5.4 扭 轉(zhuǎn) 【內(nèi)容提要】 扭轉(zhuǎn)是桿件的又一種基本變形形式，本節(jié)主要學(xué)習(xí)桿件發(fā)生扭轉(zhuǎn)時的受力和變形特點，熟悉傳動軸的外力偶矩計算，掌握求扭矩和作扭矩圖的方法。掌握橫截面上剪應(yīng)力分布規(guī)律和剪應(yīng)力計算，了解斜截面上的應(yīng)力計算，掌握剪應(yīng)力強(qiáng)度條件的應(yīng)用。熟悉圓截面極慣性矩，抗扭截面系數(shù)計算公式的應(yīng)用。熟悉圓截面桿扭轉(zhuǎn)角的計算和剛度條件的應(yīng)用，了解受扭圓桿應(yīng)變能的計算。 【重點、難點】 求扭矩和作扭矩圖的方法，橫截面上剪應(yīng)力分布規(guī)律和剪應(yīng)力計算，剪應(yīng)力強(qiáng)度條件。
【內(nèi)容講解】 知識點一、扭轉(zhuǎn)的概念 受力特征：桿兩端承受一對力偶矩相等．轉(zhuǎn)向相反作用面與桿軸線相垂直的外力偶作用。 變形特征：桿件各橫截面繞軸線作相對旋轉(zhuǎn)。 截面間軸線的相對角位移，稱為扭轉(zhuǎn)角，用 表示。桿件表面上的縱向線同時傾斜了一個角，即剪應(yīng)變。以扭轉(zhuǎn)變形為主要變形的直桿，簡稱為軸。
知識點二、傳動軸外力偶矩 傳動軸所傳遞的功率、轉(zhuǎn)速與外力偶矩之間關(guān)系 式中p為傳遞功率，常用單位為kw(千瓦)， 為轉(zhuǎn)速，常用單位為r／min(轉(zhuǎn)每分)，t為外力偶矩，常用單位為n•m(牛•米)。
知識點三、扭矩扭矩圖 扭矩:受扭桿件橫截面上產(chǎn)生的內(nèi)力，是一個在橫截面平面內(nèi)的力偶，其力偶矩稱為扭矩，用 表示。 扭矩正負(fù)號規(guī)定 扭矩 以右手法則表示扭矩矢量方向，若該矢量方向與截面外向法線方向一致時為正，反之為負(fù)。 扭矩計算，應(yīng)用截面法和扭矩正負(fù)號的規(guī)定，可直接根據(jù)橫截面左側(cè)(或右側(cè))桿上作用的外力 偶矩，計算該橫截面上的扭矩法則：某橫截面上的扭矩 ，在數(shù)值上等于該截面的左側(cè)(或右側(cè))桿上所有外力偶矩的代數(shù)和，外力偶矩矢量方向(按右手法則離開該橫截面的均取正值，反之取負(fù)值。 扭矩圖，表示沿桿軸線各橫截面上扭矩變化規(guī)律的圖線。以橫坐標(biāo)軸表示橫截面的位置．縱坐標(biāo)表示相應(yīng)橫截面上扭矩。 根據(jù)平面假設(shè)，應(yīng)用幾何、物理與靜力學(xué)三方面，可建立圓截面軸扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，變形公式。
知識點四、圓軸扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力與強(qiáng)度條件 (一)橫截面上的剪應(yīng)力 1． 剪應(yīng)力分布規(guī)律 橫截面上任一點的剪應(yīng)力，其值與該點到圓心的距離成正比，方向垂直于該點所在的半徑。剪應(yīng)力沿截面半徑線性變化。如下圖所示。
2．剪應(yīng)力計算公式
橫截面上距圓心為 的任一點處剪應(yīng)力 。 橫截面上最大剪應(yīng)力 ，發(fā)生在橫截面邊緣各點處( )，其值為 上列兩式中： 為所要求剪應(yīng)力的點所在橫截面上的扭矩， 稱為截面的極慣性矩， 稱為抗扭截面系數(shù)。 、 是僅與橫截面尺寸有關(guān)的幾何量，分別為實心圓截面。(直徑為d) 空心圓截面(外徑為d．內(nèi)徑為 ；
(二)圓軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件 為了保證圓軸扭轉(zhuǎn)工作時，不致因強(qiáng)度不夠而破壞，最大剪應(yīng)力 不得超過材料的扭轉(zhuǎn)許用剪應(yīng)力[]，即要求，強(qiáng)度條件： 對于等截面圓軸 式中[ ]為扭轉(zhuǎn)(純剪切)許用剪應(yīng)力，其值與許用應(yīng)力[ ]之間存在下述關(guān)系： 對于塑性材料． ﹝0.5～0.577﹞ [ ] 對于脆性材料， ﹝0.8～1.0﹞ 式中， 代表許用拉應(yīng)力。 由上述強(qiáng)度條件，可對受扭圓軸進(jìn)行強(qiáng)度校核、截面設(shè)計以及許可載荷的確定等三類問題的計算。
知識點五、圓軸扭轉(zhuǎn)變形與剛度條件 (一)圓軸扭轉(zhuǎn)變形 單位長度的扭轉(zhuǎn)角，即扭轉(zhuǎn)角沿軸線的變化率． 對于在長度 范圍內(nèi)， 均為常量，則扭轉(zhuǎn)角 上式表明，扭轉(zhuǎn)角 與扭矩 軸長 成正比，與 成反比。乘積 表示圓軸抵抗扭轉(zhuǎn)彈性變形的能力，稱為圓軸抗扭剛度。
（二）圓軸扭轉(zhuǎn)剛度條件 剛度條件 圓軸扭轉(zhuǎn)最大單位長度扭轉(zhuǎn)角 不得超過某一規(guī)定的迕用值[ ]。即 對于等截面均質(zhì)圓軸
上式中，[]代表單位長度許用扭轉(zhuǎn)角。對于一般傳動軸，[]為 ～ 對于精密機(jī)器與儀表的軸，[ ]值可根據(jù)有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范確定。
知識點六、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能 圓軸因扭轉(zhuǎn)變形而貯存的能量，稱為扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能，用 表示，其數(shù)值上等于外力偶矩 在相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角位移 上所作之功。在線彈性范圍內(nèi)扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比。于是，得扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能 上式表明，應(yīng)變能 是扭矩 的二次函數(shù)。 單位體積應(yīng)變能，稱為比能．用 表示。圓軸扭轉(zhuǎn)單元體處于純剪狀態(tài)，在線彈性范圍內(nèi)，剪應(yīng)力 與剪應(yīng)變 成正比，于是比能
【小結(jié)】本節(jié)推導(dǎo)公式的理論基礎(chǔ)是剪力互等定律和剪切虎克定律，其扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力和變形的公式僅適用于圓形截面的構(gòu)件，計算的基本公式是扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力公式： ，扭轉(zhuǎn)變形公式： 及其強(qiáng)度條件： ，剛度條件 =