1、汽车汽车机械基础机械基础 汽车汽车构件力学分析构件力学分析任务一任务一 汽车构件静力分析汽车构件静力分析任务二任务二 汽车构件汽车构件强度强度分析分析汽车汽车机械基础机械基础汽车汽车机械基础机械基础任务任务引入引入活塞连杆组活塞连杆组 汽车转向盘汽车转向盘 发动机活塞连杆组在工作发动机活塞连杆组在工作时时受到受到一对一对外力作用外力作用，转向盘转向盘工作时受到一对力偶作用。如何对它们进行受力分析？工作时受到一对力偶作用。如何对它们进行受力分析？汽车汽车机械基础机械基础任务任务分析分析 汽车的设计和制造都和汽车静力分析密切相关。汽车的设计和制造都和汽车静力分析密切相关。汽车构件静力分析主要根据力
2、系的简化以及构件在汽车构件静力分析主要根据力系的简化以及构件在力系作用下平衡的普遍规律，对汽车构件进行受力力系作用下平衡的普遍规律，对汽车构件进行受力分析，并进行力学计算。分析，并进行力学计算。汽车汽车机械基础机械基础1 1了解静力分析的基础知识，掌握静力学公理。了解静力分析的基础知识，掌握静力学公理。2 2掌握构件（物体）受力分析方法，并能正确地画出构件的掌握构件（物体）受力分析方法，并能正确地画出构件的 受力图。受力图。3 3熟悉平面力系的等效变换（或简化）方法。熟悉平面力系的等效变换（或简化）方法。4 4认识构件（物体）平衡规律，掌握应用平衡条件求解汽车认识构件（物体）平衡规律，掌握应用
3、平衡条件求解汽车 构件力学问题的方法。构件力学问题的方法。学习目标学习目标汽车汽车机械基础机械基础相关知识相关知识 一、一、汽车构件静力分析基础知识汽车构件静力分析基础知识 二、平面汇交力系二、平面汇交力系 三、力矩与平面力偶系三、力矩与平面力偶系 四、平面任意力系四、平面任意力系汽车汽车机械基础机械基础（一）静力分析的基本概念（一）静力分析的基本概念1.1.力力（1 1）力的作用效应）力的作用效应：力是力是物体间相互的机械作用物体间相互的机械作用。（受力体、施力体）（受力体、施力体）外效应外效应改变物体运动状态的效应；改变物体运动状态的效应；内效应内效应改变物体形状的效应。改变物体形状的效应
4、。一、一、汽车构件静力分析基础知识汽车构件静力分析基础知识F确定力的必要因素确定力的必要因素大小大小方向方向作用点作用点（2 2）力的三要素：）力的三要素：汽车汽车机械基础机械基础（5 5）力系：力系：力是一矢量，力是一矢量，用数学上的矢量记号来表示。用数学上的矢量记号来表示。（4 4）力的单位：）力的单位：在国际单位制中，力的单位是牛顿（在国际单位制中，力的单位是牛顿（N N）。）。1N=11N=1千克千克 米米/秒秒2 2 （kg m/skg m/s2 2）。）。（3 3）力的表示法：）力的表示法：力系：力系：作用于同一物体或物体系上的一群力。作用于同一物体或物体系上的一群力。平面平面力系
5、力系与与空间空间力系力系等效力系：等效力系：对物体的作用效果相同的两个力系。对物体的作用效果相同的两个力系。合力：合力：在特殊情况下，能和一个力系等效的一个力。在特殊情况下，能和一个力系等效的一个力。汽车汽车机械基础机械基础：力系中：力系中各力汇交于一点各力汇交于一点的平面力系。的平面力系。平面力系：平面力系：所有的外力都作用在一个平面内的力系。所有的外力都作用在一个平面内的力系。2.2.平面平行力系平面平行力系：力系中各力作用线都：力系中各力作用线都相互平行相互平行。：若干个：若干个力偶力偶组成的力系。组成的力系。4.4.平面任意力系平面任意力系：力系中各力既不完全平行，又不完全：力系中各力
6、既不完全平行，又不完全汇交于一点。汇交于一点。平面力系平面力系汽车汽车机械基础机械基础2.2.刚体刚体实际的物体都是变形体，有实际的物体都是变形体，有固体、流体（液体和气体）固体、流体（液体和气体）。刚体是一种理想化的力学模型。刚体是一种理想化的力学模型。一个物体一个物体能否视为刚体能否视为刚体，不仅取决于变形的大小，而且和，不仅取决于变形的大小，而且和问题本身的要求有关。问题本身的要求有关。物体内任意两点物体内任意两点始终保持不变始终保持不变的的距离距离，或形状和尺寸，或形状和尺寸始终始终保持不变保持不变的的物体物体。汽车汽车机械基础机械基础平衡力系：平衡力系：能使物体维持平衡的力系。能使物
