kraftöverföringsaxlar — på motorer och växellådor, till exempel — utsätts för vridmomentbelastningar som resulterar i vridning eller vridning av axeln om dess axel. Liknande strukturer under spänning eller kompression är två viktiga mekaniska egenskaper hos axlar under vridmomentbelastningar skjuvspänning och skjuvstam.
Stress är ett materials motstånd mot en applicerad kraft, och stammen är deformationen som härrör från stress., Skjuvspänning och skjuvstam (som orsakas torsionella belastningar) uppstår när en kraft appliceras parallellt eller tangent till ett område. Normal stress och normal belastning (som orsakas av spänning och kompression) uppstår när en kraft appliceras normalt (vinkelrätt) mot ett område.
vridningen, eller vridningen, inducerad när vridmoment appliceras på en axel orsakar en fördelning av stress över axelns tvärsnittsarea., (Observera att detta skiljer sig från drag-och tryckbelastningar, vilket ger en jämn stress över objektets tvärsnitt.)
vridmoment vs Moment:
vridmoment appliceras på ett avstånd som orsakar en förändring i vinkelmoment., Ett ögonblick är också en kraft som appliceras på avstånd, men det orsakar inte en förändring i vinkelmomentet. Med andra ord orsakar vridmoment en kropp att rotera om en axel, medan en momentbelastning inte orsakar rotation.
skjuvspänning beror på det applicerade vridmomentet, avståndet längs axelns radie och det polära tröghetsmomentet. (Observera att polärt tröghetsmoment är en funktion av geometri och inte beror på axelmaterialet.,
τ = skjuvspänning (N/m2, Pa)
t = tillämpat vridmoment (Nm)
r = avstånd längs axelns radie (m)
j=Polar moment of Inertia (M4)
när skjuvspänning mäts vid axelns ytterkant används bokstaven ”C” ibland i stället för ” R ” för att indikera att radien är högst.,
tröghetens polära ögonblick (aka andra polära ögonblick) för en fast cylinder ges som:
mängden skjuvstam bestäms av vridningsvinkeln, avståndet längs axelns radie och axelns längd. Ekvationen för skjuvstam är giltig i både materialets elastiska och plastområden. Det är viktigt att notera att skjuvstammen och axellängden är omvänt proportionella: ju längre axeln desto lägre skjuvstammen.,
γ = skjuvstam (radianer)
r = avstånd längs axelns radie (m)
θ = vridningsvinkel (radianer)
l = axelns längd (m)
liknar elasticitetsmodulen (E) för en kropp under spänning, en axel i vridning har en egenskap som kallas skjuvmodulen (även kallad elasticitetsmodulen i skjuvning eller styvhetsmodulen). Skjuvmodulen (G) är förhållandet mellan skjuvspänning och skjuvstam., Liksom elasticitetsmodulen styrs skjuvmodulen av Hookes lag: förhållandet mellan skjuvspänning och skjuvstam är proportionellt upp till materialets proportionella gräns.
eller
g = shear modulus (Pa)
Observera att processen med att yelding för en axel i vridning inte är lika enkel som processen att ge efter för en struktur i spänning. Detta beror på att kroppar som utsätts för spänning upplever en konstant stress över hela tvärsnittet., Därför sker avkastningen samtidigt över hela kroppen.
såsom beskrivits ovan, för en axel i vridning varierar skjuvspänningen från noll vid axelns mitt (axeln) till maximalt vid axelns yta. När ytan når den elastiska gränsen och börjar ge, kommer interiören fortfarande att uppvisa elastiskt beteende för ytterligare en viss mängd vridmoment. Vid något tillfälle orsakar det applicerade vridmomentet att axeln går in i sitt plastregion, där stammen ökar medan vridmomentet är konstant., Endast när vridmomentet orsakar helt plastbeteende gör hela tvärsnittsutbytet.
Feature image credit: R + W America