圆轴的扭转工程力学
圆轴扭转的计算(工程力学课件)
9 549 20 637 300
Nm
318 N.m 1 477 N.m 2 1432 N.m 3 637 N.m
B
1C
A 2
D 3
扭矩图（T图）
318 N.m
477 N.m
1432 N.m
637 N.m
B
C
A
D
练习1
画扭矩图！
5
3
＋
A
B
C
练习2
3000N.m
3000
＋
1200
T图（N.m）
G E
材料的三个弹性常数
2(1 ) 由三个中的任意两个，求出其第三个
扭转的概念 扭矩和扭矩图
扭转变形
角应变
扭转角
受力特点
大小相等、方向相反， 作用面垂直于杆件轴线的外力偶矩
变形特点 任意横截面绕杆轴线产生转动
典型构件
以扭转变形为主的杆件通常称为轴 最常用的是圆截面轴
扭转的工程实例
螺丝刀杆工作时受扭
输出功率： PB 10 kW PC 15 kW PD 20 kW
M eA
9
549
PA n
9 549 45 1 432 300
Nm
M eB
9
549 PB n
9
549 10 318 300
Nm
M eC
9 549 PC n
9 549 15 477 300
Nm
M eD
9 549 PD n
（1）条件 （2）求约束力
扭矩 T图
T
Ip
Tl l FN l
GI P
EA
扭转
拉压
max
Tmax Wp
工程力学弯扭组合精选全文
为弯扭组合。
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2. 内力分析 作 T 图： 作M 图：
危险截面为E 截面：
M 1kN m T 1kN m
3. 确定轴的直径 d
M1
A
z T
y
F
M2
E C
1kN·m
9
x
B
由第四强度理论：
O
x
σr4
M
M 2 0.75T 2 32 W
M 2 0.75T 2 πd 3
[σ]
O
1kN·m
用应力[s ]=100 MPa。
试按第三强度理论确定该轴危险截面处的直径 d。
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解： 计算简图： 1. 外力分析 约束力： FBy = FDy = Fr/2= 737.6 N FBz = FDz = Ft/2= 2026.5 N 2. 内力分析 作垂直面弯矩图： 作水平面弯矩图：
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径D= 300mm，材料的许用应力[s ]=160MPa。
试按第四强度理论确定轴AB的直径。
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8
y
F
M1
M2
A
E
C
z
x
B
解：1. 外力分析
由 SMx=0
M1
(FN
FN
)
D 2
得：F'N= 6.67kN FN= 13.33kN
将FN，F'N向轴线平移： F = F'N+FN= 20.1kN M2=1kN·m
M1
A
B
150
200
F2y = F2z tan10º=70.5N
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C 100 D z
F2y y M2
工程力学--第八章_圆轴的扭转
df /dx ,称为单位扭转角。
对半径为r的其它各处，可作类 似的分析。
1. 变形几何条件
MT
A
r
B r
rr
C
df
C O D
D
dx
对半径为r的其它各处，作类 似的分析。 同样有：
CC= dx=rdf
即得变形几何条件为：
rdf / dx --(1)
剪应变的大小与半径r成
2
TBC 2
B mx C
2 TBC
2
T
A
用假想截面2将圆轴切开 ，取左段或右段为隔离 体，根据平衡条件求得 ：
TBC=-mx
（3）作扭矩图
2mx +
B
–
Cx mx
