汽车机械基础任务7 构件的力学分析

任务7构件的力学分析任务目标了解工程力学的基本概念；掌握刚体在力系作用下的平衡条件；熟练掌握典型构件在外力作用下的变形和失效规律；重点掌握各种汽车零件的强度分析方法。任务7构件的力学分析汽车在高速行驶的过程中，车上的构件承受着复杂的作用力，同时存在多样的变形，对于一名汽车设计师或维修工程师而言，必须考虑汽车的安全性和可靠性，如怎样计算汽车转向盘的转矩，汽车发动机能提供的最大驱动力矩是多少，传动轴设计成空心是否合理，传动轴直径设计成多大才安全，制动踏板在制动时是否达到强度要求等。这些问题均可以利用工程力学知识进行解答。1997年9月，钱学森院士说过“工程力学走过了从工程设计的辅助手段到中心主要手段，不是唱配角而是唱主角了”。工程力学是研究物体机械运动和杆件弹性变形一般规律的科学，既是许多工程学科的基础，也可以独立解决工程问题。汽车工程师必须考虑汽车的安全性和可靠性，如怎样计算汽车转向盘的转矩，汽车发动机在特定速度下能提供的最大驱动力矩是多少，传动轴直径设计成多大才安全，传动轴设计成空心是否合理，驱动桥在恶劣工况下能承受多大的弯矩等。这一系列问题均可以利用工程力学知识进行解答。能力目标1.能对各种汽车构件进行静力学分析；2.能分析各种汽车零件的强度问题。知识目标1.正确描述力矩、力偶矩；2.正确描述平面力系的平衡条件；3.正确描述各种基本变形的受力特点；4.正确描述拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转与弯曲的强度计算。项目目标任务7.1汽车构件的静力学分析任务1.1画受力图任务描述如图1.1所示结构，AB杆中点作用力F,杆AB、BC不计自重，杆BC在B端受到中间铰链约束。试确定AB、BC杆的受力图？图1.1受约束杆件任务实施1.画杆BC的受力图2.画杆AB的受力图步骤同上刚体是一种理想化的力学模型。一个物体能否视为刚体，不仅取决于变形的大小，而且和问题本身的要求有关。刚体——在外界的任何作用下形状和大小都始终保持不变的物体。或者在力的作用下，任意两点间的距离保持不变的物体。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于静止或匀速直线运动状态。力——力是物体相互间的机械作用，其作用结果使物体的形状和运动状态发生改变。相关知识——静力学基本概念确定力的必要因素力的三要素大小方向作用点力的效应外效应—改变物体运动状态的效应内效应—引起物体变形的效应力的表示法——力是一矢量，用带箭头的线段来表示，如图。F力的单位——在国际单位制中，力的单位是牛顿(N)1N=1公斤•米/秒2（kg•m/s2)。相关知识——静力学基本概念力系——作用于同一物体或物体系上的一群力。等效力系——对物体的作用效果相同的两个力系。平衡力系——能使物体维持平衡的力系。合力——在特殊情况下，能和一个力系等效的一个力。相关知识——静力学基本概念公理一(二力平衡公理)作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的充要条件是：这两个力大小相等、方向相反、且作用在同一直线上。公理二(加减平衡力系公理)在作用着已知力系的刚体上，加上或减去任意平衡力系，都不会改变原力系对刚体的作用效果。相关知识——静力学公理推论(力的可传性原理)作用于刚体上某点的力，可以沿其作用线移动到刚体上的任一点，，而不改变它对该刚体的作用效果。==FAF2F1FABF1ABA公理三(力平行四边形公理)作用于物体上同一点的两个力的合力也作用于该点，且合力的大小和方向可用这两个力为邻边所作的平行四边形的对角线来确定。F1F2R矢量表达式：R=F1+F2即，合力为原两力的矢量和。推论(三力平衡汇交原理)刚体受不平行三个力作用而平衡时这三个力的作用线必在同一平面内且汇交于一点。F1F3R1F2A=证明：A3F1F2F3A3AA2A1公理四(作用和反作用公理)两个物体之间的作用力与反作用力总是成对出现，且大小相等，方向相反，沿着同一直线，但分别作用在这两个物体上。