材料力学__第3章 扭转
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材料力学第3章 扭转
m n m
求图示轴n-n截面内力
解： 截面法
1、截开 取左段杆 2、代替 3、平衡
x
n
m
x
0 Mx T 0 Mx m
m
Mx
扭矩
同样取右段杆，可得： M x m
m
Mx x
左段与右段求出的扭矩等值、共线，但反向。
符合作用力与反作用力定律.
扭矩正负号的规定：
按右手螺旋法则，视Mx为矢量，若矢量的方向与横截面外法线 方向一致， Mx为正，反之为负.
材料力学
第3章 扭转
第三章 扭转
材料力学
第3章 扭转
• • • • •
本章主要内容 扭矩及扭矩图 等值圆杆扭转时横截面上的应力 等值圆杆扭转时的变形 矩形截面杆的扭转
材料力学
第3章 扭转
§3-1 概述 一、工程实际中的受扭杆 等值杆承受作用在垂直于杆轴线的平面内力偶时，杆件将发生 扭转变形，以扭转为主要变形的杆件称为轴。 （a）机械中传动轴； （b）石油钻机、灌注桩等钻杆； （c）水能发电机的主轴； （d）桥梁、厂房空间结构中的某些结构
IP
D4
(1- 4 )
3、薄壁圆环截面
δ
R
0
R0≥10
2 2 3 I P 2 dA R0 dA=R0 d A =2 R 0 A A A
3 I P 2 R0 2 WP 2 R0 R0 R0
Mx 2 2 R0
较小，可认为切应力沿厚度方向均布.
D
解： (a)实心截面
WP1
d1
d3
16
1003
16
1.96 105 mm3
d
D
求图示轴n-n截面内力
解： 截面法
1、截开 取左段杆 2、代替 3、平衡
x
n
m
x
0 Mx T 0 Mx m
m
Mx
扭矩
同样取右段杆，可得： M x m
m
Mx x
左段与右段求出的扭矩等值、共线，但反向。
符合作用力与反作用力定律.
扭矩正负号的规定：
按右手螺旋法则，视Mx为矢量，若矢量的方向与横截面外法线 方向一致， Mx为正，反之为负.
材料力学
第3章 扭转
第三章 扭转
材料力学
第3章 扭转
• • • • •
本章主要内容 扭矩及扭矩图 等值圆杆扭转时横截面上的应力 等值圆杆扭转时的变形 矩形截面杆的扭转
材料力学
第3章 扭转
§3-1 概述 一、工程实际中的受扭杆 等值杆承受作用在垂直于杆轴线的平面内力偶时，杆件将发生 扭转变形，以扭转为主要变形的杆件称为轴。 （a）机械中传动轴； （b）石油钻机、灌注桩等钻杆； （c）水能发电机的主轴； （d）桥梁、厂房空间结构中的某些结构
IP
D4
(1- 4 )
3、薄壁圆环截面
δ
R
0
R0≥10
2 2 3 I P 2 dA R0 dA=R0 d A =2 R 0 A A A
3 I P 2 R0 2 WP 2 R0 R0 R0
Mx 2 2 R0
较小，可认为切应力沿厚度方向均布.
D
解： (a)实心截面
WP1
d1
d3
16
1003
16
1.96 105 mm3
d
D
材料力学 第三章 扭转
d T dx GI p
d t r Gr dx
Tr tr Ip
Tr tr Ip
上式为等直圆杆在扭转时横截面上任一点处切 应力的计算公式。
Tr tr Ip
2
b z
t'
dx
c c'
3.4 圆轴扭转时的应力 3.4.1 横截面上的应力 1) 变形几何关系 在小变形条件下, 等直圆杆在扭转时横截面上也 只有切应力。为求得此应力, 需从几何关系、物 理关系和静力关系三个方面着手。 为研究横截面上任一点处切应变随点的位臵而 变化的规律, 先观察一个实验。
3.4 圆轴扭转时的应力 实验:预先在等截面圆杆的表面画上任意两个相 邻的圆周线和纵向线。在杆的两端施加外 力偶矩Me。
3.3 薄壁圆筒的扭转
薄壁圆筒扭转时, 横截面上 任一点处的切应力t都是相 等的, 而其方向与圆周相切。 横截面上的内力与应力间 的静力关系为:
n
r0 x
t dA
Me
n
t dA r
A
0
t r0 dA t r0 2 r d T
A
对于薄壁圆筒, r可由平均半径r0代替。
M x 0, T M e 0
T Me
取右侧为研究对象其扭矩与取左侧为研究对象 数值相同但转向相反。
3.2.2 扭矩及扭矩图 扭矩的符号规定如下: 采用右手螺旋法则, 如果 以右手四指表示扭矩的转向, 则姆指的指向离 开截面时的扭矩为正。
反之, 姆指指向截面时则扭矩为负。
3.2.2 扭矩及扭矩图
M2
M3
M1 n
A
M4
B
C
D
M2
M3
M1
材料力学-3-扭转(包含连接件)
3.5 圆轴扭转时的强度条件
3.5 圆轴扭转时的强度条件
为了让杆件正常工作，要对杆中的最大切应力加以限制
强度条件：
max
M x max [ ] （[ ]——许用切应力） Wp
危险截面在哪儿？
危险点在哪儿？
三类强度计算问题 强度校核 截面尺寸设计 确定许可荷载
M x max max [ ] Wp M x max Wp [ ] M x max Wp [ ]
D 2 d 2
32 D 4 (1 4 ) 32
(D4 d 4 )
(
d ) D
3.4 圆轴扭转时横截面上的切应力
（4）应力分布
M x IP
（实心截面）
（空心截面）
工程上采用空心截面构件：提高强度，节约材料，重 量轻，结构轻便，应用广泛。
3.4 圆轴扭转时横截面上的切应力
（3）尽管由实心圆截面杆推出，但同样适用于空心圆截面杆， 只是Ip值不同。 对于实心圆截面：
I p A 2 dA 2 2 d
D 2 0
D 4
32
3.4 圆轴扭转时横截面上的切应力
对于空心圆截面：
I p A 2 dA 2 2 d
3.5 圆轴扭转时的强度条件
例题3
√
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。因此，在里、外层交 界处二者具有相同的切应变。 剪切弹性模量（G1＝2G2）
G
3.5 圆轴扭转时的强度条件
例题4
3
如图所示的传动机构中，功率从轮B输入，通过锥形齿轮将一 半传递给铅垂C轴，另一半传递给水平H轴。已知输入功率P1＝ 14kW, 水平轴（E和H）转速n1= n2= 120 r/min；锥齿轮A和D的齿数 分别为z1=36, z3=12；各轴的直径分别为d1=70mm, d 2 =50mm, d3=35mm。 求：各轴横截面上的最大切应力。
材料力学 第03章 扭转
sin 2 , cos 2
由此可知：
sin 2 , cos 2
