Напряжение в любой точке поперечного сечения

Рассмотрим поперечное сечение круглого бруса. Под действием внешнего момента в каждой точке поперечного сечения возникают силы упругости dQ (рис. 27.2).

где τ — касательное напряжение; dA — элементарная площадка.

В силу симметрии сечения силы dQ образуют пары (см. лек­цию 26).

Элементарный момент силы dQ относительно центра круга

где ρ— расстояние от точки до центра круга.

Суммарный момент сил упругости получаем сложением (инте­грированием) элементарных моментов:

После преобразования получим формулу для определения на­пряжений в точке поперечного сечения:

При ρ = 0 τ_к = 0; касательное напряжение при кручении пропорционально расстоянию от точки до центра сечения.

Полученный интеграл J_v (лекция 25) называется полярным мо­ментом инерции сечения. J_v является геометрической характеристи­кой сечения при кручении. Она характеризует сопротивление сече­ния скручиванию.

Анализ полученной формулы для J_v показывает, что слои, рас­положенные дальше от центра, испытывают большие напряжения.

Эпюра распределения касательных напряжений при кручении (рис. 27.3)

М_к — крутящий момент в сече­нии;

рв — расстояние от точки В до центра;

тв — напряжение в точке В]

_ттах — максимальное напряже­ние.

Эпюра распределения касательных напряжений при кручении (рис. 27.3)

Из формулы для определения напряжений и эпюры распределе­ния касательных напряжений при кручении видно, что максималь­ные напряжения возникают на поверхности.

Определим максимальное напряжение, учитывая, что ρ_тах = d/2, где d — диаметр бруса круглого сечения.

Для круглого сечения полярный момент инерции рассчитывает­ся по формуле (см. лекцию 25).

Максимальное напряжение возникает на поверхности, поэтому имеем

Обычно J_P/p_max обозначают W_p и называют моментом сопро­тивления при кручении, или полярным моментом сопротивления сечения

Таким образом, для расчета максимального напряжения на поверхности круглого бруса получаем формулу

Для круглого сечения

Для кольцевого сечения

Условие прочности при кручении

Разрушение бруса при кручении происходит с поверхности, при расчете на прочность используют условие прочности

где [τ_к] — допускаемое напряжение кручения.

Виды расчетов на прочность

Существует два вида расчета на прочность.

1. Проектировочный расчет — определяется диаметр бруса (вала) в опасном сечении:

Откуда

2. Проверочный расчет — проверяется выполнение условия прочности

3. Определение нагрузочной способности (максимального крутящего момента)

Расчет на жесткость

При расчете на жесткость определяется деформация и сравни­вается с допускаемой. Рассмотрим деформацию круглого бруса над действием внешней пары сил с моментом т (рис. 27.4).

При кручении деформация оцени­вается углом закручивания (см. лекцию 26):

Здесь φ — угол закручивания; γ — угол сдвига; l — длина бруса; R — радиус; R =d/2. Откуда

Закон Гука имеет вид τ_к = G_γ. Подставим выражение для γ, получим

Откуда

Произведение GJ_P называют жесткостью сечения.

Модуль упругости можно определить как G = 0,4Е. Для стали G = 0,8 • 10⁵ МПа.

Обычно рассчитывается угол закручивания, приходящийся на один метр длины бруса (вала) φ_o.

Условие жесткости при кручении можно записать в виде

где φ_o — относительный угол закручивания, φ_о = φ/l; [φ_о] ≈ 1град/м = 0,02рад/м — допускаемый относительный угол закручивания.

Примеры решения задач

Пример 1. Из расчетов на прочность и жесткость определить потребный диаметр вала для передачи мощности 63 кВт при скорости 30 рад/с. Материал вала — сталь, допускаемое напряжение при кручении 30 МПа; допускаемый относительный угол закручивания [φ_о] = 0,02рад/м; модуль упругости при сдвиге G = 0,8 * 10⁵ МПа.

Решение

1. Определение размеров поперечного сечения из расчета на прочность.

