《机械基础》 项目二 分析共享单车典型零件的变形 答案与评分标准

项目二《分析共享单车典型零件的变形》答案与评分标准情境导入图2-SEQ图表\*ARABIC1共享单车在生产生活中，很多我们所使用的物品和工具都会损坏。共享单车的出现，使得自行车成为是最常见的交通工具，经常能够见到损坏的共享单车。请分析出现下列故障的原因有些共享单车的鞍座左右转动，无法锁紧。有些共享单车的车把无法实现转向。有些共享单车的脚踏与地面不平行，骑行时脚踝感觉很不舒服。

任务实施分析共享单车鞍座无法锁紧的原因。共享单车鞍座是靠共享单车鞍座是靠座管夹锁紧的。旋紧座管夹拉杆一端的螺母，缩短螺母至拉杆另一端的长度，进而压缩座管夹内径，锁紧鞍座。分析座管夹锁紧后，拉杆受到的外力F，画出受力示意图。参考教材图2-3，画出杆轴向受拉的示意图评分细则：1、受力简图绘制正确，分值*100%；2、否则记0分。分析座管夹拉杆在外力作用下发生的变形形式，并采用截面法分析在座管夹拉杆内部产生的轴力FN，画出轴力图。拉杆发生轴向拉伸变形，任意截面轴力均为正，大小都等于F，参考案例2-1，画轴力图。评分细则：1、变形形式分析正确，轴力图绘制正确，分值*100%；2、变形形式分析正确，但轴力图绘制不完善，分值*60%；3、否则记0分。设座管夹拉杆的直径为d，计算座管夹拉杆横截面的面积，及在截面上产生的应力σ，并分析随着外力增大，应力的变化情况。若座管夹拉杆截面上的应力达到了屈服极限σs，计算此时座管夹拉杆受到的外力Fs。横截面积A=πd2/4，应力σ=FN/A=4F/(πd2)，应力随着外力增大而增大，但不超过强度极限。应力达到屈服极限时，外力Fs=σsA=σsπd2/4评分细则：1、应力变化趋势分析正确，计算正确，分值*100%；2、应力变化趋势分析正确，但计算不全对，分值*60%；3、否则记0分。根据低碳钢材料的内力变形图和应力应变图，叙述当材料内部应力超过屈服点以后，材料发生变形的特点。材料屈服时出现显著的塑性变形，卸载后变形不能消失，构件无法正常工作。评分细则：1、变形特点叙述正确，分值*100%；2、否则记0分。座管夹拉杆是由低碳钢材料制成的，在座管夹拉杆已经出现屈服现象的情况下，旋紧拉杆螺母，只能使拉杆发生塑性变形被拉长，而不能继续压缩座管夹内径。所以共享单车鞍座无法锁紧的原因是：座管夹使用不当，施加在座管夹拉杆上的外力过大，超过了许用载荷，致使座管夹拉杆的内部应力超过了屈服极限，座管夹拉杆出现了屈服现象。评分细则：1、填空正确，分值*100%；2、否则记0分。

