汽車機械基礎模塊一汽車常用工程材料單元一汽車常用金屬材料【學習目標】1.了解常用金屬材料的分類；2.掌握常用金屬材料的牌號及用途；3.掌握各種牌號的金屬材料在汽車上的應用。一、鐵基金屬材料鐵基金屬材料有鋼和鑄鐵。鋼是指以鐵為主要元素，碳的質量分數在2.11%以下，并含有其他元素的材料。根據國家標準GB/T13304-1991規定，鋼按化學成分可分為非合金鋼(碳鋼)、低合金鋼和合金鋼三類；按用途又可分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼；按用途也可分為建筑及工程結構用鋼、機械結構用鋼、工具鋼、專業用鋼(如橋梁用鋼、鍋爐用鋼)等。（一）非合金鋼又稱碳鋼，是指碳的質量分數小于2.11%，并含有少量硅、錳、磷、硫等雜質元素的鐵碳合金。它按用途分結構鋼和工具鋼;按質量分為普通質量、優質和特殊質量(主要按鋼中磷、硫的質量分數劃分)。1.普通碳素結構鋼對生產過程中控制質量無特殊規定的一般用途的(非合金鋼)碳鋼。該類鋼通常不進行熱處理而直接使用，因此只考慮其力學性能和有害雜質的質量分數，不考慮碳的質量分數。碳素結構鋼牌號由Q(屈服點的“屈”字漢語拼音字首)、屈服點數值、質量等級和脫氧方法四部分按順序組成。如Q235。2.優質碳素結構鋼這類鋼有害雜質元素磷、硫受到嚴格限制，非金屬夾雜物含量較少，塑性和韌性較好，主要用于制作較重要的機械零件，一般均需進行熱處理，故既要保證力學性能，又要保證化學成分。優質碳素結構鋼按碳的質量分數又可分為低碳鋼(碳的質量分數在0.25%以下)、中碳鋼(碳的質量分數為0.25%～0.60%)和高碳鋼(碳的質量分數為0.60%～0.85%)。

低碳鋼強度低，塑性、韌性好，易于沖壓加工，主要用于制造受力不大、韌性要求高的汽車車身、駕駛室、車門、散熱器罩等沖壓件和焊接件。

中碳鋼強度較高，塑性和韌性也較好，一般需經正火或調質處理后使用，應用廣泛。主要用于制作齒輪、連桿、軸類、套筒、絲杠等零件。

高碳鋼經熱處理后，可獲得較高的彈性極限、足夠的韌性和一定的強度，常用來制作彈性零件和易磨損的零件，如轉向系接頭彈簧、彈簧墊圈和各種卡環、鎖片等。3.碳素工具鋼碳素工具鋼碳的質量分數為0.65%～1.35%，一般需熱處理后使用。這類鋼經熱處理后具有較高的硬度和耐磨性，主要用于制作低速切削刃具，以及對熱處理變形要求低的一般模具。其按質量分優質和高級優質碳素工具鋼兩種。牌號用“T”(“碳”字漢語拼音字首)和數字組成。數字表示鋼的平均碳的質量分數的千分數。如T8鋼，表示平均碳的質量分數為0.8%的碳素工具鋼。若牌號末尾加“A”，則表示為高級優質鋼，如T10A。4.鑄鋼鑄鋼碳的質量分數為0.15%-0.60%，碳的質量分數過高則塑性差，易產生裂紋等缺陷，主要用來制作形狀復雜、難以進行鍛造或切削加工成形，且要求較高強度和韌性的零件，如機油管法蘭、化油器操縱桿接頭等。牌號首位冠以“ZG”(“鑄鋼”二字漢語拼音字首)。5.易切削結構鋼在碳鋼的基礎上，加入一種或幾種合金元素，使其具有易切削性能，以適應切削加工自動化、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。易切削結構鋼的牌號是在同類結構鋼牌號前冠以“Y”以區別其他結構鋼。例如Y20表示平均=0.20%的易切削鋼。（二）合金鋼為改善碳鋼的組織和性能，在碳鋼基礎上有目的地加入一種或幾種合金元素所形成的鐵基合金，稱為低合金鋼或合金鋼。通常加入的合金元素有：硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦等。合金鋼按合金元素的質量分數分低合金鋼、合金鋼；按用途又分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼。1.低合金結構鋼低合金結構鋼是在低碳鋼的基礎上加入少量合金元素(合金元素總量小于3%)而得到的鋼。

