汽車機械基礎教程（第3版）-吳笑偉課件 任務7 構件的力學分析

任務7構件的力學分析

任務目標了解工程力學的基本概念；掌握剛體在力系作用下的平衡條件；熟練掌握典型構件在外力作用下的變形和失效規(guī)律；重點掌握各種汽車零件的強度分析方法。任務7構件的力學分析

汽車在高速行駛的過程中，車上的構件承受著復雜的作用力，同時存在多樣的變形，對于一名汽車設計師或維修工程師而言，必須考慮汽車的安全性和可靠性，如怎樣計算汽車轉向盤的轉矩，汽車發(fā)動機能提供的最大驅動力矩是多少，傳動軸設計成空心是否合理，傳動軸直徑設計成多大才安全，制動踏板在制動時是否達到強度要求等。這些問題均可以利用工程力學知識進行解答。1997年9月，錢學森院士說過“工程力學走過了從工程設計的輔助手段到中心主要手段，不是唱配角而是唱主角了”。工程力學是研究物體機械運動和桿件彈性變形一般規(guī)律的科學，既是許多工程學科的基礎，也可以獨立解決工程問題。汽車工程師必須考慮汽車的安全性和可靠性，如怎樣計算汽車轉向盤的轉矩，汽車發(fā)動機在特定速度下能提供的最大驅動力矩是多少，傳動軸直徑設計成多大才安全，傳動軸設計成空心是否合理，驅動橋在惡劣工況下能承受多大的彎矩等。這一系列問題均可以利用工程力學知識進行解答。

能力目標1.能對各種汽車構件進行靜力學分析；2.能分析各種汽車零件的強度問題。知識目標1.正確描述力矩、力偶矩；2.正確描述平面力系的平衡條件；3.正確描述各種基本變形的受力特點；4.正確描述拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉與彎曲的強度計算。項目目標

任務7.1汽車構件的靜力學分析

任務1.1畫受力圖任務描述如圖1.1所示結構，AB桿中點作用力F,桿AB、BC不計自重，桿BC在B端受到中間鉸鏈約束。試確定AB、BC桿的受力圖？圖1.1受約束桿件任務實施1.畫桿BC的受力圖2.畫桿AB的受力圖步驟同上

剛體是一種理想化的力學模型。一個物體能否視為剛體，不僅取決于變形的大小，而且和問題本身的要求有關。剛體——在外界的任何作用下形狀和大小都始終保持不變的物體?；蛘咴诹Φ淖饔孟拢我鈨牲c間的距離保持不變的物體。平衡——平衡是物體機械運動的特殊形式，是指物體相對地球處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)。力——力是物體相互間的機械作用，其作用結果使物體的形狀和運動狀態(tài)發(fā)生改變。相關知識——靜力學基本概念

確定力的必要因素力的三要素大小方向作用點力的效應外效應—改變物體運動狀態(tài)的效應內效應—引起物體變形的效應力的表示法——力是一矢量，用帶箭頭的線段來表示，如圖。F力的單位——在國際單位制中，力的單位是牛頓(N)1N=1公斤?米/秒2

（kg?m/s2)。相關知識——靜力學基本概念

力系——作用于同一物體或物體系上的一群力。等效力系——對物體的作用效果相同的兩個力系。平衡力系——能使物體維持平衡的力系。合力——在特殊情況下，能和一個力系等效的一個力。相關知識——靜力學基本概念

公理一(二力平衡公理)作用于剛體上的兩個力，使剛體處于平衡狀態(tài)的充要條件是：這兩個力大小相等、方向相反、且作用在同一直線上。公理二(加減平衡力系公理)在作用著已知力系的剛體上，加上或減去任意平衡力系，都不會改變原力系對剛體的作用效果。相關知識——靜力學公理

推論(力的可傳性原理)作用于剛體上某點的力，可以沿其作用線移動到剛體上的任一點，，而不改變它對該剛體的作用效果。==FAF2F1FABF1ABA公理三(力平行四邊形公理)

作用于物體上同一點的兩個力的合力也作用于該點，且合力的大小和方向可用這兩個力為鄰邊所作的平行四邊形的對角線來確定。F1F2R矢量表達式：R=F1+F2即，合力為原兩力的矢量和。推論(三力平衡匯交原理)

