦特性，不仅踏板感觉会发生变化，而且安全操作也可能发生变化。最初的问题和提出的解决方案，一个主要的制造商，丰田，可以在网上查看www.designnews.com。

丰田踏板组件包括一个鞋，在正常的踏板操作过程中与相邻表面摩擦。如上所述，由于使用的材料、磨损和环境条件，随着时间的推移，这些表面可能开始粘连和滑动，而不是平稳运行。在某些情况下，摩擦可能会增加到踏板缓慢返回怠速位置或卡住的程度，使油门部分打开。一种解决方案是插入垫片，以减少摩擦鞋与相邻表面之间的摩擦，从而消除可能导致踏板卡住的过多摩擦。

在机械设计中，必须采用适当的摩擦学方法，即几何、材料和润滑，以确保安全、性能和节能运行。

作者信息

Kevin C. Craig，博士，Robert C. Greenheck工程设计教授，马凯特大学工程学院机械工程教授。

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