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1、第六章 空间力系 重心第1页，共61页，编辑于2022年，星期三6-1 工程中的空间力系问题 第六章 空间力系 重心6-2 力在空间坐标轴上的投影6-3 力对轴之矩 6-4 空间力系的平衡方程 6-5 重心的概念6-6 重心坐标公式6-7 物体重心的求法第2页，共61页，编辑于2022年，星期三力在空间坐标轴上的投影力对轴之矩空间力系的平衡方程重心【本章重点内容】第六章 空间力系 重心第3页，共61页，编辑于2022年，星期三6-1 工程中的空间力系问题 第六章 空间力系 重心第4页，共61页，编辑于2022年，星期三6-1 工程中的空间力系问题作用在物体上的力系，其作用线分布在空间，而且也不
2、能简化到某一平面时，这种力系就称为空间力系空间力系.径向轴承约束反力：径向止推轴承约束反力：柔性体约束反力：F1 F2FAx FAy FAzFBx FBz斜齿轮受到轴向、径向和圆周力：Fa Fr Ft第5页，共61页，编辑于2022年，星期三6-2 力在空间坐标轴上的投影 第六章 空间力系 重心第6页，共61页，编辑于2022年，星期三1.直接投影法一、力在空间直角坐标轴上的投影6-2 力在空间坐标轴上的投影力F在坐标轴的投影为力 直接向坐标轴投影的方法称为直接投影法直接投影法.已知力 与三个坐标轴的夹角 ，.第7页，共61页，编辑于2022年，星期三2.间接（二次）投影法再将力Fxy投影到x
3、、y轴上，以及将力F投影到z轴上.一次投影一次投影二次投影二次投影间接投影法（二次投影法）间接投影法（二次投影法）先将力向一个坐标平面投影，再求出力在三个轴的投影.6-2 力在空间坐标轴上的投影已知力 与z轴正向间的夹角g 和j先将力 投影到xOy平面上第8页，共61页，编辑于2022年，星期三6-2 力在空间坐标轴上的投影已知力 在三个轴x、y、z上的投影Fx、Fy、Fz，求力 .第9页，共61页，编辑于2022年，星期三6-3 力对轴之矩 第六章 空间力系 重心第10页，共61页，编辑于2022年，星期三6-3 力对轴之矩一、力对轴之矩平面里的力对点之矩，实际是空间里的力对轴之矩.空间的力
4、对轴之矩第11页，共61页，编辑于2022年，星期三6-3 力对轴之矩以开门动作为例说明空间力对轴之矩的概念第12页，共61页，编辑于2022年，星期三 正负号规定：从坐标轴正向看，逆时针转动为正，反之为负.右手螺旋法空间力系中，力对z轴之矩 等于力在垂直于z轴的平面内的投影F2与力臂d（即轴与平面的交点O到力F2的垂直距离）的乘积.6-3 力对轴之矩第13页，共61页，编辑于2022年，星期三力与轴相交或与轴平行（力与轴在同一平面内），力对该轴的矩为零.6-3 力对轴之矩第14页，共61页，编辑于2022年，星期三解：（1）采用二次投影法（圆周力）（轴向力）（径向力）6-3 力对轴之矩例6-
5、1 半径为r的斜齿轮，其上作用有力 ，求力 沿坐标轴的投影及力 对y轴之矩.第15页，共61页，编辑于2022年，星期三径向力 通过y轴轴向力 平行y轴圆周力 对y轴有矩均对y轴力矩为零（2）对y轴之矩对y轴之矩6-3 力对轴之矩第16页，共61页，编辑于2022年，星期三二、合力矩定理 空间力系的合力对某一轴之矩等于力系中各分力对同一轴之矩的代数和，称为空间力系的合力矩定理.6-3 力对轴之矩第17页，共61页，编辑于2022年，星期三三、空间力偶 1、空间力偶的三要素（1）大小：力与力偶（2）方向：转动方向（3）作用面：力偶作用面6-3 力对轴之矩第18页，共61页，编辑于2022年，星期
