《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》課件第5章

第5章剪切和擠壓5.1剪切

5.2擠壓思考與練習(xí)題

5.1.1剪切的概念

剪切變形是工程中常見(jiàn)的四種基本變形之一。我們常用的聯(lián)接件，如螺栓、鉚釘、鍵等，都是構(gòu)件承受剪切變形的工程實(shí)例?，F(xiàn)以鉚釘聯(lián)接為例來(lái)說(shuō)明剪切變形的概念及其受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)。5.1剪切在如圖5-1(a)所示的鉚釘聯(lián)接中，鋼板所受的外力將傳遞到鉚釘，而使鉚釘?shù)挠疑蟼?cè)面和左下側(cè)面受力(如圖5-1(b)所示)，當(dāng)力F增大時(shí)，鉚釘?shù)纳?、下兩部分有沿著m—m截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)(如圖5-1(c)所示)的趨勢(shì)，甚至將會(huì)使鉚釘被剪斷(如圖5-1(d)所示)。這種截面間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的變形稱為剪切變形。剪切的受力特點(diǎn)是：構(gòu)件受到一對(duì)大小相等，方向相反，作用線平行且相距很近的外力作用。剪切的變形特點(diǎn)是：在一對(duì)外力作用線之間的截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。

圖5-1鉚釘聯(lián)接時(shí)的受力和變形

圖5-2雙剪構(gòu)件承受剪切變形時(shí)，發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的截面(如m—m)稱為剪切面。剪切面平行于外力的作用線，且在兩個(gè)反向外力作用線之間。構(gòu)件中只有一個(gè)剪切面的剪切稱為單剪，如圖51(b)所示；構(gòu)件中有兩個(gè)剪切面的剪切稱為雙剪(如圖5-2中的m—m和n—n截面)。5.1.2剪切時(shí)的內(nèi)力、應(yīng)力和剪切強(qiáng)度條件

1.剪力

現(xiàn)運(yùn)用截面法來(lái)分析螺栓(如圖5-3(a)所示)剪切面上的內(nèi)力。假想沿螺栓剪切面m—m，將其分為上、下兩段(如圖5-3(b)所示)，任取一段為研究對(duì)象。由平衡條件可知，剪切面內(nèi)必有與外力F大小相等，方向相反的內(nèi)力存在，且內(nèi)力的作用線與外力平行，沿截面作用。這個(gè)沿截面作用的內(nèi)力稱為剪力，常用FQ表示。剪力是剪切面上分布內(nèi)力的合力。

圖5-3螺栓剪切

2.切應(yīng)力

由于剪力FQ的存在，剪切面上也必然存在切應(yīng)力τ(如圖5-3(c)所示)。切應(yīng)力在剪切面上的實(shí)際分布規(guī)律比較復(fù)雜，工程上通常采用建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的“實(shí)用計(jì)算法”。“實(shí)用計(jì)算法”假定切應(yīng)力在剪切面上是均勻分布的，由此切應(yīng)力可按下式計(jì)算：

(5-1)

式中：FQ為剪切面上的剪力，單位為N；A為剪切面面積，單位為mm2：τ為剪切應(yīng)力，單位為MPa。

3.剪切變形的強(qiáng)度條件

為了保證剪切變形構(gòu)件在工作時(shí)安全可靠，必須使構(gòu)件的工作切應(yīng)力小于或等于材料的許用切應(yīng)力，即剪切的強(qiáng)度條件為

(5-2)

式中：［τ］為材料的許用切應(yīng)力，其大小等于材料的剪切強(qiáng)度極限τb除以安全系數(shù)。剪切強(qiáng)度極限由試驗(yàn)測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)試件的受力情況與剪切變形構(gòu)件的實(shí)際情況相似。安全系數(shù)則是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并針對(duì)具體情況來(lái)確定的。雖然剪切強(qiáng)度條件是采用“實(shí)用計(jì)算法”的假定計(jì)算，但在試驗(yàn)時(shí)試件與構(gòu)件的實(shí)際承載情況相似，使得到的結(jié)果比較符合實(shí)際情況，且強(qiáng)度計(jì)算時(shí)根據(jù)安全系數(shù)又預(yù)留了一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，所以“實(shí)用計(jì)算法”是可靠的，在工程上得到廣泛的應(yīng)用。工程上常用材料的許用切應(yīng)力［τ］，可從有關(guān)手冊(cè)中查得。一般情況下，也可按下列近似的經(jīng)驗(yàn)公式確定：

