汽車機械基礎(chǔ) 第3版 教案 第3章 構(gòu)件的承載能力分析

課時計劃序號專業(yè)及班級授課類型講授月日講授（270＇）課題第3章構(gòu)件的承載能力分析課時教學(xué)目的理解材料力學(xué)的基本概念；掌握構(gòu)件在外力作用下的受力特點、變形特點及規(guī)律；了解各種基本變形條件下內(nèi)力和應(yīng)力的計算方法；掌握彎矩圖的畫法；能用所學(xué)知識分析汽車典型零部件的變形及破壞形式。重點與難點重點：構(gòu)件在外力作用下的受力特點、變形特點及規(guī)律難點：分析汽車典型零部件的變形及破壞形式時間內(nèi)容及講授方法教具5＇85＇120＇45＇15＇組織教學(xué)及新課導(dǎo)入一、材料力學(xué)基本概念二、基本變形三、汽車常用零件的變形與疲勞破壞小結(jié)及習(xí)題 檢查意見簽字任課教師：板書設(shè)計（I）第3章構(gòu)件的承載能力分析一、材料力學(xué)基本概念1、變形固體2、外力、內(nèi)力3、應(yīng)力、應(yīng)變4、桿件基本變形形式二、基本變形1、拉伸和壓縮變形2、剪切變形3、扭轉(zhuǎn)變形4、彎曲變形板書設(shè)計（II）三、汽車常用零件的變形與疲勞破壞1、汽車常用零件變形2、汽車零部件的疲勞破壞課后小結(jié)作業(yè)授課內(nèi)容教案（副頁）3.1材料力學(xué)的基本概念一、變形固體及基本假設(shè)*材料力學(xué)研究的內(nèi)容：變形*材料力學(xué)研究的對象：變形固體。1、變形：任何物體受載荷（外力）作用后都會產(chǎn)生形狀和尺寸的變化，稱為變形。2、變形固體：可變形的固體。3、變形的類型：彈性變形：載荷去除后能恢復(fù)原狀的變形。塑性變形：載荷去除后不能恢復(fù)原狀的變形。4、研究中對變形固體的假設(shè)：（1）連續(xù)性假設(shè)。假設(shè)物質(zhì)毫無空隙地充滿了整個固體。（2）均勻性假設(shè)。假設(shè)固體內(nèi)各處的力學(xué)性能完全相同。（3）各向同性假設(shè)。假設(shè)固體在各個方向的力學(xué)性能完全相同。（4）小變形假設(shè)。若固體的變形較其尺寸小得多，這種變形稱為小變形。在小變形情況下，研究物體的靜力平衡等問題時，均可略去這種小變形，而按原始尺寸計算，從而使計算簡化。二、機械構(gòu)件正常工作應(yīng)滿足的要求1.足夠的強度構(gòu)件抵抗破壞的能力，稱為強度。這里的破壞是指構(gòu)件發(fā)生斷裂或因產(chǎn)生過度的塑性變形而不能夠繼續(xù)承載。例如傳動軸、連桿等不能斷裂。2.足夠的剛度構(gòu)件抵抗變形的能力，稱為剛度。在某些情況下，構(gòu)件雖有足夠的強度，但若受力后變形過大，即剛度不夠，也會影響正常工作。3.足夠的穩(wěn)定性構(gòu)件受載后保持原有平衡形態(tài)的能力稱為穩(wěn)定性。*材料力學(xué)就是研究構(gòu)件在外力作用下的變形和破壞的規(guī)律，提供有關(guān)強度、剛度和穩(wěn)定性的分析計算的基本方法的學(xué)科，其任務(wù)是在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，為構(gòu)件選擇適宜的材料，確定合理的形狀和尺寸。三、外力、內(nèi)力、應(yīng)力及應(yīng)變1、外力：作用于構(gòu)件上的載荷和約束反力稱為外力。（1）按外力的作用方式體積力：連續(xù)分布在構(gòu)件內(nèi)部并作用在構(gòu)件的每一個質(zhì)點上，如重力、磁力以及由于運動加速度在質(zhì)點上產(chǎn)生的慣性力都是體積力。分布力：連續(xù)作用于構(gòu)件表面或某一范圍的表面力（接觸力），如發(fā)動機活塞在運動過程中對汽缸壁的側(cè)壓力。集中力：當(dāng)表面力作用面積遠小于構(gòu)件表面積或沿構(gòu)件軸線的分布范圍遠小于構(gòu)件長度，則可將分布力簡化為作用于一點的力，稱為集中力。如汽車變速箱中齒輪軸受到齒輪的壓力可簡化為集中力。集中力偶：當(dāng)力偶作用的范圍遠遠小于梁的長度時，可簡化為作用于某一截面，稱為集中力偶。組織教學(xué)導(dǎo)入：列舉生活中物體變形的實例，引入工程中的物體變形特點，導(dǎo)入新課——材料力學(xué)。