[例8-2]图示为一装岩机的后车轴，已知其行走的功率 PK=10.5kW，额定转速n=680r/min，机体上的荷载通过轴承 传到车轴上，不计摩擦，画出车轴的扭矩图
4.78
6.37
15.9
4.78
简捷画法：
MT图 10kN m 10kN m
FN图（轴力）
2kN 8kN
5kN
o
x
A
C B 20kN m
5kN 2kN 8kN
5kN
向 按右手法确定
向
MT / kN m
20
5kN
3kN
10
N图
5kN
A
B
C
在左端取参考正向，按载荷大小画水平线；遇集 中载荷作用则内力相应增减；至右端回到零。
G
df
dx
A
r 2dA
MT
3. 力的平衡关系
令：
工程力学——圆轴的扭转
Wn=
Ip d
d 3 0.2d 3 16
(9-5)
2
图9.9(a)
第9章 圆轴的扭转
(2) 空心圆截面(见图 9.9(b))
Ip = D4 d 4 D4 1 4 0.1D4 1 4 (9-6)
32
32
Wn
=
Ip D
D3
16
14
0.2D3
1 4
2
(9-7)
式中，α = d ，为空心圆轴 D
图9.11
第9章 圆轴的扭转
解：由图 9.11 可知，各段扭矩大小相等，各段的极惯性
矩为 AC 段：Ip= D4 = 3.14 304 =7.952×104mm4
32
32
CB 段：Ip= D4 32
14
3.14 304 32
1
20 30
4
6.381104
mm4
所以根据式(9-12)得
(1) 先确定扭转 Mn 向。 (2) τ 矢量线与半径垂直。
(3) τ 指向与扭矩转向相同。
由 应 力 分布 图可 看 出， 在 圆截 面 的边 缘 上， 即 当
ρ=ρmax=R 时 ， τ=τmax ， 由 此 可 得 最大 切 应力 公 式 为
τma x=
Mn • Ip
R
式中，R
与
I
都是与截面尺寸有关的几何量，
(2) 按强度条件设计轴的直径 d1。由式(9-8)得
τmax=
Mn Wn
Mn 0.2d13
≤[τ]
得
d1≥
3
Mn
0.2
3
1080 103 0.2 40
=51.3mm
第9章 圆轴的扭转
工程力学第七版电子课件第七章圆轴扭转
§7-1 圆轴扭转的力学模型
在杆件的两端作用两个大小相等、方向相反,且作用平面垂直于杆件轴线的力偶,致使 杆件的任意两个横截面都发生绕轴线的相对转动这样的变形形式称为扭转变形。
§7-1 圆轴扭转的力学模型
工程中把以扭转为主要变形的杆件称为轴, 其中圆形截面的轴称为圆轴,其受力可简化为 如图7-3所示。 工程中的传动轴 (见图7-4)往往只给出轴的转 速n 和轴传递的功率P ,需通过下面的公式确定 外力偶矩:
§7-2 扭矩和扭矩图
二、扭矩图
用横坐标表示轴的各截面位置,纵坐标 表示相应横截面上的扭矩大小。扭矩为正 时,曲线画在横坐标上方;扭矩为负时,曲线 画在横坐标下方,从而得到扭矩随截面位 置而变化的图线,称为扭矩图。
§7-2 扭矩和扭矩图
传动轴上主动轮与从动轮位置不同,轴的最大扭矩数值也不同。显然,从强度 观点看后者较为合理。
§7-3 圆轴扭转时的应力及强度条件
2.扭转应力切应力 根据静力平衡条件,推导出截面上任意点的切应力计算公式:
圆轴扭转时,横截面边缘上各点的切应力最大,其值为
§7-3 圆轴扭转时的应力及强度条件
极惯性矩I ρ 与抗扭截面系数 W n 表示了截面的几何性质,其大小与截面的形状和尺寸有关
§7-3 圆轴扭转时的应力及强度条件
如已知汽车传动轴所传递的功率P=80kW,其转速 n =582r/min,直径d =55mm,材料的许用切应力 [τ ]=50 MPa,试分析并计算下列问题: 1.计算作用在传动轴上的外力偶矩。 2.计算传动轴所受的扭矩。 3.计算传动轴的抗扭截面系数。 4.校核传动轴的强度。
§7-3 圆轴扭转时的应力及强度条件
二、圆轴扭转的强度条件 1.圆轴扭转强度条件
