1、 學習單元一 力學分析汽車在行駛過程中，汽車機械中的各個零件在不同的工作情況和工作場合下受到各種不同的載荷作用。對于一名汽車維修工程師而言，具備了對汽車機械零件進行受力分析的能力，才能更好地對汽車故障進行診斷、制訂維修方案并改進維修方法，最終確保汽車維修的質量，保證汽車使用的安全性和可靠性。力學分析是研究機構在力系作用下平衡規律的科學，通過完成以下兩個個典型學習任務，了解靜力學的基本概念，掌握基本的力學公理，掌握約束與約束反力，掌握受力分析的方法，掌握拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉和彎曲時的強度計算，具有繪制機構受力圖的能力。學習任務一 汽車構件靜力分析任務描述任務描述 通過對汽車發動機活塞連桿

2、組和汽車轉向盤在工作狀態下的受力分析，使學生掌握運用基本力學公理，約束與約束反力知識對汽車構件進行受力分析的方法。學習目標學習目標 1.學習力學公理； 2.學習約束與約束反力的概念及分類； 3.學會受力分析的方法； 4.學會繪制受力圖。計劃與實施計劃與實施一、汽車發動機活塞連桿組的受力分析并繪制受力分析圖1、帶著以下問題觀察活塞連桿組。（1）活塞連桿組由哪些構件組成？（2）當活塞連桿組處于平衡狀態時，各個組成構件是否可以看作是剛體并對其進行受力分析？（3）活塞連桿組傳遞動力的順序是怎么樣的？（4）請指出活塞連桿組中相關的約束及其約束反力的性質。2、繪制活塞連桿組受力分析圖（1）把活塞連桿組作為

3、一個整體，以簡圖的形式繪制出來；（2）把活塞連桿組作為一個整體進行受力分析，并在作用點上繪制出所受的力。（3）把活塞連桿組分解為兩個構件，活塞與連桿，并分別以活塞和連桿作為研究對象進行受力分析。（4）在活塞和連桿各自的作用點上繪制出所受的力。二、分析轉向盤轉向時所受的力1、帶著以下問題觀察汽車的轉向盤（1）轉向盤在力學上有哪些作用？（2）轉向盤在常規工作下的受力性質是什么？（3）單手握轉向盤是否合理？為什么？（4）雙手如何用力才能保持轉向盤靜止不動？（5）雙手如何用力才能使轉向盤轉動？（6）如果駕駛員雙手施加的力增大一倍，雙手之間的距離減少一半，轉向盤的轉動有無變化？2、如圖1-1所示，圖中力

4、F1、F2、F3、F4作用線均與轉向盤相切，且F1平行于F3、F2平行于F4，大小分別為60N、80N、60N、80N。方向盤的半徑為380mm。回答以下問題：（1）圖中所示力系是否為平面匯交力系？（2）求每一個力對轉向盤中心之矩。學習參考書學習參考書學習單元一 力學分析學習任務一 汽車構件靜力分析一、靜力學基礎1、力（1）力的概念 力是物體間相互的機械作用，這種作用使物體運動狀態或形狀發生改變。（2）力的三要素 力對物體的作用效果取決于力的大小、方向和作用點三個要素。當這三個要素中任何一個要素發生改變時，力的作用效果就會發生改變。（3）力是矢量力是一個既有大小又有方向的量。（4）力的單位 力

5、的國際制單位是牛頓（N）或千牛頓（kN）。圖1-5 力的表示法力的表示法2、力系 力系是指作用于被研究物體上的一組力。如果一個力系能使物體處于平衡狀態，則稱該力系為平衡力系；若兩力系分別作用于同一物體時效應相同，則二者互稱等效力系；若一個力與一個力系等效，則稱此力為該力系的合力。所謂力系的簡化就是用簡單的力系等效替代復雜的力系。力系按照作用線是否共面分為平面力系和空間力系。若力系中各個力的作用線均在同一平面內，則稱為平面力系；若力系中各個力的作用線不在同一平面內，則稱為空間力系。本單元主要講述平面力系知識。3、剛體 剛體是指在外力作用下，大小和形狀保持不變的物體，剛體是抽象化的理想力學模型。在