說明：分析物體的變形規(guī)律時，這種微小的變形不能忽略舉例No1授課內(nèi)容教案（副頁）（2）按隨時間變化情況靜載荷：緩慢地由零增加到某一定值后，不再隨時間變化，保持不變或變化很不顯著的載荷；動載荷：隨時間顯著變化或使構(gòu)件各質(zhì)點產(chǎn)生明顯的加速度的載荷。交變載荷：隨時間作周期性變化的載荷；沖擊載荷：構(gòu)件運動在瞬時內(nèi)發(fā)生突然變化所引起的載荷。2、內(nèi)力及截面法（1）內(nèi)力構(gòu)件因外力作用發(fā)生變形時，其內(nèi)部各部分之間的相對位置發(fā)生變化，從而引起相鄰部分的相互作用力稱為內(nèi)力。它是連續(xù)作用于截面上的分布力，并隨外力的改變而變化。（2）截面法為了求出內(nèi)力的大小，假想將構(gòu)件切開，由分離體的平衡條件，應(yīng)用靜力學(xué)平衡方程，根據(jù)外力確定內(nèi)力，這種方法稱為截面法。*截面法的步驟：截開：在求內(nèi)力的截面處，假想用一平面將截面分成兩部分，保留任意一部分，舍去另一部分。代替：用作用于截面上的內(nèi)力代替舍去部分對留下部分的作用。平衡：對留下的部分建立靜力學(xué)平衡方程，確定內(nèi)力值。3、截面上的應(yīng)力截面上單位面積所受的內(nèi)力，用來表示截面上某點受力強弱程度的物理量稱為應(yīng)力，應(yīng)力的單位為，也稱為帕（Pa）。其中：垂直于截面的分量和切于截面的分量，稱為正應(yīng)力，稱為切應(yīng)力。4、應(yīng)變截面的變形既有長度方面的改變也有角度方面的改變。變形的程度用應(yīng)變來表示。長度方面的變形程度用線應(yīng)變表示，簡稱應(yīng)變。角度上的變形程度用切應(yīng)變表示。強調(diào)：應(yīng)用截面法時需注意兩點：①外載荷不能沿作用線移動。因為材料力學(xué)中研究的對象是變形體，不是剛體，力的可傳性不成立；②截面不能切在外力作用點處，要離開或稍微離開作用點。No2授課內(nèi)容教案（副頁）四、桿件變形的基本形式1、桿件：長度遠大于橫向尺寸的構(gòu)件。2、桿件變形的基本形式有四種：拉伸和壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲。3、組合變形：兩種或兩種以上基本變形的組合，稱為組合變形。3.2基本變形形式一、拉伸和壓縮變形1、受力特點作用在桿兩端的兩個力大小相等、方向相反、作用線與桿的軸線重合。2、變形特點桿件沿軸向發(fā)生伸長或縮短。3、內(nèi)力和應(yīng)力（1）內(nèi)力：拉伸和壓縮的內(nèi)力為軸力，一般用表示。軸力的正負號規(guī)定為：桿件的變形為縱向伸長時，軸力為正，稱為拉力；桿件的變形為縱向壓縮時，軸力為負，稱為壓力。（2）應(yīng)力拉伸和壓縮時的內(nèi)力垂直于橫截面，所以應(yīng)力也垂直于橫截面，根據(jù)應(yīng)力的定義可知，橫截面上的應(yīng)力為正應(yīng)力，用σ表示。（3）胡克定律英國科學(xué)家胡克通過實驗，發(fā)現(xiàn)了力與變形的關(guān)系：當(dāng)桿內(nèi)的應(yīng)力不超過某一限度時，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，稱為胡克定律。4、拉伸壓縮時材料的力學(xué)性能（1）塑性材料的力學(xué)性能*彈性階段（ob段）：只產(chǎn)生彈性變形。A點所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為比例極限，記為σP；b點所對應(yīng)的應(yīng)力是材料只出現(xiàn)彈性變形的極限值，σe稱為彈性極限。*屈服階段（bc段）：當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后繼續(xù)加載，應(yīng)變增加很快，而應(yīng)力先下降，然后作微小的波動，在曲線上出現(xiàn)接近水平線的小鋸齒形線段。所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服極限或稱屈服強度，用σs表示，是衡量材料強度的重要指標。*強化階段（ce段）：過了屈服階段后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加拉力。這種現(xiàn)象稱為材料的強化。強化階段的最高點e點所對應(yīng)的應(yīng)力是材料所能承受的最大應(yīng)力，稱為強度極限或抗拉強度。