7、体维持平衡的力系。3.3.平衡平衡 平衡是物体机械运动的特殊形式，是指物体相对地球处平衡是物体机械运动的特殊形式，是指物体相对地球处于于静止静止或或匀速直线运动状态匀速直线运动状态。平衡条件：平衡条件：使物体平衡的力系所应满足的条件。使物体平衡的力系所应满足的条件。平衡是相对的，平衡是相对的，平衡平衡是机械运动的是机械运动的一种特殊形式一种特殊形式。平衡。平衡的规律远比一般规律简单。的规律远比一般规律简单。汽车汽车机械基础机械基础1.1.二力平衡公理二力平衡公理 作用于作用于同一刚体同一刚体上的上的两个力两个力，使刚体处于，使刚体处于平衡平衡状态状态的的充要和充分条件是：这两个力大小相等、方向
8、相反，且作充要和充分条件是：这两个力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上，简称用在同一直线上，简称（等值、反向、共线）（等值、反向、共线）。二力平衡二力平衡ABFAFB（二）静力学公理（二）静力学公理汽车汽车机械基础机械基础二力构件（二力杆）：二力构件（二力杆）：ABF1F2汽车汽车机械基础机械基础2.2.加减平衡力系公理加减平衡力系公理 在作用于刚体的任意力系上，加上或减去一组平衡力系，在作用于刚体的任意力系上，加上或减去一组平衡力系，并并不改变不改变原有原有力系对刚体的作用效应力系对刚体的作用效应。汽车汽车机械基础机械基础=推论：推论：力的可传性原理力的可传性原理 作用于刚体上的力作用于
9、刚体上的力可沿其作用线任意移动可沿其作用线任意移动，而不会改变力，而不会改变力对该刚体作用的运动效应。对该刚体作用的运动效应。F1=F2=F汽车汽车机械基础机械基础力的可传性力的可传性适用于适用于刚体刚体F F F FF F F F力的可传性力的可传性不适用于不适用于变形体变形体F FF F F FF F 汽车汽车机械基础机械基础 两个物体间两个物体间的作用力与反作用力总是同时存在，且的作用力与反作用力总是同时存在，且大小相大小相等，方向相反、沿同一直线等，方向相反、沿同一直线，分别作用在这两个物体上。，分别作用在这两个物体上。3.3.作用力与反作用力公理作用力与反作用力公理作用力与反作用力作
10、用力与反作用力成对出现成对出现，不能互相抵消、互相平衡。，不能互相抵消、互相平衡。汽车汽车机械基础机械基础4.4.力的平行四边形公理力的平行四边形公理 作用于物体上同一点的两个力可以合成为一个合力，合力作用于物体上同一点的两个力可以合成为一个合力，合力的的作用点作用点仍在该点，合力的仍在该点，合力的大小和方向大小和方向由以这两个力为邻边构由以这两个力为邻边构成的成的平行四边形的对角线平行四边形的对角线确定，确定，即合力矢等于这两个分力即合力矢等于这两个分力矢的矢的矢量和。矢量和。矢量表达式：矢量表达式：21FFFR汽车汽车机械基础机械基础 当刚体在三个力作用下当刚体在三个力作用下平衡平衡时，设
11、其中两个力的作用线相时，设其中两个力的作用线相交于某点，则第三个力的作用线必定也通过这个点。交于某点，则第三个力的作用线必定也通过这个点。F F1 1F F3 3F FR RF F2 2O O=证明：证明：C CF F1 1F F2 2F F3 3C CO OB BA A推论：推论：三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理汽车汽车机械基础机械基础ABDOFBFDFA三力平衡汇交定理应用：三力平衡汇交定理应用：当刚体受到三个互不平行的共面力作用时，可用此推论当刚体受到三个互不平行的共面力作用时，可用此推论确定确定未知力的方向未知力的方向。汽车汽车机械基础机械基础1.1.约束和约束反力约束和约束反力自自
12、由由 体体：可以任意运动（获得任意位移）的物体。可以任意运动（获得任意位移）的物体。非自由体非自由体：不可能产生某方向位移的物体。不可能产生某方向位移的物体。（三）受力分析与受力图（三）受力分析与受力图汽车汽车机械基础机械基础约约 束束：限制非自由体位移的周围物体。限制非自由体位移的周围物体。约束反力约束反力：主主 动动 力力：约束对被约束体的反作用力，是约束对被约束体的反作用力，是被动力被动力。约束力以外的力。约束力以外的力。重力、风力、推力重力、风力、推力等。等。列车是非自由体列车是非自由体铁轨是约束铁轨是约束铁轨作用在车轮上铁轨作用在车轮上的力为约束力的力为约束力汽车汽车机械基础机械基础
