汽车机械基础 课件全套 陈梅艳 模块1-7 汽车常用工程材料- 液压传动

汽车机械基础模块一汽车常用工程材料单元一汽车常用金属材料【学习目标】1.了解常用金属材料的分类；2.掌握常用金属材料的牌号及用途；3.掌握各种牌号的金属材料在汽车上的应用。一、铁基金属材料铁基金属材料有钢和铸铁。钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数在2.11%以下，并含有其他元素的材料。根据国家标准GB/T13304-1991规定，钢按化学成分可分为非合金钢(碳钢)、低合金钢和合金钢三类；按用途又可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢；按用途也可分为建筑及工程结构用钢、机械结构用钢、工具钢、专业用钢(如桥梁用钢、锅炉用钢)等。（一）非合金钢又称碳钢，是指碳的质量分数小于2.11%，并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。它按用途分结构钢和工具钢;按质量分为普通质量、优质和特殊质量(主要按钢中磷、硫的质量分数划分)。1.普通碳素结构钢对生产过程中控制质量无特殊规定的一般用途的(非合金钢)碳钢。该类钢通常不进行热处理而直接使用，因此只考虑其力学性能和有害杂质的质量分数，不考虑碳的质量分数。碳素结构钢牌号由Q(屈服点的“屈”字汉语拼音字首)、屈服点数值、质量等级和脱氧方法四部分按顺序组成。如Q235。2.优质碳素结构钢这类钢有害杂质元素磷、硫受到严格限制，非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较好，主要用于制作较重要的机械零件，一般均需进行热处理，故既要保证力学性能，又要保证化学成分。优质碳素结构钢按碳的质量分数又可分为低碳钢(碳的质量分数在0.25%以下)、中碳钢(碳的质量分数为0.25%～0.60%)和高碳钢(碳的质量分数为0.60%～0.85%)。

低碳钢强度低，塑性、韧性好，易于冲压加工，主要用于制造受力不大、韧性要求高的汽车车身、驾驶室、车门、散热器罩等冲压件和焊接件。

中碳钢强度较高，塑性和韧性也较好，一般需经正火或调质处理后使用，应用广泛。主要用于制作齿轮、连杆、轴类、套筒、丝杠等零件。

高碳钢经热处理后，可获得较高的弹性极限、足够的韧性和一定的强度，常用来制作弹性零件和易磨损的零件，如转向系接头弹簧、弹簧垫圈和各种卡环、锁片等。3.碳素工具钢碳素工具钢碳的质量分数为0.65%～1.35%，一般需热处理后使用。这类钢经热处理后具有较高的硬度和耐磨性，主要用于制作低速切削刃具，以及对热处理变形要求低的一般模具。其按质量分优质和高级优质碳素工具钢两种。牌号用“T”(“碳”字汉语拼音字首)和数字组成。数字表示钢的平均碳的质量分数的千分数。如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8%的碳素工具钢。若牌号末尾加“A”，则表示为高级优质钢，如T10A。4.铸钢铸钢碳的质量分数为0.15%-0.60%，碳的质量分数过高则塑性差，易产生裂纹等缺陷，主要用来制作形状复杂、难以进行锻造或切削加工成形，且要求较高强度和韧性的零件，如机油管法兰、化油器操纵杆接头等。牌号首位冠以“ZG”(“铸钢”二字汉语拼音字首)。5.易切削结构钢在碳钢的基础上，加入一种或几种合金元素，使其具有易切削性能，以适应切削加工自动化、高速化和精密化的需要。目前常加入的合金元素是S、P、Pb、Ca、Se、Te等。易切削结构钢的牌号是在同类结构钢牌号前冠以“Y”以区别其他结构钢。例如Y20表示平均=0.20%的易切削钢。（二）合金钢为改善碳钢的组织和性能，在碳钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为低合金钢或合金钢。通常加入的合金元素有：硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛等。合金钢按合金元素的质量分数分低合金钢、合金钢；按用途又分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。1.低合金结构钢低合金结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素(合金元素总量小于3%)而得到的钢。

2.合金结构钢在碳素结构钢的基础上加入合金元素而得到的钢为合金结构钢。牌号表示依次为两位数字、元素符号和数字。前两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后的数字表示该合金元素平均质量分数的百分数。如20CrMnTi钢。合金结构钢根据性能和用途，又可分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢等。 （1）合金渗碳钢适用于渗碳、淬火和低温回火的热处理方式的合金结构钢为合金渗碳钢。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，用于制造汽车的变速齿轮、轴、活塞销等零件。（2）合金调质钢合金调质钢是在中碳钢的基础上加入一些合金元素，经调质处理后使用的钢。此类钢中40Cr、40MnB适用于中等截面的结构件，如汽车连杆螺栓、后桥半轴等；40CrNiTi、37CrNi3适用于大截面的、承受大载荷的重要结构件，如中间轴、曲轴等。（3）合金弹簧钢适合于做弹簧的合金结构钢称为合金弹簧钢。65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn用于制造截面不大于25mm的各种螺旋弹簧和钢板弹簧；55CrMnA、60CrMnA用于制造截面小于50mm的各种螺旋弹簧和钢板弹簧。（4）滚动轴承钢滚动轴承工作时要求材料必须具有高而均匀的硬度和耐磨性高的接触疲劳强度和弹性极限，一定的塑性和足够的韧性，一定的耐蚀性。根据此性能要求，轴承钢碳的质量分数为0.95%～1.15%，加入0.4%～1.65%的Cr。此类钢的预备热处理为球化退火，最终热处理为淬火加低温回火。GCr15是轴承钢中应用最多的钢，主要用于制造壁厚小于12mm、外径小于50mm的套圈，直径为25～50mm的钢球。3.合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入合金元素(Si、Mn、Cr、V、Mo等)制成的。合金元素的加入改善了热处理性能，因而提高了材料的热硬性、耐磨性。合金工具钢常用来制造各种量具、模具和切削刀具，也可对应地分为量具钢、模具钢和刃具钢，其化学成分、性能和组织结构也不同。4.特殊性能钢特殊性能钢是指具有某些特殊的物理、化学、力学性能，因而能在特殊的环境、工作条件下使用的钢。其牌号表示方法与合金工具钢基本相同，但若钢中碳的质量分数小于0.03%或小于0.08%时，牌号分别以“00“或“0“为首。例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18NillTi钢等。常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢。（三）铸铁碳的质量分数高于2.11%的铁碳合金称为铸铁。工业上常用的铸铁是碳的质量分数为2%～4%，且比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质的铁、碳、硅多元合金。根据碳在铸铁中存在形态的不同，铸铁可分为以下几种： 1.白口铸铁2.灰铸铁3.可锻铸铁4.球墨铸铁5.合金铸铁二、非铁基金属材料（一）铝及其合金纯铝显著的特点是密度小(约2.7)，导电导热性优良，强度(=80MPa左右)、硬度低，塑性好，有良好的耐蚀性。故纯铝主要用于做导电、导热材料或耐蚀零件。现在汽车加热器、散热器、蒸发器、油冷却器多用铝制作；另外纯铝还可做装饰件、铭牌等。铝合金依其成分和工艺性能，可分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金具有较高的强度和良好的塑性，可通过压力加工制成各种半成品，也可以焊接。它主要用作各种类型的型材和结构件，如发动机机架、飞机大梁等。铸造铝合金可分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四类。它们有良好的铸造性能，可以铸成各种形状复杂的零件，但塑性低，不宜进行压力加工。（二）铜及其合金纯铜广泛应用于制造电线、电缆等各种导电材料。汽车制造业主要使用铜合金。铜合金按化学成分不同分为黄铜、青铜和白铜等。1.黄铜以铜和锌为主组成的合金称为黄铜。黄铜的强度、硬度和塑性先随锌的质量分数增加而升高，锌的质量分数为30%～32%时，塑性达到最大值，锌的质量分数为45%时强度最高。黄铜在轿车上用作转向节衬套、钢板弹簧衬套、轴套等耐磨件，也可用作散热器冷凝器、冷却管，还可用作装饰件、供水排水管、油管接头、制动三通接头、垫片和垫圈。2.青铜除黄铜和白铜(铜-镍合金)以外的其他铜合金称为青铜，其中含锡元素的称为锡青铜，不含锡元素的称为无锡青铜； 锡青铜有良好的塑性、耐磨性及耐蚀性，有优良的铸造性能，主要用于耐磨损零件和耐蚀零件的制造，如蜗轮、轴瓦等。（三）轴承合金在滑动轴承中用于制造轴瓦或内衬的合金称为轴承合金。滑动轴承具有承压面积大、工作平稳、无噪声以及修理、更换方便等优点，应用广泛。常用的轴承合金主要是非铁基金属合金，其分类方法依据合金中含量多的元素分类，主要有锡基、铅基和铝基轴承合金等。锡基和铅基轴承合金又称为巴氏合金，是应用广泛的轴承合金。常用的轴承合金有ZSnSb12PblOCu4；另外有些铸造青铜也可做轴承合金，如ZCuPb30、ZCuSnl0Pl、ZCuAll0Fe3等。【思考题】1.什么是钢？它分哪几类？2.什么是铸铁？它分哪几类？3.说明下列钢号的含义及钢材的主要用途：Q235、45、T12A、1Cr13、W18Cr4V、GCr15、Cr12、65Mn。单元二汽车常用非金属材料第一节高分子材料简介第二节复合材料简介一、高分子材料简介（一）塑料塑料是一种以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，它通常可在加热、加压条件下被塑造或固化成型，得到所需的固体制品，故称为塑料。1.塑料的组成塑料的主要成分是有机合成树脂，也可加入各种增强材料、填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、着色剂和阻燃剂等。（1）合成树脂合成树脂是指由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物，如酚醛树脂、聚乙烯等。合成树脂是塑料的丰要组成物，是塑料的基体材料，它决定了塑料的基本性能，并起着粘接剂的作用。在一定的温度和压力的条件下，合成树脂可软化并塑造成形。在工程塑料中，合成树脂的含量约占40%～100%。（2）添加剂添加剂是指为改善或弥补塑料的物理、化学、力学或工艺性能而特别加人的其他成分的助剂。常用的有以下几种：①填料或增强材料②固化剂③增塑剂④稳定剂2.塑料的性质塑料是生产和日常生活中应用最广泛的材料之一。优点：

