汽车机械基础 课件 1 汽车构件力学分析

汽车机械基础课程学习平台学银在线/detail/241541013中国大学MOOC/course/WXIC-10023760031.11.21.31.4静力学基础知识力矩与力偶平面力系及平衡静力学基本概念和公理、约束和约束反力、受力分析与受力图平面汇交力系合成与平衡的几何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成与平衡的几何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的简化方法力矩、力偶及其性质、合力矩定理项目一汽车构件力学分析材料力学基础知识拉压、剪切、弯曲、扭转1.1静力学基础知识能力目标：能够进行受力分析，绘制受力图压榨机受力情况分析右图压榨机，杆AB和BC的长度相等，自重忽略不计。A，B，C，E处为铰链连接。已知活塞D上受到油缸内的总压力为F=3kN，h=200mm，l=1500mm。试画出杆AB，活塞和连杆以及压块C的受力图。DEABCllh任务导入压榨机受力情况分析力在平衡时所表现出来的基本性质就是静力学问题。静力学在工程技术中具有重要的实用意义。DEABCllh任务分析12刚体力力是物体相互间的机械作用，其作用结果使物体的形状和运动状态发生改变。在外界的任何作用下形状和大小都始终保持不变的物体。或者在力的作用下，任意两点间的距离保持不变的物体。一基本概念和公理刚体是一种理想化的力学模型

力的效应力的三要素大小、方向、作用点（确定力的必要因素）添加标题力的单位一基本概念和公理外效应—改变物体运动状态的效应内效应—引起物体变形的效应F力的表示在国际单位制中，力的单位是:牛顿(N)1N=1公斤•米/秒2

（kg•m/s2)。12公理一(二力平衡公理)公理二(力的平行四边形公理)一基本概念和公理刚体仅收两力作用而保持平衡的充分必要条件是：两力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上。作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。AF1F2R12一基本概念和公理作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。AF1F2R公理二(力的平行四边形公理)推论(三力汇交定理)F1F3R1F2=A3F1F2F3A3AA2A1A2A1A12公理三(加减平衡力系公理)公理四(作用力与反作用公理)一基本概念和公理一个物体对另一个物体有一作用力时，另一个物体对此物体必有一个反作用力，这两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上，且分别作用在两个物体上。

可以在作用于刚体的任何一个力系上加上或去掉几个互成平衡的力，而不改变原力系对刚体的作用。不可能产生某方向的位移的物体。非自由体由周围物体所构成的、限制非自由体位移的条件。约束约束对被约束体的反作用力。约束反力基本概念可以任意运动（获得任意位移）的物体。自由体约束力以外的力主动力二约束和约束反力1、柔绳、链条、胶带等非刚性体所构成的约束：限制的运动：限制物体沿着柔性伸长的方向运动。约束力方向：沿着绳索，背离物体，是拉力。

常见的几种类型的约束二约束和约束反力

常见的几种类型的约束A二约束和约束反力1、柔绳、链条、胶带等非刚性体所构成的约束：限制的运动：限制物体沿着柔性伸长的方向运动。约束力方向：沿着绳索，背离物体，是拉力。

常见的几种类型的约束2、理想光滑接触面约束二约束和约束反力

常见的几种类型的约束3、光滑圆柱铰链约束ABFAB二约束和约束反力

常见的几种类型的约束FyFx(1)固定铰链支座：F

二约束和约束反力

常见的几种类型的约束(2)活动铰链支座：FF二约束和约束反力(3)中间铰链：

常见的几种类型的约束4、固定端约束：二约束和约束反力画受力图的方法与步骤：1、取分离体（研究对象）2、画出研究对象所受的全部主动力（使物体产生运动或运动趋势的力）3、在存在约束的地方，按约束类型逐一画出约束反力（研究对象与周围物体的连接关系）三受力分析与受力图AGAFNFTE

