1、1,第三章,扭 转,Torsion,2,1. 概 述,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。,扭转：外力的合力为一力偶，且力偶的作用面与直杆的轴线 垂直，杆发生的变形为扭转变形。,3,扭转角（）：任意两截面绕轴线转动而发生的角位移。 剪应变（）：直角的改变量。,4,2. 传动轴的外力偶矩 扭矩及扭矩图,一、传动轴的外力偶矩传递轴的传递功率、转速与外力偶矩的关系：,其中：P 功率，千瓦（kW）n 转速，转/分（rpm）,其中：P 功率，马力（PS）n 转速，转/分（rpm）,5,3 扭矩的符号规定：“T”的转向与截面外法线方向满足右手螺旋规则为正，反之为负。,
2、二、扭矩及扭矩图1 扭矩：构件受扭时，横截面上的内力偶矩，记作“T”。2 截面法求扭矩,6,4 扭矩图：表示沿杆件轴线各横截面上扭矩变化规律的图线。,目 的,x,T,7,例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。（轮系如何按排更合理？）,解：计算外力偶矩,8,求扭矩（扭矩按正方向设）,9,绘制扭矩图,BC段为危险截面。,x,T,4.78,9.56,6.37,10,3. 薄壁圆筒的扭转,一、实验：,1.实验前：,绘纵向线，圆周线； 施加一对外力偶 m。,11,2.实验后：,圆周线不变
3、； 纵向线变成斜直线。,3.结论：圆筒表面的各圆周线的形状、大小和间距均未改变，只是绕轴线作了相对转动。各纵向线均倾斜了同一微小角度 。所有矩形网格均歪斜成同样大小的平行四边形。,12,无正应力横截面上各点处，只产生垂直于半径的均匀分布的剪应力 ，沿周向大小不变，方向与该截面的扭矩方向一致。,4. 与 的关系：,微小矩形单元体如图所示：,13,二、薄壁圆筒剪应力 大小：,A0：平均半径所作圆的面积。,14,三、剪应力互等定理：,上式称为剪应力互等定理。该定理表明：在单元体相互垂直的两个平面上，剪应力必然成对出现，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。,15,四
4、、剪切虎克定律：,单元体的四个侧面上只有剪应力而无正应力作用，这种应力状态称为纯剪切应力状态。,16,T=m,剪切虎克定律：当剪应力不超过材料的剪切比例极限时（ p)，剪应力与剪应变成正比关系。,17,式中：G是材料的一个弹性常数，称为剪切弹性模量，因 无量纲，故G的量纲与 相同，不同材料的G值可通过实验确定，钢材的G值约为80GPa。,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：,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。,18,4. 等直圆杆在扭转时的应力 强度条件,等直圆杆横截面应力,变形几何方面 物
5、理关系方面 静力学方面,1. 横截面变形后仍为平面；2. 轴向无伸缩；3. 纵向线变形后仍为平行。,一、等直圆杆扭转实验观察：,19,二、等直圆杆扭转时横截面上的应力：,1. 变形几何关系：,距圆心为 任一点处的与到圆心的距离成正比。, 扭转角沿长度方向变化率。,20,T,2. 物理关系：,虎克定律： 代入上式得：,21,3. 静力学关系：,令,代入物理关系式 得：,22,横截面上距圆心为处任一点剪应力计算公式。,4. 公式讨论： 仅适用于各向同性、线弹性材料，在小变形时的等圆截面直杆。, 式中：T横截面上的扭矩，由截面法通过外力偶矩求得。 该点到圆心的距离。Ip极惯性矩，纯几何量，无物理意义
6、。,23,单位：mm4，m4。, 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。,D,d,O,24,O,d,25, 应力分布,T,t,max,t,max,t,max,T,（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。,26, 确定最大剪应力：,Wt 抗扭截面系数（抗扭截面模量），几何量，单位：mm3或m3。,27,三、等直圆杆扭转时斜截面上的应力,低碳钢试件： 沿横截面断开。,铸铁试件： 沿与轴线约成45的螺旋线断开。,因此还需要研究斜截面上的应力。,链接至扭转变形,28,1. 点M的应力单元体如图(b)：,(a),(