剛體受不平行三個力作用而平衡時這三個力的作用線必在同一平面內且匯交于一點。F1F3R1F2A=證明：A3F1F2F3A3AA2A1公理四(作用和反作用公理)

兩個物體之間的作用力與反作用力總是成對出現(xiàn)，且大小相等，方向相反，沿著同一直線，但分別作用在這兩個物體上。任務1.2用平面匯交力系平衡條件求未知力任務描述

任務目標知識目標鑒定標準1.認識平面匯交力系2.能利用匯交平衡條件求未知力1.力在坐標軸上的投影方法2.平面匯交力系的平衡條件應知：力的投影及平面匯交力系平衡條件應會：用平面匯交力系平衡條件求未知力任務分析

任務實施

1.力在坐標軸上的投影相關知識

2.平面匯交力系的平衡條件平面匯交力系的平衡條件為：力系中各力在每個坐標軸上投影的代數(shù)和都等于零。即：

相關知識

式（1-4）稱為平面匯交力系的平衡方程。任務1.3認識力偶矩任務描述

右圖所示為駕駛員雙手操作轉向盤的示意圖，現(xiàn)對其操作分析如下：問題一：駕駛員雙手如何用力才能保持轉向盤靜止不動？問題二：駕駛員雙手如何用力才能使轉向盤轉動？問題三：如果駕駛員雙手施加的力增大一倍，雙手之間的距離減少一半，轉向盤的轉動有無變化？任務分析

任務目標知識目標鑒定標準1.正確描述力矩的應用2.正確描述力偶矩的應用3.能分析力矩與力偶矩的異同1.力矩的概念2.力偶、力偶矩的概念3.力矩和力偶矩的作用特點應知：力矩和力偶矩的概念及應用應會：用力矩和力偶矩知識分析相關受力構件任務實施

問題一：駕駛員雙手如何用力才能保持轉向盤靜止不動？分析：汽車轉向盤是轉動物體，轉向盤保持靜止不動，說明轉向盤處于平衡狀態(tài)，也就是轉向盤上所有力矩的代數(shù)和等于零，即符合力矩平衡條件：。駕駛員雙手施加兩個力，雙手作用在轉向盤的力矩應該大小相等，轉向相反，且雙手作用在轉向盤上的力臂大小相等。任務實施

問題二：駕駛員雙手如何用力才能使轉向盤轉動？分析：雙手欲使轉向盤轉動，雙手的作用力應大小相等，方向相反，作用線平行，且不在同一條直線上，相當于有力偶作用在轉向盤上。問題三：如果駕駛員雙手施加的力增大一倍，雙手之間的距離減少一半，轉向盤的轉動如何變化？分析：轉向盤的轉動沒有變化，因為作用在轉向盤上的力偶矩大小和方向沒有改變，力偶使轉向盤轉動的效應就沒有改變。一、力矩的概念力的轉動作用不僅與力的大小、方向有關，還與轉動中心到力的作用線的垂直距離有關定義Fd為力對物體對點O之矩，簡稱力矩，用M(F),M(F)=+_Fd其中，o點為力矩中心，稱為矩心，d為力臂，乘積Fd為力矩的大小，+-表示力矩的轉向，規(guī)定在平面問題中，逆時針轉向的力矩取正，順時針轉向取負。力矩單位為N.m,二、力矩的性質1、力F對o點的力矩，與F的大小有關，還與力臂有關2、力的大小等于零或力的作用線通過矩心時，力矩等于零相關知識

相關知識力偶常見到某些物體同時受到大小相等、方向相反、作用線互相平行的兩個力作用的情況例：1.人用手擰水龍頭2.司機用雙手轉動方向盤這樣一對等值、反向、不共線的平行力組成的特殊力系，稱為力偶,記作（F，F(xiàn)，）力偶對物體的作用效應僅僅是產(chǎn)生轉動力偶的兩力作用線所決定的平面稱為力偶的作用面兩力作用線間的垂直距離稱為力偶臂FF’moABd相關知識力偶矩力學中，用力偶的任一力的大小與力偶臂的乘積再冠以相應的正負號，作為力偶在其作用面內使物體產(chǎn)生轉動效應的度量，稱為力偶矩。即：任務1.4用平面任意力系的平衡條件求未知力任務描述