CGBEAFD解：(1)物体B受两个力作用：(2)球A受三个力作用：(3)作用于滑轮C的力：

FTDGBB例题1在图示的平面系统中，匀质球A重为GA，借本身大小、重量和摩擦不计的理想滑轮C和柔绳维持在仰角是的光滑斜面上，绳的一端挂着重为GB的物体B。试分析物体B、球A和滑轮C的受力情况，并分别画出平衡时各物体的受力图。三受力分析与受力图CFCXT2T1FCYECABFDBCNBNC解：1、杆BC所受的力：2、杆AB所受的力：表示法一：表示法二：BDAFNAxNAyNB’BAFDNAHNB’例题2等腰三角形构架ABC的顶点A、B、C都用铰链连接，底边AC固定，而AB边的中点D作用有平行于固定边AC的力F，如图所示。不计各杆自重，试画出AB和BC的受力图。三受力分析与受力图BCNBxNCxNCyNByDEABCllh例题3如图所示压榨机中，杆AB和BC的长度相等，自重忽略不计。A，B，C，E处为铰链连接。已知活塞D上受到油缸内的总压力为F=3kN，h=200mm，l=1500mm。试画出杆AB，活塞和连杆以及压块C的受力图。三受力分析与受力图解：1.杆AB的受力图。2.活塞和连杆的受力图。3.压块C的受力图。CxyFCxFCyFCBByxFFBCFAB三受力分析与受力图FABAFBADEABCllh用户可以在投影仪或者计算机上进行演示也可以将演示文稿打印出来制作成胶片以便应用到更广泛的领域中

APBQABCP

PQNAxNAyNByNCNBPNBNA三受力分析与受力图头脑小风暴：快速分析下面的两种杆件受力情况如何呢？每天积累一点点理想便会距离我们越来越近！课程学习平台学银在线/detail/241541013中国大学MOOC/course/WXIC-1002376003汽车机械基础1.11.21.31.4静力学基础知识力矩与力偶平面力系及平衡静力学基本概念和公理、约束和约束反力、受力分析与受力图平面汇交力系合成与平衡的几何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成与平衡的几何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的简化方法力矩、力偶及其性质、合力矩定理项目一汽车构件力学分析材料力学基础知识拉压、剪切、弯曲、扭转1.2力矩与力偶能力目标：能够正确计算力矩与力偶矩生活中常见的现象司机开车时转动方向盘，所用的力有什么特点，这样的力对物体作用的外效应是什么？任务导入受力情况分析日常生活及生产实践中，常见到物体受到一对大小相等、方向相反，但不在同一作用线上的平行力作用。这样的力系称为力偶，对物体作用的外效应是使物体单纯地产生转动运动的变化。任务分析一力对点之矩OAdBF

力矩——力F的大小乘以该力作用线到某点O间距离d，并加上适当正负号，称为力F对O点的矩。简称力矩。O点称为力矩中心，垂直距离d称为力臂力的效应力矩的单位：N.m按右手规则：当有逆时针转动的趋向时，力F对O点的矩取正值。力矩的表达式：力矩：力矩的正负号规定力矩的性质1）力沿作用线移动时，对某点的矩不变2）力作用过矩心时，此力对矩心之矩等于零

3）互成平衡的力对同一点的矩之和等于零

4）力偶中两力对面内任意点的矩等于该力偶的力偶矩一力对点之矩二合力矩定理合力矩定理

合力对平面内任意一点之矩，等于所有分力对同一点之矩的代数和。即若则

12三力偶和力偶矩力偶力偶矩F'Fd

力偶：

等值、反向、不共线的两个平行力。力和力偶是静力学的二基本要素。

作用效果：

引起物体的转动。力偶矩:力偶中任何一个力的大小与力偶臂d的乘积，加上适当的正负号。M(F，F')=±Fd

力偶矩正负规定：若力偶有使物体逆时针旋转的趋势，力偶矩取正号；反之，取负号。三力偶和力偶矩同一平面上力偶的等效条件

因此，以后可用力偶的转向箭头来代替力偶。

作用在刚体内同一平面上的两个力偶相互等效的充要条件:

二者的力偶矩代数值相等。(即大小、正负一样）四平面力偶系的合成

平面力偶系：同一个平面内由若干个力偶组成的力偶系。合成：平面力偶系合成的结果是一个力偶，其合力偶矩等于各力偶矩的代数和。M=∑Mi平衡：欲使力偶系平衡，就必须使合力偶矩等于零。即∑Mi＝0解：例题

图示的铰接四连杆机构OABD，在杆OA和BD上分别作用着矩为M1和M2的力偶，而使机构在图示位置处于平衡。已知OA=r，DB=2r，α=30°，不计杆重，试求M1和M2

