§2.5 圆轴的扭转
螺丝刀、汽车传动轴、机床主轴、钻头……它们干活时都在被“拧”。被拧的轴会怎样变形?哪里最先坏?轴该做多粗、为什么做成空心?这节课一起弄明白。
🎯 学习目标(学完你能做到)
- 能认出生活和车间里哪些零件受扭转,说出扭转的受力特点和变形特点。
- 会用 M = 9550 P / n 由功率和转速算出外力偶矩,能解释“低速挡扭矩大、低速轴更粗”。
- 会用截面法求扭矩,能看懂、画出简单的扭矩图,找出最危险的一段。
- 能说出切应力分布规律:圆心为零、边缘最大、沿半径直线增大。
- 会用 τmax = MT / Wt ≤ [τ] 做校核、设计直径,并说出空心轴省料的道理。
② 知识导入:车间里的“拧”
点下面的按钮,看看 4 个常见的场景。想一想:它们都是一头使劲转、一头有阻力,中间的轴会怎样?
③ 核心知识讲解
3.1 扭转的概念
受力特点:在垂直于轴线的横截面内,作用一对大小相等、方向相反的力偶。
变形特点:各横截面绕轴线发生相对转动,轴表面的纵向直线变成螺旋线。
| 观察对象 | 扭转后看到的现象 |
|---|---|
| 圆周线(一圈圈的环线) | 形状、大小、间距都不变,只是绕轴线转了不同的角度 |
| 纵向线(沿轴的直线) | 都倾斜了同一个小角度 γ,变成螺旋线 |
| 表面小方格 | 矩形变成平行四边形(剪切变形)→ 横截面上有切应力 |
| 右端面的半径 | 转过一个角度 φ,叫扭转角,半径仍是直线 |
3.2 外力偶矩:由功率和转速算出来
车间里很少直接告诉你 M 是多少,铭牌上写的是功率 P和转速 n。用下面这个公式换算:
第 1 步 先想“推箱子”:用力 F 推着东西走了距离 s,做的功 W = F × s。
第 2 步 换成“转轮子”:在半径为 r 的轮缘上,用切向力 F 推轮子转 1 圈,力走过的路程是一圈周长 2πr:
W1圈 = F × 2πr = (F × r) × 2π = M × 2π
(F × r 就是力偶矩 M。大白话:转 1 圈,做功 = 扭矩 × 2π)
第 3 步 每分钟转 n 圈:每分钟做的功 = M × 2π × n;每秒做的功就是功率:
P = M × 2πn / 60 (P 单位 W,M 单位 N·m)
第 4 步 换成车间常用单位:铭牌上功率用 kW,1 kW = 1000 W,所以把 P 换成 1000P:
1000 × P = M × 2πn / 60
验算一下:P = 7.5 kW,n = 1440 r/min → M = 9550 × 7.5 ÷ 1440 ≈ 49.7 N·m;用推导式 M = 60 × 7500 ÷ (2π × 1440) ≈ 49.7 N·m,结果一样。
3.3 扭矩和扭矩图
扭矩 MT:轴被拧时,横截面上产生的内力,它也是一个力偶矩。大白话:轴“里面”抵抗被拧的那股劲。
在要求的地方假想“切一刀”,取一边看:
MT = 这一边所有外力偶矩的代数和
右手四指顺着扭矩的转向握住轴,拇指背离截面为正(+),指向截面为负(-)
横坐标表示截面位置,纵坐标表示扭矩,正的画在上面、负的画在下面。最高(最低)处就是最危险段
3.4 切应力分布规律(难点!)