(1) 单元体的四个侧面( = 0°和 = 90°)上切 应力的绝对值最大； (2) =-45°和 =+45°截面上切应力为零，而 正应力的绝对值最大；
[例5-1]图示传动轴，主动轮A输入功率NA=50 马力，从 动轮B、C、D输出功率分别为 NB=NC=15马力 ，ND=20马 力，轴的转速为n=300转/分。作轴的扭矩图。
解：
NA 50 M A 7024 7024 1170 N m n 300 NB 15 M B M C 7024 7024 351 m N n 300 NC 20 M D 7024 7024 468N m n 300
第3章
扭
转
§3.1
一、定义 二、工程实例 三、两个名词
概
述
一、定义
Me Me
扭转变形 ——在一对大小相等、转向相反的外力偶矩
作用下，杆的各横截面产生相对转动的
变形形式，简称扭转。
二、工程实例
1、螺丝刀杆工作时受扭。
Me
主动力偶
阻抗力偶
2、汽车方向盘的转动轴工作时受扭。
3、机器中的传动轴工作时受扭。
公式的使用条件：
1、等直的圆轴， 2、弹性范围内工作。
圆截面的极惯性矩 Ip 和抗扭截面系数Wp
实心圆截面：
2 A
I p d A (2π d )
2
d 2 0
O
2 π(
4
d /2
4
)
0
πd 4 32
d
d A 2π d
材料力学第三章 扭转
n
250
横截面上的最大切应力为
max
T Wt
T (D4 d 4)
16D
16 0.55573000 Pa 19.2MPa [ ] 50MPa (0.554 0.34 )
满足强度要求。
跟踪训练 7.机车变速箱第II轴如图所示，轴所传递的功率为
p 5.5KW,转速n 200r / min，材料为45钢，
（3）主动轮放在两从动轮之间可使最大扭矩取最小值
B
A
C
Me2
Nm
M e1
Me3
4220
2810
本章小结
1.外力偶矩的计算 内力的计算——扭矩图
P M e 9549 n (N m)
2.圆轴扭转切应力公式的建立
τρ
Tρ Ip
强度条件的应用
max
Tmax Wt
[ ]
刚度条件的应用
' max
T
180 [']
（3）主动轮和从动轮应如何安排才比较合理。
再根据平衡条件，可得 Me1 Me2 Me3 (2810 4220)N m 7030N m
所作扭矩图如右图
（1）试确定AB段的直径d1和BC段的直径d2。
根据强度条件确定AB直径d1
AB
TAB Wt
16TAB
d12
[ ]
根据刚度条件确定AB直径d1
mB
(a)
1
350 2
C
1
2
T1
11463
446
A
D
3
mB
(b)
(c) mB
mC
T2
mC
mA T3
mD
T1 350N m 350 1 350 2
材料力学-第三章扭转
3、物理方程 mA a mA a AC 2GI p GI p
BC
2 mB a GI p
4 解得： m A 7 T 3 mB T 7
AB AC BC 0
例：由实心杆 1 和空心杆 2 组成的组合轴，受扭矩 T， 两者之间无相对滑动，求各点切应力。 T 解: 设实心杆和空心杆承担的扭矩分别为 G 2 Ip 2 M n 1 、 M n2 。 R2
二 刚度条件
M 180 刚度 n 0.50～1.0 / m 一般轴 l G Ip 条件
0.25～0.5 / m 精密轴
1.0 ～3.0 / m 粗糙轴
例 传动主轴设计，已知:n = 300r/m，P1 = 500kW，P2=200kW P3=300kW，G=80GPa [ ] 40MPa , [] 0.3 求：轴的直径d 解：1、外力分析
圆轴扭转的强度条件
max
Mn D Mn I p 2 Wp
Wp
2I p D
Mn
D 3 D 3 Wp 1 4 抗扭截面系数Wp : W p 16 16
强度条件：
Mn max Wp
例 已知汽车传动主轴D = 90 mm, d = 85 mm [ ] 60MPa, T = 1.5 kNm
Mn d
3
圆形优于矩形
Aa
= 0.208
3
a
3
4
3
d 0.886 d
2
Mn
a
2
Mn 0.208 0.886 d
b
6.913
材料力学第3章扭转
试问：纵向截面里的切应力是由什么内力平衡的？
§3.8 薄壁杆件的自由扭转
薄壁杆件：杆件的壁厚远小于截面的其它尺寸。 开口薄壁杆件：杆件的截面中线是不封闭的折线或曲
线，例如：工字钢、槽钢等。 闭口薄壁杆件：杆件的截面中线是封闭的折线或曲线，
例如：封闭的异型钢管。
一、开口薄壁杆的自由扭转
＝ Tl
GI t
变形特点：截面发生绕杆轴线的相对转动 本章主要研究圆截面等直杆的扭转
§3.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图
功率： P(kW) 角速度：ω 外力偶矩：Me
P = Meω
转速：n(r/min)
2n/ 60
Me
1000 P＝9549
P n
(N
m)
内力偶矩：扭矩 T 求法：截面法
符号规则： 右手螺旋法则 与外法线同向“ + ” 与外法线反向“－”
max
T max
It
It
1 3
hi
3 i
二、闭口薄壁杆的自由扭转
max
T
2 min
TlS
4G 2
其中：ω截面为中线所围的面积
S 截面为中线的长度
闭口薄壁杆的应力分布：
例： 截面为圆环形的开口和闭口薄壁杆件如图所 示，设两杆具有相同平均半径 r 和壁厚δ，试 比较两者的扭转强度和刚度。
开＝3 r 闭 开＝3( r )2 闭
8FD3n Gd 4
C
ห้องสมุดไป่ตู้
Gd 4 8D3n
F C
§3.7 矩形截面杆扭转的概念
1) 翘曲
变形后杆的横截面不再保持为平面的现象。
2) 自由扭转和约束扭转
自由扭转：翘曲不受限制的扭转。 各截面翘曲程度相同，纵向纤维无伸缩， 所以，无正应力，仅有切应力。
材料力学第3章 扭转
第3章 扭转
第一节 概 述 扭转是杆件变形的基本形式之一。在日常生活 和工程中，以扭转变形为主的杆件比较常见，如钥 匙、汽车转向轴、螺丝刀、钻头、皮带传动轴或齿 轮传动轴、门洞上方的雨篷梁、主梁等。
1
图3.1
图3.2
2
图3.3
3
第二节 外力偶矩计算 扭矩与扭矩图 一、外力偶矩计算 作用在扭转杆件上的外力偶矩Me，常可以由 外力向杆的轴线简化而得。但是，对于传动轴，通 常知道它所传递的功率P（常用单位为kW）和转 速n（常用单位为r/min）。由理论力学知识
11
图3.9
图3.10
12
