學(xué)習(xí)單元1 力學(xué)分析

1、 學(xué)習(xí)單元一 力學(xué)分析汽車在行駛過(guò)程中，汽車機(jī)械中的各個(gè)零件在不同的工作情況和工作場(chǎng)合下受到各種不同的載荷作用。對(duì)于一名汽車維修工程師而言，具備了對(duì)汽車機(jī)械零件進(jìn)行受力分析的能力，才能更好地對(duì)汽車故障進(jìn)行診斷、制訂維修方案并改進(jìn)維修方法，最終確保汽車維修的質(zhì)量，保證汽車使用的安全性和可靠性。力學(xué)分析是研究機(jī)構(gòu)在力系作用下平衡規(guī)律的科學(xué)，通過(guò)完成以下兩個(gè)個(gè)典型學(xué)習(xí)任務(wù)，了解靜力學(xué)的基本概念，掌握基本的力學(xué)公理，掌握約束與約束反力，掌握受力分析的方法，掌握拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算，具有繪制機(jī)構(gòu)受力圖的能力。學(xué)習(xí)任務(wù)一 汽車構(gòu)件靜力分析任務(wù)描述任務(wù)描述 通過(guò)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿

2、組和汽車轉(zhuǎn)向盤在工作狀態(tài)下的受力分析，使學(xué)生掌握運(yùn)用基本力學(xué)公理，約束與約束反力知識(shí)對(duì)汽車構(gòu)件進(jìn)行受力分析的方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.學(xué)習(xí)力學(xué)公理； 2.學(xué)習(xí)約束與約束反力的概念及分類； 3.學(xué)會(huì)受力分析的方法； 4.學(xué)會(huì)繪制受力圖。計(jì)劃與實(shí)施計(jì)劃與實(shí)施一、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿組的受力分析并繪制受力分析圖1、帶著以下問(wèn)題觀察活塞連桿組。（1）活塞連桿組由哪些構(gòu)件組成？（2）當(dāng)活塞連桿組處于平衡狀態(tài)時(shí)，各個(gè)組成構(gòu)件是否可以看作是剛體并對(duì)其進(jìn)行受力分析？（3）活塞連桿組傳遞動(dòng)力的順序是怎么樣的？（4）請(qǐng)指出活塞連桿組中相關(guān)的約束及其約束反力的性質(zhì)。2、繪制活塞連桿組受力分析圖（1）把活塞連桿組作為

3、一個(gè)整體，以簡(jiǎn)圖的形式繪制出來(lái)；（2）把活塞連桿組作為一個(gè)整體進(jìn)行受力分析，并在作用點(diǎn)上繪制出所受的力。（3）把活塞連桿組分解為兩個(gè)構(gòu)件，活塞與連桿，并分別以活塞和連桿作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析。（4）在活塞和連桿各自的作用點(diǎn)上繪制出所受的力。二、分析轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向時(shí)所受的力1、帶著以下問(wèn)題觀察汽車的轉(zhuǎn)向盤（1）轉(zhuǎn)向盤在力學(xué)上有哪些作用？（2）轉(zhuǎn)向盤在常規(guī)工作下的受力性質(zhì)是什么？（3）單手握轉(zhuǎn)向盤是否合理？為什么？（4）雙手如何用力才能保持轉(zhuǎn)向盤靜止不動(dòng)？（5）雙手如何用力才能使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)？（6）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(wú)變化？2、如圖1-1所示，圖中力

4、F1、F2、F3、F4作用線均與轉(zhuǎn)向盤相切，且F1平行于F3、F2平行于F4，大小分別為60N、80N、60N、80N。方向盤的半徑為380mm?；卮鹨韵聠?wèn)題：（1）圖中所示力系是否為平面匯交力系？（2）求每一個(gè)力對(duì)轉(zhuǎn)向盤中心之矩。學(xué)習(xí)參考書學(xué)習(xí)參考書學(xué)習(xí)單元一 力學(xué)分析學(xué)習(xí)任務(wù)一 汽車構(gòu)件靜力分析一、靜力學(xué)基礎(chǔ)1、力（1）力的概念 力是物體間相互的機(jī)械作用，這種作用使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或形狀發(fā)生改變。（2）力的三要素 力對(duì)物體的作用效果取決于力的大小、方向和作用點(diǎn)三個(gè)要素。當(dāng)這三個(gè)要素中任何一個(gè)要素發(fā)生改變時(shí)，力的作用效果就會(huì)發(fā)生改變。（3）力是矢量力是一個(gè)既有大小又有方向的量。（4）力的單位 力

