汽車機械基礎 課件 1 汽車構(gòu)件力學分析

汽車機械基礎課程學習平臺學銀在線/detail/241541013中國大學MOOC/course/WXIC-10023760031.11.21.31.4靜力學基礎知識力矩與力偶平面力系及平衡靜力學基本概念和公理、約束和約束反力、受力分析與受力圖平面匯交力系合成與平衡的幾何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成與平衡的幾何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的簡化方法力矩、力偶及其性質(zhì)、合力矩定理項目一汽車構(gòu)件力學分析材料力學基礎知識拉壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)1.1靜力學基礎知識能力目標：能夠進行受力分析，繪制受力圖壓榨機受力情況分析右圖壓榨機，桿AB和BC的長度相等，自重忽略不計。A，B，C，E處為鉸鏈連接。已知活塞D上受到油缸內(nèi)的總壓力為F=3kN，h=200mm，l=1500mm。試畫出桿AB，活塞和連桿以及壓塊C的受力圖。DEABCllh任務導入壓榨機受力情況分析力在平衡時所表現(xiàn)出來的基本性質(zhì)就是靜力學問題。靜力學在工程技術中具有重要的實用意義。DEABCllh任務分析12剛體力力是物體相互間的機械作用，其作用結(jié)果使物體的形狀和運動狀態(tài)發(fā)生改變。在外界的任何作用下形狀和大小都始終保持不變的物體。或者在力的作用下，任意兩點間的距離保持不變的物體。一基本概念和公理剛體是一種理想化的力學模型

力的效應力的三要素大小、方向、作用點（確定力的必要因素）添加標題力的單位一基本概念和公理外效應—改變物體運動狀態(tài)的效應內(nèi)效應—引起物體變形的效應F力的表示在國際單位制中，力的單位是:牛頓(N)1N=1公斤?米/秒2

（kg?m/s2)。12公理一(二力平衡公理)公理二(力的平行四邊形公理)一基本概念和公理剛體僅收兩力作用而保持平衡的充分必要條件是：兩力大小相等、方向相反，且作用在同一直線上。作用于物體上任一點的兩個力可合成為作用于同一點的一個力，即合力。合力的矢由原兩力的矢為鄰邊而作出的力平行四邊形的對角矢來表示。AF1F2R12一基本概念和公理作用于物體上任一點的兩個力可合成為作用于同一點的一個力，即合力。合力的矢由原兩力的矢為鄰邊而作出的力平行四邊形的對角矢來表示。AF1F2R公理二(力的平行四邊形公理)推論(三力匯交定理)F1F3R1F2=A3F1F2F3A3AA2A1A2A1A12公理三(加減平衡力系公理)公理四(作用力與反作用公理)一基本概念和公理一個物體對另一個物體有一作用力時，另一個物體對此物體必有一個反作用力，這兩個力大小相等、方向相反、作用在同一直線上，且分別作用在兩個物體上。

可以在作用于剛體的任何一個力系上加上或去掉幾個互成平衡的力，而不改變原力系對剛體的作用。不可能產(chǎn)生某方向的位移的物體。非自由體由周圍物體所構(gòu)成的、限制非自由體位移的條件。約束約束對被約束體的反作用力。約束反力基本概念可以任意運動（獲得任意位移）的物體。自由體約束力以外的力主動力二約束和約束反力1、柔繩、鏈條、膠帶等非剛性體所構(gòu)成的約束：限制的運動：限制物體沿著柔性伸長的方向運動。約束力方向：沿著繩索，背離物體，是拉力。

常見的幾種類型的約束二約束和約束反力

常見的幾種類型的約束A二約束和約束反力1、柔繩、鏈條、膠帶等非剛性體所構(gòu)成的約束：限制的運動：限制物體沿著柔性伸長的方向運動。約束力方向：沿著繩索，背離物體，是拉力。