7、b),t,t,(c),2. 斜截面上的应力；取分离体如图(d)：,(d),29,(d),n,t,转角规定： 轴正向转至截面外法线,逆时针：为“+” 顺时针：为“”,由平衡方程：,解得：,30,分析：,当 = 0时，,当 = 45时，,当 = 45时，,当 = 90时，,t,由此可见：圆轴扭转时，在横截面和纵截面上的剪应力为最大值；在方向角 = 45的斜截面上作用有最大压应力和最大拉应力。根据这一结论，就可解释前述的破坏现象。,31,四、圆轴扭转时的强度计算,强度条件：,对于等截面圆轴：,( 称为许用剪应力。),强度计算三方面：, 校核强度：, 设计截面尺寸：, 计算许可载荷：,32,例2 功率
8、为150kW，转速为15.4转/秒的电动机转子轴如图，许用剪应力 =30M Pa, 试校核其强度。,T,m,解：求扭矩及扭矩图,计算并校核剪应力强度,此轴满足强度要求。,x,33,5 . 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,知：长为 l一段杆两截面间相对扭转角 为,34,二、单位扭转角 ：,或,三、刚度条件,或,GIp反映了截面抵抗扭转变形的能力，称为截面的抗扭刚度。, 称为许用单位扭转角。,35,刚度计算的三方面：, 校核刚度：, 设计截面尺寸：, 计算许可载荷：,有时，还可依据此条件进行选材。,36,例3长为 L=2m 的圆杆受均布力偶 m=20Nm/m 的作用，如
9、图，若杆的内外径之比为 =0.8 ，G=80GPa ，许用剪应力 =30MPa，试设计杆的外径；若=2/m ，试校核此杆的刚度，并求右端面转角。,解：设计杆的外径,37,40Nm,x,T,代入数值得：,D 0.0226m。, 由扭转刚度条件校核刚度,38,40Nm,x,T,右端面转角为：,39,例4 某传动轴设计要求转速n = 500 r / min，输入功率N1 = 500 马力， 输出功率分别 N2 = 200马力及 N3 = 300马力，已知：G=80GPa ， =70M Pa， =1/m ，试确定：AB 段直径 d1和 BC 段直径 d2 ？若全轴选同一直径，应为多少？主动轮与从动轮如
10、何安排合理？,解：图示状态下,扭矩如图，由强度条件得：,T,x,7.024, 4.21,(kNm),40,由刚度条件得：,T,x,7.024,4.21,(kNm),41,综上：,全轴选同一直径时,42, 轴上的绝对值最大的扭矩越小越合理，所以，1轮和2轮应 该换位。换位后,轴的扭矩如图所示,此时,轴的最大直径才 为 75mm。,T,x, 4.21,(kNm),2.814,43,6. 等直圆杆的扭转超静定问题,解决扭转超静定问题的方法步骤：,平衡方程；,几何方程变形协调方程；,补充方程：由几何方程和物理方程得；,物理方程；,解由平衡方程和补充方程组成的方程组。,44,例5长为 L=2m 的圆杆受
11、均布力偶 m=20Nm/m 的作用，如图，若杆的内外径之比为 =0.8 ，外径 D=0.0226m ，G=80GPa，试求固端反力偶。,解：杆的受力图如图示， 这是一次超静定问题。 平衡方程为：,45,几何方程变形协调方程, 综合物理方程与几何方程，得补充方程：, 由平衡方程和补充方程得：,另:此题可由对称性直接求得结果。,46,二、圆柱形密圈螺旋弹簧的计算,1. 应力的计算,=,+,t,Q,t,T,Q,T,近似值：,P,Q,T,47,2. 弹簧丝的强度条件:,精确值：（修正公式，考虑弹簧曲率及剪力的影响）,其中：,称为弹簧指数。,称为曲度系数。,48,8. 非圆截面等直杆在自由扭转时的应力和
12、变形,非圆截面等直杆：平面假设不成立。即各截面发生翘曲不保持平面。因此，由等直圆杆扭转时推出的应力、变形公式不适用，须由弹性力学方法求解。,49,一、自由扭转：杆件扭转时，横截面的翘曲不受限制，任意两相 邻截面的翘曲程度完全相同。,二、约束扭转：杆件扭转时，横截面的翘曲受到限制，相邻截面的翘曲程度不同。,三、矩形杆横截面上的剪应力:,1. 剪应力分布如图： （角点、形心、长短边中点）,50,一、剪应力流的方向与扭矩的方向一致。,二、开口薄壁截面杆在自由扭转时的剪应力分布如图（a），厚度中点处，应力为零。,9 开口和闭合薄壁截面在自由扭转时的应力,51,三、闭口薄壁截面杆在自由扭转时的剪应力分布如图（b），同一厚度处，应力均匀分布。,
