材料力学-课程设计

材料力学课程设计说明书设计题目：五种传动轴的静强度、变形及疲劳强度的计算序号：题号：7-6-d-15学号：姓名：指导教师：目录一，材料力学课程设计的目的…………………………3二，材料力学课程设计的任务和要求…………………41，设计计算说明书的要求…………………………42，分析讨论及说明部分的要求……………………53，程序计算部分的要求……………………………5三，设计题目……………………………………………6四，设计过程……………………………………………81，绘制传动轴的受力简图…………………………82，传动轴内力图……………………………………93，根据强度条件设计传动轴直径…………………11五，计算齿轮处轴的挠度………………………………131，y方向挠度………………………………………132，z方向挠度………………………………………14六，阶梯传动轴疲劳强度计算…………………………15七，个人感想……………………………………………22八，参考文献……………………………………………22九，附录（程序）………………………………………23一，材料力学课程设计的目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，运用材料力学的基本理论和设计方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学知识解决工程实际问题的目的。同时，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体，既从整体上掌握了基本理论和现代计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合运用，又为后续课程（机械设计、专业课等）的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下六项：⑴使所学的材料力学知识系统化、完整化。⑵在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题。⑶由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可以把材料力学知识与专业需要结合起来。⑷综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等），使相关学科的知识有机地联系起来。⑸初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。⑹为后续课程的学习打下基础。二，材料力学课程设计的任务和要求参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，列出理论依据并导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。1，设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思想、设计方法和设计结果的说明，要求书写工整，语言简练，条理清晰-、明确，表达完整。具体内容应包括：⑴设计题目的已知条件、所求及零件图。⑵画出构件的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。⑶静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求解过程。⑷画出全部内力图，并表面可能的各危险截面。⑸各危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图。⑹各危险点的主应力大小及主平面的位置。⑺选择强度理论并建立强度条件。⑻列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程及必要的说明。⑼对变形及刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力图。⑽疲劳强度计算部分要说明循环特征，σmax，σmin，r，σm，σa的计算，所查ｋ,ε，β各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久极限曲线。2，分析讨论及说明部分的要求⑴分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。⑵提出改进设计的初步方案及设想。⑶提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。3，程序计算部分的要求⑴程序框图。⑵计算机程序（含必要的说明语言及标识符说明）。⑶打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。三，设计题目传动轴的材料均为优质碳素结构钢（牌号45），许用应力[σ]=80MPa，经高频淬火处理，σb=650MPa，σ-1=300MPa，τ-1=155MPa。磨削轴的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴过度圆弧r均为2mm，疲劳安全系数n=2。要求：1.绘出传动轴的受力简图。2.做扭矩图及弯矩图。3.根据强度条件设计等直轴的直径。4.计算齿轮处轴的挠度（均按直径1的等直杆计算）。5.对阶梯传动轴进行疲劳强度计算。（若不满足，采取改进措施使其满足疲劳强度要求）。6.对所取数据的理论根据做必要的说明。说明：1)坐标的选取均按图所示。2)齿轮上的力F与节圆相切。3)表中P为直径为D的带轮传递的功率，P1为直径为D1带轮传递的功率。G1为小带轮的重量，G2为大带轮的重量。4)1为静强度条件所确定的轴径，以mm为单位，并取偶数。设3122431.11.传动轴力学简图2.