汽車(chē)機(jī)械基礎(chǔ) 第3版 課件 第2章 運(yùn)動(dòng)構(gòu)件受力分析

《汽車(chē)機(jī)械基礎(chǔ)》

第2章運(yùn)動(dòng)構(gòu)件受力分析【本章內(nèi)容】2.1靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2平面匯交力系2.3力矩與力偶2.4摩擦2.5剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)2.1靜力學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.理解平衡和剛體的概念；

2.了解力的定義、力的三要素和力

的表示方法；

3.熟悉靜力學(xué)的公理及其應(yīng)用。一、靜力學(xué)的基本概念和基本公理

靜力學(xué)是從公元前三世紀(jì)開(kāi)始發(fā)展的，奠基者是阿基米德。靜力學(xué)主要研究物體在力的作用下處于平衡的規(guī)律。1.靜力學(xué)基本概念

平衡：物體相對(duì)于地面保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

力的概念：①力的定義：力是物體之間的相互作用，這種作用能使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，或使物體變形。運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)存在的形式，平衡是相對(duì)的、暫時(shí)的。②力的三要素：大小、方向、作用點(diǎn)。

③力的表示方法：剛體的概念：剛體就是在任何力的作用下，其大小和形狀都保持不變它只是一個(gè)理想化的力學(xué)模型。在靜力學(xué)中，常把受力物體看作是剛體。是一個(gè)理想化的力學(xué)模型2.靜力學(xué)的基本公理力的平行四邊形公理：二力平衡公理：加減平衡力系公理：推論1：力的可傳性原理：作用于剛體上某點(diǎn)的力，可以沿著它的作用線移到剛體內(nèi)任意一點(diǎn)，并不改變?cè)摿?duì)剛體的作用。推論2：三力平衡匯交定理：作用與反作用公理：二、約束與約束力相關(guān)概念：自由體：位移不受限制的物體稱為自由體，例如飛行的飛機(jī)。非自由體：位移受到限制的物體成為非自由體，例如汽車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)輪。約束：限制非自由體運(yùn)動(dòng)的周?chē)矬w稱為約束。如汽車(chē)受地面的限制，地面對(duì)汽車(chē)來(lái)說(shuō)就是約束。約束力：約束作用于非自由體上的限制其運(yùn)動(dòng)的力稱為約束力。常見(jiàn)約束類(lèi)型及其約束力

柔索約束：由柔軟的繩索、皮帶、鏈條等所形成的約束稱為柔索約束。光滑接觸面約束：兩個(gè)互相接觸的物體，當(dāng)忽略接觸面上的摩擦力時(shí)，這種光滑接觸面構(gòu)成的約束稱為光滑接觸面約束。鉸鏈約束：由鉸鏈構(gòu)成的約束稱為鉸鏈約束。常見(jiàn)的鉸鏈支座有固定鉸鏈支座和活動(dòng)鉸鏈支座兩種。固定鉸鏈支座活動(dòng)鉸鏈支座固定端約束：是指一端固定，另一端自由的支座，也稱為固定端支座。

徑向軸承（向心軸承）：軸承約束是工程中常用的支撐形式。

練習(xí)：根據(jù)所學(xué)約束及約束力相關(guān)知識(shí)填表。三、受力分析與受力圖畫(huà)物體的受力圖一般步驟如下：（1）畫(huà)出分析對(duì)象的簡(jiǎn)圖；（2）在簡(jiǎn)圖上畫(huà)出已知力；（3）在簡(jiǎn)圖上畫(huà)出所受到的約束力。例1如圖所示為發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，曲柄AB的重力為G，活塞C受力為F，系統(tǒng)保持平衡狀態(tài)。試畫(huà)出各零件及機(jī)構(gòu)整體的受力圖。解：分析——曲柄AB受到3個(gè)力的作用，連桿BC受2個(gè)力的作用，活塞C受3個(gè)力作用，因BC兩端均為鉸鏈約束，且不計(jì)自重，為二力桿。（1）連桿BC的受力圖：因BC為二力桿，其約束力沿兩鉸鏈B、C中心連線，且FB=FC，并設(shè)定其方向，如圖b。（2）曲柄AB的受力：因其自重G所以AB不是二力桿。先畫(huà)出其自重G，A處為固定鉸鏈約束，其約束力為FAx、FAy，B處受連桿約束，根據(jù)作用與反作用公理FB‘=-FB，如圖c。（3）活塞C的受力：已知力F，氣缸對(duì)活塞的約束，屬光滑接觸面約束，且為雙面約束，其約束力方向不確定，可假設(shè)其向上（或向下），活塞還受到連桿對(duì)活塞的約束力，根據(jù)作用與反作用公理可知FC＇=-FC，如圖d。（4）機(jī)構(gòu)整體的受力圖如圖a所示。例2：如圖所示為三鉸鋼架，忽略鋼架自重，試畫(huà)出AC、BC的受力圖。解：鋼架AC受三個(gè)力作用；BC只在B、C兩點(diǎn)受力，因不計(jì)剛架自重，所以BC為二力桿。（1）鋼架BC的受力圖：因BC為二力桿，其約束力沿兩鉸鏈B、C中心連線，且FB=-FC，并設(shè)定其方向（如設(shè)為壓力）。（2）鋼架AC的受力圖：AC受三個(gè)力作用，即：已知力F、A和C兩處的鉸鏈約束力。2.2平面匯交力系學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解平面匯交力系合成的幾何法及平

