各轴横截面上的最大切应力
强度条件的应用
（1）校核强度
max
Tmax Wt
max
Tmax Wt
（2）设计截面
Wt
Tmax
（9）确定载荷
Tmax Wt
§9.4 圆的汽车传动
轴，外径D=89mm、壁厚=2.5mm，
材料为20号钢，使用时的最大扭矩
§9.4 圆轴扭转时的应力
§9.4 圆轴扭转时的应力
一、横截面上的应力
几
何
关 系
Me
Me
物 理
关
几何关系
系
静
从三方面考虑 物理关系
力 关
静力关系
系
观察变形 提出假设 变形的分布规律
应力的分布规律
建立公式
§9.4 圆轴扭转时的应力
公式适用于： 1）圆杆
2） max p
横截面上某点的切应力的方向 与扭矩方向相同，并垂直于半径。 切应力的大小与其和圆心的距离 成正比。
16T
d13
7640N m
4580N m
3
d1
16T
π[ ]
3
16 7640 π 70106
82.2103 m 82.2mm
不同截面上的应力状态
圆轴扭转的控制方程
几何关系
物理关系
d
dx
G
G
d
dx
圆轴扭转的应力和变形
max
T Wt
静力学关系
T
GI p
d
dx
第九章 扭 转(II)
第九章 扭 转
§9.1 扭转的概念和实例 §9.2 外力偶矩的计算 扭矩和扭矩图 §9.3 纯剪切 §9.4 圆轴扭转时的应力和强度条件 §9.5 圆轴扭转时的变形和刚度条件 §9.6 非圆截面杆扭转的概念
实心轴与空心轴 I p 与 Wt 对比
Wt
Ip
/R
1 D3
16
Wt I p /(D / 2)
§9.4 圆轴扭转时的应力
三、扭转强度条件： max
Tmax Wt
1. 等截面圆轴：
2. 阶梯形圆轴：
max
Tmax Wt
max
(Tmax Wt
)max
§9.4 圆轴扭转时的应力
[' ]
Ip
1 D4
32
•已知T 、D 和[τ]，校核强度 •已知T 和[τ]，设计截面 •已知D 和[τ]，确定许可载荷
•已知T 、D 和[φ/]，校核刚度 •已知T 和[φ/]，设计截面 •已知D 和[φ/]，确定许可载荷
§9.5 圆轴扭转时的变形
例题9.7 传动轴的转速为n=500r/min，主动轮A 输入功率
A M e1
M e2
B
M e3
解：1.外力偶矩
T1
M e1
9549
P1 n
9549 400 7640N m 500
T2
M e3
240 400
T1
4580N m
§9.5 圆轴扭转时的变形
2.扭矩图
9.直径d1的选取
按强度条件
d1
C d2
A
B
M e1
M e2
M e3
max
单位长度扭转角
' d T
dx GI p ' T 180
GI p
rad/m ⁰/m
扭转刚度条件
' max
[ ' ]
[ ' ]许用单位扭转角
§9.5 圆轴扭转时的变形
扭转强度条件
max
T Wt
[ ]
Wt
1 D3
16
扭转刚度条件
' max
T GI p
知识要点回顾
外力偶的计算： 直接计算 Me Fd
输出功率和转速 Me 9549P
n
扭矩及正负号规定： T = Me 右手螺旋法则
纯剪切、切应力互等定理
切应力胡克定律 G
剪切应变能 u 1 τγ G γ 2 2
2 2 2G
G E
2(1 )
知识要点回顾
T=1990N·m,[]=70MPa.校核此轴的
强度。
d 0.945
D
解：（1）计算抗扭截面模量
Wt 0.2D3 (1 4 ) 0.2 8.93 (1 0.9454 ) 29 cm9 （2） 强度校核
max
T Wt
1930 29 106
66.7106 Pa
P1=400kW，从动轮C，B 分别输出功率P2=160kW，
P9=240kW。已知[τ]=70MPa，[φˊ]=1°/m，G=80GPa。
(1)试确定AC 段的直径d1 和BC 段的直径d2； (2)若AC 和BC 两段选同一直径，试确定直径d；
(9)主动轮和从动轮应如何安排才比较合理?
