汽車構(gòu)造 課件 模塊1 汽車構(gòu)件力學(xué)分析

模塊一汽車構(gòu)件力學(xué)分析

汽車構(gòu)件的靜力分析

汽車構(gòu)件承載能力分析汽車構(gòu)件的靜力分析1.能敘述靜力學(xué)的基本概念與公理。2.能正確應(yīng)用靜力學(xué)基本理論對汽車構(gòu)件進(jìn)行受力分析。3.能正確繪制汽車構(gòu)件的受力圖。4.能對汽車構(gòu)件進(jìn)行簡單的平衡計算。學(xué)習(xí)目標(biāo)一、基本概念與公理汽車構(gòu)件的靜力分析1.力的概念力是物體之間的相互作用，這種作用會使物體的運(yùn)動狀態(tài)或形狀發(fā)生改變。力是矢量，力的大小、方向和作用點(diǎn)為力的三要素?？捎靡粭l具有方向的線段來表示，如圖1-1-1所示。通過力的作用點(diǎn)，沿力的方向的直線，稱為力的作用線。引導(dǎo)問題：什么是力？力有哪些要素？剛體有何特征？剛體平衡的條件是什么？汽車構(gòu)件的靜力分析2.剛體任何物體在受到力的作用后，都或多或少會產(chǎn)生變形，如果變形的程度相對于物體本身的幾何尺寸來說極其微小；或者在研究物體運(yùn)動時，其變形也可以忽略不計。我們把這種理想的，在受力作用后形狀和大小不變，而且內(nèi)部各點(diǎn)的相對位置不變的物體稱為剛體。