三、剪切胡克定律 对于线弹性材料，试验表明，当切应力不超过 材料的剪切比例极限τp时，切应力τ与切应变γ保持 线性关系。如图3.10所示为低碳钢试件测得的τγ图， 可得
13
第四节 圆轴扭转时横截面上的切应力 对于实心圆轴和空心圆轴（非薄壁圆筒），扭 转时不能再假设切应力沿半径方向为均匀分布。这 时需要从圆轴的变形入手，综合考虑几何、物理、 静力学3个方面，推导圆轴扭转时横截面上切应力 的计算公式。
14
一、扭转试验及假设 取一等截面圆轴，在其表面等间距地画上纵向 线和圆周线，形成大小相同的矩形网格，如图3.11 (a)所示。在两端施加力偶Me后，从试验中观察到 的现象与薄壁圆筒相同。根据这些试验现象，由表 及里，可以推断：横截面上无正应力；横截面上必 有切应力存在，其方向垂直于半径。
15
图3.11
若圆轴的扭矩和抗扭刚度分段为常数，则
27
二、刚度条件 机械工程中某些受力较大的主轴，除了满足扭 转强度条件以外，还需要对其扭转变形加以限制， 这就是扭转刚度条件。工程中常限制轴的单位长度 扭转角θ不超过其许用值，刚度条件表述为
第一节 概 述 扭转是杆件变形的基本形式之一。在日常生活 和工程中，以扭转变形为主的杆件比较常见，如钥 匙、汽车转向轴、螺丝刀、钻头、皮带传动轴或齿 轮传动轴、门洞上方的雨篷梁、主梁等。
1
图3.1
图3.2
2
图3.3
3
第二节 外力偶矩计算 扭矩与扭矩图 一、外力偶矩计算 作用在扭转杆件上的外力偶矩Me，常可以由 外力向杆的轴线简化而得。但是，对于传动轴，通 常知道它所传递的功率P（常用单位为kW）和转 速n（常用单位为r/min）。由理论力学知识
11
图3.9
图3.10
12
三、剪切胡克定律 对于线弹性材料，试验表明，当切应力不超过 材料的剪切比例极限τp时，切应力τ与切应变γ保持 线性关系。如图3.10所示为低碳钢试件测得的τγ图， 可得
13
第四节 圆轴扭转时横截面上的切应力 对于实心圆轴和空心圆轴（非薄壁圆筒），扭 转时不能再假设切应力沿半径方向为均匀分布。这 时需要从圆轴的变形入手，综合考虑几何、物理、 静力学3个方面，推导圆轴扭转时横截面上切应力 的计算公式。
14
一、扭转试验及假设 取一等截面圆轴，在其表面等间距地画上纵向 线和圆周线，形成大小相同的矩形网格，如图3.11 (a)所示。在两端施加力偶Me后，从试验中观察到 的现象与薄壁圆筒相同。根据这些试验现象，由表 及里，可以推断：横截面上无正应力；横截面上必 有切应力存在，其方向垂直于半径。
15
图3.11
若圆轴的扭矩和抗扭刚度分段为常数，则
27
二、刚度条件 机械工程中某些受力较大的主轴，除了满足扭 转强度条件以外，还需要对其扭转变形加以限制， 这就是扭转刚度条件。工程中常限制轴的单位长度 扭转角θ不超过其许用值，刚度条件表述为
材料力学-第三章
21
第三章 扭转
3.5 圆轴扭转强度计算
22
扭转失效与扭转极限应力
扭转屈服应力：s 扭转强度极限：b 扭转强度极限：b 扭转屈服应力（s ）和扭转强度极限（b ），统 称为材料的扭转极限应力u。
23
圆轴扭转强度条件
材料的扭转许用应力为：
u
n
n为安全系数。
强度条件为：
max
（2) 若将轮1与轮2的位置对调，试求轴内的最大扭矩。
（3) 若将轮1与轮3的位置对调，试求轴内的最大扭矩。
33
提高圆轴扭转时强度和刚度的措施
• 提高轴的转速 • 合理布局主动轮和被动轮的位置 • 采用空心轴 • 选用优质材料，提高剪切模量
34
例3-8：图示圆柱形密圈螺旋弹簧，承受轴向载荷F作用。 所谓密圈螺旋弹簧，是指螺旋升角α很小（例如小于5º ）的 弹簧。设弹簧的平均直径D，弹簧丝的直径d，试分析弹簧 丝横截面上的应力并建立相应的强度条件。
第三章 扭转
3.1 扭转的概念
1
扭转的概念
以横截面绕轴 线作相对旋转为 主要特征的变形 形式，称为扭转。
2
受力特点： 变形特点：
受到垂直于构件轴线的外力偶 矩的作用。
构件的轴线保持不变，各横截面绕 轴线相对转动 截面间绕轴线的相对角位移，称为扭转角
使杆发生扭转变形的外力偶，称为扭力偶，其矩 称为扭力偶矩。 凡是以扭转为主要变形的直杆，称为轴。
公式的适用条件：以平面假设为基础；适用胡克定律。
18
圆轴截面的极惯性矩和抗扭截面模量
IP
d4
32
WP
d3
16
19
空心圆截面的极惯性矩和抗扭截面模量
材料力学——第三章 扭转
33
材 料 力 学
表明： 当薄壁圆筒扭转时，其横截面和包含轴线的纵向截
面上都没有正应力； 横截面上便只有切于截面的切应力；
34
材 料 力 学
4、切应力分布规律假设
因为筒壁的厚度很小，可以认为沿筒壁厚度切应力均匀分布；
35
材 料 力 学
5、薄壁圆筒的扭转切应力
T
rm
2 rm t T
m1
m4
15.9(kN m)
A
P2 m2 m3 9.549 4.78 (kN m) n P4 m4 9.549 6.37 (kN m) n
17
B
C
D
材 料 力 学
2、求扭矩
m2
T1 m2 0
T1 4.78kN m
T2 m2 m3 0
材 料 力 学
三、切应变
纯剪切单元体的相对两侧面 发生微小的相对错动， a
´
c
´
b
d
t
使原来互相垂直的两个棱边 的夹角改变了一个微量γ；
圆筒两端的相对扭转角为υ，圆筒 的长度为L，则切应变为
L r
r L
39
材 料 力 学
四、剪切虎克定律：
当剪应力不超过材料的剪切比例
齿轮轴
9
材 料 力 学
§3-2、外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图
一.外力偶矩的计算 ——直接计算
M=Fd
10
材 料 力 学
按输入功率和转速计算
已知 轴转速－n 转/分钟 输出功率－P 千瓦 计算：力偶矩M
电机每秒输入功： 外力偶作功：
W P 1000(N.m)
材料力学 第三章 扭转
为一很小的量，所以
tan 1.0103rad
G
(80 109 Pa)(1.0 103rad) 80 MPa
注意： 虽很小，但 G 很大，切应力 不小
例 3-3 一薄壁圆管，平均半径为R0，壁厚为，长度为l， 横截面上的扭矩为T，切变模量为G，试求扭转角。
解：
T
2πR02
G
T
2πGR02
塑性材料：[] =（0.5~0.6）[s] 脆性材料：[] = （0.8~1.0）[st]
例 3-1 已知 T=1.5 kN . m，[τ] = 50 MPa，试根据强度条 件设计实心圆轴与 a = 0.9 的空心圆轴，并进行比较。 解：1. 确定实心圆轴直径