重量轻；成型自由，可制造复杂形状，加工成本低；良好的耐腐蚀性；优良的绝缘性；自润滑性；着色自由、手感柔性；可进行二次加工(着色、光亮处理、涂装、浮雕等)。缺点：强度低；耐热性差，耐疲劳性差；修理性不好；耐侯性差；耐蠕变性差；尺寸不稳定；废弃处理困难。3.塑料在汽车上的应用图3-1现代承载式汽车上使用的塑料件的部位（二）合成纤维合成纤维是以石油、天然气、煤和石灰石等为原料，经过提炼和化学反应合成高分子化合物，再将其熔融或溶解后纺丝制得的纤维。纤维材料在汽车上多用于内部装饰。 1.常用汽车织物纤维常用汽车织物纤维有棉纤维、羊毛纤维和合成纤维等。2.汽车上纤维材料使用的部位纤维材料在汽车上的使用部位主要是座椅罩布、顶棚、地毯、车门内护板饰面、行李箱护板饰面等。（三）橡胶所谓橡胶，是指在使用温度范围内处于高弹性状态的高分子材料。橡胶广泛地应用于弹性材料、密封材料、减振防振材料和传动材料，在工业生产中有着重要的地位，是一项重要的工业材料。（四）胶粘剂近年来，与焊接、铆接、螺栓连接等传统的连接形式并驾齐驱的一种连接方式称为胶接，它是采用胶粘剂连接工件的。胶粘技术是一种实用性很强，并已在许多领域得到广泛应用的新技术、新工艺，它已成为一门新兴的独立的边缘科学。胶粘剂又称粘合剂或粘接剂，俗称胶。它是一类通过粘附作用，使同质或异质材料连接在一起，并在胶接面上有一定强度的物质。（五）涂装材料涂装材料是一种流动状态的或粉末状态的有机物质，可以采用不同的工艺将其涂覆在物体表面上，形成粘附牢固、具有一定强度的连续固态薄膜。 涂料的组成中包含成膜物质、颜料、溶剂、助剂四个组分。1.涂料的作用(1)保护作用。(2)装饰作用。(3)特殊功能作用。2.涂料的特点(1)涂料的适用面广，可广泛应用于各种不同材质的物体表面。(2)能适应不同性能的要求。(3)涂料使用方便，一般用比较简单的方法和设备就可以进行施工。(4)涂膜容易维护和更新，这是应用涂料的优越性之一。(5)涂膜大都为有机物质，且一般涂层较薄，其装饰保护作用有一定的局限性，只能在一定的时间内发挥一定程度的作用。二、复合材料简介（一）纤维增强高分子基复合材料(FRP)FRP是汽车轻量化的最重要的材料。FRP主要是由三部分组成：①纤维。多为玻璃纤维、碳纤维和陶瓷短纤维等，特别是玻璃纤维在价格、生产和性能方面有明显的优势。纤维含量在25%～30%；②树脂。聚丙烯塑料PP、聚乙烯塑料PVC、聚二烯塑料PE、ABS等不饱和聚酯和热塑料性树脂；③填充料。常用中空的玻璃微球。制作过程中，加入适当的硬化剂和增粘剂，使用先进的成型工艺，便可得到成形流动性号的高分子基复合材料。1.玻璃纤维增强塑料根据基体的不同，玻璃钢又可分为热塑性和热固性两大类。

(1)热塑性玻璃钢。它是以玻璃钢纤维为增强剂和以热塑性脂为粘结剂制成的复合材料。

玻璃纤维抗拉强度可达1000～3000MPa；耐热性高，在250℃以下力学性能变化不大；化学稳定性好；主要缺点是脆性较大。但玻璃纤维与合成树脂结合在一起，便形成了性能较好的玻璃钢。应用较多的热塑性树脂是尼龙、聚烯烃类、聚苯乙烯类、热塑性聚酯和聚碳酸酯5种。汽车上常用的热塑性玻璃钢是聚苯乙烯玻璃钢、尼龙66玻璃钢，主要用于制作汽车内饰材料、汽车仪表壳罩、汽车灯罩等。