工程力学教学实验圆轴扭转实验
圆轴扭转实验一、试验目的⒈观察低碳钢和铸铁的扭转破坏现象, 比较其试件断口形状并分析破坏原因。
⒉测定低碳钢的剪切屈服极限, 剪切强度极限和铸铁的剪切强度极限。
⒊分析比较塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）受扭转时的破坏特征。
二、实验设备和仪器⒈扭转实验机⒉游标卡尺三、实验原理圆轴扭转时, 横截面上各点均处于纯剪切状态, 因此常用扭转实验来测定不同材料在纯剪切作用下的机械性能。
利用实验机的自动绘图装置, 可记录T—曲线, 低碳钢的T—曲线如图3－9所示。
图 3-9扭矩在以内, 与T呈线形关系, 材料处于弹性状态, 直到试件横截面边缘处的剪应力达到剪切屈服极限, 这时对应的扭矩用表示横截面上的剪应力分布如图3-10（a）所示。
图3-10 低碳钢圆轴在不同扭矩下剪应力分布图在扭矩超过以后, 材料发生屈服形成环形塑性区, 横截面上的剪应力分布如图3-10（b）所示。
此后, 塑性区不断向圆心扩展, T—曲线稍微上升, 然后趋于平坦, 扭矩度盘上指针几乎不动或摆动所示的最小值即是扭矩, 这时塑性区占据了几乎全部截面, 横截面上剪应力分布如图3-10（c）所示。
剪切屈服极限近似等于（a）式中, , 是试件的抗扭截面系数试件继续变形, 进入强化阶段, 到达T- 趋线上的C点, 试件发生断裂。
扭矩度盘上的从动指针指出最大扭矩, 扭转剪切强度极限的计算式为(b)试件扭转时横截面上各点处于纯剪切状态如图3-11所示, 在于杆轴成±45°角的螺旋面上, 分别受到主应力为和的作用, 低碳钢的抗拉能力大于抗剪能力, 故以横截面剪断。
铸铁扭转时, 其T—曲线如图3-12所示。
从扭转开始到断裂, 近似为一直线, 故其剪切强度极限可近似地按弹性应力公式计算(c)图3-11 纯剪应力状态图3-12 铸铁T—曲线试件的断口面为与试件轴线成45°角的螺旋面。
这说明脆性材料的抗拉能力低于抗剪能力, 它的断裂是由于最大拉应力过大引起的。
工程力学-圆轴扭转变形分析
P=7.5kW,轴的转速n=80r/min。试选择实心圆轴的直径d和空心圆轴的外
径d 2。己知空心圆轴的内外径之比=d 1/d 2=0.8,许用扭转切应力 [τ]=40MPa。
解：（1）外力偶矩为
M e 9550 7.5 N m 895 .3 N m 80
（2）扭矩为 T = Me = 895.3N· m （3）实心圆轴直径 根据强度条件
各点切应力的大小与该点到圆心的距离成正比，其分布 规律如图
圆轴扭转时，最大切应力 max 发生在圆轴表面。当ρ=R 时，其值为：
TR T max Ip IP / R
令 Wp
Ip R
max
T Wp
Wp称为扭转截面系数，它表示截面抵抗扭转破坏的能 力，单位是（mm）3。
工程中承受扭转的圆轴通常采用实心圆轴和空心圆轴两种形
max
T 16T 3 Wp πd
16 T 3 16 895.3 d 3 m 0.048m 48mm 6 [ ] 3.14 40 10
（4）空心圆轴外径
根据强度条件
max
T 16T 3 4 Wp πd 2 (1 )
16 T 16 895.3 3 d2 m 4 6 4 [ ](1 ) 3.14 40 10 (1 0.8 )
3
0.058m 58m m
内径d 1=α×d 2= 0.8×58 mm = 46.4mm
（5）比较重量
在长度相等、材料相同的情况下，空心圆轴与实心圆 轴重量之比等于横截面面积之比，即
四、圆轴扭转时的强度 计算
圆轴的扭转的强度条件
max
Tmax Wp
工程力学课后答案
⼯程⼒学课后答案第三章圆轴的扭转1. 试画出图⽰轴的扭矩图。
解：（1）计算扭矩。
将轴分为2段，逐段计算扭矩。
对AB段：∑M X＝0， T1－3kN·m＝0可得：T1＝3kN·m对BC段：∑M X＝0， T2－1kN·m＝0可得：T2＝1kN·m（2）画扭矩图。
