汽车机械基础机工配套课件：2 单元1 工程构件的静力分析

1、机 械 基 础模块二 工程构件的静力分析单元一 工程构件的静力分析案例导入由各种零部件组成的汽车、机床及起重机等机械在工作时，都会受到复杂的外力作用。因此，对机械的设计、制造及使用大部分都是以力学理论为基础的。如下图所示车载起重机的最大起吊重量如何确定？汽车行驶过程中轮胎的受力情况如何？这些问题都可以利用工程力学的知识进行解答，但首先应了解静力学的基础知识。教学目标一、目标和要求（1）熟悉静力分析的研究对象、内容;（2）掌握刚体、力的三要素及其表示方法；（3）掌握静力学五大公理；（4）理解力的等效替换、力的平衡的条件二、重点和难点(1)静力学三大公理、两大推论的理解与运用。(2) 力的等效替换

2、、力的平衡的条件的理解与运用课题一 静力学基础目录01第一节 静力学的基本概念02第二节 静力学公理目录02第二节 静力学公理01第一节 静力学的基本概念力的概念力是物体与物体之间的相互机械作用。力的这种作用使物体的运动状态发生变化或使物体的形状发生变化。力使物体的运动状态发生变化，称为力的外效应；力使物体的形状发生变化，称为力的内效应。平衡的概念物体相对于惯性参考系（如地球）保持静止或做匀速直线运动的状态称为平衡。实际上，任何物体都处于不断运动之中，故运动是绝对的，平衡是相对的。例如，起重机在底盘上安装的若干条支撑腿就是保证起吊重物时，车体保持静止时的平衡状态。起重机吊装重物刚体的概念在力的

3、作用下形状和尺寸都不发生改变的物体称为刚体。在工程实际中，刚体并不存在，所有物体在受力时都会发生一定的变形。因此，刚体是对物体进行抽象简化后的一种理想模型。在静力学中，若物体本身的变化不影响问题的研究，可将该物体简化为刚体来处理。力的三要素及表示方法（1）力的三要素力对物体的作用效果取决于力的三要素，即力的大小、力的作用方向和力的作用点。如图（a）所示，人在推车时，推力的作用点在车厢尾部，作用方向水平向右。改变三要素中任意一个要素，力的作用效果都会发生改变。图（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。矢量一般由黑体字母表示，例如F表示力。力通常用具有一

4、定长度的有向线段来表示，如图（b）所示，线段的长度表示力的大小，线段箭头的指向表示力的作用方向（图中虚线方向所示），线段的端点或箭头顶点表示力的作用点（图中为B点）。图（b）力系作用于物体上的一组力称为力系。若物体在力系的作用下处于平衡状态，则这个力系称为平衡力系，力系平衡所满足的条件称为平衡条件。目录02第二节 静力学公理01第一节 静力学的基本概念静力学公理静力学公理是人们对长期的实践经验进行总结和概括后得到的基本规律，静力学公理概括了一些力的基本性质，是学习静力学的理论基础。公理1 二力平衡公理图（a）图（b）公理1 二力平衡公理只受二力作用而处于平衡状态的构件称为二力构件。工程中大部分

5、二力构件都是杆件，因此又称二力杆。二力杆的受力特点是：两个力的作用线在两作用点的连线上。公理2 加减平衡力系公理受已知力系作用的刚体上，加上或减去任意一个平衡力系，不会改变原力系对刚体的作用效应。公理2 加减平衡力系公理只受二力作用而处于平衡状态的构件称为二力构件。工程中大部分二力构件都是杆件，因此又称二力杆。二力杆的受力特点是：两个力的作用线在两作用点的连线上推论：力的可传性原理力的可传性公理3 力的平行四边形法则（a） （b）力的平行四边形法则推论：三力汇交定理若刚体受到同平面内三个互不平行力的作用而平衡，则三个力的作用线必汇交于一点。如图所示，刚体在三个力F1，F2，F3的作用下平衡，则

6、它们作用线的延长线交于A点，F1，F2的合力F与F3组成一对平衡力。公理4 作用力与反作用力定律两刚体间的作用力和反作用力总是同时存在，大小相等，方向相反，沿同一直线，分别作用在这两个刚体上。两刚体间的作用力和反作用力总是同时存在，大小相等，方向相反，沿同一直线，分别作用在这两个刚体上。公理5 刚化公理若刚体受到同平面内三个互不平行力的作用而平衡，则三个力的作用线必汇交于一点。如图所示，刚体在三个力F1，F2，F3的作用下平衡，则它们作用线的延长线交于A点，F1，F2的合力F与F3组成一对平衡力。课题二 力矩和力偶案例导入在生活当中，很多时候除了可以实现移动效应外，还可以在一定条件下实现转动效