靜力學(xué)的研究對象就是剛體，靜力學(xué)一般稱為剛體靜力學(xué)；當(dāng)研究物體在力系作用下的內(nèi)部效應(yīng)時，不能忽略物體變形的作用，這是材料力學(xué)所研究的問題。汽車構(gòu)件的靜力分析3.平衡平衡是指物體相對于慣性參考系處于靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。通常把固定于地球表面的參考系作為慣性參考系。平衡力系，是指使物體處于平衡狀態(tài)下的力系。研究作用在物體上的平衡力系所需滿足的條件稱為力系的平衡條件。汽車構(gòu)件的靜力分析4.靜力學(xué)公理公理是人們在生活和生產(chǎn)實踐中長期積累的經(jīng)驗總結(jié)，又經(jīng)過實踐反復(fù)檢驗，被確認(rèn)為符合客觀實際的最普遍、最一般的規(guī)律。靜力學(xué)公理是人們關(guān)于力的基本性質(zhì)的概括與總結(jié)，是靜力學(xué)全部理論的基礎(chǔ)。公理一二力平衡公理作用在同一剛體上的兩個力使剛體平衡的充要條件是：這兩個力的大小相等、方向相反、作用在同一直線上。如圖1-1-2所示為光滑桌面上的小車受到兩個力而平衡。僅受到兩個力（重力不計）而平衡的桿件稱為二力桿，二力桿所受的兩個力一定大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。汽車構(gòu)件的靜力分析公理二加減平衡力系公理對于作用在剛體上的任何一個力系，可以增加或減少力系內(nèi)的任意平衡力系，這并不會改變原力系對剛體的作用效果。如圖1-1-3所示，圖1-1-3a為在兩個平衡力作用下的小車，減去該平衡力力系后，小車仍然平衡（圖1-1-3b）。汽車構(gòu)件的靜力分析推論：力的可傳性原理，作用于剛體上的力可沿其作用線移到同一剛體內(nèi)的任一點(diǎn)，而不改變該力對剛體的效應(yīng)。因此，對剛體來說，力的作用三要素為：大小、方向、作用線。汽車構(gòu)件的靜力分析公理三作用力與反作用力公理兩物體之間相互作用的力總是同時存在，兩者大小相等、方向相反、沿同一條直線，分別作用在兩個相互作用的物體上。這個公理表明了力是成對出現(xiàn)的，等值、反向、共線，但是作用在兩個物體上的作用力與反作用力是力學(xué)中普遍存在的一對矛盾。它們相互對立，相互依存，同時存在，同時消失。通過作用與反作用，相互關(guān)聯(lián)的物體的受力即可聯(lián)系起來。要特別注意作用力與反作用力公理中的一對力和二力平衡公理中的一對力的區(qū)別。作用力和反作用力分別作用在不同的物體上，而二力平衡公理中的兩個力則作用在同一個物體上。汽車構(gòu)件的靜力分析公理四力的平行四邊形法則作用在剛體上的兩個匯交力可合成一個合力，合力的作用點(diǎn)在二力的匯交點(diǎn)，合力的大小和方向由以此二力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對角線確定，矢量表示如圖1-1-6所示。汽車構(gòu)件的靜力分析二、約束與約束反力引導(dǎo)問題：傳動帶對帶輪的作用力與軸承對軸的作用力分別有什么特點(diǎn)？機(jī)械構(gòu)件與構(gòu)件間有哪些基本約束？所產(chǎn)生的約束反力有何特點(diǎn)？工程中的機(jī)器或者機(jī)構(gòu)，總是由許多零部件組成的。這些零部件按照一定的形式相互連接，它們之間的運(yùn)動必然互相限制。將限制非自由體運(yùn)動的物體稱為約束物體，簡稱約束。約束對非自由體的作用，實際上就是力，這種力稱為約束反力，簡稱反力。汽車構(gòu)件的靜力分析約束反力是指當(dāng)非自由體有沿約束所限制方向的運(yùn)動趨勢時，約束與被約束體之間產(chǎn)生相互的作用力。約束反力的大小和方向取決于主動力作用的情況和約束的形式，通常是未知的，需根據(jù)約束的性質(zhì)進(jìn)行分析判斷。但約束反力的作用點(diǎn)總是在約束與被約束物體相互接觸處，約束反力必與約束所限制的運(yùn)動方向相反。約束反力具有以下特點(diǎn)：①大小常常是未知的。②方向總是與約束限制的物體的位移方向相反。③作用點(diǎn)在物體與約束相接觸的那一點(diǎn)。汽車構(gòu)件的靜力分析1.柔體約束在工程實際中的鋼絲繩、繩索、傳動帶等均屬于柔體約束。這些物體只能受拉而不能受壓，約束力作用于接觸點(diǎn)、方向沿著柔體中心線背離被約束物體，被繩索吊著的小球受力如圖1-1-8a所示，傳動帶所提供的約束反力如圖1-1-8b所示。汽車構(gòu)件的靜力分析2.光滑面約束光滑面約束的特點(diǎn)是這種約束不能限制物體沿約束表面切線方向的移動，約束反力的方向沿著接觸面的公法線方向指向被約束物體，如圖1-1-9所示。汽車構(gòu)件的靜力分析3.光滑鉸鏈約束光滑鉸鏈約束是由銷釘連接兩帶孔的構(gòu)件組成，工程中常見的有中間鉸鏈約束、固定鉸鏈約束和活動鉸鏈約束三種形式。用銷釘把具有相同孔徑的兩物體連接起來，便構(gòu)成了中間鉸鏈約束。如圖1-1-10a所示。當(dāng)忽略摩擦?xí)r，銷釘對兩物體的約束相當(dāng)于光滑面約束。因此其約束反力必定沿接觸面的公法線而指向物體。