汽车机械基础教案项目二表

1、PAGE 17PAGE 8第 页教学目标知识目标：能力目标： 教学重点教学难点教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时6课时教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计注 释模块二 汽车常用构件力学分析汽车由若干零部件组成复杂的、能承载、能运动的复杂机器，为了保证汽车的使用安全性和耐久性，各主要零部件要进行优化设计、校核等工作。通过本模块的学习，使学生了解和掌握汽车常用零部件的静力分析和承载能力分析。单元1 静力分析教学目标：静力学主要研究力系的简化以及物体在力系作用下平衡的普遍规律。要求学生掌握力的性质、静力学基本公理、力系的简化和平衡条件等静力分析的基础知识，具备对构件进行受力分析、画

2、受力图及平衡计算等基本技能。知识导入：发动机曲柄连杆机构是将燃料的内能转变成机械能的主要零部件，而连杆连接着活塞和曲轴，试画出连杆的受力图，进行力学分析。课题1 静力分析的基本概念和定理一、力的概念 1.力的定义 二、刚体的概念 刚体是指受力作用后不变形的物体，是静力学中对一些工程构件进行抽象化后的理想的力学模型。 课题2 受力分析与受力图在研究静力平衡问题时，首先要解决的两个关键问题是：(1)研究对象的确定；(2)研究对象的受力分析。 研究对象需要根据题意或已知条件确定，可以是单个物体、几个物体的组合或者是整个系统。对研究对象的受力分析就是要明确物体所受各个力的性质、方向等。 静力分析中研究

3、对象及受力要用“分离体的受力图”来表示。首先针对研究对象往往是非自由体、受到各种各样的约束的特点，先把研究对象所受的约束解除，将其从周围物体的联系中分离出来单独画出，称为分离体，即解除了约束后的物体。然后用相应的力代替原来的约束对物体的作用，以维持原有的平衡状态，画出受力图，表示分离体及其所受各个力(主动力、约束反力)。 画分离体受力图的步骤如下。 (1) 根据题意，确定研究对象，画出分离体图。 (2) 在分离体上画出所有已知的主动力。 (3) 根据约束类型正确画出相应的约束反力。 正确地画出受力图是分析、解决力学问题的前提。下面通过实例分析说明物体的受力分析及受力图画法(无特别说明，则物体的

4、重力一般不计，并认为接触面都是光滑的)。【例 2-1】 如图 2-25(a)所示，重为G的均质球O，由杆件AB、绳子BC和墙壁支持。设各处的摩擦及各杆的重量忽略不计，试分别画出球O、杆件AB的受力图。 (a) (b) (c) 图 2-25 球支架 解：(1) 以球为研究对象，画分离体图。 (2) 对球进行受力分析：球受到主动力为重力G，方向垂直向下；杆AB、墙壁约束力FD、FE分别过球与两者的接触点D、E，并沿接触点处公法线指向球心，如图 2-25(b)所示。 (3) 以杆AB为研究对象并画分离体图。 (4) 对杆AB进行受力分析：杆AB上的主动力是球对它的压力FD(和FD是作用力与反作用力关

5、系)，方向沿D点处公法线指向杆AB。同时 B 点受到绳子对AB杆的拉力FT作用，方向从B点指向C点。A点为固定铰链约束，约束反力的方向可根据三力平衡汇交定理判定，FA经过FD与FT交点 P，如图 2-25(c)所示。 反力是一对作用力与反作用力，要等值、反向、共线地分别画在两个物体上。课题3 平面力系的合成与简化作用在物体上的力系可按其作用线是否共面分为平面力系和空间力系。平面力系是指力系中各个力的作用线均在同一平面内。若各个力的作用线不在同一平面内则称为空间。平面汇交力系是指各个力的作用线均汇交于一点的平面力系。平面平行力系是指各力的作用线均相互平行的平面力系。平面力偶系是指由力偶组成的平面

6、力系。平面任意力系是指各力既不完全平行也不汇交于一点的平面力系。 其中平面汇交力系和平面力偶系是平面力系中的两个基本的简单力系，平面任意力系则是平面力系的一般情形。本课题将介绍平面力系简化的方法及平面力系的平衡问题。 一、平面汇交力系的简化与合成 1.力多边形法二、 力偶及力偶系的简化 1.力偶的基本性质 性质 1：只要保持力偶矩大小和力偶的转向不变，作用于刚体上的力偶可以在其作用面内任意移动或转动，或同时改变力和力偶臂的大小而它对刚体的效应不变。 性质 2：力偶在同一刚体上可以搬移到与其作用面相平行的平面内，而不改变其对刚体的效应。 以上力偶的性质是力偶等效变换的基础。由此可归纳出两力偶等效