max [ ]
max
T Wp
T πd 3
表示扭矩沿杆件轴线变化的图线（T-x曲线）－扭矩图
Tmax ml
[例3-1]已知：一传动轴， n =300r/min，主动轮输入 P1=500kW， 从动轮输出 P2=150kW，P3=150kW，P4=200kW，试绘制扭矩图。
解：1、计算外力偶矩
m2
m3
m1
m4
m1
9.55
P1 n
9.55
一、薄壁圆筒扭转时的应力
t
1、试验现象
壁厚
t
1 10
r0（r0：平均半径）
rO
各圆周线的形状不变,仅绕轴线作相对转动，距离不变。 当变形很小时，各纵向平行线仍然平行，倾斜一定的角度。
由于管壁薄，可近似认 为管内变形与管表面相 同，均仅存在切应变γ 。
2、应力公式 微小矩形单元体如图所示：
´
①无正应力
d T
dx GI p
材料力学 第 三 章 扭转
扭转平面假设：变形前的横截面，变形后仍为平面，且形状 、大小
以及间距不变，半径仍为直线。
定性分析横截面上的应力
（1）∵ε = 0∴σ = 0
（2）∵ γ ≠ 0∴τ ≠ 0
因为同一圆周上切应变相同，所以同 一圆周上切应力大小相等，并且方向 垂直于其半径方向。
切应变的变化规律：
D’
取楔形体
O1O2ABCD 为 研究对象
γ ≈ tgγ = DD' = Rdϕ
dx dx
微段扭转
变形 dϕ
γ ρ ≈ tgγ ρ = dd′ = ρ ⋅ dϕ
dx dx
γ
ρ
=
ρ
dϕ
dx
dϕ / dx－扭转角变化率
圆轴横截面上任一点的切应变γρ
与该点到圆心的距离ρ成正比。
（二）物理关系：由应变的变化规律→应力的分布规律
弹性范围内 τ max ≤ τ P
τ max
=
T
2π r 2t
=
180 ×103
2π × 0.132× 0.03
= 56.5MPa
(2) 利用精确的扭转理论可求得
τ max
=
π D3
T
(1−α 4 )
16
=
180 ×103
π×
0.293
⎡ ⎢1 −
⎜⎛
230
⎟⎞
4
⎤ ⎥
16 ⎢⎣ ⎝ 290 ⎠ ⎥⎦
= 62.2MPa
思考题
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。
以及间距不变，半径仍为直线。
定性分析横截面上的应力
（1）∵ε = 0∴σ = 0
（2）∵ γ ≠ 0∴τ ≠ 0
因为同一圆周上切应变相同，所以同 一圆周上切应力大小相等，并且方向 垂直于其半径方向。
切应变的变化规律：
D’
取楔形体
O1O2ABCD 为 研究对象
γ ≈ tgγ = DD' = Rdϕ
dx dx
微段扭转
变形 dϕ
γ ρ ≈ tgγ ρ = dd′ = ρ ⋅ dϕ
dx dx
γ
ρ
=
ρ
dϕ
dx
dϕ / dx－扭转角变化率
圆轴横截面上任一点的切应变γρ
与该点到圆心的距离ρ成正比。
（二）物理关系：由应变的变化规律→应力的分布规律
弹性范围内 τ max ≤ τ P
τ max
=
T
2π r 2t
=
180 ×103
2π × 0.132× 0.03
= 56.5MPa
(2) 利用精确的扭转理论可求得
τ max
=
π D3
T
(1−α 4 )
16
=
180 ×103
π×
0.293
⎡ ⎢1 −
⎜⎛
230
⎟⎞
4
⎤ ⎥
16 ⎢⎣ ⎝ 290 ⎠ ⎥⎦
= 62.2MPa
思考题
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。
材料力学 第3章扭转
d 90 ×10 −3 m − 2 × 2.5 × 103 m α= = D 90 × 10 −3 m = 0.944
Wt =
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
πD 3
16 = 29400 × 10
(1 − α 4 ) =
−9
π ( 90 × 10
16 m3
−3
m )3
(1 − 0 . 944
4
)
2）校核计算：
τ max
T 1500 N ⋅ m = = = 51×106 Pa < [τ ] Wt 29400 ×10 −9 m3
(3.28)
α , ν 由 h b 数值查
3、扭转角公式
ϕ=
Tl Tl = G β hb3 GI t
β 由 h b 数值查
四、横截面上切应力分布的两点规律 • 边缘切应力的方向与截 面边线向切。 •凸角处的切应力为零。 五、矩形截面杆扭转计算
1、切应力分布规律： 切应力分布规律： 切应力公式： 2、切应力公式：
τ m ax
τ 1 = ντ max
T = α hb 2
( 3 .2 6 )
(3.27)
P 96 表 3 . 2
(3.1)
二、扭矩与扭矩图
1.扭矩： 1.扭矩： 扭矩
•横截面分布内力系轴向合力偶矩。 •符号： T。 •正负规定：矢量方向离开截面 为正，指向截面为负。 •计算方法：截面法。
2、扭矩图： 扭矩图：
•表示扭矩沿杆轴线变化情况的 图形。 •扭矩图形式及画法：同轴力图。 •作图应注意的问题：求截面扭 矩时应采用设正法。
2、应力分布推断： 应力分布推断：
•横截面上只有切应力而无正应力。 •横截面上切应力方向与半径正交大小 相等（由于薄壁）。
Wt =
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
πD 3
16 = 29400 × 10
(1 − α 4 ) =
−9
π ( 90 × 10
16 m3
−3
m )3
(1 − 0 . 944
4
)
2）校核计算：
τ max
T 1500 N ⋅ m = = = 51×106 Pa < [τ ] Wt 29400 ×10 −9 m3
(3.28)
α , ν 由 h b 数值查
3、扭转角公式
ϕ=
Tl Tl = G β hb3 GI t
β 由 h b 数值查
四、横截面上切应力分布的两点规律 • 边缘切应力的方向与截 面边线向切。 •凸角处的切应力为零。 五、矩形截面杆扭转计算
1、切应力分布规律： 切应力分布规律： 切应力公式： 2、切应力公式：
τ m ax
τ 1 = ντ max
T = α hb 2
( 3 .2 6 )
(3.27)
P 96 表 3 . 2
(3.1)
二、扭矩与扭矩图
1.扭矩： 1.扭矩： 扭矩
•横截面分布内力系轴向合力偶矩。 •符号： T。 •正负规定：矢量方向离开截面 为正，指向截面为负。 •计算方法：截面法。
2、扭矩图： 扭矩图：