13、约束反力约束反力的分析和计算是力学中一个非常重要的基本问题。的分析和计算是力学中一个非常重要的基本问题。作用点：作用点：总是在约束与被约束物体总是在约束与被约束物体相互接触处相互接触处；方方 向：向：必与约束必与约束所限制的运动方向相反所限制的运动方向相反；大大 小：小：根据根据平衡条件平衡条件计算其大小。计算其大小。确定约束反力确定约束反力三要素三要素的原则：的原则：汽车汽车机械基础机械基础（1 1）柔体约束（）柔体约束（绳索、皮带、链条绳索、皮带、链条）F FT T作用线：作用线：沿柔性体沿柔性体方方 向：向：离开非自由体离开非自由体 （拉力）（拉力）汽车汽车机械基础机械基础（2 2）光滑
14、接触约束）光滑接触约束作用线：作用线：沿约束面的公法线沿约束面的公法线 方向：方向：指向非自由体（压力）指向非自由体（压力）汽车汽车机械基础机械基础（3 3）光滑铰链约束）光滑铰链约束 中间铰链约束中间铰链约束 将具有相同圆孔的两构件用将具有相同圆孔的两构件用圆柱形销钉圆柱形销钉连接。连接。作用线：作用线：通过铰链中心通过铰链中心方向：方向：待定（可用两个分力表示）待定（可用两个分力表示）铰链铰链汽车汽车机械基础机械基础 固定铰链支座固定铰链支座 用销钉把某构件与固定机架或固定支撑面连接。用销钉把某构件与固定机架或固定支撑面连接。汽车汽车机械基础机械基础 活动铰链支座活动铰链支座 铰链支座下安
15、装辊轴。铰链支座下安装辊轴。作用线：作用线：沿公法线沿公法线方向：方向：指向非自由体指向非自由体FN汽车汽车机械基础机械基础2.2.物体的受力分析与受力图物体的受力分析与受力图（1 1）哪个是我们的研究对象。）哪个是我们的研究对象。确定研究对象，确定研究对象，画出画出分离体分离体。两个关键问题：两个关键问题：（2 2）研究对象上受哪些力作用。）研究对象上受哪些力作用。画受力图的方法与步骤：画受力图的方法与步骤：在分离体上，在分离体上，画出全部已知的主动力画出全部已知的主动力。在分离体上解除约束处，在分离体上解除约束处，画出画出相应的相应的约束反力约束反力。分离体：分离体：解除约束后的自由体。解
16、除约束后的自由体。汽车汽车机械基础机械基础例例2-12-1画出杆画出杆ABAB的受力图（不计杆重，假设接触面光滑）。的受力图（不计杆重，假设接触面光滑）。解：以解：以ABAB杆为研究对象，画分离体，进行受力分析。杆为研究对象，画分离体，进行受力分析。汽车汽车机械基础机械基础例例2-22-2试分别画出试分别画出定滑轮结构中定滑轮结构中重物与滑轮的受力图。设滑轮重物与滑轮的受力图。设滑轮本身重力不计，滑轮与轴之间的摩擦忽略不计。本身重力不计，滑轮与轴之间的摩擦忽略不计。解：解：汽车汽车机械基础机械基础 画分离体与受力图应注意的问题画分离体与受力图应注意的问题:分析两物体间相互的机械作用时，应该注意
17、运用分析两物体间相互的机械作用时，应该注意运用作用力与反作作用力与反作用力定理用力定理来判断和检查。来判断和检查。善于运用善于运用二力构件二力构件来帮助进行受力分析，正确运用来帮助进行受力分析，正确运用三力平衡汇三力平衡汇交定理交定理。分析约束反力时应严格区分分析约束反力时应严格区分约束类型约束类型，确定相应的约束反力。，确定相应的约束反力。不要多画力，也不要少画力。凡是与周围物体接触的位置，不要多画力，也不要少画力。凡是与周围物体接触的位置，均均存在约束反力。存在约束反力。柔性体约束柔性体约束的约束反力的约束反力只能是拉力只能是拉力，不会是压力。，不会是压力。汽车汽车机械基础机械基础二、平面
18、汇交力系二、平面汇交力系1 1平面汇交力系合成的几何法（矢量法）平面汇交力系合成的几何法（矢量法）（1 1）力多边形法则）力多边形法则汽车汽车机械基础机械基础 1.1.在一般情况下，平面汇交力系合成的在一般情况下，平面汇交力系合成的结果是一个合力结果是一个合力。2.2.合力的作用线通过力系的合力的作用线通过力系的汇交点汇交点。3.3.合力的大小和方向由合力的大小和方向由力多边形的封闭边力多边形的封闭边表示，等于表示，等于力系力系中各力的矢量和中各力的矢量和。4.4.按矢量合成的方法，各力矢按矢量合成的方法，各力矢首尾相接首尾相接。5.5.做力多边形时，所作力矢的做力多边形时，所作力矢的顺序顺序
19、与合力的大小、方向无与合力的大小、方向无关，即关，即不影响合成结果不影响合成结果。几何法结论几何法结论汽车汽车机械基础机械基础平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：该力系的合力等于零。平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：该力系的合力等于零。R0iFF平面汇交力系平衡的几何条件是：该力系的力多边形自行封闭。平面汇交力系平衡的几何条件是：该力系的力多边形自行封闭。（2 2）平面汇交力系平衡的几何条件）平面汇交力系平衡的几何条件汽车汽车机械基础机械基础（1 1）力在坐标轴上的投影）力在坐标轴上的投影sincosyxFFFF 投影的投影的正负号规正负号规定定为：当起点投影至为：当起点投影至终点投影的指向