塑性材料 ［τ］＝(0.6~0.8)［σl］

脆性材料 ［τ］＝(0.8~1.0)［σl］

與軸向拉伸和壓縮的強(qiáng)度計(jì)算一樣，應(yīng)用剪切強(qiáng)度條件也可以解決剪切變形的三類強(qiáng)度問(wèn)題：校核強(qiáng)度、設(shè)計(jì)截面和確定許可載荷。

5.2.1擠壓的概念

一般情況下，構(gòu)件發(fā)生剪切變形的同時(shí)，往往還伴隨著擠壓變形(如圖5-4所示)。在兩構(gòu)件傳遞壓力的接觸面上，由于局部承受較大的壓力，而出現(xiàn)壓陷、起皺等塑性變形的現(xiàn)象稱為擠壓。如圖5-4(b)所示為鉚釘和鋼板受到的擠壓。5.2擠壓

圖5-4擠壓構(gòu)件相互擠壓的接觸面稱為擠壓面。擠壓面上的壓力稱為擠壓力，常用符號(hào)Fjy表示。擠壓力與擠壓面相互垂直。

必須注意：擠壓與壓縮是兩個(gè)截然不同的概念，擠壓是發(fā)生在構(gòu)件兩個(gè)相互接觸的表面，而壓縮則是發(fā)生在整個(gè)構(gòu)件上。在擠壓面上，由擠壓力引起的應(yīng)力稱為擠壓應(yīng)力，用σjy表示。擠壓應(yīng)力在擠壓面上的分布規(guī)律也是比較復(fù)雜的，同剪切計(jì)算一樣，工程上也采用“實(shí)用計(jì)算法”，即認(rèn)為擠壓應(yīng)力在擠壓面上的分布是均勻的。故擠壓應(yīng)力為

(5-3)

式中：Fjy為擠壓力，單位為N；Ajy為擠壓面積，單位為mm2；σjy為擠壓應(yīng)力，單位為MPa。需要指出的是，若接觸面為平面，則擠壓面積為實(shí)際的接觸面積，如鍵聯(lián)接；若接觸面為半圓柱面，其擠壓應(yīng)力的分布情況如圖5-4(c)所示，最大擠壓應(yīng)力在半圓弧的中點(diǎn)處。如果用擠壓面的正投影面積作為擠壓面積(如圖5-4(d)中的陰影部分所示)來(lái)計(jì)算擠壓應(yīng)力，則其與理論分析所得的最大擠壓應(yīng)力值相近。因此，對(duì)接觸面為半圓柱面的擠壓實(shí)用計(jì)算，擠壓面積為擠壓面的正投影面積。如鉚釘、銷等圓柱形聯(lián)接件，Ajy＝td，d為圓柱形聯(lián)接件的直徑，t為它們與孔壁的接觸長(zhǎng)度。5.2.2擠壓變形的強(qiáng)度條件

在工程實(shí)際中，擠壓力過(guò)大會(huì)使構(gòu)件發(fā)生擠壓破壞，最終導(dǎo)致構(gòu)件不能正常工作。因此，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生剪切變形時(shí)，不僅要進(jìn)行剪切強(qiáng)度計(jì)算，還要進(jìn)行擠壓強(qiáng)度計(jì)算。

為了保證在工作時(shí)構(gòu)件不發(fā)生局部擠壓塑性變形，必須使構(gòu)件的工作擠壓應(yīng)力小于或等于材料的許用擠壓應(yīng)力，即擠壓的強(qiáng)度條件為

(5-4)

式中：［σjy］是材料的許用擠壓應(yīng)力，其值根據(jù)試驗(yàn)確定。使用時(shí)可從有關(guān)手冊(cè)中查取。根據(jù)試驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)，許用擠壓應(yīng)力與許用拉應(yīng)力存在著下述近似關(guān)系：

塑性材料 ［σjy］＝(1.5~2.5)［σl］

脆性材料 ［σjy］＝(0.9~1.5)［σl］

擠壓強(qiáng)度條件也可解決三類強(qiáng)度問(wèn)題：校核強(qiáng)度、設(shè)計(jì)截面和確定許可載荷。當(dāng)聯(lián)接件與被聯(lián)接件的材料不同時(shí)，應(yīng)對(duì)許用擠壓應(yīng)力低的材料進(jìn)行擠壓強(qiáng)度計(jì)算。

例5-1

兩塊鋼板用螺栓聯(lián)接(如圖5-3(a)所示)，每塊鋼板厚度t＝10mm，螺栓的許用切應(yīng)力［τ］＝80MPa，許用擠壓應(yīng)力［σjy］＝200MPa，螺栓直徑d＝18mm。求螺栓所能承受的許可載荷。

