汽車機(jī)械基礎(chǔ)教案項(xiàng)目二表

1、PAGE 17PAGE 8第 頁(yè)教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：能力目標(biāo)： 教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)6課時(shí)教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過(guò) 程 設(shè) 計(jì)注 釋模塊二 汽車常用構(gòu)件力學(xué)分析汽車由若干零部件組成復(fù)雜的、能承載、能運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)器，為了保證汽車的使用安全性和耐久性，各主要零部件要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、校核等工作。通過(guò)本模塊的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解和掌握汽車常用零部件的靜力分析和承載能力分析。單元1 靜力分析教學(xué)目標(biāo)：靜力學(xué)主要研究力系的簡(jiǎn)化以及物體在力系作用下平衡的普遍規(guī)律。要求學(xué)生掌握力的性質(zhì)、靜力學(xué)基本公理、力系的簡(jiǎn)化和平衡條件等靜力分析的基礎(chǔ)知識(shí)，具備對(duì)構(gòu)件進(jìn)行受力分析、畫(huà)

2、受力圖及平衡計(jì)算等基本技能。知識(shí)導(dǎo)入：發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是將燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的主要零部件，而連桿連接著活塞和曲軸，試畫(huà)出連桿的受力圖，進(jìn)行力學(xué)分析。課題1 靜力分析的基本概念和定理一、力的概念 1.力的定義 二、剛體的概念 剛體是指受力作用后不變形的物體，是靜力學(xué)中對(duì)一些工程構(gòu)件進(jìn)行抽象化后的理想的力學(xué)模型。 課題2 受力分析與受力圖在研究靜力平衡問(wèn)題時(shí)，首先要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：(1)研究對(duì)象的確定；(2)研究對(duì)象的受力分析。 研究對(duì)象需要根據(jù)題意或已知條件確定，可以是單個(gè)物體、幾個(gè)物體的組合或者是整個(gè)系統(tǒng)。對(duì)研究對(duì)象的受力分析就是要明確物體所受各個(gè)力的性質(zhì)、方向等。 靜力分析中研究

3、對(duì)象及受力要用“分離體的受力圖”來(lái)表示。首先針對(duì)研究對(duì)象往往是非自由體、受到各種各樣的約束的特點(diǎn)，先把研究對(duì)象所受的約束解除，將其從周圍物體的聯(lián)系中分離出來(lái)單獨(dú)畫(huà)出，稱為分離體，即解除了約束后的物體。然后用相應(yīng)的力代替原來(lái)的約束對(duì)物體的作用，以維持原有的平衡狀態(tài)，畫(huà)出受力圖，表示分離體及其所受各個(gè)力(主動(dòng)力、約束反力)。 畫(huà)分離體受力圖的步驟如下。 (1) 根據(jù)題意，確定研究對(duì)象，畫(huà)出分離體圖。 (2) 在分離體上畫(huà)出所有已知的主動(dòng)力。 (3) 根據(jù)約束類型正確畫(huà)出相應(yīng)的約束反力。 正確地畫(huà)出受力圖是分析、解決力學(xué)問(wèn)題的前提。下面通過(guò)實(shí)例分析說(shuō)明物體的受力分析及受力圖畫(huà)法(無(wú)特別說(shuō)明，則物體的

4、重力一般不計(jì)，并認(rèn)為接觸面都是光滑的)?！纠?2-1】 如圖 2-25(a)所示，重為G的均質(zhì)球O，由桿件AB、繩子BC和墻壁支持。設(shè)各處的摩擦及各桿的重量忽略不計(jì)，試分別畫(huà)出球O、桿件AB的受力圖。 (a) (b) (c) 圖 2-25 球支架 解：(1) 以球?yàn)檠芯繉?duì)象，畫(huà)分離體圖。 (2) 對(duì)球進(jìn)行受力分析：球受到主動(dòng)力為重力G，方向垂直向下；桿AB、墻壁約束力FD、FE分別過(guò)球與兩者的接觸點(diǎn)D、E，并沿接觸點(diǎn)處公法線指向球心，如圖 2-25(b)所示。 (3) 以桿AB為研究對(duì)象并畫(huà)分離體圖。 (4) 對(duì)桿AB進(jìn)行受力分析：桿AB上的主動(dòng)力是球?qū)λ膲毫D(和FD是作用力與反作用力關(guān)