衡的幾何條件；

2.熟悉力的分解方法及力在坐標(biāo)軸上投

影的計(jì)算方法；

3.掌握平面匯交力系合成的解析法。一、概念1.力系：作用在一個(gè)物體上的多個(gè)力。2.平面匯交力系：力系中各力的作用線均在物體的同一平面內(nèi)且匯交于一點(diǎn)。二、平面匯交力系合成的幾何法1.力的三角形法則如圖所示，作用在物體上的同一點(diǎn)A的兩個(gè)力F1和F2，從任選點(diǎn)A作AB表示力矢F1，在其末端B作BC表示力矢F2，則AC即表示合力矢F。三角形ABC稱為力三角形，這種求合力矢的作圖規(guī)則稱為力的三角形法則。2.力的多邊形法則當(dāng)匯交于一點(diǎn)的的力不只兩個(gè)時(shí)，可連續(xù)應(yīng)用三角形法則，在求合力F時(shí)，只要將各已知力首尾相接，連成折線，可獲得合力F。圖中四個(gè)已知力與合力恰好構(gòu)成一個(gè)多邊形，稱這種求合力的作圖法稱為力多邊形法則。3.平面匯交力系平衡的幾何條件

平面匯交力系可以合成為一個(gè)合力，即平面匯交力系可用其合力代替，因此，平面匯交力系平衡的必要和充分條件是：該力系的合力為零。用矢量式表示為：∑F=0當(dāng)合力為零時(shí)，力多邊形的封閉邊的長(zhǎng)度為零，即由各分力畫(huà)出的力多邊形首尾相接，形成一個(gè)閉合多邊形。因此，平面匯交力系平衡的幾何條件為：力系中各力組成的力多邊形自行閉合。三、平面匯交力系的解析法1.力在坐標(biāo)軸上的投影2.合力投影定理3.平面匯交力系的解析法平面匯交力系的平衡條件是力系的合力為零。合力的大小為:平面匯交力系平衡的解析條件是：力系中所有各力在兩個(gè)相互垂直的坐標(biāo)軸上的投影的代數(shù)和都等于零，即2.3力矩和力偶學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.熟悉力矩、力偶及力偶矩的概念；

2.理解合力矩定理；

3.掌握力偶的等效條件、平面力偶系

的合成與平衡條件及力的平移定理。一、力矩與力偶的概念1.力矩：力F與轉(zhuǎn)動(dòng)中心O到力F的作用線的垂直距離d的乘積。Mo(F)=±F?d2.合力矩定理Mo(F)=Mo(F1)+Mo(F2)+……+Mo(Fn)=∑Mo(Fi)3.力偶和力偶矩作用在一個(gè)物體上的大小相等、方向相反作用線平行但不在同一直線上的兩個(gè)力稱為力偶。力偶中力的大小與力偶臂的乘積來(lái)度量，稱為力偶矩。力偶用正負(fù)號(hào)表示力偶的轉(zhuǎn)向。正負(fù)號(hào)的規(guī)定與力矩相同，即順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為正，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為負(fù)。4.力偶的性質(zhì)力偶對(duì)物體的作用效果由三個(gè)要素決定：（1）力偶矩的大??；（2）力偶的轉(zhuǎn)向；（3）力偶的作用面。

三要素完全相同的力偶稱為等效力偶。二、平面力偶系的合成與平衡條件1.平面力偶系的合成作用在物體上同一平面內(nèi)的多個(gè)力偶，稱為平面力偶系。平面力偶系合成的結(jié)果仍是一力偶。2.平面力偶系的平衡條件平面力偶系平衡的必要且充分條件是：力偶系中所有力偶矩的代數(shù)和等于零。三、力的平移定理根據(jù)力的可傳性，力沿其作用線移動(dòng)時(shí)，不改變力的作用效果。但是，在力平行移動(dòng)后，力對(duì)剛體的作用效果將發(fā)生改變。原來(lái)作用在O點(diǎn)的力F就與作用在A點(diǎn)的平移力F2和一個(gè)力偶（稱為附加力偶）的作用等效。力的平移定理：作用在剛體上的力F，可以平移至剛體的任一點(diǎn)上，而不改變?cè)Φ淖饔眯Ч?，但必須附加一個(gè)力偶，其力偶矩等于原力對(duì)新作用點(diǎn)的矩。2.4摩擦學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解滑動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦力、靜滑動(dòng)

