四桿機構構件的受力分析和強度 課件

1、機構設計與制作 適用專業(yè)：模具設計與制造 機械系機械基礎教研室 目標：零件的受力分析及基本變形的判定單元5. 四桿機構構件的受力分析和強度 問題 情境設計2自動送料連桿機構的設計 1.作三活動構件的受力圖2.作曲柄安裝軸鍵連接的鍵受力圖3.計算各力的大小4.分析AB桿變形形式任務一：壓力機的曲柄滑塊機構中連桿、滑塊的受力分析 分析壓力機的曲柄滑塊機構的零部件的受力來判斷其變形形式，解決受力圖和各種變形的受力特點 要求:一、柔性約束的特點：知識點總結零件受力分析只能受拉，不能受壓。只能限制延約束的軸線伸長方向常見的柔性約束：繩子、皮帶、鏈條等柔索對物體的約束力沿著柔索背向被約束物體膠帶對輪的約束

2、力沿輪緣的切線方向，為拉力 具有光滑接觸面、線、點的約束（光滑接觸約束） 摩擦力可忽略 限制接觸點法向運動二、剛性約束 鉸鏈約束光滑圓柱面連接（軸與孔）約束力作用在接觸處，沿徑向指向軸心接觸點會隨外載荷改變，則約束力的大小與方向均有改變固定鉸鏈支座中間鉸鏈活動鉸鏈支座可用兩個通過軸心的正交分力 表示1.固定鉸鏈支座2.中間鉸鏈約束力畫法同固定鉸鏈3.活動鉸鏈支座（2）柔索約束張力（3）光滑鉸鏈 活動鉸鏈支座-F垂直于支撐面 （1）光滑面約束法向約束力(4) 固定端約束 FAx,Fay,M各種約束的約束力小結三、 靜力學公理和物體的受力分析靜力學公理 公理1 力的平行四邊形法則 作用在物體上同一

3、點的兩個力，可以合成為一個合力。合力的作用點也在該點，合力的大小和方向，由這兩個力為邊構成的平行四邊形的對角線確定，如圖所示。 公理二：二力平衡公理 作用于剛體上的兩個力使剛體平衡的 必要和充分條件是：這兩個力的大小相等、方向相反、作用線重合。 矢量表示法：F1=F2；公理3 加減平衡力系原理推理1 力的可傳性作用在剛體上的力是滑動矢量，力的三要素為大小、方向和作用線 在已知力系上加上或減去任意的平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用。 作用于剛體上某點的力，可以沿著它的作用線移到剛體內任意一點，并不改變該力對剛體的作用。推理2 三力平衡匯交定理平衡時 必與 共線則三力必匯交O 點，且共面 作用

4、于剛體上三個相互平衡的力，若其中兩個力的作用線匯交于一點，則此三力必在同一平面內，且第三個力的作用線通過匯交點。公理4 作用和反作用定律作用力和反作用力總是同時存在，同時消失，等值、反向、共線，作用在相互作用的兩個物體上 若用F表示作用力，又用F表示反作用力，則 F = -F在畫物體受力圖時要注意此公理的應用。公理5 剛化原理柔性體（受拉力平衡）剛化為剛體（仍平衡）反之不一定成立，因對剛體平衡的充分必要條件，對變形體是必要的但非充分的。剛體（受壓平衡）柔性體（受壓不能平衡） 變形體在某一力系作用下處于平衡，如將此變形 體剛化為剛體，其平衡狀態(tài)保持不變。 力 矩力對物體的運動效應，包括力對物體的

5、移動和轉動效應，其中力對物體的轉動效應用力矩來度量。力矩是力對物體的轉動效應的度量力矩的表示力矩的矩心、力臂大小、轉向、作用面正負號規(guī)定量綱單位：牛頓.米N.m或千牛.米kN.m定義：兩個大小相等，方向相反，且不共線 的平行力組成的力系稱為力偶。力偶的表示法書面表示（F，F）圖示力偶矩大小正負規(guī)定：逆時針為正單位量綱：牛米N.m或千牛米kN.m力偶力偶的三要素力偶矩的大小、力偶的轉向、力偶的作用面力偶的基本性質力偶的基本性質力偶無合力（不能用一力替代，力：移動效應，力偶：轉動效應）力偶中兩個力對其作用面內任意一點之矩的代數和，等于該力偶的力偶矩（與矩心的選擇無關 M=Fd）力偶的可移動性即等效