7、的条件为：力偶矩大小相等；力偶作用面平行；力偶转向相同。这三个条件即力偶的三要素：力偶矩大小、力偶作用面和力偶的转向。 2.平面力偶系的合成 两个或两个以上力偶组成的力系称为力偶系。力偶系合成的结果只能是力偶，这个力偶称为合力偶。 根据力偶的等效变换可将平面力偶系合成为一个合力偶，合力偶矩等于各分力偶矩的代数和： (2-9) 三、平面任意力系的简化与合成 课题4 平面力系的平衡平面力系共分为平面任意力系、平面力偶系、平面汇交力系和平面平行力系，如图 2-38所示。图 2-38 平面力系种类 一、平面任意力系的平衡方程 根据前面的分析，要使平面任意力系平衡，应使简化所得的主矢和主矩分别平衡，即主

8、矢，主矩时。课题5 考虑摩擦时的平衡问题摩擦是一种普遍存在的现象。在一些问题中，摩擦对物体的受力情况影响很小，为了计算方便而忽略不计。但在工程上有些摩擦问题是不能忽略的。例如，机械中摩擦离合器与带传动要依靠摩擦力才能工作，斜楔、螺钉利用摩擦力起紧固作用，制动器依靠摩擦力来刹车等。摩擦既有有用的一面，也有有害的一面。摩擦要消耗能量并使机器磨损，降低精度和缩短使用寿命。目前在能源的使用中，估计有一半以上是用于克服各类摩擦。机械零件因磨损而导致失效的约占全部报废零件总数的80%左右。学习本节的目的，在于掌握摩擦现象的客观规律，利用其有利的一面，限制它有害的一面。按照接触物体之间可能会相对滑动或相对滚

9、动，摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。一、滑动摩擦1.滑动摩擦的概念两个相互接触的物体，当一物体在另一物体表面上滑动或者有滑动趋势时，在两物体接触面上产生阻碍他们之间相对滑动的现象，成为滑动摩擦。由于摩擦对物体的运动起阻碍作用，因此，摩擦力总是作用在接触面（点）上，沿接触处的公切线且与物体的滑动或滑动趋势方向相反。2.静滑动摩擦力的三要素（1）大小：摩擦力F 的大小由物体的平衡条件来确定，F 的大小为：式中，最大静摩擦力，f 为静摩擦因数，由实验确定，N为两个物体之间的正压力。（2）方向：摩擦力在两个物体接触面的切线上，其指向与物体间相对滑动的趋势相反。（3）作用点：摩擦力的作用点在两个物体的接触

10、面上，具体位置由物体的平衡条件确定。3.滑动摩擦定律当物体处于临界静止状态时，静摩擦力达到最大值，其大小与接触面间的正压力（法相反力）成正比，即： (2-17)式中：最大静摩擦力；物体接触面间的正压力；静摩擦因数，其大小与相互接触物体表面的材料性质和表面状况（如粗糙度、润滑情况以及湿度、温度等）有关。当物体处于滑动状态时，在接触面上产生的滑动摩擦力的大小与接触面间的正压力成正比，即： (2-18)式中：动滑动因数，一般。精度要求不高时，可认为=。单元2 承载能力分析教学目标：材料力学是研究物体强度、刚度和稳定性的科学。本单元重点介绍构件在载荷作用下发生的基本变形的特点及其强度分析计算方法。要求

11、学生了解各种变形的载荷特点和变形特点；掌握 4 种基本变形的内力分析、应力分析和强度计算方法；重点掌握轴向拉压、圆轴扭转、弯曲变形的强度计算方法；了解各种基本变形的变形分析和简单的计算方法；了解简单的组合变形强度计算。 知识导入：张某的桑塔纳轿车最近发现发动机有异响，汽修厂的技师们通过各种检测，最终判断是曲轴引起的，拆解发动机发现曲轴弯曲变形，更换曲轴故障排除。曲轴是发动机输出动力的主要部件，承受各种力，请同学们分析一下曲轴弯曲变形的原因及维修方案。课题1 承载能力分析的基本知识工程机械或结构中的构件都要承受一定的载荷。在载荷作用下，构件的形状和尺寸将发生改变，称为变形。同时，在构件内部将产生

12、一定的内力。随着载荷的增加，构件的变形与内力也逐渐增大，最后将导致构件因过度变形断裂而失效。为保持机械或结构正常的工作，要求任何一个构件都要有足够的承载能力。承载能力主要包括强度、刚度和稳定性三方面的要求。强度 指构件抵抗破坏的能力。构件应具有足够的强度，就是指构件在使用过程中不发生断裂，也不产生显著的塑性变形。刚度 指构件抵抗变形的能力。构件应具有足够的刚度，就是指构件在使用过程中不产生过量的弹性变形。稳定性 指构件保持原有平衡形式的能力。受压的细长直杆，在轴向压力作用下其轴线突然变弯的现象，称为丧失稳定性，简称失稳。构件应具有足够的稳定性，就是指构件在使用过程中不产生失稳现象。课题2 拉伸

13、与压缩拉伸和压缩是杆件基本变形中最简单的一种，也是构件中最常发生的变形形式。如发动机中的连杆在工作中发生压缩变形，缸盖螺栓在工作中发生拉伸变形等。 课题3 剪切与挤压一、 剪切及其实用计算 1剪切的概念 在工程实际中，常会有构件受到两组大小相等、方向相反且彼此非常接近的力作用，这时构件会在两组力间的截面处发生相对错动变形，这种变形称为剪切变形，如图 2-67 所示。剪切变形的受力特点是外力大小相等，方向相反，作用线相距很近。变形特点是沿与外力的方向平行的截面发生相对错动。产生相对错动的截面称为剪切面，剪切面总是平行于外力作用线，且在两个反向外力作用线之间。 图 2-67 剪切过程 剪切变形大多

