材料力学第三章

第3章 扭转思考题3-1 何谓扭矩？扭矩的正负号如何规定的？如何计算扭矩？ 答 轴在外力偶矩作用下，由截面法求出的横截面上分布内力向截面形心简化的合力（力偶矩）称为扭矩。

对扭矩T 的正负规定为：若按右手螺旋法则把T 表示为矢量，当矢量方向与截面的外法线的方向一致时，n T 为正；反之为负。

用截面法计算扭矩，注意截面位置应偏离外力偶矩作用面。

3-2 薄壁圆筒、圆轴扭转切应力公式分别是如何建立的？假设是什么？公式的应用条件是什么？答 等厚薄壁圆筒在两端垂直于轴线的平面内作用大小相等而转向相反的外力偶所做试验结果现象表明，当薄壁圆筒扭转时，其横截面和包含轴线的纵向截面上都没有正应力，横截面上只有切应力e M τ，因为筒壁的厚度δ很小，可以假设沿薄壁圆筒筒壁厚度切应力不变。

又因在同一圆周上各点情况完全相同，应力也就相同，从而建立薄壁圆筒扭转切应力计算公式；在圆轴两端施加一对大小相等、方向相反的外力偶。

从实验中观察到的现象，假设轴变形后，横截面仍保持平面，其形状、大小与横截面间的距离均不改变，而且半径仍为直线（圆轴扭转平面假设），连同胡克定律和静力平衡条件推出圆轴扭转切应力计算公式。

公式应用条件为线弹性材料、小变形、等截面（锥度不大的变截面可近似用）。

3-3 试述纯剪切和薄壁圆筒扭转变形之间的差异及相互关系。

答 单元体4个互相垂直的面上只作用切应力的状态称为纯剪切；薄壁圆筒扭转变形时（忽略厚度影响）筒壁各点的应力状态为纯剪切。

3-4 试述剪切胡克定律与拉伸（压缩）胡克定律之间的异同点及3个弹性常量μ,,G E 之间关系。

答 剪切胡克定律γτG =（反映角度的变化）与拉伸（压缩）胡克定律εσE =（反映长度的变化）皆为应力与应变成正比关系。

3个弹性常量μ,,G E 之间关系为()μ+=12EG 。

3-5 圆轴扭转时如何确定危险截面、危险点及强度条件？答 等截面圆轴扭转时的危险截面为扭矩最大的横截面，变截面圆轴扭转时的危险截面在其扭矩与扭转截面系数比值最大的横截面；其危险点在该横截面的外边缘。

强度条件为][pmaxmax ττ≤=W T3-6 金属材料圆轴扭转破坏有几种形式？答 塑性金属材料和脆性金属材料扭转破坏形式不完全相同。

塑性材料试件在外力偶作用下，先出现屈服，最后沿横截面被剪断，如图a 所示；脆性材料试件受扭时，变形很小，最后沿与轴线约45°方向的螺旋面断裂，如图b 所示。

思考题3-6解图3-7 从强度方面考虑，空心圆轴为何比实心圆轴合理？ 答 对于相同的横截面面积（即用相同量材料），空心圆轴比实心圆轴的抗扭截面系数大，从而强度高。

3-8 如何计算扭转变形？怎样建立刚度条件？什么样的构件需要进行刚度校核？ 答 （1）写出扭矩方程或扭矩图；相距的两截面间的扭转角l ()()x x GI x T lld d p ∫∫==ϕϕ 上式适用于等截面圆轴和截面变化不大的圆锥截面轴。

对等截面圆轴，若在长l 的两横截面间的扭矩T 为常量，则pGI Tl=ϕ 圆轴扭转的刚度条件为 ][maxp max θθ≤⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=GI T 对于等截面圆轴为 ][pmaxmax θθ≤=GI T 或][π180p max max θθ≤°×=GI T3-9 矩形截面轴的自由扭转切应力分布与扭转变形有何特点？如何计算最大扭转切应力与扭转变形？答轴扭转时，横截面边缘上各点的切应力都与截面边界相切，且4个角点处的切应力为零；最大切应力max τ发生在截面长边的中点处，而短边中点处的切应力1τ是短边上的最大切应力。

其计算公式为2t max hbTW T ατ==max 1γττ=（2）矩形截面杆扭转时，其横截面不再保持平面而发生翘曲。

杆件两端相对扭转角t3GI Tlhb G Tl ==βϕ3-10 两根直径相同而长度和材料均不同的圆轴1，2，在相同扭转作用下，试比较两者最大切应力及单位长度扭转角之间的大小关系，答最大切应力相同；单位长度扭转角不同。

3-11 同一变速箱中的高速轴一般较细，低速轴较粗，这是为什么？答 同一变速箱中的高速轴与低速轴指相对转速高低，其传递的功率相同（不计功率损耗），啮合处线速度相同。

要啮合处产生相同的线速度，则高速轴的啮合半径就较小；又因为啮合处相互作用力相同，该作用力对啮合半径就较小的高速轴线产生的外力偶矩就较小，从而在高速轴中产生的扭矩较小，故高速轴可做得较细。