6、性（保持轉向和力偶矩不變）力偶的可合成性：（M=M1+M2+Mn）平面力偶系合成平衡力和力偶都是力學基本物理量，二者不能等效替代，也不能互相抵消各自的效應。但這并不是說，二者就沒有聯系，力的平移定理就是用來揭示二者聯系的一個定理。力的平移定理 力的平移定理實質上是將一個力分解在同平面的另一個力和一個力偶。反之，同平面內的一個力和一個力偶也可以合成為一個力。 力的平移定理揭示了力對構件產生移動和轉動兩種運動效應的實質。比如打乒乓球（圖示），若球拍擊球的作用力不通過球心，根據力的平移定理，將力F平移至球心，得到平移力F和附加力偶M，力F使球向前運動，力偶M使球繞球心轉動，于是打出的是旋轉球。轉矩

7、T=50N.m 工程中的轉矩：轉矩Me =9550P(kW) n(r/min) (N.m)知識鏈接：汽車的行駛平路：功率一定時，扭矩小，轉速大上坡：功率一定時，扭矩大，轉速小P 轉軸的功率n 轉軸的轉速 桿件受力與變形簡介組合受力（Combined Loading）與變形課內練習1：分析曲柄滑塊機構的受力，判斷連桿的變形形式。解（1）取連桿AB為研究對象，桿AB為二力桿。畫受力圖，由受力圖可知桿AB的變形為壓縮變形。（2）取滑塊為研究對象； 畫出主動力F 畫出桿AB對滑塊的作用力FN 畫出滑道對滑塊的約束反力FB， 完成受力圖. （3）取輪為研究對象： 畫出主動力距M； 畫出桿AB對輪的作用力

8、FA; 畫出O點的光滑鉸鏈約束反力FOX,FOY； 完成受力圖。計算受力大小，解決平衡方程及其應用 要求：掌握平衡方程及其應用 平衡: 機械運動中的一種特殊情況 平衡狀態(tài)(相對于地球處于靜止或勻速運動的狀態(tài),如:樓房,橋梁等)。研究這種狀態(tài)的規(guī)律稱為靜力分析。 對構件的靜力分析有著十分重要的工程實際意義，分析的結果對于研究構件的變形、構件的材料選取、尺寸結構形狀的設計有直接聯系。知識點總結 平衡的概念 平面任意力系的平衡條件:平面任意力系平衡的充要條件：該力系的主矢、主矩分別為零1.平面任意力系的平衡方程：2.平面平行力系的平衡方程：平面任意力系平衡的充要條件：所有各力在兩個坐標軸中每一個軸上

9、的投影的代數和等于零，以及這些力對于每一個點的矩的代數和也等于零.3.平面匯交力系的平衡方程：課內練習：計算力的大小:已知：OA=R，AB= l,不計物體自重與摩擦,系統(tǒng)在圖示位置平衡;求:力偶矩M 的大小，軸承O處的約束力，連桿AB受力，沖頭給導軌的側壓力.解:取沖頭B,畫受力圖.解得解得取輪,畫受力圖.解得解得解得課后作業(yè)圓柱體A重W,放在水平臺上，在其中心系著兩條細繩，分別跨過滑輪B、C而掛有重物G1和G2。設G2G1。試求平衡時繩AC與水平線的夾角和D點臺面的反力。任務二：材料（低碳鋼、鑄鐵）的拉壓破壞實驗。1.遵守實驗室（教室）相關規(guī)定2.識別工具箱的工具，過程： 清理工具弄清工具的

10、使用方法保管工具 （層層負責：個人小組長組長科代表）3.能力要求a. 了解材料實驗機的工作原理，能操作試驗機測量；b. 能獨立測量實驗相關參數，并正確讀取數據；c能正確處理數據。通過實驗結果，能掌握塑性材料和 脆性材料拉壓的力學性能，并了解兩種材料在工程中的實際應用。主要內容1.測定低碳鋼拉伸時的屈服極限s、抗拉強度b（拉伸強 度極限）、斷后伸長率，斷面收縮率；2.測定鑄鐵的抗拉強度b；3.測定低碳鋼壓縮時的屈服極限sc；4.測定鑄鐵的抗壓強度bc。5.比較塑性材料與脆性材料的性能及應用。 FFFF受力特點： 外力(或外力的合力)沿桿件的軸線作用，且作用線與軸線重合。 變形特點：桿沿軸線方向伸

