机械设计强度计算

第3章 剪切和挤压的实用计算3.1 剪切的概念在工程实际中，经常遇到剪切问题。

剪切变形的主要受力特点是构件受到与其轴线相垂直的大小相等、方向相反、作用线相距很近的一对外力的作用(图3-1a)，构件的变形主要表现为沿着与外力作用线平行的剪切面(n m -面)发生相对错动(图3-1b)。

图3-1工程中的一些联接件，如键、销钉、螺栓及铆钉等，都是主要承受剪切作用的构件。

构件剪切面上的内力可用截面法求得。

将构件沿剪切面n m -假想地截开，保留一部分考虑其平衡。

例如，由左部分的平衡，可知剪切面上必有与外力平行且与横截面相切的内力Q F (图3-1c)的作用。

Q F 称为剪力，根据平衡方程∑=0Y ，可求得F F Q =。

剪切破坏时，构件将沿剪切面(如图3-la 所示的n m -面)被剪断。

只有一个剪切面的情况，称为单剪切。

图3-1a 所示情况即为单剪切。

受剪构件除了承受剪切外，往往同时伴随着挤压、弯曲和拉伸等作用。

在图3-1中没有完全给出构件所受的外力和剪切面上的全部内力，而只是给出了主要的受力和内力。

实际受力和变形比较复杂，因而对这类构件的工作应力进行理论上的精确分析是困难的。

工程中对这类构件的强度计算，一般采用在试验和经验基础上建立起来的比较简便的计算方法，称为剪切的实用计算或工程计算。

3.2 剪切和挤压的强度计算3.2.1 剪切强度计算剪切试验试件的受力情况应模拟零件的实际工作情况进行。

图3-2a 为一种剪切试验装置的简图，试件的受力情况如图3-2b 所示，这是模拟某种销钉联接的工作情形。

当载荷F 增大至破坏载荷b F 时，试件在剪切面m m -及n n -处被剪断。

这种具有两个剪切面的情况，称为双剪切。

由图3-2c 可求得剪切面上的剪力为2F F Q =图3-2由于受剪构件的变形及受力比较复杂，剪切面上的应力分布规律很难用理论方法确定，因而工程上一般采用实用计算方法来计算受剪构件的应力。

在这种计算方法中，假设应力在剪切面内是均匀分布的。

若以A 表示销钉横截面面积，则应力为AF Q =τ (3-1) τ与剪切面相切故为切应力。

以上计算是以假设“切应力在剪切面上均匀分布”为基础的，实际上它只是剪切面内的一个“平均切应力”，所以也称为名义切应力。

当F 达到b F 时的切应力称剪切极限应力，记为b τ。

对于上述剪切试验，剪切极限应力为AF b b 2=τ 将b τ除以安全系数n ，即得到许用切应力 []n bττ=这样，剪切计算的强度条件可表示为[]ττ≤=A F Q(3-2)3.2.2 挤压强度计算一般情况下，联接件在承受剪切作用的同时，在联接件与被联接件之间传递压力的接触面上还发生局部受压的现象，称为挤压。

例如，图3-2b 给出了销钉承受挤压力作用的情况，挤压力以bs F 表示。

当挤压力超过一定限度时，联接件或被联接件在挤压面附近产生明显的塑性变形，称为挤压破坏。

在有些情况下，构件在剪切破坏之前可能首先发生挤压破坏，所以需要建立挤压强度条件。

图3-2a 中销钉与被联接件的实际挤压面为半个圆柱面，其上的挤压应力也不是均匀分布的，销钉与被联接件的挤压应力的分布情况在弹性范围内如图3-3a 所示。

图3-3与上面解决抗剪强度的计算方法类同，按构件的名义挤压应力建立挤压强度条件[]bs bsbs bs A F σσ≤= (3-3) 式中bs A 为挤压面积，等于实际挤压面的投影面(直径平面)的面积，见图3-3b 。