常見的幾種類型的約束2、理想光滑接觸面約束二約束和約束反力

常見的幾種類型的約束3、光滑圓柱鉸鏈約束ABFAB二約束和約束反力

常見的幾種類型的約束FyFx(1)固定鉸鏈支座：F

二約束和約束反力

常見的幾種類型的約束(2)活動鉸鏈支座：FF二約束和約束反力(3)中間鉸鏈：

常見的幾種類型的約束4、固定端約束：二約束和約束反力畫受力圖的方法與步驟：1、取分離體（研究對象）2、畫出研究對象所受的全部主動力（使物體產(chǎn)生運動或運動趨勢的力）3、在存在約束的地方，按約束類型逐一畫出約束反力（研究對象與周圍物體的連接關系）三受力分析與受力圖AGAFNFTE

CGBEAFD解：(1)物體B受兩個力作用：(2)球A受三個力作用：(3)作用于滑輪C的力：

FTDGBB例題1在圖示的平面系統(tǒng)中，勻質(zhì)球A重為GA，借本身大小、重量和摩擦不計的理想滑輪C和柔繩維持在仰角是的光滑斜面上，繩的一端掛著重為GB的物體B。試分析物體B、球A和滑輪C的受力情況，并分別畫出平衡時各物體的受力圖。三受力分析與受力圖CFCXT2T1FCYECABFDBCNBNC解：1、桿BC所受的力：2、桿AB所受的力：表示法一：表示法二：BDAFNAxNAyNB’BAFDNAHNB’例題2等腰三角形構(gòu)架ABC的頂點A、B、C都用鉸鏈連接，底邊AC固定，而AB邊的中點D作用有平行于固定邊AC的力F，如圖所示。不計各桿自重，試畫出AB和BC的受力圖。三受力分析與受力圖BCNBxNCxNCyNByDEABCllh例題3如圖所示壓榨機中，桿AB和BC的長度相等，自重忽略不計。A，B，C，E處為鉸鏈連接。已知活塞D上受到油缸內(nèi)的總壓力為F=3kN，h=200mm，l=1500mm。試畫出桿AB，活塞和連桿以及壓塊C的受力圖。三受力分析與受力圖解：1.桿AB的受力圖。2.活塞和連桿的受力圖。3.壓塊C的受力圖。CxyFCxFCyFCBByxFFBCFAB三受力分析與受力圖FABAFBADEABCllh用戶可以在投影儀或者計算機上進行演示也可以將演示文稿打印出來制作成膠片以便應用到更廣泛的領域中

APBQABCP

PQNAxNAyNByNCNBPNBNA三受力分析與受力圖頭腦小風暴：快速分析下面的兩種桿件受力情況如何呢？每天積累一點點理想便會距離我們越來越近！課程學習平臺學銀在線/detail/241541013中國大學MOOC/course/WXIC-1002376003汽車機械基礎1.11.21.31.4靜力學基礎知識力矩與力偶平面力系及平衡靜力學基本概念和公理、約束和約束反力、受力分析與受力圖平面匯交力系合成與平衡的幾何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成與平衡的幾何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的簡化方法力矩、力偶及其性質(zhì)、合力矩定理項目一汽車構(gòu)件力學分析材料力學基礎知識拉壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)1.2力矩與力偶能力目標：能夠正確計算力矩與力偶矩生活中常見的現(xiàn)象司機開車時轉(zhuǎn)動方向盤，所用的力有什么特點，這樣的力對物體作用的外效應是什么？任務導入受力情況分析日常生活及生產(chǎn)實踐中，常見到物體受到一對大小相等、方向相反，但不在同一作用線上的平行力作用。這樣的力系稱為力偶，對物體作用的外效應是使物體單純地產(chǎn)生轉(zhuǎn)動運動的變化。任務分析一力對點之矩OAdBF

力矩——力F的大小乘以該力作用線到某點O間距離d，并加上適當正負號，稱為力F對O點的矩。簡稱力矩。O點稱為力矩中心，垂直距離d稱為力臂力的效應力矩的單位：N.m按右手規(guī)則：當有逆時針轉(zhuǎn)動的趨向時，力F對O點的矩取正值。力矩的表達式：力矩：力矩的正負號規(guī)定力矩的性質(zhì)1）力沿作用線移動時，對某點的矩不變2）力作用過矩心時，此力對矩心之矩等于零