5、系)，方向沿D點(diǎn)處公法線指向桿AB。同時(shí) B 點(diǎn)受到繩子對(duì)AB桿的拉力FT作用，方向從B點(diǎn)指向C點(diǎn)。A點(diǎn)為固定鉸鏈約束，約束反力的方向可根據(jù)三力平衡匯交定理判定，F(xiàn)A經(jīng)過(guò)FD與FT交點(diǎn) P，如圖 2-25(c)所示。 反力是一對(duì)作用力與反作用力，要等值、反向、共線地分別畫(huà)在兩個(gè)物體上。課題3 平面力系的合成與簡(jiǎn)化作用在物體上的力系可按其作用線是否共面分為平面力系和空間力系。平面力系是指力系中各個(gè)力的作用線均在同一平面內(nèi)。若各個(gè)力的作用線不在同一平面內(nèi)則稱為空間。平面匯交力系是指各個(gè)力的作用線均匯交于一點(diǎn)的平面力系。平面平行力系是指各力的作用線均相互平行的平面力系。平面力偶系是指由力偶組成的平面

6、力系。平面任意力系是指各力既不完全平行也不匯交于一點(diǎn)的平面力系。 其中平面匯交力系和平面力偶系是平面力系中的兩個(gè)基本的簡(jiǎn)單力系，平面任意力系則是平面力系的一般情形。本課題將介紹平面力系簡(jiǎn)化的方法及平面力系的平衡問(wèn)題。 一、平面匯交力系的簡(jiǎn)化與合成 1.力多邊形法二、 力偶及力偶系的簡(jiǎn)化 1.力偶的基本性質(zhì) 性質(zhì) 1：只要保持力偶矩大小和力偶的轉(zhuǎn)向不變，作用于剛體上的力偶可以在其作用面內(nèi)任意移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，或同時(shí)改變力和力偶臂的大小而它對(duì)剛體的效應(yīng)不變。 性質(zhì) 2：力偶在同一剛體上可以搬移到與其作用面相平行的平面內(nèi)，而不改變其對(duì)剛體的效應(yīng)。 以上力偶的性質(zhì)是力偶等效變換的基礎(chǔ)。由此可歸納出兩力偶等效

7、的條件為：力偶矩大小相等；力偶作用面平行；力偶轉(zhuǎn)向相同。這三個(gè)條件即力偶的三要素：力偶矩大小、力偶作用面和力偶的轉(zhuǎn)向。 2.平面力偶系的合成 兩個(gè)或兩個(gè)以上力偶組成的力系稱為力偶系。力偶系合成的結(jié)果只能是力偶，這個(gè)力偶稱為合力偶。 根據(jù)力偶的等效變換可將平面力偶系合成為一個(gè)合力偶，合力偶矩等于各分力偶矩的代數(shù)和： (2-9) 三、平面任意力系的簡(jiǎn)化與合成 課題4 平面力系的平衡平面力系共分為平面任意力系、平面力偶系、平面匯交力系和平面平行力系，如圖 2-38所示。圖 2-38 平面力系種類 一、平面任意力系的平衡方程 根據(jù)前面的分析，要使平面任意力系平衡，應(yīng)使簡(jiǎn)化所得的主矢和主矩分別平衡，即主

8、矢，主矩時(shí)。課題5 考慮摩擦?xí)r的平衡問(wèn)題摩擦是一種普遍存在的現(xiàn)象。在一些問(wèn)題中，摩擦對(duì)物體的受力情況影響很小，為了計(jì)算方便而忽略不計(jì)。但在工程上有些摩擦問(wèn)題是不能忽略的。例如，機(jī)械中摩擦離合器與帶傳動(dòng)要依靠摩擦力才能工作，斜楔、螺釘利用摩擦力起緊固作用，制動(dòng)器依靠摩擦力來(lái)剎車等。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機(jī)器磨損，降低精度和縮短使用壽命。目前在能源的使用中，估計(jì)有一半以上是用于克服各類摩擦。機(jī)械零件因磨損而導(dǎo)致失效的約占全部報(bào)廢零件總數(shù)的80%左右。學(xué)習(xí)本節(jié)的目的，在于掌握摩擦現(xiàn)象的客觀規(guī)律，利用其有利的一面，限制它有害的一面。按照接觸物體之間可能會(huì)相對(duì)滑動(dòng)或相對(duì)滾