根据计算结果，按⽐例画出扭矩图如图。
2.图⽰⼀传动轴，转速n=200r/min，轮A为主动轴，输⼊功率P A=60kW，轮B，C，D 均为从动轮，输出功率为P B=20kW，P C=15kW，P D=25kW。
1）试画出该轴的扭矩图；2）若将轮A和轮C位置对调，试分析对轴的受⼒是否有利？解：（1）计算外⼒偶矩。
M A=9549×60/200=2864.7N·m同理可得：M B=954.9N·m，M C=716.2N·m，M D=1193.6N·m（2）计算扭矩。
将将轴分为3段，逐段计算扭矩。
对AB段：∑M x＝0， T1＋M B＝0可得：T1＝-954.9N·m对BC段：∑M x＝0， T2＋M B－M A＝0可得：T2＝1909.8N·m对BC段：∑M x＝0， T3－M＝0可得：T3＝1193.6N·m（3）画扭矩图。
根据计算结果，按⽐例画出扭矩图如右图。
（4）将轮A和轮C位置对调后，由扭矩图可知最⼤绝对值扭矩较之原来有所降低，对轴的受⼒有利。
3. 圆轴的直径d=50mm，转速n=120r/min。
若该轴横截⾯的最⼤切应⼒τmax=60MPa，问圆轴传递的功率多⼤？解：W P=πd3/16=24543.7mm3由τmax=T/W P可得：T=1472.6N·m由M= T=9549×P/n可得：P=T×n/9549=18.5kW4. 在保证相同的外⼒偶矩作⽤产⽣相等的最⼤切应⼒的前提下，⽤内外径之⽐d/D=3/4的空⼼圆轴代替实⼼圆轴，问能够省多少材料？5. 阶梯轴AB如图所⽰，AC段直径d1=40mm，CB段直径d2=70mm，外⼒偶矩M B=1500N·m，M A=600N·m，M C=900N·m，G=80GPa，[τ]=60MPa，[φ/]=2（o）/m。
工程力学课件 第8章 圆轴的扭转
工程力学
3
二、扭矩与扭矩图
1.外力偶矩的计算
1.1.1作电用于路轴的上的组外成力偶矩，通常不是直接给出其数值，而是给出 轴的转速和传递的功率，此时需要按照理论力学中推导的功率、转 速、力矩三者的关系来计算外力偶矩的数值。
式中： Me——外力偶矩，单位为牛顿·米(N·m)； P——轴传递的功率，单位为千瓦(kW)； n——轴的转速，单位为转/分(r/min)。 在确定外力偶矩的方向时，应注意输入功率的齿轮、皮带轮作 用的力偶矩为主动力矩，方向与轴的转向一致；输出功率的齿轮、 皮带轮作用的力偶矩为阻力矩，方向与轴的转向相反。
1.1.1 电路的组成
若取右部分作为研究对象，如图(c)所示
用同样的方法，也可求得
方向与Mx相反。
Mx＝Mx′称为截面Ⅱ－Ⅱ上的扭矩。它是作用在横截面上的内力 偶矩，是切于截面作用的内力合成的结果，大小等于截面以左(或以 右)所有外力偶矩的代数和。
工程力学
6
由于Mx与Mx′同是截面Ⅱ－Ⅱ上的扭矩，应具有相同的正负号， 因此，对扭矩的正负号做出如下规定：用右手螺旋法则将扭矩表示 为矢量，即四指弯向表示扭矩的转向，大拇指表示扭矩矢量的指向。
第二部分 材料力学
第八章 圆轴的扭转
工程力学
本章主要研究圆形截面轴的扭转变 形。主要内容有外力偶矩的计算，轴的 扭矩的计算，轴的应力与强度的计算， 轴的变形与刚度的计算。本章的重点是 圆轴扭转强度和刚度的计算
第一节 扭转的概念、扭矩与扭矩图
一、扭转的概念 1.1.1机电器中路的的轴往组往成会发生扭转变形，如汽车中由方向盘带动的操
工程力学
7
运用上述结论可得，轴AB段各截面上的扭矩为
或
1.1.1 电路的组成
工程力学第6单元 圆轴扭转
机械工业出版社
6.2 扭矩和扭矩图
6.2.1 外力偶矩的计算
作用在轴上的外力偶矩，一般在工作过程中并不是已 知的，常常是已知轴所传递的功率和轴的转速，再由下式 求出外力偶矩，即：
Me
9550 P n
式中：Me为轴上的外力偶矩，单位为N.m； P为轴传递的功率，单位为kW；
机械工业出版社
6.2 扭矩和扭矩图