(2)热固性玻璃钢。它是以玻璃纤维为增强剂和以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料。常用的热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂和有机硅树脂等4种。酚醛树脂出现最早，环氧树脂性能较好，应用都较普遍。热固性玻璃纤维增强塑料集中了其组成材料的优点，即质量轻、比强度高，耐腐蚀性好、介电性能优越，成形性能良好的工程材料。它们的比强度比铜合金和铝合金高，甚至比合金钢还高；但刚度较差，仅为钢的1/10-1/5，耐热性不高(低于200℃)，容易老化，容易蠕变等。汽车常用的热固性玻璃钢为聚酯树脂玻璃钢。2.碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料是指具有基体和碳纤维复合特性的复合材料，主要是以环氧树脂基体、碳纤维为基体的环氧树脂基碳纤维增强塑料。它的抗拉强度和疲劳强度高、密度低、耐磨性好、耐蚀性好、膨胀系数小、能导电、伸长率小、抗冲击性差；常用的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的比强度高、质量轻、抗冲击，根据碳纤维编织取向和含量的合理设计，灵活利用材料的各项异性特征和可调刚性，将CFRP压制成任何所需的形状，1根由CFRP制成的驱动轴可代替2根钢铁轴，使质量减轻50%，并大幅度降低车内噪声，还可使车身前后方向振动大幅降低。（二）金属基复合材料增强金属基复合材料通常是由低强度、高韧性的基体和高强度、高弹性模量的纤维组成的。金属基复合材料的基体大多采用铝、铜、铝合金、铜合金、续合金和镍合金。增强材料一般为纤维状、颗粒状和晶须状的碳化硅、硼、氧化铝和碳纤维，要求具有高的强度和弹性模量(抵抗变形及断裂)、高耐磨性(防止表面损伤)与化学稳定性(防止与空气和基体发生化学反应)。汽车工业上应用碳化硅颗粒铝合金基复合材料发展最快。它的强度比中碳钢好，比铝合金略高，与铁合金相近，其耐磨性也比铁合金、铝合金好，密度只有钢的1/3，与铝相近。汽车上用来制作汽车活塞、制动部件等。（三）陶瓷基复合材料

陶瓷具有耐高温、抗氧化、高弹性模量和高抗压强度等优点。但由于脆性大经不起冲击，因而限制了陶瓷的使用。

陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、高的耐磨性和良好的韧性，目前已用在高速切削工具和内燃机部件上。汽车工业的研究重点是替代金属制造发动机的零部件。汽车发动机部件以至整机，用陶瓷材料可以提高热效率、无需水冷，而且比硬质合金的质量轻得多。例如，采用氮化硅陶瓷复合材料制造发动机的涡轮增压器，比镰基热合金涡轮增压器的质量减轻34%，从起动到104r/min所需的时间缩短了36%。（四）复合材料的发展①由宏观复合向微观复合形式发展②由双元混杂复合向多元混杂和超混杂方向发展③由结构复合材料为主向与功能复合材料并重的局面发展④由被动复合材料向主动复合材料方向发展⑤由复合材料的常规设计向仿生和计算机辅助设计(CAD)方向发展【思考题】1.什么是高分子材料？汽车上常用的高分子材料有哪些？2.什么是复合材料？汽车上常用的复合材料有哪些？单元三汽车常用耗材汽车耗材不仅关系到汽车的可靠性和安全性，还关系到能源节约和环境保护。随着现代汽车新技术的发展和汽车排放要求的提高，汽车常用耗材将紧紧地围绕着环保、节能、安全、舒适性这四个方面向前发展。一、汽车燃料及代用能源（一）车用汽油汽油是当今汽车最常用的燃料，汽车的名称也由此而来。汽油是从石油中提炼得到的密度小、易于挥发的液体燃料，自燃点为415～530℃。因为挥发性高，易汽化成气体，与空气混合后便可成为供汽油发动机点燃的可燃混合气。1.汽油的性能（1）汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在各种条件下燃烧的抗爆燃的能力。（2）汽油的蒸发性汽油由液体状态转化为气体状态的性能，称为汽油的蒸发性。（3）汽油的氧化安定性

汽油的氧化安定性是表示汽油在储存、运输、使用过程中抵抗氧化生胶的能力。（4）汽油的腐蚀性汽油成分中的各种烃类都没有腐蚀性，而引起腐蚀的物质是硫及硫化物、有机酸及水溶性酸和碱。汽油在使用中不应引起机件的腐蚀，故对汽油的腐蚀性有严格的要求。控制汽油腐蚀性的指标有硫分、铜片腐蚀试验、酸度及水溶性酸或碱。2.车用汽油牌号的选用选择汽油牌号时应注意以下几点:（1）根据汽车使用说明书的要求选择发动机（或汽车）使用说明书上，生产厂家选定了该发动机（或汽车）的燃油牌号,或在油箱盖上标明。（2）根据汽车发动机压缩比选择汽油机压缩比e<88<e<9e>9汽油牌号909397适用车型货车、客车、农用车、摩托车一般轿车、摩托车高级轿车（3）根据使用条件选择高原地区大气压力小，空气稀薄，汽油机工作时爆振倾向减小，可以适当降低汽油的辛烷值。一般海拔每上升100m，汽油辛烷值可降低约0.1个单位。经常在大负荷、低转速下工作的汽油机，应选择较高辛烷值汽油。（4）根据使用时间调整汽油牌号的选择发动机使用时间较长后，由于燃烧室积炭、水套积垢等会使发动机压力增加，此时，再使用原牌号汽油时发动机会有爆燃，因此，这类汽车在维护后应该燃用高一级的汽油。（5）汽车使用者应重视汽油的质量加入质量低劣的燃油，会使动力性差、排放高、油耗高、严重的会使发动机机件损坏。（二）轻柴油1.柴油的性能轻柴油的使用性能主要有十六烷值、低温流动性、蒸发性、粘度、含硫量等。（1）十六烷值柴油的燃烧性又叫发火性，表示柴油的自燃能力。轻柴油用十六烷值表示柴油的自燃能力。十六烷值的测定方法与测定汽油的辛烷值相似。以发火性最好的正十六烷，并把它的十六烷值定为100个单位和以发火性最差的2-甲基萘，并把它的十六烷值定为0个单位为两个基准物，按不同体积混合这两种基准物，就可获得十六烷值从0～100单位的标准燃料。柴油的十六烷值影响柴油的燃烧性和柴油机的工作粗爆性。十六烷值高，其自燃点低，着火延迟期短，燃烧均匀，不易产生工作粗爆，工作循环效率高。但柴油的十六烷值不能过高，若超过一定值后，不但没有必要，反而会加大耗油量。（2）低温流动性柴油随着温度的降低其流动性会变差。柴油的牌号是由凝点的高低划分的，如10号柴油表示凝点不高于10℃，国产轻柴油的规格有10号、0号、-10号、-20号、-35号等几种。（3）蒸发性柴油从液态转化为气态的性能，称为柴油的蒸发性，以馏程和闪点来表示，决定形成柴油混合气的质量。（4）粘度粘度是表示柴油稀稠程度的指标，粘度随温度的变化而改变。柴油的粘度是指20℃的运动粘度。柴油的粘度与流动性、蒸发性、燃烧性、润滑性均有关系。粘度大的柴油，流动性差，雾化质量差，燃烧不完全排气冒黑烟，油耗大；粘度过小的柴油，会增加喷油泵的柱塞副之间，喷油器的针阀与针阀体之间的柴油漏失量，并降低这些精密偶件间的润滑作用，加剧其磨损。因此柴油的粘度应适宜。（5）腐蚀性柴油的腐蚀性是指其硫分、酸分、水溶性酸或碱对金属材料的腐蚀作用。由含硫量、酸度。水溶性酸和碱及腐蚀试验4个指标来控制。2.柴油牌号的选用根据柴油机转速选用轻或重柴油，转速1000r/min以上的选用轻柴油；根据柴油机燃烧室的结构，确定柴油的质量等级，如直喷柴油机、增压柴油机、以及进口柴油机，应选用优级品柴油。柴油应根据不同地区和季节进行选用。气温低的地区，选用凝点较低的轻柴油；气温较高的地区，选用凝点较高的柴油。由干凝点低的柴油油价较高，在气温允许的情况下，尽量延长高凝柴油的使用时间。一般选用柴油的凝点应比最低气温低3～5℃，以保证最低气温时不致凝固而影响使用。（三）汽车新能源汽车上使用较为普遍的清洁代用燃料有：天然气、液化石油气、电能、氢、太阳能、醇类、醚类和合成燃料等。它们之所以被称为清洁代用燃料，是由于它们的相对分子质量比汽油、柴油小得多，对燃料和空气的混合、燃烧、抑制炭烟都有利。替代能源汽车优点 缺点 现状及前景电动汽车电能来源方式多直接污染及噪声小结构简单，维修方便.蓄电池能量密度小，汽车续驶历程短，动力性差2.电池重量大，寿命短，价格较高3.蓄电池充电时间长4.电池制造和处理存在污染从总体看仍处于实验研究阶段，推广使用还需一定时间，但有希望成为未来汽车主体氢气汽车不产生有害气体氢的热值高氢气生产成本高2.气态氢能量密度小且储运不便，液态氢技术难度大，成本高3.需要开发专用的发动机仍处于基础研究阶段，但有希望成为未来汽车的重要组成部分，前景难以预测甲醇（乙醇）汽车.甲醇、乙醇可以利用生物、煤炭制取，来源有长期保障2.储运方便3.辛烷值较高.甲醇毒性较大，而且对金属和橡胶件有腐蚀2.污染较大，与汽油相当3.成本较高目前世界上有相当数量的汽车燃烧甲醇（乙醇）和汽油的混合燃料，发展缓慢。天然气汽车1.天然气资源丰富，在今后相当长的时间内有充足的保障2.污染很小3.天然气辛烷值高4.天然气价格低5.技术成熟1.天然气是非再生能源，不能作为根本性的替代能源2.汽车采用天然气会降低动力性3.单烧天然气时须设计专门发动机在许多国家已获得广泛使用并被大力推广，在21世纪将成为汽车燃料的主流之一。液化石油气汽车.污染小2.储运较方便3.技术成熟4.液化石油气辛烷值较高1.液化石油气是非再生能源且资源没有天然气丰富2.汽车动力性有所下降单烧液化石油气时最好设计专门的发动机目前世界上液化石油气汽车的保有量350万辆，是21世纪汽车的主流之一二、汽车润滑材料（一）发动机润滑油1.发动机润滑油的作用润滑作用、清洁作用、冷却作用、密封作用。2.发动机润滑油的性能