9、動(dòng)，摩擦可分為滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦。一、滑動(dòng)摩擦1.滑動(dòng)摩擦的概念兩個(gè)相互接觸的物體，當(dāng)一物體在另一物體表面上滑動(dòng)或者有滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在兩物體接觸面上產(chǎn)生阻礙他們之間相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象，成為滑動(dòng)摩擦。由于摩擦對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用，因此，摩擦力總是作用在接觸面（點(diǎn)）上，沿接觸處的公切線且與物體的滑動(dòng)或滑動(dòng)趨勢(shì)方向相反。2.靜滑動(dòng)摩擦力的三要素（1）大小：摩擦力F 的大小由物體的平衡條件來(lái)確定，F(xiàn) 的大小為：式中，最大靜摩擦力，f 為靜摩擦因數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，N為兩個(gè)物體之間的正壓力。（2）方向：摩擦力在兩個(gè)物體接觸面的切線上，其指向與物體間相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)相反。（3）作用點(diǎn)：摩擦力的作用點(diǎn)在兩個(gè)物體的接觸

10、面上，具體位置由物體的平衡條件確定。3.滑動(dòng)摩擦定律當(dāng)物體處于臨界靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，靜摩擦力達(dá)到最大值，其大小與接觸面間的正壓力（法相反力）成正比，即： (2-17)式中：最大靜摩擦力；物體接觸面間的正壓力；靜摩擦因數(shù)，其大小與相互接觸物體表面的材料性質(zhì)和表面狀況（如粗糙度、潤(rùn)滑情況以及濕度、溫度等）有關(guān)。當(dāng)物體處于滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面間的正壓力成正比，即： (2-18)式中：動(dòng)滑動(dòng)因數(shù)，一般。精度要求不高時(shí)，可認(rèn)為=。單元2 承載能力分析教學(xué)目標(biāo)：材料力學(xué)是研究物體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的科學(xué)。本單元重點(diǎn)介紹構(gòu)件在載荷作用下發(fā)生的基本變形的特點(diǎn)及其強(qiáng)度分析計(jì)算方法。要求

11、學(xué)生了解各種變形的載荷特點(diǎn)和變形特點(diǎn)；掌握 4 種基本變形的內(nèi)力分析、應(yīng)力分析和強(qiáng)度計(jì)算方法；重點(diǎn)掌握軸向拉壓、圓軸扭轉(zhuǎn)、彎曲變形的強(qiáng)度計(jì)算方法；了解各種基本變形的變形分析和簡(jiǎn)單的計(jì)算方法；了解簡(jiǎn)單的組合變形強(qiáng)度計(jì)算。 知識(shí)導(dǎo)入：張某的桑塔納轎車最近發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)有異響，汽修廠的技師們通過(guò)各種檢測(cè)，最終判斷是曲軸引起的，拆解發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)曲軸彎曲變形，更換曲軸故障排除。曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力的主要部件，承受各種力，請(qǐng)同學(xué)們分析一下曲軸彎曲變形的原因及維修方案。課題1 承載能力分析的基本知識(shí)工程機(jī)械或結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件都要承受一定的載荷。在載荷作用下，構(gòu)件的形狀和尺寸將發(fā)生改變，稱為變形。同時(shí)，在構(gòu)件內(nèi)部將產(chǎn)生