6、工程實際中機械零件和結構構件，均有足夠的抵抗變形的能力。因此，受力產生的變形是極其微小的。在許多工程問題中，構件的這些微小變形對研究物體的平衡問題來說可以忽略不計。但是在研究物體的變形問題時，就不能把物體看做是剛體，否則會導致錯誤的結果，甚至無法進行研究。本單元以剛體為研究對象。4、靜力學公理（1）二力平衡公理（公理一） 作用于同一剛體上的兩個力，使剛體處于平衡的必要且充分條件，是這兩個力的大小相等，方向相反，作用線重合（簡稱等值、反向、共線），如圖所示。圖1-6 二力平衡（2）加減平衡力系公理（公理二）在已知力系上加上或減去任意一個平衡力系，不會改變原力系對物體的作用效果。此公理適用于“剛體

7、”，是力系簡化的理論基礎。推論 力的可傳性原理：作用在剛體上的力，其作用點可以沿著作用線在剛體內任意移動而不改變它對剛體的作用效果。圖1-7 力的可傳性原理 在實踐中，人們有這樣的體會，以等量的力在車后A點推和在車前B點拉，效果是一樣的，如圖1-8所示。 由力的可傳性原理看出，對剛體來說，力的作用點已不再是決定其效應的要素之一，而由力的作用線取代，因此作用在剛體上的力的三要素是力的大小、方向和作用線。但必須注意，力的可傳性原理只適用于剛體，而不適用于變形體。圖1-8 力的可傳性（3）作用力與反作用力公理（公理三） 一個物體對另一個物體有一作用力時，另一物體對此物體必有一反作用力，這兩個力大小相

8、等，方向相反，沿同一直線分別作用在兩個物體上。如圖1-9(b)所示，N和N即為一對作用力和反作用力，我們常用加“撇”的方法來表示一對作用力和反作用力。圖1-9 作用力與反作用力（4）力的平行四邊形法則（公理四）l作用在剛體上的兩個匯交力可合成為一個合力，合力的作用點在二力的匯交點，合力的大小和方向由以此二力為鄰邊所構成的平行四邊形的對角線矢量表示，如圖1-10（a）所示。此公理是研究力系合成和力分解的基礎。圖1-10 力的平行四邊形法則二、受力分析與受力圖1、約束和約束反力 物體的受力可分為主動力和約束反力兩類。主動力是指使物體產生運動或運動趨勢的力，如物體的重力、零件的載荷等；約束反力是對物

9、體運動起限制作用的力，作用在被約束物體上。由于約束的作用是限制物體的運動，所以約束反力的方向總是與它限制的物體運動方向相反，其作用點在約束與被約束物體相互連接或接觸之處。約束反力也常稱為約束力。工程中約束的種類很多，下面介紹幾種典型的約束模型。（1）柔體約束由繩索、鏈條或皮帶等非剛性物體所構成的約束稱為柔性約束。圖1-11 柔性約束（2）光滑面約束當兩物體直接接觸且表面光滑，接觸處摩擦力很小可略去不計時所形成的約束稱為光滑面約束。圖1-12 光滑面約束（3）光滑圓柱鉸鏈約束 兩個帶有圓孔的物體，用圓柱形銷釘連接所形成的可動連接，稱為鉸鏈。由鉸鏈構成的約束稱為鉸鏈約束，如圖1-14所示。圖1-1

10、4 光滑鉸鏈約束根據被連接物體的形狀、位置及作用，光滑鉸鏈又分為以下幾種：中間鉸鏈當構成鉸鏈約束的兩構件均為活動構件，這種約束稱為中間鉸鏈約束，如圖1-15（a）所示。這種約束用來連接兩個額可以相對轉動但不能移動的構件，例如在圖1-15（b）中，曲柄連桿機構中曲柄與連桿、連桿與活塞的連接就是中間鉸鏈。（a）中間鉸鏈約束 （b）內燃機的曲柄連桿機構 圖1-15 中間鉸鏈固定鉸鏈支座 當構成鉸鏈約束的兩構件中有一個固定為支座，則這種約束稱為固定鉸鏈支座或者固定支座，如圖1-16（a）所示。（a）（b）圖1-16 固定鉸鏈支座活動鉸鏈支座 在鉸鏈支座的底部安裝輥軸，可以使支座沿固定支承面移動，稱為活