7、应。如下图所示人在蹬自行车，人转动方向盘。在这个过程中，人的脚需要施加多大的力才能让自行车跑起来？需要旋转多大的力才能让方向盘转动？这些问题都可以利用工程构建的力矩、力偶原理来解决。教学目标一、目标和要求(1)掌握力矩定义，理解合力矩定理。(2)理解力偶的定义及四大性质，进行相应的判断。(3)掌握力偶的平移定理及应用，利用力偶系平衡条件解决相应问题。二、重点和难点(1)合力矩定理，力偶的基本性质。(2)力矩的计算，合力矩定理。目录01第一节 力矩的定义02第二节 力偶的概念和基本性质03第二节 力的平移定理目录01第一节 力矩的定义02第二节 力偶的概念和基本性质03第二节 力的平移定理力矩的

8、定义如图所示，根据经验，用扳手拧螺母时，影响螺母转动效果的因素有：施力的大小、施力点与螺母圆心间的距离、力的转动方向。在力学中，用力对点的矩来度量上述三个因素对转动效果的影响，力对点的矩简称力矩，通常用M表示力矩的定义合力矩定理合力矩定理 （a）直齿轮所受的合力 （b）齿轮啮合力的分解合力矩定理目录01第一节 力矩的定义02第二节 力偶的概念和基本性质03第二节 力的平移定理力偶的概念在日常生活和生产实践中，经常会遇到两个大小相等、方向相反，但不作用在同一条直线上的两个力使物体发生转动的情形，如司机用双手转动方向盘（图（a），用扳手拧螺丝（图（b）等。力偶的概念力偶的性质性质1 力偶在任意坐标

9、轴上的投影之和恒等于零。如图（a）所示。性质2 力偶没有合力，既不能与一个力等效，也不能简化为一个力。性质3 力偶对其作用面内任意一点的力矩恒等于力偶矩，与该点（即矩心）的位置无关。如图（b）所示。（a） （b） 力偶的性质（c）力偶等效定理的两个推论推论1 力偶可在作用面内任意移动，而不会改变它对刚体的转动效应。推论2 在保持力偶矩大小和力偶转向都不变的条件下，可以任意改变力和力偶臂的大小而不改变力偶对刚体的转动效应。平面力偶系的合成目录01第一节 力矩的定义02第二节 力偶的概念和基本性质03第二节 力的平移定理力的平移定理力的平移定理：作用在刚体上的力可以等效地平移到刚体上任意指定点，但

10、必须在该力与指定点所决定的平面内附加一力偶，其力偶矩等于原力对新作用点之矩。力的平移定理（a） （b） （c） 课题三 约束与约束反力案例导入各种机械结构，都需要进行组合装配，从而实现其所需功能，在实现功能的过程中，有些机构可以延某一方向运动，有些则可以绕某一点旋转运动。如下两图的起重机和发动机在运动过程中，运动特点是什么呢？受力又是多少呢？教学目标一、目标和要求(1)掌握约束与约束力的定义，可以举出简单的例子。(2)掌握常见的约束类型及其特点。(3)掌握受力图的画法，能够画出简单机构的受力图。二、重点和难点(1)常见的约束类型及其特点。(2)受力图的画法。目录01 第一节 约束和约束反力02

11、第二节 常见约束的类型及其约束力的特点03第三节 受力图目录01 第一节 约束和约束反力02第二节 常见约束的类型及其约束力的特点03第三节 受力图约束和约束反力自由体：可以沿空间任意方向运动的物体，如空中的飞机、水中的鱼。非自由体：受周围物体的限制而只能沿特定方向运动的物体，如活塞受汽缸体的限制只能沿气缸运动，方向盘受转轴限制只能转动，火车受钢轨限制只能沿轨道运动。非自由体约束和约束反力一个物体受到周围物体的限制时，这种限制称为该物体的约束。约束对物体运动的限制是通过力来实现的，这些约束中限制物体运动的力称为约束反力，简称约束力。约束力是阻碍物体运动的力，因此属于被动力，其作用点在被约束物体

12、与约束的接触处，其方向与其所限制物体的运动或运动趋势的方向相反。促使物体运动或产生运动趋势的力称为主动力，如重力、推力、拉力等。非自由体目录01 第一节 约束和约束反力02第二节 常见约束的类型及其约束力的特点03第三节 受力图常见约束的类型及其约束力的特点常见的约束类型有多种，有柔锁接触、光滑接触面约束、铰链约束、固定端约束、轴承约束等。铰链又称合页，是一种常见的铰链约束，用来连接两个构件并允许二者相互转动的机械装置。如下图（a）所示，圆销插入构件1和构件2的圆孔内构成一个铰链。铰链对两个构件形成铰链约束，使两构件间只能作相对转动，而不能做相对移动。铰链约束具有广泛的应用，例如，门窗开关时，

