补充 第1章例题与习题

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补充 例题与习题【例1-3】如图1—19a 所示刚架。

在B 处受一水平力刚架自重不计,尺寸如图所示。

试分别用几何法与解析法求解刚架在固定铰链A 和活动铰链D 处的约束反力。

【解】(1)几何法 以刚架为研究对象,取出分离体。

画出主动力FP 和约束反力FND(垂直于支承面,沿DC 方向),FP 与FND 相交于c 点;根据三力平衡汇交定理,FNA 的作用线必通过C 点,如图l-19b 所示。

最后作力多边形求未知力F ND 和F NA 。

选力比例尺1cm=10kN ,任取一点a ,从a 作FP 的平行线段ab ,并取ab=FP ,再从a 和b 分别作FNA 和FND 的平行线相交于C ,于是得到封闭的力三角形abc ,如图1.19c 所示。

根据力多边形法则,按各力矢量首尾相接的顺序,得出FNA 和FND 的指向。

量出FNA 和FND 的长度经比例尺换算得(2)解析法 以刚架为研究对象,画出受力图如图1-19b 所示。

b)选坐标系xAy 。

列平衡方程︒==565.26)8/4(arctg α由式(1-8)得 36.22565.26cos /==P NA F F KN 由式(1-9)得 kN F F NA ND 10565.26sin 36.22sin =⨯==α解得:均为正值,表示所假设的方向与实际指向相同。

【例1-4】增力机构如图1—20a 所示,已知活塞D 上受到液压力F P =300N ,通过连杆BC 压紧工件。

当压紧平衡时,杆AB 、BC 与水平线的夹角均为α=8°。

不计各杆自重和接触处的摩擦,试求工件受到的压力。

【解】根据作用力与反作用力定律,工件所受的压力可通过求工件对压块的反力F Q 而得到,因已知力F P 作用在活塞上,而活塞杆与压块间有一根二力杆相联系,所以必须分别研究活塞BD 和压块C 的平衡才能解决问题。

图1-20增力机构受力分析(1)取活塞杆BD为研究对象作用在活塞上的力有液压力F P和二力杆AB、BC的约束反力沿着各自杆的中心线,其指向假设如图1-20b所示。

显然,这是一个平面汇交力系。

取直角坐标系xBy(见图1—20b),列出平面汇交力系的平衡方程:(1-10)(1-11)由式(1—10)可得代入式(1-11),解得(2)再取压块c为研究对象作用在压块上的力有支承面的反力F N和工件的反力F Q以及二力杆BC的反力由作用与反作用定律和二力杆的受力特点可知,等值、反向、共线。

压块C的受力图如图1-20c所示,以C点为原点取直角坐标系xCy,这也是一平面汇交力系,列出平衡方程代入上式,可得由作用与反作用定律可知,工件受到的压力与F Q等值、反向。

【例l-6】圆柱直齿轮传动中,轮齿啮合面间的作用力为F n,如图1-24所示。

已知Fn=500N.α=20°.节圆半径试计算齿轮的传动力矩。

【解】应用合力矩定理【例l-7】图1.28所示的电动机轴通过联轴器与工作轴相联接,联轴器上四个螺栓A、B、C、D的孔心均匀分布在一直径为0.15m的圆周上,电动机传给联轴器的力偶矩M为2.5kN· m,试求每个螺栓所受的力的大小?【解】取联轴器为研究对象。

