园轴扭转横截面上剪应力计算.ppt

本章要点,（1）园轴扭转横截面上剪应力计算公式推导与应用（2）园轴扭转变形的计算（3）扭转变形构件的强度与刚度条件,重要概念,外力偶矩、扭矩、扭矩图、圆柱形密圈螺旋弹簧、非圆截面杆扭转、自由扭转、约束扭转,4-1扭转的概念,作用于杆件上的外力，为两个大小相等、方向相反、且作用平面垂直于杆件轴线的力偶时，杆件中任意两个横截面即会发生绕杆件轴线相对转动，这种形式的变形就称为扭转变形。,一、引例,二、概念,目录,受扭转构件的受力特点在垂直于杆轴的两平面内分别作用两个等值，反向的力偶。,变形特征：横截面绕轴线转动。,轴,以扭转变形为主的杆件-称为轴本章主要讨论等直圆轴的强度刚度计算,4-2外力偶矩的计算扭矩和扭矩图,一、外力偶矩的计算,在工程实践中，外力偶矩往往不是直接给出的。而直接给出的往往都是轴所传递的功率和轴的转速。例如：下图中，外力偶矩没有给出，给出的仅仅是电动机的转速和输出的功率。如果我们要分析传动轴中某点处的应力情况，首先必须知道A端皮带轮上的外力偶矩，下面我们来看看如何根据电动机的转速和输出功率来求解外力偶矩M的大小。,已知：电动机通过皮带轮输给AB轴的功率为N千瓦。AB轴的转速n转/分。,则：电动机每秒钟所作的功为：,（a）,设电动机通过皮带轮作用于AB轴上的外力偶矩为M,则：M在每秒内完成的功为：,(b),由于M所作的功也就是电动机通过皮带轮给AB轴输入的功,故：,如果功率N以马力为单位，代入c式则可得：,将(a)、(b)两式代入上式，于是求得：,（Nm）,(c),（Nm）,n,n,例1、传动轴如图所示，主动轮A输入功率PA=50kW，从动轮B、C、D输出功率分别为PB=PC=15kW，PD=20kW，轴的转速n=300r/min，计算各轮上所受的外力偶矩。,解：计算外力偶矩,三、扭矩的计算和扭矩图：,1、扭矩：横截面上的内力：(T/Mn),2、扭矩的计算,例2、传动轴如图所示，主动轮A输入功率PA=50kW，从动轮B、C、D输出功率分别为PB=PC=15kW，PD=20kW，轴的转速n=300r/min，计算各段轴上所受的扭矩。,解：,根据例1的计算结果可知各轮上的外力偶矩分别为：,应用截面法将横截面1-1处假想的截开为二，如图，并保留左半部分为研究对象,T1,B,C,A,横截面3-3处的扭矩T3也可以利用33截面左边的受力平衡来解决。,从上述33截面上扭矩的两种计算方法所获得的计算结果可以看到，两个结果虽在数值上相等，但是在转向上却相反，由于二者均为同一截面处的内力，故其在正负号上应该一致，为了使二者的正负号一致。因此我们有必要进行正负号的规定。,3、扭转正、负号的规定：,右手定则：右手四指内屈，与扭矩转向相同，则拇指的指向表示扭矩矢的方向，若扭矩矢方向与截面外法线相同，规定扭矩为正，反之为负。,扭矩符号规定：,4、扭矩图：用来表示受扭杆件横截面上扭矩随轴线位置变化的坐标图（与轴力图作法完全相同）。,扭矩图的作法同轴力图的作法完全一样。如图所示：以x轴表示杆件各横截面的位置，以垂直向上的纵轴表示Mn的大小。,例3、传动轴如图所示，主动轮A输入功率PA=50kW，从动轮B、C、D输出功率分别为PB=PC=15kW，PD=20kW，轴的转速n=300r/min，试绘出各段轴的扭矩图。,解：,从例2中可知，BC、CA、AD各段横截面上的扭矩分别为：,如果不画坐标轴，那么一定要标明正、负号。在水平线之上为正，在水平线之下为负。