材料力学03_扭转
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-扭转
扭转角( 扭转角(ϕ):任意两截面绕轴线相对转动的角度。又称为角 位移。通常用ϕ表示。ϕB − A表示B截面相对A截面转过的角度。 剪应变( 剪应变(γ): 剪应变又叫角应变或切应变,它是两个相互垂直方 向上的微小线段在变形后夹角的改变量(以弧度表示, 角度减小时为正) O ϕ B m
A m
γ
第二节 杆受扭时的内力计算
四、圆截面的极惯性矩 Ip 和抗扭截面系数Wp
实心圆截面: 实心圆截面:
2
I p = ∫ ρ d A = ∫ ρ (2 πρ d ρ )
2
ρ
d O
dρ
A
d 2 0
= 2 π(
ρ
4
d /2
4
)
0
πd = 32
4
d A = 2 πρ d ρ
πd 3 Wp = = d / 2 16 Ip
空心圆截面: 空心圆截面:
T T = ρ max = IP IP T = WP
ρ max
Ip—截面的极惯性矩, 截面的极惯性矩,单位: 单位:m 4 , mm 4 Ip 3 3 WP —抗扭截面模量, WP = 抗扭截面模量,单位:m , mm .
ρ max
整个圆轴上——等直杆: 等直杆: τ max
Tmax = WP
三、公式的使用条件: 公式的使用条件: 1、等直的圆轴, 等直的圆轴, 2、弹性范围内工作。 弹性范围内工作。
Tmax Wp
πD 3 实心, 16 T max W = 2)设计截面尺寸: 设计截面尺寸:WP ≥ 3 P [τ ] πD (1 − α 4 ) 空心. 16 ≤ ⇒ m 3)确定外荷载: 确定外荷载: Tmax WP ⋅ [τ ]
≤
材料力学第03章02-扭转强度和刚度
解:1、求外力偶矩
M 9549 N n
9549 150 1.55KN.m 15.4 60
2、作扭矩图 T
M
2=75
1=70
M
3=135
+1.55KN.m
3、计算并校核剪应力强度
max
T
Wt
16 1.55 103 3.14 0.073
23MPa [ ]
x
满足强度要求。
例题7 已知阶梯轴如图示,m1=1800N.m,m2=1200N.m,
解:1、求外力偶矩
M 9549 N 9549 331 10.54(KN .m)
n
300
2、内力-----扭矩T
T M 10.54KN.m
3、由强度条件:
max
T
Wt
16 10.54 103
d 3
[ ]
d 11.02 102 (m)
4、由刚度条件:
T GI p
32 10.54 103
max
T Wt
51.7MPa
17
(2)等强度轴的直径
max
T Wt
T
1 16
D03
51.7MPa
D0
3
16T
max
0.053m
(3)实心轴与空心轴质量比
Q0 Q
A0 A
D02 / 4 (D2 d2) / 4
3.2
18
[例3] 某传动轴设计要求转速n = 500 r / min,输入功率P1 = 368 KW, 输出功率分别 P2 = 147KW, P3 = 221KW,已知:G=80GPa , [ ]=70M Pa,[ ]=1º/m ,试确定:
①AB 段直径 d1和 BC 段直径 d2 ?
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。
材料力学答案03
T2 = M B + M C = 764 N ⋅ m Tmax = 764 N ⋅ m
其绝对值比第(1)种情况小,即对轴的受力有利。 3-3 试绘出图示截面上切应力的分布图,其中 T 为截面的扭矩。
(a1)
(b1)
(c1)
3-4 图示圆截面轴, AB 与 BC 段的直径分别为 d1 与 d 2 ,且 d1 = 4d 2 / 3 。求轴内的 最大扭转切应力。
ϕ = ∫ dϕ = ∫
l l
T (x ) dx GI p ( x )
上式适用于等截面圆轴和截面变化不大的圆锥截面轴。对等截面圆轴,若在长 l 的两横截面 间的扭矩 T 为常量,则
ϕ=
圆轴扭转的刚度条件为
Tl GI p
⎟ ≤ [θ ] θ max = ⎜ ⎜ GI ⎟ ⎝ p ⎠ max
⎛ T ⎞
对于等截面圆轴为 或
28
答 同一变速箱中的高速轴与低速轴指相对转速高低,其传递的功率相同(不计功率损 耗) ,啮合处线速度相同。要啮合处产生相同的线速度,则高速轴的啮合半径就较小;又因 为啮合处相互作用力相同,该作用力对啮合半径就较小的高速轴线产生的外力偶矩就较小, 从而在高速轴中产生的扭矩较小,故高速轴可做得较细。 3-12 图示轴 A 和套筒 B 牢固地结合在一起,两者切变模量分别为 G A 和 G B ,两端受扭 转力偶矩,为使轴和套筒承受的扭转相同而必须满足的条件是什么?