5、的國(guó)際制單位是牛頓（N）或千牛頓（kN）。圖1-5 力的表示法力的表示法2、力系 力系是指作用于被研究物體上的一組力。如果一個(gè)力系能使物體處于平衡狀態(tài)，則稱該力系為平衡力系；若兩力系分別作用于同一物體時(shí)效應(yīng)相同，則二者互稱等效力系；若一個(gè)力與一個(gè)力系等效，則稱此力為該力系的合力。所謂力系的簡(jiǎn)化就是用簡(jiǎn)單的力系等效替代復(fù)雜的力系。力系按照作用線是否共面分為平面力系和空間力系。若力系中各個(gè)力的作用線均在同一平面內(nèi)，則稱為平面力系；若力系中各個(gè)力的作用線不在同一平面內(nèi)，則稱為空間力系。本單元主要講述平面力系知識(shí)。3、剛體 剛體是指在外力作用下，大小和形狀保持不變的物體，剛體是抽象化的理想力學(xué)模型。在

6、工程實(shí)際中機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件，均有足夠的抵抗變形的能力。因此，受力產(chǎn)生的變形是極其微小的。在許多工程問(wèn)題中，構(gòu)件的這些微小變形對(duì)研究物體的平衡問(wèn)題來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。但是在研究物體的變形問(wèn)題時(shí)，就不能把物體看做是剛體，否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，甚至無(wú)法進(jìn)行研究。本單元以剛體為研究對(duì)象。4、靜力學(xué)公理（1）二力平衡公理（公理一） 作用于同一剛體上的兩個(gè)力，使剛體處于平衡的必要且充分條件，是這兩個(gè)力的大小相等，方向相反，作用線重合（簡(jiǎn)稱等值、反向、共線），如圖所示。圖1-6 二力平衡（2）加減平衡力系公理（公理二）在已知力系上加上或減去任意一個(gè)平衡力系，不會(huì)改變?cè)ο祵?duì)物體的作用效果。此公理適用于“剛體

7、”，是力系簡(jiǎn)化的理論基礎(chǔ)。推論 力的可傳性原理：作用在剛體上的力，其作用點(diǎn)可以沿著作用線在剛體內(nèi)任意移動(dòng)而不改變它對(duì)剛體的作用效果。圖1-7 力的可傳性原理 在實(shí)踐中，人們有這樣的體會(huì)，以等量的力在車后A點(diǎn)推和在車前B點(diǎn)拉，效果是一樣的，如圖1-8所示。 由力的可傳性原理看出，對(duì)剛體來(lái)說(shuō)，力的作用點(diǎn)已不再是決定其效應(yīng)的要素之一，而由力的作用線取代，因此作用在剛體上的力的三要素是力的大小、方向和作用線。但必須注意，力的可傳性原理只適用于剛體，而不適用于變形體。圖1-8 力的可傳性（3）作用力與反作用力公理（公理三） 一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體有一作用力時(shí)，另一物體對(duì)此物體必有一反作用力，這兩個(gè)力大小相

8、等，方向相反，沿同一直線分別作用在兩個(gè)物體上。如圖1-9(b)所示，N和N即為一對(duì)作用力和反作用力，我們常用加“撇”的方法來(lái)表示一對(duì)作用力和反作用力。圖1-9 作用力與反作用力（4）力的平行四邊形法則（公理四）l作用在剛體上的兩個(gè)匯交力可合成為一個(gè)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(duì)角線矢量表示，如圖1-10（a）所示。此公理是研究力系合成和力分解的基礎(chǔ)。圖1-10 力的平行四邊形法則二、受力分析與受力圖1、約束和約束反力 物體的受力可分為主動(dòng)力和約束反力兩類。主動(dòng)力是指使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，如物體的重力、零件的載荷等；約束反力是對(duì)物

