3.3汽车常用构件变形分析（课件）-《汽车机械基础》同步教学（航空工业出版社）

任务三 汽车常用构件变形分析 （a）螺栓断裂 （b）连杆断裂 （c）曲轴断裂 构件的破坏 力对受力物体的内效应告诉我们，构件在受力后会发生一定程度的变形。当外力超过汽车构件的承受范围时，构件的变形将超出允许范围，甚至发生破坏。重要构件发生破坏将导致汽车发生故障，严重影响行车安全。因此，了解构件的基本变形形式及受力特点，熟悉构件常用的强度计算方法，对汽车的使用及维护具有重要的意义。 任务描述 任务目标 分析汽车连接螺栓、传动轴及底盘横梁在工作过程中的受力情况，并判断它们可能发生什么形式的变形。 初步建立强度、刚度和稳定性的概念。 掌握杆件四种基本变形的形式和受力特点。 会分析连接螺栓、传动轴、汽车底盘横梁的受力情况及变形形式。 足够的强度 为避免构件在工作时发生破坏，保证机械的正常使用，必须要求各构件具有承受足够大载荷的能力，简称承载能力。构件的承载能力包括强度、刚度和稳定性三个方面。 足够的刚度 足够的稳定性 构件应具有足够的抵抗破坏的能力。 有些构件应具有足够的抵抗变形的能力。 细长杆件或薄壁构件在受压时应具有足够的保持原有平衡状态的能力。 在分析构件的承载能力之前，应先了解构件的基本变形形式。机械结构中，构件的形状多种多样，杆件是其中最常见也是最基本的一种构件。所谓杆件是指长度尺寸远大于其他两个方向尺寸的构件。 一、轴向拉伸与压缩 1．拉伸与压缩的概念 当杆件受到沿轴线方向的两个大小相等而方向相反的拉力或压力时，杆件就会沿轴向伸长或缩短。这种变形称为轴向拉伸或压缩变形，相应的杆件称为拉压杆。例如，内燃机连杆、千斤顶、紧固螺栓等在工作时都会产生轴向拉伸或压缩变形。下图为简易吊车的结构示意图，在载荷G的作用下，经受力分析可知，斜杆BC承受拉力，发生拉伸变形，水平杆AB承受压力，发生压缩变形。对发生拉伸或压缩变形的杆件进行简化，即可得到计算简图。 简易吊车中杆件的受力情况 轴向拉伸与压缩计算简图 拉压杆的受力特点：外力沿杆轴线作用； 变形特点：杆件沿轴向伸长或缩短。 2．拉伸与压缩内力 作用于杆件上的载荷和约束反力统称为外力。杆件在受到外力作用而变形时，由于材料内部颗粒之间的相对位置改变而产生相互作用的抵抗力称为内力。内力在杆件的横截面上均匀分布，大小随外力的增加而增大。杆件的内力通常是指某截面上的合内力。内力超过材料的承受极限时，杆件就会发生破坏。因此，内力与杆件的承载能力密切相关。工程计算中通常采用截面法来求解杆件的内力。截面法可以归纳为切、取、代、求四个步骤。 切：在要求解内力处用假想的截面将杆件切开分为两段。 取：任取杆件的一部分为研究对象，弃去另一段。 代：用内力代替弃去部分对留下部分的作用力。 求：利用静力学中的平衡条件，列平衡方程求解内力。 如图（a）所示为一受拉杆件，它在外力F的作用下处于平衡状态。为了求截面1—1处的内力，用假想截面1—1将杆件切开，取左段为研究对象。由于内力均匀分布在整个截面上，可以用FN表示左段截面上的合内力，则左段杆件的受力情况如图（b）所示。根据平衡条件列出平衡方程： 截面法求内力 特别地，对于发生轴向拉伸或压缩变形的杆件，由于外力的作用线与杆件的轴线重合，内力的合力必然也与轴线重合。因此，轴向拉伸或压缩时杆横截面上的内力称为轴力，通常用符号FN表示。 为了区分杆件拉伸或压缩的不同轴力，特对轴力的正负号作如下规定：若轴力方向离开所取截面，则杆件发生拉伸变形，轴力为正，称为拉力；若轴力方向指向所取截面，则杆件发生压缩变形，轴力为负，称为压力。 二、剪切和挤压 汽车机械或其他工程应用中常用铆钉连接、销钉连接、焊接及键连接等方式来连接不同的构件，如图所示。这些零件虽然小，却在传递运动和载荷时起着重要作用。它们在工作时都会发生剪切或挤压变形。 剪切与挤压实例 1．剪切变形与剪切力 当杆件受到一对大小相等、方向相反而且作用线相距很近的外力作用时，截面处发生相对错动的变形，这种变形称为剪切变形。在图（a）所示的铆钉连接中，铆钉的右上侧面和左下侧面受到压力作用，如图（b）所示，铆钉的上、下两部分将会在压力作用下沿两力之间的截面n—n发生相对错动，如图（c）所示。当外力足够大时，铆钉将被剪断，剪断的截面称为剪切面。 铆钉的剪切变形 杆件发生剪切变形的受力特点：杆件两侧面上外力的合力大小相等，方向相反，作用线距离很近；变形特点：两合力作用线之间的截面发生相对错动。 杆件发生剪切变形时，在剪切面内会产生沿截面分布的抵抗剪切变形的内力，称为剪力，一般用FQ表示。在如图所示的销轴连接中，销轴发生剪切变形，截面m—m和n—n为剪切面，如图（b）所示。下面用截面法分析销轴中的内力。