bs σ为挤压应力，[]bs σ为许用挤压应力。

由图3-2b 可见，在销钉中部n m -段，挤压力bs F 等于F ，挤压面积bs A 等于td 2；在销钉端部两段，挤压力均为2F ，挤压面积为td 。

许用应力值通常可根据材料、联接方式和载荷情况等实际工作条件在有关设计规范中查得。

一般地，许用切应力[]τ要比同样材料的许用拉应力[]σ小，而许用挤压应力则比[]σ大。

对于塑性材料 []()[]στ8.0~6.0=[]()[]σσ5.2~5.1=bs对于脆性材料 []()[]στ0.1~8.0=[]()[]σσ5.1~9.0=bs本章所讨论的剪切与挤压的实用计算与其它章节的一般分析方法不同。

由于剪切和挤压问题的复杂性，很难得出与实际情况相符的理论分析结果，所以工程中主要是采用以实验为基础而建立起来的实用计算方法。

例3-1 图3-4中，已知钢板厚度mm 10=t ，其剪切极限应力MPa 300=b τ。

若用冲床将钢板冲出直径mm 25=d 的孔，问需要多大的冲剪力F ?图3-4解 剪切面就是钢板内被冲头冲出的圆柱体的侧面，如图3-4b 所示。

其面积为22mm 785mm 1025=⨯⨯π=π=dt A冲孔所需的冲力应为kN 236N 103001078566=⨯⨯⨯=τ≥-b A F例3-2 图3-5a 表示齿轮用平键与轴联接(图中只画出了轴与键，没有画齿轮)。

已知轴的直径mm 70=d ，键的尺寸为mm 1001220⨯⨯=⨯⨯l h b ，传递的扭转力偶矩m kN 2⋅=e T ，键的许用应力[]MPa 60=τ，[]MPa 100=σbs 。

试校核键的强度。

图3-5解 首先校核键的剪切强度。

将键沿n n -截面假想地分成两部分，并把n n -截面以下部分和轴作为一个整体来考虑(图3-5b)。

因为假设在n n -截面上的切应力均匀分布，故n n -截面上剪力Q F 为ττbl A F Q ==对轴心取矩，由平衡条件∑=0o M ，得e Q T d bl d F ==22τ 故[]ττ<=⨯⨯⨯⨯⨯==-MPa 6.28Pa 1090100201022293bld T e ， 可见该键满足剪切强度条件。

其次校核键的挤压强度。

考虑键在n n -截面以上部分的平衡(图3-5c)，在n n -截面上的剪力为τbl F Q =，右侧面上的挤压力为bs bs bs bs l h A F σσ2== 由水平方向的平衡条件得 bs Q F F = 或 bs l h bl στ2=由此求得[]bs bs h b σ<=⨯⨯=τ=σMPa 3.95MPa 126.282022 故平键也符合挤压强度要求。

例3-3 电瓶车挂钩用插销联接，如图3-6a 所示。

已知mm 8=t ，插销材料的许用切应力[]MPa 30=τ，许用挤压应力[]MPa 100=bs σ，牵引力kN 15=F 。

试选定插销的直径d 。

图3-6解 插销的受力情况如图3—6b ，可以求得kN 5.7kN 2152===F F Q 先按抗剪强度条件进行设计[]2426m 105.2m 10307500-⨯=⨯=τ≥QF A即242m 105.24-⨯≥πd mm 8.17m 0178.0=≥d再用挤压强度条件进行校核[]bs 63MPa 7.52Pa 108.178210152σσ<=⨯⨯⨯⨯===-td F A F bs bs bs 所以挤压强度条件也是足够的。