2.合金結構鋼在碳素結構鋼的基礎上加入合金元素而得到的鋼為合金結構鋼。牌號表示依次為兩位數字、元素符號和數字。前兩位數字表示鋼中平均碳的質量分數的萬分數，元素符號表示鋼中所含的合金元素，元素符號后的數字表示該合金元素平均質量分數的百分數。如20CrMnTi鋼。合金結構鋼根據性能和用途，又可分為合金滲碳鋼、合金調質鋼、合金彈簧鋼和滾動軸承鋼等。 （1）合金滲碳鋼適用于滲碳、淬火和低溫回火的熱處理方式的合金結構鋼為合金滲碳鋼。20CrMnTi是應用最廣泛的合金滲碳鋼，用于制造汽車的變速齒輪、軸、活塞銷等零件。（2）合金調質鋼合金調質鋼是在中碳鋼的基礎上加入一些合金元素，經調質處理后使用的鋼。此類鋼中40Cr、40MnB適用于中等截面的結構件，如汽車連桿螺栓、后橋半軸等；40CrNiTi、37CrNi3適用于大截面的、承受大載荷的重要結構件，如中間軸、曲軸等。（3）合金彈簧鋼適合于做彈簧的合金結構鋼稱為合金彈簧鋼。65Mn、55Si2Mn、60Si2Mn用于制造截面不大于25mm的各種螺旋彈簧和鋼板彈簧；55CrMnA、60CrMnA用于制造截面小于50mm的各種螺旋彈簧和鋼板彈簧。（4）滾動軸承鋼滾動軸承工作時要求材料必須具有高而均勻的硬度和耐磨性高的接觸疲勞強度和彈性極限，一定的塑性和足夠的韌性，一定的耐蝕性。根據此性能要求，軸承鋼碳的質量分數為0.95%～1.15%，加入0.4%～1.65%的Cr。此類鋼的預備熱處理為球化退火，最終熱處理為淬火加低溫回火。GCr15是軸承鋼中應用最多的鋼，主要用于制造壁厚小于12mm、外徑小于50mm的套圈，直徑為25～50mm的鋼球。3.合金工具鋼合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上加入合金元素(Si、Mn、Cr、V、Mo等)制成的。合金元素的加入改善了熱處理性能，因而提高了材料的熱硬性、耐磨性。合金工具鋼常用來制造各種量具、模具和切削刀具，也可對應地分為量具鋼、模具鋼和刃具鋼，其化學成分、性能和組織結構也不同。4.特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有某些特殊的物理、化學、力學性能，因而能在特殊的環境、工作條件下使用的鋼。其牌號表示方法與合金工具鋼基本相同，但若鋼中碳的質量分數小于0.03%或小于0.08%時，牌號分別以“00“或“0“為首。例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18NillTi鋼等。常用的特殊性能鋼有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。（三）鑄鐵碳的質量分數高于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。工業上常用的鑄鐵是碳的質量分數為2%～4%，且比碳鋼含有較多的錳、硫、磷等雜質的鐵、碳、硅多元合金。根據碳在鑄鐵中存在形態的不同，鑄鐵可分為以下幾種： 1.白口鑄鐵2.灰鑄鐵3.可鍛鑄鐵4.球墨鑄鐵5.合金鑄鐵二、非鐵基金屬材料（一）鋁及其合金純鋁顯著的特點是密度小(約2.7)，導電導熱性優良，強度(=80MPa左右)、硬度低，塑性好，有良好的耐蝕性。故純鋁主要用于做導電、導熱材料或耐蝕零件。現在汽車加熱器、散熱器、蒸發器、油冷卻器多用鋁制作；另外純鋁還可做裝飾件、銘牌等。鋁合金依其成分和工藝性能，可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。變形鋁合金具有較高的強度和良好的塑性，可通過壓力加工制成各種半成品，也可以焊接。它主要用作各種類型的型材和結構件，如發動機機架、飛機大梁等。鑄造鋁合金可分為Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系四類。它們有良好的鑄造性能，可以鑄成各種形狀復雜的零件，但塑性低，不宜進行壓力加工。（二）銅及其合金純銅廣泛應用于制造電線、電纜等各種導電材料。汽車制造業主要使用銅合金。銅合金按化學成分不同分為黃銅、青銅和白銅等。1.黃銅以銅和鋅為主組成的合金稱為黃銅。黃銅的強度、硬度和塑性先隨鋅的質量分數增加而升高，鋅的質量分數為30%～32%時，塑性達到最大值，鋅的質量分數為45%時強度最高。黃銅在轎車上用作轉向節襯套、鋼板彈簧襯套、軸套等耐磨件，也可用作散熱器冷凝器、冷卻管，還可用作裝飾件、供水排水管、油管接頭、制動三通接頭、墊片和墊圈。2.青銅除黃銅和白銅(銅-鎳合金)以外的其他銅合金稱為青銅，其中含錫元素的稱為錫青銅，不含錫元素的稱為無錫青銅； 錫青銅有良好的塑性、耐磨性及耐蝕性，有優良的鑄造性能，主要用于耐磨損零件和耐蝕零件的制造，如蝸輪、軸瓦等。（三）軸承合金在滑動軸承中用于制造軸瓦或內襯的合金稱為軸承合金。滑動軸承具有承壓面積大、工作平穩、無噪聲以及修理、更換方便等優點，應用廣泛。常用的軸承合金主要是非鐵基金屬合金，其分類方法依據合金中含量多的元素分類，主要有錫基、鉛基和鋁基軸承合金等。錫基和鉛基軸承合金又稱為巴氏合金，是應用廣泛的軸承合金。常用的軸承合金有ZSnSb12PblOCu4；另外有些鑄造青銅也可做軸承合金，如ZCuPb30、ZCuSnl0Pl、ZCuAll0Fe3等。【思考題】1.什么是鋼？它分哪幾類？2.什么是鑄鐵？它分哪幾類？3.說明下列鋼號的含義及鋼材的主要用途：Q235、45、T12A、1Cr13、W18Cr4V、GCr15、Cr12、65Mn。單元二汽車常用非金屬材料第一節高分子材料簡介第二節復合材料簡介一、高分子材料簡介（一）塑料塑料是一種以有機合成樹脂為主要組成的高分子材料，它通常可在加熱、加壓條件下被塑造或固化成型，得到所需的固體制品，故稱為塑料。1.塑料的組成塑料的主要成分是有機合成樹脂，也可加入各種增強材料、填料、增塑劑、固化劑、穩定劑、著色劑和阻燃劑等。（1）合成樹脂合成樹脂是指由低分子化合物通過縮聚或加聚反應合成的高分子化合物，如酚醛樹脂、聚乙烯等。合成樹脂是塑料的豐要組成物，是塑料的基體材料，它決定了塑料的基本性能，并起著粘接劑的作用。在一定的溫度和壓力的條件下，合成樹脂可軟化并塑造成形。在工程塑料中，合成樹脂的含量約占40%～100%。（2）添加劑添加劑是指為改善或彌補塑料的物理、化學、力學或工藝性能而特別加人的其他成分的助劑。常用的有以下幾種：①填料或增強材料②固化劑③增塑劑④穩定劑2.塑料的性質塑料是生產和日常生活中應用最廣泛的材料之一。優點：

重量輕；成型自由，可制造復雜形狀，加工成本低；良好的耐腐蝕性；優良的絕緣性；自潤滑性；著色自由、手感柔性；可進行二次加工(著色、光亮處理、涂裝、浮雕等)。缺點：強度低；耐熱性差，耐疲勞性差；修理性不好；耐侯性差；耐蠕變性差；尺寸不穩定；廢棄處理困難。3.塑料在汽車上的應用圖3-1現代承載式汽車上使用的塑料件的部位（二）合成纖維合成纖維是以石油、天然氣、煤和石灰石等為原料，經過提煉和化學反應合成高分子化合物，再將其熔融或溶解后紡絲制得的纖維。纖維材料在汽車上多用于內部裝飾。 1.常用汽車織物纖維常用汽車織物纖維有棉纖維、羊毛纖維和合成纖維等。2.汽車上纖維材料使用的部位纖維材料在汽車上的使用部位主要是座椅罩布、頂棚、地毯、車門內護板飾面、行李箱護板飾面等。（三）橡膠所謂橡膠，是指在使用溫度范圍內處于高彈性狀態的高分子材料。橡膠廣泛地應用于彈性材料、密封材料、減振防振材料和傳動材料，在工業生產中有著重要的地位，是一項重要的工業材料。（四）膠粘劑近年來，與焊接、鉚接、螺栓連接等傳統的連接形式并駕齊驅的一種連接方式稱為膠接，它是采用膠粘劑連接工件的。膠粘技術是一種實用性很強，并已在許多領域得到廣泛應用的新技術、新工藝，它已成為一門新興的獨立的邊緣科學。膠粘劑又稱粘合劑或粘接劑，俗稱膠。它是一類通過粘附作用，使同質或異質材料連接在一起，并在膠接面上有一定強度的物質。（五）涂裝材料涂裝材料是一種流動狀態的或粉末狀態的有機物質，可以采用不同的工藝將其涂覆在物體表面上，形成粘附牢固、具有一定強度的連續固態薄膜。 涂料的組成中包含成膜物質、顏料、溶劑、助劑四個組分。1.涂料的作用(1)保護作用。(2)裝飾作用。(3)特殊功能作用。2.涂料的特點(1)涂料的適用面廣，可廣泛應用于各種不同材質的物體表面。(2)能適應不同性能的要求。(3)涂料使用方便，一般用比較簡單的方法和設備就可以進行施工。(4)涂膜容易維護和更新，這是應用涂料的優越性之一。(5)涂膜大都為有機物質，且一般涂層較薄，其裝飾保護作用有一定的局限性，只能在一定的時間內發揮一定程度的作用。二、復合材料簡介（一）纖維增強高分子基復合材料(FRP)FRP是汽車輕量化的最重要的材料。FRP主要是由三部分組成：①纖維。多為玻璃纖維、碳纖維和陶瓷短纖維等，特別是玻璃纖維在價格、生產和性能方面有明顯的優勢。纖維含量在25%～30%；②樹脂。聚丙烯塑料PP、聚乙烯塑料PVC、聚二烯塑料PE、ABS等不飽和聚酯和熱塑料性樹脂；③填充料。常用中空的玻璃微球。制作過程中，加入適當的硬化劑和增粘劑，使用先進的成型工藝，便可得到成形流動性號的高分子基復合材料。1.玻璃纖維增強塑料根據基體的不同，玻璃鋼又可分為熱塑性和熱固性兩大類。

(1)熱塑性玻璃鋼。它是以玻璃鋼纖維為增強劑和以熱塑性脂為粘結劑制成的復合材料。

玻璃纖維抗拉強度可達1000～3000MPa；耐熱性高，在250℃以下力學性能變化不大；化學穩定性好；主要缺點是脆性較大。但玻璃纖維與合成樹脂結合在一起，便形成了性能較好的玻璃鋼。應用較多的熱塑性樹脂是尼龍、聚烯烴類、聚苯乙烯類、熱塑性聚酯和聚碳酸酯5種。汽車上常用的熱塑性玻璃鋼是聚苯乙烯玻璃鋼、尼龍66玻璃鋼，主要用于制作汽車內飾材料、汽車儀表殼罩、汽車燈罩等。