任务1.2用平面汇交力系平衡条件求未知力任务描述任务目标知识目标鉴定标准1.认识平面汇交力系•2.能利用汇交平衡条件求未知力1.力在坐标轴上的投影方法•2.平面汇交力系的平衡条件应知：力的投影及平面汇交力系平衡条件•应会：用平面汇交力系平衡条件求未知力任务分析任务实施1.力在坐标轴上的投影相关知识2.平面汇交力系的平衡条件平面汇交力系的平衡条件为：力系中各力在每个坐标轴上投影的代数和都等于零。即：相关知识式（1-4）称为平面汇交力系的平衡方程。任务1.3认识力偶矩任务描述右图所示为驾驶员双手操作转向盘的示意图，现对其操作分析如下：问题一：驾驶员双手如何用力才能保持转向盘静止不动？问题二：驾驶员双手如何用力才能使转向盘转动？问题三：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？任务分析任务目标知识目标鉴定标准1.正确描述力矩的应用2.正确描述力偶矩的应用3.能分析力矩与力偶矩的异同1.力矩的概念2.力偶、力偶矩的概念3.力矩和力偶矩的作用特点应知：力矩和力偶矩的概念及应用应会：用力矩和力偶矩知识分析相关受力构件任务实施问题一：驾驶员双手如何用力才能保持转向盘静止不动？分析：汽车转向盘是转动物体，转向盘保持静止不动，说明转向盘处于平衡状态，也就是转向盘上所有力矩的代数和等于零，即符合力矩平衡条件：。驾驶员双手施加两个力，双手作用在转向盘的力矩应该大小相等，转向相反，且双手作用在转向盘上的力臂大小相等。任务实施问题二：驾驶员双手如何用力才能使转向盘转动？分析：双手欲使转向盘转动，双手的作用力应大小相等，方向相反，作用线平行，且不在同一条直线上，相当于有力偶作用在转向盘上。问题三：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，转向盘的转动如何变化？分析：转向盘的转动没有变化，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。一、力矩的概念力的转动作用不仅与力的大小、方向有关，还与转动中心到力的作用线的垂直距离有关定义Fd为力对物体对点O之矩，简称力矩，用M(F),M(F)=+_Fd其中，o点为力矩中心，称为矩心，d为力臂，乘积Fd为力矩的大小，+-表示力矩的转向，规定在平面问题中，逆时针转向的力矩取正，顺时针转向取负。力矩单位为N.m,二、力矩的性质1、力F对o点的力矩，与F的大小有关，还与力臂有关2、力的大小等于零或力的作用线通过矩心时，力矩等于零相关知识相关知识力偶常见到某些物体同时受到大小相等、方向相反、作用线互相平行的两个力作用的情况例：1.人用手拧水龙头2.司机用双手转动方向盘这样一对等值、反向、不共线的平行力组成的特殊力系，称为力偶,记作（F，F，）力偶对物体的作用效应仅仅是产生转动力偶的两力作用线所决定的平面称为力偶的作用面两力作用线间的垂直距离称为力偶臂FF’moABd相关知识力偶矩力学中，用力偶的任一力的大小与力偶臂的乘积再冠以相应的正负号，作为力偶在其作用面内使物体产生转动效应的度量，称为力偶矩。即：任务1.4用平面任意力系的平衡条件求未知力任务描述任务分析任务目标知识目标鉴定标准1.认识平面任意力系2.能利用任意力系平衡条件求未知力1.平面任意力系的平衡条件2.平衡方程的表达形式应知：平面任意力系平衡条件应会：用平面任意力系平衡条件求未知力任务实施相关知识平面任意力系的平衡条件：力系中各力在每个坐标轴上投影的代数和都等于零，各力对任一点力矩的代数和也等于零。即：平面任意力系平衡方程除了基本形式外，还有其他两种形式：任务7.2汽车构件的强度分析任务2.1拉伸与压缩的强度分析任务描述任务分析任务目标知识目标鉴定标准1.正确认识拉伸与压缩的受力及变形特点2.能校核受拉伸或压缩构件的强度1.拉伸与压缩的概念2.内力、应力的计算方法3.拉伸与压缩时的强度计算应知：拉伸与压缩的概念及内力、应力的计算方法应会：准确校核构件受拉伸或压缩时的强度任务实施相关知识1.