查机械设计手册，最后采用mm 20=d 的标准圆柱销钉。

例3-4 图3-7a 所示拉杆，用四个直径相同的铆钉固定在另一个板上，拉杆和铆钉的材料相同，试校核铆钉和拉杆的强度。

已知kN 80=F ，mm 80=b ，mm 10=t ，mm 16=d ，[]MPa 100=τ，[]MPa 300=bs σ，[]MPa 150=σ。

图3-7解 根据受力分析，此结构有三种破坏可能，即铆钉被剪断或产生挤压破坏，或拉杆被拉断。

(1)铆钉的抗剪强度计算当各铆钉的材料和直径均相同，且外力作用线通过铆钉组剪切面的形心时，可以假设各铆钉剪切面上的剪力相同。

所以，对于图3-7a 所示铆钉组，各铆钉剪切面上的剪力均为kN 20kN 4804===F F Q 相应的切应力为[]τ<=⨯⨯π⨯==τ-MPa 5.99101641020623Pa A F Q(2)铆钉的挤压强度计算四个铆钉受挤压力为F ，每个铆钉所受到的挤压力bs F 为kN 204==F F bs 由于挤压面为半圆柱面，则挤压面积应为其投影面积，即td A bs =故挤压应力为[]bs bs bs bs A F σσ<=⨯⨯⨯==-MPa 125Pa 101610102063(3)拉杆的强度计算其危险面为1-1截面，所受到的拉力为F ，危险截面面积为()t d b A -=1，故最大拉应力为()[]σσ<=⨯⨯-⨯==-MPa 125Pa 101016801080631A F 根据以上强度计算，铆钉和拉杆均满足强度要求。

习 题3-1 试校核图示联接销钉的抗剪强度。

已知kN 100=F ，销钉直径mm 30=d ，材料的许用切应力[]MPa 60=τ。

若强度不够，应改用多大直径的销钉？题3-1图3-2 在厚度mm 5=t 的钢板上，冲出一个形状如图所示的孔，钢板剪切极限应力MPa 3000=τ，求冲床所需的冲力F 。

题 3-2图 题3-3图3-3 冲床的最大冲力为kN 400，被剪钢板的剪切极限应力MPa 3600=τ，冲头材料的[]MPa 440=σ ，试求在最大冲力下所能冲剪的圆孔的最小直径min d 和板的最大厚度max t 。

3-4 销钉式安全联轴器所传递的扭矩需小于300m N ⋅，否则销钉应被剪断，使轴停止工作，试设计销钉直径d 。

已知轴的直径mm 30=D ，销钉的剪切极限应力MPa 3600=τ。

题 3-4图3-5 图示轴的直径mm 80=d ，键的尺寸mm 24=b ，mm 14=h 。

键的许用切应力[]MPa 40=τ，许用挤压应力[]MPa 90=σbs 。

若由轴通过键所传递的扭转力偶矩m kN 2.3⋅=e T ，试求所需键的长度l 。

题3-5图 题3-6图3-6 木榫接头如图所示。

mm 120==b a ，mm 350=h ，mm 45=c kN 40=F 。

试求接头的剪切和挤压应力。

3-7 图示凸缘联轴节传递的扭矩m kN 3⋅=e T 。

四个直径mm 12=d 的螺栓均匀地分布在mm 150=D 的圆周上。

材料的许用切应力[]MPa 90=τ，试校核螺栓的抗剪强度。

题3-7图3-8 厚度各为10mm 的两块钢板，用直径mm 20=d 的铆钉和厚度为8mm 的三块钢板联接起来，如图所示。

已知F ＝280kN ，[]MPa 100=τ，[]MPa 280=bs σ，试求所需要的铆钉数目n 。

题3-8图3-9图示螺钉受拉力F 作用。

已知材料的剪切许用应力[]τ和拉伸许用应力[]σ之间的关系为[][]στ6.0=。

试求螺钉直径d 与钉头高度h 的合理比值。

题3-9图3-10 两块钢板用7个铆钉联接如图所示。

已知钢板厚度mm 6=t ，宽度mm 200=b ，铆钉直径mm 18=d 。