汽車機(jī)械基礎(chǔ)教程（第3版）-吳笑偉課件 任務(wù)7 構(gòu)件的力學(xué)分析

任務(wù)7構(gòu)件的力學(xué)分析

任務(wù)目標(biāo)了解工程力學(xué)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(gòu)件在外力作用下的變形和失效規(guī)律；重點(diǎn)掌握各種汽車零件的強(qiáng)度分析方法。任務(wù)7構(gòu)件的力學(xué)分析

汽車在高速行駛的過程中，車上的構(gòu)件承受著復(fù)雜的作用力，同時(shí)存在多樣的變形，對(duì)于一名汽車設(shè)計(jì)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(jì)算汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)能提供的最大驅(qū)動(dòng)力矩是多少，傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)成空心是否合理，傳動(dòng)軸直徑設(shè)計(jì)成多大才安全，制動(dòng)踏板在制動(dòng)時(shí)是否達(dá)到強(qiáng)度要求等。這些問題均可以利用工程力學(xué)知識(shí)進(jìn)行解答。1997年9月，錢學(xué)森院士說過“工程力學(xué)走過了從工程設(shè)計(jì)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(xué)是研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)和桿件彈性變形一般規(guī)律的科學(xué)，既是許多工程學(xué)科的基礎(chǔ)，也可以獨(dú)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(jì)算汽車轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在特定速度下能提供的最大驅(qū)動(dòng)力矩是多少，傳動(dòng)軸直徑設(shè)計(jì)成多大才安全，傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)成空心是否合理，驅(qū)動(dòng)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(xué)知識(shí)進(jìn)行解答。

能力目標(biāo)1.能對(duì)各種汽車構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)分析；2.能分析各種汽車零件的強(qiáng)度問題。知識(shí)目標(biāo)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(diǎn)；4.正確描述拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉(zhuǎn)與彎曲的強(qiáng)度計(jì)算。項(xiàng)目目標(biāo)

任務(wù)7.1汽車構(gòu)件的靜力學(xué)分析

任務(wù)1.1畫受力圖任務(wù)描述如圖1.1所示結(jié)構(gòu)，AB桿中點(diǎn)作用力F,桿AB、BC不計(jì)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(wù)實(shí)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(xué)模型。一個(gè)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(guān)。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(diǎn)間的距離保持不變的物體。平衡——平衡是物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特殊形式，是指物體相對(duì)地球處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。力——力是物體相互間的機(jī)械作用，其作用結(jié)果使物體的形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。相關(guān)知識(shí)——靜力學(xué)基本概念

確定力的必要因素力的三要素大小方向作用點(diǎn)力的效應(yīng)外效應(yīng)—改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的效應(yīng)內(nèi)效應(yīng)—引起物體變形的效應(yīng)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(guān)知識(shí)——靜力學(xué)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(duì)物體的作用效果相同的兩個(gè)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(gè)力系等效的一個(gè)力。相關(guān)知識(shí)——靜力學(xué)基本概念

公理一(二力平衡公理)作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體處于平衡狀態(tài)的充要條件是：這兩個(gè)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(huì)改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用效果。相關(guān)知識(shí)——靜力學(xué)公理

推論(力的可傳性原理)作用于剛體上某點(diǎn)的力，可以沿其作用線移動(dòng)到剛體上的任一點(diǎn)，，而不改變它對(duì)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(diǎn)的兩個(gè)力的合力也作用于該點(diǎn)，且合力的大小和方向可用這兩個(gè)力為鄰邊所作的平行四邊形的對(duì)角線來確定。F1F2R矢量表達(dá)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(gè)力作用而平衡時(shí)這三個(gè)力的作用線必在同一平面內(nèi)且匯交于一點(diǎn)。F1F3R1F2A=證明：A3F1F2F3A3AA2A1公理四(作用和反作用公理)

兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是成對(duì)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(gè)物體上。任務(wù)1.2用平面匯交力系平衡條件求未知力任務(wù)描述

任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.認(rèn)識(shí)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(biāo)軸上的投影方法2.平面匯交力系的平衡條件應(yīng)知：力的投影及平面匯交力系平衡條件應(yīng)會(huì)：用平面匯交力系平衡條件求未知力任務(wù)分析

任務(wù)實(shí)施

1.力在坐標(biāo)軸上的投影相關(guān)知識(shí)

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(gè)坐標(biāo)軸上投影的代數(shù)和都等于零。即：

相關(guān)知識(shí)

式（1-4）稱為平面匯交力系的平衡方程。任務(wù)1.3認(rèn)識(shí)力偶矩任務(wù)描述

右圖所示為駕駛員雙手操作轉(zhuǎn)向盤的示意圖，現(xiàn)對(duì)其操作分析如下：問題一：駕駛員雙手如何用力才能保持轉(zhuǎn)向盤靜止不動(dòng)？問題二：駕駛員雙手如何用力才能使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)？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(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)有無變化？任務(wù)分析

