材料力學(xué)課程設(shè)計(jì) 五種傳動(dòng)軸

1、材料力學(xué)課程設(shè)計(jì) 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)五種傳動(dòng)軸靜強(qiáng)度、變形及疲勞強(qiáng)度計(jì)算(b)班級(jí)：11級(jí)機(jī)械城軌二班姓名：林 勝 軍 學(xué)號(hào)：20116552 指導(dǎo)老師：任小平 2013年6月目錄一.設(shè)計(jì)目的：3二.材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求3三設(shè)計(jì)題目：3四設(shè)計(jì)內(nèi)容5五程序設(shè)計(jì)20六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)23一.設(shè)計(jì)目的：本課程設(shè)計(jì)的目的是在于系統(tǒng)學(xué)習(xí)完材料力學(xué)之后，能結(jié)合工程中的實(shí)際問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法，獨(dú)立的計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合運(yùn)用材料力學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計(jì)算方法，又提高了分析

2、問題、解決問題的能力，又為后繼課程（零件、專業(yè)課等）打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)際工作能力有所提高。具體的有以下六項(xiàng)： 1. 使學(xué)生的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化完整化； 2. 在全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程中的實(shí)際問題； 3. 由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可以把材料力學(xué)知識(shí)與專業(yè)需要結(jié)合起來； 4. 綜合運(yùn)用以前所學(xué)習(xí)的各門課程的知識(shí)，使相關(guān)學(xué)科的只是有機(jī)的聯(lián)系起來； 5. 初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法； 6. 為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)二.材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 參加設(shè)計(jì)者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程全部基本理論和方法，獨(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)

3、題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡圖和內(nèi)力圖列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算程序，通過計(jì)算機(jī)給出輸出結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。三設(shè)計(jì)題目：傳動(dòng)軸的材料均為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），許用應(yīng)力 =80MPa,經(jīng)高頻淬火處理，b =650MPa,-1 =300MPa，-1 =155MPa。磨削面的表面，鍵槽均為端銑加工，階梯軸過度圓弧r均為2mm，疲勞安全系數(shù)n =2。要求：1. 繪出傳動(dòng)軸的受力簡圖；2. 作出扭矩圖和彎矩圖； 3. 根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)等直軸的直徑；4. 計(jì)算齒輪處軸的撓度（均按直徑1的等直桿計(jì)算）； 5. 對(duì)階梯傳動(dòng)軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。（若不滿足，采取改進(jìn)措施

4、使其滿足疲勞強(qiáng)度要求）； 6. 對(duì)所采取數(shù)據(jù)的理論根據(jù)作必要的說明。說明：1.坐標(biāo)的選取按圖1所示。2.齒輪上的力F與節(jié)圓相切。3.表中P為直徑為D的帶輪的傳遞的功率，P1為直徑為D1的帶輪傳遞的功率。G1為小帶輪的重量，G2為大帶輪的重量； 4. 1為靜強(qiáng)度條件所確定的軸徑，以mm為單位，并取偶數(shù)。設(shè)1/2=3/4=2/3=1.1圖一：轉(zhuǎn)動(dòng)軸力學(xué)圖表一：設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)表組數(shù)據(jù)P/KWP1/KWn/(r/min)D/D1/D2/G2/NG1/Na/°2229.619.1900770022802250665033004400330圖二：傳動(dòng)軸零件圖四設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）繪出傳動(dòng)軸的受力簡圖：此

5、傳動(dòng)軸為彎扭組合變形，將各力分解得到上圖。由力矩與功率關(guān)系式：Me=9549·得，Mx=F2·=9549·=101.85(N·m) F2=291.07NMx1= F1·=9549·=202.65 F1=1447.51NMx2=F·= Mx- Mx1=-100.80 F=-806.36NX-Y平面受力分析：在x=a處列彎矩方程，得3F1·a -G1·a-Fy2·3a+F·cos·a+G2·4a=0解得：Fy2=1981.40N由Y方向受力平衡得，3F1 +Fy2-Fy

6、1-G1 G2 -F·cos2=0解得，F(xiàn)y1=6072.26NX-Z平面受力分析：在x=a處列彎矩方程得，F(xiàn)·sin·a+3F2·4a-Fz2·3a=0 解得：Fz2=1029.89N由沿z方向受力平衡得，F(xiàn)z1+F·sin+3F2- Fz2 =0 解得：Fz1=559.86N（2）作扭矩圖和彎矩圖：扭矩圖： 繞x 軸的扭矩圖剪力圖在xoy 平面內(nèi)： y 軸方向的剪力在yoz 平面內(nèi): z 軸方向的剪力彎矩圖：在xoy 平面內(nèi)的彎矩，由Fy 在xoz 平面內(nèi)的彎矩，由Fz 產(chǎn)生:（3）根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)等直軸的直徑 ：求解1判斷1直徑