(2)熱固性玻璃鋼。它是以玻璃纖維為增強劑和以熱固性樹脂為粘結劑制成的復合材料。常用的熱固性樹脂為酚醛樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂和有機硅樹脂等4種。酚醛樹脂出現最早，環氧樹脂性能較好，應用都較普遍。熱固性玻璃纖維增強塑料集中了其組成材料的優點，即質量輕、比強度高，耐腐蝕性好、介電性能優越，成形性能良好的工程材料。它們的比強度比銅合金和鋁合金高，甚至比合金鋼還高；但剛度較差，僅為鋼的1/10-1/5，耐熱性不高(低于200℃)，容易老化，容易蠕變等。汽車常用的熱固性玻璃鋼為聚酯樹脂玻璃鋼。2.碳纖維增強塑料碳纖維增強塑料是指具有基體和碳纖維復合特性的復合材料，主要是以環氧樹脂基體、碳纖維為基體的環氧樹脂基碳纖維增強塑料。它的抗拉強度和疲勞強度高、密度低、耐磨性好、耐蝕性好、膨脹系數小、能導電、伸長率小、抗沖擊性差；常用的碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)的比強度高、質量輕、抗沖擊，根據碳纖維編織取向和含量的合理設計，靈活利用材料的各項異性特征和可調剛性，將CFRP壓制成任何所需的形狀，1根由CFRP制成的驅動軸可代替2根鋼鐵軸，使質量減輕50%，并大幅度降低車內噪聲，還可使車身前后方向振動大幅降低。（二）金屬基復合材料增強金屬基復合材料通常是由低強度、高韌性的基體和高強度、高彈性模量的纖維組成的。金屬基復合材料的基體大多采用鋁、銅、鋁合金、銅合金、續合金和鎳合金。增強材料一般為纖維狀、顆粒狀和晶須狀的碳化硅、硼、氧化鋁和碳纖維，要求具有高的強度和彈性模量(抵抗變形及斷裂)、高耐磨性(防止表面損傷)與化學穩定性(防止與空氣和基體發生化學反應)。汽車工業上應用碳化硅顆粒鋁合金基復合材料發展最快。它的強度比中碳鋼好，比鋁合金略高，與鐵合金相近，其耐磨性也比鐵合金、鋁合金好，密度只有鋼的1/3，與鋁相近。汽車上用來制作汽車活塞、制動部件等。（三）陶瓷基復合材料

陶瓷具有耐高溫、抗氧化、高彈性模量和高抗壓強度等優點。但由于脆性大經不起沖擊，因而限制了陶瓷的使用。

陶瓷基復合材料具有高強度、高模量、低密度、耐高溫、高的耐磨性和良好的韌性，目前已用在高速切削工具和內燃機部件上。汽車工業的研究重點是替代金屬制造發動機的零部件。汽車發動機部件以至整機，用陶瓷材料可以提高熱效率、無需水冷，而且比硬質合金的質量輕得多。例如，采用氮化硅陶瓷復合材料制造發動機的渦輪增壓器，比鐮基熱合金渦輪增壓器的質量減輕34%，從起動到104r/min所需的時間縮短了36%。（四）復合材料的發展①由宏觀復合向微觀復合形式發展②由雙元混雜復合向多元混雜和超混雜方向發展③由結構復合材料為主向與功能復合材料并重的局面發展④由被動復合材料向主動復合材料方向發展⑤由復合材料的常規設計向仿生和計算機輔助設計(CAD)方向發展【思考題】1.什么是高分子材料？汽車上常用的高分子材料有哪些？2.什么是復合材料？汽車上常用的復合材料有哪些？單元三汽車常用耗材汽車耗材不僅關系到汽車的可靠性和安全性，還關系到能源節約和環境保護。隨著現代汽車新技術的發展和汽車排放要求的提高，汽車常用耗材將緊緊地圍繞著環保、節能、安全、舒適性這四個方面向前發展。一、汽車燃料及代用能源（一）車用汽油汽油是當今汽車最常用的燃料，汽車的名稱也由此而來。汽油是從石油中提煉得到的密度小、易于揮發的液體燃料，自燃點為415～530℃。因為揮發性高，易汽化成氣體，與空氣混合后便可成為供汽油發動機點燃的可燃混合氣。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種條件下燃燒的抗爆燃的能力。（2）汽油的蒸發性汽油由液體狀態轉化為氣體狀態的性能，稱為汽油的蒸發性。（3）汽油的氧化安定性