Условие прочности при кручении:

Определяем вращающий момент из формулы мощности при вращении:

Из условия прочности определяем момент сопротивления вала при кручении

Значения подставляем в ньютонах и мм.

Определяем диаметр вала:

2. Определение размеров поперечного сечения из расчета на жесткость.

Условие жесткости при кручении:

Из условия жесткости определяем момент инерции сечения при кручении:

Определяем диаметр вала:

3. Выбор потребного диаметра вала из расчетов на прочность и жесткость.

Для обеспечения прочности и жесткости одновременно из двух найденных значений выбираем большее.

Полученное значение следует округлить, используя ряд пред­почтительных чисел. Практически округляем полученное значение так, чтобы число заканчивалось на 5 или 0. Принимаем значение d_вала = 75 мм.

Для определения диаметра вала желательно пользоваться стан­дартным рядом диаметров, приведенном в Приложении 2.

Пример 2. В поперечном сечении бруса d = 80 мм наибольшее касательное напряжение τ_тах = 40 Н/мм². Определить касательное напряжение в точке, удаленной от центра сечения на 20 мм.

Решение

Эпюра касательных напряжений в поперечном сечении представлена на рис. 2.37, б. Очевидно,

откуда

Пример 3. В точках внутреннего контура поперечного сечения трубы (d₀ = 60 мм; d = 80 мм) возникают касательные напряжения, равные 40 Н/мм². Определить максимальные касательные напряжения, возникающие в трубе.

Решение

Эпюра касательных напряжений в поперечном сечении представлена на рис. 2.37, в. Очевидно,

Откуда

Пример 4. В кольцевом поперечном сечении бруса (d₀ = 30 мм; d = 70 мм) возникает крутящий момент М_z = 3 кН-м. Вычислить касательное напряжение в точке, удаленной от центра сечения на 27 мм.

Решение

Касательное напряжение в произвольной точке поперечного сечения вычисляется по формуле

В рассматриваемом примере М_z = 3 кН-м = 3-10⁶ Н• мм,

Подставляя числовые значения, получаем

Пример 5. Стальная труба (d₀ = l00 мм; d = 120 мм) длиной l = 1,8 м закручивается моментами т, приложенными в ее торцевых сечениях. Определить ве­личину т, при которой угол закручивания φ = 0,25°. При найденном значении т вычислить максимальные касательные напряжения.

Решение

Угол закручивания (в град/м) для одного участка вычисляется по формуле

тогда

В данном случае

Подставляя числовые значения, получаем

Вычисляем максимальные касательные напряжения:

Пример 6. Для заданного бруса (рис. 2.38, а) построить эпюры крутящих моментов, максимальных каса­тельных напряжений, углов поворота поперечных сечений.

Решение

Заданный брус имеет участки I, II, III, IV, V (рис. 2. 38, а). Напомним, что границами участков являются сечения, в которых приложены внешние (скру­чивающие) моменты и места изменения размеров попереч­ного сечения.

Пользуясь соотношением

строим эпюру крутящих моментов.

Построение эпюры М_z начинаем со свободного конца бруса:

для участков III и IV

для участка V

Эпюра крутящих моментов представлена на рис, 2.38, б. Строим эпюру максимальных касательных напряжений по длине бруса. Условно приписываем τ_шах те же знаки, что и соответствующим крутящим моментам. На участке I

на участке II

на участке III

на участке IV

на участке V

Эпюра максимальных касательных напряжений пока­зана на рис. 2.38, в.

Угол поворота поперечного сечения бруса при посто­янных (в пределах каждого участка) диаметре сечения и крутящем моменте определяется по формуле

Строим эпюру углов поворота поперечных сечений. Угол поворота сечения А φ_л = 0, так как в этом сечении брус закреплен.

Эпюра углов поворота поперечных сечений изображе­на на рис. 2.38, г.

