工程力学教学课件PPT圆轴扭转.ppt

第七章 圆轴扭转,71 圆轴扭转的力学模型 72 扭矩和扭矩图 73 圆轴扭转时的应力及强度条件 *知识拓展,掌握用截面法计算圆轴扭转时的内力扭矩，并能正确绘制扭矩图。 了解圆轴扭转时横截面上切应力的分布规律。 了解圆轴扭转时强度条件的应用。,第七章 圆轴扭转,7-1 圆轴扭转的力学模型,一、扭转变形 杆件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。,二、扭转变形时的受力简化,传动轴,扭转变形时受力简化,7-1 圆轴扭转的力学模型,三、圆轴扭转的特点,受力特点：在杆件两端垂直于杆轴线的平面内作用一对大小相等，方向相反的外力偶矩。 变形特点：各横截面绕轴线发生相对转动。,四、圆轴扭转的分析方法,首先计算作用于轴上的外力偶矩，再分析圆轴横截面的内力，然后计算轴的应力和变形，最后进行轴的强度及刚度计算。,7-1 圆轴扭转的力学模型,m=9550 p/n,m外力偶矩，nm； p轴传递的功率，kw； n轴的转速，r/min。,工程实际中，作用于轴上的外力偶矩，一般并不是直接给出的，而是根据所给定轴的转速n和轴传递的功率p，通过公式确定：,7-1 圆轴扭转的力学模型,一、内力扭矩 二、扭矩图,72 扭矩和扭矩图,一、内力扭矩,圆轴扭转的力学模型,mt为截面的内力偶矩，称为扭矩。,72 扭矩和扭矩图,扭矩的正负号规定,为了使不论取左段或右段求得的扭矩的大小、符号都一致，对扭矩的正负号规定如下： 按右手螺旋法则，四指顺着扭矩的转向握住轴线，大拇指的指向离开截面时(与横截面的外法线方向一致)，扭矩为正；反之,拇指的方向指向截面时(与横截面的外法线方向)，扭矩为负。,72 扭矩和扭矩图,解题前须知：,（1）当圆轴有多个外力偶作用时，应在相邻两个外力偶之间选取截面来求解其内力。 （2）在外力偶矩作用处，其扭矩等于该截面上外力偶矩的数值。 （）当横截面上的扭矩的实际转向未知时，一般先假设扭矩为正。若求得结果为正则表示扭矩实际转向与假设相同；若求得结果为负则表示扭矩实际转向与假设相反。,72 扭矩和扭矩图,【例71】主动轮a输入功率pa50 kw，从动轮b、c的输出功率分别为pb30 kw，pc20 kw，轴的转速为n300 r/min。试求轴上截面11和22处的内力。,72 扭矩和扭矩图,二、扭矩图,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。 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。,72 扭矩和扭矩图,72 扭矩和扭矩图,一、圆轴扭转时的应力 二、圆轴扭转的强度条件 三、提高圆轴抗扭强度的主要措施,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,一、圆轴扭转时的应力,1扭转变形的几何关系,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,（1）圆周线的形状和大小不变，相邻两圆周线的间距保持不变，仅绕轴线作相对转动。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,（2）各纵向线仍为直线，且都倾斜同一角度，使原来的矩形变成平行四边形。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,结论：,（1）扭转变形时，由于圆轴相邻横截面间的距离不变，即圆轴没有纵向变形发生，因此横截面上没有正应力。 （2）扭转变形时，各纵向线同时倾斜了相同的角度；各横截面绕轴线转动了不同的角度，相邻截面产生了相对转动并相互错动，发生了剪切变形，所以横截面上有切应力。 （3）因半径长度不变，故切应力方向必与半径垂直。其分布规律如图所示。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,横截面上任一点的切应力，mpa； mt横截面上的扭矩，nmm； 欲求应力的点到圆心的距离，mm； i 截面对圆心的极惯性矩，mm4。,2扭转应力切应力,截面上任意点的切应力计算公式：,横截面边缘上各点的切应力最大，其值为：,wn为抗扭截面系数，单位为mm3。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,极惯性矩i与抗扭截面系数wn,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,1圆轴扭转的强度条件,2强度条件的应用,（1）校核强度 （2）选择截面尺寸 （3）确定许可载荷,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,二、圆轴扭转的强度条件,解题前须知：,1在进行三类强度计算前，仍应遵循解题步骤：首先根据已知条件进行外力偶计算，然后运用截面法求内力，最后应用强度条件进行相关计算。 2对等截面圆轴来说，应计算最大扭矩所在截面的外周边各点处。对于阶台轴，由于各段抗扭截面系数wn不同，需综合考虑wn和mt两个因素。 3注意区分空心圆与实心圆抗扭截面系数wn不同计算公式。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,典型例题：某汽车主传动轴所传递的功率p=80 kw，转速n = 582 r/min，直径d=55mm，材料的许用切应力=50 mpa。试校核该轴的强度。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,实心圆轴与空心圆轴通过牙嵌式离合器相连，并传递功率。轴的转速n=100r/min，传递的功率p=7.5 kw。若要求两者横截面上的最大切应力均等于40 mpa，空心圆轴的内、外径之比=0.5，试确定实心轴的直径和空心轴的外径。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,三、提高圆轴抗扭强度的主要措施,观察如图所示搅拌机，该搅拌机的搅拌轴主要产生扭转变形，在满足使用要求条件下，如何提高搅拌机的搅拌轴强度呢？,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,为了提高圆轴的强度应降低max，途径有：,（1）在载荷不变的前提下，合理安排轮系，从而降低圆轴上的最大扭矩mtmax。 （2）在力求不增加材料（用横截面面积a来度量）的条件下，选用空心圆截面代替实心圆截面，从而增大扭转截面系数wn和极惯性矩i。,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,1合理安排轮系位置,73 圆轴扭转时的应力及强度条件,2选用空心轴,（1）在等强度、等截面的条件下，选用空心轴比实心轴较合理，这样既可以节省材料，又能减轻自重。 （2）空心轴的扭转截面系数wn和极惯