汽車機(jī)械基礎(chǔ)機(jī)工配套課件：2 單元1 工程構(gòu)件的靜力分析

1、機(jī) 械 基 礎(chǔ)模塊二 工程構(gòu)件的靜力分析單元一 工程構(gòu)件的靜力分析案例導(dǎo)入由各種零部件組成的汽車、機(jī)床及起重機(jī)等機(jī)械在工作時(shí)，都會(huì)受到復(fù)雜的外力作用。因此，對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造及使用大部分都是以力學(xué)理論為基礎(chǔ)的。如下圖所示車載起重機(jī)的最大起吊重量如何確定？汽車行駛過程中輪胎的受力情況如何？這些問題都可以利用工程力學(xué)的知識(shí)進(jìn)行解答，但首先應(yīng)了解靜力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。教學(xué)目標(biāo)一、目標(biāo)和要求（1）熟悉靜力分析的研究對(duì)象、內(nèi)容;（2）掌握剛體、力的三要素及其表示方法；（3）掌握靜力學(xué)五大公理；（4）理解力的等效替換、力的平衡的條件二、重點(diǎn)和難點(diǎn)(1)靜力學(xué)三大公理、兩大推論的理解與運(yùn)用。(2) 力的等效替換

2、、力的平衡的條件的理解與運(yùn)用課題一 靜力學(xué)基礎(chǔ)目錄01第一節(jié) 靜力學(xué)的基本概念02第二節(jié) 靜力學(xué)公理目錄02第二節(jié) 靜力學(xué)公理01第一節(jié) 靜力學(xué)的基本概念力的概念力是物體與物體之間的相互機(jī)械作用。力的這種作用使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化或使物體的形狀發(fā)生變化。力使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，稱為力的外效應(yīng)；力使物體的形狀發(fā)生變化，稱為力的內(nèi)效應(yīng)。平衡的概念物體相對(duì)于慣性參考系（如地球）保持靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)稱為平衡。實(shí)際上，任何物體都處于不斷運(yùn)動(dòng)之中，故運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，平衡是相對(duì)的。例如，起重機(jī)在底盤上安裝的若干條支撐腿就是保證起吊重物時(shí)，車體保持靜止時(shí)的平衡狀態(tài)。起重機(jī)吊裝重物剛體的概念在力的

3、作用下形狀和尺寸都不發(fā)生改變的物體稱為剛體。在工程實(shí)際中，剛體并不存在，所有物體在受力時(shí)都會(huì)發(fā)生一定的變形。因此，剛體是對(duì)物體進(jìn)行抽象簡化后的一種理想模型。在靜力學(xué)中，若物體本身的變化不影響問題的研究，可將該物體簡化為剛體來處理。力的三要素及表示方法（1）力的三要素力對(duì)物體的作用效果取決于力的三要素，即力的大小、力的作用方向和力的作用點(diǎn)。如圖（a）所示，人在推車時(shí)，推力的作用點(diǎn)在車廂尾部，作用方向水平向右。改變?nèi)刂腥我庖粋€(gè)要素，力的作用效果都會(huì)發(fā)生改變。圖（a）力的三要素及表示方法（2）力的表示方法力是有大小和方向的物理量，所以力是矢量。矢量一般由黑體字母表示，例如F表示力。力通常用具有一

4、定長度的有向線段來表示，如圖（b）所示，線段的長度表示力的大小，線段箭頭的指向表示力的作用方向（圖中虛線方向所示），線段的端點(diǎn)或箭頭頂點(diǎn)表示力的作用點(diǎn)（圖中為B點(diǎn)）。圖（b）力系作用于物體上的一組力稱為力系。若物體在力系的作用下處于平衡狀態(tài)，則這個(gè)力系稱為平衡力系，力系平衡所滿足的條件稱為平衡條件。目錄02第二節(jié) 靜力學(xué)公理01第一節(jié) 靜力學(xué)的基本概念靜力學(xué)公理靜力學(xué)公理是人們對(duì)長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和概括后得到的基本規(guī)律，靜力學(xué)公理概括了一些力的基本性質(zhì)，是學(xué)習(xí)靜力學(xué)的理論基礎(chǔ)。公理1 二力平衡公理圖（a）圖（b）公理1 二力平衡公理只受二力作用而處于平衡狀態(tài)的構(gòu)件稱為二力構(gòu)件。工程中大部分