9、體運(yùn)動(dòng)起限制作用的力，作用在被約束物體上。由于約束的作用是限制物體的運(yùn)動(dòng)，所以約束反力的方向總是與它限制的物體運(yùn)動(dòng)方向相反，其作用點(diǎn)在約束與被約束物體相互連接或接觸之處。約束反力也常稱為約束力。工程中約束的種類很多，下面介紹幾種典型的約束模型。（1）柔體約束由繩索、鏈條或皮帶等非剛性物體所構(gòu)成的約束稱為柔性約束。圖1-11 柔性約束（2）光滑面約束當(dāng)兩物體直接接觸且表面光滑，接觸處摩擦力很小可略去不計(jì)時(shí)所形成的約束稱為光滑面約束。圖1-12 光滑面約束（3）光滑圓柱鉸鏈約束 兩個(gè)帶有圓孔的物體，用圓柱形銷釘連接所形成的可動(dòng)連接，稱為鉸鏈。由鉸鏈構(gòu)成的約束稱為鉸鏈約束，如圖1-14所示。圖1-1

10、4 光滑鉸鏈約束根據(jù)被連接物體的形狀、位置及作用，光滑鉸鏈又分為以下幾種：中間鉸鏈當(dāng)構(gòu)成鉸鏈約束的兩構(gòu)件均為活動(dòng)構(gòu)件，這種約束稱為中間鉸鏈約束，如圖1-15（a）所示。這種約束用來(lái)連接兩個(gè)額可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)但不能移動(dòng)的構(gòu)件，例如在圖1-15（b）中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)中曲柄與連桿、連桿與活塞的連接就是中間鉸鏈。（a）中間鉸鏈約束 （b）內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu) 圖1-15 中間鉸鏈固定鉸鏈支座 當(dāng)構(gòu)成鉸鏈約束的兩構(gòu)件中有一個(gè)固定為支座，則這種約束稱為固定鉸鏈支座或者固定支座，如圖1-16（a）所示。（a）（b）圖1-16 固定鉸鏈支座活動(dòng)鉸鏈支座 在鉸鏈支座的底部安裝輥軸，可以使支座沿固定支承面移動(dòng)，稱為活

11、動(dòng)鉸鏈支座。這種約束只能限制構(gòu)件離開(kāi)和趨向支承面的運(yùn)動(dòng)，不能限制構(gòu)件繞銷軸軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿固定支承面移動(dòng)，如圖1-17所示。圖1-17 活動(dòng)鉸鏈支座2、物體的受力分析與受力圖 畫出物體的受力分析圖是解決靜力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)，具體步驟如下：（1）確定研究對(duì)象，畫出分離體。（2）在分離體上畫出全部已知的主動(dòng)力。（3）在分離體上解除約束處畫出相應(yīng)的約束反力。例1-1 如圖1-18（a）所示，鍋爐汽包的重力為G，安置在焊接轉(zhuǎn)輪上，試畫出汽包的受力圖。解：取汽包為研究對(duì)象，單獨(dú)畫出其簡(jiǎn)圖。畫出主動(dòng)力：汽包的重力G，方向豎直向下。畫約束反力：轉(zhuǎn)輪可看作汽包的光滑面約束，約束反力NA、NB沿接觸中心的公法線方向，

12、均指向O點(diǎn)，如圖1-18（b）所示。圖1-18 鍋爐汽包受力圖例1-2 如圖1-19（a）所示，設(shè)墻面和地面是光滑的，桿AB重為G，由水平繩索ED拉住，試畫AB的受力圖。解：（1）取桿AB為研究對(duì)象，單獨(dú)畫出其簡(jiǎn)圖。（2）畫主動(dòng)力：AB的重力G，方向豎直向下。（3）畫約束反力：墻面和地面可看作是光滑面約束，約束反力NA、NB沿接觸點(diǎn)的公法線方向，分別過(guò)A、B兩點(diǎn)，指向研究對(duì)象；ED是柔性約束，約束反力TD沿繩索中心線方向，背離研究對(duì)象。AB桿受力圖如圖1-19（b）所示。圖1-19 AB桿受力圖三、平面匯交力系 作用在物體上的力系可按照作用線是否共面分為平面力系和空間力系。在平面力系中，若各力

13、作用線匯交于一點(diǎn)，稱為平面匯交力系。平面匯交力系可以由兩個(gè)、三個(gè)或更多的匯交力組成。在靜力分析中，常將一個(gè)復(fù)雜力系簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單力系或一個(gè)力，稱為力系的簡(jiǎn)化。平面匯交力系的合成和簡(jiǎn)化的方法有幾何法和解析法。1、平面匯交力系的幾何法（1）幾何法如圖1-20（a）所示的某物體上，作用著一個(gè)平面匯交力系F1、F2、F3，欲求它們的合力，只需連續(xù)運(yùn)用三角形法則。如圖1-16（b）所示，先將力F1與F2合成，得到R12，然后再將R12與F3合成，得合力R，R就是力系F1、F2、F3的合力。圖1-20 平面匯交力系合成的幾何法上述作圖求合力的方法可推廣到由n個(gè)力組成的平面匯交力系，并得出結(jié)論：平面匯交力系