汽油的氧化安定性是表示汽油在儲存、運輸、使用過程中抵抗氧化生膠的能力。（4）汽油的腐蝕性汽油成分中的各種烴類都沒有腐蝕性，而引起腐蝕的物質是硫及硫化物、有機酸及水溶性酸和堿。汽油在使用中不應引起機件的腐蝕，故對汽油的腐蝕性有嚴格的要求。控制汽油腐蝕性的指標有硫分、銅片腐蝕試驗、酸度及水溶性酸或堿。2.車用汽油牌號的選用選擇汽油牌號時應注意以下幾點:（1）根據汽車使用說明書的要求選擇發動機（或汽車）使用說明書上，生產廠家選定了該發動機（或汽車）的燃油牌號,或在油箱蓋上標明。（2）根據汽車發動機壓縮比選擇汽油機壓縮比e<88<e<9e>9汽油牌號909397適用車型貨車、客車、農用車、摩托車一般轎車、摩托車高級轎車（3）根據使用條件選擇高原地區大氣壓力小，空氣稀薄，汽油機工作時爆振傾向減小，可以適當降低汽油的辛烷值。一般海拔每上升100m，汽油辛烷值可降低約0.1個單位。經常在大負荷、低轉速下工作的汽油機，應選擇較高辛烷值汽油。（4）根據使用時間調整汽油牌號的選擇發動機使用時間較長后，由于燃燒室積炭、水套積垢等會使發動機壓力增加，此時，再使用原牌號汽油時發動機會有爆燃，因此，這類汽車在維護后應該燃用高一級的汽油。（5）汽車使用者應重視汽油的質量加入質量低劣的燃油，會使動力性差、排放高、油耗高、嚴重的會使發動機機件損壞。（二）輕柴油1.柴油的性能輕柴油的使用性能主要有十六烷值、低溫流動性、蒸發性、粘度、含硫量等。（1）十六烷值柴油的燃燒性又叫發火性，表示柴油的自燃能力。輕柴油用十六烷值表示柴油的自燃能力。十六烷值的測定方法與測定汽油的辛烷值相似。以發火性最好的正十六烷，并把它的十六烷值定為100個單位和以發火性最差的2-甲基萘，并把它的十六烷值定為0個單位為兩個基準物，按不同體積混合這兩種基準物，就可獲得十六烷值從0～100單位的標準燃料。柴油的十六烷值影響柴油的燃燒性和柴油機的工作粗爆性。十六烷值高，其自燃點低，著火延遲期短，燃燒均勻，不易產生工作粗爆，工作循環效率高。但柴油的十六烷值不能過高，若超過一定值后，不但沒有必要，反而會加大耗油量。（2）低溫流動性柴油隨著溫度的降低其流動性會變差。柴油的牌號是由凝點的高低劃分的，如10號柴油表示凝點不高于10℃，國產輕柴油的規格有10號、0號、-10號、-20號、-35號等幾種。（3）蒸發性柴油從液態轉化為氣態的性能，稱為柴油的蒸發性，以餾程和閃點來表示，決定形成柴油混合氣的質量。（4）粘度粘度是表示柴油稀稠程度的指標，粘度隨溫度的變化而改變。柴油的粘度是指20℃的運動粘度。柴油的粘度與流動性、蒸發性、燃燒性、潤滑性均有關系。粘度大的柴油，流動性差，霧化質量差，燃燒不完全排氣冒黑煙，油耗大；粘度過小的柴油，會增加噴油泵的柱塞副之間，噴油器的針閥與針閥體之間的柴油漏失量，并降低這些精密偶件間的潤滑作用，加劇其磨損。因此柴油的粘度應適宜。（5）腐蝕性柴油的腐蝕性是指其硫分、酸分、水溶性酸或堿對金屬材料的腐蝕作用。由含硫量、酸度。水溶性酸和堿及腐蝕試驗4個指標來控制。2.柴油牌號的選用根據柴油機轉速選用輕或重柴油，轉速1000r/min以上的選用輕柴油；根據柴油機燃燒室的結構，確定柴油的質量等級，如直噴柴油機、增壓柴油機、以及進口柴油機，應選用優級品柴油。柴油應根據不同地區和季節進行選用。氣溫低的地區，選用凝點較低的輕柴油；氣溫較高的地區，選用凝點較高的柴油。由干凝點低的柴油油價較高，在氣溫允許的情況下，盡量延長高凝柴油的使用時間。一般選用柴油的凝點應比最低氣溫低3～5℃，以保證最低氣溫時不致凝固而影響使用。（三）汽車新能源汽車上使用較為普遍的清潔代用燃料有：天然氣、液化石油氣、電能、氫、太陽能、醇類、醚類和合成燃料等。它們之所以被稱為清潔代用燃料，是由于它們的相對分子質量比汽油、柴油小得多，對燃料和空氣的混合、燃燒、抑制炭煙都有利。替代能源汽車優點 缺點 現狀及前景電動汽車電能來源方式多直接污染及噪聲小結構簡單，維修方便.蓄電池能量密度小，汽車續駛歷程短，動力性差2.電池重量大，壽命短，價格較高3.蓄電池充電時間長4.電池制造和處理存在污染從總體看仍處于實驗研究階段，推廣使用還需一定時間，但有希望成為未來汽車主體氫氣汽車不產生有害氣體氫的熱值高氫氣生產成本高2.氣態氫能量密度小且儲運不便，液態氫技術難度大，成本高3.需要開發專用的發動機仍處于基礎研究階段，但有希望成為未來汽車的重要組成部分，前景難以預測甲醇（乙醇）汽車.甲醇、乙醇可以利用生物、煤炭制取，來源有長期保障2.儲運方便3.辛烷值較高.甲醇毒性較大，而且對金屬和橡膠件有腐蝕2.污染較大，與汽油相當3.成本較高目前世界上有相當數量的汽車燃燒甲醇（乙醇）和汽油的混合燃料，發展緩慢。天然氣汽車1.天然氣資源豐富，在今后相當長的時間內有充足的保障2.污染很小3.天然氣辛烷值高4.天然氣價格低5.技術成熟1.天然氣是非再生能源，不能作為根本性的替代能源2.汽車采用天然氣會降低動力性3.單燒天然氣時須設計專門發動機在許多國家已獲得廣泛使用并被大力推廣，在21世紀將成為汽車燃料的主流之一。液化石油氣汽車.污染小2.儲運較方便3.技術成熟4.液化石油氣辛烷值較高1.液化石油氣是非再生能源且資源沒有天然氣豐富2.汽車動力性有所下降單燒液化石油氣時最好設計專門的發動機目前世界上液化石油氣汽車的保有量350萬輛，是21世紀汽車的主流之一二、汽車潤滑材料（一）發動機潤滑油1.發動機潤滑油的作用潤滑作用、清潔作用、冷卻作用、密封作用。2.發動機潤滑油的性能

粘度——潤滑油因溫度變化而改變粘度大小的性質稱為粘溫性能。

凝點——是指潤滑油在一定試驗條件下受冷后失去流動性的最高溫度。

氧化安定性——是指潤滑油在一定使用條件下，抵抗氧化作用并阻止生成膠質的能力。

機械雜質和水分——是指以沉淀和懸浮狀態處于油料中的雜質。

殘炭——石油產品在規定試驗條件下受熱蒸發而形成的焦黑色殘留物，稱為殘炭。

灰分——油品在規定條件下灼燒后所剩下的不燃物質稱為灰分。

閃點——閃點表示潤滑油蒸發強度及餾分組成。（3）發動機潤滑油的類型目前我國發動機機油由質量等級（也稱SAE分級）和粘度等級兩部分組成，如SF15W/40，SF為質量等級，15W/40為粘度等級。

粘度等級分為40、30、15W/40、10W/30、5W/30、5W/20等，其中不帶W的稱為單級油，低溫性能一般；帶W的稱為多級油，從15W到5W低溫性能逐級提高。汽油機用油質量等級分為（S系列）SB、SC、SD、SE、SG、SH、SJ、SL等，柴油機用油質量等級分為（C系列）CA、CC、CD、CE、CF等，等級逐級提高。4.發動機潤滑油的選用發動機潤滑油的選用，首先根據說明書的要求，結合使用條件,確定其牌號，質量等級比最低要求要高，而不能低；粘度等級選擇要考慮車輛的冬季最低溫度和夏季最高溫度，達到冬夏通用，以避免換季使用造成浪費。

（二）汽車齒輪油1.齒輪油的工作環境和作用

汽車齒輪油主要用于變速器、分動器、主減速器、轉向器等傳動機件摩擦處。與發動機潤滑油相比，齒輪油工作溫度不高，但油膜承受的單位壓力較大，且齒輪油在速度變化大、回轉次數多的條件下工作。齒輪油的主要作用是潤滑作用，降低齒輪及其他運動件的摩擦與磨損；清潔、冷卻；緩沖、減振、清噪作用。2.齒輪油的性能適宜的粘度與粘溫特性。汽車傳動機構溫度變化大，要求汽車齒輪油粘度變化范圍小。3.齒輪油的牌號、選用（1）齒輪油的牌號齒輪油的分類也按SAE法和API法。按SAE法分為：70W、75W、80W、85W、90、140、250等。按API法分為GL-3到GL-5等。（2）齒輪油的選用齒輪油的選用主要根據汽車傳動齒輪的類型、工作負荷以及使用地區、季節氣溫等因素。氣溫低，選用凝點較低，粘度較小的牌號；反之則用粘度大，凝點較高的牌號。齒輪油牌號的具體選擇參考汽車的使用說明書。（三）潤滑脂潤滑脂（俗稱黃油）是半固體膏狀潤滑劑，具有良好的粘附性，不易飛散、流失，可以在無密封和受壓較大的摩擦零部件上使用。1.潤滑脂的主要性能指標

滴點——滴點是指潤滑脂因溫度升高而呈現液態滴下時的溫度，它代表潤滑脂的耐熱性。

針入度——是用規定的圓錐體，在一定溫度下沉入潤滑脂5，其沉入深度的10倍數值。

腐蝕性——潤滑脂本身對金屬零件不應有腐蝕作用，因此潤滑脂不能含有過量的游離酸、游離堿或活性硫化物，并且不含有游離水，因為水分對金屬有腐蝕作用。2.潤滑脂的牌號汽車常用潤滑脂的種類有鈣基潤滑脂、鈉基潤滑脂、鈣鈉基潤滑脂、鋰基潤滑脂。三、汽車特種液（一）汽車制動液制動液俗稱剎車油（如圖4-4），用于液壓制動系統中傳遞壓力以制動車輪。圖4-4汽車制動液1.汽車制動液的性能要求①良好的低溫流動性、高溫安定性、穩定性，以保證在各種氣溫條件下汽車的可靠制動。②沸點高，蒸發損失小，不產生氣阻，且吸水性小。③對橡膠制品的侵蝕小，使橡膠密封制品不易硬化收縮或膨脹，以保證液壓制動系統的密封。④對制動系中所接觸的金屬零件無腐蝕性，適宜的粘度和一定的潤滑能力。2.制動液的種類

