汽車(chē)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(chē)、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(chē)載起重機(jī)的最大起吊重量如何確定？汽車(chē)行駛過(guò)程中輪胎的受力情況如何？這些問(wèn)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(chēng)為力的外效應(yīng)；力使物體的形狀發(fā)生變化，稱(chēng)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)稱(chēng)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(pán)上安裝的若干條支撐腿就是保證起吊重物時(shí)，車(chē)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(chēng)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(jiǎn)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(wèn)題的研究，可將該物體簡(jiǎn)化為剛體來(lái)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(chē)時(shí)，推力的作用點(diǎn)在車(chē)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(zhǎng)度的有向線(xiàn)段來(lái)表示，如圖（b）所示，線(xiàn)段的長(zhǎng)度表示力的大小，線(xiàn)段箭頭的指向表示力的作用方向（圖中虛線(xiàn)方向所示），線(xiàn)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(chēng)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(chēng)為平衡力系，力系平衡所滿(mǎn)足的條件稱(chēng)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(zhǎng)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(chēng)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(chēng)二力桿。二力桿的受力特點(diǎn)是：兩個(gè)力的作用線(xiàn)在兩作用點(diǎn)的連線(xiàn)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(chēng)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(chēng)二力桿。二力桿的受力特點(diǎn)是：兩個(gè)力的作用線(xiàn)在兩作用點(diǎn)的連線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)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(chē)，人轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)。在這個(gè)過(guò)程中，人的腳需要施加多大的力才能讓自行車(chē)跑起來(lái)？需要旋轉(zhuǎn)多大的力才能讓方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)？這些問(wèn)題都可以利用工程構(gòu)建的力矩、力偶原理來(lái)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(wèn)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(lái)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(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)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(pán)（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(méi)有合力，既不能與一個(gè)力等效，也不能簡(jiǎn)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(wú)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單的例子。(2)掌握常見(jiàn)的約束類(lèi)型及其特點(diǎn)。(3)掌握受力圖的畫(huà)法，能夠畫(huà)出簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的受力圖。二、重點(diǎn)和難點(diǎn)(1)常見(jiàn)的約束類(lèi)型及其特點(diǎn)。(2)受力圖的畫(huà)法。目錄01 第一節(jié) 約束和約束反力02

11、第二節(jié) 常見(jiàn)約束的類(lèi)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(jiàn)約束的類(lèi)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(yú)。非自由體：受周?chē)矬w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(pán)受轉(zhuǎn)軸限制只能轉(zhuǎn)動(dòng)，火車(chē)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?chē)矬w的限制時(shí)，這種限制稱(chēng)為該物體的約束。約束對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的限制是通過(guò)力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些約束中限制物體運(yùn)動(dòng)的力稱(chēng)為約束反力，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shì)的方向相反。促使物體運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力稱(chēng)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(jiàn)約束的類(lèi)型及其約束力的特點(diǎn)03第三節(jié) 受力圖常見(jiàn)約束的類(lèi)型及其約束力的特點(diǎn)常見(jiàn)的約束類(lèi)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(chēng)合頁(yè)，是一種常見(jiàn)的鉸鏈約束，用來(lái)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(xiāo)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(mén)窗開(kāi)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(jiàn)約束的類(lèi)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(chēng)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(xiàn)，且指向被約束的物體常見(jiàn)約束的類(lèi)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(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的約束稱(chēng)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(lèi)似，區(qū)別在于中間鉸鏈約束中銷(xiāo)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(xiàn)通過(guò)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(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)的約束稱(chēng)為活動(dòng)鉸鏈約束約束力的符號(hào)用FR表示，其方向通過(guò)鉸鏈中心，與支承面相垂直常見(jiàn)約束的類(lèi)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(chēng)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(jiàn)約束的類(lèi)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題的方法和步驟。目錄01 第一節(jié) 平面力系的分類(lèi)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(lèi)平面力系的分類(lèi)若力系中各力的作用線(xiàn)都在同一平面內(nèi)，則該力系稱(chēng)為平面力系。根據(jù)各力作用線(xiàn)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(lèi)類(lèi)別定義圖示平面匯交力系所有力的作用線(xiàn)都匯交于一點(diǎn)的平面力系稱(chēng)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(xiàn)均相互平行的平面力系稱(chēng)為平面平行力系，如火車(chē)車(chē)輪的受力平面力偶系由若干個(gè)力偶組成的平面力系稱(chēng)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(xiàn)既不一定完全平行，又不一定完全匯交于一點(diǎn)，則這類(lèi)力系稱(chēng)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(lèi)平面任意力系的簡(jiǎn)化（a） （b） （c）平面任意力系的簡(jiǎn)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(huà)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(chē)汽車(chē)在斜面為何不向下滑？千斤頂為何可以將汽車(chē)頂起并且固定在一定的高度？這些問(wèn)題我們將用接下來(lái)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)02第二節(jié) 摩擦角與自鎖現(xiàn)象