d1
C d2
max
T Wt
令
Wt
Ip R
抗扭截面系数
在圆截面边缘上， 有最大切应力
§9.4 圆轴扭转时的应力
二、I p 与 Wt的计算
实心轴
T
Ip
max
T Wt
Wt I p / R 1 D3
16
§9.4 圆轴扭转时的应力
空心轴
则
令
Wt I p /(D / 2)
§9.4 圆轴扭转时的应力
(0.0531)2
4
22.2104 m2
A2
4
(D2
d2)
4
[(90 103 )2
(85103)2 ]
6.87 104 m2
在两轴长度相等，材料相同的情况下，两轴重量 之比等于横截面面积之比。
A2 A1
6.87 104 22.2 104
0.31
可见在载荷相同的条件下，空心轴的重量仅为实心轴的31% 。
66.7MPa [ ] 70MPa 满足强度要求
§9.4 圆轴扭转时的应力
例9.3 如把上例中的传动轴改为实 心轴，要求它与原来的空心轴强度 相同，试确定其直径。并比较实心 轴和空心轴的重量。
解：当实心轴和空心轴的最大应力同 为[]时，两轴的许可扭矩分别为
T1
Wt [
]
16
§9.5 圆轴扭转时的变形
§9.5 圆轴扭转时的变形
静力关系(平衡方程)
T A dA
G
G
d dx
物理方程
A
ρ
G
ρ
dφ dx
dA
T
T
GI p
d
dx
A ρ2dA Ip
相对扭转角
抗扭刚度
n
Tili
i1 GIPi
§9.5 圆轴扭转时的变形
D13[
]
T2
16
D3(1 4 )[
]
16
(90)3 (1
0.9444 )[
]
若两轴强度相等，则T1=T2 ，于是有
D13 (90)3 (1 0.9444 )
D1 53.1mm 0.0531m
§9.4 圆轴扭转时的应力
实心轴和空心轴横截面面积为
A1
D12
4
扭转切应力计算
7.5 100
=716.2 N.m
max=
Mx Wp1
=
16 Mx d13
=40 MPa
3
d1=
16 716. 2 40 106
=0.045 m=45 mm
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26
圆轴扭转时横截面上的切应力例题
max=
Mx =
Wp2
16 Mx
=40 MPa
D23(1- 4)
16 716.2
此机构是典型的齿轮传动机构，各传动轴均为扭转变形。欲求各传动轴横截面上的切应力，必须求 得各轴所受的扭矩，即各轴所受到的外力偶矩。
由题意可知，E、H、C轴所传递的功率分别为：P1=14kW， 再通过公式：
P2=P3=P1/2=7kW. E、H轴转速为120r/min,由传动比可计算出C轴的转速为： 可以求得各轴所受到
扭转圆轴的横截面 上切应力分布规律
max
T Wp
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29
作业
P270 15-10
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30
❖ 横截面绕轴线发生了旋转式的相对错动， 故横截面上有剪应力存在。
❖ 各横截面半径不变，所以剪应力方向与 截面径向垂直
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11
设距离轴线为处 的切应变为()， 由几何关系得到：
()dxd
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() d dx
12
物理关系与应力分布
剪切胡克定律
＝G
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13
1传动轴工程中承受切应力的构件工程中承受切应力的构件工程中承受切应力的构件工程中承受切应力的构件工程中承受切应力的构件工程中承受切应力的构件破坏形式演示ab扭转时的内力称为扭矩截面上的扭矩与作用在轴上的外力偶矩组成平衡力系
最大切应力计算公式
最大切应力计算公式在工程力学和材料力学中，最大切应力计算公式可是个相当重要的家伙！咱先来说说啥是切应力。
想象一下，你手里拿着一根铅笔，然后用力把它扭来扭去，铅笔内部产生的那种抵抗你扭转的力，就和切应力有关系。
最大切应力计算公式通常是：τmax = τ = QS/(Ib) 。
这里面的 Q 表示横截面上的剪力，S 是所求应力点到中性轴的距离，I 是横截面对中性轴的惯性矩，b 是截面宽度。
举个例子吧，有一次我去工厂参观，看到工人们在加工一个大型的轴类零件。
那个轴又粗又长，看着就特别结实。
但工程师告诉我，就算这么粗壮的轴，如果所受的切应力超过了材料的承受能力，也会出问题。
当时他们正在计算这个轴在运转时所受到的最大切应力。
工程师们拿着图纸，在上面写写画画，嘴里还念叨着这些公式里的参数。
我凑过去看，发现他们得先准确测量出轴的截面尺寸，确定剪力的大小，然后再代入公式进行计算。
我就好奇地问工程师：“这公式真能算准吗？”工程师笑着说：“这可是经过无数次实验和实践验证的，只要测量数据准确，计算过程不出错，就能得到比较可靠的结果。
”回到最大切应力计算公式，它的应用可广泛啦！比如在机械设计中，要确保零件在工作时不会因为切应力过大而损坏；在建筑结构中，像桥梁的钢梁、支撑柱等，都得靠这个公式来保证其安全性。
再比如说，汽车的传动轴，那可是承受着巨大的扭矩和切应力。
如果不通过最大切应力计算公式来好好设计，说不定开着开着车，传动轴就断了，那得多危险啊！还有飞机的机翼结构，既要轻巧又要能承受各种复杂的力，这时候最大切应力计算公式就派上大用场了，能帮助设计师们找到最合适的材料和结构形式。
总之，最大切应力计算公式虽然看起来有点复杂，但它可是保障各种结构和零件安全可靠的重要工具。
在工程领域，可千万不能小瞧了它的作用！不管是大型的机械设备，还是小小的零件，都得依靠这个公式来确保它们能正常工作，不出现意外。
所以啊，咱们可得好好掌握这个公式，说不定哪天就能派上大用场呢！。
《工程力学》复习题
机电李禄昌
一轴AB传递的功率为 Nk =7.5 kw,转速 n=360 r/min.如图 D=3cm, d=2cm.求AC段横截面边缘处的剪应力以及CB段横截 面外边缘和内边缘处的剪应力。
解： （1）计算扭矩
轴所传递的外力偶矩为
T0
9550 Nk n
9550 7.5 360
199N m
80 109 0.034
3.93103 rad
（2）、C截面的挠度为：…………6分
I zAC
I1
D4
64
=3.97 10-8m4
wC
Pl3 3EI1
100 0.53 64
3 210109 0.034
0.525mm
29
机电李禄昌
（3）、B截面的铅垂位移----总挠度为：…………7 分
铸铁梁的载荷及截面尺寸如图所示。已知许用拉应力 [σt]=40MPa，许用压应力[σc]=160MPa。⑴确定截面形心位置 y 。⑵绘制弯矩图。⑶试按正应力强度条件校核梁的强度。⑷ 若载荷不变，但将形截面倒置，即翼缘在下边缘，是否合理？ 何故？
RB
RD
解：⑴、对AD梁受力分析，计算支反力，列平衡方程：
I zBC
I2
bh3 12
=6.67 10-9m4
wB
wc
c
a
Pa3 3EI2
0.525
2
3
210
100 0.53 12 109 10 103 (20
103 )3
0.525 2 3.12 5.61mm
30
圆轴扭转横截面上的应力
解：1. 变形分析
T1 MA 180 N m
AB
T1l GIp
1.5010-2
rad
T2 MC 140 N m
BC
T2l GIp
例 5-1 已知 T=1.5 kN . m，[ ] = 50 MPa，试根据强度条 件设计实心圆轴与 = 0.9 的空心圆轴，并进行比较。
解：1. 确定实心圆轴直径
max [ ]
max
T Wp
T πd 3
16
T πd
3
[
]
16
d
3
16T
π[ ]
3
16(1.5103Nm) π(50106Pa)
3. 计算支座约束力偶矩
联立求解方程 (a) 与 (b)
MA
Mb ， ab
MB
Ma ab
总结
• 圆轴扭转强度计算 • 圆轴扭转刚度计算
本章结束！
0.0535
m
取： d 54 mm
2. 确定空心圆轴内、外径
Wp
πdo3 16
14
16T [ ]
π 16
do3
(1
4)
do
3
16T
π(1 4)[
]
76.3
mm
di do 68.7mm
取：do 76 mm， di 68 mm 3. 重量比较
材料力学习题解答[第三章]
![材料力学习题解答[第三章]](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/ad0c511fddccda38376bafaa.webp)
3-1求图中所示杆各个横截面上的应力，已知横截面面积A=400mm 2。
解a):MPaMPa1004001040050400102033231=⨯==-=⨯-=σσσ 题3-1a)图 解b):MPa MPaMPa2540010105050400102032231=⨯=-=-=⨯-=右左σσσ MPa MPa 125400105025333=⨯==右左σσ 题3-1b)图3-2图中为变截面杆，如果横截面面积A 1=200mm 2，A 2=300mm 2，A 3=400mm 2，求杆内各横截面上的应力。
解a ）:MPaMPa MPa10040010407.663001020502001010333231=⨯=-=⨯-==⨯=σσσ题3-2a)图解b):MPaMPa 7540010303.333001010033321-=⨯-==⨯==σσσ题3-2b)图30kN3-3 图示杆系结构中，各杆横截面面积相等，即A=30cm 2，载荷F=200kN 。
试求各杆横截面上的应力。
解:(1)约束反力:kNF F kN F F kN F F AXAY Dy 2001504315043======(2)各杆轴力)(250150200)(150)(200)(1502222压压拉拉kN F F F kN F F kN F F kN F F NCD NAC NAC D NCD AX NAC AY NAB =+=+======= 题3-3图(3)各杆的正应力)(3.8330010250,)(5030010150)(7.6630010200,)(50300101503333压压拉拉MPa MPa MPa MPa AC CDAC AB -=⨯-=-=⨯-==⨯==⨯=σσσσ 3-4钢杆CD 直径为20mm ，用来拉住刚性梁AB 。
已知F=10kN ，求钢杆横截面上的正应力。
解:)(7.112204104.3544.3545cos 1)5.11(232拉MPa d F kNF F NCD CD oNCD =⨯⨯===⨯+=ππσ 题3-4图3-5图示结构中，1、2两杆的横截面直径分别为10mm 和20mm ，试求两杆内的应力。
材料力学(第五版)扭转切应力
(
)
d 2 = 0.8D2=43 mm π 2 d1 A1 452 4 = = =1.95 2 2 A2 π D2 1 α2 53.7 1 0.8 2 4
(
)
(
)
空心圆轴能比实心圆轴更充分的使用材料。 空心圆轴能比实心圆轴更充分的使用材料。
理由？ 理由？
空心圆轴能比实心圆轴更充分的使用材料的原因： 空心圆轴能比实心圆轴更充分的使用材料的原因：
(
)
五、圆轴扭转时的强度条件 圆轴扭转时的最大切应力不能超过 材料的许用切应力
τmax
T ax m = ≤ [τ] W p
例题 d2
A
B
C
d1 mA mB mC
已知： 已知：阶梯轴尺寸如图 mA = 22 kN m, mB = 36 kN m, mC =14 kN m
[τ]= 80 MPa
d1 =120 m , d2 =100m m m
对于钢材: 对于钢材:
200 G= = 80GPa 2(1+ 0.25)
§3-4 圆轴扭转时的应力
一、变形几何条件 1、变形观察： 变形观察：