•表示扭矩沿杆轴线变化情况的 图形。 •扭矩图形式及画法：同轴力图。 •作图应注意的问题：求截面扭 矩时应采用设正法。
2、应力分布推断： 应力分布推断：
•横截面上只有切应力而无正应力。 •横截面上切应力方向与半径正交大小 相等（由于薄壁）。
材料力学第三章扭转
材料力学
中南大学土木工程学院
三、扭 矩
x 扭矩的矢量表示
Me
Me
Me
T
定义：扭转内力偶矩， 1、定义：扭转内力偶矩，用T表示 大小： 2、大小：可用截面法取局部平衡求出 扭矩大小= 截面一侧所有外扭转力偶矩之代数和 T =ΣMe 正负号： 3、正负号：扭矩矢与截面外法线一致为正 （图中T为正，必须按“设正法”画扭矩） 为正，必须按“设正法”画扭矩） 单位： 4、单位：N·m 或 kN·m
τ =τ′
切应力互等定理
在单元体相互垂直的两个平面上， 在单元体相互垂直的两个平面上，切应力必然成对出 且数值相等，两者都垂直于两平面的交线， 现，且数值相等，两者都垂直于两平面的交线，其方 向则共同指向或共同背离该交线。 向则共同指向或共同背离该交线。
材料力学
中南大学土木工程学院
单元体的四个侧面上只有切应力而无正应 纯剪切应力状态。 力作用，这种应力状态称为纯剪切应力状态 力作用，这种应力状态称为纯剪切应力状态。
O
定义内径与 外径的比值
d α= D
D d
πD πD 4 Ip = (1 − α 4 ) 32
I p π(D 4 − d 4 ) πD 3 Wp = = = (1 − α 4 ) D 16 D 16 2
特别注意：抗扭截面系数不满足叠加法的计算，括号里的仍是四次方。 特别注意：抗扭截面系数不满足叠加法的计算，括号里的仍是四次方。
材料力学 中南大学土木工程学院
分布如图所示。 横截面上各点处的切应力τ 分布如图所示 取微面积dA，则横截面上的分布 的合成其主矢为零， 力系τ dA的合成其主矢为零，主矩就 是扭矩T。
δ
r0
O
τ
∫
材料力学第3章-扭转
第3章 扭转1、扭转的概念：杆件的两端个作用一个力偶，其力偶矩大小相等、转向相反且作用平面垂直于杆件轴线，致使杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动，即为扭转变形。
2、外力偶矩的计算{}{}{}min /95491000602r KW m N e e n P M P M n=⇒⨯=⨯⨯⋅π 式中，e M 为外力偶矩。
又由截面法：e e M T M T =⇒=-0 T 称为n n -截面上的扭矩。
规定：若按右手螺旋法则把T 表示为矢量，当矢量方向与研究部分中截面的外法线的方向一致时，T 为正；反之为负。
3、纯剪切（1）薄壁圆筒扭转时的切应力 δπττδπ222r M r r M ee =⇒••=（2）切应力互等定理：在单元体相互垂直的两个平面上，切应力必然成对存在，且数值相等；两者都垂直于平面的交线，方向则共同指向或背离这一交线。
（3）切应变 剪切胡克定律：当切应力不超过材料的剪切比例极限时，切应变γ与切应力τ成正比。
γτG = G 为比例常数，称为材料的切变模量。
弹性模量E 、泊松比μ和切变模量G 存在关系：)1(2μ+=EG 4、圆轴扭转时的应力（1）变形几何关系：距圆心为ρ处的切应变为dxd ϕργρ=（2）物理关系：ρτ为横截面上距圆心为ρ处的切应力。
dxd G G ϕρτγτρρρ=⇒= （3）静力关系：内力系对圆心的力矩就是横截面的扭矩：dA d d GdA T AxA⎰⎰==2ρρτϕρ 以p I 表示上式右端的积分式：dA I Ap ⎰=2ρ p I 称为横截面对圆心O 点的极惯性矩（截面二次极矩）横截面上距圆心为ρ的任意点的切应力：pI T ρτρ=ρ最大时为R ，得最大切应力：pI TR =max τ引用记号RI W p t =t W 称为抗扭截面系数。
则tW T =max τp I 和t W 的计算（1）实心轴：3224420032D R d d dA I RAp ππθρρρπ====⎰⎰⎰16233D R RI W p t ππ===（2）空心轴：)1(32)(324444202/2/32αππθρρρπ-=-===⎰⎰⎰D d D d d dA I D d Ap)1(16)(164344αππ-=-==D d D DRI W p t5、圆轴扭转时的变形pGI Tl =ϕ ϕ为扭转角，l 为两横截面间的距离。
材料力学 第三章-扭转
1.受力特点： 1.受力特点：承受的外力或其合力均是绕轴线转动 受力特点 的外力偶。或外力偶作用平面和杆件横截面平行。 的外力偶。或外力偶作用平面和杆件横截面平行。 2.变形特点 相邻截面绕轴相对转动。 变形特点： 2.变形特点： 相邻截面绕轴相对转动。
Me
A
扭转
Me
ϕ
B
B'
ϕ：相对扭转角 工程上称发生扭转变形的杆件称为轴。 工程上称发生扭转变形的杆件称为轴。
τ
(τdydz)dx= (τ′dxdz)dy
x
τ =τ ′
z
4.切应力互等定理 4.切应力互等定理 Reciprocal theorem of shear stresses
y
τ′
A dy B dx D dz C
τ
x
τ =τ ′
切应力互等定理
单元体上两个互垂面上切 应力的大小相等、 应力的大小相等、方向相 反，共同指向截面交线或 背离截面交线。 背离截面交线。
扭转
三、强度条件Strength condition
Tmax = ≤ [τ ] ，[τ]—许用切应力； 许用切应力； τ 许用切应力 Wp
强度条件： 强度条件：τ max
τ max --最大工作切应力 最大工作切应力
根据强度条件可进行： 根据强度条件可进行： 强度校核; 选择截面; 强度校核 选择截面 计算许可荷载。 计算许可荷载。
y
τ′
A dy D dz C
τ
怎样才能平衡？ 微元能不能平衡？ 怎样才能平衡？ 微元能不能平衡 哪些力互相平衡？？ 哪些力互相平衡？
x
B dx
z
4.切应力互等定理 4.切应力互等定理 Reciprocal theorem of shear stresses
Me
A
扭转
Me
ϕ
B
B'
ϕ：相对扭转角 工程上称发生扭转变形的杆件称为轴。 工程上称发生扭转变形的杆件称为轴。
τ
(τdydz)dx= (τ′dxdz)dy
x
τ =τ ′
z
4.切应力互等定理 4.切应力互等定理 Reciprocal theorem of shear stresses
y
τ′
A dy B dx D dz C
τ
x
τ =τ ′
