汽車機械基礎-(5)課件

1、模塊4工 程 力 學單元16靜力分析基礎單元17平面力系的簡化與合成單元18平面力系的平衡單元19剛體的運動形式與機械效率單元20構件的承載能力分析單元16靜力分析基礎課題1力 的 概 念課題2力的基本性質(zhì)課題3約束與約束力課題4物體的受力分析和受力圖課題1力 的 概 念一、力二、力系一、力初中學過，力是物體對物體的作用。力是不能離開施力物體或受力物體而單獨存在的。用腳踢足球時，足球從靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)，腳對足球的作用改變了足球的運動狀態(tài)，此時腳是施力物體而足球是受力物體。用手拉彈簧時，手對彈簧的作用使彈簧伸長，發(fā)生了形變，此時手是施力物體，彈簧是受力物體?？梢?，力作用在物體上可以產(chǎn)生兩種效

2、果，即：改變物體的運動狀態(tài)或使物體發(fā)生形變。二、力系(1)力系同時作用在一個物體上的若干力，如圖16-2所示。(2)平面力系作用在物體上各個力的作用線若都處在同一平面內(nèi)，則這些力所組成的力系稱為平面力系。(3)平面匯交力系若平面力系中所有力的作用線或其延長線均匯交于一點，則稱此力系為平面匯交力系。(4)平衡力系如果一個力系對物體的作用效果使物體處于平衡狀態(tài)，則稱此力系為平衡力系。(5)等效力系如果一個簡單力系對物體的作用效果與一個復雜力系作用效果相同，則兩力系彼此等效。(1)力系圖16-1(1)力系圖16-2課題2力的基本性質(zhì)一、二力平衡公理二、力的平行四邊形公理三、加減平衡力系公理四、作用力

3、與反作用力公理一、二力平衡公理圖16-3圖16-4二、力的平行四邊形公理圖16-5二、力的平行四邊形公理三、加減平衡力系公理在已知力系上加上或減去任意的平衡力系，并不改變原力系對剛體的作用效果。也就是說，如果兩個力系只相差一個或幾個平衡力系，則它們對剛體的作用效果是相同的，因此可以等效替換。推論力的可傳遞性作用于剛體上某點的力，可以沿著它的作用線移動到剛體內(nèi)任意一點，并不改變該力對剛體的作用效果。四、作用力與反作用力公理圖16-6課題3約束與約束力一、約束與約束力二、工程上常見的約束類型一、約束與約束力有些物體，例如飛行的飛機、炮彈、足球等，他們在空間上的位移不受任何限制。位移不受限制的物體稱

4、為自由體。而有些物體，例如機車、電機轉子、吊車鋼索上懸掛的重物等，他們在空間的位移都受到限制。位移受到限制的物體稱為非自由體。對非自由體的某些位移起限制作用的周圍物體稱為約束。例如，鐵軌對于機車，軸承對于電機轉子，吊車鋼索對于重物等，都是約束。既然約束阻礙著物體的運動，也就是說約束能夠起到改變物體運動狀態(tài)的作用，所以約束對物體的作用實際上就是力，這種力稱為約束力。因此，約束力的方向必與該約束所能夠阻礙的運動方向相反。應用這個準則，可以確定約束力的方向或作用線的位置。在靜力學中，約束力和物體受到的其他已知力(稱為主動力)組成平衡力系，因此可以用平衡條件求出約束力。二、工程上常見的約束類型1.具有

5、光滑接觸表面的約束2.柔性約束3.光滑鉸鏈約束4.固定端約束1.具有光滑接觸表面的約束圖16-72.柔性約束圖16-83.光滑鉸鏈約束圖16-9圖16-103.光滑鉸鏈約束圖16-114.固定端約束圖16-12課題4物體的受力分析和受力圖一、物體的受力分析二、受力圖一、物體的受力分析在工程實際中，為了求出未知的約束力，需要根據(jù)已知力，應用平衡條件求解。為此，首先要確定構件受到了幾個力，每個力的作用位置和作用方向，這個分析過程稱為物體的受力分析。作用在物體上的力可分為兩類：一類是主動力，例如：物體的重力、風力、氣體的壓力等；另一類是約束對于物體的約束力，為未知的被動力。二、受力圖為了清晰地表示物