粘度——润滑油因温度变化而改变粘度大小的性质称为粘温性能。

凝点——是指润滑油在一定试验条件下受冷后失去流动性的最高温度。

氧化安定性——是指润滑油在一定使用条件下，抵抗氧化作用并阻止生成胶质的能力。

机械杂质和水分——是指以沉淀和悬浮状态处于油料中的杂质。

残炭——石油产品在规定试验条件下受热蒸发而形成的焦黑色残留物，称为残炭。

灰分——油品在规定条件下灼烧后所剩下的不燃物质称为灰分。

闪点——闪点表示润滑油蒸发强度及馏分组成。（3）发动机润滑油的类型目前我国发动机机油由质量等级（也称SAE分级）和粘度等级两部分组成，如SF15W/40，SF为质量等级，15W/40为粘度等级。

粘度等级分为40、30、15W/40、10W/30、5W/30、5W/20等，其中不带W的称为单级油，低温性能一般；带W的称为多级油，从15W到5W低温性能逐级提高。汽油机用油质量等级分为（S系列）SB、SC、SD、SE、SG、SH、SJ、SL等，柴油机用油质量等级分为（C系列）CA、CC、CD、CE、CF等，等级逐级提高。4.发动机润滑油的选用发动机润滑油的选用，首先根据说明书的要求，结合使用条件,确定其牌号，质量等级比最低要求要高，而不能低；粘度等级选择要考虑车辆的冬季最低温度和夏季最高温度，达到冬夏通用，以避免换季使用造成浪费。

（二）汽车齿轮油1.齿轮油的工作环境和作用

汽车齿轮油主要用于变速器、分动器、主减速器、转向器等传动机件摩擦处。与发动机润滑油相比，齿轮油工作温度不高，但油膜承受的单位压力较大，且齿轮油在速度变化大、回转次数多的条件下工作。齿轮油的主要作用是润滑作用，降低齿轮及其他运动件的摩擦与磨损；清洁、冷却；缓冲、减振、清噪作用。2.齿轮油的性能适宜的粘度与粘温特性。汽车传动机构温度变化大，要求汽车齿轮油粘度变化范围小。3.齿轮油的牌号、选用（1）齿轮油的牌号齿轮油的分类也按SAE法和API法。按SAE法分为：70W、75W、80W、85W、90、140、250等。按API法分为GL-3到GL-5等。（2）齿轮油的选用齿轮油的选用主要根据汽车传动齿轮的类型、工作负荷以及使用地区、季节气温等因素。气温低，选用凝点较低，粘度较小的牌号；反之则用粘度大，凝点较高的牌号。齿轮油牌号的具体选择参考汽车的使用说明书。（三）润滑脂润滑脂（俗称黄油）是半固体膏状润滑剂，具有良好的粘附性，不易飞散、流失，可以在无密封和受压较大的摩擦零部件上使用。1.润滑脂的主要性能指标

滴点——滴点是指润滑脂因温度升高而呈现液态滴下时的温度，它代表润滑脂的耐热性。

针入度——是用规定的圆锥体，在一定温度下沉入润滑脂5，其沉入深度的10倍数值。

腐蚀性——润滑脂本身对金属零件不应有腐蚀作用，因此润滑脂不能含有过量的游离酸、游离碱或活性硫化物，并且不含有游离水，因为水分对金属有腐蚀作用。2.润滑脂的牌号汽车常用润滑脂的种类有钙基润滑脂、钠基润滑脂、钙钠基润滑脂、锂基润滑脂。三、汽车特种液（一）汽车制动液制动液俗称刹车油（如图4-4），用于液压制动系统中传递压力以制动车轮。图4-4汽车制动液1.汽车制动液的性能要求①良好的低温流动性、高温安定性、稳定性，以保证在各种气温条件下汽车的可靠制动。②沸点高，蒸发损失小，不产生气阻，且吸水性小。③对橡胶制品的侵蚀小，使橡胶密封制品不易硬化收缩或膨胀，以保证液压制动系统的密封。④对制动系中所接触的金属零件无腐蚀性，适宜的粘度和一定的润滑能力。2.制动液的种类

醇型制动液其特性是凝点较低，润滑性能好，橡胶皮碗膨胀率小。主要缺点是，沸点较低，高温行车时易产生气阻，低温性能差，不宜在-25℃以下的气温环境下使用。按加入醇类的不同分为1号、2号两种。矿油型制动液矿油型制动液质量好，能保证温度在-70℃～150℃范围内制动可靠，我国各地区冬季、夏季均可使用。按运动粘度分为7号和9号两种。