解

(1)變形分析。由圖5-3分析可知，螺栓沿m—m截面發(fā)生剪切變形，其剪切面積A＝π×d2/4；與孔壁接觸處發(fā)生擠壓變形，其擠壓面積Ajy＝td。因此，要對(duì)螺栓進(jìn)行剪切和擠壓強(qiáng)度計(jì)算。

(2)按螺栓的剪切強(qiáng)度條件確定許可載荷F1。根據(jù)式(5-2)得

因?yàn)镕1＝FQ，所以F1＝20.3kN。

(3)按螺栓的擠壓強(qiáng)度條件確定許可載荷F2。根據(jù)式(5-4)得

Fjy≤［sjy］Ajy＝［sjy］td＝200×10×18

＝36000N≈36kN

故由F2＝Fjy得F2＝36kN。

因F1<F2，故F＝F1＝20.3kN。

例5-2

某車(chē)床傳動(dòng)軸與齒輪用平鍵聯(lián)接。已知軸的直徑d＝62mm，鍵的尺寸b×h×l＝18×11×70(如圖5-5所示)，傳遞的力矩M＝2kN·m。鍵的許用切應(yīng)力［τ］＝60MPa，許用擠壓應(yīng)力［σjy］＝100MPa。試求校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度。

解

(1)外力分析。取軸和鍵整體為研究對(duì)象，其受力圖如圖5-5(a)所示。

由∑MO(F)＝0得 ，故

圖5-5平鍵連接(2)變形分析。由圖5-5(b)和圖5-5(c)可知，鍵沿m—m截面發(fā)生剪切變形，其剪切面積A＝bl；與鍵槽接觸處發(fā)生擠壓變形，其擠壓面積Ajy＝hl/2。因此，對(duì)鍵要進(jìn)行剪切和擠壓強(qiáng)度計(jì)算。

(3)校核鍵的剪切強(qiáng)度。根據(jù)式(5-2)，因FQ＝F，所以

即鍵的剪切強(qiáng)度足夠。

(4)校核鍵的擠壓強(qiáng)度。根據(jù)式(5-4)，因Fjy＝F，所以

即鍵的擠壓強(qiáng)度不足。

由上述計(jì)算得知，鍵聯(lián)接的強(qiáng)度不足。

圖5-6沖床

例5-3

如圖5-6所示，沖床的最大沖力F＝320kN，沖頭材料的許用壓應(yīng)力［σ］＝440MPa，鋼板的剪切強(qiáng)度極限τb＝360MPa。求沖床能沖剪的最小孔徑d及鋼板最大厚度t。

解

(1)確定最小孔徑。沖頭能沖剪的最小孔徑d也就是沖頭的最小直徑。保證沖頭正常工作，必須滿足沖頭的壓縮強(qiáng)度條件，即

故該沖頭能沖剪的最小孔徑為30mm。

(2)確定鋼板最大厚度δ。沖頭沖剪鋼板時(shí)，鋼板的剪切面為圓柱面，剪切面面積A＝πdt，剪力為FQ＝F。為了能沖出圓孔，必須滿足條件：τ＝FQ/A≥τb，因FQ＝F，得

F≥pdttb

則

所以，該沖頭能沖剪鋼板最大厚度為9.4mm。

5-1為什么剪切和擠壓的強(qiáng)度計(jì)算要采用“實(shí)用計(jì)算法”？

5-2擠壓與壓縮有什么不同？試分析如圖5-7所示的兩物體的變形情況及要進(jìn)行哪種強(qiáng)度計(jì)算。

5-3在拉桿和木材之間放一個(gè)金屬墊圈(如圖5-8所示)，試說(shuō)明墊圈所起的作用。思考與練習(xí)題

圖5-7圖5-8

5-4分析如圖5-9所示結(jié)構(gòu)中各零件的剪切面和擠壓面。

5-5螺栓受拉力F作用(如圖5-10所示)，其材料的許用切應(yīng)力［τ］和許用拉應(yīng)力［σl］的關(guān)系為［τ］＝0.6［σl］。試求螺栓直徑d和螺栓頭高度h的合理比例。

5-6如圖5-11所示，拖車(chē)的掛鉤靠插銷聯(lián)接，拖車(chē)的拉力F＝18kN，掛鉤厚度t＝10mm，銷的許用切應(yīng)力［τ］＝60MPa，許用擠壓應(yīng)力［σjy］＝100MPa。試確定插銷的直徑d。

圖5-9圖5-10

圖5-11

5-7參看