12、一定的內(nèi)力。隨著載荷的增加，構(gòu)件的變形與內(nèi)力也逐漸增大，最后將導(dǎo)致構(gòu)件因過(guò)度變形斷裂而失效。為保持機(jī)械或結(jié)構(gòu)正常的工作，要求任何一個(gè)構(gòu)件都要有足夠的承載能力。承載能力主要包括強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性三方面的要求。強(qiáng)度 指構(gòu)件抵抗破壞的能力。構(gòu)件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，就是指構(gòu)件在使用過(guò)程中不發(fā)生斷裂，也不產(chǎn)生顯著的塑性變形。剛度 指構(gòu)件抵抗變形的能力。構(gòu)件應(yīng)具有足夠的剛度，就是指構(gòu)件在使用過(guò)程中不產(chǎn)生過(guò)量的彈性變形。穩(wěn)定性 指構(gòu)件保持原有平衡形式的能力。受壓的細(xì)長(zhǎng)直桿，在軸向壓力作用下其軸線突然變彎的現(xiàn)象，稱為喪失穩(wěn)定性，簡(jiǎn)稱失穩(wěn)。構(gòu)件應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性，就是指構(gòu)件在使用過(guò)程中不產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。課題2 拉伸

13、與壓縮拉伸和壓縮是桿件基本變形中最簡(jiǎn)單的一種，也是構(gòu)件中最常發(fā)生的變形形式。如發(fā)動(dòng)機(jī)中的連桿在工作中發(fā)生壓縮變形，缸蓋螺栓在工作中發(fā)生拉伸變形等。 課題3 剪切與擠壓一、 剪切及其實(shí)用計(jì)算 1剪切的概念 在工程實(shí)際中，常會(huì)有構(gòu)件受到兩組大小相等、方向相反且彼此非常接近的力作用，這時(shí)構(gòu)件會(huì)在兩組力間的截面處發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形，這種變形稱為剪切變形，如圖 2-67 所示。剪切變形的受力特點(diǎn)是外力大小相等，方向相反，作用線相距很近。變形特點(diǎn)是沿與外力的方向平行的截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的截面稱為剪切面，剪切面總是平行于外力作用線，且在兩個(gè)反向外力作用線之間。 圖 2-67 剪切過(guò)程 剪切變形大多

14、發(fā)生在工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件的聯(lián)接件上，例如，聯(lián)接兩個(gè)零件的銷、鉚釘、鍵和螺栓等，都是一些常見(jiàn)的受剪零件。在外力作用下，沿剪切面發(fā)生剪切變形，當(dāng)外力過(guò)大，沿剪切面將連接件剪斷。為此，必須進(jìn)行剪切強(qiáng)度計(jì)算。 如圖 2-68 所示就是鉚釘剪切過(guò)程圖。 圖 2-68 鉚釘剪切過(guò)程 2.剪切應(yīng)力 構(gòu)件受到剪切力的作用時(shí)，在它的剪切面上會(huì)產(chǎn)生沿截面作用的抵抗剪切變形的內(nèi)力，這個(gè)內(nèi)力稱為剪力，用 FQ表示。剪力 FQ的大小可用截面法求得如圖 2-69 所示，單位是牛(N)或千牛(kN)。 單位面積上剪力的大小稱為剪應(yīng)力，用表示，單位是帕(Pa)或兆帕(MPa)。剪應(yīng)力在剪切面上分布規(guī)律較復(fù)雜。工程上常采用以實(shí)

15、驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的“實(shí)用計(jì)算法”?！皩?shí)用計(jì)算法”假設(shè)剪應(yīng)力均勻分布在剪切面上。 課題4 圓軸扭轉(zhuǎn)一、圓軸扭轉(zhuǎn)的概念 在工程實(shí)際及日常生活中，我們常遇到發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的構(gòu)件。如圖 2-73 所示為電機(jī)傳動(dòng)中的傳動(dòng)軸，其受力特點(diǎn)是：載荷是一對(duì)力偶，力偶作用面均與直桿的軸線垂直，但方向相反，因而產(chǎn)生的變形形式相同，各橫截面繞桿軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種變形稱為扭轉(zhuǎn)變形。 在生產(chǎn)中，像絲錐、鉆頭等，工作時(shí)都主要產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。 圖 2-73 傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)二、圓軸扭轉(zhuǎn)外力偶矩、扭矩 1外力偶矩的計(jì)算 計(jì)算軸的扭轉(zhuǎn)內(nèi)力，首先要知道軸上所受的外力偶矩。當(dāng)已知軸的轉(zhuǎn)速和傳遞的功率時(shí)外力偶矩可按理論力學(xué)中的公式計(jì)算 (2-