但物體與銷釘?shù)慕佑|點(diǎn)的位置與其受力有關(guān)，預(yù)先不能確定，所以約束反力的方向亦不能預(yù)先確定，通常用通過銷釘中心的兩正交分力來代替。各分力矢量的指向可任意假設(shè)。圖1-1-10b所示為其力學(xué)模型。汽車構(gòu)件的靜力分析汽車構(gòu)件的靜力分析如果銷釘連接的兩物體中有一個固定于地面，這類約束稱為固定鉸鏈約束，如圖1-1-11a所示。其約束反力的表示方法與中間鉸鏈約束相同。圖1-1-11b所示為其力學(xué)模型。汽車構(gòu)件的靜力分析根據(jù)工程需要，把固定鉸鏈約束用幾個輥軸支承在光滑面上，便構(gòu)成了活動鉸鏈約束，如圖1-1-12a所示。這種約束是由光滑面和鉸鏈兩種約束組合而成的一種復(fù)合約束形式，其約束反力的作用線必垂直于支承面且過鉸鏈中心，圖1-1-12b所示為其力學(xué)模型。汽車構(gòu)件的靜力分析解決力學(xué)計算問題時，首先要選定需要進(jìn)行研究的物體，即確定研究對象，然后分析其受力情況，這個過程稱為物體的受力分析。分析過程中，解除約束，把研究對象從周圍物體中分離出來，畫出其簡圖，稱為分離體。將研究對象所受的所有的主動力和約束反力用力矢量表示在分離體上，這種圖形稱為物體的受力圖。三、受力分析與受力圖解除約束原理當(dāng)受約束的物體在某些主動力的作用下處于平衡，若將其部分或全部的約束除去，代之以相應(yīng)的約束反力，則物體的平衡不受影響。意義：在解決實際物體的平衡問題時，可以將該物體所受的各種約束解除，而用相應(yīng)的約束反力去代替它們對于物體的作用。這時，物體在所有主動力和約束力作用下，仍然保持平衡，但物體已經(jīng)被抽象成為一個不受任何約束作用的自由體了，因而就可利用靜力學(xué)所得出的關(guān)于自由剛體的平衡條件來解決受有各種不同約束的物體的平衡問題。汽車構(gòu)件的靜力分析畫物體受力圖主要步驟為：①選研究對象；②去約束，取分離體；③畫上主動力；④畫出約束反力。受力圖[例1]OWFDFEFAxFAyFBFAFBABDABDG汽車構(gòu)件的靜力分析[例2]畫出下列各構(gòu)件的受力圖QAOBCDEQFOF'F1FOF1'CFCF2ACDBEFAFBFC'汽車構(gòu)件的靜力分析[例2]畫出下列各構(gòu)件的受力圖QAOBCDEACDBEFAFBFAADCFDDEFECBEFBFC'FE'FD'FC1FC2CFC1'FC2'FC'汽車構(gòu)件的靜力分析CBDDE[例3]畫出下列各構(gòu)件的受力圖說明：三力平衡必匯交當(dāng)三力平行時，在無限遠(yuǎn)處匯交，它是一種特殊情況。FAFBQFDFEFCABFB'FD'汽車構(gòu)件的靜力分析[例4]尖點(diǎn)問題QFCFAFBQFCFB汽車構(gòu)件的靜力分析B[例5]畫出下列各構(gòu)件的受力圖WFTFBxFHFByFH'FDFCCDCBAFAxFAyFDFTFAxFAyFHFC'FBy'FBx'汽車構(gòu)件的靜力分析汽車構(gòu)件的靜力分析四、力矩與力偶引導(dǎo)問題：什么是力矩？如何度量力對物體的轉(zhuǎn)動效應(yīng)？力偶矩有何特點(diǎn)？1.力矩力對物體的運(yùn)動效應(yīng)，分為移動效應(yīng)和轉(zhuǎn)動效應(yīng)兩種，其中力對物體的轉(zhuǎn)動效應(yīng)用力矩來度量。以扳手旋轉(zhuǎn)螺母為例，如圖1-1-14所示，設(shè)螺母能繞點(diǎn)O轉(zhuǎn)動。由經(jīng)驗可知，螺母能否旋動，不僅取決于作用在扳手上的力F的大小，而且還與點(diǎn)O到F的作用線的垂直距離d有關(guān)。因此，用F與d的乘積作為力F使螺母繞點(diǎn)O轉(zhuǎn)動效應(yīng)的度量，稱之為力F對O點(diǎn)的矩，簡稱力矩，記為MO（F）=±FdO點(diǎn)——矩心；d——力臂，規(guī)定力使剛體繞矩心逆時針方向轉(zhuǎn)動，力矩為正，反之為負(fù)。汽車構(gòu)件的靜力分析力矩的性質(zhì)：1）力F對O點(diǎn)之矩不僅取決于力F的大小，同時還與矩心的位置即力臂d有關(guān)。2）力F對于任意一點(diǎn)之矩，不會因該力的作用點(diǎn)沿其作用線移動而改變。3）力F的大小等于零或者力的作用線通過矩心時，力矩等于零。討論：如圖1-1-15所示，數(shù)值相同的三個力按照不同的方式施加在同一扳手的A端，圖示三種情況下力F對O點(diǎn)的力矩的大小是否相同？汽車構(gòu)件的靜力分析2.力偶作用于剛體上大小相等、方向相反、作用線平行但不共線的兩個力所組成的最簡單的力系稱為力偶。如圖1-1-16所示，駕駛員用雙手轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的作用力F和F＇。力偶能使剛體產(chǎn)生純轉(zhuǎn)動效應(yīng)，而不能產(chǎn)生移動效應(yīng)。力偶對剛體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動效應(yīng)以力偶矩M度量，記作M=±Fd模塊一汽車構(gòu)件力學(xué)分析