20、终点投影的指向与坐与坐标轴正向一致标轴正向一致，则投，则投影为影为正正，反之为负。，反之为负。注意：注意：力在坐标轴上的投影是力在坐标轴上的投影是代数量代数量。2 2平面汇交力系合成的解析法（投影法）平面汇交力系合成的解析法（投影法）汽车汽车机械基础机械基础力在坐标轴上的投影力在坐标轴上的投影 反之，当投影反之，当投影Fx Fx、Fy Fy 已知时，已知时，则可求出力则可求出力 F F 的大小和方向：的大小和方向：2y2xFFFFFFFyxcoscos xyFFtan 力在坐标轴上的力在坐标轴上的投影投影与力的与力的分力分力是不同的，力的是不同的，力的投影是代数量投影是代数量，力的力的分力是矢
21、量分力是矢量，二者不可混淆。，二者不可混淆。汽车汽车机械基础机械基础（2 2）合力投影定理）合力投影定理F F3 3F F2 2F F1 1力系的合力在力系的合力在任一轴上的投影任一轴上的投影等于各分力在等于各分力在同一轴上投影的代数和同一轴上投影的代数和。F FRxRxF FRyRyny2y1yynx2x1xxFFFFFFFF 汽车汽车机械基础机械基础同理，对同理，对n n个力组成的平面汇交力学，可得个力组成的平面汇交力学，可得R12R12xxxnxxyyynyyFFFFFFFFFFLL2y2x)()(FFFRRRFFxcosRRFFycos90汽车汽车机械基础机械基础R()()xyF=F+
22、F=22000 xyF=F=平面汇交力系的平衡条件是：力系中所有各力在平面汇交力系的平衡条件是：力系中所有各力在x x轴和轴和y y轴上轴上投影的代数和都等于零。投影的代数和都等于零。（3 3）平面汇交力系平衡的解析条件）平面汇交力系平衡的解析条件 平面汇交力系平衡的充分和必要条件是力系的合力等于零，平面汇交力系平衡的充分和必要条件是力系的合力等于零，则有则有汽车汽车机械基础机械基础例例2-3 2-3 重力重力 G=2N G=2N 的球搁在光滑的斜面上，用绳拉住，如图所示。的球搁在光滑的斜面上，用绳拉住，如图所示。已知已知 =30=30，=15=15，求绳子的拉力和斜面对球的约束反力。，求绳子
23、的拉力和斜面对球的约束反力。汽车汽车机械基础机械基础解：解：（1 1）选取球为研究对象，画分离体。）选取球为研究对象，画分离体。（3 3）建立直角坐标系，列平衡方程：）建立直角坐标系，列平衡方程：（2 2）对球进行受力分析，画出受力图。）对球进行受力分析，画出受力图。代入代入 =30=30，=15=15，并解联立方程，得，并解联立方程，得F FN N=1.414N=1.414NF FT T=0.732N=0.732N00 xyFFNTNTsinsin0coscos0FFFFG即即 汽车汽车机械基础机械基础 力对点之矩：力对点之矩：平面内力平面内力F F对对刚体产生绕刚体产生绕O O点的点的转动
24、效应转动效应用用力力的大小的大小与与力臂力臂的的乘积乘积冠以适当冠以适当的正负号来度量，称为力对点的正负号来度量，称为力对点之矩。之矩。1.1.力矩力矩三、力矩与平面力偶系三、力矩与平面力偶系汽车汽车机械基础机械基础1.1.力力 F F 的大小。的大小。2.2.力力 F F 到转动中心到转动中心 O O 的距离。的距离。3.3.力力 F F 使物体绕使物体绕 O O 点转动的方向。点转动的方向。式中，式中，O O点点-矩心，矩心，d d-力臂，力臂，FdFd表示力使物体绕点表示力使物体绕点O O转动效转动效果的大小，果的大小，正负号正负号则表明：则表明：M Mo o（F F）是一个）是一个代数
25、量代数量，可以用它来，可以用它来描述物体的转动方向。描述物体的转动方向。力使物体力使物体产生转动效应产生转动效应取决于三个因素：取决于三个因素：正负号规定：正负号规定：使物体使物体逆逆时针转动的力矩为时针转动的力矩为正正，反之为负。，反之为负。力矩的单位为力矩的单位为牛顿牛顿米米或或千牛顿千牛顿米米。力矩：力矩：()OMF=Fd汽车汽车机械基础机械基础例例2-42-4直齿圆柱齿轮，齿轮轮齿受力为直齿圆柱齿轮，齿轮轮齿受力为F F=1400N=1400N，压力角，压力角 =20=20，齿轮节圆（啮合圆）半径，齿轮节圆（啮合圆）半径r=60mmr=60mm，求力，求力F F 对轴心之矩。对轴心之矩