6、三2.空间力偶的性质（1）力偶中两力在任意坐标轴投影的代数和为零；（2）力偶对任意点取矩都等于力偶矩，不因矩心的改变而改变；（3）只要保持力偶矩不变，力偶可在其作用面内任意移转，且可以同时改变力偶中力的大小与力偶臂的长短，对刚体的作用效果不变.6-3 力对轴之矩=第19页，共61页，编辑于2022年，星期三（4）只要保持力偶矩不变，力偶可从其所在平面移至另一平行平面，对刚体的作用效果不变.6-3 力对轴之矩=（5）力偶没有合力，力偶只能由力偶来平衡.第20页，共61页，编辑于2022年，星期三6-4 空间力系的平衡方程 第六章 空间力系 重心第21页，共61页，编辑于2022年，星期三6-4
7、空间力系的平衡方程一、空间力系的平衡方程空间力系平衡的充要条件：该力系的主矢、主矩分别为零.第22页，共61页，编辑于2022年，星期三6-4 空间力系的平衡方程空间力系的平衡方程各力在三个坐标轴上投影的代数和等于零，以及这些力对于每一个坐标轴之矩的代数和也等于零.空间力系满足上述六个方程，则物体必然保持平衡状态.空间任意力系平衡的充要条件第23页，共61页，编辑于2022年，星期三二、空间汇交力系的平衡方程6-4 空间力系的平衡方程第24页，共61页，编辑于2022年，星期三三、空间平行力系的平衡方程6-4 空间力系的平衡方程第25页，共61页，编辑于2022年，星期三例6-2 车床主轴，齿
8、轮半径100mm，卡盘D夹住的工件半径50mm，A为向心推力轴承，B为向心轴承.工件等速转动.车刀给工件切削力Fx=466N、Fy=352N、FZ=1400N，齿轮C在啮合处受力 ，作用在齿轮C的最低点.不考虑主轴及附件质量，试求 大小及A、B处的约束反力.6-4 空间力系的平衡方程第26页，共61页，编辑于2022年，星期三解：（1）取主轴及工件为研究对象，画受力图.空间力系问题6-4 空间力系的平衡方程1第27页，共61页，编辑于2022年，星期三（2）分解齿轮啮合力（3）平衡方程先列含有一个未知量的方程6-4 空间力系的平衡方程1第28页，共61页，编辑于2022年，星期三6-4 空间力
9、系的平衡方程1第29页，共61页，编辑于2022年，星期三6-4 空间力系的平衡方程1第30页，共61页，编辑于2022年，星期三（3）平衡方程六个平衡方程，解出六个未知数.6-4 空间力系的平衡方程1第31页，共61页，编辑于2022年，星期三解法二：将坐标系Axyz转化为三个坐标平面内的平面力系.在Axz平面6-4 空间力系的平衡方程1第32页，共61页，编辑于2022年，星期三在Ayz平面6-4 空间力系的平衡方程第33页，共61页，编辑于2022年，星期三在Axy平面6-4 空间力系的平衡方程第34页，共61页，编辑于2022年，星期三 两种解题方法的关键是要正确地将空间力系投影到三个
10、坐标平面上，转化为平面力系，并运用平面力系的解题技巧.对比上述两种解法，可以看出，两种方法没有原则上的差别.实际上后一种方法中三个力矩方程分别对应于前一种方法中的后一方法易掌握，工程中多采用此方法.6-4 空间力系的平衡方程第35页，共61页，编辑于2022年，星期三6-4 空间力系的平衡方程例6-3 转轴AB，已知胶带张力F1=536N，F2=64N，齿轮节圆D=94.5mm，压力角=20.求（1）齿轮C所受力 ；（2）轴承A、B处的约束反力.第36页，共61页，编辑于2022年，星期三（1）画受力图 解：设坐标Axyz胶带张力 和齿轮作用力 轴承反力 、6-4 空间力系的平衡方程第37页，
11、共61页，编辑于2022年，星期三在Axz平面（2）列平衡方程 将空间力系投影到三个坐标面上，转化为平面力系问题求解6-4 空间力系的平衡方程第38页，共61页，编辑于2022年，星期三在Ayz平面6-4 空间力系的平衡方程第39页，共61页，编辑于2022年，星期三在Axy平面6-4 空间力系的平衡方程负值表示实际反力与图示相反.第40页，共61页，编辑于2022年，星期三解：可列三个独立平衡方程解得6-4 空间力系的平衡方程练6-1 长2m，宽1.2m的方板受到平行力系的作用而平衡，已知P1=10kN作用在C点（0.8m，0.2m），P=8kN作用在E点（0.6m，1.2m），求：FA、F