5、二力構(gòu)件都是桿件，因此又稱二力桿。二力桿的受力特點(diǎn)是：兩個(gè)力的作用線在兩作用點(diǎn)的連線上。公理2 加減平衡力系公理受已知力系作用的剛體上，加上或減去任意一個(gè)平衡力系，不會(huì)改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用效應(yīng)。公理2 加減平衡力系公理只受二力作用而處于平衡狀態(tài)的構(gòu)件稱為二力構(gòu)件。工程中大部分二力構(gòu)件都是桿件，因此又稱二力桿。二力桿的受力特點(diǎn)是：兩個(gè)力的作用線在兩作用點(diǎn)的連線上推論：力的可傳性原理力的可傳性公理3 力的平行四邊形法則（a） （b）力的平行四邊形法則推論：三力匯交定理若剛體受到同平面內(nèi)三個(gè)互不平行力的作用而平衡，則三個(gè)力的作用線必匯交于一點(diǎn)。如圖所示，剛體在三個(gè)力F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3的作用下平衡，則

6、它們作用線的延長線交于A點(diǎn)，F(xiàn)1，F(xiàn)2的合力F與F3組成一對(duì)平衡力。公理4 作用力與反作用力定律兩剛體間的作用力和反作用力總是同時(shí)存在，大小相等，方向相反，沿同一直線，分別作用在這兩個(gè)剛體上。兩剛體間的作用力和反作用力總是同時(shí)存在，大小相等，方向相反，沿同一直線，分別作用在這兩個(gè)剛體上。公理5 剛化公理若剛體受到同平面內(nèi)三個(gè)互不平行力的作用而平衡，則三個(gè)力的作用線必匯交于一點(diǎn)。如圖所示，剛體在三個(gè)力F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3的作用下平衡，則它們作用線的延長線交于A點(diǎn)，F(xiàn)1，F(xiàn)2的合力F與F3組成一對(duì)平衡力。課題二 力矩和力偶案例導(dǎo)入在生活當(dāng)中，很多時(shí)候除了可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)效應(yīng)外，還可以在一定條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)效

7、應(yīng)。如下圖所示人在蹬自行車，人轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤。在這個(gè)過程中，人的腳需要施加多大的力才能讓自行車跑起來？需要旋轉(zhuǎn)多大的力才能讓方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)？這些問題都可以利用工程構(gòu)建的力矩、力偶原理來解決。教學(xué)目標(biāo)一、目標(biāo)和要求(1)掌握力矩定義，理解合力矩定理。(2)理解力偶的定義及四大性質(zhì)，進(jìn)行相應(yīng)的判斷。(3)掌握力偶的平移定理及應(yīng)用，利用力偶系平衡條件解決相應(yīng)問題。二、重點(diǎn)和難點(diǎn)(1)合力矩定理，力偶的基本性質(zhì)。(2)力矩的計(jì)算，合力矩定理。目錄01第一節(jié) 力矩的定義02第二節(jié) 力偶的概念和基本性質(zhì)03第二節(jié) 力的平移定理目錄01第一節(jié) 力矩的定義02第二節(jié) 力偶的概念和基本性質(zhì)03第二節(jié) 力的平移定理力矩的

8、定義如圖所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，用扳手?jǐn)Q螺母時(shí)，影響螺母轉(zhuǎn)動(dòng)效果的因素有：施力的大小、施力點(diǎn)與螺母圓心間的距離、力的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在力學(xué)中，用力對(duì)點(diǎn)的矩來度量上述三個(gè)因素對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)效果的影響，力對(duì)點(diǎn)的矩簡稱力矩，通常用M表示力矩的定義合力矩定理合力矩定理 （a）直齒輪所受的合力 （b）齒輪嚙合力的分解合力矩定理目錄01第一節(jié) 力矩的定義02第二節(jié) 力偶的概念和基本性質(zhì)03第二節(jié) 力的平移定理力偶的概念在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到兩個(gè)大小相等、方向相反，但不作用在同一條直線上的兩個(gè)力使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的情形，如司機(jī)用雙手轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤（圖（a），用扳手?jǐn)Q螺絲（圖（b）等。力偶的概念力偶的性質(zhì)性質(zhì)1 力偶在任意坐標(biāo)

9、軸上的投影之和恒等于零。如圖（a）所示。性質(zhì)2 力偶沒有合力，既不能與一個(gè)力等效，也不能簡化為一個(gè)力。性質(zhì)3 力偶對(duì)其作用面內(nèi)任意一點(diǎn)的力矩恒等于力偶矩，與該點(diǎn)（即矩心）的位置無關(guān)。如圖（b）所示。（a） （b） 力偶的性質(zhì)（c）力偶等效定理的兩個(gè)推論推論1 力偶可在作用面內(nèi)任意移動(dòng)，而不會(huì)改變它對(duì)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。推論2 在保持力偶矩大小和力偶轉(zhuǎn)向都不變的條件下，可以任意改變力和力偶臂的大小而不改變力偶對(duì)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。平面力偶系的合成目錄01第一節(jié) 力矩的定義02第二節(jié) 力偶的概念和基本性質(zhì)03第二節(jié) 力的平移定理力的平移定理力的平移定理：作用在剛體上的力可以等效地平移到剛體上任意指定點(diǎn)，但