拉伸与压缩的概念承受拉伸与压缩变形的杆件称为拉杆或压杆,杆件沿轴向方向产生伸长变形，这种变形称为轴向拉伸，反之称为轴向压缩。特点：作用在杆件上的外力是大小相等方向相反的拉力或压力，其作用线与杆件轴线重合，杆件变形是沿轴线方向的伸长或缩短。受力简图为：FF拉伸FF压缩受力特点：一对大小相等，方向相反，作用线与杆件的轴线重合的力。方向：指向杆件受力特点：一对大小相等，方向相反，作用线与杆件的轴线重合的力。方向：背离杆件相关知识2.内力的计算内力：杆件受到外力作用而变形时，其内部材料的颗粒之间，因相对位置改变而产生的相互作用力.注：当内力达到一定限度时，分子间再也不能维持互相的联系时，杆件便发生断裂。相关知识内力的计算是分析构件强度、刚度、稳定性等问题的基础。求内力的一般方法是截面法。(1)截面法的基本步骤：①切：②取：③代：④平：根据研究对象的平衡条件确定内力的方向和大小在所求内力的截面处，假想地用截面将杆件一分为二。取一部分做研究对象。其弃去部分对留下部分的作用，用作用在截开面上相应的内力（力或力偶）代替。（一律标背离截面）例如：截面法求N。APP简图APPPAN切：取：平：代：PA∑F=0N-P=0N=P(2)轴力内力的合力N的作用线垂直于横截面，也必然与杆的轴线重合，这样的内力称轴力。(3)轴力的正负号规定:N方向离开截面,为正轴力(拉力)N为正NNN方向指向截面,为负轴力(压力)N为负NN3.应力的计算针对两根材料相同但截面面积不同的杆件施加拉力，若拉力相同，则两杆轴力相同，但随着拉力不断增加，横截面面积小的杆件必然先断，这说明杆件的强度与横截面面积的大小有关，横截面面积越小，轴力在横截面上就分布的越集中，人们把内力在横截面上分布的密集度，即横截面单位面积上的内力称为应力。在拉（压）杆中，横截面上的应力为正应力，横截面上各点的应力大小相等，其计算公式为：4.拉伸（压缩）时的强度计算工程中对各种材料都规定了其所能承担的最大应力值，称为材料的许用应力，用符号表示。为保证构件具有足够的强度，必须使构件的最大工作应力不超过材料的许用应力，即任务2.2剪切与挤压时的强度分析任务描述任务分析任务目标知识目标鉴定标准1.正确认识剪切与挤压的受力及变形特点2.能校核受剪切或挤压构件的强度1.剪切与挤压的概念2.剪切与挤压的实用计算3.剪切与挤压的强度计算应知：剪切与挤压的概念及应力计算方法应会：准确校核构件受剪切或挤压时的强度任务实施任务实施相关知识1.剪切与挤压的概念汽车上常会有构件如铆钉、螺栓、销等受到一对大小相等，方向相反、作用线相距很近的外力作用，这时构件将产生剪切和挤压变形。铆钉连接螺栓连接剪切变形的特点是位于两作用力之间的构件横截面发生相对错动，发生相对错动的面称为剪切面。挤压的变形特点是两构件在相互传递压力的接触面上产生塑性变形，发生挤压变形的接触表面称为挤压面。nn（合力）（合力）PP以铆钉为例：①受力特点：构件受两组大小相等、方向相反、作用线相互很近（差一个几何平面）的平行力系作用。②变形特点：构件沿两组平行力系的交界面发生相对错动。2.剪切实用计算(1)受力特点和变形特点nn（合力）（合力）PP③剪切面：构件将发生相互的错动面，如n–n。④剪切面上的内力：内力—剪力Q，其作用线与剪切面平行。PnnQ剪切面实用计算方法：根据构件的破坏可能性，采用能反映受力基本特征，并简化计算的假设，计算其名义应力，然后根据直接试验的结果，确定其相应的许用应力，以进行强度计算。适用：构件体积不大，真实应力相当复杂情况，如连接件等。实用计算假设：假设剪应力在整个剪切面上均匀分布，等于剪切面上的平均应力。(2)剪切实用计算(1)剪切面--AQ：错动面。剪力--Q：剪切面上的内力。QAQ(2)名义剪应力--：(3)剪切强度条件（准则）：AQnjx:其中nn（合力）（合力）PPPnnQ剪切面工作应力不得超过材料的许用应力。(1)挤压力―Pjy：接触面上的合力。挤压：构件局部面积的承压现象。挤压力：在接触面上的压力，记Pjy。假设：挤压应