Пример 7. На шкив В ступенчатого вала (рис. 2.39, а) передается от двигателя мощность N_B = 36 кВт, шкивы А и С соответственно передают на станки мощности N_A = 15 кВт и N_C = 21 кВт. Час­тота вращения вала п = 300 об/мин. Про­верить прочность и жесткость вала, если [τ_KJ = 30 Н/мм², [Θ] = 0,3 град/м, G = 8,0-10⁴ Н/мм², d₁ = 45 мм, d₂ = 50 мм.

Решение

Вычислим внешние (скручивающие) моменты, приложенные к валу:

где

Строим эпюру крутящих моментов. При этом, двигаясь от левого конца вала, условно считаем момент, соответ­ствующий N_А, положительным, N_c — отрицательным. Эпюра M_z показана на рис. 2.39, б. Максимальные напряжения в поперечных сечениях участка АВ

что меньше [т_к] на

Относительный угол закручивания участка АВ

что значительно больше [Θ] ==0,3 град/м.

Максимальные напряжения в поперечных сечениях участка ВС

что меньше [т_к] на

Относительный угол закручивания участка ВС

что значительно больше [Θ] = 0,3 град/м.

Следовательно, прочность вала обеспечена, а жест­кость — нет.

Пример 8. От электродвигателя с помощью ремня на вал 1 передается мощность N = 20 кВт, С вала 1 по­ступает на вал 2 мощность N₁ = 15 кВт и к рабочим ма­шинам — мощности N₂ = 2 кВт и N₃ = 3 кВт. С вала 2 к рабочим машинам поступают мощности N₄ = 7 кВт, N₅ = 4 кВт, N₆ = 4 кВт (рис. 2.40, а). Определить диаметры валов d₁ и d₂ из условия прочности и жесткости, если [τ_KJ = 25 Н/мм², [Θ] = 0,25 град/м, G = 8,0-10⁴ Н/мм². Се­чения валов 1 и 2 считать по всей длине постоянными. Частота вращения вала электродвигателя п = 970 об/мин, диаметры шкивов D₁ = 200 мм, D₂ = 400 мм, D₃ = 200 мм, D₄ = 600 мм. Сколь­жением в ременной передаче пренебречь.

Решение

Нарис. 2.40, б изобра­жен вал I. На него поступает мощность N и с него снимаются мощности N_l, N₂, N₃.

Определим угло­вую скорость враще­ния вала 1 и внешние скручивающие момен­ты m, m₁, т₂, т₃:

Строим эпюру крутящих моментов для вала 1 (рис. 2.40, в). При этом, двигаясь от левого конца вала, условно считаем моменты, соответствующие N₃ и N₁, по­ложительными, а N — отрицательным. Расчетный (макси­мальный) крутящий момент N_x¹ _max = 354,5 H_*м.

Диаметр вала 1 из условия прочности

Диаметр вала 1 из условия жесткости ([Θ], рад/мм)

Окончательно принимаем с округлением до стандарт­ного значения d₁ = 58 мм.

Частота вращения вала 2

На рис. 2.40, г изображен вал 2; на вал поступает мощность N₁, а снимаются с него мощности N₄, N₅, N₆.

Вычислим внешние скручивающие моменты:

Эпюра крутящих моментов для вала 2 показана на рис. 2.40, д. Расчетный (максимальный) крутящий момент М_{я max}" = 470 H-м.

Диаметр вала 2 из условия прочности

Диаметр вала 2 из условия жесткости

Окончательно принимаем d₂=62 мм.

Пример 9. Определить из условий прочности и жесткости мощность N (рис. 2.41, а), которую может передать стальной вал диаметром d = 50 мм, если [т_к] = 35 Н/мм², [ΘJ = 0,9 град/м; G = 8,0* I0⁴ Н/мм², n = 600 об/мин.

Решение

Вычислим внешние моменты, приложенные к валу:

где

Расчетная схема вала показана на рис. 2.41, б.

На рис. 2.41, в пред­ставлена эпюра крутящих моментов. Расчетный (мак­симальный) крутящий мо­мент M_z = 9,54N. Условие прочности

откуда

Условие жесткости

откуда

Лимитирующим является условие жесткости. Следо­вательно, допускаемое значение передаваемой мощности [N] = 82,3 кВт.