切应力互等定理
单元体上两个互垂面上切 应力的大小相等、 应力的大小相等、方向相 反，共同指向截面交线或 背离截面交线。 背离截面交线。
扭转
三、强度条件Strength condition
Tmax = ≤ [τ ] ，[τ]—许用切应力； 许用切应力； τ 许用切应力 Wp
强度条件： 强度条件：τ max
τ max --最大工作切应力 最大工作切应力
根据强度条件可进行： 根据强度条件可进行： 强度校核; 选择截面; 强度校核 选择截面 计算许可荷载。 计算许可荷载。
y
τ′
A dy D dz C
τ
怎样才能平衡？ 微元能不能平衡？ 怎样才能平衡？ 微元能不能平衡 哪些力互相平衡？？ 哪些力互相平衡？
x
B dx
z
4.切应力互等定理 4.切应力互等定理 Reciprocal theorem of shear stresses
材料力学,第三章 扭转
，或有使用要求（如机床主轴）要采用空心轴，否则，制
造空心轴并不总是值得的。
45
§3–5 等直圆杆在扭转时的变形 · 刚度条件
一、扭转时的变形 由公式
d T dx GI p
知：长为 l一段杆两截面间相对扭转角 为
d
l
0
T dx GI p
Tl (若T 值 不 变 ） GI p
I p A 2 dA 2 2 d
D 2 0
D 4
32
0 .1 D 4
37
d 对于空心圆截面：
I p A 2 dA 2 2 d (
D 2 d 2
d
O
D
d ) D
32 D 4 (1 4 ) 0.1D 4 (1 4 ) 32
Torsion
1
第三章
§3–1 概述
扭 转
§3–2 传动轴的外力偶矩 · 扭矩及扭矩图
§3–3 薄壁圆筒的扭转 §3–4 等直圆杆在扭转时的应力 · 强度分析 §3–5 等直圆杆在扭转时的变形 · 刚度条件
2
§ 3–1
概 述
工程中以扭转为主要变形的构件，我们一般称之为“轴”。如：
机器中的传动轴、石油钻机中的钻杆等。 工程实例
42
Tmax Wt [ ]
Tmax Wt [ ]
[例] 设有一实心圆轴与一内外径比为3/4的空心圆轴，两轴 材料及长度都相同。承受转矩均为m，已知两轴的最大剪应 力相等，试比较两轴的重量。 解.（ 1 ）实心轴直径 d与 空心轴外径D之间的关系
max
Tmax 16m [] 3 Wt d
材料力学 第三章 扭转
例3—4 5吨单梁吊车，NK=3.7kW,n=32.6r/min.试选择传动轴 CD的直径，并校核其扭转刚度。轴用45号钢， []=40MPa,G=80×103MPa, = 1º /m。
（1）计算扭矩
马达的功率通过传动轴传递给两个车轮，故每个 车轮所消耗的功率为
N k轮 N k 3.7 1.85k W 2 2
是倾斜了一个角度（圆周线绕轴线转动了一个 角度）
推测： （1）横截面上没有正应力 （2）采用截面法将圆筒截开，横 截面上有扭矩存在，说明横截面上 分布有与截面相切的应力、即存在 剪应力 由于壁很薄，可以假设剪应力 沿壁厚均匀分布 包括横截面取出一个单元体
若左右两面有切应力，则上下两面也必然有。否则不能平衡。
空心
扭转强度条件
max
Tmax WP
强度校核
max
Tmax max WP
3
三类计算
截面选择
Tmax D WP Wp D [ ] 16
许可载荷
Tmax [ ] WP
2、扭转刚度条件
（构件最大变形不超过许可变形）
Tl 扭转变形（扭转角） GI p
CB段外边缘
T D 199 103 30 Nmm 2 46.8MPa 4 4 I p1 2 6.38 10 2 mm
CB段内边缘
T d 199 103 20 Nmm 2 31.2MPa 4 4 I p1 2 6.38 10 2 mm
3-5 圆轴扭转时的强度与刚度计算
P m 9550 Nm n
2、 扭矩
截面法
截开：
去掉：
代替：因力偶只能与力偶 平衡。所以扭转时横截面 上的内力只是一个力偶， 使截面绕轴线转动，称 “扭矩” T 平衡：
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可知，两侧面的内力元素 dy dz
dy
τ
τx
大小相等，方向相反，将组成 z
dx
一个力偶。
其矩为( dy dz) dx
(Torsion)
2、 要满足平衡方程
Mz 0 Fx 0
在单元体的上、下两平面上必有大小 相等，指向相反的一对内力元素 它们组成力偶，其矩为
( dxdy)dz
z
dy
y
τ
τx
Me
Me
(Torsion)
§3-2 扭转的内力的计算 (Calculating internal force of torsion )
一、外力偶矩的计算 (Calculation of external moment)
Me
9549 P n
(N m)
Me
7024
Ps n
(N m)
Me2
Me1
n Me3
§3-3 薄壁圆筒的扭转 (Torsion in thin—wall circular tube)
§3-4 圆轴扭转的应力分析及强度条件 (Analyzing stress of circular bars & strength condition)
(Torsion)
§3-5 圆杆在扭转时的变形 ·刚度条件 (Torsional deformation of circular bars & stiffness condition) §3-6 密圈螺旋弹簧的应力和变形 (Calculation of the stress and deformation in close-coiled helical springs）
最大扭矩发生在BC段
Tmax=4kN·m
2kN·m
+
2
1
M1
M2
A
B
C
l
l
T1 M2
C
T2 M1
M2
_
4kN·m
B
C
(Torsion)
（2）求轴的最大切应力， 并指出其位置
3、扭矩图（ Torque diagram)
Me
用平行于杆轴线的坐标 x 表示横
截面的位置；用垂直于杆轴线的
n T
•
x
坐标 T 表示横截面上的扭矩，正
的扭矩画在 x 轴上方，负的扭矩画在 x 轴下方. •
T
T
Me
x
•
+
_
x
(Torsion) 例题1 一传动轴如图所示，其转速 n = 300 r/min ，主动轮A输 入的功率为P1 = 500 kW . 若不计轴承摩擦所耗的功率，三个从 动轮输出的功率分别为P2 = 150 kW 、P3 = 150 kW 及 P4 = 200 kW. 试做扭矩图.
