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工程力学09-圆轴扭转的应力
9.1 工程中上传递功率的圆轴及其扭转变形 9.1 工程中上传递功率的圆轴及其扭转变形 9.2 切应力互等定理 9.3 圆轴扭转时的切应力分析 9.3 圆轴扭转时的切应力分析 9.4 承受扭转时圆轴的强度设计与刚度设计 9.4 承受扭转时圆轴的强度设计与刚度设计 9.4 承受扭转时圆轴的强度设计与刚度设计 Bengbu college . The Department of Mechanical and Electronical Engineering .w.p_chen 《工程力学》 圆轴扭转概念 圆轴受扭转时的内力、变形、应力 扭转切应力计算 圆轴扭转时的强度和刚度设计 工程实例 M 扭转变形 Me Me γ j 受力特点:横截面上作用有一对力偶Mx 变形特点:相邻横截面发生绕轴线相对转动 以承受扭转变形的杆件——轴 Me Me γ j 微元体变形 Me Me γ j t t’ t t’ Me Me γ j 微元体受力平衡 y x z t t’ t t’ t t’ t t’ y x O 切应力互等定理 t = t ’ (9-1) 如果在微元的一对面上存在切应力,另一对与切应力作用线相互垂直的面上必然有大小相等、方向相反或相对或相背的一对切应力,以使微元保持平衡。——切应力互等定理 公式推导(略) x Me Me dx j dx R O a’ b’ c a b d dj g r O e’ e dj gr r r tr 截面上任意点切应力 t(r)= Mxr Ip (9-8) 式中: Mx—截面扭矩 r—应力到轴线距离 IP—截面极惯性矩 Ip = r2dA ∫ A = pd4 32 IP = pD4(1-a4) 32 IP 公式推导(略) x Me Me dx j 截面上任意点切应力 t(r)= Mxr Ip (9-8) 截面上最大切应力 r tr x Mx tmax tmax 当r→rmax时,tr→ tmax,有: tmax= Mxrmax Ip 令: WP = Ip rmax —截面的抗扭截面系数(模量) (9-12) = Mx Wp (9-11) WP = Ip R = pd3 16 WP = Ip R = pD3(1-a4) 16 应用举例 例9-1 d2 d1 D2 牙嵌离合器传递功率P=7.5kW,转速n=100r/min。若已知实心轴直径d1=45mm;空心轴内、外直径之比a=0.5,D2=46mm。试确定实心轴与空心轴横截面上的最大切应力。 解: 1)计算外力偶矩及扭矩 Me= 9549 P n Mx= = 716.2N.m 7.5 100 =9549× N.m 2)计算两段轴最大应力 实心轴: tmax= Mx Wp = 40×106Pa=40MPa = 16Mx pd13 16×716.2N.m p(45×10-3m)3 = 应用举例 例9-1 d2 d1 D2 牙嵌离合器传递功率P=7.5kW,转速n=100r/min。若已知实心轴直径d1=45mm;空心轴内、外直径之比a=0.5,D2=46mm。试确定实心轴与空心轴横截面上的最大切应力。 解: 2)计算两段轴最大应力 空心轴: tmax= Mx Wp = 40×106Pa=40MPa = 16Mx pD23(1–a4) 16×716.2N.m p(46×10-3m)3 (1–0.54) = 3)讨论(用料比) = A1 A2 =1.28 d12 D22(1–a2) 452 462(1–0.52) = = W1 W2 # 9.4.1 扭转实验与扭转破坏现象 韧性材料:以达到屈服强度ts为破坏标志;试件断口为横截面。 破坏表现为受切应力作用而被剪切断裂 脆性材料:以达到强度极限tb为破坏标志;试件断口为45°螺旋面。 破坏表现为微元体受拉断裂 9.4.2 抗扭强度设计 1)圆轴扭转强度设计准则 tmax≤[t ] (9-15) 2)设计准则中的许用切应力[t ] 脆性材料: [t ]= tb nb [t ]=[s ] (9-16) 韧性材料: [t ]= ts ns (9-16) 且有: [t ]=(0.5~0.577)[s ] 3)强度设计应用举例 应用举例 例9-3 由无逢钢管制成的汽车传动轴,外径D=90mm,壁厚d=2.5mm,材料为45钢,许用切应力[t ]=60MPa,工作时最大外扭矩Me=1.5kNm。 1)试校核该轴的强度 2)如将轴该为实心轴,试在相同条件下确定轴的直径 3)比较实心轴和空心轴的质量 Me Me 解: 1)校核该轴的强度 Mx=Me
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