汽車構(gòu)件的靜力分析

汽車構(gòu)件承載能力分析汽車構(gòu)件承載能力分析1.能敘述桿件的受力特點(diǎn)與變形特點(diǎn)。2.能正確分析、計算桿件的內(nèi)力與應(yīng)力。3.能正確分析、計算構(gòu)件所受的剪切應(yīng)力與擠壓應(yīng)力。4.能正確分析、計算圓軸扭轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的應(yīng)力與變形。學(xué)習(xí)目標(biāo)汽車構(gòu)件承載能力分析一、拉伸與壓縮引導(dǎo)問題：連接氣缸蓋與氣缸體的螺栓所受的載荷形式是什么？其變形特點(diǎn)是什么？如果變形過大，會造成哪些不良影響？如圖1-2-1所示的支架由兩條桿AB、AC組成，在A處受到向下的作用力F，則AB桿承受拉力，AC桿承受壓力。1.拉伸與壓縮的概念汽車構(gòu)件承載能力分析

二者具有相同的受力特點(diǎn)：作用在桿件兩端外力的合力大小相等、方向相反，且作用線與桿的軸線重合。桿件在這種外力作用下所產(chǎn)生的變形，使桿件產(chǎn)生沿軸線方向的伸長或縮短。桿件的這種變形形式稱為桿件的軸向拉伸與壓縮。對這類桿件的形狀和受力情況進(jìn)行簡化后，可用圖1-2-2所示的簡圖來表示。桿件受拉的時候伸長，受壓的時候縮短。汽車構(gòu)件承載能力分析2.內(nèi)力與截面法

構(gòu)件的材料是由許多質(zhì)點(diǎn)組成的。構(gòu)件不受外力作用時，材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間保持一定的相互作用力，使構(gòu)件具有固定形狀。當(dāng)構(gòu)件受外力作用產(chǎn)生變形時，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的相互位置發(fā)生改變，從而內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的力也發(fā)生變化。這種由外力作用而引起的受力構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間相互作用力的改變量稱為附加內(nèi)力，簡稱內(nèi)力。內(nèi)力是由外力引起的，內(nèi)力隨外力的變化而變化，外力增大，內(nèi)力也增大，外力撤銷后，內(nèi)力也隨之消失。汽車構(gòu)件承載能力分析由于上述內(nèi)力的作用線與桿件的軸線重合，故把拉（壓）桿的這種內(nèi)力稱為軸力，其符號規(guī)定為：桿件受拉伸時，軸力背離截面，取正號，稱為拉力；反之取負(fù)號，稱為壓力。這樣，對于圖1-2-3中的桿件，無論取I或II段，所得的結(jié)果不僅數(shù)值相等，而且正負(fù)號相同，同時還可以根據(jù)軸力的正負(fù)號判別拉、壓兩種變形。這種取桿件的一部分為研究對象，利用靜力平衡方程求內(nèi)力的方法稱為截面法。汽車構(gòu)件承載能力分析3.應(yīng)力用同一材料制成的而橫截面面積不同的兩桿，在相同拉力作用下，隨著拉力的增加，橫截面積小的桿必然先被拉斷。這說明桿的強(qiáng)度不僅與軸力的大小有關(guān)，還與橫截面積的大小有關(guān)，即桿的強(qiáng)度取決于內(nèi)力在橫截面上分布的密集程度。內(nèi)力在某點(diǎn)上分布的密集度即為該點(diǎn)處的應(yīng)力p。汽車構(gòu)件承載能力分析應(yīng)力p是一個矢量，使用中常常將其分解成垂直于截面的分量σ和相切于截面的分量τ。σ稱為正應(yīng)力，τ稱為切應(yīng)力，如圖1-2-4所示。如果桿件受拉伸或壓縮，所受軸力為FN，桿的橫截面面積為A，則正應(yīng)力可按照式（1-2-2）計算。汽車構(gòu)件承載能力分析4.拉壓桿的強(qiáng)度條件在理想情況下，為了保證構(gòu)件能夠安全可靠地工作，而又能充分利用材料的強(qiáng)度潛能，最好使所設(shè)計構(gòu)件的工作應(yīng)力σ小于且接近于極限應(yīng)力σo，但實際上，由于很多不可控因素的存在，導(dǎo)致很難做到這一點(diǎn)。所以，必須使構(gòu)件留有一定的安全儲備，即對材料的極限應(yīng)力打個折扣，使構(gòu)件工作應(yīng)力的最大允許值不超過這個折扣值。這個允許值稱為許用應(yīng)力，用符號[σ]表示，即：式中n——為大于1的系數(shù)，稱為安全系數(shù)，用以表示構(gòu)件安全儲備的程度或強(qiáng)度的富余程度。汽車構(gòu)件承載能力分析為了使拉壓桿件在工作中安全可靠（即強(qiáng)度足夠），必須使其所受的最大工作正應(yīng)力σmax小于或等于許用正應(yīng)力[σ]，即利用式（1-2-4）可解決三種類型的強(qiáng)度計算問題：（1）校核強(qiáng)度若已知桿件尺寸、所受載荷和材料的許用應(yīng)力，則由式（1-2-5）校核桿件是否滿足強(qiáng)度要求，即汽車構(gòu)件承載能力分析（2）確定許用載荷已知桿件尺寸和材料的許用應(yīng)力，則由式（1-2-4）可得（3）設(shè)計截面尺寸已知桿件所受載荷和材料的許用應(yīng)力，則由式（1-2-4）可得已知F1=10kN；F2=20kN；F3=35kN；F4=25kN;試畫出圖示桿件的軸力圖。11例題1FN1F1解：1、計算各段的軸力。F1F3F2F4ABCD2233FN3F4FN2F1F2AB段BC段CD段2、繪制軸力圖。汽車構(gòu)件承載能力分析汽車構(gòu)件承載能力分析二、剪切與擠壓引導(dǎo)問題：汽車機(jī)械上常采用鍵、銷將兩個或兩個以上的構(gòu)件連接起來，鍵和銷受到的載荷特點(diǎn)是什么？將產(chǎn)生怎樣的變形？1.剪切的概念工程結(jié)構(gòu)中的許多連接件，如鉚釘、螺栓、鍵、銷等，受力后產(chǎn)生的主要變形為剪切。剪切原理見表1-2-1。汽車構(gòu)件承載能力分析