12、B、FC.ABDzyxOCE第41页，共61页，编辑于2022年，星期三6-5 重心的概念第六章 空间力系 重心第42页，共61页，编辑于2022年，星期三65 重心工程中经常需要了解重心的概念和确定重心的位置.若把物体分割成无数微小部分，则物体所受地球引力可近似看作一空间平行力系，无论物体如何放置，该力系合力总是通过物体内的一个确定点平行力系的中心平行力系的中心，这个点称物体的重心重心.第43页，共61页，编辑于2022年，星期三6-6 重心坐标公式第六章 空间力系 重心第44页，共61页，编辑于2022年，星期三66 重心坐标公式计算重心坐标的公式对x轴用合力矩定理有对y轴用合力矩定理有第
13、45页，共61页，编辑于2022年，星期三 坐标系连同物体绕y轴转90，对y 轴用合力矩定理66 重心坐标公式第46页，共61页，编辑于2022年，星期三对均质物体，其重心即为形心，可用如下公式3.平面形心公式1.重心坐标的一般公式（也可写成积分形式）2.空间形心公式66 重心坐标公式第47页，共61页，编辑于2022年，星期三6-7 物体重心的求法第六章 空间力系 重心第48页，共61页，编辑于2022年，星期三对于简单几何图形物体的重心，可以从工程手册中查到67 物体重心的求法第49页，共61页，编辑于2022年，星期三1.对称性法67 物体重心的求法 具有对称轴、对称面或对称中心的均质物
14、体，其重心一定在对称轴、对称面或对称中心上.2.分割法 分割法是将形状比较复杂的物体分成几个形状简单的部分，这些部分的重心位置容易确定，然后根据重心坐标公式求出组合形体的重心.第50页，共61页，编辑于2022年，星期三例6-4 Z形钢的截面，尺寸如图，单位为mm.求Z形截面的重心位置.解：将Z形截面分割为三个矩形.它们的面积和坐标分别为67 物体重心的求法第51页，共61页，编辑于2022年，星期三将这些数据代入公式，得到Z形截面重心位置为67 物体重心的求法第52页，共61页，编辑于2022年，星期三例6-5 已知振动器中的偏心块的几何尺寸，R=10cm，r=1.3cm，b=1.7cm，求
15、偏心块重心的位置.解：由于Oy轴为对称轴 本题由于有挖去的部分，所以用负面积法.67 物体重心的求法3.负面积法 在应用切割法求剩余部分物体的重心时，切去部分的面积或体积应取负值.第53页，共61页，编辑于2022年，星期三将偏心块分割成三部分：半径为R的半圆，半径为（R+b）的半圆及半径为r的小圆，小圆面积为负面积.67 物体重心的求法第54页，共61页，编辑于2022年，星期三偏心块重心C的坐标分别为综合运用了对称性、分割法和负面积法确定其重心位置.67 物体重心的求法第55页，共61页，编辑于2022年，星期三（1）悬挂法左图中左右两部分的重量是否一定相等？67 物体重心的求法4.实验法
16、第56页，共61页，编辑于2022年，星期三（2）称重法形状复杂或体积较大的物体常用称重法求重心67 物体重心的求法第57页，共61页，编辑于2022年，星期三【本章小结】一、力在空间直角坐标轴上的投影二、力对轴之矩力与轴相交或与轴平行（力与轴在同一平面内），力对该轴的矩为零.符号：右手螺旋法.三、空间力偶 力偶矢量可以上下、左右移动.直接投影法二次投影法第58页，共61页，编辑于2022年，星期三四、空间力系的平衡方程空间一般力系空间汇交力系空间平行力系【本章小结】第59页，共61页，编辑于2022年，星期三五、计算重心坐标的公式平面形心公式空间物体形心公式【本章小结】第60页，共61页，编辑于2022年，星期三第六章 空间力系 重心本章结束本章结束第61页，共61页，编辑于2022年，星期三