摩擦力及最大靜滑動(dòng)摩擦力的概念；

2.理解滑動(dòng)摩擦定理；

3.理解摩擦角及自鎖現(xiàn)象。一、滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)摩擦1.滑動(dòng)摩擦兩個(gè)相互接觸的物體，當(dāng)有相對(duì)滑動(dòng)或相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，其接觸表面之間產(chǎn)生的彼此阻礙滑動(dòng)的力稱為滑動(dòng)摩擦力，簡(jiǎn)稱摩擦力。物塊僅有相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)而不滑動(dòng)時(shí)，存在的摩擦力稱為靜滑動(dòng)摩擦力，簡(jiǎn)稱靜摩擦力。靜摩擦力的大小不是固定的數(shù)值。靜摩擦力也不能無(wú)限制地增大2.滑動(dòng)摩擦定律實(shí)驗(yàn)證明：最大靜摩擦力的大小與兩物體間的正壓力（即法向反力）成正比，稱為靜滑動(dòng)摩擦定律，簡(jiǎn)稱靜摩擦定律。

Fmax=fsFN（1）物體處于靜止?fàn)顟B(tài)靜摩擦力Ff的大小在0到Fmax之間變化；（2）物體處于臨界狀態(tài)最大靜摩擦力Ffm=fsFN；（3）物體處于滑動(dòng)狀態(tài)動(dòng)摩擦力F′=fd?FN3.滾動(dòng)摩擦當(dāng)一個(gè)物體在另一個(gè)物體表面上滾動(dòng)（或有滾動(dòng)趨勢(shì)）時(shí)，受到的接觸面的阻礙作用稱為滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)摩擦的大小用力偶矩來(lái)量度，且與正壓力成正比。一般來(lái)說(shuō)，在其他條件相同的情況下，克服滾動(dòng)摩擦力矩使物體運(yùn)動(dòng)需要的力比克服滑動(dòng)摩擦力所需要的力小得多。所以，汽車(chē)輪胎充氣不足時(shí)，行駛起來(lái)比較費(fèi)力。滾動(dòng)摩擦的形成二、摩擦角與自鎖摩擦角圖示中法向反力FN與摩擦力Ff的合力FR來(lái)代替它們的作用，稱為全反力。可以看出，全反力與接觸表面的法線間的夾角將隨著摩擦力的增大而增大，當(dāng)摩擦力達(dá)到最大值即最大靜摩擦力時(shí)，這個(gè)夾角將達(dá)到最大值，此時(shí)的夾角稱為摩擦角，用φm表示。

tanφm=Ffm/FN=fs·FN/FN=fs摩擦角的正切值等于靜摩擦因數(shù)。因此，摩擦角也是表示材料表面性質(zhì)的一個(gè)物理量。2.自鎖

圖示為螺旋千斤頂，在其舉起重物后，要求絲桿及重物不會(huì)自行下降，而可以在任意位置都能保持平衡，即具有自鎖功能。分析：使絲桿及重物下滑的力為Gsinα，阻止其下滑的最大阻力為最大靜摩擦力Fmax＝fs?Gcosα，當(dāng)Gsinα≤fs?Gcosα?xí)r，即α≤φf(shuō)沿運(yùn)動(dòng)方向的分力小于或等于最大靜摩擦力時(shí)，絲桿（及重物）將不發(fā)生下滑。工程上將這種依靠摩擦維持平衡的物體，在滿足一定幾何條件下，無(wú)論其主動(dòng)力怎樣大，總能保持平衡而不滑動(dòng)的現(xiàn)象稱為自鎖。自鎖條件為：主動(dòng)力與法線之間的夾角不大于最大摩擦角，即α≤φf(shuō)。2.5剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速、角速度和角加速度的概念；

2.理解慣性力的概念、轉(zhuǎn)動(dòng)零件慣性力的平衡及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念；

3.熟悉功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。問(wèn)題探究：為什么汽車(chē)在上坡或者超車(chē)時(shí)要換低速擋？一、剛體繞定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)1.剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，剛體內(nèi)各點(diǎn)都繞一固定的直線作圓周運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。2.轉(zhuǎn)速與角速度、線速度工程上常用轉(zhuǎn)速表示轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。剛體的轉(zhuǎn)速是指單位時(shí)間內(nèi)剛體轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，用n表示，單位為r/min（轉(zhuǎn)/分）。角速度ω與轉(zhuǎn)速n之間有如下關(guān)系：ω=2πn/60=πn/30線速度與角速度的關(guān)系：v=rω3.角加速度剛體角速度變化的快慢和方向用角加速度表示，用符號(hào)ε表示，單位為rad/s2（弧度/秒2）。ε=⊿ω/⊿t4.勻速定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的慣性力及轉(zhuǎn)動(dòng)零件慣性力的平衡慣性力是由于外力的作用使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，因其慣性引起的運(yùn)動(dòng)物體對(duì)外界抵抗的反作用力，其大小等于運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量與加速度的乘積，方向與加速度相反，作用在施力物體上。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的慣性力5.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)物體具有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的特性，稱為轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大小是由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)度量的。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小不僅與剛體質(zhì)量m的大小有關(guān)，而且與剛體質(zhì)量的分布有關(guān)。剛體的質(zhì)量越大，質(zhì)量的分布離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也越大。二、功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系1.功率功率是指力在單位時(shí)間內(nèi)``作的功，用P表示。P=Fτv2.功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系T=9550×P/n當(dāng)功率一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n成反比。因此，汽車(chē)上坡時(shí)，需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩T