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第3章扭转; 3.1引言
扭转是杆件的根本变形形式之一。例如,汽车的转向轴〔见图3-1(a)〕上端受到经由方向盘传来的力偶Me作用,下端承受来自转向器的阻抗力偶Me′作用,转向轴各横截面绕轴线作相对转动〔见图3-1(b)〕。再如变速机构中的传动轴〔见图3-2(a)〕,轴上每个齿轮都承受圆周力Fi和径向力Fri作用,将每个齿轮上的力向圆心简化,附加力偶Me使各横截面绕轴线作相对转动,而横向力F1、Fr1、F2和Fr2使轴产生弯曲,如果两个齿轮离轴承很近,那么轴的弯曲可以忽略。;图3-1;图3-2
;由此可见,在垂直于杆件轴线的平面内作用有力偶时,杆件产生扭转变形。使杆件产生扭转变形的外力偶,称为扭力偶,其矩称为扭力偶矩。但凡以扭转变形为主要变形的直杆,称为轴。
工程实际中有很多构件,如攻丝的丝锥、车床的光杠、搅拌机轴、汽车的传动轴等等,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、机床传动轴等,除扭转变形之外还有弯曲变形,属于组合变形。;图3-3; 3.2扭力偶矩、扭矩与扭矩图
1.扭力偶矩的计算
在工程实际中,可以根据力偶与力矩的理论,计算轴承受的扭力偶矩。对于传动轴等构件,往往只给出轴所传递的功率和转速,可利用动力学知识,根据功率、转速和扭力偶矩之间的关系;2.扭矩与扭矩图
为了计算圆轴的应力和变形,首先要分析其横截面上的内力。如图3-4(a)所示圆轴,承受外力偶矩Me作用,现用截面法分析任意横截面n-n上的内力。在n-n截面处假想地将圆轴截开,取其左段为研究对象,作用在轴左段上的外力偶矩为Me,由平衡理论可知,作用在n-n截面上分布内力系的合成结果必为一力偶,而且该力偶的作用面在横截面内。将作用于横截面的内力偶矩称为该截面的扭矩,用T来表示〔见图3-4(b)〕。由轴左段平衡条件;如果研究右段〔见图3-4(c)〕,由平衡条件也可求得n-n截面上的扭矩,其数值与研究左段所得的相同,但转向相反。为了所求得的同一截面上的扭矩保持相同的正负号,对扭矩T的正负号作如下规定:按右手螺旋法那么将扭矩用矢量表示,矢量??向与横截面外法线方向一致时,扭矩为正,反之为负。按此规定,图3-4(b)、(c)所示扭矩均为正值。
对于承受几个外力偶矩作用的轴,其不同横截面上的扭矩不尽相同。为了表示扭矩的大小和正负随截面位置的变化,可用扭矩图来形象描述之。;图3-4;例3-1传动轴〔见图3-5(a)〕的转速n=300r/min,主动轮为A,输入功率PA=50kW,两个从动轮为B、C,其中B轮输出功率PB=30kW。试作轴的扭矩图。
解(1〕扭力偶矩计算。A轮为主动轮,故MA的方向与轴的转向一致;而作用在从动轮B、C上的扭力偶矩MB、MC的方向与轴的转向相反。MA、MB的大小分别为;;〔2〕扭矩计算。用截面法求各段扭矩。在AB段内,任选1-1截面为代表,从该截面截开,研究左段〔见图3-5(b)〕,假定1-1截面上的扭矩T1取正值,由平衡条件∑Mx=0,得;(3〕画扭矩图。以横坐标x表示横截面位置〔与轴的受力图上下对应〕,以纵坐标表示相应的扭矩,按选定比例作出BA、AC两段轴的扭矩图。因为在每段内扭矩是不变的,故扭矩图由两段水平线组成,如图3-5(d)。由图知,该传动轴的最大扭矩发生在AB段内,值为;图3-5;3.3薄壁圆筒扭转试验与剪切胡克定律
1.薄壁圆筒扭转时的应力与变形
图3-6(a)所示为一壁厚为δ、平均半径为R0的薄壁圆筒〔δ≤R0/10〕。受扭前,在圆筒外表上画出一组圆周线和纵向线组成的矩形方格。在两端扭力偶矩Me的作用下,圆筒产生扭转变形〔见图3-6(b)〕。可以观察到,各纵向线都倾斜了同一个微小角度γ;各圆周线的形状、大小及间距都没有改变,只是各自绕轴线x轴转过了不同的角度。所画矩形方格变成近似平行四边形。
;图3-6;由于圆筒两横截面间的距离不变,故横截面上没有正应力;圆筒的半径不变,故在通过轴线的纵向截面上亦无正应力。在变形过程中,相邻横截面p-p与q-q发生相对错动,矩形变成了平行四边形,这种变形称为剪切变形。纵向线倾斜的角度γ是矩形方格变形前后直角的改变量,即为切应变〔见图3-6(e)〕,故横截面上只有切应力,它组成与扭力偶矩平衡的内力系。由于筒壁很薄,可认为切应力沿壁厚均匀分布〔见图3-6(c)〕,q-q截面上切应力组成的内力是横截面的扭矩T,由q-q截面以左局部圆筒的平衡方程∑Mx=0,得;即;2.纯剪切与切应力
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