3）互成平衡的力對同一點的矩之和等于零

4）力偶中兩力對面內(nèi)任意點的矩等于該力偶的力偶矩一力對點之矩二合力矩定理合力矩定理

合力對平面內(nèi)任意一點之矩，等于所有分力對同一點之矩的代數(shù)和。即若則

12三力偶和力偶矩力偶力偶矩F'Fd

力偶：

等值、反向、不共線的兩個平行力。力和力偶是靜力學的二基本要素。

作用效果：

引起物體的轉(zhuǎn)動。力偶矩:力偶中任何一個力的大小與力偶臂d的乘積，加上適當?shù)恼撎?。M(F，F(xiàn)')=±Fd

力偶矩正負規(guī)定：若力偶有使物體逆時針旋轉(zhuǎn)的趨勢，力偶矩取正號；反之，取負號。三力偶和力偶矩同一平面上力偶的等效條件

因此，以后可用力偶的轉(zhuǎn)向箭頭來代替力偶。

作用在剛體內(nèi)同一平面上的兩個力偶相互等效的充要條件:

二者的力偶矩代數(shù)值相等。(即大小、正負一樣）四平面力偶系的合成

平面力偶系：同一個平面內(nèi)由若干個力偶組成的力偶系。合成：平面力偶系合成的結(jié)果是一個力偶，其合力偶矩等于各力偶矩的代數(shù)和。M=∑Mi平衡：欲使力偶系平衡，就必須使合力偶矩等于零。即∑Mi＝0解：例題

圖示的鉸接四連桿機構(gòu)OABD，在桿OA和BD上分別作用著矩為M1和M2的力偶，而使機構(gòu)在圖示位置處于平衡。已知OA=r，DB=2r，α=30°，不計桿重，試求M1和M2

間的關系。桿AB為二力桿，受力方向沿著桿件方向。作出BD、OA桿受力圖如下：四平面力偶系的合成BA四平面力偶系的合成分別寫出桿AO和BD的平衡方程：每天積累一點點理想便會距離我們越來越近！課程學習平臺學銀在線/detail/241541013中國大學MOOC/course/WXIC-1002376003汽車機械基礎課程學習平臺學銀在線/detail/241541013中國大學MOOC/course/WXIC-10023760031.11.21.31.4靜力學基礎知識力矩與力偶平面力系及平衡靜力學基本概念和公理、約束和約束反力、受力分析與受力圖平面匯交力系合成與平衡的幾何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成與平衡的幾何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的簡化方法力矩、力偶及其性質(zhì)、合力矩定理項目一汽車構(gòu)件力學分析材料力學基礎知識拉壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)1.2平面匯交力系能力目標：能夠列出平面匯交力系平衡方程并求解未知量汽車制動機構(gòu)受力大小求解汽車制動機構(gòu),如圖所示，若已知司機踩在制動蹬上的力P，如何求解下面拉桿所受的力。任務導入P

246ACBOED要研究汽車機械的受力問題，建立汽車機械在力的作用下的平衡問題，首先要對汽車機械進行受力分析，再建立平衡方程進行求解。任務分析汽車制動機構(gòu)受力大小求解P

246ACBOED匯交力系——各力的作用線匯交于一點的力系。平面力系—各力的作用線處在同一平面內(nèi)的力系。

空間力系—各力的作用線不處在同一平面內(nèi)的力系。

任意力系——各力的作用線不相交且不平行的力系。平行力系——各力的作用線相互平行的力系。力系的分類1.力的三角形法則：添加標題一平面匯交力系合成與平衡的幾何法力的三角形法則實質(zhì)上是力的平行四邊形法則的另一種表達方式2.力的多邊形法則：添加標題一平面匯交力系合成與平衡的幾何法AF2F1F4F3RF1BF2CF3DF4EA表達式：F1、F2、F3、F4為平面匯交力系把各力首尾相接，形成一條有向折線段（力鏈）。加上一封閉邊，就得到一個多邊形，稱為力多邊形。3.平面匯交力系的平衡