26、。解：解：根据力矩的定义，有根据力矩的定义，有O()cos1400 60 cos2078.93 MFFrO()cos1400 60 cos2078.93 MFFrO()cos1400 60 cos2078.93 MFFrNm汽车汽车机械基础机械基础例例2-52-5汽车操纵系统的踏板装置如图所示。汽车操纵系统的踏板装置如图所示。已知已知 a=380mma=380mm，b=50mmb=50mm，=60=60，工作阻力，工作阻力 F=1700NF=1700N，求图，求图示位置驾驶员蹬力示位置驾驶员蹬力F FP P、支座、支座O O的约束反力、阻力的约束反力、阻力F F和蹬力和蹬力 F FP P 对对
27、O O点点的矩。的矩。解：解：o()0MF Psin0FbF aP193.7NF（1 1）取踏板装置整体为研）取踏板装置整体为研究对象，支座对装置的约束究对象，支座对装置的约束力过力过O O点，取为矩心，可求点，取为矩心，可求出出F FP P。即即解得解得方向如图所示。方向如图所示。汽车汽车机械基础机械基础00 xyFFPsin0cos0OxOyFFFFF1472.2NOxF656.3NOyF()sin1700 0.05 sin6073.61N moMFFb gPP()193.7 0.3873.61N moMFF g（2 2）列平衡方程，支座）列平衡方程，支座O O的约束反力。的约束反力。即即
28、 解得解得 负号表明在负号表明在y y轴上约束反力的分轴上约束反力的分力的实际方向与图示方向相反。力的实际方向与图示方向相反。（3 3）求阻力）求阻力F F 和蹬力和蹬力F FP P对对O O点的矩，列点的矩，列平衡方程，求解得平衡方程，求解得汽车汽车机械基础机械基础 力偶力偶是指是指作用于同一物体上，作用于同一物体上，大小相等、方向相反、不共大小相等、方向相反、不共线线的的两个力两个力，记作（，记作（F F，F F）。）。2.2.力偶力偶矩矩 力偶对物体的转动效应取决于力偶对物体的转动效应取决于三要素三要素：力偶矩的大小、力：力偶矩的大小、力偶的转向、力偶的作用面偶的转向、力偶的作用面。汽车
29、汽车机械基础机械基础力偶实例：力偶实例：实践证明：实践证明：力偶只能使物体产生力偶只能使物体产生转动效应转动效应,不能产生不能产生移动效应移动效应。力偶矩力偶矩指力偶中指力偶中力的大小力的大小与与力偶臂力偶臂的乘积，用以衡量力偶的乘积，用以衡量力偶对刚体的转动效应。对刚体的转动效应。力偶臂：力偶臂：力偶一对力的作用线间的垂直距离，用力偶一对力的作用线间的垂直距离，用d d表示。表示。力偶矩：力偶矩：()OMFF=Fd=M，力偶矩的单位为力偶矩的单位为牛顿牛顿米米或或千牛顿千牛顿米米。汽车汽车机械基础机械基础 性质性质1 1：力偶：力偶不能简化为一个合力不能简化为一个合力，即力偶不能与一个力等，
30、即力偶不能与一个力等效。因此，力偶不能与一个力平衡，力偶只能与反向力偶相平衡。效。因此，力偶不能与一个力平衡，力偶只能与反向力偶相平衡。3.3.力偶的性质力偶的性质 性质性质2 2：力偶中的力偶中的两个力两个力对其对其作用面作用面内内任一点的矩任一点的矩，恒等于恒等于力偶矩力偶矩，与矩心的位置无关。，与矩心的位置无关。力偶作力偶作用面用面()()ooMF+MF=M=Fd汽车汽车机械基础机械基础 推论推论1 1：保持：保持力偶矩的大小力偶矩的大小和和力偶的转向力偶的转向不变，力偶可以在其不变，力偶可以在其作用面内任意作用面内任意或或转动，转动，转动效应与它在作用面内的位置无关转动效应与它在作用面
31、内的位置无关。性质性质3 3：作用在刚体同一平面上的两个力偶相互等效的条件是：作用在刚体同一平面上的两个力偶相互等效的条件是两者的力偶矩相等。两者的力偶矩相等。汽车汽车机械基础机械基础 推论推论1 1：保持：保持力偶矩的大小力偶矩的大小和和力偶的转向力偶的转向不变，力偶可以在其不变，力偶可以在其作用面内任意作用面内任意移动移动或或，转动效应与它在作用面内的位置无关转动效应与它在作用面内的位置无关。汽车汽车机械基础机械基础 推论推论2 2：保持：保持力偶矩的大小力偶矩的大小和和力偶的转向力偶的转向不变，可以任意改变力不变，可以任意改变力偶中偶中力的大小力的大小和和力偶臂的长短，而力偶臂的长短，而