圆轴扭转时,横截面上只有切应力 τ,没有正应力。它的分布规律记住 4 句话:
- 方向:垂直于半径,顺着扭矩的转向。
- 大小:沿半径按直线规律增大,τρ = (ρ / R) · τmax。
- 圆心处 τ = 0,边缘圆周上 τ 最大。
- 同一个圆周上各点 τ 相等。
(b) ✘ 错误:画成了“处处相等”的均匀分布——那是剪切连接件的近似,不是扭转。
(c) ✔ 正确:空心轴,内壁处不为 0,从内壁到外壁直线增大。
(d) ✘ 错误:箭头方向沿着半径,切应力必须垂直于半径。
3.5 扭转强度条件(核心公式)
| 许用切应力 [τ](经验数据) | 与许用拉应力 [R] 的关系 |
|---|---|
| 塑性材料(如低碳钢、45 钢) | [τ] = (0.5~0.6)[R] |
| 脆性材料(如铸铁) | [τ] = (0.8~1.0)[R] |
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
τmax = MTmax/Wt,看是否 ≤ [τ]
Wt ≥ MTmax/[τ]
实心:D ≥ ∛(MTmax / 0.2[τ]),再往大圆整
MTmax ≤ Wt · [τ]
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
3.6 工程中提高抗扭能力的措施
① 选用合理截面:采用空心轴,加大 Wt
圆心附近的切应力很小,那里的材料“出力少”。把它挖掉、挪到外圈,用同样多的材料,抗拧能力大好几倍;或者同样的强度,重量轻一大半。
② 合理安排受力:降低 MTmax
把输入轮放在输出轮中间,让两边扭矩接近(见 3.3 动画)。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意),可用播放条旁的按钮开关。
① 电机轴:M = 9550 × 7.5 / 1440 ≈ 49.7 N·m = 49 700 N·mm
Wt = 0.2 × 25³ = 3125 mm³
τmax = 49 700 ÷ 3125 ≈ 15.9 MPa < [τ] = 40 MPa ✔
② 低速轴:M = 9550 × 7.5 / 180 ≈ 397.9 N·m = 397 900 N·mm(是电机轴的 8 倍!)
τmax = 397 900 ÷ 3125 ≈ 127.3 MPa > 40 MPa ✘ 不行
D ≥ ∛(397 900 ÷ (0.2 × 40)) = ∛49 738 ≈ 36.8 mm → 圆整取 D = 40 mm
结论:转速降到 1/8,扭矩变成 8 倍——这就是“低速轴粗”的原因。
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① 实心轴:D ≥ ∛(MT / 0.2[τ]) = ∛(1.5×10⁶ ÷ (0.2×50)) = ∛150 000 ≈ 53.1 mm → 取 D = 54 mm
② 空心轴:D ≥ ∛(MT / (0.2[τ](1−α⁴))) = ∛(1.5×10⁶ ÷ (10 × 0.3439)) ≈ 75.8 mm → 取 D = 76 mm,d = 0.9 × 76 ≈ 68.4 mm
③ 比用料(比截面积):实心 A = 3.14 × 54²/4 ≈ 2289 mm²;空心 A = 3.14 × (76² − 68.4²)/4 ≈ 861 mm²
空心 / 实心 ≈ 0.38 —— 同样的强度,空心轴只用了约 38% 的材料,省料约 62%!
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内径 d = 90 − 2 × 2.5 = 85 mm,α = 85/90 ≈ 0.944,α⁴ ≈ 0.796
Wt = 0.2 × 90³ × (1 − 0.796) ≈ 0.2 × 729 000 × 0.204 ≈ 29 750 mm³
τmax = 1.5×10⁶ ÷ 29 750 ≈ 50.4 MPa < [τ] = 60 MPa ✔ 强度足够。