合成型制动液其特点是凝点低，低温流动性好，沸点高，工作温度可达150℃左右，对橡胶不产生侵蚀溶胀。3.使用制动液的注意事项各种制动液绝对不能混合使用，因混合后会出现分层，失去制动作用；制动液使用前必须检查其中是否有白色沉淀，若有应滤除后使用；行驶4万公里后应更换制动液一次，更换时必须将原有制动系统清洗干净；灌注制动液的容器必须专用；使用和保管时应防止水分混入引起变质。（二）液力传动油 液力传动油也称自动变速器油（如图4-5）。图4-5液力传动油液力传动油的使用温度在-25～170℃之间，温度变化范围大。液力传动油的主要作用有传递动力，控制液压传动，润滑齿轮和轴承3个方面的功能。作为传递动力的介质，粘度越低，传递效率越高，而另外两个作用则要求具有一定的粘度，因此液力传动油应有适当的粘度。自动变速器内的液压控制机构对油内的杂质十分敏感，即使有少量的油泥也会显著影响其功能，所以液力传动油的抗氧化性规定得很严格。自动变速器中使用多种橡胶密封材料，液力传动油不应使这些橡胶材料产生显著的压缩膨胀。液力传动油除应具备上述性质外，还要求具有良好的抗磨损性，适当的摩擦特性及抗泡沫性。（三）防冻液汽车防冻液（如图4-6）加在发动机水箱中，能提高冷却液（水）的使用效能，降低水的冰点，提高水的沸点，不腐蚀水箱、水套，不形成水垢。可冬夏通用，几年不换。所以用防冻液代替水能减轻驾驶员劳动强度，提高汽车使用效率。常用的汽车防冻液为水与乙二醇，水与酒精，水与甘油按比例混合而成。酒精与水型防冻液，沸点低、蒸发快、易引起火灾；油与水型防冻液，降低冰点的效率低，不经济；乙二醇与水型防冻液具有热容量大、冷却效率高、粘度小的特性，使用中乙二醇的挥发很少，只需补充蒸发掉的水分。乙二醇一水型防冻液有毒，严禁入口。【思考题】1.汽油的牌号是如何确定的？常用的汽油牌号有哪些？2.柴油的牌号是如何确定的？常用的柴油牌号有哪些？3.如何正确选用汽油和柴油？4.常用的汽车润滑材料和特种液有哪些？它们的作用是什么？模块二构件力学分析基础单元一构件静力分析【教学目标】1、熟悉静力分析的研究对象、内容2、掌握刚体、平衡、力的概念3、掌握四个公理4、力矩、力偶的基本概念、定理【教学内容】1、熟悉静力分析的基本概念、内容2、掌握刚体、平衡、力的概念3、掌握四个公理4、力矩、力偶的基本概念、定理一、静力学的基本概念力的作用例子

力的概念是人类在长期的生产生活中逐渐建立的；

力与生活和生产劳动密不可分；

力作用的例子：万有引力、汽车动力、打球、人们的推、拉、投、走路、跑步等；（一）力的概念1.力是物体间的相互机械作用2.力对物体作用效应外效应：使物体的运动状态发生改变；内效应：使物体的形状发生改变3.力是矢量:力矢用大写黑体字母“F”表示4.力的三要素：力的大小、方向、作用线5.力的单位：牛[顿]（N）或千牛（kN）分布力与集中力（二）力系的概念力系——作用于刚体上的一群力。合力：

若一个力和一个力系等效，则这个力就称为该力系的合力；力系中的每个力就称为力系的分力；

将一个复杂力系简化为一个简单力系或一个力的过程，称为力系的简化。力系的分类平面力系：力的作用线均在同一个平面内汇交力系：作用线汇交于一点；平行力系：作用线相互平行；一般力系：作用线既不完全汇交，又不完全平行；空间力系汇交力系平行力系一般力系（三）刚体的概念刚体——在力的作用下，其物体内部任意两点之间的距离始终保持不变。

刚体是静力学中对物体进行分析所简化的抽象化力学模型（变形很小可忽略不计时）。

实践证明：将物体抽象为刚体可使力学分析大大简化且结果足够精确，既是工程分析允许的,也是认识力学规律所必需的。但刚体这一模型的使用是有条件和范围的,即在静力学范围内构件可看作刚体。刚体示例（四）平衡的概念定义：

物体相对于惯性参考系处于静止或匀速直线运动状态。

平衡是相对的，是运动的特例，平衡的规律远比一般规律简单。工程上有很多平衡问题。

建立在地球上，并相对于地球不动的参考系称为惯性参考系。平衡力系：

一个物体受某力系作用而处于平衡，则此力系称为平衡力系。

力系使物体平衡而需要满足的条件称为力系平衡条件。二、静力学公理静力学公理概括了力的各种性质，是静力分析的理论基础。公理一：二力平衡公理

作用于刚体上的两个力使刚体平衡的必要和充分条件是：这两个力的大小相等、方向相反、作用线重合。简称“等值、反向、共线”。矢量式：

F1=－F2二力构件二力平衡公理揭示了作用于物体上最简单的力系平衡时所应满足的条件。工程上受两个力作用而平衡的刚体称为“二力构件”或“二力体”。二力构件平衡时其所受的两个力必沿着两个力作用点的连线，而且两力大小相等，方向相反。图中杆CD也是二力构件二力构件的实例1二力构件的实例2

在进行构件受力分析时，能正确判断其是否为二力构件，可使问题顺利解决。这点很重要！ABF1F2F2F1CD公理二：加减平衡力系公理

在一个刚体上加上或减去一个平衡力系，不改变刚体的原状态。AB==ABAB这一公理是研究力系等效变换的理论基础推论1：力的可传性原理

作用于刚体的力可以沿其作用线滑移至刚体的任意点，不改变原力对该刚体的作用效应。应用:加减平衡力系原理及其推论是力系简化的重要依据之一。公理3：力的平行四边形公理

作用在物体上同一点的两个力可以合成为一个力，合力的作用点仍作用在这一点，合力的大小和方向由这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线确定。矢量表示法：FR=F1+F2推论2：力的平衡汇交定理

刚体受三个力的作用而平衡，这三个力必汇交于一点F3F2F1F3FROF2F1应用：三力平衡汇交定理

当刚体受到三个互不平行的共面力作用时，可用此推论确定未知力的方向。ABDPFTFA公理四：作用力与反作用力公理

任何两个物体间相互的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，沿着同一条直线，分别作用在这两个物体上。G2G1G1FN1FN1′G2FN成对出现，有作用力就必然有反作用力。分别作用于不同物体上，故不能互相抵消。与二力平衡公理中的“一对平衡力”是不同的，不能相互混淆。三、力矩与力偶内容力对点之矩与和力矩定理力偶及其性质平面力偶系的合成与平衡条件力对点之矩合力矩定理力偶和力偶矩力偶的性质力偶系的合成力偶系的平衡（一）力对点之矩和合定理力矩：将力（F）使物体绕点（D）转动效应的物理量称为力F对D点之矩，简称力矩。并用MO(F)表示，即MO(F)=±Fd（Nmm）O点称为力矩中心，简称矩心；D点到F作用线的垂直距离d称为力臂

式中正负号表明对点之矩是一个代数量，其正负规定为：力使物体绕矩心作逆时针方向转动时，力矩为正，反之为负。（二）合力矩定理

若力系有合力，则合力对某点之矩等于各个分力对同一点之矩代数和。即Mo(FR)=Mo(F1)+Mo(F2)+…+Mo(Fn)=∑Mo(F)其中FR是F1、F2、…、Fn的合力。扳手的力矩例：圆柱直齿轮，分度圆半径r=80mm，Fn=1000N，α=20°，试计算力对轴心0的力矩。解：(1)按力对点之矩的定义Mo(Fn)=Fncos20°=1000×cos20°×0.08=