14、的合力等于力系中各分力的矢量和，合力的作用線通過(guò)匯交點(diǎn)。用矢量式表示：R = FR = F1+ F+ F2+ + Fn = F F （1-2）用幾何法求合力的時(shí)候，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：選擇適當(dāng)?shù)牧Φ谋壤?，畫出力的大小和方向。作力的多邊形時(shí)，任意變換力的次序，得到不同形狀的力多邊形，合成的結(jié)果不變。各個(gè)力矢量首尾相連，合成矢量的方向是從第一個(gè)力的起點(diǎn)指向最后一個(gè)力的終點(diǎn)。（2）平面匯交力系平衡的集合條件平面匯交力系平衡的幾何條件是力系中各力構(gòu)成的力多邊形自行封閉。即用幾何法求平面匯交力系合力時(shí)，第一個(gè)力矢和最后一個(gè)力矢首尾相接，力多邊形自行封閉，無(wú)缺口，力系合力為零。即R= F= 0，如圖1-2

15、1所示。圖1-21 平衡力封閉多邊形2、平面匯交力系合成的解析法 根據(jù)力的平行四邊形公理，作用在一個(gè)點(diǎn)上的兩個(gè)任意力可以合成一個(gè)力；反之，一個(gè)力可以分解成任意兩個(gè)方向的力。兩個(gè)匯交合成的結(jié)果是唯一的，而力的分解可以有無(wú)數(shù)的結(jié)果。幾何法是直接利用矢量的幾何性質(zhì)來(lái)求合力與分力之間的關(guān)系，解析法是通過(guò)矢量在坐標(biāo)軸上的投影來(lái)求合力與分力之間的關(guān)系。（1）力在坐標(biāo)軸上的投影圖1-22 力在直角坐標(biāo)軸上的投影（2）合力投影定理 合力在某一軸上的投影，等于力系中各分力在同一軸上投影的代數(shù)和，這就是合力投影定理。（3）平面匯交力系平衡的解析條件平面匯交力系平衡的充分和必要條件是力系的合力等于零四、力矩與力偶1

16、.力矩人用扳手?jǐn)Q螺母，會(huì)感到加在扳手上的力越大，或者力的作用線離轉(zhuǎn)動(dòng)中心越遠(yuǎn)，就越容易轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，如圖1-24所示。圖1-24 力對(duì)點(diǎn)之矩 力F使剛體繞某點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)的效應(yīng)，不僅與力F的大小成正比，而且與O點(diǎn)到力作用線的垂直距離d成正比。乘積F d加上正負(fù)號(hào)，稱為力F對(duì)O點(diǎn)的矩，簡(jiǎn)稱力矩。規(guī)定力使剛體繞矩心逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，力矩為正，反之為負(fù)。圖1-24中O點(diǎn)稱為力矩中心，簡(jiǎn)稱矩心；矩心O到力F作用線的垂直距離d稱為力臂。 力F使物體繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的效果，可完全由下列兩個(gè)要素決定：(1) 力的大小與力臂的乘積。(2) 力使物體繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。當(dāng)力的大小等于零，或者力的作用線通過(guò)力矩中心，即力臂等于零時(shí)，

17、力矩為零，這時(shí)力矩不能使物體繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果物體上有若干個(gè)力，當(dāng)這些力對(duì)力矩中心的力矩代數(shù)和等于零，即原來(lái)靜止的物體，就不會(huì)繞力矩中心轉(zhuǎn)動(dòng)。2.力偶與力偶矩 作用在同一個(gè)物體上的兩個(gè)力，如果大小相等、方向相反、作用線互相平行但不重合，則把這樣的兩個(gè)力作為一個(gè)整體，稱為力偶。力偶對(duì)物體產(chǎn)生的是純轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。例如用雙手轉(zhuǎn)動(dòng)汽車方向盤，用手指旋開(kāi)水龍頭等，均是常見(jiàn)的力偶實(shí)例。力偶中兩力作用線所決定的平面稱為力偶作用面，兩力作用線之間的距離d稱為力偶臂，如圖1-25所示。圖1-25 力偶圖1-26 力偶的表示方法 力偶具有如下特性。（1）力偶既沒(méi)有合力，本身又不平衡，是一個(gè)基本的力學(xué)量。（2）力偶對(duì)于作