14、发生在工程结构和机械零件的联接件上，例如，联接两个零件的销、铆钉、键和螺栓等，都是一些常见的受剪零件。在外力作用下，沿剪切面发生剪切变形，当外力过大，沿剪切面将连接件剪断。为此，必须进行剪切强度计算。 如图 2-68 所示就是铆钉剪切过程图。 图 2-68 铆钉剪切过程 2.剪切应力 构件受到剪切力的作用时，在它的剪切面上会产生沿截面作用的抵抗剪切变形的内力，这个内力称为剪力，用 FQ表示。剪力 FQ的大小可用截面法求得如图 2-69 所示，单位是牛(N)或千牛(kN)。 单位面积上剪力的大小称为剪应力，用表示，单位是帕(Pa)或兆帕(MPa)。剪应力在剪切面上分布规律较复杂。工程上常采用以实

15、验、经验为基础的“实用计算法”。“实用计算法”假设剪应力均匀分布在剪切面上。 课题4 圆轴扭转一、圆轴扭转的概念 在工程实际及日常生活中，我们常遇到发生扭转变形的构件。如图 2-73 所示为电机传动中的传动轴，其受力特点是：载荷是一对力偶，力偶作用面均与直杆的轴线垂直，但方向相反，因而产生的变形形式相同，各横截面绕杆轴线发生相对转动，这种变形称为扭转变形。 在生产中，像丝锥、钻头等，工作时都主要产生扭转变形。 图 2-73 传动轴扭转二、圆轴扭转外力偶矩、扭矩 1外力偶矩的计算 计算轴的扭转内力，首先要知道轴上所受的外力偶矩。当已知轴的转速和传递的功率时外力偶矩可按理论力学中的公式计算 (2-

16、29)式中：M外力偶矩，Nm； P轴传递的功率，kW； n轴的转速，rmin。 当功率 P 用马力时，外力偶的计算公式为： (2-30) 2圆轴横截面上的内力 (1) 扭矩圆轴发生扭转变形时，横截面上将有内力产生，求内力的方法仍然是截面法。如图 2-74 所示圆轴，在其两端垂直轴线的平面内作用着一对方向相反、力偶矩均为M的力偶，要求任意截面上的内力。首先用假想截面将构件截开，如图 2-74(b)、(c)所示，取其任一段研究。由力偶系的平衡条件可知，为了与外力偶平衡，截面上内力系合成的结果应是一力偶，且力偶的作用面与横截面重合。此力偶矩称为扭矩，常用符号T表示。扭矩T的大小，可根据力偶的平衡条件

17、求得。若取左段为研究对象如图 2-74(b)所示，由 (a) (b) (c) 图 2-74 圆轴横截面上的内力 若取右段研究，如图 2-74(c)所示，亦可求得同样数值的扭矩，但两者转向相反，因为它们是作用与反作用的关系。因此，扭转时任意截面上扭矩的大小可由下式确定： T=截面一侧(左或右)所有外力偶矩的代数和。 (2) 扭矩图。当轴上作用几个外力偶时，各截面上的扭矩是不同的。各截面上的扭矩可以用扭矩图来表示。扭矩图是表示圆轴各截面上扭矩大小的简单图形。用横轴表示截面的位置，用纵轴表示扭矩，正的扭矩画在横轴上方，负的扭矩画在横轴下方，就可得到扭矩图。课题5 平面弯曲一、梁弯曲的概念 1平面弯曲

18、的概念 在日常生活和工程实际中，发生弯曲变形的构件是经常遇到的，如图 2-80 所示，龙门吊车的横梁AB在载荷和自重的作用下变弯；水罐在两支座中间受重力和自重作用发生微小弯曲。这些构件具有相同的受力特点外力垂直于轴线或在轴线的平面内受到力偶的作用，而发生相同形式的变形轴线由直线弯为曲线，这种变形称为弯曲。把以弯曲变形为主的构件称为梁。 (a) (b) 图 2-80 弯曲变形的构件 工程中常见的梁，其横截面往往具有对称轴，如图 2-81 所示，对称轴与梁的轴线构成纵向对称面。若作用在梁上的外力都位于纵向对称面内，并且力的作用线垂直于梁的轴线，则变形后的轴线将是平面曲线，并仍位于纵向对称面内，这种弯曲称为平面弯曲。 图 2-81 横截面具有对称轴 2梁的基本类型 梁的结构形式很多，按梁的支座形式可分为三种基本形式。 (1) 简支梁。梁的一端为固定铰链支座，另一端为活动铰链支座，如图 2-82 所示。图 2-82 简支梁 (2) 外伸梁。梁的支座形式与简支梁相同，梁的一端或两端伸出在支座以外，如图2-83(a)所示； (3) 悬臂梁。梁的一端为固定端支座，而另一端为