(
)
16 × 500 = 194 MPa ⎡ ⎛ 40 ⎞ 4 ⎤ 3 −9 π × 42 × 10 × ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ 42 ⎠ ⎦ ⎥ ⎣
(2)若考虑薄壁 ,可求其平均扭转切应力
τ=
Me = 2 πR 2δ
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
材料力学扭转教学课件PPT
(a)
P2
P3
P1
n
P4
B
C
D
A
例题3-2图
m P2 2
m P3 3
P1
m1
m n
4 P4
B
C
D
A
m2
m3
m1
m4
(b)
B
C
A
D
解:1.计算外力偶矩
m1
m2
9.55 P1 15.9kN .m
m3
n
9.55
P2
n
4.78kN
.m
m4
9.55 P4 n
6.37kN .m
2.由计算简图用截面法计算各段轴内的扭矩,然后画扭矩图
§3.1 扭转的概念和实例
➢ 扭转变形 ——作用在垂直于杆件轴线的平面内 的力偶矩,使得杆件的任意两个 横截面都发生了绕轴线的相对转 动。
➢ 扭转变形杆件的内力 ——扭矩(T )
➢ 轴 ——主要承受扭矩的构件
m A'
g
A
m B j B'
扭转的受力特征 :在杆件的两端作用两个大小相等、
转向相反、且作用平面垂直于杆件轴线的力偶。
dA
O r
dA
dA
O
A
G 2
dj
dx
dA
G
dj
dx
A
2dA
T
GI p
dj
dx
令 Ip A 2dA
dj
dx
T GI p
代入物理关系式
G
dj
dx
得:
T
Ip
T
Ip
—横截面上距圆心为处任一点剪应力计算公式。
材料力学 03章1-3扭转
TB
1210
Tn 2
x
Tn
-1590
A
B
C
19 TA 9549 1210 Nm 150 同样 TB =2800Nm, TC =1590Nm
Tn
-2800
x
-1590
接下来该讨论圆轴扭转时的应力问题了!
关于应力的三个问题:
存在什么应力 应力如何分布 应力如何计算 TK 先研究一个比较简单的问题 TK A
MA A
MD D x
PA 60kW , PB 10kW P C 20kW , P D 30kW
试画轴的扭矩图。
1面 MB
3面
T3
MD D x
解:求外力偶矩
B MB B
P 由M 9549 解得: n M A 1910 N m M B 318 N m M C 637 N m M D 955 N m
Me
Pk t Pk Pk M t
Me
e
Me
n r / min(转 / 分);
rad /(弧度 9549 Pk 2 n n M e 9549 60 n
2. 扭矩
横截面上的内力偶矩
确定方法:截面法 符号:T 由静平衡确定其大小 正负规定:右手法则
TK
y
dy o dx
a
,
b
c x
TK
( dy)
与
( dx)
,
z
d
组成一力偶,由力偶平衡得:
( dy)dx ( dx)dy 0
,
,
剪应力互等定理 :在相互垂直的两个面上,剪应力必然成 对出现,且大小相等,方向或指向、或背离两面的交线。
工程力学材料力学(3)
§3-1 工程实际中的扭转问题
在工程实际中,尤其是在机械传动中的许多构件,其主要变形是 扭转。例如丝锥攻丝和转动轴的工作情况。
受力特点: 受力特点 : 在垂直于扭转构件轴线的平面内作用有两个大小相等, 转向相反的力偶。 变形特点: 变形特点 : 在上述两力偶的作用下,各横截面绕轴线发生相对转 动。这时任意两横截面间将有相对的角位移,这种角位移称为扭转 扭转 角。图中的φAB就是截面B相对于截面A的转角
∑M
x
= 0, T = M A
取右段为研究对象,可得相同的结果 由此可见,杆扭转时,其横截面上的内力,是一个在截面平面内 的力偶,其力偶矩称为扭矩 扭矩。 扭矩 左右两截面上的扭矩是一对作用和反作用力,它们的大小相等、转 向相反。为了使轴的同一截面上的扭矩的正负号相同,可采用右手螺 右手螺 旋法则规定其正负号。 旋法则
工程力学课件