传动轴零件图3设计计算数据P/kWP1/kWn/（r/min）D/mmD1/mmD2/mmG2/NG1/Nɑ/mmα(°)18.47.45001000450200100030030030四，设计过程1，绘制传动轴的受力简图根据已知条件，将轴受力情况进行简化，如下图所示：传动轴受力简图其中：F2×2D=9549P/nF1×2D1=9549P1/nFcosα×2D2=9549(P-P1)/n由上式可解得：F=2425.8NF1=628.1NF2=702.8NFcosα=2100.8NFsinα=1212.9N2，传动轴内力图（1）求A、E处支座反力i.Y轴方向：以A为矩心：Fcosα+3(3F1+G1)+4G2-5FEY=0以E为矩心:G2+2(3F1+G1)+4Fcosα-5FAY=0解得：FEY=2530.7NFAY=2754.4N利用Y轴的平衡检验，满足平衡条件。ii.Z轴方向：以A为矩心：Fsinα+12F2-5FEZ=0以E为矩心:4Fsinα+3F2-5FAZ=0解得：FEZ=1929.3NFAZ=1392N利用Z轴的平衡检验，满足平衡条件。（2）作内力图扭矩图绕Z轴弯矩图绕Y轴弯矩图合成弯矩图3，根据强度条件设计传动轴直径选用第三强度理论设计传动轴的直径：2222222133Mx1=4=（）4()=++[]W-=rMMyMzMxWpW332W综合上面两式得：2221/332()MyMzMx作2221/332()MyMzMx的图像如下：结合对应的零件图及对应的半径关系：及对应的半径关系3122431.1将半径均转化至对应的1，作图像如下：图形统计信息如下图由上图可知1的最小值为64.43，根据取整取偶的原则，取1为66mm，根据比例关系可得：1=66mm2=60mm3=55mm4=50mm五，计算齿轮处轴的挠度1，y方向挠度加单位力后轴的内力图：计算过程（图乘法）E=200GPa6441zyII此时可以利用图形互乘法求齿轮处该轴沿y轴方向的挠度112312[2(-)22342331511(-)]0.86821226yByByDyByzEyDyEyEyfMaMMaMMMaMEIMaMMMaMMaMmm，z方向挠度加单位力后轴的内力图计算过程（图乘法）E=200GPa6441zyII此时可以利用图形互乘法求齿轮处该轴沿z轴方向的挠度1125[32381111()3]0.422226zBzBzyEzBzEzfMaMMaMEIMMaMMaMmm所以：22220.860.420.96yzfffmmmm六，阶梯传动轴疲劳强度计算首先，对屈服强度极限进行说明：在进行半径设计时已保证r[]=80MPa查P23表2-1可得s=355MPa；355280srnn即阶梯传动轴满足屈服强度条件要求。1，对传动轴键槽进行疲劳强度计算i.查相关的系数：该轴键槽为端铣加工，σb=650MPa由《材料力学》P369图13-10a可查得K=1.81，由《材料力学》P369图13-10b可查得K=1.62。该轴经高频淬火处理，σb=650MPa，K=1.81由《材料力学》P370表13-4可查得=2.4。ii.疲劳强度计算由于此传动轴工作在弯扭组合交变应力状态下，因此在进行疲劳强度计算时疲劳强度条件可写成：222nnnnnn。WMMWMzy22maxmaxPxWMmax323W163PW。又有maxmin，故弯矩循环系数r=-1,循环特征为对称循环；0min，故扭矩循环系数r=0,循环特征为脉动循环。所以：max1KnmaKn1其中max1=2am参照《材料力学》P373表13-5可选取10.0。在B截面处：d=55mm0.81，0.76（P369表13-2）417.6ByMNm，826.3BzMNm，210.1BxMNm2222,max3132417.6826.356.7BByBzMMNmNmMPaWmax3116210.16.4BxPMNmMPaW则1max3005.681.8156.70.812.4MPanKMPa1155491.626.46.40.100.762.422amMPanKMPaMPa225.642nnnnnn，B截面安全。在C截面处：d=66mm0.78，0.74525.1CyMNm，1218.4CzMNm，351.4CxMNm22,max147CCyCzMMMPaW,max6.2CxCPMMPaW则1max6.6nK149.4amnK226.542nnnnnn，C截面安全。在D截面处：578.8DyMNm，795.2DzMNm，351.4DxMNm22,max158.4DDyDzMMMPaW,max316351.410.8DxDPMNmMPaW则1max5.5nK129amnK225.42nnnnnn，D截面安全。2，再对传动轴阶梯轴进行疲劳强度计算i.查相关的系数：由于σb=650MPa，166mm，260mm，355mm，450mm,1.1433221，阶梯轴过渡圆弧r均为2mm根据《材料力学》（机械工业出版社）P368页图13-9a，13-9b,13-9d可查得：（设阶梯面由左到右依次为12345）在1截面处420.0450rmmmm，1.143，所以K=1.7，K=1.39；在2截面处320.036455rmmmm，1.132，所以K=1.76，K=1.41；在3截面处220.033360rmmmm，1.121，所以K=1.80，K=1.44；在4截面处320.030366rmmmm，131.2，所以K=2.27，K=1.47；在5截面处420.0450rmmmm，1.143，所以K=1.7，K=1.39；由《材料力学》P370表13-4可查得=2.4。ii.疲劳强度计算在1截面处：450mm，传动轴的材料为优质碳素结构钢（牌号45），根据《材料力学》（机械工业出版社）P369页表13-2可查得0.84，0.78。208.8yMNm，413.2zMNm，0xMNm22max137.7yzMMMPaWmax31600xPMNmMPaW则1