,目录,图示圆轴中，各轮上的转矩分别为mA4kNm，mB10kNm,mC6kNm，试求11截面和22截面上的扭矩，并画扭矩图。,练习1,6KNm,4KNm,一圆轴如图所示，已知其转速为n300转分，主动轮A输入的功率为NA400KW，三个从动轮B、C和D输出的功率分别为NBNC120KW，ND160KW。试画出此圆轴的扭距图。,练习2,3.82kNm,7.64kNm,5.10kNm,1、各圆周线绕轴有相对转动，但形状、大小及两圆周线间的距离不变。,2、各纵向线仍为直线，但都倾斜了同一角度，原来的小矩形变成平行四边形。,横截面上必有存在，其方向垂直于圆筒半径。,每个小矩形的切应变都等于纵向线倾斜的角度，故圆筒表面上每个小矩形侧面上的均相等。,4-3薄壁圆筒扭转时的应力剪切虎克定律,、纯剪切,1、扭转实验,纯剪切圆筒横截面上只有剪应力而无正应力，在包含半径的纵面截面上也无正应力对这种只有剪切应力而无正应力的情况，称为纯剪切。,:剪应变,直角的改变量,例：三个正方形微元体受力后变形如图，求：三者剪应变,2、横截面上剪应力的计算,用一平面从mm截面处假想的把杆件分成两部分，留左边部分为研究对象，由于筒壁的厚度很小可认为沿壁厚剪应力不变。,由于圆周方向各点情况相同圆周各点的应力相等。,由,二、剪应力互等定理,用两组互相垂直的平面从薄壁筒中取出一个单元体，如图所示。,由上面的分析可知：在单元体的两侧面上分别受有一对大小相等，方向相反的剪应力。两面上的剪应力之合力组成了一个力偶：,由,物理意义：在相互垂直的两个面上，剪应力必然成对存在，且数值相等，两者都垂直于两个平面的交线，方向则共同指向或背离这一交线，这就是剪应力互等定理。,试根据切应力互等定理，判断图中所示的各单元体上的切应力是否正确。,例题,三、剪切虎克定律：,扭转前，我们在薄壁筒的表面上画两对互相平行的直线如图所示，在右端面上再做出一条相应的半径“oe”。,1、公式推导,（c）,（c）,然后，从薄壁圆筒中取出单元体abcd，发现单元体abcd受扭后，原先的直角也发生了改变，从图中可看出：这个直角的改变量正好等于，这个也就是我们在绪论中提到的剪应变。,由式（c）可见：剪应变与扭转角成正比,剪切虎克定律,2、E、G、u三者关系,对各向同性材料：,从上式中可看出：我们只要知道其中的两个，就可求出第三个。因此，三个弹性常数中只有两个是独立的。,目录,例题：挂架由AC及BC杆组成，二杆的EA相同，C处作用有载荷P。求：C点水平及铅垂位移,解：,C/,复习,4-1扭转的概念1扭转2轴,4-2外力偶矩的计算扭矩和扭矩图1两个公式2扭矩的正负规定,4-3薄壁圆筒扭转时的应力剪切虎克定律1应力计算方法和公式2剪切虎克定律公式3EG之间的关系,4-4圆轴扭转时的应力和强度条件,一、圆轴扭转时的应力,受扭圆轴横截面上有何应力？其应力公式如何分析与推导？,几何关系,应力分析方法,试验观察,1、变形几何关系：,（1）圆轴扭转的平面假设：,圆轴的扭转变形实验：同薄壁圆筒的扭转相似，在圆轴表面上作纵向线和圆周线，如图所示：,T,T,1、各纵向线倾斜同角度,2、各圆周线大小形状间距不变,圆轴扭转时的应力变形特征,实验结果：各圆周线绕轴线相对的旋转了一个角度，但大小，形状和相邻两圆周线之间的距离不变，在小变形的情况下，各纵向线仍近似的是一条直线，只是倾斜了一个微小的角度，变形前，圆轴表面的方格，变形后扭歪成菱形。,结论：圆轴变形前的横截面，变形后仍保持为平面，形状和大小不变，半径仍保持为直线，且相邻两截面间的距离不变。