醇型制動液其特性是凝點較低，潤滑性能好，橡膠皮碗膨脹率小。主要缺點是，沸點較低，高溫行車時易產生氣阻，低溫性能差，不宜在-25℃以下的氣溫環境下使用。按加入醇類的不同分為1號、2號兩種。礦油型制動液礦油型制動液質量好，能保證溫度在-70℃～150℃范圍內制動可靠，我國各地區冬季、夏季均可使用。按運動粘度分為7號和9號兩種。

合成型制動液其特點是凝點低，低溫流動性好，沸點高，工作溫度可達150℃左右，對橡膠不產生侵蝕溶脹。3.使用制動液的注意事項各種制動液絕對不能混合使用，因混合后會出現分層，失去制動作用；制動液使用前必須檢查其中是否有白色沉淀，若有應濾除后使用；行駛4萬公里后應更換制動液一次，更換時必須將原有制動系統清洗干凈；灌注制動液的容器必須專用；使用和保管時應防止水分混入引起變質。（二）液力傳動油 液力傳動油也稱自動變速器油（如圖4-5）。圖4-5液力傳動油液力傳動油的使用溫度在-25～170℃之間，溫度變化范圍大。液力傳動油的主要作用有傳遞動力，控制液壓傳動，潤滑齒輪和軸承3個方面的功能。作為傳遞動力的介質，粘度越低，傳遞效率越高，而另外兩個作用則要求具有一定的粘度，因此液力傳動油應有適當的粘度。自動變速器內的液壓控制機構對油內的雜質十分敏感，即使有少量的油泥也會顯著影響其功能，所以液力傳動油的抗氧化性規定得很嚴格。自動變速器中使用多種橡膠密封材料，液力傳動油不應使這些橡膠材料產生顯著的壓縮膨脹。液力傳動油除應具備上述性質外，還要求具有良好的抗磨損性，適當的摩擦特性及抗泡沫性。（三）防凍液汽車防凍液（如圖4-6）加在發動機水箱中，能提高冷卻液（水）的使用效能，降低水的冰點，提高水的沸點，不腐蝕水箱、水套，不形成水垢。可冬夏通用，幾年不換。所以用防凍液代替水能減輕駕駛員勞動強度，提高汽車使用效率。常用的汽車防凍液為水與乙二醇，水與酒精，水與甘油按比例混合而成。酒精與水型防凍液，沸點低、蒸發快、易引起火災；油與水型防凍液，降低冰點的效率低，不經濟；乙二醇與水型防凍液具有熱容量大、冷卻效率高、粘度小的特性，使用中乙二醇的揮發很少，只需補充蒸發掉的水分。乙二醇一水型防凍液有毒，嚴禁入口。【思考題】1.汽油的牌號是如何確定的？常用的汽油牌號有哪些？2.柴油的牌號是如何確定的？常用的柴油牌號有哪些？3.如何正確選用汽油和柴油？4.常用的汽車潤滑材料和特種液有哪些？它們的作用是什么？模塊二構件力學分析基礎單元一構件靜力分析【教學目標】1、熟悉靜力分析的研究對象、內容2、掌握剛體、平衡、力的概念3、掌握四個公理4、力矩、力偶的基本概念、定理【教學內容】1、熟悉靜力分析的基本概念、內容2、掌握剛體、平衡、力的概念3、掌握四個公理4、力矩、力偶的基本概念、定理一、靜力學的基本概念力的作用例子

力的概念是人類在長期的生產生活中逐漸建立的；

力與生活和生產勞動密不可分；

力作用的例子：萬有引力、汽車動力、打球、人們的推、拉、投、走路、跑步等；（一）力的概念1.力是物體間的相互機械作用2.力對物體作用效應外效應：使物體的運動狀態發生改變；內效應：使物體的形狀發生改變3.力是矢量:力矢用大寫黑體字母“F”表示4.力的三要素：力的大小、方向、作用線5.力的單位：牛[頓]（N）或千牛（kN）分布力與集中力（二）力系的概念力系——作用于剛體上的一群力。合力：

若一個力和一個力系等效，則這個力就稱為該力系的合力；力系中的每個力就稱為力系的分力；

將一個復雜力系簡化為一個簡單力系或一個力的過程，稱為力系的簡化。力系的分類平面力系：力的作用線均在同一個平面內匯交力系：作用線匯交于一點；平行力系：作用線相互平行；一般力系：作用線既不完全匯交，又不完全平行；空間力系匯交力系平行力系一般力系（三）剛體的概念剛體——在力的作用下，其物體內部任意兩點之間的距離始終保持不變。

剛體是靜力學中對物體進行分析所簡化的抽象化力學模型（變形很小可忽略不計時）。

實踐證明：將物體抽象為剛體可使力學分析大大簡化且結果足夠精確，既是工程分析允許的,也是認識力學規律所必需的。但剛體這一模型的使用是有條件和范圍的,即在靜力學范圍內構件可看作剛體。剛體示例（四）平衡的概念定義：

物體相對于慣性參考系處于靜止或勻速直線運動狀態。

平衡是相對的，是運動的特例，平衡的規律遠比一般規律簡單。工程上有很多平衡問題。

建立在地球上，并相對于地球不動的參考系稱為慣性參考系。平衡力系：

一個物體受某力系作用而處于平衡，則此力系稱為平衡力系。

力系使物體平衡而需要滿足的條件稱為力系平衡條件。二、靜力學公理靜力學公理概括了力的各種性質，是靜力分析的理論基礎。公理一：二力平衡公理

作用于剛體上的兩個力使剛體平衡的必要和充分條件是：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”。矢量式：

F1=－F2二力構件二力平衡公理揭示了作用于物體上最簡單的力系平衡時所應滿足的條件。工程上受兩個力作用而平衡的剛體稱為“二力構件”或“二力體”。二力構件平衡時其所受的兩個力必沿著兩個力作用點的連線，而且兩力大小相等，方向相反。圖中桿CD也是二力構件二力構件的實例1二力構件的實例2

在進行構件受力分析時，能正確判斷其是否為二力構件，可使問題順利解決。這點很重要！ABF1F2F2F1CD公理二：加減平衡力系公理

在一個剛體上加上或減去一個平衡力系，不改變剛體的原狀態。AB==ABAB這一公理是研究力系等效變換的理論基礎推論1：力的可傳性原理

作用于剛體的力可以沿其作用線滑移至剛體的任意點，不改變原力對該剛體的作用效應。應用:加減平衡力系原理及其推論是力系簡化的重要依據之一。公理3：力的平行四邊形公理

作用在物體上同一點的兩個力可以合成為一個力，合力的作用點仍作用在這一點，合力的大小和方向由這兩個力為鄰邊所構成的平行四邊形的對角線確定。矢量表示法：FR=F1+F2推論2：力的平衡匯交定理