6、體受力情況，常把需要研究的物體從周圍物體中分離出來，然后把其他物體對研究對象的全部作用力用簡圖形式畫出來。這種表示物體受力的簡明圖形，稱為受力圖。畫受力圖是解決靜力學問題的一個重要步驟。單 元 小 結1.力是矢量，力的三要素：大小、方向、作用點。2.力的作用效果：改變物體的運動狀態(tài)或使物體發(fā)生形變。3.二力平衡的必要和充分條件：兩個力的大小相等、方向相反且作用在同一條直線上。4.作用力與反作用力總是同時存在，大小相等、方向相反，沿著同一條直線，分別作用于兩個相互作用的物體上。 5.約束力的方向必與該約束所能夠阻礙的運動方向相反。6.物體的受力分析及受力圖。單元17平面力系的簡化與合成應知應會掌

7、握力的投影概念及方法。掌握力矩計算方法、力偶的特點和作用效果。了解平面力系的合成方法。課題1平面匯交力系的合成課題2力對點之矩課題3力偶課題4平面任意力系的簡化課題1平面匯交力系的合成一、投影的概念及求法二、合力投影定理課題1平面匯交力系的合成圖17-1一、投影的概念及求法設有已知力F作用于物體的A點，如圖17-2a。在力F作用線所在平面建立直角坐標系xOy，從力F的始點A和末端B點分別向x軸、y軸作垂線，垂足為a、b和a、b，在x軸上得到線段ab，在y軸上得到線段ab，如圖17-2b所示。通常，ab用Fx表示，ab用Fy表示。Fx、Fy是力F在x軸、y軸上所得到的兩個投影。其正負號規(guī)定：若投

8、影的指向與坐標軸的正向一致為正，反之為負。若已知力F與x軸正向夾角為二、合力投影定理設物體上受一平面匯交力系F1、F2、F3作用，如圖17-3所示，利用力的平行四邊形法則求出其合力為FR。取坐標系xOy，將合力FR與各分力F1、F2、F3向x軸投影則得二、合力投影定理圖17-2二、合力投影定理圖17-3二、合力投影定理課題2力對點之矩一、力對點之矩的概念二、合力矩定理一、力對點之矩的概念1) 力的大小與力臂的乘積Fd。2) 力使物體繞O點轉動的方向。圖17-4二、合力矩定理平面匯交力系的合力對于平面內(nèi)任一點的矩等于所有各力對于該點的矩的代數(shù)和。課題3力偶一、力偶及力偶矩二、力偶的基本性質(zhì)三、力

9、偶的等效性四、平面力偶系的合成一、力偶及力偶矩圖17-6二、力偶的基本性質(zhì)由于力偶中兩個力的大小相等、方向相反、作用線平行，這兩個力在任何坐標軸投影的代數(shù)和等于零。因此，力偶不能與一個力等效，力偶無合力?？梢娏ε际刮矬w單純轉動而不移動。所以力偶和力是力學中的兩個基本物理量。三、力偶的等效性圖17-7課題4平面任意力系的簡化一、力的平移定理及應用二、平面任意力系的簡化一、力的平移定理及應用1.力的平移定理2.應用1.力的平移定理圖17-82.應用由力的平移定理可知：可以將一個力替換成同平面內(nèi)的一個力和一個力偶；反之，同平面內(nèi)的一個力和一個力偶也可以用一個力來等效替換。力的平移定理不僅是力系向一點

10、簡化的依據(jù)，也可以解釋一些實際問題。例如攻螺紋時，必須用雙手均勻握住扳手兩端，而且用力要相等，如果用一只手扳動扳手，作用于扳手AB一端的力F等效于作用點C的一個力F和一個力偶矩M，如圖17-8所示。這個力偶M使絲錐轉動，而力F卻易使絲錐折斷。二、平面任意力系的簡化平面任意力系向作用面內(nèi)任一點簡化可得到一個力和一個力偶。這個力等于原力系中各力的矢量和，稱為平面力系的主矢；這個力偶的力偶矩等于力系中各力對簡化中心的力矩的代數(shù)和，稱為平面力系的主矩。單 元 小 結1.力的投影是標量，而分力是矢量。2.合力投影定理：合力在任意軸上的投影，等于諸分力在同一軸投影的代數(shù)和。3.力使物體轉動的效果用力矩來衡