32、不改变不改变该力偶对物体的转动效应该力偶对物体的转动效应。汽车汽车机械基础机械基础力偶矩正负号规定：力偶矩正负号规定：力偶力偶逆逆时针转动为时针转动为正正，反之为负。，反之为负。力偶矩的正负号力偶矩的正负号汽车汽车机械基础机械基础4 4平面力偶系的合成与平衡条件平面力偶系的合成与平衡条件12niM=M+M+M=MLiM=M=0若同一平面内有若同一平面内有n n个力偶，则其合力偶矩应为：个力偶，则其合力偶矩应为：平面力偶系平衡的充要条件是：力偶系中各分力偶矩的平面力偶系平衡的充要条件是：力偶系中各分力偶矩的代数和等于零代数和等于零。汽车汽车机械基础机械基础例例2-62-6要在汽车发动机气缸盖上钻
33、四个相同直径的孔。钻每个孔的要在汽车发动机气缸盖上钻四个相同直径的孔。钻每个孔的切削力偶矩为切削力偶矩为M M1 1=M=M2 2=M=M3 3=M=M4 4=-20Nm=-20Nm。若用多轴钻床同时钻这四个孔时，。若用多轴钻床同时钻这四个孔时，工件受到的总切削力偶矩有多大工件受到的总切削力偶矩有多大?M=M M=Mi i=M=M1 1+M+M2 2+M+M3 3+M+M4 4 =4 =4*（-20-20）=-80 Nm=-80 Nm作用于汽缸盖上的四个力偶位于同作用于汽缸盖上的四个力偶位于同一平面内，各一平面内，各力偶矩大小相等，转力偶矩大小相等，转向相同向相同，则作用在工件上的合力偶，则作
34、用在工件上的合力偶矩为：矩为：即合力偶矩大小为即合力偶矩大小为80 Nm80 Nm，按顺时针方向转动按顺时针方向转动。解：解：汽车汽车机械基础机械基础例例2-7 2-7 如图所示的平面结构，横梁如图所示的平面结构，横梁ABAB长为长为l l，受到一同平面内的力偶，受到一同平面内的力偶 M M 作用。作用。A A 端通过铰链由端通过铰链由 AD AD 杆支撑，杆支撑，B B 端为固定铰链支座。不计梁端为固定铰链支座。不计梁和支杆自重，求和支杆自重，求 A A、B B 端的约束反力。端的约束反力。解：解：0M=cos450AMF l=2=ABMFFl（1 1）受力分析，画受力图。）受力分析，画受力
35、图。（2 2）列平衡方程求解。）列平衡方程求解。即即 解得解得方向如图所示。方向如图所示。汽车汽车机械基础机械基础四、平面任意力系四、平面任意力系1 1力的平移定理力的平移定理 作用在刚体上的力，可以平移到刚体内任意一点，但必须同时作用在刚体上的力，可以平移到刚体内任意一点，但必须同时附加一个力偶附加一个力偶，附加力偶的力偶矩附加力偶的力偶矩等于等于原力原力对对平移点的力矩平移点的力矩。汽车汽车机械基础机械基础2 2平面任意力系的简化平面任意力系的简化（1 1）简化方法）简化方法a.a.汇交于汇交于O O 点的点的平面汇交力系平面汇交力系：F F1 1，F F2 2，F Fn n。b.b.附加
36、力偶系附加力偶系：M M1 1=M=MO O（F F1 1），），M M2 2=M=MO O（F F2 2），），M Mn n=M=MO O（F Fn n）。）。附加力偶系附加力偶系平面汇交力系平面汇交力系平面任意力系平面任意力系力的平移力的平移汽车汽车机械基础机械基础（2 2）主矢和主矩）主矢和主矩主矢主矢 F FR R=F F1 1+F+F2 2+F+Fn n=FFi i （作用线通过简化中心（作用线通过简化中心 O O，大小与简化中心，大小与简化中心O O的位置的位置无关无关，对于给定的力系，对于给定的力系，主矢唯一主矢唯一）主矩主矩 M Mo o=M MO O（F F1 1）+M+MO
37、 O（F F2 2）+M+MO O（F Fn n）=MMo o（F Fi i）（与简化中心（与简化中心O O的位置的位置有关有关）22R()()xyFFF 12()()()()oooonoiMMFMFMFMF L汽车汽车机械基础机械基础（3 3）固定端约束）固定端约束汽车汽车机械基础机械基础固定端约束固定端约束 固定端约束反力有固定端约束反力有三个量：三个量：两个正交分力两个正交分力和一和一个个反力偶反力偶汽车汽车机械基础机械基础3 3平面任意力系的简化结果分析平面任意力系的简化结果分析 ，R0F 0OM R0F 0OM 将矩为将矩为 的力偶用两个力的力偶用两个力 和和 表示，并令表示，并令
38、。OMRFRFRRRFFF ，原力系平衡。，原力系平衡。主矢和主矩进一步简化主矢和主矩进一步简化：R0F 0OM R0F 0OM ROMdF汽车汽车机械基础机械基础4 4平面任意力系的平衡条件平面任意力系的平衡条件 平面任意力系平衡的充分和必要条件是：力系的主矢和力平面任意力系平衡的充分和必要条件是：力系的主矢和力系对作用面内任一点的主矩同时等于零，即系对作用面内任一点的主矩同时等于零，即00()0 xyOFFMF 三个三个独立方程，只能求独立方程，只能求三个三个独立独立未知数未知数。注意事项：注意事项：尽可能使每一尽可能使每一投影方程投影方程中中只含有一个未知数只含有一个未知数。应选在应选在