剪切受力特點(diǎn)為：作用在構(gòu)件兩側(cè)面上的外力合力大小相等、方向相反且作用線很近，剪切面上的內(nèi)力與剪切面平行，稱為剪力。

變形特點(diǎn)是：位于兩力之間的截面發(fā)生相對錯動。汽車構(gòu)件承載能力分析在剪切面上有切應(yīng)力τ存在。切應(yīng)力在剪切面上的分布情況十分復(fù)雜，工程上通常采用一種以實驗及經(jīng)驗為基礎(chǔ)的實用計算方法來計算，即假定剪切面上的切應(yīng)力τ是均勻分布的。2.剪切的實用計算式中A——剪切面面積；FS——剪切面上的剪力。為了使構(gòu)件不發(fā)生剪切破壞，要求剪切面上的平均切應(yīng)力不超過材料的許用切應(yīng)力，即剪切時的強(qiáng)度條件為式中[τ]——許用切應(yīng)力。剪切強(qiáng)度條件同樣可以解決三類問題：強(qiáng)度校核、設(shè)計截面尺寸和確定許用載荷。汽車構(gòu)件承載能力分析3.擠壓的概念鉚釘?shù)冗B接件在外力作用下發(fā)生剪切變形的同時，在連接件和被連接件的接觸面上相互壓緊，產(chǎn)生局部壓陷變形，嚴(yán)重時可致壓潰，這種現(xiàn)象稱為擠壓，如圖1-2-5所示。對鉚釘進(jìn)行受力分析，如圖1-2-6所示，鉚釘上半部分左側(cè)受到板的向右的壓力FC，鉚釘下半部分右側(cè)，受到板的向左的壓力FC，F(xiàn)C等于外力F。汽車構(gòu)件承載能力分析4.擠壓的實用計算擠壓應(yīng)力在擠壓面上的分布也很復(fù)雜。因此也采用實用計算法，假定擠壓應(yīng)力均勻地分布在計算擠壓面上，平均擠壓應(yīng)力即為式中AC——計算擠壓面面積。