-75.2N·m

(2)按合力矩定理得Mo(Fn)=Mo(Ft)+Mo(Fr)=Fncosα+nsin

α×0=1000N·m×cos20°r+0N·m=

-75.2N·m（三）力偶及其基本性质力偶：由两个大小相等、方向相反的平行力组成的力系，称为力偶。1力偶和力偶矩FF′力偶矩：力偶的两力之间的垂直距离d称为力偶臂。以力与力偶臂的乘积作为度量力偶在其作用面内对物体转动效应的物理量，称为力偶矩。M（F，F′）=±Fd一般规定：逆时针转向力偶为正，顺时针转向力

偶为负。力偶矩的单位为N·m。力偶的三要素：力偶的大小

转向

作用面力偶的性质力偶对其作用面内任意点的力矩值恒等于此力偶的力偶矩，而和力偶与矩心间的相对位置无关。力偶无合力，在任何坐标轴的投影和恒为零。力偶不能与一个力等效，也不能用一个力来平衡，力偶只能用力偶平衡。力偶的等效性，在同一平面内的两个力偶，如果它们的力偶矩大小相等，转向相同，则两力偶等效，且可以相互代换。此即为力偶的等效性。（四）平面力偶系的合成与平衡条件1.力偶系的合成

设在刚体基本平面上有力偶M1、M2、…Mn的作用，现求其合成结果。根据力偶的性质，力偶对刚体只产生转动效应，其合力偶矩等于各分力偶矩的代数和。即：M=M1+M2+…+Mn=∑M（五）力偶系的平衡

力偶系的平衡的必要与充分条件是：力偶系中各分力偶矩的代数和等于零。即气缸盖

如图所示，多孔钻床在气缸盖上钻四个直径相同的圆孔，且每个钻头作用于工件的切削力偶矩为M1=M2=M3=M4=1.5N·m。转向如图。求钻床作用于气缸盖上的合力偶矩MR。

各力的作用线分布在同一平面内的任意力系，称为平面任意力系。1.力的平移定理

可以把作用在刚体上点A的力F平行移到任一点B，但必须同时附加一个力偶，这个附加力偶的矩等于原来的力F对新作用点B的矩。2.平面任意力系向一点的简化

一般力系（任意力系）向一点简化

汇交力系+力偶系

（未知力系）

（已知力系）

汇交力系力，R'(主矢)，(作用在简化中心)

力偶系力偶，MO(主矩)，(作用在该平面上)

大小：主矩MO

方向：方向规定+—

简化中心：(与简化中心有关)

（主矩等于各力对简化中心取矩的代数和）解题思路:取气缸盖为研究对象，作用于其上各力偶矩大小相等、转向相同，且在同一平面内。此合力偶矩为

MR=Ml+M2+M3+M4=

-15×4N·m=

-60N·m【小结】力对点之矩与和力矩定理力偶及其性质平面力偶系的合成与平衡条件力对点之矩合力矩定理力偶和力偶矩力偶的性质力偶系的合成力偶系的平衡四、约束、约束力与受力图的应用（一）约束与约束反力约束的有关定义：

自由体——凡是能在空间作做任意运动的物体称为自由体。例：空中飞机、小鸟等。

非自由体——如果物体受到其它物体对它的限制，在某些方向不能自由运动则称为非自由体。约束的有关定义

约束——限制某物体运动的装置称为该物体的约束。

约束反力——当非自由体沿约束所限制方向有运动趋势时，约束与非自由体之间便产生相互的作用力，称为约束反力。

例如:汽车轮轴、地面是车轮的约束等,轴对轮施加约束反力,轴承对轴施加约束反力,地面对车轮的支承力也为约束反力。物体受力可分:主动力与约束反力

主动力——凡是能主动引起物体运动状态改变或有使物体运动状态改变趋势的力称为主动力。主动力有时也叫载荷，一般大小、方向已知或可计算，如重力、风力等。

非自由体的平衡可看作是作用于其上的主动力与约束反力的平衡。

约束反力是由主动力引起的，是一种被动力，也是未知力。（二）常见约束类型及约束反力确定约束的分类柔性约束：绳子、钢丝绳、皮带、链条等刚性约束光滑接触约束：如齿轮、凸轮接触光滑铰链约束：分中间铰、固定铰和活动铰固定端约束：如外伸梁轴承约束：向心轴承、推力轴承FT1.柔性约束柔性约束的特点只能限制物体沿柔体伸长方向的运动,只能受拉，不能受压。柔性约束反力确定:作用于触点,沿柔体中心,背离被约束物体柔性约束的特点：绳子G杆F1F2FT1FT22.光滑接触面约束（接触面摩擦力很小可忽略不计时）约束特点:只能限制沿接触点的法线方向趋向支承面的运动约束反力的确定：通过接触点，沿着接触面公法线方向，指向被约束的物体，即物体受压。光滑接触的约束反力通常用ＦN表示。光滑约束接触实例光滑约束接触实例3.光滑铰链约束（简称铰链约束）组成及特点

两物体分别钻有直径相同的圆柱形孔，用一圆柱形销钉连接起来，在不计摩擦时，即构成光滑圆柱形铰链约束，简称铰链约束。光滑铰链曲柄滑块机构1—销轴，2—气缸，3活塞，4

—轴承，5

—曲轴，6

—连杆铰链约束分类连接铰链（中间铰）固定铰链支座活动铰链支座球型铰链支座（空间约束）（1）连接铰链（中间铰）结构特点：如图示，用销钉联接两有孔零件，两被联接件均可绕销轴转动，例如图1-18发动机中连杆与活塞、连杆与曲轴的联接约束特点：两零件均可相对转动又互相制约约束反力在确定：其约束反力用过销轴中心的两个正交的分力FX、和FY表示，如图下所示。（2）固定铰链支座约束特点：如果中间铰链中的构件之一与地基或机架相连，便构成固定铰链支座如图1-19所示。约束反力的确定：约束反力通过销轴中心，方向随主动力方向而不同，用过销轴中心的两个正交的分力FX、FY表示。x固定铰链支座固定铰链支座的计算简图三种形式约束特点：在铰链支座的底部安装一排滚轮，可使支座沿固定支承面移动，只能限制构件离开和趋向支承面的运动。

在工程结构中经常采用这种约束。目的是适应构件变形。计算简图如下：（3）活动铰链支座约束反力的确定：其约束反力通过铰链中心且必垂直于支承面研究对象的选取既可以是单个物体也可以是几个物体组成的系统（物系）内力与外力如果所取的分离体是由某几个物体组成的物体系统时，要注意分清“内力”和“外力”:外力——系统以外物体对物体系统的作用力内力——系统内物体间相互作用的力注意：取物体系统为研究对象画受力图时，只画外力，而不画内力。（三）画分离体的受力图例1题略FGFFT´FYFXGFT例2ABDABGODGOPFTFD´FEFDFA例3（略）画AB梁的受力图。FAyFAxFBG画分离体的受力图的注意事项力是物体间相互的机械作用，物体所受每一个力均应清楚哪个是施力物体，以免多画或漏画力应严格区分约束反力类型注意运用“作用力与反作用力”公理来判断和检查柔性约束的约束反力只能是拉力不会是压力特别注意运用“二力构件”来进行受力分析五、平面汇交力系及平面力偶系【教学要求】1、掌握平面汇交力系简化与合成方法、合力投影定理2、掌握力偶系的合成方法3、掌握力的平移定理4、平面任意力系的简化与合成（一）平面汇交力系的合成与简化平面汇交力系是一种基本力系，是研究一般力系的基础。平面汇交力系中分力可以是两个、三个或更多，由两个汇交力组成的力系是最简单的平面汇交力系。F2F1O平面汇交力系平面汇交力系可以合成为一个合力合力：若一个力和一个力系等效，则这个力就称为该力系的合力。分力：力系中的每个力就称为力系的分力；力系的简化：将一个复杂力系简化为一个简单力系或一个力的过程，称为力系的简化。平面汇交力系合成方法：几何法、解析法1.平面汇交力系合成的几何法两个汇交力的合成