假想沿m—m和n—n面将销轴切开，取中间部分为研究对象，如图（c）所示。根据平衡条件可知，剪切面m—m和n—n上的剪力与外力F平衡，可计算出： 销轴的剪切变形 2．挤压变形与挤压力 通常情况下，构件在发生剪切变形的同时，往往还伴随着挤压变形。由于局部压力较大，两构件在传递力的接触面上会出现压陷、起皱等塑性变形的现象，称为挤压变形，如图所示。发生挤压变形的接触面称为挤压面，如图中钢板内孔与铆钉的接触面，作用于接触面间的压力称为挤压力，常用Fbs表示。当挤压力过大时，孔壁边缘将受压起皱，铆钉局部压“扁”，圆孔变为长圆孔。 铆钉连接中的挤压变形 三、圆轴扭转 在汽车机械中，有许多轴类零件用来传递旋转运动，它们需要承受扭矩的作用，并发生扭转变形。例如，汽车传动轴将发动机的动力传递给驱动系统，汽车方向轴将方向盘的转动传递给转向系统，变速箱中的齿轮轴将扭矩传递给下级传动系统。 （a）传动轴 （b）方向轴 （c）齿轮轴 轴类零件的扭转 1．圆轴扭转的概念 如图所示，扭转杆件的受力特点为：杆件两端受到一对大小相等、转向相反、作用面垂直于轴线的外力偶作用；变形特点为：在这对外力偶的作用下，杆件的横截面形状保持不变，但各截面都绕轴线发生相对转动。这种变形称为扭转变形，通常将以扭转变形为主的杆件称为轴。在工程实际中，轴的横截面多为圆形或圆环形，故又称圆轴。 圆轴的扭转变形 2．圆轴扭转的外力偶矩、扭矩 圆轴内部由于外力偶的作用而产生的抵抗扭转变形的内力称为扭矩，通常用T表示。扭矩的大小与外力偶矩有关，因此在分析圆轴的扭矩时，需要先计算其所受的转矩M。工程实际中，作用于轴上的转矩往往是未知的，需要通过轴的转速和所传递的功率进行求解： M —轴上的转矩，单位为N·m; P —轴所传递的功率，单位为kW； n —轴的转速，单位为r/min。 汽车发动机依靠曲轴输出扭矩，请根据表3-3-1所示的某款发动机性能参数表，计算该发动机以最大功率工作时曲轴输出的扭矩，以及曲轴输出最大扭矩时的功率分别为多少。 表3-3-1 某款发动机性能参数表 圆轴发生扭转变形时，横截面上将有内力——扭矩产生。与杆件拉压内力的求法类似，扭矩的求法同样采用截面法。如图（a）所示，圆轴在其两端垂直轴线的平面内，受一对大小相等、转向相反的力偶M作用而处于平衡状态。为求任意截面上的内力，假想沿横截面m—m将轴切开为Ⅰ，Ⅱ两部分，两部分截面上的扭矩分别用T和T'表示。取Ⅰ部分为研究对象，其受力情况如图（b）所示，根据平衡条件，列平衡方程∑Mx=0，即M-T=0，解得扭矩的大小T=M。同理，取Ⅱ部分为研究对象，其受力情况如 图（c）所示，同样可求得扭矩的大小T'=M。 截面法求扭矩 为了使从左、右两端求得的同一截面上的扭矩正负号相同，通常采用右手螺旋法则来判定扭矩的正负号。具体方法为：以右手四指弯曲方向代表扭矩的转向，当大拇指的指向离开截面时，扭矩为正，如图（a）所示；反之则为负，如图（b）所示。 右手螺旋法则判断扭矩符号 四、平面弯曲 工程中有许多杆件在工作时发生弯曲变形，例如，汽车大梁由于承受整体车重而向下弯曲，火车轮轮轴在两端承受重量而发生向上弯曲，机械制造车间中常见的桥式起重机钢梁由于起吊重物发生向下弯曲，如图所示。 （a）汽车大梁 （b）火车轮轮轴 （c）桥式起重机 弯曲变形实例 1．平面弯曲的概念 汽车大梁、火车轮轮轴、桥式起重机钢梁等杆件具有相同的受力特点：外力垂直于轴线或在轴线所在平面内受到力偶的作用；具有相同的变形特点：构件轴线由直线变为曲线。这种变形称为弯曲变形。工程中通常将以弯曲变形为主的直杆称为直梁，简称梁。机械和工程结构中梁的截面大多数具有对称轴，如图所示。对称轴（y轴）与梁的轴线（x轴）构成的平面称为纵向对称面。当作用在梁上的所有外力或力偶都位于纵向对称面内，且所有力的作用线都与梁的轴线垂直时，梁发生的变形称为平面弯曲，如图所示。梁发生平面弯曲变形时，其轴线将在纵向对称面内由直线变为一条光滑曲线。 梁截面的对称轴 平面弯曲 2．梁的分类 一端是固定铰链支座，另一端是活动铰链支座的梁，如图（a）所示。 支座与简支梁相同，一端或两端伸出在支座之外的梁，如图（b）所示。 一端自由而另一端固定的梁，如图（c）所示。 简支梁 外伸梁 悬臂梁 （a）简支梁 （b）外伸梁 （c）悬臂梁 梁的分类 3．梁上载荷的简化 集中力作用在梁上一段很小的范围内，可近似简化为作用于一点，如图所示的力F，其单位为N或kN。 作用在微小梁段上的外力偶，可近似简化为作用于一点，如图所示的力偶M，其单位为N·m或kN·m。 可看作沿梁轴线方向、在一定长度上连续分布的力系，如图所示的均布载荷q，其大小用载荷密集度表示，单位为N/m或kN/m。 集中力 合金工具钢 特殊性能钢 梁上的载荷 谢谢观赏 $$