圆周线不变（大小、 圆周线不变（大小、 间距都不变） 间距都不变） 纵向线倾斜， 纵向线倾斜， 倾斜角相同 表面矩形变成 平行四边形
薄壁圆筒由于壁很薄， 薄壁圆筒由于壁很薄，表 面变形即为内部变形。 面变形即为内部变形。
圆轴内部任意一点的切应力 圆轴内部任意一点的切应力 τ ρ 与该点到圆心的距离ρ 与该点到圆心的距离ρ成正比
d τ ρ = Gρ dx
(c)
ρ =0
τρ = 0
ρ=R
τ ρ =τ max
d = GR dx
三、静力关系
工程力学第8章剪应力分析习题及解析
第8章弹性杆件横截面上的切应力分析8-1扭转切应力公式r(p)^M x p/I p的应用范圉有以下几种，试判断哪一种是正确的。
(A)等截面圆轴，弹性范囤内加载：(B)等截面圆轴：(C)等截面圆轴与椭恻轴：(D)等截面圆轴与椭恻轴.弹性范鬧内加较。
知识点：圆轴扭转时横截面上的切应力难度：易解答•正确答案是A cTip) = M x p/l?在推导时利川J'等截面鬪轴受扭后.其横截血保持平血的假设•同时推导过程中还应用了剪切胡克定律.婆求在线弹性范刑加載。
8-2两根长度相等、直径不等的圆轴受扭后.轴表iftlJJU线转过相同的角度。
设直径大的轴和直径小的轴的横截面上的最大切应力分别为耳吨'和r2max,切变模虽分别为Gi和G2O试判断下列结论的正确性。
(A)(B)(C)若G、>G“则有r Inux > r2nux:(D)若G>G“则有右叭沁。
知识点：圆轴扭转时横截面上的切应力难度：易解答•正确答案是c °因两恻轴等长，轴表面上母线转过相同角度，指切应变相同，即/,=/,=/由剪切胡克定律2“知> °2 时，f lnux > r2max °8-3承受相同扭矩且长度相等的直径为山的实心恻轴与内.外径分别为D2(a = d2/D2)的空心圆轴.二者横截面上的垠大切应力相等。
关于二者重之比(M/WJ有如下结论.试判断哪一种是正确的。
(A)(l-a4严；(B)(l-a4)V2(l-a2)：(C)(l-^Xl-a2)：(D)(1 一a」)的/(I一小)。
知识点：组合圆轴扭转时横截面上的切应力难度：难解答•\6M X I6M正确答案是D即A-d-a4)7D2匹=如=必W2人D;(l-a2)习题8/图⑴代入(2〉.得8-4由两种不同材料组成的圆轴，里层和外 层材料的切变模址分别为Gi 和Gi.且G = 2G 2. 圆轴尺寸如图所示。
圆轴受扭时.里、外层之间无相对滑动。
材料力学第五版课后习题答案
材料⼒学第五版课后习题答案⼆、轴向拉伸和压缩2-1试求图⽰各杆1-1和2-2横截⾯上的轴⼒，并作轴⼒图。
（a）解：；；（b）解：；；（c）解：；。
(d)解：。
2-2 试求图⽰等直杆横截⾯1-1，2-2和3-3上的轴⼒，并作轴⼒图。
若横截⾯⾯积，试求各横截⾯上的应⼒。
解：2-3试求图⽰阶梯状直杆横截⾯1-1，2-2和3-3上的轴⼒，并作轴⼒图。
若横截⾯⾯积，，，并求各横截⾯上的应⼒。
解：2-4 图⽰⼀混合屋架结构的计算简图。
屋架的上弦⽤钢筋混凝⼟制成。
下⾯的拉杆和中间竖向撑杆⽤⾓钢构成，其截⾯均为两个75mm×8mm的等边⾓钢。
已知屋⾯承受集度为的竖直均布荷载。
试求拉杆AE和EG横截⾯上的应⼒。
解：=1）求内⼒取I-I分离体得（拉）取节点E为分离体，故（拉）2）求应⼒75×8等边⾓钢的⾯积A=11.5 cm2(拉)（拉）2-5(2-6)图⽰拉杆承受轴向拉⼒，杆的横截⾯⾯积。
如以表⽰斜截⾯与横截⾯的夹⾓，试求当，30，45，60，90时各斜截⾯上的正应⼒和切应⼒，并⽤图表⽰其⽅向。
解：2-6(2-8) ⼀⽊桩柱受⼒如图所⽰。
柱的横截⾯为边长200mm的正⽅形，材料可认为符合胡克定律，其弹性模量E=10 GPa。
如不计柱的⾃重，试求：（1）作轴⼒图；（2）各段柱横截⾯上的应⼒；（3）各段柱的纵向线应变；（4）柱的总变形。
解：（压）（压）2-7(2-9)⼀根直径、长的圆截⾯杆，承受轴向拉⼒，其伸长为。
试求杆横截⾯上的应⼒与材料的弹性模量E。