案 例 6-1 传 动 轴 如 图 6-8a 所 示 ， 主 动 轮 A 输 入 功 率 PA=120kW，从动轮B、C、D输出功率分别为PB=30kW， PC=40kW ， PD=50kW ， 轴 的 转 速 n=300r/min 。 试 作 出 该 轴的扭矩图。
改锥拧螺母-力偶实例
钻探机钻杆
机械工业出版社
6.1 圆轴扭转的概念
工程实例的受力及变形分析 工程上传递功率的轴，大多数为圆轴，这些传递功率的 圆轴承受绕轴线转动的外力偶矩作用时，其横截面将产生绕 轴线的相互转动，这种变形称为扭转变形。
方轴扭转的概念
机械工业出版社
6.3 圆轴扭转时横截面上的应力
3.圆轴扭转的切应力 （1）横截面上任一点的切应力
T
IP
式中：T—为横截面上的扭矩； ρ—为所求点到圆心的距离 ； τρ —为该截面对圆心的极惯性矩
机械工业出版社
6.3 圆轴扭转时横截面上的应力
当ρ=R时，圆截面上的切应力最大τmax （2）圆截面上的最大切应力
max
T Wp
式中：T —为横截面上的扭矩；
WP—为圆截面的抗扭截面模量，单位m3 或mm3
机械工业出版社
6.3 圆轴扭转时横截面上的应力
第八章园轴的扭转_工程力学
第八章 圆轴的扭转工程构件一般可分为三类。
第四章已指出：杆是某一方向尺寸远大于其它二方向尺寸的构件，若杆件的轴线为直线，则称为直杆。
此外，若构件在某一方向的尺寸远小于其它二方向的尺寸，称之为板。
若构件在x 、y 、z 三个方向的尺寸具有相同的数量级，则称为块体。
本课程主要讨论直杆，这是一种最简单的构件。
如同4.4节所述，在空间任意力系的作用下，杆件截面内力的最一般情况是六个分量都不为零，其变形是很复杂的。
为了简化讨论，我们将杆的基本变形分成为三类，即拉压、扭转、弯曲，如图4.3所示。
前面已经讨论了在轴向载荷作用下杆的拉伸和压缩；现在再来研究杆的另一类基本变形，即扭转问题。
§8.1扭转的概念和实例工程中承受扭转的构件是很常见的。
如图8.1所示的汽车转向轴，驾驶员操纵方向盘将力偶作用于转向轴AB 的上端，转向轴的下端B 则受到来自转向器的阻抗力偶的作用，使转向轴AB 发生扭转。
又如图8.2中的传动轴，轮C 上作用着主动力偶矩，使轴转动；轮D 输出功率，受到阻力偶矩的作用，轴CD 也将发生扭转。
以上二例都是承受扭转的构件实例。
由于工程中承受扭转的构件大多为圆截面直杆，故称之为轴。
本章亦仅限于讨论直圆轴的扭转问题。
图8.2 传动轴图8.3所示为等截面直圆轴扭转问题的示意图。
扭转问题的受力特点是：在各垂直于轴线的平面内承受力偶作用。
如在图8.3中，圆轴AB 段两端垂直于轴线的平面内，各作用有一个外力偶M 0，此二力偶的力偶矩相等而转向相反，故是满足平衡方程的。
圆轴扭转问题的变形特点是：在上述外力偶系的作用下，圆轴各横截面将绕其轴线发生相对转动；任意两横截面间相对转过的角度，称为相对扭转角，以φ表示。
图8.3中，φAB 表示截面B 相对于截面A 的扭转角。
必须指出，工程中的传动轴，除受扭转作用外，往往还伴随有弯曲、拉伸(压缩)等其它形式的变形。
这类问题属于组合变形，将在以后研究。
§8.2 扭矩与扭矩图已知轴所传递的功率、转速，可利用6.3节提供的“功率、转速与传递的扭矩之关系”来计算作用于传动轴上的外力偶矩M 0。
工程力学第9章圆轴的扭转
τ ′d x d z
d
τ
c
τ d yd z
x
∑F = 0 ∑F = 0 ∑M = 0
y x z
自动满足 存在τ'
(τ d y d z ) d x = (τ ′ d x d z ) d y
得
τ′ =τ
y
τ'
a dy b z
切应力互等定理 d
在相互垂直的两个面上， 在相互垂直的两个面上，切 应力总是成对出现，并且大小相 应力总是成对出现，并且大小相 等，方向同时指向或同时背离两 个面的交线。 个面的交线。