13、内燃机中曲柄与连杆、连杆与活塞如下图（b）运动时都存在铰链约束。（a）铰链的组成 （b）铰链约束的实例常见约束的类型及其约束力的特点光滑接触面约束若两个物体直接接触，且接触面的摩擦力很小可忽略不计，则这种光滑约束面所形成的约束称为光滑接触面约束 约束力通常用符号FN表示，其方向必沿接触面的公法线，且指向被约束的物体常见约束的类型及其约束力的特点铰链约束固定铰链支座约束限制被约束物体间的相对移动，但不限制物体绕销轴转动的约束称为固定铰链约束约束力的符号用Fx，Fy表示，其大小和方向与零部件受力情况有关中间铰链约束与固定铰链约束相类似，区别在于中间铰链约束中销轴的空间位置不固定约束力的方向不定，一

14、般用一对正交的约束反力Fx，Fy表示，其作用线通过铰链的中心活动铰链支座约束能限制构件沿支承面法向运动，而不限制切线方向运动的约束称为活动铰链约束约束力的符号用FR表示，其方向通过铰链中心，与支承面相垂直常见约束的类型及其约束力的特点固定端约束能限制物体在约束处沿任何方向移动和转动的约束称为固定端约束约束力为两个相互垂直的分力Fx，Fy和一个阻止转动的力矩M目录01 第一节 约束和约束反力02第二节 常见约束的类型及其约束力的特点03第三节 受力图受力图 （a） （b） 受力图 （c） 课题四 平面力系案例导入在机械、建筑等应用中，会出现机构受到很多个力集中的情况。那么分析集中力系的受力情况对

15、实际生产有着至关重要的作用。如下图所示推土机在工作时的受力如何确定？大桥的绳索受力情况如何？这些问题都需要对力系进行研究。教学目标一、目标和要求（1）理解平面任意力系的概念； （2）掌握平面任意力系的平衡条件和平衡方程。二、重点和难点（1）平面任意力系的平衡条件和平衡方程.（2）物体在平面任意力系作用下平衡问题的解法。（2）应用平面任意力系平衡方程求解物体平衡问题的方法和步骤。目录01 第一节 平面力系的分类02第二节 平面任意力系的平衡方程目录02第二节 平面任意力系的平衡方程01 第一节 平面力系的分类平面力系的分类若力系中各力的作用线都在同一平面内，则该力系称为平面力系。根据各力作用线的

16、位置情况，平面力系可分为平面汇交力系、平面平行力系、平面力偶系和平面任意力系。平面力系的分类类别定义图示平面汇交力系所有力的作用线都汇交于一点的平面力系称为平面汇交力系，如桁架的受力平面平行力系所有力的作用线均相互平行的平面力系称为平面平行力系，如火车车轮的受力平面力偶系由若干个力偶组成的平面力系称为平面力偶系，如联轴器的受力平面任意力系若平面力系中各力的作用线既不一定完全平行，又不一定完全汇交于一点，则这类力系称为平面任意力系，如活塞连杆的受力目录02第二节 平面任意力系的平衡方程01 第一节 平面力系的分类平面任意力系的简化（a） （b） （c）平面任意力系的简化平面任意力系的平衡方程及应

17、用基本式二矩式三矩式平面任意力系的平衡方程及应用物体在平面任意力系的作用下处于平衡时，可利用平衡方程求解未知力，一般步骤为： 根据题意选取研究对象，画出受力图。 建立适当的直角坐标系（使尽可能多的力与坐标轴处于特殊位置，力矩中心尽量选在未知力交点上）。 根据平衡条件列平衡方程并求解。若解出结果为正，则表明该力的作用方向与假定的作用方向相同；若解出的结果为负，则表明该力的作用方向与假定的作用方向相反。平面任意力系的平衡方程及应用平面任意力系的平衡方程及应用课题五 摩擦与自锁案例导入摩擦是自然界中普遍存在的，也是机械制造中众所关注的，那么研究物理的受到的摩擦力以及其临界条件是非常重要的。如下图所示汽车汽车在斜面为何不向下滑？千斤顶为何可以将汽车顶起并且固定在一定的高度？这些问题我们将用接下来的知识进行解答。教学目标一、目标和要求(1)掌握摩擦的分类及各自特点，进行相关的计算。(2)掌握摩擦角的概念。(3)理解自锁的概念及类型。(4)掌握自锁的原理，能够在相关实例中应用。二、重点和难点(1)理解自锁的概念及类型。(2)掌握自锁的原理，能够在相关实例中应用。目录01 第一节 摩擦的分类02第二节 摩擦角与自锁现象目录01 第一节 摩擦的分类02第二节 摩擦角与自锁现象