任務分析

任務目標知識目標鑒定標準1.認識平面任意力系2.能利用任意力系平衡條件求未知力1.平面任意力系的平衡條件2.平衡方程的表達形式應知：平面任意力系平衡條件應會：用平面任意力系平衡條件求未知力任務實施

相關知識

平面任意力系的平衡條件：力系中各力在每個坐標軸上投影的代數(shù)和都等于零，各力對任一點力矩的代數(shù)和也等于零。即：平面任意力系平衡方程除了基本形式外，還有其他兩種形式：

任務7.2汽車構件的強度分析

任務2.1拉伸與壓縮的強度分析

任務描述任務分析

任務目標知識目標鑒定標準1.正確認識拉伸與壓縮的受力及變形特點2.能校核受拉伸或壓縮構件的強度1.拉伸與壓縮的概念2.內力、應力的計算方法3.拉伸與壓縮時的強度計算應知：拉伸與壓縮的概念及內力、應力的計算方法應會：準確校核構件受拉伸或壓縮時的強度任務實施

相關知識

1.拉伸與壓縮的概念承受拉伸與壓縮變形的桿件稱為拉桿或壓桿

,桿件沿軸向方向產(chǎn)生伸長變形，這種變形稱為軸向拉伸，反之稱為軸向壓縮。特點：

作用在桿件上的外力是大小相等方向相反的拉力或壓力，其作用線與桿件軸線重合，桿件變形是沿軸線方向的伸長或縮短。受力簡圖為：FF拉伸FF壓縮受力特點：一對大小相等，方向相反，作用線與桿件的軸線重合的力。方向：指向桿件受力特點：一對大小相等，方向相反，作用線與桿件的軸線重合的力。方向：背離桿件相關知識

2.內力的計算內力：桿件受到外力作用而變形時，其內部材料的顆粒之間，因相對位置改變而產(chǎn)生的相互作用力.注：當內力達到一定限度時，分子間再也不能維持互相的聯(lián)系時，桿件便發(fā)生斷裂。相關知識

內力的計算是分析構件強度、剛度、穩(wěn)定性等問題的基礎。求內力的一般方法是截面法。(1)截面法的基本步驟：①切：②取：③代：④平：根據(jù)研究對象的平衡條件確定內力的方向和大小在所求內力的截面處，假想地用截面將桿件一分為二。取一部分做研究對象。其棄去部分對留下部分的作用，用作用在截開面上相應的內力（力或力偶）代替。（一律標背離截面）例如：截面法求N。

APP簡圖APPPAN切：?。浩剑捍篜A∑F=0N-P=0N=P(2)軸力內力的合力N的作用線垂直于橫截面，也必然與桿的軸線重合，這樣的內力稱軸力。(3)軸力的正負號規(guī)定:

N

方向離開截面,為正軸力(拉力)N為正NNN

方向指向截面,為負軸力(壓力)N為負NN3.應力的計算針對兩根材料相同但截面面積不同的桿件施加拉力，若拉力相同，則兩桿軸力相同，但隨著拉力不斷增加，橫截面面積小的桿件必然先斷，這說明桿件的強度與橫截面面積的大小有關，橫截面面積越小，軸力在橫截面上就分布的越集中，人們把內力在橫截面上分布的密集度，即橫截面單位面積上的內力稱為應力。

在拉（壓）桿中，橫截面上的應力為正應力，橫截面上各點的應力大小相等，其計算公式為：4.拉伸（壓縮）時的強度計算工程中對各種材料都規(guī)定了其所能承擔的最大應力值，稱為材料的許用應力，用符號表示。為保證構件具有足夠的強度，必須使構件的最大工作應力不超過材料的許用應力，即任務2.2剪切與擠壓時的強度分析任務描述

任務分析任務目標知識目標鑒定標準1.正確認識剪切與擠壓的受力及變形特點2.能校核受剪切或擠壓構件的強度1.剪切與擠壓的概念2.剪切與擠壓的實用計算3.剪切與擠壓的強度計算應知：剪切與擠壓的概念及應力計算方法應會：準確校核構件受剪切或擠壓時的強度任務實施