一、圆轴扭转时横截面上的应力 1、几何关系：由实验找出变形规律 应变的变化规律 几何关系 由实验找出变形规律→应变的变化规律 1）实验： 实验：
2）观察变形规律： 观察变形规律：
圆周线——形状、大小、间距不变，各圆周线只是绕轴线转动 形状、大小、间距不变， 圆周线 形状 了一个不同的角度。 了一个不同的角度。 纵向线——倾斜了同一个角度，小方格变成了平行四边形。 倾斜了同一个角度，小方格变成了平行四边形。 纵向线 倾斜了同一个角度 扭转平面假设：变形前的横截面，变形后仍为平面， 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。 以及间距不变，半径仍为直线。
3
) 16T 3 16(1.5×103N⋅m = = 0.0535 m d ≥ 6 π(50×10 Pa) π[τ ]
m 取： d = 54 m
2. 确定空心圆轴内、外径 确定空心圆轴内、
Wp =
3
πD3 16
(1−α )
4
16T π 3 D (1−α 4) 16
结论： 结论：
横截面上
工程力学-9-圆轴扭转的强度与刚度
目
CONTENCT
录
• 引言 • 圆轴扭转的基本概念 • 圆轴扭转的强度分析 • 圆轴扭转的刚度分析 • 圆轴扭转的实例分析 • 结论
01
引言
主题简介
圆轴扭转的强度与刚度是工程力学中的重要概念，主要研究圆轴 在受到扭矩作用时的应力、应变以及如何保证其强度和刚度的问 题。
对于圆轴扭转，刚度条件通常要求圆轴在承受外力矩作用时 产生的扭转变形量不超过允许值，以确保设备的正常运转。
刚度计算
刚度计算是确定结构刚度的过程，通常需要利用力学原理 和相关公式进行计算。
对于圆轴扭转，刚度计算需要考虑圆轴的截面尺寸、材料 属性、外力矩大小等因素，通过计算得出圆轴的扭转变形 量，从而评估其刚度是否满足要求。
剪切应变
圆轴扭转时，横截面上的任意两点之间会发生相对转动，这种转 动效应称为剪切应变。
剪切强度条件
剪切强度极限
圆轴在受到外力矩作用发生扭转 时，其横截面上剪切应力的最大 值不能超过材料的剪切强度极限 。
剪切强度条件
圆轴扭转时，其横截面上的剪切 应力应满足剪切强度条件，即剪 切应力不超过材料的剪切强度极 限。
工程实例分析
某型号汽车传动轴断裂分析
通过对实际发生的汽车传动轴断裂案例进行分析，发现是由于材料缺陷和加工工艺问题导致的强度不足，进一步 强调了圆轴扭转强度的重要性。
大型机械传动装置故障
大型机械传动装置在运行过程中发生故障，经分析是由于圆轴扭转刚度不足，导致运行过程中产生过大变形，影 响正常运行。
设计建议与注意事项
01
02
03
04
材料选择
选择具有高强度、高刚度的材 料，如合金钢、不锈钢等，以 满足圆轴扭转的强度和刚度要 求。
圆轴扭转的力学模型
截面
圆轴横截面的形状，通常为圆形。
长度
圆轴的长度方向，通常远大于其截 面尺寸。
扭转的定义
01
02
03
扭转
描述圆轴受到外力矩作用 而发生转动的现象。
外力矩
作用在圆轴上的力矩，使 圆轴发生转动。
转动方向
根据右手定则确定，即右 手四指环绕方向与圆轴转 动方向一致。
圆轴扭转的物理现象
01
02
03
04
2
深入研究圆轴在不同材料属性、不同几何形状下 的扭转行为，以丰富和完善现有的力学模型。
3
结合现代科技手段，如数值模拟、人工智能等， 对圆轴的扭转行为进行更精确和深入的研究。
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其他领域中的圆轴扭转问题
航空航天
飞机和航天器的起落架在着陆时 会受到圆轴扭转的力，需要设计
合理的抗扭机构来保持稳定。
船舶工程
船舶的推进轴在推进过程中会受 到圆轴扭转的力，需要采取相应
的措施来抵抗这种力。
能源工程
风力发电机的主轴在风力作用下 会发生圆轴扭转，需要设计合理
的抗扭机构来保持稳定。
06 结论与展望
扭矩计
测量圆轴试样在扭转过 程中所受的扭矩，量程