11、量。4.合力矩定律：平面匯交力系的合力對于平面內(nèi)任一點的矩等于所有各力對于該點的矩的代數(shù)和。5.力偶的基本性質(zhì)：力偶中兩個力的大小相等、方向相反、作用線平行，這兩個力在任何坐標軸投影的代數(shù)和等于零。6.力的平移定理：將作用于物體上A點的力F平移到物體上任意點B，必須附加一個力偶，其力偶矩等于原力F對新作用點B的矩。7. 平面任意力系向作用面內(nèi)任一點簡化可得到一個力和一個力偶。單元18平面力系的平衡應知應會掌握平面力系的平衡條件。了解平面力系的平衡方程。了解摩擦角與自鎖概念。課題1平面任意力系的平衡課題2平面特殊力系的平衡課題3考慮摩擦時物體的平衡課題1平面任意力系的平衡一、平面任意力系平衡的充

12、分必要條件二、平面任意力系平衡方程一、平面任意力系平衡的充分必要條件平面任意力系向一點簡化可得主矢FR和主矩MO。主矢表示了原力系對物體的移動效應，主矩表示了原力系對物體的轉動效應。若FR、MO均為零，則力系對物體既無移動效應也無轉動效應，即物體平衡；反過來，若物體平衡，即力系對物體既無移動效應也無轉動效應，則FR、MO均為零。因此，平面任意力系平衡的充分和必要條件為二、平面任意力系平衡方程1.平衡方程2.解題步驟3.平衡方程的其他形式1)選取研究對象，畫出其受力圖。2)建立直角坐標系，選取矩心。3)列平衡方程，求解未知量。(1)二力矩式(2)三力矩式(1)二力矩式A、B兩點的連線AB不能與x

13、軸垂直。因為當MA(F)=0時,力系不可能簡化為一個力偶,只可簡化為通過A點的合力,當MB=0時力系也只能簡化為一個通過B點的合力,所以在一個平面任意力系中只能簡化為一個合力,則此合力FR必須通過A、B兩點。如果再加上Fx=0，那么力系如有合力，則此合力必與x軸垂直。式(18-1)的附加條件(x軸不得垂直連線AB)完全排除了力系簡化為一個合力的可能性，故所研究的力系必為平衡力系。(2)三力矩式這樣，平面任意力系共有三種不同形式的平衡方程式，究竟選哪一種形式，需根據(jù)具體條件確定。對于受平面任意力系作用的單個剛體的平衡問題也只可以列出三個獨立的平衡方程，求解三個未知量，任何第四個平衡方程都是前三個

14、方程的線性組合，而不是獨立的，但可利用這個方程來校核計算的結果。課題2平面特殊力系的平衡一、平面匯交力系的平衡二、平面平行力系的平衡一、平面匯交力系的平衡對平面匯交力系而言，若以平面匯交力系的匯交點O為矩心，則在平面任意力系的平衡方程中MO(F)0。因此平面匯交力系的平衡方程為 Fx=0Fy=0 (18-2)平面匯交力系有兩個獨立的平衡方程，至多可以解兩個未知量。二、平面平行力系的平衡對平面平行力系而言，若在選取坐標軸時，使y軸與各力的作用線平行，則在平面任意力系的平衡方程中，F(xiàn)x0，因此，平面平行力系的平衡方程為 Fy=0MO(F)=0 (18-3)平面平行力系有兩個獨立的平衡方程，至多可以

15、解兩個未知量。課題3考慮摩擦時物體的平衡一、滑動摩擦二、摩擦角與自鎖三、考慮摩擦時物體的平衡問題一、滑動摩擦1.靜滑動摩擦力2.動滑動摩擦力1.靜滑動摩擦力圖18-62.動滑動摩擦力動滑動摩擦力的大小也與物體間的正壓力成正比，即，F(xiàn)f=fFN(18-6)此即動滑動摩擦定律，式中比例系數(shù)f稱為動滑動摩擦因數(shù)，簡稱動摩擦因數(shù)。它也是量綱為1的量，其值除與接觸面材料及表面狀況有關外，還與物體間相對滑動速度的大小有關，隨速度的增大而減小。但當速度變化不大時，一般不予考慮速度的影響，將f視為常數(shù)。動摩擦因數(shù)f一般小于靜摩擦因數(shù)fs，但在精度要求不高時，可近似地認為二者相等，即，ffs圖18-7二、摩擦角

16、與自鎖如圖18-8a所示，當考慮摩擦時，接觸面對物體的約束力由兩部分組成，即法向力FN和摩擦力Ff，兩者的合力FR代表了接觸面對物體的全部作用，稱為全約束力。顯然，全約束力FR與法向力FN之間的夾角隨摩擦力Ff的增大而增大，當物體處于臨界平衡狀態(tài)時，摩擦力Ff達到最大值Ffmax，夾角 也達到最大值m,m稱為臨界(或極限)摩擦角，簡稱摩擦角。由圖可知，tanm=fs(18-7)即，摩擦角的正切等于靜摩擦因數(shù)。因此，摩擦角也是表征接觸面摩擦性質(zhì)的物理量，給出摩擦角m就相當于給出了靜摩擦因數(shù)fs。二、摩擦角與自鎖圖18-9三、考慮摩擦時物體的平衡問題1)在畫受力圖時要考慮摩擦力的存在，并按實際情況