解：2-8(2-11)受轴向拉⼒F作⽤的箱形薄壁杆如图所⽰。
已知该杆材料的弹性常数为E，，试求C与D两点间的距离改变量。
解：横截⾯上的线应变相同因此2-9(2-12) 图⽰结构中，AB为⽔平放置的刚性杆，杆1，2，3材料相同，其弹性模量E=210GPa，已知，，，。
试求C点的⽔平位移和铅垂位移。
解：（1）受⼒图（a），。
（2）变形协调图（b）因，故=（向下）（向下）为保证，点A移⾄，由图中⼏何关系知；第三章扭转3-1 ⼀传动轴作匀速转动，转速，轴上装有五个轮⼦，主动轮Ⅱ输⼊的功率为60kW，从动轮，Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ依次输出18kW，12kW,22kW和8kW。
同济大学材料力学第四章 扭转 3学时
N马力 m 7.02 n
(kN m)
N KW m 9.55 n
(kN m)
第四章 扭转/二 外力偶矩、扭矩和扭矩图
2 求扭转内力的方法—截面法
Ⅰ
Ⅰ
3 受扭圆轴横截面上的内力—扭矩
I
Mn
I
第四章 扭转/二 外力偶矩、扭矩和扭矩图
4 扭矩的符号规定—右手螺旋法则
mI I
m
Mn
扭 矩 符 号 规 定 ：
m1
d1
m2
d2
m3
I P1 I P2
d1
A
0.8kN· m
0.8m
B
1.0m
C
32 d 2 4 236cm 4 32
25.1cm
4
AB
BC
M n1L1 0.0318rad GI P1
M n 2 L2 0.0079rad GI P 2
1.5kN· m
AC AB BC 0.0318rad 0.0079rad 0.0239rad
0
τ
τ
σmin
τ
45 0
0
σmax
第四章 扭转/三 圆轴扭转时的强度计算
3 圆轴扭转时的强度条件 为保证圆轴安全工作，要求轴内的最大工作切 应力不超过材料的许用切应力，即：
max
式中的许用扭转切应力 ,是根据扭转试验, 并考虑适当的工作安全系数确定的.
M n max WP
159.2
第四章 扭转/二 外力偶矩、扭矩和扭矩图
课堂练习 图示圆轴中，各轮上的转矩分别为mA＝4kN·m， mB＝10kN·m, mC＝6kN · m，试求1－1截面和2－2截面上的 轮 扭矩，并画扭矩图。
工程力学 第9章 杆件横截面上的切应力分析
第 9 章 弹性杆件横截面上的切应力分析
对于实心截面杆件以及某些薄壁截面杆件，当其横截面上仅有 扭矩（Mx）或剪力（FQy 或 FQz）时，与这些内力分量相对应的分布 内力，其作用面与横截面重合。这时分布内力在一点处的集度，即为 切应力。 分析与扭矩和剪力对应的切应力方法不完全相同。对于扭矩存 在的情形，依然借助于平衡、变形协调与物性关系，其过程与正应力 分析相似。对于剪力存在的情形，在一定的前提下，则仅借助于平衡 方程。 本章重点介绍圆截面杆在扭矩作用下其横截面切应力以及薄壁 杆件的弯曲切应力分析。
§ 9-1 圆轴扭转时横截面上的切应力
９－１－１ 圆轴扭转变形特征 －反对称性论证圆轴扭转时横截面保持平面 ９－１－２ 变形协调方程 ９－１－３ 物性关系－剪切胡克定律 ９－１－４ 静力学方程 ９－１－５ 圆轴扭转时横截面上的切应力表达式
§ 9-2 非圆截面杆扭转时的切应力
图 9－8 例 9－2 图
解： 1．各轴所承受的扭矩 各轴所传递的功率分别为 P1 ＝14 kw ， P 2 ＝ P3 ＝P 1 ／2＝7 kw 转速分别为 n1 ＝ 120 r／min
n 3＝n1 ×
据此，算得各轴承受的扭矩：
z1 36 ＝120 × r/min ＝360r/min z3 12
14 M x1 = M e1 = 9549 × N ⋅ m = 1114 N ⋅ m 120 7 M x2 = M e2 = 9549 × N ⋅ m = 557 N ⋅ m 120 7 M x2 = M e2 = 9549 × N ⋅ m = 185 .7 N ⋅ m 360
2．计算最大切应力 E 、H、C 轴横截面上的最大切应力分别为