剛體受三個力的作用而平衡，這三個力必匯交于一點F3F2F1F3FROF2F1應用：三力平衡匯交定理

當剛體受到三個互不平行的共面力作用時，可用此推論確定未知力的方向。ABDPFTFA公理四：作用力與反作用力公理

任何兩個物體間相互的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，沿著同一條直線，分別作用在這兩個物體上。G2G1G1FN1FN1′G2FN成對出現，有作用力就必然有反作用力。分別作用于不同物體上，故不能互相抵消。與二力平衡公理中的“一對平衡力”是不同的，不能相互混淆。三、力矩與力偶內容力對點之矩與和力矩定理力偶及其性質平面力偶系的合成與平衡條件力對點之矩合力矩定理力偶和力偶矩力偶的性質力偶系的合成力偶系的平衡（一）力對點之矩和合定理力矩：將力（F）使物體繞點（D）轉動效應的物理量稱為力F對D點之矩，簡稱力矩。并用MO(F)表示，即MO(F)=±Fd（Nmm）O點稱為力矩中心，簡稱矩心；D點到F作用線的垂直距離d稱為力臂

式中正負號表明對點之矩是一個代數量，其正負規定為：力使物體繞矩心作逆時針方向轉動時，力矩為正，反之為負。（二）合力矩定理

若力系有合力，則合力對某點之矩等于各個分力對同一點之矩代數和。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：圓柱直齒輪，分度圓半徑r=80mm，Fn=1000N，α=20°，試計算力對軸心0的力矩。解：(1)按力對點之矩的定義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）力偶及其基本性質力偶：由兩個大小相等、方向相反的平行力組成的力系，稱為力偶。1力偶和力偶矩FF′力偶矩：力偶的兩力之間的垂直距離d稱為力偶臂。以力與力偶臂的乘積作為度量力偶在其作用面內對物體轉動效應的物理量，稱為力偶矩。M（F，F′）=±Fd一般規定：逆時針轉向力偶為正，順時針轉向力

偶為負。力偶矩的單位為N·m。力偶的三要素：力偶的大小

轉向

作用面力偶的性質力偶對其作用面內任意點的力矩值恒等于此力偶的力偶矩，而和力偶與矩心間的相對位置無關。力偶無合力，在任何坐標軸的投影和恒為零。力偶不能與一個力等效，也不能用一個力來平衡，力偶只能用力偶平衡。力偶的等效性，在同一平面內的兩個力偶，如果它們的力偶矩大小相等，轉向相同，則兩力偶等效，且可以相互代換。此即為力偶的等效性。（四）平面力偶系的合成與平衡條件1.力偶系的合成

設在剛體基本平面上有力偶M1、M2、…Mn的作用，現求其合成結果。根據力偶的性質，力偶對剛體只產生轉動效應，其合力偶矩等于各分力偶矩的代數和。即：M=M1+M2+…+Mn=∑M（五）力偶系的平衡

力偶系的平衡的必要與充分條件是：力偶系中各分力偶矩的代數和等于零。即氣缸蓋

如圖所示，多孔鉆床在氣缸蓋上鉆四個直徑相同的圓孔，且每個鉆頭作用于工件的切削力偶矩為M1=M2=M3=M4=1.5N·m。轉向如圖。求鉆床作用于氣缸蓋上的合力偶矩MR。

各力的作用線分布在同一平面內的任意力系，稱為平面任意力系。1.力的平移定理

可以把作用在剛體上點A的力F平行移到任一點B，但必須同時附加一個力偶，這個附加力偶的矩等于原來的力F對新作用點B的矩。2.平面任意力系向一點的簡化

一般力系（任意力系）向一點簡化

匯交力系+力偶系

（未知力系）

（已知力系）

匯交力系力，R'(主矢)，(作用在簡化中心)

力偶系力偶，MO(主矩)，(作用在該平面上)

大小：主矩MO

方向：方向規定+—

簡化中心：(與簡化中心有關)

（主矩等于各力對簡化中心取矩的代數和）解題思路:取氣缸蓋為研究對象，作用于其上各力偶矩大小相等、轉向相同，且在同一平面內。此合力偶矩為

MR=Ml+M2+M3+M4=

-15×4N·m=

-60N·m【小結】力對點之矩與和力矩定理力偶及其性質平面力偶系的合成與平衡條件力對點之矩合力矩定理力偶和力偶矩力偶的性質力偶系的合成力偶系的平衡四、約束、約束力與受力圖的應用（一）約束與約束反力約束的有關定義：

自由體——凡是能在空間作做任意運動的物體稱為自由體。例：空中飛機、小鳥等。

非自由體——如果物體受到其它物體對它的限制，在某些方向不能自由運動則稱為非自由體。約束的有關定義

約束——限制某物體運動的裝置稱為該物體的約束。

約束反力——當非自由體沿約束所限制方向有運動趨勢時，約束與非自由體之間便產生相互的作用力，稱為約束反力。

例如:汽車輪軸、地面是車輪的約束等,軸對輪施加約束反力,軸承對軸施加約束反力,地面對車輪的支承力也為約束反力。物體受力可分:主動力與約束反力

主動力——凡是能主動引起物體運動狀態改變或有使物體運動狀態改變趨勢的力稱為主動力。主動力有時也叫載荷，一般大小、方向已知或可計算，如重力、風力等。

非自由體的平衡可看作是作用于其上的主動力與約束反力的平衡。

約束反力是由主動力引起的，是一種被動力，也是未知力。（二）常見約束類型及約束反力確定約束的分類柔性約束：繩子、鋼絲繩、皮帶、鏈條等剛性約束光滑接觸約束：如齒輪、凸輪接觸光滑鉸鏈約束：分中間鉸、固定鉸和活動鉸固定端約束：如外伸梁軸承約束：向心軸承、推力軸承FT1.柔性約束柔性約束的特點只能限制物體沿柔體伸長方向的運動,只能受拉，不能受壓。柔性約束反力確定:作用于觸點,沿柔體中心,背離被約束物體柔性約束的特點：繩子G桿F1F2FT1FT22.光滑接觸面約束（接觸面摩擦力很小可忽略不計時）約束特點:只能限制沿接觸點的法線方向趨向支承面的運動約束反力的確定：通過接觸點，沿著接觸面公法線方向，指向被約束的物體，即物體受壓。光滑接觸的約束反力通常用ＦN表示。光滑約束接觸實例光滑約束接觸實例3.光滑鉸鏈約束（簡稱鉸鏈約束）組成及特點

兩物體分別鉆有直徑相同的圓柱形孔，用一圓柱形銷釘連接起來，在不計摩擦時，即構成光滑圓柱形鉸鏈約束，簡稱鉸鏈約束。光滑鉸鏈曲柄滑塊機構1—銷軸，2—氣缸，3活塞，4

—軸承，5

—曲軸，6

—連桿鉸鏈約束分類連接鉸鏈（中間鉸）固定鉸鏈支座活動鉸鏈支座球型鉸鏈支座（空間約束）（1）連接鉸鏈（中間鉸）結構特點：如圖示，用銷釘聯接兩有孔零件，兩被聯接件均可繞銷軸轉動，例如圖1-18發動機中連桿與活塞、連桿與曲軸的聯接約束特點：兩零件均可相對轉動又互相制約約束反力在確定：其約束反力用過銷軸中心的兩個正交的分力FX、和FY表示，如圖下所示。（2）固定鉸鏈支座約束特點：如果中間鉸鏈中的構件之一與地基或機架相連，便構成固定鉸鏈支座如圖1-19所示。約束反力的確定：約束反力通過銷軸中心，方向隨主動力方向而不同，用過銷軸中心的兩個正交的分力FX、FY表示。x固定鉸鏈支座固定鉸鏈支座的計算簡圖三種形式約束特點：在鉸鏈支座的底部安裝一排滾輪，可使支座沿固定支承面移動，只能限制構件離開和趨向支承面的運動。