t
此式为薄壁筒扭转时横截面上切应力的计算公式.
薄壁筒扭转时横截面上的切应力均匀分布，与半径垂直，
指向与扭矩的转向一致.
τ
T
τ
(Torsion)
二、切应力互等定理 (Shearing Stress Theorem)
1、在单元体左、右面（杆的横截面）上
只有切应力，其方向于 y 轴平行.
y
由平衡方程
Fy 0
(Torsion)
一、变形几何关系(Geometrical Relationship of Deformation)
1、变形现象 (Deformation phenomenon)
1) 轴向线仍为直线，且长度不变； 2) 横截面仍为平面且与轴线垂直；
3) 径向线保持为直线，只是绕轴 线旋转.
2、平面假设（Plane assumption) 变形前为平面的横截面 ，变形
Mechanics of Materials Chapter 3 Torsion
(Torsion)
第三章 扭 转 (Torsion)
§3-1 扭转的概念和实例 (Concepts and example problem of torsion) §3-2 扭转内力的计算 (Calculating internal force of torsion )
Ip
max
πd 4 / 32 d/2
πd 3 16
（2）空心圆截面 (Hollow circular section) D d
Ip
πD4(1 4 )
32
其中
Wt
πD3 16
(1 4 )
d
D
dρ ρ O
dρ ρ O
(Torsion) 例题2 图示空心圆轴外径D=100mm，内径d=80mm，
4780 N·m 9560 N·m
(Torsion)
§3-3 薄壁圆筒的扭转
(Torsion of thin—walled cylindrical Vessels)
薄壁圆筒：壁厚
t
1 10
r0（r0—圆筒的平均半径）
一、应力分析（Analysis of stress)
1.实验前
1）画纵向线，圆周线；
ρ，它也就是横截面半径上任一点E处的切应变
tg
GG' EG
d
dx
(tToorrssioionn))
二、 物理关系(Physical Relationship)
由剪切胡克定律
G
G
G
d
dx
同一圆周上各点剪应力
a AT
O1 ρ
a
ρ
b
D
G
T d
D G' O2
b dx
均相同 ，且其值与 成正比， 与半径垂直.
从动轮 主动轮
从动轮
Me—作用在轴上的力偶矩( N ·m ) n—轴的转速( r/min )
P—轴传递的功率(kW)
Ps —轴传递的功率(PS)
(Torsion)
二、内力的计算 (Calculation of internal force)
1、求内力(Calculating internal force)
后仍保持为平面.
(Torsion)
3、几何关系 （Geometrical relationship)
倾角 是横截面圆周上任一
点A 处的切应变, d 是 b-b
截面相对于a-a 截面象刚性
平面一样绕杆的轴线转动的
一个角度.
a
AT
E
O1 ρ
a
ρ
b
D
G
T
d
D' G' O2
b dx
经过半径 O2D 上任一点G的纵向线EG 也倾斜了一个角度
2）施加一对外力偶.
2.实验后 ① 圆筒表面的各圆周线的形状、大小和间 Me 距均未改变，只是绕轴线作了相对转动；
x
dx
Me
② 各纵向线均倾斜了同一微小角度 ；
③ 所有矩形网格均歪斜成同样大小的平行四边形.
(Torsion)
3、推论（Inference) 1) 横截面上无正应力，只
Me
Me
有切应力；
T
IP
式中：T — 横截面上的扭矩
— 求应力的点到圆心的距离
IP —为横截面对圆心的 极惯性矩
(Torsion)
2、 max 的计算（Calculation of max )
max
Tmax
Ip
T Ip
T
Wt
max
dA T
max
ρ ρ O
(Maximum Shear-Stress Formula)
截面法 (Method of sections) 在n – n 截面处假想将轴截开取左
侧为研究对象
Me
Me
Mx 0
T Me
Me
T
(Torsion)
2、扭矩符号的规定 (Sign convention for torque)
Me
采用右手螺旋法则,当力偶矩矢的指
n Me
•
x
向背离截面时扭矩为正，反之为负.
单元体平面上只有切应力而无正应力，则称为纯剪切单元体.
(Torsion)
三、剪切胡克定律 （Hooke’s law for shear) Me
由图所示的几何关系得到
Me
r
l
l
式中， r 为薄壁圆筒的外半经.
薄壁圆筒的扭转试验发现，当外力偶 Me 在某一范围内时，与 Me （在数值上等于 T ）成正比.
Me2 1 Me3
T1 Me2 4780 N m
在 AD 段内
B1 C
T3 Me4 6370 N m Me2 T1
注意：若假设扭矩为正值，则
扭矩的实际符号与计算符号相同. 作出扭矩图
从图可见，最大扭矩
在 CA段内.
