wały napędowe — na przykład w silnikach i przekładniach — są poddawane obciążeniom momentowym, które powodują skręcenie lub skręcenie wału wokół jego osi. Podobne do konstrukcji pod naprężeniem lub ściśnięciem, dwie ważne właściwości mechaniczne wałów pod obciążeniem momentowym to naprężenie ścinające i odkształcenie ścinające.
stres jest odpornością materiału na przyłożoną siłę, a odkształcenie jest odkształceniem wynikającym ze stresu., Naprężenie ścinające i odkształcenie ścinające (które są spowodowane obciążeniami skrętnymi) występują, gdy siła jest przyłożona równolegle lub stycznie do obszaru. Normalne naprężenie i normalne odkształcenie (które są spowodowane naprężeniem i ściskaniem) występują, gdy siła jest przyłożona normalnie (prostopadle) do obszaru.
skręcanie, lub skręt, wywołane, gdy moment obrotowy jest przyłożony do wału powoduje rozkład naprężeń na obszarze przekroju poprzecznego wału., (Zauważ, że różni się to od obciążeń rozciągających i ściskających, które wytwarzają równomierne naprężenie na przekroju obiektu.)
moment obrotowy a Moment:
moment obrotowy to siła przyłożona w odległości, która powoduje zmianę momentu pędu., Moment jest również siłą przyłożoną na odległość, ale nie powoduje zmiany momentu pędu. Innymi słowy, moment obrotowy powoduje, że ciało obraca się wokół osi, podczas gdy obciążenie chwilowe nie powoduje obrotu.
naprężenie ścinające zależy od przyłożonego momentu obrotowego, odległości wzdłuż promienia wału i momentu biegunowego bezwładności. (Zauważ, że Moment bezwładności biegunowej jest funkcją geometrii i nie zależy od materiału wału.,)
τ = naprężenie ścinające (N/m2, Pa)
T = przyłożony moment obrotowy (Nm)
r = odległość wzdłuż promienia wału (m)
J = Moment bezwładności biegunowej (M4)
gdy naprężenia ścinające są mierzone na zewnętrznej krawędzi wału, litera „C” jest czasami używana zamiast „r”, aby wskazać, że promień jest maksymalny.,
polarny moment bezwładności (zwany drugim polarnym momentem pola) dla stałego cylindra jest podany jako:
wielkość odkształcenia ścinającego jest określona przez kąt skręcenia, odległość wzdłuż promienia wału i długość wału. Równanie dla odkształcenia ścinającego obowiązuje zarówno w zakresie sprężystości, jak i plastyczności materiału. Należy pamiętać, że napięcie ścinające i długość wału są odwrotnie proporcjonalne: im dłuższy wał, tym mniejsze napięcie ścinające.,
γ = napięcie ścinające (radiany)
r = odległość wzdłuż promienia wału (m)
θ = kąt skrętu (radiany)
L = Długość wału (m)
podobnie jak moduł sprężystości (E) dla ciała pod napięciem, wał w skręcaniu ma właściwość znaną jako moduł ścinania (zwany również modułem sprężystości w ścinaniu lub modułem sztywności). Moduł ścinania (G) to stosunek naprężenia ścinającego do odkształcenia ścinającego., Podobnie jak moduł sprężystości, moduł ścinania jest regulowany przez Prawo Hooke ' a: zależność między naprężeniem ścinającym a odkształceniem ścinającym jest proporcjonalna do proporcjonalnej granicy materiału.
lub
G = Moduł ścinania (Pa)
zauważ, że proces ulegania dla wału w skręcaniu nie jest tak prosty, jak proces ulegania dla konstrukcji w napięciu. Dzieje się tak dlatego, że ciała poddawane napięciu doświadczają stałego naprężenia w całym swoim przekroju., Dlatego plonowanie występuje jednocześnie w całym ciele.
jak opisano powyżej, dla wału w stanie skrętnym, naprężenie ścinające waha się od zera w środku wału (osi) do maksimum na powierzchni wału. Gdy powierzchnia osiągnie granicę sprężystości i zacznie ustępować, wnętrze nadal będzie wykazywać sprężystość dla dodatkowej ilości momentu obrotowego. W pewnym momencie przyłożony moment obrotowy powoduje, że wał wchodzi w obszar z tworzywa sztucznego, gdzie napięcie wzrasta, gdy moment obrotowy jest stały., Tylko wtedy, gdy moment obrotowy powoduje zachowanie w pełni plastyczne, uzyskuje się cały przekrój poprzeczny.
Feature image credit: R+W America