任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.正確描述力矩的應(yīng)用2.正確描述力偶矩的應(yīng)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(diǎn)應(yīng)知：力矩和力偶矩的概念及應(yīng)用應(yīng)會(huì)：用力矩和力偶矩知識(shí)分析相關(guān)受力構(gòu)件任務(wù)實(shí)施

問題一：駕駛員雙手如何用力才能保持轉(zhuǎn)向盤靜止不動(dòng)？分析：汽車轉(zhuǎn)向盤是轉(zhuǎn)動(dòng)物體，轉(zhuǎn)向盤保持靜止不動(dòng)，說明轉(zhuǎn)向盤處于平衡狀態(tài)，也就是轉(zhuǎn)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(gè)力，雙手作用在轉(zhuǎn)向盤的力矩應(yīng)該大小相等，轉(zhuǎn)向相反，且雙手作用在轉(zhuǎn)向盤上的力臂大小相等。任務(wù)實(shí)施

問題二：駕駛員雙手如何用力才能使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)？分析：雙手欲使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)，雙手的作用力應(yīng)大小相等，方向相反，作用線平行，且不在同一條直線上，相當(dāng)于有力偶作用在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)如何變化？分析：轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)沒有變化，因?yàn)樽饔迷谵D(zhuǎn)向盤上的力偶矩大小和方向沒有改變，力偶使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的效應(yīng)就沒有改變。一、力矩的概念力的轉(zhuǎn)動(dòng)作用不僅與力的大小、方向有關(guān)，還與轉(zhuǎn)動(dòng)中心到力的作用線的垂直距離有關(guān)定義Fd為力對(duì)物體對(duì)點(diǎn)O之矩，簡稱力矩，用M(F),M(F)=+_Fd其中，o點(diǎn)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(zhuǎn)向，規(guī)定在平面問題中，逆時(shí)針轉(zhuǎn)向的力矩取正，順時(shí)針轉(zhuǎn)向取負(fù)。力矩單位為N.m,二、力矩的性質(zhì)1、力F對(duì)o點(diǎn)的力矩，與F的大小有關(guān)，還與力臂有關(guān)2、力的大小等于零或力的作用線通過矩心時(shí)，力矩等于零相關(guān)知識(shí)

相關(guān)知識(shí)力偶常見到某些物體同時(shí)受到大小相等、方向相反、作用線互相平行的兩個(gè)力作用的情況例：1.人用手?jǐn)Q水龍頭2.司機(jī)用雙手轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤這樣一對(duì)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(duì)物體的作用效應(yīng)僅僅是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)知識(shí)力偶矩力學(xué)中，用力偶的任一力的大小與力偶臂的乘積再冠以相應(yīng)的正負(fù)號(hào)，作為力偶在其作用面內(nèi)使物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的度量，稱為力偶矩。即：任務(wù)1.4用平面任意力系的平衡條件求未知力任務(wù)描述

任務(wù)分析

任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.認(rèn)識(shí)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(dá)形式應(yīng)知：平面任意力系平衡條件應(yīng)會(huì)：用平面任意力系平衡條件求未知力任務(wù)實(shí)施

相關(guān)知識(shí)

平面任意力系的平衡條件：力系中各力在每個(gè)坐標(biāo)軸上投影的代數(shù)和都等于零，各力對(duì)任一點(diǎn)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(wù)7.2汽車構(gòu)件的強(qiáng)度分析

任務(wù)2.1拉伸與壓縮的強(qiáng)度分析

任務(wù)描述任務(wù)分析

任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.正確認(rèn)識(shí)拉伸與壓縮的受力及變形特點(diǎn)2.能校核受拉伸或壓縮構(gòu)件的強(qiáng)度1.拉伸與壓縮的概念2.內(nèi)力、應(yīng)力的計(jì)算方法3.拉伸與壓縮時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)知：拉伸與壓縮的概念及內(nèi)力、應(yīng)力的計(jì)算方法應(yīng)會(huì)：準(zhǔn)確校核構(gòu)件受拉伸或壓縮時(shí)的強(qiáng)度任務(wù)實(shí)施

相關(guān)知識(shí)

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(diǎn)：

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(diǎn)：一對(duì)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(diǎn)：一對(duì)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(guān)知識(shí)

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

內(nèi)力的計(jì)算是分析構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等問題的基礎(chǔ)。求內(nèi)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(duì)象的平衡條件確定內(nèi)力的方向和大小在所求內(nèi)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(duì)象。其棄去部分對(duì)留下部分的作用，用作用在截開面上相應(yīng)的內(nèi)力（力或力偶）代替。（一律標(biāo)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(nèi)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(nèi)力稱軸力。(3)軸力的正負(fù)號(hào)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(fù)軸力(壓力)N為負(fù)NN3.應(yīng)力的計(jì)算針對(duì)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(qiáng)度與橫截面面積的大小有關(guān)，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(nèi)力在橫截面上分布的密集度，即橫截面單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。