在工程結構中經常采用這種約束。目的是適應構件變形。計算簡圖如下：（3）活動鉸鏈支座約束反力的確定：其約束反力通過鉸鏈中心且必垂直于支承面研究對象的選取既可以是單個物體也可以是幾個物體組成的系統（物系）內力與外力如果所取的分離體是由某幾個物體組成的物體系統時，要注意分清“內力”和“外力”:外力——系統以外物體對物體系統的作用力內力——系統內物體間相互作用的力注意：取物體系統為研究對象畫受力圖時，只畫外力，而不畫內力。（三）畫分離體的受力圖例1題略FGFFT′FYFXGFT例2ABDABGODGOPFTFD′FEFDFA例3（略）畫AB梁的受力圖。FAyFAxFBG畫分離體的受力圖的注意事項力是物體間相互的機械作用，物體所受每一個力均應清楚哪個是施力物體，以免多畫或漏畫力應嚴格區分約束反力類型注意運用“作用力與反作用力”公理來判斷和檢查柔性約束的約束反力只能是拉力不會是壓力特別注意運用“二力構件”來進行受力分析五、平面匯交力系及平面力偶系【教學要求】1、掌握平面匯交力系簡化與合成方法、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、平面任意力系的簡化與合成（一）平面匯交力系的合成與簡化平面匯交力系是一種基本力系，是研究一般力系的基礎。平面匯交力系中分力可以是兩個、三個或更多，由兩個匯交力組成的力系是最簡單的平面匯交力系。F2F1O平面匯交力系平面匯交力系可以合成為一個合力合力：若一個力和一個力系等效，則這個力就稱為該力系的合力。分力：力系中的每個力就稱為力系的分力；力系的簡化：將一個復雜力系簡化為一個簡單力系或一個力的過程，稱為力系的簡化。平面匯交力系合成方法：幾何法、解析法1.平面匯交力系合成的幾何法兩個匯交力的合成

平行四邊形法則：矢量式為FR=F1+F2

OFRF1F2兩個匯交力的合成力三角形法則：平邊四邊形法則可以簡化，用一個力三角形表示畫力三角形方法：

先作力F1，在F1的末端接畫力F2，即將分力按其方向及大小首尾相連，再連接由F1始端指向F2末端的矢量，即為合力FR。由F1、F2、FR

組成的三角形稱為力三角形。（P19）。兩個匯交力的合成力三角形法則：OFRF1F2F1F2AFRAF1FRF2

平邊四邊形法則可以簡化，用一個力三角形表示.任意個匯交力的合成合成的方法：連續使用“力三角形法”

——力多邊形法則：OF1F2F4FRF1F2F3FRFR12FR123F4任意個匯交力的合成

上圖中，中間合力FR12，FR123…可省略不畫，只要將力系中各力F1，F2，F3…Fn依次首尾相接形成一條折線，則由第一個力的始端指向最后一個力未端的力矢FR即為整個力系的合力FR。F1F3FRF2F4

力多邊形——由分力F1、F2、F3、F4和合力FR構成的多邊形。表示合力FR的邊稱為封閉邊。由以上分析可看出：1、力合成的順序不影響合成的結果2、合力FR必通過各分力的匯交點。任意個匯交力的合成任意個匯交力合成的矢量式：FR=F1+F2+…+Fn=∑Ｆ結論：

1、在一般情況下，平面匯交力系合成的結果是一個合力。

2、合力的作用線通過力系的匯交點。

3、合力的大小和方向由力多邊形的封閉邊表示，等于力

系中各力的矢量和。任意個匯交力的合成2.平面匯交力系合成的解析法力的分解

力的合成與分解，實質上是同一個問題。作用在一個點上的二個任意力可以合成一個力；反之，一個力可以分解成任意二個方向的力。

只要知道一個合力及一個分力的大小、方向，即可根據平形四邊形法則確定另一個分力的大小方向。力的分解兩個匯交力合成的結果是唯一的，而力的分解可以有無數結果。（以合力FR為對角線可作出多個平行四邊形）力的分解須先確定分解合力的作用線方位。在應用中，通常將一個力分解為沿兩個互相垂直的坐標軸的正交分力FX、FY

。OFRF1F2FYFXXY（1）力在坐標軸上的投影定義：力在坐標軸上分力的大小的度量。

設力F作用在物體A點，在力F的作用線所在平面內取一直角坐標系oxy，過力F的始點A和終點B分別向x軸引垂線，得到垂足a、b，則線段ab稱為力F在x軸的投影，用Fx表示。同理過A、B兩點分別向y軸引垂線得到垂足a′、b′。線段a′b′稱為力Ｆ在y軸上的投影，用Ｆy表示。力在平面直角坐標軸上的投影aba′b′力在平面直角坐標軸上的投影正負號規定如下：由a到b的方向與X軸正向一致時，力的投影為正，反之為負。圖中ＦX、ＦY均為正值。大小計算：Ｆx=±Ｆcosα

Ｆy=±Ｆsinα

合力大小由公式計算合力方向由公式β＝Fsinα或

確定。投影和分力關系

力在坐標軸上的投影是代數量,用白體字母表示；力的分力是矢量，用黑體字母表示。

力的投影Ｆx、Ｆy的絕對值分別等于分力Ｆx、Ｆy的大小，投影的正負號反映了分力Ｆx、Ｆy的方向。

當已知力在某一坐標上的投影，可確定該力在同軸上的分力的大小和方向。

根據力的投影與分力的關系，可以將較復雜的矢量運算轉化為簡單的投影代數運算。（2）合力投影定理

合力在某一軸的投影，等于各分力在同一軸上投影的代數和。F3F2F1yxAFX1FX2FX3FXRFY1FY2FY3FYRF1F2F3FRFRYFRx合力投影定理合力的投影與各分力投影的關系（3）平面匯交力系合成的解析法

力系合成的解析法——通過力矢量在直角坐標軸上的投影來表示合力與分力之間的關系方法。平面匯交力系合成的解析法方法步驟：建立適當的坐標系；求出力系中各分力在兩坐標軸上的投影FX1、FX2…、Fxn；FY1、FY2…、Fyn；根據合力投影定理求出兩坐標軸上所有投影的代數和：

∑ＦX=Ｆ1X+Ｆ2X+…+Ｆnx∑ＦY=Ｆ1Y+Ｆ2Y+…+Ｆny∑FX、∑FY即為合力ＦR在x、y軸上的投影；平面匯交力系合成的解析法根據公式

求得合力大小；由公式

求出合力與ｘ軸夾角

或由

求出合力與y軸的夾角，

從而確定合力FR方向。用解釋法求圖中的合力大小和方向X300N45o30o600N1500NY例

解：①建立直角坐標系oxy如圖所示；

②求出各分力在x、y軸上投影：

F1X=

-300NF1Y=0F2X=

-600×sin30°=

-300NF2Y=600×cos30°=

519.6N

F3X=1500×sin45°=1060NF3Y=1x300N45o30o600N1500NY③根據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：

簡化中心(與簡化中心位置無關)[因主矢等于各力的矢量和]（二）

平面任意力系的平衡條件和平衡方程1.平面任意力系的平衡方程平面任意力系平衡的充要條件是：力系的主矢和對任意點的主矩都等于零即

因為平面任意力系的平衡方程

平面任意力系平衡的解析條件是：所有各力在兩個任選的坐標軸上的投影的代數和分別等于零，以及各力對于任意一點的矩的代數和也等于零。平面任意力系平衡方程的三種形式一般式：二矩式：兩個取矩點連線，不得與投影軸垂直三矩式：三個取矩點，不得共線