39、未知量最多未知量最多的的交点处交点处。（1 1）投影轴的选择：）投影轴的选择：（2 2）矩心的选择：）矩心的选择：选取与较多的力的选取与较多的力的作用线相平行或相垂作用线相平行或相垂直的轴直的轴作为坐标轴。作为坐标轴。尽可能使每一尽可能使每一力矩方程力矩方程中中只含有一个未知数只含有一个未知数。汽车汽车机械基础机械基础0)(0)(0 xFMFMFBA（1 1）两矩式平衡方程：）两矩式平衡方程：（2 2）三矩式平衡方程：）三矩式平衡方程：0)(0)(0)(FMFMFMCBAA A、B B连线不垂直于连线不垂直于x x轴。轴。A A、B B、C C 三点不三点不共线。共线。ABxABxABCF汽车
40、汽车机械基础机械基础例例2-8 2-8 汽车发动机中的活塞连杆机构如图所示，在图示位置时处于平汽车发动机中的活塞连杆机构如图所示，在图示位置时处于平衡，各构件自重忽略不计。已知衡，各构件自重忽略不计。已知F=6kNF=6kN，求力偶矩，求力偶矩M M和支座和支座O O处的约处的约束力。束力。汽车汽车机械基础机械基础解：解：取活塞为研究对象，受力情况如图所示，列平衡方程。取活塞为研究对象，受力情况如图所示，列平衡方程。00 xyFFNsin0cos0ABBABFFFFN2kNBF00()0 xyOFFMFN3N 0 0400 10 0OxBOyBFFFFFM2kNOxF6kNOyF0.8kN m
41、M g即即 解得解得 取整体为研究对象，受力如图所示，列平衡方程。取整体为研究对象，受力如图所示，列平衡方程。即即 解得解得方向如图所示。方向如图所示。汽车汽车机械基础机械基础0()0yoFMF其中，其中，A A、B B两点的连线不能与各力平行。两点的连线不能与各力平行。两矩式方程的形式，即两矩式方程的形式，即()0()0ABMFMF平面平行力系平面平行力系平面平行力系的独立平衡方程的数目只有两个，即平面平行力系的独立平衡方程的数目只有两个，即其中，其中，y y轴不与各力垂直。轴不与各力垂直。汽车汽车机械基础机械基础任务任务实施实施 一、汽车发动机活塞连杆组的受力分析一、汽车发动机活塞连杆组的
42、受力分析 二、二、汽车转向盘的受力分析汽车转向盘的受力分析汽车汽车机械基础机械基础一、汽车发动机活塞连杆组的受力分析一、汽车发动机活塞连杆组的受力分析汽车汽车机械基础机械基础二二、汽车发动机活塞的主要性能分析、汽车发动机活塞的主要性能分析1 1驾驶员双手如何用力才能保持转向盘静止不动？驾驶员双手如何用力才能保持转向盘静止不动？2 2驾驶员双手如何用力才能使转向盘转动？驾驶员双手如何用力才能使转向盘转动？3 3如果驾驶员双手施加的力增大一倍，双手之间的如果驾驶员双手施加的力增大一倍，双手之间的距离减少一半，转向盘的转动有无变化？距离减少一半，转向盘的转动有无变化？1 1转向盘上所有力矩的代数和等
43、于零，即转向盘上所有力矩的代数和等于零，即符合力矩平衡条件符合力矩平衡条件。2 2欲使转向盘转动，双手的欲使转向盘转动，双手的作用力应大小相等，方向相反，作作用力应大小相等，方向相反，作用线平行，且不在同一条直线上用线平行，且不在同一条直线上。3 3转向盘的转动转向盘的转动没有变化没有变化，因为作用在转向盘上的力偶矩大小，因为作用在转向盘上的力偶矩大小和方向没有改变，力偶使转向盘转动的效应就没有改变。和方向没有改变，力偶使转向盘转动的效应就没有改变。汽车汽车机械基础机械基础汽车汽车机械基础机械基础任务任务引入引入汽车离合器踏板 汽车连接螺栓 汽车传动轴汽车汽车机械基础机械基础任务任务分析分析
44、汽车上的各个构件在不同的外力作用下，将发生汽车上的各个构件在不同的外力作用下，将发生不同的变形。不同的变形。为了保证这些构件安全可靠地工作，即不失效，为了保证这些构件安全可靠地工作，即不失效，必须分析构件发生的变形类型，并进行相应的内力、必须分析构件发生的变形类型，并进行相应的内力、应力和强度计算。应力和强度计算。汽车汽车机械基础机械基础1 1掌握拉压杆拉伸与压缩强度计算。掌握拉压杆拉伸与压缩强度计算。2 2掌握剪切构件剪切与挤压强度计算。掌握剪切构件剪切与挤压强度计算。3 3掌握轴扭转强度计算。掌握轴扭转强度计算。4 4掌握梁弯曲强度计算。掌握梁弯曲强度计算。学习目标学习目标汽车汽车机械基础
