汽车机械基础(第2版)：常见约束类型及反力

工程中的机器或者结构，总是由许多零部件组成的。这些零部件是按照一定的形式相互连接。因此，它们的运动必然互相牵连和限制。如果从中取出一个物体作为研究对象，则它的运动当然也会受到与它连接或接触的周围其他物体的限制。也就是说，它是一个运动受到限制或约束的物体，称为被约束体。

那些限制物体某些运动的条件，称为约束。这些限制条件总是由被约束体周围的其他物体构成的。约束限制了物体本来可能产生的某种运动，故约束有力作用于被约束体，这种力称为约束反力。

限制被约束体运动的周围物体称为约束。约束反力总是作用在被约束体与约束体的接触处，其方向也总是与该约束所能限制的运动或运动趋势的方向相反。据此，可确定约束反力的位置及方向。

1.柔体约束

由绳索、胶带、链条等形成的约束称为柔体约束。这类约束只能限制物体沿柔体伸长方向的运动，因此它对物体只有沿柔体方向的拉力，如图3-1-4、图3-1-5所示，常用符号为FT。当柔体绕过轮子时，常假想在柔索的直线部分处截开柔索，将与轮接触的柔体和轮子一起作为考察对象。这样处理，就可不考虑柔体与轮子间的内力，这时作用于轮子的柔体拉力即沿轮缘的切线方向(图3-1-5(b))。

2.光滑面约束

当两物体直接接触，并可忽略接触处的摩擦时，约束只能限制物体在接触点沿接触面的公法线方向约束物体的运动，不能限制物体沿接触面切线方向的运动，故约束反力必过接触点沿接触面法向并指向被约束体，简称法向压力，通常用FN表示(图3-1-6，图3-1-7)。

图3-1-4　柔体约束

图3-1-5　带传动

图3-1-6　光滑曲面约束

图3-1-7　光滑面约束

(a)受力图；(b)受力分析图

图3-1-6中A和B所示分别为光滑曲面对刚体球的约束和齿轮传动机构中齿轮轮齿的约束。图3-1-7为直杆与方槽在A、B、C三点接触，三处的约束反力沿二者接触点的公法线方向作用。

3.铰链约束(www.xing528.com)

铰链是工程上常见的一种约束。它是在两个钻有圆孔的构件之间采用圆柱定位销所形成的连接，如图3-1-8所示。所用的活页、铡刀与刀架等，都是常见的铰链连接。

一般认为销钉与构件光滑接触，所以这也是一种光滑表面约束，约束反力应通过接触点K沿公法线方向(通过销钉中心)指向构件，如图3-1-9(a)所示。但实际上很难确定K的位置，因此反力FN的方向无法确定。所以，这种约束反力通常是用两个通过铰链中心的大小和方向未知的正交分力Fx、Fy来表示，两分力的指向可以任意设定，如图3-1-9(b)。

图3-1-8　光滑铰链

(a)受力示意图；(b)受力分析图

图3-1-9　光滑铰链

(a)分解图；(b)组装图

这种约束在工程上应用广泛，可分为三种类型:

(1)固定铰链支座:用以将构件和基础连接，如桥梁的一端与桥墩连接时，常用这种约束，如图3-1-10(a)所示，图3-1-10(b)是这种约束的简图。

(2)中间铰链:用来连接两个可以相对转动但不能移动的构件，如曲柄连杆机构中曲柄与连杆、连杆与滑块的连接。通常在两个构件连接处用一个小圆圈表示铰链，如图3-1-11所示。

图3-1-10　固定铰链支座

(a)实物图；(b)受力图

图3-1-11　中间铰链

(a)分解图；(b)受力图；(c)结构简图

(3)活动铰链支座:在桥梁、屋架等结构中，除了使用固定铰支座外，还常使用一种放在几个圆柱形滚子上的铰链支座，这种支座称为活动铰支座，也称为辊轴支座，它的构造如图3-1-12所示。由于辊轴的作用，被支撑构件可沿支撑面的切线方向移动，故其约束反力的方向只能在滚子与地面接触面的公法线方向。