[例]已知：P,a,求：A、B兩點的支座反力？解：①選AB梁研究②畫受力圖（以后注明解除約束，可把支反力直接畫在整體結構的原圖上）例.已知起重機重P=300kN，重物重W=100kN，e=0.5m,

a=5m,d=2.5m,b=4m.求起重機在滿載和空載時都不致翻

倒的配重G應多大?解：研究對象：起重機滿載時分析力：P,W,G,NA,NBGWabdePAB不向右翻倒，有NA

0解不等式得空載時P,G,NA,NB不向左翻倒GbdePAB解得（三）考慮摩擦時的平衡問題（1）摩擦：機械工作時，兩運動副元素間既有相對運動又有相互作用，故必存在摩擦。1）摩擦的不利方面：①消耗能量，降低效率。②產生熱量，溫度↑→零件熱脹.油潤滑作用↓→妨礙機械正常工作。③使運動副元素磨損。2）摩擦的有利方面：如帶傳動、螺栓聯接等都是靠摩擦正常工作的。（2）研究摩擦的目的：

在設計機械時，盡量發揮摩擦的有利方面，克服或減小摩擦不利方面。生活中的摩擦問題工程上的摩擦問題:如:機械中帶傳動,車輪與地面的作用,汽車摩擦制動等.摩擦有利與弊.如何考慮???摩擦實例1摩擦實例2關于摩擦摩擦是機械傳動中普遍存在的一種自然現象。無論是靜止或運動著的物體，它們之間都可能有摩擦力存在在分析剛體或物系的平衡問題時，在摩擦力比法向約束反力小得多時，摩擦力對所研究問題而言屬次要因素，可忽略不計。在許多情況下摩擦作為主要因素而不能忽略如：汽車的摩擦制動、皮帶傳動、機床夾具夾緊工件等等，均是利用摩擦力來工作的。摩擦也有不利的方面，它會引起發熱、摩損、降低精度和效率、縮短壽命等等。摩擦與摩擦力摩擦的物理本質很復雜，與材料性質、表面情況、相對運動性態以及環境等有關并形成了專門學科——摩擦學

摩擦的分類：滑動摩擦、滾動摩擦兩個相互接觸的物體存在相對運動的趨勢或發生相對運動時，接觸面之間由于并非絕對光滑，而在接觸面的公切線上存在阻礙兩物體相對運動的力，這種力稱為摩擦力。摩擦的分類按物體間的運動狀態分摩擦滑動摩擦滾動摩擦靜滑動摩擦動滑動摩擦

靜滑動摩擦定律FPN摩擦力F:方向:恒與物體相對滑動的趨勢方向相反大小:一般狀態下由平衡方程確定,當物體處于將動未動的臨界狀態時,由靜滑動摩擦定律計算Fmax=NfN:法相反力。f:靜滑動摩擦系數,為常數,由材料決定。滑動摩擦G1.靜摩擦力Ff當ＦP由零逐漸增加但不夠大時，物體與水平面之間產生了摩擦力物體不會向右滑動即產生了：靜摩擦力——兩個物體之間有相對滑動趨勢時接觸面之間產生的摩擦力用Ｆf表示。由平衡條件得：FN=GＦf=ＦP如果ＦP繼續增大，在某一范圍內，物體仍保持靜止狀態，但摩擦力Ｆf隨ＦP而增加。靜摩擦力的規律為：①靜摩擦力產生的條件是有切向力ＦP存在，物體間有相對滑動趨勢但仍靜止；②靜摩擦力的大小可根據平衡條件確定，其方向與滑動趨勢方向相反。2.最大靜摩擦力Ffmax最大靜摩擦力——當ＦP增大到某一界限ＦPK時，物體處于將要滑動而尚未滑動的臨界狀態。此時，靜摩擦力達到最大值即最大靜摩擦力，用ＦfＭax表示。實驗表明:ＦfＭax與ＦN成正比，方向仍與相對滑動趨勢相反，可表示為：ＦfＭax=ｆSＦN

ｆs稱為靜摩擦因數，是大小與兩接觸物體的材料性質及表面狀有關的比例系數。靜摩擦力的范圍是：0≤Ｆf≤ＦfＭax3.動摩擦力當拉力ＦP稍大于ＦPK后，物體開始滑動動摩擦力——兩相對滑動的物體接觸面間產生阻礙物體滑動的力，用Ｆf′表示。實驗表明，動摩擦力大小與兩接觸面間的正壓力ＦN成正比，表示為：Ｆf′=ＦNfｆ稱為動摩擦因數，是與兩接觸物體材料性質、表面狀況以及相對滑動速度有關的比例系數。一般同一種材料的：ｆ＜ｆs4.摩擦角及自鎖的概念FpGFNFfFRFN—正壓力Ff—靜摩擦力FR—全約束反力

（全反力）—全反力與接觸面

法線的夾角:全反力與法線間的最大夾角。摩擦角自鎖的概念當物體平衡時總有Ｆf≤Ｆfmax，即夾角φ≤φmＦQ與ＦR等值、反向、共線，即α=φ，而φ≤φm。自鎖——只要保持主動力的合力ＦQ的作用線在摩擦角φm范圍內，無論ＦQ大小如何，總能保持物體平衡的現象。自鎖條件——α≤φm，與主動力大小無關，只與摩擦角有關的平衡條件。FNGFPＦfＭaxFＲFQα摩擦系數f：摩擦角的正切值。即：摩擦錐：如果物體與支承面的靜摩擦系數在各個方向都相同，則摩擦角范圍在空間就形成為一個錐體，稱為摩擦錐。FQFR自鎖的應用自鎖現象在工程上經常被利用，如設計一些機構或夾具等。例如：螺旋千斤頂、起重裝置中的蝸輪蝸桿，滿足自鎖條件時不會自行下落。而在一些機構中，則要求避免出現自鎖，如汽車發動機中凸輪機構，要求挺桿在任何位置均不發生自鎖；還有自卸車中的翻斗車廂，抬起的角度也應避免自鎖，使車廂內物料能傾卸干凈，如圖1-68所示。因此，了解自鎖的條件，可以便于利用自鎖或防止自鎖發生。5.滾動摩擦簡介滾動摩擦——一物體沿另一物體的表面作相對滾動或有相對滾動趨勢時，接觸表面產生的摩擦。滾動比滑動阻力小。滾動摩擦的規律

在車輪上輪心處加一水平力Ｆp時，支承面產生一摩擦阻力Ｆf，阻止車輪的滑動。由于ＦP和Ｆf構成一對力偶，使車輪向前滾動。可見，摩擦阻力Ｆf除阻止車輪滑動外，還有促使車輪滾動的作用。GOBFNFPOFPFfFNGOBFNFPFfFfGOBFNFPGOBFNGOBFNFPmFf滾動摩擦的規律GOBFNFPG將ＦN平移到B點，產生的附加力偶為滾動摩擦力偶矩：Ｍ=ＦNδ當車輪平衡時，有：∑Ｍ=0Ｍ=ＦNδ=ＦPrＭ隨Ｆp大小而變化，當Ｆp增大到使車輪處于將滾面未滾的臨界狀態時，Ｍ也達到了最大值：Ｍmax=δＦNδ稱為滾動摩擦系數，與接觸材料性質有關。車輪滾動須克服摩擦阻力偶Ｍmax即Ｆpr＞δmＦN，作用于車輪上的水平力應滿足以下條件：Ｆp＞滾動摩擦的規律RM滾動摩擦GFANPP-F=0N-G=0-PR=0GPGPNMFGPFNδMmax=Nδδ

稱為滾動摩阻系數,它具有長度的量綱,也是一常數,與材料有關。Mmax稱為滾動摩擦阻力偶矩,簡稱滾阻力偶當主動力P不足夠大時,圓輪仍處于靜止,當P逐漸增達到一定值時,輪子將處于將動未動的臨界狀態,此時,

力偶矩達到最大值Mmax且有:由于滾動摩阻系數δ很小,因此,滾動摩阻通常忽略不計。單元二

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