化工設(shè)備基礎(chǔ)-圓軸的扭轉(zhuǎn)

圓軸的扭轉(zhuǎn),第五章,受扭轉(zhuǎn)的螺絲刀,受扭轉(zhuǎn)的攪拌軸,5.1 圓軸扭轉(zhuǎn)的實(shí)例與概念,扭轉(zhuǎn)的受力特點(diǎn)：,大小相等、反向并垂直于桿軸線的力偶。,扭轉(zhuǎn)的變形特點(diǎn)：,任意兩個(gè)截面繞軸線相對(duì)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度。,5.1 圓軸扭轉(zhuǎn)的實(shí)例與概念,扭轉(zhuǎn)角：,B端面相對(duì)于A端面的轉(zhuǎn)角。,若已知圓周力P和輪子半徑R，則外力偶矩：,若已知功率N、速度v和轉(zhuǎn)速n：,外力偶矩的計(jì)算公式：,1. 外力偶矩的計(jì)算,5.2 扭轉(zhuǎn)時(shí)的外力和內(nèi)力,2. 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的內(nèi)力,5.2 扭轉(zhuǎn)時(shí)的外力和內(nèi)力,右手螺旋定則：,將右手四指沿著扭矩的旋轉(zhuǎn)方向，若大拇指的指向與扭矩作用面的截面的外法線方向一致則扭矩為正，反之為負(fù)。,扭轉(zhuǎn)時(shí)圓軸橫截面上必有內(nèi)力偶矩存在，其大小等于截面一側(cè)上外力偶矩的代數(shù)和。,扭 矩,例1：主動(dòng)輪NA=120kW，從動(dòng)輪NB=30kW，NC=40kW，轉(zhuǎn)速n=300r/min，求各截面的扭矩。,5.2 扭轉(zhuǎn)時(shí)的外力和內(nèi)力,解：,首先計(jì)算各外力偶矩的大?。?1. 剪切變形、切應(yīng)變,剪切變形和剪切虎克定律,切應(yīng)變,衡量剪切變形的大小,2. 剪切虎克定律,當(dāng)切應(yīng)力小于彈性極限時(shí)，切應(yīng)力與切應(yīng)變成正比,切變模量,各圓周線的形狀、大小及相鄰圓周線的距離均未變。 縱向線變形后仍為直線，都傾斜了同一角度，原來(lái) 的矩形變成平行四邊形。,現(xiàn) 象：,1. 應(yīng)力分布規(guī)律,5.3 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力,扭轉(zhuǎn)角,切應(yīng)變,結(jié) 論：,圓軸各橫截面扭轉(zhuǎn)變形前后仍然保持為平面，只是繞軸線轉(zhuǎn)過了一個(gè)角度。,圓軸各橫截面變形后發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)，矩形變?yōu)槠叫兴倪呅巍?沒有正應(yīng)力產(chǎn)生,橫截面上產(chǎn)生切應(yīng)力,變形后，橫截面上的半徑仍保持為直線。,切應(yīng)力的方向與半徑垂直,5.3 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力,圓軸在發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，橫截面上只產(chǎn)生切應(yīng)力，其方向與半徑垂直。,5.3 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力,dx,R,5.3 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力,圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，橫截面各點(diǎn)的切應(yīng)力與它們離軸中心的距離成正比。,剪切虎克定理：,2. 橫截面上切應(yīng)力計(jì)算公式,5.3 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力,dA,O,截面的極慣性矩,抗扭截面模量,3. J與W的計(jì)算,5.3 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力,（1）實(shí)心圓軸,（2）空心圓軸,例：某反應(yīng)器的攪拌軸由功率N=6KW的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，軸的轉(zhuǎn)速n40r/min，由89×10mm鋼管制成，求軸內(nèi)最大應(yīng)力。,5.3 扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上的應(yīng)力,解：,圓軸扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件,扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力,對(duì)于塑性材料,對(duì)于脆性材料,5.4 扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件,圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，危險(xiǎn)截面上的最大切應(yīng)力不超過材料的扭轉(zhuǎn)許用切應(yīng)力時(shí)，軸才能安全正常的工作。,（1）計(jì)算軸的扭抗截面模量,校驗(yàn)軸的強(qiáng)度,所以軸滿足強(qiáng)度條件,5.4 扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件,例：汽車主傳動(dòng)軸內(nèi)徑d=85mm、外徑D=90mm，45號(hào)鋼， =60MPa，軸受到的最大轉(zhuǎn)矩m=1.5kN.m : （1）校核此空心軸的強(qiáng)度； （2）等強(qiáng)度實(shí)心軸直徑； （3）求實(shí)心軸與空心軸的質(zhì)量比。,解：,（2）實(shí)心軸的強(qiáng)度于實(shí)心軸相同，故實(shí)心軸的最大切應(yīng)力也為51.7MPa。,（3）兩根軸長(zhǎng)度和材料相同，質(zhì)量比等于其橫截面面積比,5.4 扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度條件,一、圓軸的扭轉(zhuǎn)變形,5.5 圓軸扭轉(zhuǎn)變形與剛度條件,相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式,二、扭轉(zhuǎn)剛度條件,對(duì)于一般傳動(dòng)軸和攪拌軸 可取,軸在單位長(zhǎng)度上的扭轉(zhuǎn)角,（rad/m）,軸扭轉(zhuǎn)的剛度條件,工程換算,5.5 圓軸扭轉(zhuǎn)變形與剛度條件,(º/m),許用單位扭轉(zhuǎn)角,m4.5kN.m,5.5 圓軸扭變形與剛度條件,例：已知mA=3.6kN.m, mB=0.9kN.m，d1=70mm, d2=55mm, L1=1m, L2=1.5m, G=80GPa, =60MPa , = 1.5º/m, 進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核。,強(qiáng)度校核,剛度校核,軸滿足強(qiáng)度條件,軸滿足剛度條件,AC段,BC段,5.5 圓軸扭轉(zhuǎn)變形與剛度條件,A,C,B,習(xí)題1：一傳動(dòng)軸如圖示，已知傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n300r/min，主動(dòng)輪A輸入的功率NA36.7kW，從動(dòng)輪B、C、D的輸出功率為NB11kW、NC11kW。材料的剪切彈性模量G80GPa， =50MPa ， =1º/m，試設(shè)計(jì)軸的直徑D。,5.5 圓軸扭轉(zhuǎn)變形與剛度條件,