11、長(或縮短)，沿橫向縮短(或伸長)。 知識點總結 軸向拉伸(壓縮)1）絕對變形： 規(guī)定：L等直桿的原長 d橫向尺寸 L1拉(壓)后縱向長度 d1拉(壓)后橫向尺寸軸向變形 ：橫向變形： 拉伸時軸向變形為正，橫向變形為負；壓縮時軸向變形為負，橫向變形為正。 軸向變形和橫向變形統(tǒng)稱為絕對變形。 拉(壓)桿的變形 拉(壓)桿的變形 2）相對變形： 單位長度的變形量。 和 都是無量綱量，又稱為線應變，其中 稱為軸向線應變， 稱為橫向線應變。 3）橫向變形系數： -FFmmFFNFFN由平衡方程可求出軸力的大小 ：規(guī)定：FN的方向離開截面為正(受拉),指向截面為負(受壓)。 內力與應力軸力: 拉壓桿的內

12、力;應力:內力在截面上的集度、截面法軸力及軸力圖求內力的一般方法截面法（1）截：（3）代：（4）平：步驟：F F mm(d) FN(a) F F mm(c) mmFNx（2）?。?b) mmF x若用平行于桿軸線的坐標表示橫截面的位置，用垂直于桿軸線的坐標表示橫截面上軸力的數值，所繪出的圖線可以表明軸力與截面位置的關系，稱為軸力圖。 軸力圖桿件橫截面的應力和變形1.應力的概念： 內力在截面上的集度稱為應力(垂直于桿橫截面的應力稱為正應力，平行于橫截面的稱為切應力)。應力是判斷桿件是否破壞的依據。 應力單位是帕斯卡，簡稱帕，記作Pa，即l平方米的面積上作用1牛頓的力為1帕，1Nm21Pa。 1k

13、Pa103Pa，1MPa106Pa 1GPa109Pa 根據桿件變形的平面假設和材料均勻連續(xù)性假設可推斷：軸力在橫截面上的分布是均勻的，且方向垂直于橫截面。所以，橫截面的正應力計算公式為： =MPaFN 表示橫截面軸力（N）A 表示橫截面面積（mm2） FFmmnnFFN2.拉(壓)桿橫截面上的應力軸向拉壓桿的強度計算： 1.強度條件為了使構件不發(fā)生拉(壓)破壞，保證構件安全工作的條件是：最大工作應力不超過材料的許用應力。 應用該條件式可以解決以下三類問題：校核強度 、設計截面 、確定許可載荷 E 為材料的拉(壓)彈性模量，單位是Gpa FN、E、A均為常量，否則，應分段計算。 由此，當軸力、

14、桿長、截面面積相同的等直桿,E 值越大， 就越小，所以 E 值代表了材料抵抗拉(壓)變形的能力，是衡量材料剛度的指標。 或實驗表明，對拉(壓)桿，當應力不超過某一限度時，桿的軸向變形與軸力FN 成正比，與桿長L成正比，與橫截面面積A 成反比。這一比例關系稱為虎克定律。引入比例常數E，其公式為:2.虎克定律3.材料的塑性指標 試件拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來。工程上用試件拉斷后遺留下來的變形表示材料的塑性指標。常用的塑性指標有兩個: 伸長率:%斷面收縮率 ：%L1 試件拉斷后的標距 L是原標距A1 試件斷口處的最小橫截面面積 A原橫截面面積 、 值越大，其塑性越好。一般把 5的材料

15、稱為 塑性材料，如鋼材、銅、鋁等。把 5的材料稱為 脆性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等。 試件在拉伸過程中經歷了四個階段，有兩個重要的強度指標。 ob段彈性階段(比例極限p彈性極限e )bc段屈服階段屈服點 cd段強化階段 抗拉強度 de段縮頸斷裂階段 4.低碳鋼 曲線分析鑄鐵是脆性材料的典型代表。曲線沒有明顯的直線部分和屈服階段，無縮頸現象而發(fā)生斷裂破壞，塑性變形很小。斷裂時曲線最高點對應的應力值稱為抗拉強度 。鑄鐵的抗拉強度較低。 曲線沒有明顯的直線部分，應力與應變的關系不符合虎克定律。但由于鑄鐵總是在較小的應力下工作，且變形很小，故可近似地認為符合虎克定律。通常以割線Oa的斜率作為彈性模量E。 5.鑄鐵拉伸時的力學性能曲線沒有明顯的直線部分，應力較小時，近似認為符合虎克定律。曲線沒有屈服階段，變形很小時沿與軸線大約成45的斜截面發(fā)生破裂破壞。曲線最高點的應力值稱為抗壓強度 。鑄鐵材料抗壓性能遠好于抗拉性能，這也是脆性材料共有的屬性。因此，工程中常用鑄鐵等脆性材料作受壓構件，而不用作受拉構件。 6.鑄鐵壓縮時的力學性能極限應力：材料喪失正常工作能力時的應力。塑性變形是塑性材