2、静力学关系 、 圆轴扭转时,平衡外力偶矩的扭矩,是由横截面上无数的微剪力 组成的。如图所示,设距圆心ρ处的切应力为τp,如在此处取一微面 积dA,则此微面积上的微剪力为τρdA 。各微剪力对轴线之矩的总和, 即为该截面上的扭矩,即
T = ∫ ρτ ρ dA
dφ τ ρ = Gρ dx 因此 T = Gρ 2 dφ dA = G dφ ∫A dx dx
(a)
(b)
(c)
工程力学课件
由图可知:当切应力不超过材料的 剪切比例极限 (τp)时,切应力与切应变 之间成正比关系,这个关系称为剪切 剪切 胡克定律,可用下式表示: 胡克定律
τ = G ⋅γ
式中,G为材料的剪切弹性模量 剪切弹性模量,单位与弹性模量E相同,其 剪切弹性模量 数值可通过试验确定,钢材的G值约为80 GPa。 理论与试验表明:剪切弹性模量、弹性模量和泊松比是表明材料 弹性性质的三个常数。对各向同性材料,这三个弹性常数之间存在如 下关系:
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
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(扭转)
τ
dy
τ
τ´
c
t
z
dx d
3 剪切胡克定律
τ =τ′
当τ ≤τp ,切应力与切应变成正比关系
τ = G ⋅γ
剪切弹性模量
26
§3–4 等直圆杆扭转时的应力和变形
一 等直圆杆横截面应力
①变形几何方面 ②物理关系方面 ③静力学方面
27
无数薄壁圆筒
表
里
28
等直圆杆扭转实验观察: 1. 平截面假设; 2. 轴向无伸缩; 3. 纵向线变形后仍平行。
P P
二 受力特点 构件两端受到两个在垂直于轴线 平面内的力偶作用,两力偶大小 相等,转向相反。
3
三 变形特点 各横截面绕轴线发生相对转动 即:任意两截面间有相对的角位移 — 扭转角
扭转角(ϕAB):B截面绕轴线相对A截面转动的角位移。 切应变(γ):直角的改变量。
ϕAB
A
O B
A
γ
O
B
M
M
4
四轴 工程中以扭转为主要变形的构件。如:机器中的传动轴、 石油钻机中的钻杆等。
γ =ϕ⋅RL
l
2 剪切胡克定律
τT
当τ ≤τp ,切应力与切应变成正比关系
τ = G ⋅γ
剪切弹性模量 Pa
ϕγ
21
剪切弹性模量、弹性模量和泊松比是表明材料弹性性质的三个 常数。对各向同性材料,这三个弹性常数之间存在下列关系
G= E
2(1 + ν )
22
一 受力特点 构件两端受到两个在垂直于轴线平面内的力偶作用,两力偶 大小相等,转向相反。
24
三 薄壁圆筒的扭转 1 实验结论 ① 无轴向正应力 ② 无径向正应力 ③ 切应力环向均布 ④ 切应力径向均布
抗扭—材料力学第3章讲解
γ
m
R
dx
m
l
观察变形:纵向线倾斜了一微小角度, 变成斜直线;
周向线仍是圆,圆周线的形状、大小和间距均未改 变,只是绕轴线作了相对转动。
23
平面假设:横截面 变形后仍为平面;
1. 变形几何关系:
γ
m
AC BD
dx ldγO NhomakorabeaC
AD B
dx
ρ R
m
24
dx
O
O
ρ RE
F
A
γC
C´
G
G´ d
H
材的G值约为80GPa。
剪切弹性模量G、弹性模量E和泊松比μ是表明材料弹性性质 的三个常数。对各向同性材料,这三个弹性常数之间存在下列关 系(推导详见后面章节):
G E
2(1 )
可见,在三个弹性常数中,只要知道任意两个,第三个量 就可以推算出来。
22
§3–4 圆轴扭转时的应力
一、横截面上的应力
2. 物理关系:
虎克定律: G
G
G d
dx
27
G
d
dx
剪应力在横截面上的分布
28
3. 静力学关系:
T A( dA)
A
G 2
d
dx
dA
G
d
dx
A
2dA
记 Ip A 2dA
Ip 横截面的极惯性矩
m
m
轴:工程中以扭转为主要变形的构件称为轴。 如:机器中的传动轴、石油钻机中的钻杆等。
4
§3–2 外力偶矩的计算
材料力学第三章
等直圆杆扭转时的应力·强度条件 §3-4 等直圆杆扭转时的应力 强度条件
3.理论分析 3.理论分析 变形几何关系: (1) 变形几何关系: G1G′ ρ ⋅ dϕ γ ρ ≈ tanγ ρ = =
dϕ γρ = ρ dx dϕ :扭转角 沿x轴的变化 轴的变化 ϕ dx 率。对给定截面上的各 它是常量。 点,它是常量。
28
等直圆杆扭转时的应力·强度条件 §3-4 等直圆杆扭转时的应力 强度条件
5
§3-2 薄壁圆筒的扭转
1 为平均半径) 薄壁圆筒: 薄壁圆筒:壁厚 δ ≤ r0 (r0:为平均半径) 10
实验: 实验:
实验前:绘纵向线,圆周线; 实验前:绘纵向线,圆周线;
然后施加一对外力偶 Me。
6
§3-2 薄壁圆筒的扭转
当其两端面上作用有外力 偶矩时,任一横截面上的 内力偶矩——扭矩(torque) T = Me
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§3.1 概述
工程实际中,有很多构件,如车床的光杆、 工程实际中,有很多构件,如车床的光杆、搅拌机 轴、汽车传动轴等,都是受扭构件。 汽车传动轴等,都是受扭构件。 还有一些轴类零件,如电动机主轴、水轮机主轴、 还有一些轴类零件,如电动机主轴、水轮机主轴、 机床传动轴等,除扭转变形外还有弯曲变形, 机床传动轴等,除扭转变形外还有弯曲变形,属于组合 变形。 变形。 本章研究杆件发生除扭转变形外,其它变形可忽略 的情况,并且以圆截面(实心圆截面或空心圆截面)杆为 主要研究对象。此外,所研究的问题限于杆在线弹性范 围内工作的情况。
Ⅰ. 横截面上的应力 表面 变形 情况 横截面 上应力 变化规 律 内力与应力的关系 横截面上应 力的计算公 式
23
横截 推断 面的 变形 情况
横截面 上应变 应力-应变关系 的变化 规律
材料力学3-第三章扭转
第三章扭转目录第三章扭转 3§3-1 扭转的概念 3一、定义 3二、基本概念 3三、实例 3§3-2 外力偶矩计算、扭矩和扭矩图 3一、外力偶矩计算 3二、扭矩和扭矩图 3§3-3 纯剪切 5一、薄壁圆筒扭转时的剪应力 5二、剪应力互等定理 5三、剪应变、剪切胡克定律 6§3-4 圆轴扭转时的应力 6一、圆轴扭转时的应力计算公式 6二、极惯性矩计算 7三、圆轴扭转强度条件 7§3-5 圆周扭转时的变形 9一、相邻截面扭转角计算公式 9第三章扭转§3-1 扭转的概念一、定义在杆两端作用两大小相等、方向相反、且作用面垂直于杆件轴线的力偶,使杆的任意两个截面发生绕轴的相对转动。
杆件的这种变形形式称为扭转。
二、基本概念轴:工程中一般将发生扭转变形的直杆称为轴扭转角:扭转时杆的任意两个横截面的相对角位移三、实例搅拌机轴、汽车传动轴等1、螺丝刀杆工作时受扭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。
§3-2 外力偶矩计算、扭矩和扭矩图一、外力偶矩计算在工程实际中,作用于轴上的外力偶矩往往上未知的,已知的往往是轴的转速以及轴上各轮所传送的功率。
以下图所示的齿轮轴简图为例,主动轮B的输入功率经轴的传递,由从动轮A、C输出给其它构件。
1. 外力偶矩与功率、角速度关系2. 外力偶矩与功率、转速关系(1马力=735.5N?m/s)二、扭转杆件的内力——扭矩和扭矩图1、扭转杆件的内力(截面法)由平衡方程,,称为截面m-m上的扭矩。
按右手螺旋法则把表示为矢量,当矢量方向与截面的外法线的方向一致时,为正;反之,为负。
2、扭矩的符号规定:按右手螺旋法则判断。
右手的四指代表扭矩的旋转方向,大拇指代表其矢量方向,若其矢量方向与截面的外法线方向相同,则扭矩规定为正值,反之为负值。
以横轴表示横截面的位置,纵轴表示相应截面上的扭矩,绘成的图形称为扭矩图。
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T
L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• When subjected to torsion, every cross-section of a circular shaft remains plane and undistorted.