11、動鉸鏈支座。這種約束只能限制構件離開和趨向支承面的運動，不能限制構件繞銷軸軸線的轉動和沿固定支承面移動，如圖1-17所示。圖1-17 活動鉸鏈支座2、物體的受力分析與受力圖 畫出物體的受力分析圖是解決靜力學問題的基礎，具體步驟如下：（1）確定研究對象，畫出分離體。（2）在分離體上畫出全部已知的主動力。（3）在分離體上解除約束處畫出相應的約束反力。例1-1 如圖1-18（a）所示，鍋爐汽包的重力為G，安置在焊接轉輪上，試畫出汽包的受力圖。解：取汽包為研究對象，單獨畫出其簡圖。畫出主動力：汽包的重力G，方向豎直向下。畫約束反力：轉輪可看作汽包的光滑面約束，約束反力NA、NB沿接觸中心的公法線方向，

12、均指向O點，如圖1-18（b）所示。圖1-18 鍋爐汽包受力圖例1-2 如圖1-19（a）所示，設墻面和地面是光滑的，桿AB重為G，由水平繩索ED拉住，試畫AB的受力圖。解：（1）取桿AB為研究對象，單獨畫出其簡圖。（2）畫主動力：AB的重力G，方向豎直向下。（3）畫約束反力：墻面和地面可看作是光滑面約束，約束反力NA、NB沿接觸點的公法線方向，分別過A、B兩點，指向研究對象；ED是柔性約束，約束反力TD沿繩索中心線方向，背離研究對象。AB桿受力圖如圖1-19（b）所示。圖1-19 AB桿受力圖三、平面匯交力系 作用在物體上的力系可按照作用線是否共面分為平面力系和空間力系。在平面力系中，若各力

13、作用線匯交于一點，稱為平面匯交力系。平面匯交力系可以由兩個、三個或更多的匯交力組成。在靜力分析中，常將一個復雜力系簡化為一個簡單力系或一個力，稱為力系的簡化。平面匯交力系的合成和簡化的方法有幾何法和解析法。1、平面匯交力系的幾何法（1）幾何法如圖1-20（a）所示的某物體上，作用著一個平面匯交力系F1、F2、F3，欲求它們的合力，只需連續運用三角形法則。如圖1-16（b）所示，先將力F1與F2合成，得到R12，然后再將R12與F3合成，得合力R，R就是力系F1、F2、F3的合力。圖1-20 平面匯交力系合成的幾何法上述作圖求合力的方法可推廣到由n個力組成的平面匯交力系，并得出結論：平面匯交力系

14、的合力等于力系中各分力的矢量和，合力的作用線通過匯交點。用矢量式表示：R = FR = F1+ F+ F2+ + Fn = F F （1-2）用幾何法求合力的時候，應該注意以下幾點：選擇適當的力的比例尺，畫出力的大小和方向。作力的多邊形時，任意變換力的次序，得到不同形狀的力多邊形，合成的結果不變。各個力矢量首尾相連，合成矢量的方向是從第一個力的起點指向最后一個力的終點。（2）平面匯交力系平衡的集合條件平面匯交力系平衡的幾何條件是力系中各力構成的力多邊形自行封閉。即用幾何法求平面匯交力系合力時，第一個力矢和最后一個力矢首尾相接，力多邊形自行封閉，無缺口，力系合力為零。即R= F= 0，如圖1-2

15、1所示。圖1-21 平衡力封閉多邊形2、平面匯交力系合成的解析法 根據力的平行四邊形公理，作用在一個點上的兩個任意力可以合成一個力；反之，一個力可以分解成任意兩個方向的力。兩個匯交合成的結果是唯一的，而力的分解可以有無數的結果。幾何法是直接利用矢量的幾何性質來求合力與分力之間的關系，解析法是通過矢量在坐標軸上的投影來求合力與分力之間的關系。（1）力在坐標軸上的投影圖1-22 力在直角坐標軸上的投影（2）合力投影定理 合力在某一軸上的投影，等于力系中各分力在同一軸上投影的代數和，這就是合力投影定理。（3）平面匯交力系平衡的解析條件平面匯交力系平衡的充分和必要條件是力系的合力等于零四、力矩與力偶1

16、.力矩人用扳手擰螺母，會感到加在扳手上的力越大，或者力的作用線離轉動中心越遠，就越容易轉動螺母，如圖1-24所示。圖1-24 力對點之矩 力F使剛體繞某點O轉動的效應，不僅與力F的大小成正比，而且與O點到力作用線的垂直距離d成正比。乘積F d加上正負號，稱為力F對O點的矩，簡稱力矩。規定力使剛體繞矩心逆時針方向轉動，力矩為正，反之為負。圖1-24中O點稱為力矩中心，簡稱矩心；矩心O到力F作用線的垂直距離d稱為力臂。 力F使物體繞O點轉動的效果，可完全由下列兩個要素決定：(1) 力的大小與力臂的乘積。(2) 力使物體繞O點轉動的方向。當力的大小等于零，或者力的作用線通過力矩中心，即力臂等于零時，