16、29)式中：M外力偶矩，Nm； P軸傳遞的功率，kW； n軸的轉(zhuǎn)速，rmin。 當(dāng)功率 P 用馬力時(shí)，外力偶的計(jì)算公式為： (2-30) 2圓軸橫截面上的內(nèi)力 (1) 扭矩圓軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，橫截面上將有內(nèi)力產(chǎn)生，求內(nèi)力的方法仍然是截面法。如圖 2-74 所示圓軸，在其兩端垂直軸線的平面內(nèi)作用著一對(duì)方向相反、力偶矩均為M的力偶，要求任意截面上的內(nèi)力。首先用假想截面將構(gòu)件截開(kāi)，如圖 2-74(b)、(c)所示，取其任一段研究。由力偶系的平衡條件可知，為了與外力偶平衡，截面上內(nèi)力系合成的結(jié)果應(yīng)是一力偶，且力偶的作用面與橫截面重合。此力偶矩稱為扭矩，常用符號(hào)T表示。扭矩T的大小，可根據(jù)力偶的平衡條件

17、求得。若取左段為研究對(duì)象如圖 2-74(b)所示，由 (a) (b) (c) 圖 2-74 圓軸橫截面上的內(nèi)力 若取右段研究，如圖 2-74(c)所示，亦可求得同樣數(shù)值的扭矩，但兩者轉(zhuǎn)向相反，因?yàn)樗鼈兪亲饔门c反作用的關(guān)系。因此，扭轉(zhuǎn)時(shí)任意截面上扭矩的大小可由下式確定： T=截面一側(cè)(左或右)所有外力偶矩的代數(shù)和。 (2) 扭矩圖。當(dāng)軸上作用幾個(gè)外力偶時(shí)，各截面上的扭矩是不同的。各截面上的扭矩可以用扭矩圖來(lái)表示。扭矩圖是表示圓軸各截面上扭矩大小的簡(jiǎn)單圖形。用橫軸表示截面的位置，用縱軸表示扭矩，正的扭矩畫(huà)在橫軸上方，負(fù)的扭矩畫(huà)在橫軸下方，就可得到扭矩圖。課題5 平面彎曲一、梁彎曲的概念 1平面彎曲

18、的概念 在日常生活和工程實(shí)際中，發(fā)生彎曲變形的構(gòu)件是經(jīng)常遇到的，如圖 2-80 所示，龍門吊車的橫梁AB在載荷和自重的作用下變彎；水罐在兩支座中間受重力和自重作用發(fā)生微小彎曲。這些構(gòu)件具有相同的受力特點(diǎn)外力垂直于軸線或在軸線的平面內(nèi)受到力偶的作用，而發(fā)生相同形式的變形軸線由直線彎為曲線，這種變形稱為彎曲。把以彎曲變形為主的構(gòu)件稱為梁。 (a) (b) 圖 2-80 彎曲變形的構(gòu)件 工程中常見(jiàn)的梁，其橫截面往往具有對(duì)稱軸，如圖 2-81 所示，對(duì)稱軸與梁的軸線構(gòu)成縱向?qū)ΨQ面。若作用在梁上的外力都位于縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，并且力的作用線垂直于梁的軸線，則變形后的軸線將是平面曲線，并仍位于縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，這種彎曲稱為平面彎曲。 圖 2-81 橫截面具有對(duì)稱軸 2梁的基本類型 梁的結(jié)構(gòu)形式很多，按梁的支座形式可分為三種基本形式。 (1) 簡(jiǎn)支梁。梁的一端為固定鉸鏈支座，另一端為活動(dòng)鉸鏈支座，如圖 2-82 所示。圖 2-82 簡(jiǎn)支梁 (2) 外伸梁。梁的支座形式與簡(jiǎn)支梁相同，梁的一端或兩端伸出在支座以外，如圖2-83(a)所示； (3) 懸臂梁。梁的一端為固定端支座，而另一端為