17、畫出其方向。2)除列平衡方程外，還要列補充方程FffsFN或Ffmax=fsFN。3)由于靜摩擦力的值是一個范圍，故問題的答案往往也是一個范圍。單 元 小 結1.平面任意力系平衡的充分必要條件：FR0，MO0。2.平面任意力系平衡方程3.平面匯交力系的平衡4.平面平行力系的平衡5.靜滑動摩擦力6.動滑動摩擦力7.摩擦角與自鎖單元19剛體的運動形式與機械效率應知應會了解剛體運動形式及其運動特點。掌握功、功率、機械效率概念及其計算方法。掌握功率、轉速和轉矩之間的關系。課題1剛體的運動形式課題2功率及機械效率課題1剛體的運動形式一、剛體的概念二、剛體的平行移動三、剛體繞定軸轉動一、剛體的概念在任何外

18、界因素的作用下，體積和形狀都不發(fā)生改變的物體或體內(nèi)各質(zhì)點間的距離都保持不變的物體被稱為剛體。實際上，真正不變形的物體是不存在的。但在很多問題中，如果物體本身的微小變形對整個問題的研究影響很小而可以忽略不計時，則把它抽象為剛體，這樣可使問題的研究大為簡化。剛體是理論力學的理想模型。二、剛體的平行移動圖19-1三、剛體繞定軸轉動1.角速度2.角加速度3.剛體轉動的特殊情況4.定軸轉動剛體內(nèi)各點的速度和加速度5.剛體定軸轉動的動力學基本方程及其應用1.角速度角速度是轉角對時間的變化率，是描述剛體轉動快慢及轉向的物理量，用表示。2.角加速度角加速度是角速度對時間的變化率，是描述剛體角速度變化快慢的物理

19、量,用 表示。3.剛體轉動的特殊情況(1)勻速轉動=常數(shù)。(2)勻變速轉動=常數(shù)。4.定軸轉動剛體內(nèi)各點的速度和加速度(1)速度(2)加速度由于轉動剛體內(nèi)任意一點作圓周運動，因此其加速度可分解為切向加速度和法向加速度。(1)速度轉動剛體內(nèi)任意一點的速度大小為v=R(19-6)上式表明，轉動剛體內(nèi)任意一點的速度大小等于剛體的角速度與該點的轉動半徑的乘積。顯然，速度的方向垂直于轉動半徑并指向轉動的一方。(2)加速度由于轉動剛體內(nèi)任意一點作圓周運動，因此其加速度可分解為切向加速度和法向加速度。圖19-25.剛體定軸轉動的動力學基本方程及其應用(1)剛體定軸轉動的動力學基本方程(2)轉動慣量由式(19

20、-10)可知，在相同的外力矩作用下，轉動慣量Jz越大，則剛體的角加速度就越小，即剛體轉動的角速度變化越??；反之亦然。(1)剛體定軸轉動的動力學基本方程可以推導，作用于剛體上所有外力對轉軸之矩的代數(shù)和，等于剛體對轉軸的轉動慣量與角加速度的乘積，即(2)轉動慣量表19-1常見均質(zhì)簡單形狀剛體的轉動慣量(2)轉動慣量表19-1常見均質(zhì)簡單形狀剛體的轉動慣量課題2功率及機械效率一、功二、功率三、機械效率四、慣性力一、功1.功的概念2.幾種常見力的功3.合力的功1.功的概念物體受力的作用后，其運動狀態(tài)將發(fā)生改變，這種改變不僅與力的大小和方向有關，還與物體在力的作用下所走過的路程有關。功就是描述力在一段路

21、程中對物體的積累效應2.幾種常見力的功(1)重力的功(2)彈力的功(3)力矩的功剛體在力矩的作用下轉動時，當力矩為常量時，力矩對轉動剛體所做的功等于力矩與剛體轉角的乘積。(1)重力的功重力的功等于物體的重力與物體重心始末位置的高度差的乘積，即W=Gh可見，重力的功只與物體的始末位置有關，而與物體運動的具體路徑無關。在應用上式時，物體由高向低運動，重力做正功；反之，重力做負功。(2)彈力的功彈力的功等于彈簧初位置與末位置變形量的平方差與剛性系數(shù)乘積的一半3.合力的功在任意一段路程上，合力對物體所做的功，等于所有分力在同一段路程上所做的功的代數(shù)和。二、功率工程上，不僅要知道力做功的多少，而且還要知