作用于联轴器上的力有M和四个螺栓的反力,方向如图1-28所示。

现假设四个螺栓受力均匀,即则它们组成两个力偶和并与M平衡。

由式(1-12)有而所以【例】1-8 梁AB一端固定、一端自由,如图1-31a所示。

梁上作用有均布载荷,载荷集度为在梁的自由端还受有集中力F和力偶矩为M的力偶作用,梁的长度为l,试求固定端A处的约束反力。

图1-31悬臂梁受力分析【解】(1)取梁AB为研究对象并画出受力图,如图1.31b所示。

(2)列平衡方程并求解。

注意均布载荷集度是单位长度上受的力,均布载荷简化结果为一合力,其大小等于q与均布载荷作用段长度的乘积,合力作用点在均布载荷作用段的中点。

解得【例1-9】图1—33a所示为一手动水泵,图中尺寸单位均为cm,已知不计各构件的自重,试求图示位置时连杆BC所受的力、连杆A的反力以及液压力图1-33手动水泵受力【解】分别取手柄ABD、连杆BC和活塞c为研究对象。

分析可知,BC杆不计自重时为二力杆,有由作用力与反作用力原理知各力方向如图所设。

(1)、以手柄ABD为研究对象,受力图如图1-33b所示,对该平面任意力系列出平衡方程:(2)取连杆BC为研究对象。

受力图如图1—33e所示。

对二力杆BC,结合作用力与反作用力原理,有(3)取活塞C为研究对象。

由受力图(见图1—33d)可知,这是一个平面汇交力系的平衡问题,列出平衡方程求解于是【例1-10】在图1-34中,若齿轮压力角α=20°,螺旋角β=25°,求轴向力Fa圆周力Ft和径向力FR的大小。

【解】过力Fn的作用点0取空间直角坐标系,使齿轮的轴向、圆周的切线方向和径向分别为x、y和z轴。

由式(1—22)则有【例l-11】一车床的主轴如图1-36a所示,齿轮C直径为200mm,卡盘D夹住一直径为100mm的工件,A为向心推力轴承,B为向心轴承。

切削时工件匀速转动,车刀给工件的切削力齿轮C在啮合处受力为F,作用在齿轮的最低点如图l-36b所示。

不考虑主轴及其附件的重量与摩擦,试求力F的大小及A、B处的约束力。

【解】选取主轴及工件为研究对象,过A点取空间直角坐标系,画受力图,如图1—36b所示。

向心轴承B的约束反力为向心推力轴承A处约束反力为主轴及工件共受9个力作用,为空间任意力系。

下面分别用两种方法来求解。

【方法一】:如图1.35b、c所示。

由式(1—27)可得解得图1-36车床主轴【方法二】:首先将图1-36b中空间力系分别投影到三个坐标平面内,如图l-36d~f所示。

然后分别写出各投影平面上的力系相应的平衡方程式,再联立解出未知量。

步骤如下: (1)在xAz平面内,如图l-36d所示。

由F=745N(2)在yAz面内,如图l-36e所示。

由由得由得(3)在XAy平面内,如图1-36f所示。

由得由得对比两种方法可以看出,后一种方法较易掌握,适用于受力较多的轴类构件,因此在工程中多采用此法。

图1-39摩擦锥【例1-12】重FG的物块放在倾角为α的斜面上(α大于摩擦角φm),如图1-40a所示,已知物块与斜面间的静摩擦因数f 试求能使物块维持平衡状态的F值。

【解】由经验可知,力F太大,大于物块将上滑;力F太小,小于物块将下滑。

因此,力F的数值只要在与之间物块就能维持平衡状态。

(1)求当力F为最小值时,物块处于将要下滑的临界平衡状态。

此时,摩擦力的方向沿斜面向上,物块的受力图如图1-40b所示,这些力构成一平面汇交力系。

根据平面汇交力系平衡的几何条件,作封闭的力三角形(见图1-40b),由三角关系可得(2)求当力F达到最大值时,物块处于将要上滑的临界平衡状态,此时摩擦力的方向沿斜面向下,物块的受力图如图1-40c所示,这些力构成一平面汇交力系。

根据平面汇交力系平衡的几何条件,作封闭的力三角形(见图1-40c),由三角关系可得可见,维持物块平衡的F值应为F min≤F≤Fmax即图1-40斜面滑块平衡状态分析此题中,如果斜面的倾角小于摩擦角,即时,上式左端成为负值,即为负值,这说明不需要力F支持,物块就能静止在斜面上,且无论主动力FG多大,都不会破坏平衡,即出现斜面自锁现象。