Me1 3 Me4
A 3D Me4
T3
6370 N·m
+ _
Tmax 9560 N m
何
geometric
关 系
变形的分布规律
relation
Distribution regularity
物
of deformation
理
physical
关
relation
系 应力的分布规律
Distribution
静
regularity of stress
力
static
关
relation
系
建立公式
Establish the formula
Me2
Me3
Me1
n
Me4
B
C
A
D
(Torsion)
Me2
Me3
Me1
dy
τ
τx
大小相等，方向相反，将组成 z
dx
一个力偶。
其矩为( dy dz) dx
(Torsion)
2、 要满足平衡方程
Mz 0 Fx 0
在单元体的上、下两平面上必有大小 相等，指向相反的一对内力元素 它们组成力偶，其矩为
( dxdy)dz
z
dy
y
τ
τx
Me
Me
(Torsion)
§3-2 扭转的内力的计算 (Calculating internal force of torsion )
一、外力偶矩的计算 (Calculation of external moment)
Me
9549 P n
(N m)
Me
7024
Ps n
(N m)
Me2
Me1
n Me3
§3-3 薄壁圆筒的扭转 (Torsion in thin—wall circular tube)
§3-4 圆轴扭转的应力分析及强度条件 (Analyzing stress of circular bars & strength condition)
(Torsion)
§3-5 圆杆在扭转时的变形 ·刚度条件 (Torsional deformation of circular bars & stiffness condition) §3-6 密圈螺旋弹簧的应力和变形 (Calculation of the stress and deformation in close-coiled helical springs）
最大扭矩发生在BC段
Tmax=4kN·m
2kN·m
+
2
1
M1
M2
A
B
C
l
l
T1 M2
C
T2 M1
M2
_
4kN·m
B
C
(Torsion)
（2）求轴的最大切应力， 并指出其位置
3、扭矩图（ Torque diagram)
Me
用平行于杆轴线的坐标 x 表示横
截面的位置；用垂直于杆轴线的
n T
•
x
坐标 T 表示横截面上的扭矩，正
的扭矩画在 x 轴上方，负的扭矩画在 x 轴下方. •
T
T
Me
x
•
+
_
x
(Torsion) 例题1 一传动轴如图所示，其转速 n = 300 r/min ，主动轮A输 入的功率为P1 = 500 kW . 若不计轴承摩擦所耗的功率，三个从 动轮输出的功率分别为P2 = 150 kW 、P3 = 150 kW 及 P4 = 200 kW. 试做扭矩图.
t
此式为薄壁筒扭转时横截面上切应力的计算公式.
薄壁筒扭转时横截面上的切应力均匀分布，与半径垂直，
指向与扭矩的转向一致.
τ
T
τ
(Torsion)
二、切应力互等定理 (Shearing Stress Theorem)
1、在单元体左、右面（杆的横截面）上
只有切应力，其方向于 y 轴平行.
y
由平衡方程
Fy 0
(Torsion)
一、变形几何关系(Geometrical Relationship of Deformation)
1、变形现象 (Deformation phenomenon)
1) 轴向线仍为直线，且长度不变； 2) 横截面仍为平面且与轴线垂直；
3) 径向线保持为直线，只是绕轴 线旋转.
2、平面假设（Plane assumption) 变形前为平面的横截面 ，变形
Mechanics of Materials Chapter 3 Torsion
(Torsion)
第三章 扭 转 (Torsion)
§3-1 扭转的概念和实例 (Concepts and example problem of torsion) §3-2 扭转内力的计算 (Calculating internal force of torsion )
Ip
max
πd 4 / 32 d/2
πd 3 16
（2）空心圆截面 (Hollow circular section) D d
Ip
πD4(1 4 )
32
其中
Wt
πD3 16
(1 4 )
d
D
dρ ρ O
dρ ρ O
(Torsion) 例题2 图示空心圆轴外径D=100mm，内径d=80mm，
4780 N·m 9560 N·m
(Torsion)
§3-3 薄壁圆筒的扭转
(Torsion of thin—walled cylindrical Vessels)
薄壁圆筒：壁厚
t
1 10
r0（r0—圆筒的平均半径）
一、应力分析（Analysis of stress)
1.实验前
1）画纵向线，圆周线；
ρ，它也就是横截面半径上任一点E处的切应变
tg
GG' EG
d
dx
(tToorrssioionn))
二、 物理关系(Physical Relationship)
由剪切胡克定律
G
G
G
d
dx
同一圆周上各点剪应力
a AT
O1 ρ
a
ρ
b
D
G
T d
D G' O2
b dx
均相同 ，且其值与 成正比， 与半径垂直.
从动轮 主动轮
从动轮
Me—作用在轴上的力偶矩( N ·m ) n—轴的转速( r/min )
P—轴传递的功率(kW)
Ps —轴传递的功率(PS)
(Torsion)
二、内力的计算 (Calculation of internal force)
1、求内力(Calculating internal force)
后仍保持为平面.
(Torsion)
3、几何关系 （Geometrical relationship)
倾角 是横截面圆周上任一
点A 处的切应变, d 是 b-b
截面相对于a-a 截面象刚性
平面一样绕杆的轴线转动的
一个角度.
a
AT
E
O1 ρ
a
ρ
b
D
G
T
d
D' G' O2
b dx
经过半径 O2D 上任一点G的纵向线EG 也倾斜了一个角度
2）施加一对外力偶.
2.实验后 ① 圆筒表面的各圆周线的形状、大小和间 Me 距均未改变，只是绕轴线作了相对转动；
x
dx
Me
② 各纵向线均倾斜了同一微小角度 ；
③ 所有矩形网格均歪斜成同样大小的平行四边形.
(Torsion)
3、推论（Inference) 1) 横截面上无正应力，只
Me
Me
有切应力；
T
IP
式中：T — 横截面上的扭矩
— 求应力的点到圆心的距离
IP —为横截面对圆心的 极惯性矩
(Torsion)
2、 max 的计算（Calculation of max )
max
Tmax
Ip
T Ip
T
Wt
max
dA T
max
ρ ρ O
(Maximum Shear-Stress Formula)
截面法 (Method of sections) 在n – n 截面处假想将轴截开取左
侧为研究对象
Me
Me
Mx 0
T Me
Me
T
(Torsion)
2、扭矩符号的规定 (Sign convention for torque)
Me
采用右手螺旋法则,当力偶矩矢的指
n Me
•
x
向背离截面时扭矩为正，反之为负.
单元体平面上只有切应力而无正应力，则称为纯剪切单元体.
(Torsion)
三、剪切胡克定律 （Hooke’s law for shear) Me
由图所示的几何关系得到
Me
r
l
l
式中， r 为薄壁圆筒的外半经.
薄壁圆筒的扭转试验发现，当外力偶 Me 在某一范围内时，与 Me （在数值上等于 T ）成正比.
Me2 1 Me3
T1 Me2 4780 N m
在 AD 段内
B1 C
T3 Me4 6370 N m Me2 T1
注意：若假设扭矩为正值，则
扭矩的实际符号与计算符号相同. 作出扭矩图
从图可见，最大扭矩
在 CA段内.
Me1 3 Me4
A 3D Me4
T3
6370 N·m
+ _
Tmax 9560 N m
何
geometric
关 系
变形的分布规律
relation
Distribution regularity
物
of deformation
理
physical
关
relation
系 应力的分布规律
Distribution
静
regularity of stress
力
static
关
relation
系
建立公式
Establish the formula
Me2
Me3
Me1
n
Me4
B
C
A
D
(Torsion)
Me2
Me3
Me1