22、道做功的快慢，為此需引入功率的概念。所謂功率是指力在單位時間內(nèi)所做的功，是衡量機器工作能力的一個重要的指標。功率越大，說明力在單位時間內(nèi)所做的功越多。功率用P表示。三、機械效率效率是衡量機器工作性能的又一重要指標。機器從發(fā)動機得到的功叫輸入功用0表示。輸入功的一部分用于克服有用阻力，稱為有用功，用1表示；另一部分消耗在克服無用阻力，稱為無用功，用2表示。有用功與輸入功的比值稱為機械效率，簡稱效率四、慣性力1)只有物體運動狀態(tài)改變時(即有加速度時)才存在慣性力。2)慣性力并不作用在我們所研究的運動物體上，而是作用在使運動物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變的施力物體上。單 元 小 結1.本單元講述了剛體的概念

23、、剛體運動的最簡單的形式剛體的平行移動和定軸轉動。2.剛體平動時，其上任意一點的軌跡平行、速度和加速度都相同。3.剛體定軸轉動的狀態(tài)用位置角、角速度、角加速度來描述。4.定軸轉動剛體內(nèi)點的速度和加速度用下面的公式來求得5.剛體的轉動慣量是剛體轉動慣性的度量。6.功表示力對位移的積累效應，力在物體運動方向上的投影Fcos與物體所走過的路程s的乘積，稱為力在路程s中對物體所做的功。7.功率表示做功的快慢程度。8.機械效率是有用功與輸入功的比值，即：= ，它是個永遠小于1的數(shù)值。9.慣性力是因外力的作用而使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變時，由于物體的慣性而引起運動物體對施力物體的反作用力。單元20構件的承載

24、能力分析應知應會了解軸向拉伸和壓縮的概念。掌握軸向拉伸和壓縮時構件內(nèi)力、應力、變形和強度的計算。了解剪切和擠壓的概念。掌握剪切和擠壓面的確定方法。掌握簡單連接件的強度條件和強度計算。課題1軸向拉伸和壓縮課題2剪切課題1軸向拉伸和壓縮一、軸向拉伸和壓縮的概念二、軸向拉伸(壓縮)時橫截面上的內(nèi)力三、軸向拉伸和壓縮時橫截面上的應力四、軸向拉伸和壓縮時的變形五、軸向拉伸和壓縮時的強度計算一、軸向拉伸和壓縮的概念圖20-1一、軸向拉伸和壓縮的概念圖20-2一、軸向拉伸和壓縮的概念圖20-3一、軸向拉伸和壓縮的概念圖20-4二、軸向拉伸(壓縮)時橫截面上的內(nèi)力1.內(nèi)力2.截面法求內(nèi)力1.內(nèi)力當我們用手拉一

25、根橡皮條時，會感覺到橡皮條內(nèi)有一種反抗拉長的力。拉力越大，橡皮條被拉的越長，這種反抗力也越大。這種由外力引起的在構件內(nèi)部產(chǎn)生的相互作用力，稱為內(nèi)力。軸向拉伸(壓縮)時的內(nèi)力稱軸力。軸力的正負規(guī)定：使分離體受拉伸的軸力為正，使分離體受壓縮的軸力為負。軸力的計算用截面法。2.截面法求內(nèi)力假想地將桿沿需求內(nèi)力的截面截開，把桿分為兩部分，取其中一部分為研究對象，此時，截面上的內(nèi)力被顯示出來，并成為研究對象上的一個外力，由靜力學的平衡方程可求出該內(nèi)力，這種求內(nèi)力的方法叫截面法。三、軸向拉伸和壓縮時橫截面上的應力1.橫截面上的應力2.應力的單位1.橫截面上的應力1)各橫線代表的橫截面在變形后仍為平面，仍垂直于桿軸，只是沿軸向作相對的移動。2)各縱線代表的桿件的縱向纖維都伸長了相同的長度。圖20-6四、軸向拉伸和壓縮時的變形1.絕對變形2.相對變形3.泊松比4.胡克定律四、軸向拉伸和壓縮時的變形圖20-7四、軸向拉伸和壓縮時的變形圖20-81.絕對變形變