該力系的力多邊形自行閉合，即力系中各力的矢量和等于零。

在平衡情況下，合力為零。力多邊形中最后一個力的終點與第一個力的起點重合。匯交力系平衡的充要幾何條件：表達式：一平面匯交力系合成與平衡的幾何法JNDKSBPI

(c)A60oPB30oaaC(a)NB(b)BNADAC60o30oPEPNBNA60o30oHK(c)解：(1)取梁AB作為研究對象。(2)畫出受力圖。(3)應用平衡條件畫出P、NA和NB的閉合力三角形。選定力的比例尺1cm=10KN，作力P的平行線EH，根據(jù)比例尺，EH長度等于2cm，過H點作NA的平行線HK,過E點作NB的平行線EK，兩線相較于K點。得到封閉的力的三角形。根據(jù)力多邊形法則，各力矢量首尾相連接，可確定NA和NB的指向。測量出HK和EK的長度，經(jīng)比例尺換算可以得出NA=17.3kN，NB=10kN

例題1

水平梁AB中點C作用著力P，其大小等于20kN，方向與梁的軸線成60o角，支承情況如圖(a)所示，試求固定鉸鏈支座A和活動鉸鏈支座B的反力。梁的自重不計。

一平面匯交力系合成與平衡的幾何法一平面匯交力系合成與平衡的幾何法O

PASBBNDD

(b)JNDKSBPI

(c)解：(1)取制動蹬ABD作為研究對象。(2)畫出受力圖。P

246ACBOED(a)(3)應用平衡條件畫出P、SB和ND的閉和力三角形。例題2圖示是汽車制動機構(gòu)的一部分。司機踩到制動蹬上的力P=212N，方向與水平面成

=45

角。當平衡時，BC水平，AD鉛直，試求拉桿所受的力。已知EA=24cm，DE=6cm點E在鉛直線DA上，又B、C、D都是光滑鉸鏈，機構(gòu)的自重不計。（5）代入數(shù)據(jù)求得：

FB=750N。（4）由幾何關系得：

由力三角形可得：O

PASBBNDD

(b)JNDKSBPI

(c)一平面匯交力系合成與平衡的幾何法二平面匯交力系合成與平衡的解析法1.力的分解及投影：力的分解把一個力沿兩個已知方向分解，求這兩個分力大小

力在直角坐標軸上的投影力的投影方程式二平面匯交力系合成與平衡的解析法力系中所有各力在各個坐標軸中每一軸上的投影的代數(shù)和分別等于零。平面匯交力系的平衡方程:2.匯交力系平衡的充要解析條件解：(1)取節(jié)點B作為研究對象。(2)畫出受力圖（b）。例題3圖示是一個簡易的起重機。利用鉸車繞過定滑輪B的繩子吊起一重G=20kN的貨物，滑輪由兩端鉸鏈的水平杠桿AB和斜杠桿BC支持于點B(圖(a))。不計鉸車的自重，不計滑輪B的大小，試求桿AB和BC所受的力。二平面匯交力系合成與平衡的解析法30°30°BPACaFBCFABxy30°bB30°GT二平面匯交力系合成與平衡的解析法(3)列出平衡方程：(4)聯(lián)立求解，得

FBCFABxy30°bB30°GT約束反力FAB為負值，說明該力實際指向與圖上假定指向相反。即桿AB實際上受拉力。約束反力FBC為正值，說明該力實際指向與圖上假定指向一致。即桿BC實際上受壓力。每天積累一點點理想便會距離我們越來越近！課程學習平臺學銀在線/detail/241541013中國大學MOOC/course/WXIC-1002376003汽車機械基礎課程學習平臺學銀在線/detail/241541013中國大學MOOC/course/WXIC-10023760031.11.21.31.4靜力學基礎知識力矩與力偶平面力系及平衡靜力學基本概念和公理、約束和約束反力、受力分析與受力圖平面匯交力系合成與平衡的幾何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成與平衡的幾何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的簡化方法力矩、力偶及其性質(zhì)、合力矩定理項目一汽車構(gòu)件力學分析材料力學基礎知識拉壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)1.4材料力學基礎知識能力目標：能夠簡單分析物體在外力作用下的變形情況。汽車傳動軸為何汽車傳動軸在工作過程中使用不當會造成破壞，為何大部分汽車傳動軸是空心設計？任務導入汽車傳動軸工作過程中，會受到外力偶作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。任務分析汽車傳動軸