间的关系。杆AB为二力杆，受力方向沿着杆件方向。作出BD、OA杆受力图如下：四平面力偶系的合成BA四平面力偶系的合成分别写出杆AO和BD的平衡方程：每天积累一点点理想便会距离我们越来越近！课程学习平台学银在线/detail/241541013中国大学MOOC/course/WXIC-1002376003汽车机械基础课程学习平台学银在线/detail/241541013中国大学MOOC/course/WXIC-10023760031.11.21.31.4静力学基础知识力矩与力偶平面力系及平衡静力学基本概念和公理、约束和约束反力、受力分析与受力图平面汇交力系合成与平衡的几何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成与平衡的几何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的简化方法力矩、力偶及其性质、合力矩定理项目一汽车构件力学分析材料力学基础知识拉压、剪切、弯曲、扭转1.2平面汇交力系能力目标：能够列出平面汇交力系平衡方程并求解未知量汽车制动机构受力大小求解汽车制动机构,如图所示，若已知司机踩在制动蹬上的力P，如何求解下面拉杆所受的力。任务导入P

246ACBOED要研究汽车机械的受力问题，建立汽车机械在力的作用下的平衡问题，首先要对汽车机械进行受力分析，再建立平衡方程进行求解。任务分析汽车制动机构受力大小求解P

246ACBOED汇交力系——各力的作用线汇交于一点的力系。平面力系—各力的作用线处在同一平面内的力系。

空间力系—各力的作用线不处在同一平面内的力系。

任意力系——各力的作用线不相交且不平行的力系。平行力系——各力的作用线相互平行的力系。力系的分类1.力的三角形法则：添加标题一平面汇交力系合成与平衡的几何法力的三角形法则实质上是力的平行四边形法则的另一种表达方式2.力的多边形法则：添加标题一平面汇交力系合成与平衡的几何法AF2F1F4F3RF1BF2CF3DF4EA表达式：F1、F2、F3、F4为平面汇交力系把各力首尾相接，形成一条有向折线段（力链）。加上一封闭边，就得到一个多边形，称为力多边形。3.平面汇交力系的平衡

该力系的力多边形自行闭合，即力系中各力的矢量和等于零。

在平衡情况下，合力为零。力多边形中最后一个力的终点与第一个力的起点重合。汇交力系平衡的充要几何条件：表达式：一平面汇交力系合成与平衡的几何法JNDKSBPI

(c)A60ºPB30ºaaC(a)NB(b)BNADAC60º30ºPEPNBNA60º30ºHK(c)解：(1)取梁AB作为研究对象。(2)画出受力图。(3)应用平衡条件画出P、NA和NB的闭合力三角形。选定力的比例尺1cm=10KN，作力P的平行线EH，根据比例尺，EH长度等于2cm，过H点作NA的平行线HK,过E点作NB的平行线EK，两线相较于K点。得到封闭的力的三角形。根据力多边形法则，各力矢量首尾相连接，可确定NA和NB的指向。测量出HK和EK的长度，经比例尺换算可以得出NA=17.3kN，NB=10kN

例题1

水平梁AB中点C作用着力P，其大小等于20kN，方向与梁的轴线成60º角，支承情况如图(a)所示，试求固定铰链支座A和活动铰链支座B的反力。梁的自重不计。

一平面汇交力系合成与平衡的几何法一平面汇交力系合成与平衡的几何法O

PASBBNDD

(b)JNDKSBPI

(c)解：(1)取制动蹬ABD作为研究对象。(2)画出受力图。P

246ACBOED(a)(3)应用平衡条件画出P、SB和ND的闭和力三角形。例题2图示是汽车制动机构的一部分。司机踩到制动蹬上的力P=212N，方向与水平面成

=45

角。当平衡时，BC水平，AD铅直，试求拉杆所受的力。已知EA=24cm，DE=6cm点E在铅直线DA上，又B、C、D都是光滑铰链，机构的自重不计。（5）代入数据求得：

FB=750N。（4）由几何关系得：

由力三角形可得：O

PASBBNDD

(b)JNDKSBPI

(c)一平面汇交力系合成与平衡的几何法二平面汇交力系合成与平衡的解析法1.力的分解及投影：力的分解把一个力沿两个已知方向分解，求这两个分力大小

力在直角坐标轴上的投影力的投影方程式二平面汇交力系合成与平衡的解析法力系中所有各力在各个坐标轴中每一轴上的投影的代数和分别等于零。平面汇交力系的平衡方程:2.汇交力系平衡的充要解析条件解：(1)取节点B作为研究对象。(2)画出受力图（b）。例题3图示是一个简易的起重机。利用铰车绕过定滑轮B的绳子吊起一重G=20kN的货物，滑轮由两端铰链的水平杠杆AB和斜杠杆BC支持于点B(图(a))。不计铰车的自重，不计滑轮B的大小，试求杆AB和BC所受的力。二平面汇交力系合成与平衡的解析法30°30°BPACaFBCFABxy30°bB30°GT二平面汇交力系合成与平衡的解析法(3)列出平衡方程：(4)联立求解，得