,圆轴扭转的基本假设：平面假设,（2）剪应变的变化规律：,于是单元体abcd的ab边相对于cd也发生了微小的相对错动，引起单元体abcd的剪切变形。,如图所示：ab边对cd边相对错动的距离是：,直角abc的角度改变量：,（a）,（b）,2、物理关系：,将剪切虎克定律代入上面的剪应变公式（b）中。,再根据剪应力互等定理可知：在纵截面和横截面上，沿半径剪应力的分布规律如图所示：,3、静力关系：,（1）公式推导：,如图所示在横截面内取微分面积dA,则：整个横截面上的扭矩，,故：,Ip,截面的极惯性矩,（2）讨论：,公式4-6，4-7的适用范围：,（4-7）,p,时的情况。,b.当圆形截面沿轴线的变化缓慢时，例如小锥度的圆锥形杆，也可近似的应用以上公式。c.由于在推导上述公式时运用了虎克定律，因此只适用于,a.由于上述公式是在平面假设的基础上导出的。试验结果表明，只有对横截面不变的圆轴，平面假设才是正确的。因此上述公式只适用于等直圆杆。,Ip,截面的极惯性矩,横截面的极惯性矩,对于实心圆截面,对于圆环截面,圆轴扭转时横截面上的切应力分布：,实心圆轴：,空心圆轴：,二、强度条件,不超过材料的许用剪切应力。,故强度条件为：,同拉伸和压缩的强度计算类似，圆轴扭转时的强度要求仍然是：,强度条件可进行：强度校核;选择截面;计算许可荷载。,理论与试验研究均表明，材料纯剪切时的许用切应力t与许用正应力之间存在下述关系：,对于塑性材料t(0.5一0.577)对于脆性材料，t(0.81.0)l,式中，l代表许用拉应力。,目录,例1,例4.2,汽车传动轴为无缝钢管，D90mm，t=2.5mm，材料为45钢。TMAX1.5kNm。t=60MPa，校核轴的强度。,解:,结论：安全,D90mm，t=2.5mm，TMAX1.5kNm。t=60MPa，校核轴的强度。,若：把上例改为实心轴,实心轴截面积,空心轴截面积,空心轴与实心轴截面积比,复习,4-3薄壁圆筒扭转时的应力剪切虎克定律1应力计算方法和公式2剪切虎克定律公式3EG之间的关系,4-4圆轴扭转时的应力和强度条件,1圆轴扭转横截面上剪应力计算公式和Wp,Ip的公式2扭转变形构件的强度条件,由两种不同材料组成的圆轴，里层和外层材料的切变模量分别为G1和G2，且G1=2G2。圆轴尺寸如图所示。圆轴受扭时，里、外层之间无相对滑动。关于横截面上的切应力分布，有图中（A）、（B）、（C）、（D）所示的四种结论，请判断哪一种是正确的。,例2,解：圆轴受扭时，里、外层之间无相对滑动，这表明二者形成一个整体，同时产生扭转变形。根据平面假定，二者组成的组合截面，在轴受扭后依然保持平面，即其直径保持为直线，但要相当于原来的位置转过一角度。因此，在里、外层交界处二者具有相同的切应变。由于内层（实心轴）材料的剪切弹性模量大于外层（圆环截面）的剪切弹性模量（G1=2G2），所以内层在二者交界处的切应力一定大于外层在二者交界处的切应力。据此，答案（A）和（B）都是不正确的。在答案（D）中，外层在二者交界处的切应力等于零，这也是不正确的，因为外层在二者交界处的切应变不为零，根据剪切胡克定律，切应力也不可能等于零。根据以上分析，正确答案是（C）,一、圆轴扭转时的变形,（a）,由上节内容可知：受扭杆件某一微段两端面的相对转角为：,则：距离为L的两个横截面之间的相对转角为：,4-5圆轴扭转时的变形和刚度条件,（b）,扭转变形是用两个横截面绕轴线的相对扭转角来表示的,讨论,（4-12）,）,（c）,二、刚度条件,对于传动轴，有时即使满足了强度条件，还不一定能保证它正常工作。