10、必須在該力與指定點(diǎn)所決定的平面內(nèi)附加一力偶，其力偶矩等于原力對(duì)新作用點(diǎn)之矩。力的平移定理（a） （b） （c） 課題三 約束與約束反力案例導(dǎo)入各種機(jī)械結(jié)構(gòu)，都需要進(jìn)行組合裝配，從而實(shí)現(xiàn)其所需功能，在實(shí)現(xiàn)功能的過程中，有些機(jī)構(gòu)可以延某一方向運(yùn)動(dòng)，有些則可以繞某一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如下兩圖的起重機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是什么呢？受力又是多少呢？教學(xué)目標(biāo)一、目標(biāo)和要求(1)掌握約束與約束力的定義，可以舉出簡單的例子。(2)掌握常見的約束類型及其特點(diǎn)。(3)掌握受力圖的畫法，能夠畫出簡單機(jī)構(gòu)的受力圖。二、重點(diǎn)和難點(diǎn)(1)常見的約束類型及其特點(diǎn)。(2)受力圖的畫法。目錄01 第一節(jié) 約束和約束反力02

11、第二節(jié) 常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)03第三節(jié) 受力圖目錄01 第一節(jié) 約束和約束反力02第二節(jié) 常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)03第三節(jié) 受力圖約束和約束反力自由體：可以沿空間任意方向運(yùn)動(dòng)的物體，如空中的飛機(jī)、水中的魚。非自由體：受周圍物體的限制而只能沿特定方向運(yùn)動(dòng)的物體，如活塞受汽缸體的限制只能沿氣缸運(yùn)動(dòng)，方向盤受轉(zhuǎn)軸限制只能轉(zhuǎn)動(dòng)，火車受鋼軌限制只能沿軌道運(yùn)動(dòng)。非自由體約束和約束反力一個(gè)物體受到周圍物體的限制時(shí)，這種限制稱為該物體的約束。約束對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的限制是通過力來實(shí)現(xiàn)的，這些約束中限制物體運(yùn)動(dòng)的力稱為約束反力，簡稱約束力。約束力是阻礙物體運(yùn)動(dòng)的力，因此屬于被動(dòng)力，其作用點(diǎn)在被約束物體

12、與約束的接觸處，其方向與其所限制物體的運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢的方向相反。促使物體運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)趨勢的力稱為主動(dòng)力，如重力、推力、拉力等。非自由體目錄01 第一節(jié) 約束和約束反力02第二節(jié) 常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)03第三節(jié) 受力圖常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)常見的約束類型有多種，有柔鎖接觸、光滑接觸面約束、鉸鏈約束、固定端約束、軸承約束等。鉸鏈又稱合頁，是一種常見的鉸鏈約束，用來連接兩個(gè)構(gòu)件并允許二者相互轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械裝置。如下圖（a）所示，圓銷插入構(gòu)件1和構(gòu)件2的圓孔內(nèi)構(gòu)成一個(gè)鉸鏈。鉸鏈對(duì)兩個(gè)構(gòu)件形成鉸鏈約束，使兩構(gòu)件間只能作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而不能做相對(duì)移動(dòng)。鉸鏈約束具有廣泛的應(yīng)用，例如，門窗開關(guān)時(shí)，

13、內(nèi)燃機(jī)中曲柄與連桿、連桿與活塞如下圖（b）運(yùn)動(dòng)時(shí)都存在鉸鏈約束。（a）鉸鏈的組成 （b）鉸鏈約束的實(shí)例常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)光滑接觸面約束若兩個(gè)物體直接接觸，且接觸面的摩擦力很小可忽略不計(jì)，則這種光滑約束面所形成的約束稱為光滑接觸面約束 約束力通常用符號(hào)FN表示，其方向必沿接觸面的公法線，且指向被約束的物體常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)鉸鏈約束固定鉸鏈支座約束限制被約束物體間的相對(duì)移動(dòng)，但不限制物體繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)的約束稱為固定鉸鏈約束約束力的符號(hào)用Fx，F(xiàn)y表示，其大小和方向與零部件受力情況有關(guān)中間鉸鏈約束與固定鉸鏈約束相類似，區(qū)別在于中間鉸鏈約束中銷軸的空間位置不固定約束力的方向不定，一