03 - 3
Stress
Shear Stress • The internal torque is, as a matter of fact, the resultant of the shear stress acting on the cut plane. • The shear stress at any point is perpendicular to the radius of the point. • Distribution of shearing stresses is statically indeterminate – must consider shaft deformations. However, the resultant of the internal shearing stresses equals the internal torque T
• Cross sections of the bar do not change (still circular) in shape, but rotate around the longitudinal axis of the bar.
• For small deformation (twist), neither the length of the bar nor its radius will change. • The square grid on the surface become a rhombus grid, indicating a pure shear phenomenon. Shear strain equals the change of a right angle.
T
T
In the last thee figures, the right hand rule is applied when determine the direction of the twist moment, T.
T T
3D vector format
T B
03 - 2
Esc
T
2D vector format
Stresses in Elastic Range
Shear Strain
• g
c
g max
Gg
• Multiplying the previous Eq. by the shear modulus,
Hooke’s Law
c
Gg max
• Use Hooke’s Law, t = Gg, in the above Eq. to give
g
A’
• Geometry. AOA : AA
Lg or
ABA : AA gL
g
L
Esc
• Shear strain is proportional to twist and radius c g g max g max and c L
03 - 6
t t T t dA t max dA max 2 dA max J c c c
J 2 dA = Polar moment of inertia of the cross section.
Esc
Shear Stress
03 - 7
• The results are known as the elastic torsion formulas, T Tc t t max J J
dF
Esc
dF = t dA
03 - 4
Shaft Deformations: Observations
• Under the torque, the right side end will rotate (w.r.t. the left side end) through an angle , the angle of twist.
Positive torque: A torque whose vector (right hand rule) directs outward from the shaft. Negative torque: A torque whose the vector (right hand rule) directs inward to the shaft. Note
Fx 0 :
s
45o
t max A0 s
s45 ( 2A0)
45
45o
( 2 A0 ) cos 45 0
t max
tmax A0
Element a is in pure shear. Element c is subjected to a tensile stress on two faces and compressive stress on the other two.
Esc
03 - 5
• Please note that cross-sections of noncircular shafts are distorted when subjected to torsion.
Shearing Strain
• Under the torque, the right-side end will rotate (with respect to the left-side end) through the angle of twist . • Consider an interior section of the shaft. As a torsional load is applied, an element on the interior cylinder deforms into a rhombus. • Since the ends of the element remain planar, the shear strain equals the change of the right angle as shown. g B A
tmax A0
s45 = ±
Tc J
• Consider an element c at 45o to the shaft axis, static analysis shows that there will be only normal stress but no shear stress on the surfaces.
• Normal stresses, shearing stresses or a combination of both may be found for other orientations (e.g., element b as shown).
T
tmax s45
a c
T
Tc tmax = J
s45 ( 2A0)
Esc
45
03 - 8
tmax A0
tmax A0
Note that all stresses for elements a and c have the same magnitude
Torsional Failure Modes
Stress • When subject to torsion, maximum shear stress occurs on elements at the outer surface of the shaft, with faces parallel and perpendicular to the shaft axis. • Maximum normal stress occurs elements at 45 to the shaft axis. Failure Modes on
A
Applied Loads and Internal Forces
Applied Loads Internal Forces: Internal Torque • Typical applied loads are twist moments applied at different locations of a shaft. • If we pass a plane through point S to cut the shaft into two parts, keeping the left part as a free body, there must be an internal torque, TEC, acting on the cut plane to maintain equilibrium.
Esc
TEC or a 2D FBD
TB
B
TE
E
S
TEC
• The calculation of internal torque is almost the same as the calculation of axial force, especially with the 2D free body diagram. Use SMx = 0 to calculate internal torque.
t t max c
The shearing stress varies linearly with the radial position in the section.