7、軸危險(xiǎn)截面(1) 當(dāng)x=a時(shí)，Mx=202.65 N·m,My=0,Mz=1617.0 N·m =1629.66 N·m(2) 當(dāng)x=4a時(shí),Mx=101.85 N·m,My=349.28 N·m,Mz=260 N·m=47.18 N·m所以1直徑軸的危險(xiǎn)截面在x=a處由第三強(qiáng)度理論，=· 即· 得159.21mm 取1=60mm求解2已知12=1.1，得2=54.55 mm,所以可能2取54 mm或56 mm判斷2直徑軸危險(xiǎn)截面當(dāng)x=0.5a時(shí),Mx=202.65 N·m,My=0,Mz=80

8、8.50 N·m, =833.51 N·m當(dāng)x=4.5a時(shí), Mx=101.85 N·m,My=147.64 N·m,Mz=130 N·m=240.36 N·m所以2直徑軸的危險(xiǎn)截面在x=0.5a處由第三強(qiáng)度理論，=· 即· 得247.35mm,所以2=54mm符合強(qiáng)度條件求解1.0511.051=63 mm，所以可取62 mm或64 mm1.051直徑軸危險(xiǎn)截面在x=2.5a處,Mx=101.85 N·m,My=255.28 N·m,Mz=538.84 N·m由第三強(qiáng)度理論，=

9、83; 即· 得1.05142.55mm,所以1.051=62mm符合強(qiáng)度條件求解1.111.11=66 mm,1.11直徑軸危險(xiǎn)截面在x=1.5a處,Mx=202.65 N·m,My=111.97 N·m,Mz=1211.07 N·m由第三強(qiáng)度理論，=· 即· 得1.1153.95mm,所以1.11=66mm符合強(qiáng)度條件（4）計(jì)算D2輪處軸的撓度：X-Y平面內(nèi)： 在x=2a處加向下的單位載荷，其單獨(dú)作用下彎矩圖為：3F1-G1單獨(dú)作用下彎矩圖：F·cos單獨(dú)作用下彎矩圖：G2單獨(dú)作用下彎矩圖：在X-Y平面內(nèi)x=2a處的撓度

10、為f1=·（·1617.01··1617.01+·1617.01·2·a-0.5·279.33·a·a-0.5·279.33·2a·a-·260a·a-·260·2a·-·260·）=·106.58=·106.58=0.8mm在X-Z平面內(nèi)：沿z軸在x=2a處加一單位載荷（沿z軸負(fù)方向），其單獨(dú)作用下彎矩圖為：F·sin單獨(dú)作用下彎矩圖：3F2單獨(dú)作用下彎矩圖：在X-

11、Z平面內(nèi)x=2a處的撓度為：f2=·（-0.5·107.51a·a-0.5·107.51·2a·a-·349.28·a·a-·349.28·2a·a-·2a··349.28·a）=·(-36.31)=·(-36.31)=0.27mm綜上，f=0.84mm(5)對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：在本題中，考慮到材料通過了高頻淬火處理，所以通過強(qiáng)化方法心部強(qiáng)度/MPa 表面質(zhì)量系數(shù)b光 軸 低應(yīng)力集中系數(shù) s K1.5高應(yīng)力集中系數(shù)

12、 K1.820 高頻淬火600800 1.51.7 1.61.7 2.42.8 801000 1.31.5 可知，b 與應(yīng)力集中的系數(shù)有關(guān)，所以通過插值法求得b ：本題中材料的b =650MPa當(dāng)K£1.5時(shí)，由線性插值得：=1.625當(dāng)K£1.820時(shí)，由線性插值得：=2.5對(duì)軸肩處進(jìn)行校核：當(dāng)x=0.5a時(shí): =1.1，=0.04，d=54mm查表知：K=1.65，=0.81，=2.5， K=1.4，=0.76，=0.08max=52.3MPa，得n=7.04max=6.56MPa，min=0，a=m=max/2得n=57.87n=6.98n=2,所以，在x=0.5a處

13、的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。當(dāng)x=1.5a時(shí): =1.1，=0.03，d=60mm查表知：K=1.85，=0.81，=2.5， K=1.45，=0.76，=0.08max=57.14MPa，得n=5.75max=4.78MPa，min=0，a=m=max/2得n=76.91n=5.73n=2,所以，在x=1.5a處的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。當(dāng)x=2.5a時(shí): =1.05，=0.03，d=62mm查表知：K=1.85，=0.78，=2.5， K=1.45，=0.74，=0.08max=25.50MPa，得n=12.40max=2.18MPa，min=0，a=m=max/2得n=164.81n=12.3

14、7n=2,所以，在x=2.5a處的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。當(dāng)x=3.5a時(shí): =1.05，=0.03，d=60mm查表知：K=1.85，=0.81，=2.5， K=1.45，=0.76，=0.08max=13.60MPa，得n=24.15max=2.18MPa，min=0，a=m=max/2得n=168.84n=23.91n=2,所以，在x=3.5a處的截面滿足要求當(dāng)x=4.5a時(shí): =1.1，=0.03，d=54mm查表知：K=1.65，=0.81，=2.5， K=1.4，=0.76，=0.08max=14.09MPa，得n=26.13max=3.30MPa，min=0，a=m=max/2得n