材料力學各種機械、設備和結(jié)構(gòu)物在使用時，組成它們的每個構(gòu)件都要受到從相鄰構(gòu)件或從其他構(gòu)件傳遞來的載荷作用，材料力學研究各種構(gòu)件抗力性能，按照引起構(gòu)件失效的內(nèi)力形式進行劃分。一拉伸和壓縮工程中存在許多承受拉伸或壓縮的桿件。變形特點拉伸受力簡圖添加標題作用在桿件上的外力合力的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。軸向拉伸和壓縮變形一拉伸和壓縮壓縮受力簡圖FFFF一拉伸和壓縮一拉伸和壓縮FF1、軸力：橫截面上的內(nèi)力2、截面法求軸力mmFFN切:假想沿m-m橫截面將桿切開留:留下左半段或右半段代:將拋掉部分對留下部分的作用用內(nèi)力代替平:對留下部分寫平衡方程求出內(nèi)力即軸力的值FFN軸向拉壓時的內(nèi)力——軸力由于外力的作用線與桿件的軸線重合，內(nèi)力的作用線也與桿件的軸線重合。所以稱為軸力。3、軸力正負號：拉為正、壓為負4、軸力圖：軸力沿桿件軸線的變化一拉伸和壓縮軸向拉壓時的應力正應力σ和軸力FN同號。即拉應力為正，壓應力為負。一拉伸和壓縮一拉伸和壓縮軸向拉壓時的強度根據(jù)強度條件，可以解決三類強度計算問題1、強度校核：2、設計截面：3、確定許可載荷：二剪切和擠壓剪切的工程實例鉚釘連接銷軸連接平鍵連接二剪切和擠壓受力特點添加標題作用在構(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。剪切和擠壓變形變形特點位于兩力之間的截面發(fā)生相對錯動。FFnn（合力）（合力）PP二剪切和擠壓剪切時的內(nèi)力——剪力剪切時的應力——切應力剪切時的強度條件受力簡圖二剪切和擠壓擠壓時的內(nèi)力——擠壓力擠壓時的應力——擠壓應力擠壓時的強度條件受力簡圖Fbsσbs*注意擠壓面面積的計算平面接觸：即為接觸面面積圓柱面接觸：為半圓柱的正投影面積FF二剪切和擠壓二剪切和擠壓三圓軸的扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)的工程實例汽車傳動軸汽車方向盤受力特點添加標題圓軸扭轉(zhuǎn)變形變形特點使桿件的橫截面繞軸線產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動

FF指桿件受到大小相等,方向相反且作用平面垂直于桿件軸線的力偶作用三圓軸的扭轉(zhuǎn)圓軸扭轉(zhuǎn)時的外力——外力偶矩直接計算三圓軸的扭轉(zhuǎn)圓軸扭轉(zhuǎn)時的外力——外力偶矩按輸入功率和轉(zhuǎn)速計算已知:軸轉(zhuǎn)速－n轉(zhuǎn)/分鐘(r/min)軸傳遞的功率－P千瓦(kw)求：力偶矩M三圓軸的扭轉(zhuǎn)圓軸扭轉(zhuǎn)時的內(nèi)力——扭矩T=Me三圓軸的扭轉(zhuǎn)扭矩正負號判斷右手螺旋法則右手拇指指向外法線方向為正(+),反之為負(-)三圓軸的扭轉(zhuǎn)三圓軸的扭轉(zhuǎn)圓軸扭轉(zhuǎn)時的應力——切應力實心軸空心軸三圓軸的扭轉(zhuǎn)圓軸扭轉(zhuǎn)時的強度已知T

、D和[τ]，校核強度已知T

和[τ]，設計截面已知D和[τ]，確定許可載荷三圓軸的扭轉(zhuǎn)