例如：机器的传动轴如有过大的扭转角，将会使机器在运转中产生较大的振动；精密机床上的轴若变形过大，则将影响机器的加工精度等。因此对传动轴的扭转变形要加以限制。,一般地说：标志杆件扭转变形的物理量有两个：,讨论,对于等直杆来说：,故上面的刚度条件应改为：,思考题1：实心圆轴受扭，若将轴的直径减小一半时，横截面的最大剪应力是原来的倍？圆轴的扭转角是原来的倍？,8,16,思考题2：一直径为D1的实心轴，另一内外径之比d2D20.8的空心轴，若两轴横截面上的扭矩相同，且最大剪应力相等。求两轴外直径之比D2/D1。,解：,P1=14kW,P2=P3=P1/2=7kW,n1=n2=120r/min,Mx1=T1=1114N.m,Mx2=T2=557N.m,Mx3=T3=185.7N.m,习题43：已知：输入功率P114kW,功率的一半通过锥形齿轮传给垂直轴C，另一半由水平轴H输出。n1=n2=120r/min,z1=36,z3=12;d1=70mm,d2=50mm,d3=35mm.求:各轴横截面上的最大剪应力。,计算各轴的横截面上的最大切应力,目录,求:实心轴的直径d1和空心轴的外直径D2；确定二轴的重量之比。,习题44、已知：P7.5kW,n=100r/min,最大切应力不得超过40MPa,空心圆轴的内外直径之比=0.5。二轴长度相同。,解：计算作用在轴上的扭矩,计算轴中最大的剪应力,实心轴,空心轴,d20.5，D2=23mm,二轴的重量之比=A1:A2,因不知道壁厚，所以不知道是不是薄壁圆筒。分别按薄壁圆筒和空心圆轴设计,薄壁圆筒设计,设平均半径R0=(d+)/2,空心圆轴设计,当R0/10时，即可认为是薄壁圆筒,一内径d=100mm的空心圆轴如图示，已知圆轴受扭矩T=5kNm，许用切应力=80MPa，试确定空心圆轴的壁厚。,例1,解：,例10：水平面上的直角拐，AB段为圆轴，直径为d，在端点C受铅垂力P作用，材料的剪切弹性模量为G，不计BC段变形。求C点的铅垂位移。,例2,例411、已知一直径d=50mm的钢制圆轴在扭转角为6时，轴内最大剪应力等于90MPa，G=80GPa。求该轴长度。,解：,例3,例412、圆截面橡胶棒的直径d=40mm,受扭后,原来表面上的圆周线和纵向线间夹角由90变为88。如杆长l=300mm，试求两端截面间的扭转角；如果材料的剪变模量G=2.7MPa，试求杆横截面上最大剪应力和杆端的外力偶矩。,解：由,例4,图示一空心传动轴，轮1为主动轮，力偶矩M19KNm，轮2、轮3、轮4为从动轮,力偶矩分别为M24KNm，M33.5KNm，M41.5KNm。已知空心轴内外径之比d/D1/2，试设计此轴的外径D，并求出全轴两端的相对扭转角24。G80GPa，60MPa。,5kN,1.5kN,4kN,例5,例题6:图示等截面实心圆轴,已知外力偶矩MB=400N.m,MC=600N.m，G=80GPa，=40MPa，=0.250/m。试确定轴的直径.,解:,平衡方程:,变形协调方程:,MA=20N.m,MD=220N.m,MA=20N.m,MD=220N.m,强度条件:,刚度条件:,已知钻探机杆的外径D=60mm，内径d=50mm，功率P=7.35kW，转速n=180r/min，钻杆入土深度L=40m，G=80GPa，=40MPa。设土壤对钻杆的阻力是沿长度均匀分布的，试求：（1）单位长度上土壤对钻杆的阻力矩M；（2）作钻杆的扭矩图，并进行强度校核；（3）求A、B两截面相对扭转角。