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

任務(wù)分析任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.正確認(rèn)識(shí)剪切與擠壓的受力及變形特點(diǎn)2.能校核受剪切或擠壓構(gòu)件的強(qiáng)度1.剪切與擠壓的概念2.剪切與擠壓的實(shí)用計(jì)算3.剪切與擠壓的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)知：剪切與擠壓的概念及應(yīng)力計(jì)算方法應(yīng)會(huì)：準(zhǔn)確校核構(gòu)件受剪切或擠壓時(shí)的強(qiáng)度任務(wù)實(shí)施

任務(wù)實(shí)施

相關(guān)知識(shí)

1.剪切與擠壓的概念

汽車上常會(huì)有構(gòu)件如鉚釘、螺栓、銷等受到一對(duì)大小相等，方向相反、作用線相距很近的外力作用，這時(shí)構(gòu)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(diǎn)是位于兩作用力之間的構(gòu)件橫截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的面稱為剪切面。擠壓的變形特點(diǎn)是兩構(gòu)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(diǎn)：構(gòu)件受兩組大小相等、方向相反、作用線相互很近（差一個(gè)幾何平面）的平行力系作用。②變形特點(diǎn)：構(gòu)件沿兩組平行力系的交界面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。2.剪切實(shí)用計(jì)算(1)受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)nn（合力）（合力）PP③剪切面：構(gòu)件將發(fā)生相互的錯(cuò)動(dòng)面，如n–n

。④剪切面上的內(nèi)力：

內(nèi)力—剪力Q

，其作用線與剪切面平行。PnnQ剪切面實(shí)用計(jì)算方法：根據(jù)構(gòu)件的破壞可能性，采用能反映受力基本特征，并簡化計(jì)算的假設(shè)，計(jì)算其名義應(yīng)力，然后根據(jù)直接試驗(yàn)的結(jié)果，確定其相應(yīng)的許用應(yīng)力，以進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。適用：構(gòu)件體積不大，真實(shí)應(yīng)力相當(dāng)復(fù)雜情況，如連接件等。實(shí)用計(jì)算假設(shè)：假設(shè)剪應(yīng)力在整個(gè)剪切面上均勻分布，等于剪切面上的平均應(yīng)力。(2)剪切實(shí)用計(jì)算(1)剪切面--AQ：錯(cuò)動(dòng)面。

剪力--Q：剪切面上的內(nèi)力。(2)名義剪應(yīng)力--：(3)剪切強(qiáng)度條件（準(zhǔn)則）：nn（合力）（合力）PPPnnQ剪切面工作應(yīng)力不得超過材料的許用應(yīng)力。(1)擠壓力―Pjy

：接觸面上的合力。擠壓：構(gòu)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(shè)：擠壓應(yīng)力在有效擠壓面上均勻分布。3.擠壓實(shí)用計(jì)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(qiáng)度條件（準(zhǔn)則）：

工作擠壓應(yīng)力不得超過材料的許用擠壓應(yīng)力。擠壓面積任務(wù)2.3軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度分析任務(wù)描述

任務(wù)分析任務(wù)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.正確認(rèn)識(shí)軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的受力及變形特點(diǎn)2.能進(jìn)行軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算1.軸扭轉(zhuǎn)的概念2.扭矩的計(jì)算方法3.軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算方法應(yīng)知：軸扭轉(zhuǎn)的概念及扭矩計(jì)算方法應(yīng)會(huì)：準(zhǔn)確校核軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度任務(wù)實(shí)施

相關(guān)知識(shí)

1.圓軸扭轉(zhuǎn)的概念汽車上有很多發(fā)生扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件，例如傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的傳動(dòng)軸，傳遞轉(zhuǎn)向扭矩的轉(zhuǎn)向軸。另外，如圖2.11中所示的螺絲刀亦是扭轉(zhuǎn)變形實(shí)例。如圖2.12所示，這些發(fā)生扭轉(zhuǎn)構(gòu)件的受力特點(diǎn)是：在桿件的兩端作用兩個(gè)大小相等、轉(zhuǎn)向相反，且作用面與軸線垂直的力偶。其變形特點(diǎn)是：桿件各橫截面都繞軸線作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種變形形式稱為扭轉(zhuǎn)?？梢园寻l(fā)生扭轉(zhuǎn)的桿件稱為軸，這里只研究軸的扭轉(zhuǎn)問題。MM外力偶矩與功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系T=9549P(kW)

n(r/min)

(N.m)2.扭矩的計(jì)算扭轉(zhuǎn)時(shí)的內(nèi)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(cè)所有外力偶矩的代數(shù)和，計(jì)算公式為：

符號(hào)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(fù)。圓軸扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力計(jì)算公式：最大切應(yīng)力公式扭轉(zhuǎn)圓軸的橫截面上切應(yīng)力分布規(guī)律3.圓軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的最大切應(yīng)力當(dāng)＝max時(shí)，＝max