FBCFABxy30°bB30°GT约束反力FAB为负值，说明该力实际指向与图上假定指向相反。即杆AB实际上受拉力。约束反力FBC为正值，说明该力实际指向与图上假定指向一致。即杆BC实际上受压力。每天积累一点点理想便会距离我们越来越近！课程学习平台学银在线/detail/241541013中国大学MOOC/course/WXIC-1002376003汽车机械基础课程学习平台学银在线/detail/241541013中国大学MOOC/course/WXIC-10023760031.11.21.31.4静力学基础知识力矩与力偶平面力系及平衡静力学基本概念和公理、约束和约束反力、受力分析与受力图平面汇交力系合成与平衡的几何法、解析法平面平行力系和平面力偶系合成与平衡的几何法、解析法力的平移定理、平面任意力系的简化方法力矩、力偶及其性质、合力矩定理项目一汽车构件力学分析材料力学基础知识拉压、剪切、弯曲、扭转1.4材料力学基础知识能力目标：能够简单分析物体在外力作用下的变形情况。汽车传动轴为何汽车传动轴在工作过程中使用不当会造成破坏，为何大部分汽车传动轴是空心设计？任务导入汽车传动轴工作过程中，会受到外力偶作用，产生扭转变形。任务分析汽车传动轴

材料力学各种机械、设备和结构物在使用时，组成它们的每个构件都要受到从相邻构件或从其他构件传递来的载荷作用，材料力学研究各种构件抗力性能，按照引起构件失效的内力形式进行划分。一拉伸和压缩工程中存在许多承受拉伸或压缩的杆件。变形特点拉伸受力简图添加标题作用在杆件上的外力合力的作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。轴向拉伸和压缩变形一拉伸和压缩压缩受力简图FFFF一拉伸和压缩一拉伸和压缩FF1、轴力：横截面上的内力2、截面法求轴力mmFFN切:假想沿m-m横截面将杆切开留:留下左半段或右半段代:将抛掉部分对留下部分的作用用内力代替平:对留下部分写平衡方程求出内力即轴力的值FFN轴向拉压时的内力——轴力由于外力的作用线与杆件的轴线重合，内力的作用线也与杆件的轴线重合。所以称为轴力。3、轴力正负号：拉为正、压为负4、轴力图：轴力沿杆件轴线的变化一拉伸和压缩轴向拉压时的应力正应力σ和轴力FN同号。即拉应力为正，压应力为负。一拉伸和压缩一拉伸和压缩轴向拉压时的强度根据强度条件，可以解决三类强度计算问题1、强度校核：2、设计截面：3、确定许可载荷：二剪切和挤压剪切的工程实例铆钉连接销轴连接平键连接二剪切和挤压受力特点添加标题作用在构件两侧面上的外力合力大小相等、方向相反且作用线很近。剪切和挤压变形变形特点位于两力之间的截面发生相对错动。FFnn（合力）（合力）PP二剪切和挤压剪切时的内力——剪力剪切时的应力——切应力剪切时的强度条件受力简图二剪切和挤压挤压时的内力——挤压力挤压时的应力——挤压应力挤压时的强度条件受力简图Fbsσbs*注意挤压面面积的计算平面接触：即为接触面面积圆柱面接触：为半圆柱的正投影面积FF二剪切和挤压二剪切和挤压三圆轴的扭转扭转的工程实例汽车传动轴汽车方向盘受力特点添加标题圆轴扭转变形变形特点使杆件的横截面绕轴线产生相对转动

FF指杆件受到大小相等,方向相反且作用平面垂直于杆件轴线的力偶作用三圆轴的扭转圆轴扭转时的外力——外力偶矩直接计算三圆轴的扭转圆轴扭转时的外力——外力偶矩按输入功率和转速计算已知:轴转速－n转/分钟(r/min)轴传递的功率－P千瓦(kw)求：力偶矩M三圆轴的扭转圆轴扭转时的内力——扭矩T=Me三圆轴的扭转扭矩正负号判断右手螺旋法则右手拇指指向外法线方向为正(+),反之为负(-)三圆轴的扭转三圆轴的扭转圆轴扭转时的应力——切应力实心轴空心轴三圆轴的扭转圆轴扭转时的强度已知T

、D和[τ]，校核强度已知T

和[τ]，设计截面已知D和[τ]，确定许可载荷三圆轴的扭转