平行四边形法则：矢量式为FR=F1+F2

OFRF1F2两个汇交力的合成力三角形法则：平边四边形法则可以简化，用一个力三角形表示画力三角形方法：

先作力F1，在F1的末端接画力F2，即将分力按其方向及大小首尾相连，再连接由F1始端指向F2末端的矢量，即为合力FR。由F1、F2、FR

组成的三角形称为力三角形。（P19）。两个汇交力的合成力三角形法则：OFRF1F2F1F2AFRAF1FRF2

平边四边形法则可以简化，用一个力三角形表示.任意个汇交力的合成合成的方法：连续使用“力三角形法”

——力多边形法则：OF1F2F4FRF1F2F3FRFR12FR123F4任意个汇交力的合成

上图中，中间合力FR12，FR123…可省略不画，只要将力系中各力F1，F2，F3…Fn依次首尾相接形成一条折线，则由第一个力的始端指向最后一个力未端的力矢FR即为整个力系的合力FR。F1F3FRF2F4

力多边形——由分力F1、F2、F3、F4和合力FR构成的多边形。表示合力FR的边称为封闭边。由以上分析可看出：1、力合成的顺序不影响合成的结果2、合力FR必通过各分力的汇交点。任意个汇交力的合成任意个汇交力合成的矢量式：FR=F1+F2+…+Fn=∑Ｆ结论：

1、在一般情况下，平面汇交力系合成的结果是一个合力。

2、合力的作用线通过力系的汇交点。

3、合力的大小和方向由力多边形的封闭边表示，等于力

系中各力的矢量和。任意个汇交力的合成2.平面汇交力系合成的解析法力的分解

力的合成与分解，实质上是同一个问题。作用在一个点上的二个任意力可以合成一个力；反之，一个力可以分解成任意二个方向的力。

只要知道一个合力及一个分力的大小、方向，即可根据平形四边形法则确定另一个分力的大小方向。力的分解两个汇交力合成的结果是唯一的，而力的分解可以有无数结果。（以合力FR为对角线可作出多个平行四边形）力的分解须先确定分解合力的作用线方位。在应用中，通常将一个力分解为沿两个互相垂直的坐标轴的正交分力FX、FY

。OFRF1F2FYFXXY（1）力在坐标轴上的投影定义：力在坐标轴上分力的大小的度量。

设力F作用在物体A点，在力F的作用线所在平面内取一直角坐标系oxy，过力F的始点A和终点B分别向x轴引垂线，得到垂足a、b，则线段ab称为力F在x轴的投影，用Fx表示。同理过A、B两点分别向y轴引垂线得到垂足a′、b′。线段a′b′称为力Ｆ在y轴上的投影，用Ｆy表示。力在平面直角坐标轴上的投影aba′b′力在平面直角坐标轴上的投影正负号规定如下：由a到b的方向与X轴正向一致时，力的投影为正，反之为负。图中ＦX、ＦY均为正值。大小计算：Ｆx=±Ｆcosα

Ｆy=±Ｆsinα

合力大小由公式计算合力方向由公式β＝Fsinα或

确定。投影和分力关系

力在坐标轴上的投影是代数量,用白体字母表示；力的分力是矢量，用黑体字母表示。

力的投影Ｆx、Ｆy的绝对值分别等于分力Ｆx、Ｆy的大小，投影的正负号反映了分力Ｆx、Ｆy的方向。

当已知力在某一坐标上的投影，可确定该力在同轴上的分力的大小和方向。

根据力的投影与分力的关系，可以将较复杂的矢量运算转化为简单的投影代数运算。（2）合力投影定理

合力在某一轴的投影，等于各分力在同一轴上投影的代数和。F3F2F1yxAFX1FX2FX3FXRFY1FY2FY3FYRF1F2F3FRFRYFRx合力投影定理合力的投影与各分力投影的关系（3）平面汇交力系合成的解析法

力系合成的解析法——通过力矢量在直角坐标轴上的投影来表示合力与分力之间的关系方法。平面汇交力系合成的解析法方法步骤：建立适当的坐标系；求出力系中各分力在两坐标轴上的投影FX1、FX2…、Fxn；FY1、FY2…、Fyn；根据合力投影定理求出两坐标轴上所有投影的代数和：

∑ＦX=Ｆ1X+Ｆ2X+…+Ｆnx∑ＦY=Ｆ1Y+Ｆ2Y+…+Ｆny∑FX、∑FY即为合力ＦR在x、y轴上的投影；平面汇交力系合成的解析法根据公式

求得合力大小；由公式

求出合力与ｘ轴夹角

或由

求出合力与y轴的夹角，

从而确定合力FR方向。用解释法求图中的合力大小和方向X300N45º30º600N1500NY例

解：①建立直角坐标系oxy如图所示；

②求出各分力在x、y轴上投影：

F1X=

-300NF1Y=0F2X=

-600×sin30°=

-300NF2Y=600×cos30°=

519.6N

F3X=1500×sin45°=1060NF3Y=1x300N45º30º600N1500NY③根据合力投影定理求出合力投影：ＦRX=Ｆ1X+Ｆ2X+Ｆ3X=-300-300+1060=460ＮＦRY=Ｆ1Y+Ｆ2Y+Ｆ3Y=519.6+1060=1579.6Ｎ④求合力大小和方向：FR=

=

=1645.2N

cosβ=

=

=0.96β=16.23°

大小： 主矢

方向：

简化中心(与简化中心位置无关)[因主矢等于各力的矢量和]（二）

平面任意力系的平衡条件和平衡方程1.平面任意力系的平衡方程平面任意力系平衡的充要条件是：力系的主矢和对任意点的主矩都等于零即

因为平面任意力系的平衡方程

平面任意力系平衡的解析条件是：所有各力在两个任选的坐标轴上的投影的代数和分别等于零，以及各力对于任意一点的矩的代数和也等于零。平面任意力系平衡方程的三种形式一般式：二矩式：两个取矩点连线，不得与投影轴垂直三矩式：三个取矩点，不得共线

[例]已知：P,a,求：A、B两点的支座反力？解：①选AB梁研究②画受力图（以后注明解除约束，可把支反力直接画在整体结构的原图上）例.已知起重机重P=300kN，重物重W=100kN，e=0.5m,

a=5m,d=2.5m,b=4m.求起重机在满载和空载时都不致翻

倒的配重G应多大?解：研究对象：起重机满载时分析力：P,W,G,NA,NBGWabdePAB不向右翻倒，有NA

0解不等式得空载时P,G,NA,NB不向左翻倒GbdePAB解得（三）考虑摩擦时的平衡问题（1）摩擦：机械工作时，两运动副元素间既有相对运动又有相互作用，故必存在摩擦。1）摩擦的不利方面：①消耗能量，降低效率。②产生热量，温度↑→零件热胀.油润滑作用↓→妨碍机械正常工作。③使运动副元素磨损。2）摩擦的有利方面：如带传动、螺栓联接等都是靠摩擦正常工作的。（2）研究摩擦的目的：