,例9,例46、在强度相同的条件下，用d/D=0.5的空心圆轴取代实心圆轴，可节省材料的百分比为多少?如果d/D=0.8，情况又将怎样？,解：设实心轴的直径为d1，由,（0.512）,例2,例49、一空心轴=d/D=0.8，转速n=250r/m,功率=60kW，=40MPa，求轴的外直径D和内直径d。,解：,例3,例7、传动轴传递外力偶矩5kNm,材料的=30MPa,G=80GPa,=0.5/m,试选择轴的直径。,解：,目录,一内径为d、外径为D=2d的空心圆管与一直径为d的实心圆杆结合成一组合圆轴，共同承受转矩Me。圆管与圆杆的材料不同，其切变模量分别为G1和G2，且G1=G2/2，假设两杆扭转变形时无相对转动，且均处于线弹性范围。试问两杆横截面上的最大切应力之比1/2为多大？并画出沿半径方向的切应力变化规律。,例10,因两杆扭转变形时无相对转动,4-5-2等直圆杆扭转时的变形能,单元体外力作功,应变能密度(比能),等直圆杆扭转时的变形能,4-6圆柱形密圈螺旋弹簧的应力和变形,一、对圆柱形密圈螺旋弹簧的基本假设：,2、当簧丝的横截面直径d远小于弹簧圈的平均直径D时，还可略去簧丝曲率的影响，近似的用直杆公式计算。,二、弹簧丝横截面上的应力,1、内力计算：,(a),(b),由,2、应力计算：,根据假设可知：计算方法与轴线为直线的圆轴的扭转应力的计算方法相同。,横截面上的某一点处的应力：,在簧丝横截面上，任意点处的总应力是剪切和扭转两种剪应力的矢量和，在A点处，达到最大值。,注：上式中，第一项代表剪切的影响，后一项代表扭转的影响。,可得：,修正公式,上面的应力分析实际上是在：没考虑簧丝是个曲杆，假设均匀分布两种情况下进行的，实质上是个近似计算。,现将以上两个因素考虑进去，即可得修正公式如下：,曲度系数,强度条件：,三、弹簧的变形,1、弹簧在变形过程中，外力功的计算,2、弹簧在变形过程中，变形能的计算,从而，单位体积的变形能：,则，整个弹簧的变形能为：,若令ds表示簧丝轴线的微分长度，dA表示簧丝横截面的微分面积，n表示弹簧的圈数。,则：,u,u,由功能原理可知：,代入计算结果，得：,若，记,则，可得：,式中：C弹簧抵抗变形的能力，称为弹簧刚度,目录,4-7非圆截面杆扭转的概念,1、翘曲：取一横截面为矩形的杆，在其侧面上画上纵向线和横向周界线，扭转后发现横向周界线已变为空间曲线，这表明变形后杆的横截面已不再保持为平面，而变为曲面，这种现象，就称为翘曲。,注：从翘曲这种现象可以看出，平面假设对非圆截面杆件的扭转已不再适用。,2、自由扭转：等直杆在两端受扭转力偶矩作用，且其翘曲不受任何限制的情况，属于自由扭转。特点：杆件各横截面上的翘曲程度相同，纵向纤维的长度无变化，故横截面上没有正应力而只有剪应力。,3、约束扭转：由于约束条件或受力条件的限制，造成杆件各横截面的翘曲程度不同，这种情况属于约束扭转。特点：由于杆件各横截面的翘曲程度不同，这势必引起相邻两截面之间纵向纤维的长度改变。于是横截面上除剪应力外还有正应力。,4、薄壁杆件与实体杆件在约束扭转时的差别：薄壁杆件（如工字钢、槽钢等，见图）在约束扭转时正应力相当大，而实体杆件（如矩形、椭圆形杆件）因约束扭转而引起的正应力极小，与自由扭转并不太大差别。基于这个原因，我们在实际工作中处理具体问题时，应该划清主次。,轴力FN,扭矩T,正应力均匀分布,切应力与距圆心距离成正比分布,截点或截面的线位移,截面的角位移,