思考题与习题1-1二力平衡公理和作用与反作用公理有何不同?1-2 图1-41各图中所画物体的受力图是否有错?如有,请改正。

图1-41题1—2图1-3什么叫二力杆?若在图1-42中各杆自重不计,各接触处的摩擦不计,试指出哪些是二力杆?图1-42 题l-3图1-43各图中物体的受力图。

图1-43题1-4图1-5 “力系的合力一定大于分力”,这种说法对不对?为什么?1-6试指出图1-44所示的平面汇交力系各力多边形中,哪个力系是平衡力系?哪个力系有合力?哪个力是合力?图1-44题1-6图1-7如图1-45所示,欲使G=300kN的重物处于平衡状态,求力F最小值的方向和大小(不计斜面的摩擦)。

图1-45题1-7图1-8设平面任意力系向一点简化后为一合力。

问能否找到一个点为简化中心,使力系简化为一力偶。

1-9刚体受力图如图1-46所示。

当力系满足方程时,刚体肯定平衡吗?图1-461-10三个相同的光滑圆柱放置如图1-47所示,求圆柱不至于倒塌时θ的最小值。

图1-47题1.10图l-11曲柄滑块机构在图1-48所示位置处于平衡状态。

已知P=100kN,曲柄AB=r=lm。

试求作用于曲柄AB上的力偶矩即图1-48题1-11图1-12力偶的合力等于零这种说法对吗?1-13试分别计算图1-49所示各种情况下力P对0点之矩。

图1.49题1.13图1-14已知P=30kN,a=10cm,求图1-50所示各梁的支座反力。

图1-50题1—14图1-15梁AE由直杆连接支承于墙上,受均布载荷q=10kN/m作用,结构尺寸如图1-51所示。

不计杆重,求支座A和B的反力以及l、2、3各杆的受力。

图1-5l题l—15图1-16一均质圆球重450N,置于墙与斜杆AB间,AB杆由铰链A 与撑杆BC支持,如图1-52所示。

已知AB长l,AD=0.4l,各杆的重量及摩擦不计。

求杆BC的受力。

图l-52题1-16图1-17一铰链连接如图1-53所示。

DE杆的E端作用一力偶,其力偶矩的大小为M=1kN.m;又AD= DB=0.5m。

不计杆重,求铰链D、F的约束反力.1-18图1—54所示结构,A、B、C、D、E、F均为光滑铰链。

各杆自重不计。

试求支座D的反力及连杆BF、EC所受之力。

(图中长度单位为mm)1-19如图1-55所示,某传动轴以向心轴承A、B支承,圆柱直齿轮C的分度圆直径d=17.3cm,压力角α=20°,在法兰盘D上作用一力偶,其矩为M=1030N·m,如轮轴自重和轴承摩擦忽略不计,试求当轴均匀转动时轮齿上的啮合力Fn的大小和轴承A、B的反力。

图中尺寸单位为cm。

l-20 图l-56所示的物体重FG=10kN,由电动机通过平带带动鼓轮使物体匀速上升,平带上边沿水平方向,下边与水平成30°角。

已知带轮半径R=200mm,鼓轮r=100mm,试求平带的拉力和轴承A、B的反力。

1-21 图1-57所示为一起重铰车的制动装置。

已知制动轮的半径R=50cm,鼓轮的半径r=30cm,制动轮与制动块的摩擦因数f=0.4,起吊物重F G=1000N,图中尺寸L=300cm,a=60cm,b=10cm。

不计手柄和制动轮的重量,试求实现制动所需的力F 的最小值。

1-22图1-58所示构件1和2用楔块3连接,已知楔块与构件间的摩擦因数f=0.1,试求能自锁的倾斜角α。