在设计机械时，尽量发挥摩擦的有利方面，克服或减小摩擦不利方面。生活中的摩擦问题工程上的摩擦问题:如:机械中带传动,车轮与地面的作用,汽车摩擦制动等.摩擦有利与弊.如何考虑???摩擦实例1摩擦实例2关于摩擦摩擦是机械传动中普遍存在的一种自然现象。无论是静止或运动着的物体，它们之间都可能有摩擦力存在在分析刚体或物系的平衡问题时，在摩擦力比法向约束反力小得多时，摩擦力对所研究问题而言属次要因素，可忽略不计。在许多情况下摩擦作为主要因素而不能忽略如：汽车的摩擦制动、皮带传动、机床夹具夹紧工件等等，均是利用摩擦力来工作的。摩擦也有不利的方面，它会引起发热、摩损、降低精度和效率、缩短寿命等等。摩擦与摩擦力摩擦的物理本质很复杂，与材料性质、表面情况、相对运动性态以及环境等有关并形成了专门学科——摩擦学

摩擦的分类：滑动摩擦、滚动摩擦两个相互接触的物体存在相对运动的趋势或发生相对运动时，接触面之间由于并非绝对光滑，而在接触面的公切线上存在阻碍两物体相对运动的力，这种力称为摩擦力。摩擦的分类按物体间的运动状态分摩擦滑动摩擦滚动摩擦静滑动摩擦动滑动摩擦

静滑动摩擦定律FPN摩擦力F:方向:恒与物体相对滑动的趋势方向相反大小:一般状态下由平衡方程确定,当物体处于将动未动的临界状态时,由静滑动摩擦定律计算Fmax=NfN:法相反力。f:静滑动摩擦系数,为常数,由材料决定。滑动摩擦G1.静摩擦力Ff当ＦP由零逐渐增加但不够大时，物体与水平面之间产生了摩擦力物体不会向右滑动即产生了：静摩擦力——两个物体之间有相对滑动趋势时接触面之间产生的摩擦力用Ｆf表示。由平衡条件得：FN=GＦf=ＦP如果ＦP继续增大，在某一范围内，物体仍保持静止状态，但摩擦力Ｆf随ＦP而增加。静摩擦力的规律为：①静摩擦力产生的条件是有切向力ＦP存在，物体间有相对滑动趋势但仍静止；②静摩擦力的大小可根据平衡条件确定，其方向与滑动趋势方向相反。2.最大静摩擦力Ffmax最大静摩擦力——当ＦP增大到某一界限ＦPK时，物体处于将要滑动而尚未滑动的临界状态。此时，静摩擦力达到最大值即最大静摩擦力，用ＦfＭax表示。实验表明:ＦfＭax与ＦN成正比，方向仍与相对滑动趋势相反，可表示为：ＦfＭax=ｆSＦN

ｆs称为静摩擦因数，是大小与两接触物体的材料性质及表面状有关的比例系数。静摩擦力的范围是：0≤Ｆf≤ＦfＭax3.动摩擦力当拉力ＦP稍大于ＦPK后，物体开始滑动动摩擦力——两相对滑动的物体接触面间产生阻碍物体滑动的力，用Ｆf′表示。实验表明，动摩擦力大小与两接触面间的正压力ＦN成正比，表示为：Ｆf′=ＦNfｆ称为动摩擦因数，是与两接触物体材料性质、表面状况以及相对滑动速度有关的比例系数。一般同一种材料的：ｆ＜ｆs4.摩擦角及自锁的概念FpGFNFfFRFN—正压力Ff—静摩擦力FR—全约束反力

（全反力）—全反力与接触面

法线的夹角:全反力与法线间的最大夹角。摩擦角自锁的概念当物体平衡时总有Ｆf≤Ｆfmax，即夹角φ≤φmＦQ与ＦR等值、反向、共线，即α=φ，而φ≤φm。自锁——只要保持主动力的合力ＦQ的作用线在摩擦角φm范围内，无论ＦQ大小如何，总能保持物体平衡的现象。自锁条件——α≤φm，与主动力大小无关，只与摩擦角有关的平衡条件。FNGFPＦfＭaxFＲFQα摩擦系数f：摩擦角的正切值。即：摩擦锥：如果物体与支承面的静摩擦系数在各个方向都相同，则摩擦角范围在空间就形成为一个锥体，称为摩擦锥。FQFR自锁的应用自锁现象在工程上经常被利用，如设计一些机构或夹具等。例如：螺旋千斤顶、起重装置中的蜗轮蜗杆，满足自锁条件时不会自行下落。而在一些机构中，则要求避免出现自锁，如汽车发动机中凸轮机构，要求挺杆在任何位置均不发生自锁；还有自卸车中的翻斗车厢，抬起的角度也应避免自锁，使车厢内物料能倾卸干净，如图1-68所示。因此，了解自锁的条件，可以便于利用自锁或防止自锁发生。5.滚动摩擦简介滚动摩擦——一物体沿另一物体的表面作相对滚动或有相对滚动趋势时，接触表面产生的摩擦。滚动比滑动阻力小。滚动摩擦的规律

在车轮上轮心处加一水平力Ｆp时，支承面产生一摩擦阻力Ｆf，阻止车轮的滑动。由于ＦP和Ｆf构成一对力偶，使车轮向前滚动。可见，摩擦阻力Ｆf除阻止车轮滑动外，还有促使车轮滚动的作用。GOBFNFPOFPFfFNGOBFNFPFfFfGOBFNFPGOBFNGOBFNFPmFf滚动摩擦的规律GOBFNFPG将ＦN平移到B点，产生的附加力偶为滚动摩擦力偶矩：Ｍ=ＦNδ当车轮平衡时，有：∑Ｍ=0Ｍ=ＦNδ=ＦPrＭ随Ｆp大小而变化，当Ｆp增大到使车轮处于将滚面未滚的临界状态时，Ｍ也达到了最大值：Ｍmax=δＦNδ称为滚动摩擦系数，与接触材料性质有关。车轮滚动须克服摩擦阻力偶Ｍmax即Ｆpr＞δmＦN，作用于车轮上的水平力应满足以下条件：Ｆp＞滚动摩擦的规律RM滚动摩擦GFANPP-F=0N-G=0-PR=0GPGPNMFGPFNδMmax=Nδδ

称为滚动摩阻系数,它具有长度的量纲,也是一常数,与材料有关。Mmax称为滚动摩擦阻力偶矩,简称滚阻力偶当主动力P不足够大时,圆轮仍处于静止,当P逐渐增达到一定值时,轮子将处于将动未动的临界状态,此时,

力偶矩达到最大值Mmax且有:由于滚动摩阻系数δ很小,因此,滚动摩阻通常忽略不计。单元二

构件受力变形【教学内容】构件受力变形及应力分析的任务构件受力变形及应力能力分析研究的对象构件变形的基本形式外力和内力【教学目标】（1）认识构件在外力作用下的受力、变形和破坏规律。（2）掌握各种基本变形条件下杆件的内力计算方法、应力计算方法。（3）能对杆件进行强度、刚度等承载能力计算与分析，从而解决构件的强度或刚度等校核、承载能力确定等工作。一、基本知识材料的力学性能-----指变形固体在力的作用下所表现的力学性能。构件的承载能力：强度---构件抵抗破坏的能力刚度---构件抵抗变形的能力稳定性---构件保持原有平衡状态的能力曲柄连杆机构连杆ωP工程实例:受拉(压)结构及其失效分析塞活杆气缸

简易压力