为0-10N·m。
固定装置
测量仪器
用于固定圆轴试样，保 证试样在实验过程中不
会发生位移。
包括角度计、应变计等， 用于测量圆轴试样的角
度和应变。
实验步骤与操作
1. 将圆轴试样固定在固 定装置上，确保试样不
会发生位移。
01
3. 对圆轴试样施加逐渐 增大的扭矩，并记录下 每个扭矩值对应的角度
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偶，其力偶矩T称为截面1-1上的扭矩。
扭矩的单位与外力偶矩的单位相同，常用的单位为牛米(N·m) 及千牛米(kN·m)。
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3.2 扭矩和扭矩图
扭矩的正负号用右手螺旋法则判定：将扭矩看做矢量，右手 的四指弯曲方向表示扭矩的转向，大拇指表示扭矩矢量的指 向。若扭矩矢量的方向离开截面，则扭矩为正(图7-3a、b)； 反之，若扭矩矢量的方向指的截面，则扭矩为负(图7-3c、d)。 这样，同一截面左右两侧的扭转，不但数值相等，而且符号 相同。
第三章 圆轴扭转
3.1 扭转的概念和外力偶矩的计算 3.2 扭矩和扭矩图 3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件 3.4 圆轴扭转时的变形及刚度条件 小 结
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3.1 扭转的概念和外力偶矩的计算
3.1.1 扭转的概念
机械中的轴类零件往往承受扭转作用。 杆件产生扭转变形的受力特点是：在垂直于杆件轴线的平面
3.3.2 圆截面极惯性矩IP及扭转截面系 数WP的计算
1. 实心圆截面
对实心圆截面，可取半径为ρ，宽度为dρ的圆环形微面积
(图3-6)，dA=2πρdρ ， 则实心圆截面的极惯性矩IP为
IP
A
2dA
D 0
/
2
2
3d
=
D 4
32
≈0.1D4
实心圆截面的抗扭截面系数WP为
WP
IP D/2
D 3
3.1.2 外力偶矩的计算
为了求出圆轴扭转时截面上的内力，必须先计算出轴上的外力偶
矩。在工程计算中，作用在轴上的外力偶矩的大小往往是不直接
给出的，通常是给出轴所传递的功率和轴的转速。第4章已述功率、
转速和力偶矩之间存在如下关系：
M 9549 P n
(3.1)
式(3.1)中，M为外力偶矩，单位是牛顿米(N·m)；P为轴传递的功
=
A G 2
d
dx
dA
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
因G、 d 均为常量，故上式可写成
dx
T
G
d
dx
A
2dA
(3.4)
式中：积分 A 2dA 与横截面的几何形状、尺寸有关，它
表示截面的一种几何性质，称为横截面的极惯性矩，用IP表
示，即
IP= A 2dA
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扭矩和扭矩图
3.2.2 扭矩图
通常，扭转圆轴各截面上的扭矩是不同的，扭矩T是截面的位 置x 函数。即 T = T(x)
以与轴线平行的x 轴表示横截面的位置，以垂直于x 轴的T轴 表示扭矩，则由函数T = T(x)绘制的曲线称为扭矩图。
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
d T dx
GI P
所以，对于相距l的两横截面间的扭转角则为
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
在横截面上离圆心为ρ的点处，取微面积dA(图3-5)。微面积 上的内力系的合力是，它对圆心的力矩等于·ρ，整个截面 上这些力矩的总和等于横截面上的扭矩T，即
T A dA