45、机械基础相关知识相关知识 一、拉伸与压缩的强度分析一、拉伸与压缩的强度分析 二、二、剪切与挤压的强度分析剪切与挤压的强度分析 三、轴扭转的强度分析三、轴扭转的强度分析 四、梁弯曲的强度分析四、梁弯曲的强度分析 汽车汽车机械基础机械基础 在外力作用下，汽车机械中杆件主要有轴向拉伸与压缩、在外力作用下，汽车机械中杆件主要有轴向拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转和弯曲等四种变形剪切与挤压、扭转和弯曲等四种变形：轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩 剪切与挤压剪切与挤压扭转扭转 弯曲弯曲汽车汽车机械基础机械基础一、拉伸与压缩的强度分析一、拉伸与压缩的强度分析1 1拉伸与压缩的概念拉伸与压缩的概念悬臂吊车的拉杆悬臂吊
46、车的拉杆 活塞连杆组的连杆活塞连杆组的连杆 汽车汽车机械基础机械基础FFFF受力特点：受力特点：外力（或外力的外力（或外力的合力）沿杆件的轴线合力）沿杆件的轴线作用，且作用线与轴作用，且作用线与轴线重合。线重合。变形特点：变形特点：沿杆轴线方向要沿杆轴线方向要么伸长，要么缩短。么伸长，要么缩短。发生轴向拉伸与压缩的杆件一般简称发生轴向拉伸与压缩的杆件一般简称为为拉压杆拉压杆。当杆件所受当杆件所受外力的作用线外力的作用线与与杆件轴线重合杆件轴线重合时，杆件将沿轴线伸时，杆件将沿轴线伸长或缩短变形，称为轴向长或缩短变形，称为轴向拉伸或压缩拉伸或压缩。汽车汽车机械基础机械基础2 2拉压杆的内力拉压杆
47、的内力内力：内力：由外力引起的材料内部各部分之间的由外力引起的材料内部各部分之间的相互作用力相互作用力。外力：外力：构件所受其他物体对它的作用力。包括构件所受其他物体对它的作用力。包括主动力主动力和和约约束反力束反力。注意：注意：内力随外力的大小而变化，与构件承载能力密切相关。内力随外力的大小而变化，与构件承载能力密切相关。研究和分析研究和分析内力内力是解决是解决强度强度问题的基础。问题的基础。汽车汽车机械基础机械基础左半部分：左半部分：Fx=0 FFx=0 FN N=F=F右半部分：右半部分：Fx=0 FFx=0 FN N,=F=FFFmm步骤步骤:1.1.将杆件在欲求内力将杆件在欲求内力的
48、截面处假想的的截面处假想的切开切开；2.2.取其中任一部分并取其中任一部分并在截面上画出相应在截面上画出相应内力内力；3.3.由由平衡平衡条件确定内条件确定内力大小。力大小。（1 1）截面法）截面法截面法步骤：截面法步骤：截、取、代、平。截、取、代、平。注意：注意：截面不能选在外力作用点截面不能选在外力作用点处的截面上。处的截面上。汽车汽车机械基础机械基础 轴力的正负规定：轴力的正负规定：使分离体受使分离体受拉伸拉伸的轴力为的轴力为正正，使分离体，使分离体受受压缩压缩的轴力为的轴力为负负。轴向拉伸（压缩）时的内力称轴向拉伸（压缩）时的内力称轴力轴力。轴力的计算用轴力的计算用截面法截面法。轴力图
49、：轴力图：表示表示轴力轴力随截面位置变化的曲线。随截面位置变化的曲线。用用平行于平行于杆件轴线的坐标表示杆件轴线的坐标表示杆件截面的位置杆件截面的位置，用，用垂直于垂直于杆件轴线的另一坐标表示杆件轴线的另一坐标表示轴力数值的大小轴力数值的大小，正轴力正轴力画在坐标轴画在坐标轴正向正向，反之画在，反之画在负向负向。轴力图画法：轴力图画法：（2 2）轴力图）轴力图汽车汽车机械基础机械基础 用平行于杆轴线的用平行于杆轴线的 x x坐标表示横截面位置坐标表示横截面位置，用，用垂直于垂直于 x x的坐标的坐标 F FN N 表示表示横截面内力的大小横截面内力的大小，按选，按选定的比例，把内力表示在定的比
50、例，把内力表示在x-Fx-FN N坐标系中。坐标系中。作图方法：作图方法：FFmmFNx汽车汽车机械基础机械基础例例2-92-9直杆受力如所示，作直杆的轴力图。直杆受力如所示，作直杆的轴力图。汽车汽车机械基础机械基础3 3拉压杆的应力拉压杆的应力 分布分布内力内力在某在某点处的集度，即为点处的集度，即为该点处的该点处的应力应力 P P。应力的单位是应力的单位是帕（帕（PaPa），1Pa=1N/m1Pa=1N/m2 2。垂直于截面的应力称为垂直于截面的应力称为“正应力正应力”-。位于截面内的应力称为位于截面内的应力称为“切（剪）应力切（剪）应力”-。内力大小不能衡量构件内力大小不能衡量构件强强度