3-12 图示轴A 和套筒B 牢固地结合在一起，两者切变模量分别为和，两端受扭转力偶矩，为使轴和套筒承受的扭转相同而必须满足的条件是什么？A GB G思考题3-12图答 设套筒B 的内、外径分别为d 和D ，则两者切变模量须满足下列关系：444dd D G G A B −=3-13 试画出空心圆轴扭转时，横截面上切应力分布规律图。

答思考题3-14解图3-14 图示组合轴，中心部分为钢，外圈为铜。

两种材料紧密组合成一整体，若该轴受扭后，全部处于线弹性范围，试画出其横截面上的应力分布图。

思考题3-14图 思考题3-14解图答3-15 图示3种闭口薄壁截面杆承受扭转作用，若3种截面的横截面积A ，壁厚δ和承受的扭矩T 均相同，则其扭转切应力最大和最小的各是哪种截面？思考题3-15图答 max max max a b c τττ>>3-16 图示承受扭矩的3种截面形式，试分别画出其切应力沿壁厚的分布规律。

思考题3-16图习 题3-1 求图示各轴的扭矩图，并指出其最大值。

(a) (b)(a1) (b1)(c) (d)(c1) (d1)解 (a) ； （b ）e max 2M T =e max M T −= (c) m kN 40max ⋅−=T ； (d) m kN 4max ⋅=T3-2 图(a)所示某传动轴，转速500=n r/min ，轮A 为主动轮，输入功率kW ，轮70=A P B ，轮C 与轮为从动轮，输出功率分别为D 10=B P kW ，30==D C P P kW 。

（1）求轴内的最大扭矩；（2）若将轮A 与轮的位置对调，试分析对轴的受力是否有利。

C(a)(b)解 （1）m N 1915001095499549⋅=×=×=nP M B Bm N 13375007095499549⋅=×=×=nP M A Am N 5735003095499549⋅=×=×==nP M M C C D用截面法如图(b)所示：AB 段m N 1911⋅==B M T AC 段 m N 11462⋅−=−=A B M M T CD 段 m N 5733⋅−=−=D M T 由以上结果得m N 1146max ⋅−=T（2）若将轮A 与轮C 位置对调，则，值不变，而 1T 3T m N 7642⋅=+=C B M M Tm N 764max ⋅=T 其绝对值比第（1）种情况小，即对轴的受力有利。

3-3试绘出图示截面上切应力的分布图，其中T 为截面的扭矩。

(a1) (b1) (c1)3-4 图示圆截面轴，AB 与段的直径分别为与，且C B 1d 2d 3/421d d=。

求轴内的最大扭转切应力。

解 BC 段32ep2e 2max π16d M W M ==τ AB 段32e 31e p1e 1max 34π32π2162⎟⎠⎞⎜⎝⎛=×==d M d M W M τ2max 32eπ5.13τ<=d M32e2max max π16d M ==ττ3-5 一受扭等截面薄壁圆管，外径42=D mm ，内径40=d mm ，两端受扭力矩，切变模量。

试计算圆管横截面与纵截面上的扭转切应力，并计算管表面纵线的倾斜角。

m N 500e ⋅=M GPa 75=G 解 （1）()MPa 194424011042π500161π1649343ep e max =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛−××××=−==−ατD M W M （2）若考虑薄壁 ，可求其平均扭转切应力 MPa 189101241π2500π2922=××⎟⎠⎞⎜⎝⎛==−δτR M e讨论：误差%5%6.2%100194189194<=×−或 %5%6.2%100194189194<=×−故薄壁管一般均用简化公式求平均切应力。

（3）rad 1052.2107510189396−×=××==G τγ3-6 设有1密圈螺旋弹簧，承受轴向载荷5.1=F kN 作用。

设弹簧的平均直径mm ，弹簧丝的直径mm ，弹簧丝材料的许用切应力50=D 8=d 450][=τMPa ，试校核弹簧的强度。

解 （1）()()⎟⎠⎞⎜⎝⎛−××××⎟⎠⎞⎜⎝⎛+×××××=−+=−−38504108π285041050105.1834π24893333max c d c FD τMPa 458=[][]%5%78.1%1004508max <=×=−τττ强度满足（工程中误差小于5%，认为技术满足要求）。

（2）用简化公式[]ττ<=××××××==−−MPa 373108π1050105.18π893333max d FD ,安全。

讨论：由于1025.6850<===d D c ,故应用解（1）中修正公式计算（（1）（2）计算值相差较大）。

3-7 一圆截面等直杆试样，直径20=d mm ，两端承受外力偶矩作用。

设由试验测得标距mm 内轴的相对扭转角m N 150e ⋅=M 1000=l 012.0=ϕrad ，试确定切变模量G 。

解p0e p 0GI lM GI Tl ==ϕGPa 6.791020π012.0321.0150π12440e p 0e =××××=⋅==−d l M I l M G ϕϕ3-8 设有1圆截面传动轴，轴的转速300=n r/min ，传递功率80=P kW ，轴材料的许用切应力80][=τMPa ，单位长度许用扭转角，切变模量GPa 。

试设计轴的直径。

m /0.1][°=θ80=G 解 m N 25463008095499549⋅=×=×=nPT[]θθ≤°×=π180p GI T[]θ≤°×⋅π18032π4d G T[]mm 65.6m 1056.60.11080π180254632π18032249242=×=×××°××=°×≥−θG T d 装轴承处直径可取，其它部位若考虑轴肩应按设计规范加大。