式中：A为整个横截面的面积。将式(3.3)代入上式，得
T
A
(G
d
dx
)dA
16
≈0.2D3
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
2. 空心圆截面
对空心圆截面(图3-7)，其极惯性矩IP可以采用和实心圆截面
相同的方法求出：
IP
32
(D4
d4)
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
如令d/D=α，则上式可写成
IP
D 4
32
(1
a4)
3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
其量纲是长度的四次方，单位为mm4或m4。于是，(3.4)式可
写成
d
T GI P dx
或
d T
dx GI P
(3.5)
将(3.5)式代入(3.2)式，即得横截面上距圆心为 处的切应
力计算公式为
T IP
(3.6)
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
内，作用着一对大小相等、方向相反的力偶(图3-1)。杆件的 变形特点是：各横截面绕轴线发生相对转动(图3-2)。杆件的 这种变形称为扭转变形。 工程中把以扭转变形为主要变形的杆件称为轴，工程中大多 数轴在传动中除有扭转变形外，还伴随有其他形式的变形。
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7.1 扭转的概念和外力偶矩的计算
τmax=
Tm a x WP ≤[τ]
(3.9)
扭转强度条件也可用来解决强度校核、选择截面尺寸及确定 许可载荷等三类计算问题。
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3.4 圆轴扭转时的变形及刚度条件
3.4.1 圆轴扭转时的变形
如前所述，轴的扭转变形用横截面间绕轴线的相对转角即扭 转角来表示。
由式(7.5)可知，相距dx的两截面间的扭转角为
对于确定的轴，T、IP都是定值。因而最大切应力必在截面周
边各点上，即 R 时 max ，故
若令
max = TR
IP
WP
IP R
则式(3.6)可写成如下形式：
max
T WP
(3.7) (3.8)
WP称为抗扭截面系数，其单位为mm3或m3。
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
率，单位是千瓦(kW)；n为轴的转速,单位是转/分(rpm)。
应当注意，在确定外力偶矩M的转向时，凡输入功率的主动外力偶
矩的转向与轴的转向一致；凡输出功率的从动力偶矩的转向与轴 的转向相反。
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3.2 扭矩和扭矩图
3.2.1 扭矩
圆轴在外力偶矩作用下发生扭转变形时，其横截面上将产生 内力。
3.3.1 圆轴扭转时横截面上的应力
为了求得圆轴扭转时横截面上的应力，必须了解应力在截面 上的分布规律。
横截面上任一点处的切应力的大小，与该点到圆心的距离成 正比。也就是说，在截面的圆心处切应力为零，在周边上切 应力最大。显然，在所有与圆心等距离的点处，切应力均相 等。实心圆轴和空心圆轴横截面上的切应力分布规律如图3-4 所示，切应力的方向与半径垂直。
≈0.1 D4 (1-α4)
圆环形截面的抗扭截面系数WP为
WP
I P D3 (1 a 4 ) ≈0.2
D / 2 16
D3
(1-α4)
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3.3 圆轴扭转时的应力与强度条件
3.3.3 圆轴扭转时的强度条件
为保证圆轴正常工作，应使危险截面上最大工作切应力τmax
不超过材料的的许用切应力。由此得出圆轴扭转的强度条件