分析共享单车的车把转向失灵的原因。共享单车共享单车的车把立管与前叉上管，通过车把芯轴紧固在一起，整体与车架头管相对转动的。作用在车把上的外力偶，通过车把芯轴传递至前叉，致使前轮改变方向。假设骑行人想左转，但施加的主动力偶矩Me，没能克服车把前叉整体与车架头管相对转动的摩擦力偶矩Mf，分析车把芯轴的受力，画出受力示意图。参考教材图2-17，画出芯轴受力偶作用的示意图。注意： 立管是空心的，芯轴是实心的；主动力偶和摩擦力偶都是正值。评分细则：1、受力简图绘制正确，分值*100%；2、否则记0分。分析车把芯轴在外力作用下发生的变形形式，并采用截面法分析在车把芯轴内部产生的扭矩T，画出扭矩图。芯轴发生扭转变形，任意截面扭矩均为正，大小都等于Me，参考案例2-3，画扭矩图。评分细则：1、变形形式分析正确，扭矩图绘制正确，分值*100%；2、变形形式分析正确，但扭矩图绘制不完善，分值*60%；3、否则记0分。设车把芯轴的直径为d，计算车把芯轴的抗扭截面系数，及横截面上最大切应力τmax，并分析随着外力偶矩增大，应力的变化情况。若车把芯轴材料的许用应力为[τ]，计算车把芯轴的许用载荷[M]。抗扭截面系数Wp=πd3/16，横截面上最大切应力τmax=T/Wp=16Me/(πd3)，应力随着外力增大而增大，但不超过强度极限。根据强度条件，许用载荷[M]=[τ]Wp=[τ]πd3/16评分细则：1、应力变化趋势分析正确，计算正确，分值*100%；2、应力变化趋势分析正确，但计算不全对，分值*60%；3、否则记0分。如果共享单车转向组件的摩擦力偶矩非常大，超过了车把芯轴的许用载荷，骑行人施加的主动力偶矩，只能使车把芯轴发生塑性变形，车把与前叉相对扭转，而不能使车把与前叉整体转动。所以共享单车车把无法转向的原因：共享单车转向组件维护保养不当，车把前叉整体与车架头管相对转动的摩擦系数过大，转向过程中，骑行人施加的主动力偶矩超过了车把芯轴的许用载荷，车把芯轴产生的内部应力超过了许用应力，车把芯轴发生了塑性变形，甚至断裂。评分细则：1、填空正确，分值*100%；2、否则记0分。

分析共享单车链轮曲柄的变形原因。共享单车链轮曲柄，一端安装脚踏板，一端与链轮轴紧固，骑行人施加给脚踏板的踩踏力，作用线共享单车链轮曲柄，一端安装脚踏板，一端与链轮轴紧固，骑行人施加给脚踏板的踩踏力，作用线在链轮平面内，对链轮轴有转动力矩作用，驱动共享单车链轮转动。如果有垂直指向链轮所在平面的外力作用在链轮曲柄上，力对链轮轴就没有转动力矩作用，此时曲柄相当于一端固定的悬臂梁。设链轮曲柄长度为l，外力F作用在最外端，画出曲柄简化为梁的受力示意图。参考教材图2-29b，画出杆轴向受拉的示意图。注意：外力方向使梁有下弯趋势评分细则：1、受力简图绘制正确，分值*100%；2、否则记0分。分析链轮曲柄在外力作用下发生的变形形式，并采用截面法分析在链轮曲柄内部产生的剪力Q和弯矩M，画出剪力图和弯矩图。曲柄发生弯曲变形，任意截面剪力大小都等于外力，固定端在右，剪力为负，固定端在左，剪力为负；任意截面弯矩均为负，大小随截面位置变化，固定端截面弯矩最大，等于Fl，参考案例2-5，画剪力图和扭矩图。评分细则：1、变形形式分析正确，剪力图和弯矩图绘制正确，分值*100%；2、变形形式分析正确，但剪力图和弯矩图绘制不完善，分值*60%；3、否则记0分。设链轮曲柄为矩形，截面的宽为b，高为h，（满足l/h>5，此时剪力的影响很小，横截面上正应力分布与纯弯曲梁很接近），计算链轮曲柄的抗弯截面模量，及在弯矩最大的截面上最大正应力σmax，并分析随着外力增大，应力的变化情况。若弯矩最大的截面上最大正应力达到了屈服极限σs，计算此时链轮曲柄受到的外力Fs。抗弯截面系数Wz=bh2/6，固定端截面上最大正应力σmax=M/Wz=6Fl/(bh2)，应力随着外力增大而增大，但不超过强度极限。应力达到屈服极限时，外力Fs=σsWz/l=σsbh2/(6l)。评分细则：1、应力变化趋势分析正确，计算正确，分值*100%；2、应力变化趋势分析正确，但计算不全对，分值*60%；3、否则记0分。如果链轮曲柄受到很大的作用线平行于链轮轴的外力，链轮曲柄与链轮结合处的弯矩就会很大，内部应力就会超过屈服极限，链轮曲柄就会在此弯曲。所以共享单车链轮曲柄变形的原因：共