任務實施

相關知識

1.剪切與擠壓的概念

汽車上常會有構件如鉚釘、螺栓、銷等受到一對大小相等，方向相反、作用線相距很近的外力作用，這時構件將產(chǎn)生剪切和擠壓變形。

鉚釘連接螺栓連接剪切變形的特點是位于兩作用力之間的構件橫截面發(fā)生相對錯動，發(fā)生相對錯動的面稱為剪切面。擠壓的變形特點是兩構件在相互傳遞壓力的接觸面上產(chǎn)生塑性變形，發(fā)生擠壓變形的接觸表面稱為擠壓面。nn（合力）（合力）PP以鉚釘為例：①受力特點：構件受兩組大小相等、方向相反、作用線相互很近（差一個幾何平面）的平行力系作用。②變形特點：構件沿兩組平行力系的交界面發(fā)生相對錯動。2.剪切實用計算(1)受力特點和變形特點nn（合力）（合力）PP③剪切面：構件將發(fā)生相互的錯動面，如n–n

。④剪切面上的內力：

內力—剪力Q

，其作用線與剪切面平行。PnnQ剪切面實用計算方法：根據(jù)構件的破壞可能性，采用能反映受力基本特征，并簡化計算的假設，計算其名義應力，然后根據(jù)直接試驗的結果，確定其相應的許用應力，以進行強度計算。適用：構件體積不大，真實應力相當復雜情況，如連接件等。實用計算假設：假設剪應力在整個剪切面上均勻分布，等于剪切面上的平均應力。(2)剪切實用計算(1)剪切面--AQ：錯動面。

剪力--Q：剪切面上的內力。(2)名義剪應力--：(3)剪切強度條件（準則）：nn（合力）（合力）PPPnnQ剪切面工作應力不得超過材料的許用應力。(1)擠壓力―Pjy

：接觸面上的合力。擠壓：構件局部面積的承壓現(xiàn)象。擠壓力：在接觸面上的壓力，記Pjy

。假設：擠壓應力在有效擠壓面上均勻分布。3.擠壓實用計算(2)擠壓面積：接觸面在垂直Pjy方向上的投影面的面積。(3)擠壓強度條件（準則）：

工作擠壓應力不得超過材料的許用擠壓應力。擠壓面積任務2.3軸扭轉時的強度分析任務描述

任務分析任務目標知識目標鑒定標準1.正確認識軸扭轉時的受力及變形特點2.能進行軸扭轉時的強度計算1.軸扭轉的概念2.扭矩的計算方法3.軸扭轉時的強度計算方法應知：軸扭轉的概念及扭矩計算方法應會：準確校核軸扭轉時的強度任務實施

相關知識

1.圓軸扭轉的概念汽車上有很多發(fā)生扭轉的構件，例如傳遞發(fā)動機動力的傳動軸，傳遞轉向扭矩的轉向軸。另外，如圖2.11中所示的螺絲刀亦是扭轉變形實例。如圖2.12所示，這些發(fā)生扭轉構件的受力特點是：在桿件的兩端作用兩個大小相等、轉向相反，且作用面與軸線垂直的力偶。其變形特點是：桿件各橫截面都繞軸線作相對轉動，這種變形形式稱為扭轉?？梢园寻l(fā)生扭轉的桿件稱為軸，這里只研究軸的扭轉問題。MM外力偶矩與功率和轉速的關系T=9549P(kW)

n(r/min)

(N.m)2.扭矩的計算扭轉時的內力稱為扭矩，截面上的扭矩與作用在軸上的外力偶矩組成平衡力系。扭矩求解仍然使用截面法,即：扭矩大小等于該截面一側所有外力偶矩的代數(shù)和，計算公式為：

符號由右手螺旋法則判定：以四指握向表示旋向，拇指指向背離截面為正，指向截面為負。圓軸扭轉的切應力計算公式：最大切應力公式扭轉圓軸的橫截面上切應力分布規(guī)律3.圓軸扭轉強度計算圓軸扭轉時橫截面上的最大切應力當＝max時，＝max