17、力矩為零，這時力矩不能使物體繞O點轉動。如果物體上有若干個力，當這些力對力矩中心的力矩代數和等于零，即原來靜止的物體，就不會繞力矩中心轉動。2.力偶與力偶矩 作用在同一個物體上的兩個力，如果大小相等、方向相反、作用線互相平行但不重合，則把這樣的兩個力作為一個整體，稱為力偶。力偶對物體產生的是純轉動效應。例如用雙手轉動汽車方向盤，用手指旋開水龍頭等，均是常見的力偶實例。力偶中兩力作用線所決定的平面稱為力偶作用面，兩力作用線之間的距離d稱為力偶臂，如圖1-25所示。圖1-25 力偶圖1-26 力偶的表示方法 力偶具有如下特性。（1）力偶既沒有合力，本身又不平衡，是一個基本的力學量。（2）力偶對于作

18、用面內任一點之矩與矩心位置無關，恒等于力偶矩，因此，力偶對物體的轉動效應用力偶矩度量，在平面問題中它是個代數量。（3）作用在同一平面內的兩個力偶，若其力偶矩大小相等，轉向相同，則這兩個力偶等效。 由上述力偶的性質可知，只要保持力偶矩的大小和轉向不變，平面力偶可以在其作用面內任意移動，且可以同時改變力偶中力的大小和力偶臂的長短，而不改變其作用效應。力偶可以用帶箭頭的弧線表示，如圖1-27所示。圖1-27 平面力偶的等效處理學習任務二 構件承載能力分析任務描述任務描述 汽車桿件受力時會發生變形，若變形過大會導致桿件失效影響汽車的安全性與可靠性。本任務要求學生運用剪切和扭轉的強度計算方法對汽車螺栓連

19、接受剪切的強度分析和汽車傳動軸受扭轉的強度分析。學習目標學習目標 學習拉伸與壓縮、剪切與擠壓、扭轉和彎曲時的強度計算。計劃與實施計劃與實施一、汽車發動機活塞連桿組的受力分析并繪制受力分析圖1、帶著以下問題觀察活塞連桿組。（1）活塞連桿組由哪些構件組成？（2）當活塞連桿組處于平衡狀態時，各個組成構件是否可以看作是剛體并對其進行受力分析？（3）活塞連桿組傳遞動力的順序是怎么樣的？（4）請指出活塞連桿組中相關的約束及其約束反力的性質。一、汽車離合器踏板所受拉力的分析 汽車離合器踏板如圖1-28所示，已知踏板受到壓力F1=400N，拉桿直徑d=20mm，杠桿長l=330mm，h=56mm，拉桿材料的許

20、用應力=40MPa。試校核拉桿的強度。圖1-28 汽車離合器踏板二、汽車傳動軸受扭轉的強度分析觀察汽車用的傳動軸實物，結合所學過的圓軸扭轉與變形的相關知識回答以下問題：1、汽車傳動軸的橫截面是什么形狀的？2、轉軸在受力情況下會發生何種變形？3、根據已知條件對汽車傳動軸進行強度校核。學習參考書學習參考書學習單元一 力學分析學習任務二 汽車構件靜力分析學習參考書學習參考書學習單元一 力學分析學習任務二 構件承載能力分析當桿件受力形式不同時，發生的變形也各異，其基本形式可歸納為以下四種，即：軸向拉伸或壓縮、剪切與擠壓、扭轉、彎曲。拉伸與壓縮拉伸與壓縮剪切剪切扭轉扭轉彎曲彎曲一、軸向拉伸與壓縮一、軸向拉伸與壓縮1、軸向拉壓桿的內力 作用在整個構件上的載荷和約束反力統稱為外力。在外力的作用下，會引起物體內部各個質點之間的相對位置以及相互作用力發生改變，變現出來就是構件發生了變形。構件內部質點之間相互作用力（固有內力）的改變量稱為附加內力，簡稱內力。內力隨外力的大小而變化，當內力達到某一極限值時，構件