它表示材料所能承受的最大應(yīng)力。是衡量材料強度的重要指標。No3授課內(nèi)容教案（副頁）*頸縮階段：過e點后，應(yīng)力達到強度極限后，在試樣的某一局部范圍橫向尺寸急劇縮小，形成頸縮現(xiàn)象。試樣承載能力急劇下降，在頸縮處被拉斷。（2）脆性材料的力學(xué)性能脆性材料拉伸時的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線沒有明顯的直線部分。在較小的拉應(yīng)力下就被拉斷，沒有屈服和頸縮現(xiàn)象，拉斷前的應(yīng)變很小。鑄鐵是典型的脆性材料拉斷時的最大應(yīng)力即為其強度極限。因為沒有屈服現(xiàn)象，強度極限σb是衡量強度的唯一指標。（3）工作應(yīng)力、極限應(yīng)力、許用應(yīng)力、安全系數(shù)與強度條件*工作應(yīng)力：構(gòu)件工作時，由載荷引起的應(yīng)力。*極限應(yīng)力：使材料喪失正常工作能力的應(yīng)力。極限應(yīng)力用σu表示，塑性材料的極限應(yīng)力是其屈服極限σs；對于脆性材料的極限應(yīng)力是其強度極限σb。許用應(yīng)力：材料允許承受的最大應(yīng)力[σ]。軸向拉伸或壓縮的強度條件：二、剪切變形1、剪切變形桿件受到大小相等、方向相反、作用線不重合且相距較近的兩個垂直于桿軸線方向的力的作用時，桿件位于兩個力中間部分各截面將產(chǎn)生相互錯動，這種變形稱為剪切變形。2、受力特點大小相等、方向相反、作用線相距很近。3、變形特點剪切面沿外力的方向發(fā)生相對錯動。4、剪切應(yīng)力構(gòu)件受到剪切力的作用時，在它的剪切面上就要產(chǎn)生與截面平行的抵抗剪切變形的內(nèi)力，稱為剪力，用FQ表示。單位面積上剪力的大小稱為剪應(yīng)力，其方向與剪力相同，平行于橫截面，為切應(yīng)力，用τ表示。5、剪切的強度條件：舉例：灰鑄鐵無屈服極限，強度極限大大超過拉伸時強度極限4~5倍，故抗壓性能強，適用受壓零件。No4授課內(nèi)容教案（副頁）6、擠壓變形一般情況下，桿件發(fā)生剪切變形的同時，還伴隨著擠壓變形。擠壓變形是兩桿件在相互傳遞壓力的接觸面上，因局部受較大的壓力，而出現(xiàn)塑性變形的現(xiàn)象（壓陷、起皺）。作用于接觸面間的壓力，稱為擠壓力，用符號Fjy表示。擠壓力引起的應(yīng)力為擠壓應(yīng)力，用σjy表示。擠壓變形的受力情況三、扭轉(zhuǎn)變形汽車轉(zhuǎn)向柱的受力情況1、受力特點作用在桿件兩端的一對力偶，大小相等、轉(zhuǎn)向相反、力偶作用面垂直桿的軸線。2、變形特點扭轉(zhuǎn)變形時，各橫截面繞桿軸線發(fā)生了相對轉(zhuǎn)動。3、圓軸扭轉(zhuǎn)變形的外力、內(nèi)力及應(yīng)力（1）外力扭轉(zhuǎn)變形時，作用在軸上的外力是一對力偶，其力偶矩通常不直接給出。當(dāng)已知軸的轉(zhuǎn)速和傳遞的功率時，外力偶矩要利用公式計算。（2）扭轉(zhuǎn)時的內(nèi)力—扭矩圓軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，橫截面上將產(chǎn)生內(nèi)力，此內(nèi)力為一力偶，此力偶矩稱為扭矩，用符號T表示。T（Tˊ）=截面一側(cè)（左或右）所有外力偶矩的代數(shù)和說明：擠壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)力并不相同。擠壓應(yīng)力是分布在兩桿件接觸表面上的壓強；而壓縮應(yīng)力是分布在整個桿件內(nèi)部單位截面積上的內(nèi)力。舉例：扭轉(zhuǎn)變形實例——汽車轉(zhuǎn)向柱，分析其受力特點。No5授課內(nèi)容教案（副頁）扭矩的正負規(guī)定：按右手螺旋法則，四指彎向表示力偶的方向，大拇指的指向表示扭矩矢量的方向，若矢量的指向離開截面，扭矩為正；反之為負。依此規(guī)定，同一截面左右兩側(cè)的扭矩，數(shù)值和符號均相同。（3）圓軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力圓軸扭轉(zhuǎn)的平面假設(shè)：圓軸扭轉(zhuǎn)變形時，各橫截面仍保持為平面，其大小、形狀均不變，相鄰兩橫截面間的距離不變，只是繞軸線作了一定角度的相對轉(zhuǎn)動。