14、般用一對(duì)正交的約束反力Fx，F(xiàn)y表示，其作用線通過鉸鏈的中心活動(dòng)鉸鏈支座約束能限制構(gòu)件沿支承面法向運(yùn)動(dòng)，而不限制切線方向運(yùn)動(dòng)的約束稱為活動(dòng)鉸鏈約束約束力的符號(hào)用FR表示，其方向通過鉸鏈中心，與支承面相垂直常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)固定端約束能限制物體在約束處沿任何方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的約束稱為固定端約束約束力為兩個(gè)相互垂直的分力Fx，F(xiàn)y和一個(gè)阻止轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩M目錄01 第一節(jié) 約束和約束反力02第二節(jié) 常見約束的類型及其約束力的特點(diǎn)03第三節(jié) 受力圖受力圖 （a） （b） 受力圖 （c） 課題四 平面力系案例導(dǎo)入在機(jī)械、建筑等應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)受到很多個(gè)力集中的情況。那么分析集中力系的受力情況對(duì)

15、實(shí)際生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。如下圖所示推土機(jī)在工作時(shí)的受力如何確定？大橋的繩索受力情況如何？這些問題都需要對(duì)力系進(jìn)行研究。教學(xué)目標(biāo)一、目標(biāo)和要求（1）理解平面任意力系的概念； （2）掌握平面任意力系的平衡條件和平衡方程。二、重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）平面任意力系的平衡條件和平衡方程.（2）物體在平面任意力系作用下平衡問題的解法。（2）應(yīng)用平面任意力系平衡方程求解物體平衡問題的方法和步驟。目錄01 第一節(jié) 平面力系的分類02第二節(jié) 平面任意力系的平衡方程目錄02第二節(jié) 平面任意力系的平衡方程01 第一節(jié) 平面力系的分類平面力系的分類若力系中各力的作用線都在同一平面內(nèi)，則該力系稱為平面力系。根據(jù)各力作用線的

16、位置情況，平面力系可分為平面匯交力系、平面平行力系、平面力偶系和平面任意力系。平面力系的分類類別定義圖示平面匯交力系所有力的作用線都匯交于一點(diǎn)的平面力系稱為平面匯交力系，如桁架的受力平面平行力系所有力的作用線均相互平行的平面力系稱為平面平行力系，如火車車輪的受力平面力偶系由若干個(gè)力偶組成的平面力系稱為平面力偶系，如聯(lián)軸器的受力平面任意力系若平面力系中各力的作用線既不一定完全平行，又不一定完全匯交于一點(diǎn)，則這類力系稱為平面任意力系，如活塞連桿的受力目錄02第二節(jié) 平面任意力系的平衡方程01 第一節(jié) 平面力系的分類平面任意力系的簡化（a） （b） （c）平面任意力系的簡化平面任意力系的平衡方程及應(yīng)

17、用基本式二矩式三矩式平面任意力系的平衡方程及應(yīng)用物體在平面任意力系的作用下處于平衡時(shí)，可利用平衡方程求解未知力，一般步驟為： 根據(jù)題意選取研究對(duì)象，畫出受力圖。 建立適當(dāng)?shù)闹苯亲鴺?biāo)系（使盡可能多的力與坐標(biāo)軸處于特殊位置，力矩中心盡量選在未知力交點(diǎn)上）。 根據(jù)平衡條件列平衡方程并求解。若解出結(jié)果為正，則表明該力的作用方向與假定的作用方向相同；若解出的結(jié)果為負(fù)，則表明該力的作用方向與假定的作用方向相反。平面任意力系的平衡方程及應(yīng)用平面任意力系的平衡方程及應(yīng)用課題五 摩擦與自鎖案例導(dǎo)入摩擦是自然界中普遍存在的，也是機(jī)械制造中眾所關(guān)注的，那么研究物理的受到的摩擦力以及其臨界條件是非常重要的。如下圖所示汽車汽車在斜面為何不向下滑？千斤頂為何可以將汽車頂起并且固定在一定的高度？這些問題我們將用接下來的知識(shí)進(jìn)行解答。教學(xué)目標(biāo)一、目標(biāo)和要求(1)掌握摩擦的分類及各自特點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。(2)掌握摩擦角的概念。(3)理解自鎖的概念及類型。(4)掌握自鎖的原理，能夠在相關(guān)實(shí)例中應(yīng)用。二、重點(diǎn)和難點(diǎn)(1)理解自鎖的概念及類型。(2)掌握自鎖的原理，能夠在相關(guān)實(shí)例中應(yīng)用。目錄01 第一節(jié) 摩擦的分類02第二節(jié) 摩擦角與自鎖現(xiàn)象目錄01 第一節(jié) 摩擦的分類02第二節(jié) 摩擦角與自鎖現(xiàn)象