18、用面內(nèi)任一點(diǎn)之矩與矩心位置無(wú)關(guān)，恒等于力偶矩，因此，力偶對(duì)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)用力偶矩度量，在平面問(wèn)題中它是個(gè)代數(shù)量。（3）作用在同一平面內(nèi)的兩個(gè)力偶，若其力偶矩大小相等，轉(zhuǎn)向相同，則這兩個(gè)力偶等效。 由上述力偶的性質(zhì)可知，只要保持力偶矩的大小和轉(zhuǎn)向不變，平面力偶可以在其作用面內(nèi)任意移動(dòng)，且可以同時(shí)改變力偶中力的大小和力偶臂的長(zhǎng)短，而不改變其作用效應(yīng)。力偶可以用帶箭頭的弧線表示，如圖1-27所示。圖1-27 平面力偶的等效處理學(xué)習(xí)任務(wù)二 構(gòu)件承載能力分析任務(wù)描述任務(wù)描述 汽車桿件受力時(shí)會(huì)發(fā)生變形，若變形過(guò)大會(huì)導(dǎo)致桿件失效影響汽車的安全性與可靠性。本任務(wù)要求學(xué)生運(yùn)用剪切和扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度計(jì)算方法對(duì)汽車螺栓連

19、接受剪切的強(qiáng)度分析和汽車傳動(dòng)軸受扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度分析。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 學(xué)習(xí)拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)劃與實(shí)施計(jì)劃與實(shí)施一、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿組的受力分析并繪制受力分析圖1、帶著以下問(wèn)題觀察活塞連桿組。（1）活塞連桿組由哪些構(gòu)件組成？（2）當(dāng)活塞連桿組處于平衡狀態(tài)時(shí)，各個(gè)組成構(gòu)件是否可以看作是剛體并對(duì)其進(jìn)行受力分析？（3）活塞連桿組傳遞動(dòng)力的順序是怎么樣的？（4）請(qǐng)指出活塞連桿組中相關(guān)的約束及其約束反力的性質(zhì)。一、汽車離合器踏板所受拉力的分析 汽車離合器踏板如圖1-28所示，已知踏板受到壓力F1=400N，拉桿直徑d=20mm，杠桿長(zhǎng)l=330mm，h=56mm，拉桿材料的許

20、用應(yīng)力=40MPa。試校核拉桿的強(qiáng)度。圖1-28 汽車離合器踏板二、汽車傳動(dòng)軸受扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度分析觀察汽車用的傳動(dòng)軸實(shí)物，結(jié)合所學(xué)過(guò)的圓軸扭轉(zhuǎn)與變形的相關(guān)知識(shí)回答以下問(wèn)題：1、汽車傳動(dòng)軸的橫截面是什么形狀的？2、轉(zhuǎn)軸在受力情況下會(huì)發(fā)生何種變形？3、根據(jù)已知條件對(duì)汽車傳動(dòng)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。學(xué)習(xí)參考書學(xué)習(xí)參考書學(xué)習(xí)單元一 力學(xué)分析學(xué)習(xí)任務(wù)二 汽車構(gòu)件靜力分析學(xué)習(xí)參考書學(xué)習(xí)參考書學(xué)習(xí)單元一 力學(xué)分析學(xué)習(xí)任務(wù)二 構(gòu)件承載能力分析當(dāng)桿件受力形式不同時(shí)，發(fā)生的變形也各異，其基本形式可歸納為以下四種，即：軸向拉伸或壓縮、剪切與擠壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲。拉伸與壓縮拉伸與壓縮剪切剪切扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)彎曲彎曲一、軸向拉伸與壓縮一、軸向拉伸與壓縮1、軸向拉壓桿的內(nèi)力 作用在整個(gè)構(gòu)件上的載荷和約束反力統(tǒng)稱為外力。在外力的作用下，會(huì)引起物體內(nèi)部各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)位置以及相互作用力發(fā)生改變，變現(xiàn)出來(lái)就是構(gòu)件發(fā)生了變形。構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間相互作用力（固有內(nèi)力）的改變量稱為附加內(nèi)力，簡(jiǎn)稱內(nèi)力。內(nèi)力隨外力的大小而變化，當(dāng)內(nèi)力達(dá)到某一極限值時(shí)，構(gòu)件