15、=115.15n=25.48n=2,所以，在x=4.5a處的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。對(duì)軸肩處進(jìn)行校核所需的數(shù)據(jù)：xd/mmMxMyMzKK0.5a54202.650808.501.651.40.810.762.50.081.5a60202.65111.971211.11.851.450.810.762.50.082.5a62101.85255.28538.841.851.450.780.742.50.083.5a60101.85286.612601.851.450.810.762.50.084.5a54101.85174.641301.651.40.810.762.50.082.對(duì)鍵槽處進(jìn)行校核

16、：x=0鍵槽處: d=54mm，由于此處的彎曲正應(yīng)力為，所以只需校核扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。查表得， K=1.63，=0.76，=0.08max=min=0，max=6.56MPa，n=50.40n=2所以，在x=0 處的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。x=2a鍵槽處：d=66mm,查表知：K=1.81，=0.78，=2.5， K=1.63 =74，=0.08max=29.62MPa，得n=11.32在x=2a左側(cè)：max=3.59MPa，min=0，a=m=max/2得n=89.85n=10.83n=2,所以，在x=2a左側(cè)處的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。在x=2a右側(cè)：max=1.81MPa，min=0，a=m=ma

17、x/2得n=178.21n=10.89n=2,所以，在x=2a右側(cè)處的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。x=5a鍵槽處:d=54mm，由于此處的彎曲正應(yīng)力為，所以只需校核扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。查表得， K=1.63，=0.76，=0.08max=min=0，max=3.30MPa，n=100.29n=2所以，在=5a 處的截面滿足疲勞強(qiáng)度要求。綜上，該傳動(dòng)軸各處均滿足疲勞強(qiáng)度要求。對(duì)鍵槽處進(jìn)行校核所需數(shù)據(jù)：xd/mmMxMyMzKK054202.65001.810.811.630.762.50.082a66左：202.65右：101.85805.12223.941.810.781.630.742.50.085a54

18、101.85001.810.811.630.762.50.08以上八個(gè)地方不包括x=a處，雖然x=a處有最大正應(yīng)力，但無應(yīng)力集中，經(jīng)計(jì)算也符合條件。五程序設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度計(jì)算：#include<math.h> #include<stdio.h> #define PI 3.14 #define N 2 /* 定義疲勞安全系數(shù)n=2 */ #define a 0.4 /*定義長度a*/ double Mx(double o) /*定義扭矩函數(shù)Mx*/if(o>=0&&o<2*a)return(202.65);else if(o>=2*a&

19、;&o<=5*a)return(101.85); double Mz(double p) /*定義彎矩函數(shù)Mz*/ if(p>=0&&p<=a)return(4042.53*p); else if(p>a&&p<=2*a)return(-2029.73*p+2428.90); else if(p>2*a&&p<4*a)return(-1331.40*p+1870.24); else return(650*p-1300); double My(double q) /*定義彎矩函數(shù)My*/ if(q&

20、gt;=0&&q<=2*a)return(0); else if(q>a&&q<=2*a)return(-559.86*q+223.94); else if(q>2*a&&q<=4*a)return(-156.68*q-98.59); else return(873.21*q-1746.42); double D8=0.054,0.054,0.060,0.066,0.062,0.062,0.054,0.054; /*定義各個(gè)位置的直徑*/ double W8; /*定義W*/ double Wp8; /*定義Wp*/

21、 void main()int i,j; double x8; double max18,max28; /*定義最大應(yīng)力*/double K18=1.81,1.65,1.85,1.81,1.85,1.85,1.65,1.81; /*定義K*/ double K28=1.63,1.4,1.45,1.63,1.45,1.45,1.4,1.63; /*定義K*/ double E18=0.81,0.81,0.81,0.78,0.78,0.81,0.81,0.81; /*定義*/ double E28=0.76,0.76,0.76,0.74,0.74,0.76,0.76,0.76; /*定義*/ do

22、uble B,Y; /*兩個(gè)系數(shù)*/double n1=0,n2=0,n3=0; /*定義3個(gè)安全系數(shù)*/ double m=300000000.0,n=155000000.0; /*設(shè)為兩個(gè)對(duì)稱疲勞極限*/B=2.5;Y=0.08; for(j=0,i=0;j<=10;j+) if(j=2|j=6|j=8)continue; else xi=0.5*a*j; i+;for(i=0;i<8;i+)Wi=PI*pow(Di,3)/32; Wpi=PI*pow(Di,3)/16; max1i=sqrt(Mz(xi)*Mz(xi)+My(xi)*My(xi)/Wi; max2i=Mx(xi)/Wpi; i