拓展:若改用同强度的实心轴,D ≥ ∛(1.5×10⁶ ÷ 12) = 50 mm,截面积约 1963 mm²,而钢管只有约 687 mm²——钢管重量只有实心轴的 35% 左右。
④ 实操技能:低碳钢与铸铁的扭转破坏试验
- 扭转试验机(带防护罩)1 台
- 低碳钢、铸铁标准扭转试样各 1 根
- 游标卡尺(0.02 mm)、记号笔、直尺
- 护目镜、防护手套、实验记录表
装夹、拆卸试样时必须停机;加载前必须关好防护罩,人站在侧面;铸铁断裂时碎块可能飞溅,必须戴护目镜;试验中严禁用手触摸转动的夹头和试样。
- 穿戴防护:戴好护目镜、手套,长发盘起,检查防护罩完好。
- 测量直径:用游标卡尺在试样标距两端和中间各量一次,取最小值作为直径 d,记入表格。
- 画线:用记号笔在试样表面画一条纵向直线和几条圆周线,方便观察变形。
- 停机装夹:在停机状态下把试样两端插入夹头,夹紧、对中。夹不紧会打滑甚至甩出伤人。
- 选量程、调零:按试样材料选好扭矩量程,扭矩表、扭转角读数调零。
- 关防护罩、缓慢加载:关好防护罩,人站侧面,按“慢速”加载,禁止猛加。
- 观察记录:看纵向线是否变成螺旋线、圆周线间距是否不变;每隔一定角度记录一次扭矩和扭转角。
- 记下最大扭矩:试样断裂时记下最大扭矩 Mb,按 τb ≈ Mb / (0.2d³) 算出抗扭强度。
- 停机取件、看断口:停机后再打开防护罩取出断件。低碳钢断口平齐、垂直于轴线;铸铁断口是约 45° 的螺旋面。
- 整理归位:试验机复位、断电,清理碎屑,填写记录表并写出两种断口的区别。
🔊 带模拟声音(电脑合成,示意):低碳钢受力时“吱嘎”声越来越紧、越来越高,断裂时一声沉闷的“嘣”并带金属余音;铸铁受力时几乎无声,断裂时突然一声清脆的“啪”,还有碎屑声。
| 项目 | 低碳钢 | 铸铁 |
|---|---|---|
| 试样直径 d(mm) | ______ | ______ |
| 抗扭截面系数 Wt = 0.2d³(mm³) | ______ | ______ |
| 最大扭矩 Mb(N·m) | ______ | ______ |
| 抗扭强度 τb = Mb/Wt(MPa) | ______ | ______ |
| 断裂前扭转角(大 / 小) | □ 大 □ 小 | □ 大 □ 小 |
| 断口形状 | □ 平齐垂直轴线 □ 45° 螺旋面 | □ 平齐垂直轴线 □ 45° 螺旋面 |
| 破坏原因 | □ 被剪断 □ 被拉断 | □ 被剪断 □ 被拉断 |
⑤ 常见误区 & 易错坑点
✔ P 用 kW,n 用 r/min,算出 M 的单位是 N·m。7.5 kW 就代 7.5,不是 7500。
✔ 先把 N·m 乘 1000 换成 N·mm,再除以 Wt(mm³),得到 MPa。
✔ 圆心处 τ = 0,边缘最大,沿半径直线增大。裂纹从表面开始。
✔ 切应力垂直于半径,顺着扭矩转向“绕圈”。
✔ 空心轴 Wt ≈ 0.2D³(1 − α⁴),α = d/D。两者不相等,别自己“发明”公式。
✔ Wt 与 D³ 成正比,直径翻倍,抗扭能力变 8 倍,应力变 1/8。
✔ 各段扭矩可能不同,要用截面法分段求,画扭矩图找 MTmax。
✔ 设计尺寸只能往大圆整(取 38 或 40 mm),往小取就不安全了。
✔ 功率相同时,低速轴扭矩大,要更粗。
⑥ 课堂小练习
选好答案后点“提交”,立刻显示对错和解析。全部离线运行。
⑦ 小结(记住这几条就够了)
- 受力特点:垂直于轴线的平面内,一对等值、反向的力偶;变形特点:横截面相对转动,纵线变螺旋线。
- 外力偶矩:M = 9550 P / n(P:kW,n:r/min,M:N·m)——转速低,扭矩大,轴要粗。
- 扭矩 MT:截面法求,右手螺旋法则定正负,画扭矩图找最大值。
- 切应力分布:垂直于半径,沿半径直线分布,圆心为 0,边缘最大。
- 强度条件:τmax = MTmax / Wt ≤ [τ];实心 Wt ≈ 0.2D³,空心 Wt ≈ 0.2D³(1−α⁴)。
- 提高抗扭能力:采用空心轴(加大 Wt);主动轮放中间(减小 MTmax)。
⑧ 拓展小知识:岗位上的应用
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