由此，得到扭轉(zhuǎn)變形截面應(yīng)力分布圖：*應(yīng)力分布規(guī)律：截面上某點的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的大小與該點至圓心的距離成正比，圓心處扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為零。*圓周上扭轉(zhuǎn)時最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為：4、扭轉(zhuǎn)的強度條件四、彎曲變形1、受力特點外力垂直于軸線或在軸線的平面內(nèi)受到力偶的作用。2、變形特點軸線由直線變成曲線。3、梁工程上把以彎曲變形為主要變形的構(gòu)件稱為梁。梁按支座形式不同，可分為簡支梁、外伸梁、懸臂梁。簡支梁外伸梁懸臂梁4、梁的內(nèi)力—剪力和彎矩梁在外力作用下，橫截面上將產(chǎn)生內(nèi)力。（1）沿截面作用的力Fj(Fjˊ)，作用線通過截面形心并與外力平行，該力為剪力。（2）垂直于橫截面作用的力偶矩M（Mˊ），稱為彎矩。彎矩的正負規(guī)定，由該截面附近的變形情況確定。若梁在該截面附近彎成上凹下凸，則彎矩力正；反之為負。PPT演示圓周扭矩圖，分析應(yīng)力分布規(guī)律。PPT演示彎曲變形實例，分析其受力特點。No6授課內(nèi)容教案（副頁）（1）沿截面作用的力Fj(Fjˊ)，作用線通過截面形心并與外力平行，該力為剪力。（2）垂直于橫截面作用的力偶矩M（Mˊ），稱為彎矩。彎矩的正負規(guī)定，由該截面附近的變形情況確定。若梁在該截面附近彎成上凹下凸，則彎矩力正；反之為負。5、純彎曲時的正應(yīng)力（1）純彎曲一般的平面彎曲中，梁的橫截面上既有剪力又有彎矩，在梁的橫截面上同時存在彎曲剪應(yīng)力和彎曲正應(yīng)力。由于剪力產(chǎn)生的剪應(yīng)力對梁的影響較小，可忽略不計。當(dāng)梁的橫截面上只受變矩時，該梁無剪切變形，只有彎曲變形，這種平面彎曲稱為純彎曲。（2）橫截面上應(yīng)力分布規(guī)律純彎曲變形時所有橫截面仍保持平面，只是繞中性軸相對轉(zhuǎn)動，截面上各點伸長處受拉，縮短處受壓，其大小為該點到中性軸的距離成正比分布。*橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律是：正應(yīng)力的分布規(guī)律是橫截面上各點正應(yīng)力的大小與該點到中性軸的距離成正比。中性軸上的正應(yīng)力等于零，離中性軸最遠點上、下邊緣正應(yīng)力最大。3.3汽車常用零件的變形與疲勞破壞一、汽車常用零件的變形1、零件在使用過程中，由于承載和內(nèi)部應(yīng)力的作用，使零件的尺寸和形狀改變的現(xiàn)象稱為變形。2、零件變形失效的分類：彈性變形失效、塑性變形失效、蠕變。3、汽車零部件變形的影響（1）發(fā)動機氣缸體變形會造成氣缸磨損量增加、軸頸和軸瓦磨損加劇、加速曲軸疲勞失效等后果。（2）曲軸彎曲變形會破壞動平衡，引起發(fā)動機工作震動，噪音增大，嚴重時會導(dǎo)致發(fā)動機無法正常運行。（3）變速器殼體變形會使傳動系統(tǒng)產(chǎn)生動載荷，從而使變速器的技術(shù)狀況惡化，嚴重時將會引起變速器跳檔。PPT演示純彎曲橫截面上的應(yīng)力分布規(guī)律，總結(jié)。PPT演示汽車常用零件實物的變形圖片，了解汽車零件的變形。No7授課內(nèi)容教案（副頁）（4）驅(qū)動橋殼體變形會使汽車兩半軸軸線不重合，后輪運動不正常，加劇輪胎的磨損，使汽車傳動效率降低，行駛阻力增大，滑行性能變差。嚴重時，還會影響汽車的制動性能，使半軸發(fā)生斷裂。（5）車架彎曲變形會破壞汽車各總成的相對位置，引起總成早期損壞，導(dǎo)致輪胎異常磨損；此外，還會產(chǎn)生異響。4、零件變形的原因（1）內(nèi)應(yīng)力的影響。內(nèi)應(yīng)力的影響包括兩方面，一是因零件各部分的冷卻速度不同引起的熱應(yīng)力，二是由于零件制造加工過程產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。鑄鐵的殘余內(nèi)應(yīng)力長期作用會使彈性極限降低，產(chǎn)生減小內(nèi)應(yīng)力的塑性變形，稱為內(nèi)應(yīng)力松弛，零件則因內(nèi)應(yīng)力松弛而產(chǎn)生變形。（2）外載荷的影響。汽車零件在工作過程中，由于傳遞力或轉(zhuǎn)矩而承受外