材料力学课程设计---第二个.doc

材料力学课程设计五种传动轴静强度、变形及疲劳强度计算 设计者：交通学院汽车运用工程2班周宇航 44100205目录一 设计目的2 二 材料力学课程设计任务和要求2 三 设计题目3 四 设计内容3 （1）绘出传动轴的受力简图3 （2）传动轴扭矩图和弯矩图4 （3）设计等直轴的直径6 （4）设计D2轮轴处的挠度7 （5）对传动轴进行强度校核1五 程序计算14 六 改进措施17 七 设计体会18 八 参考文献18 一.设计目的：本课程设计的目的是在于系统学习完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立的计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决实际问题的目的。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的计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力，又为后继课程（零件、专业课等）打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体的有以下六项： 1. 使学生的材料力学知识系统化完整化； 2. 在全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程中的实际问题； 3. 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； 4. 综合运用以前所学习的各门课程的知识，使相关学科的只是有机的联系起来； 5. 初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法； 6. 为后续课程的教学打下基础。 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，通过计算机给出输出结果，并完成设计计算说明书。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 =80MPa,经高频淬火处理，b =650MPa,-1 =300MPa，-1 =155MPa。磨削面的表面，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. 作出扭矩图和弯矩图； 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. 对所采取数据的理论根据作必要的说明。说明：1.坐标的选取按图1所示。2.齿轮上的力F与节圆相切。3.表中P为直径为D的带轮的传递的功率，P1为直径为D1的带轮传递的功率。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1/2=3/4=2/3=1.1图一：转动轴力学图表一：设计计算数据表组数P/KWP1/KWn/(r/min)D/D1/D2/G2/NG1/Na/229.619.190070028025065030040030图二：传动轴零件图三设计内容（1）绘出传动轴的受力简图：此传动轴为弯扭组合变形，将各力分解得到上图。由力矩与功率关系式：Me=9549得，Mx=F2=9549=101.85(Nm) 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处列弯矩方程，得3F1a -G1a-Fy23a+Fcosa+G24a=0解得：Fy2=1981.40N由Y方向受力平衡得，3F1 +Fy2-Fy1-G1 G2 -Fcos2=0解得，Fy1=6072.26NX-Z平面受力分析：在x=a处列弯矩方程得，Fsina+3F24a-Fz23a=0 解得：Fz2=1029.89N由沿z方向受力平衡得，Fz1+Fsin+3F2- Fz2 =0 解得：Fz1=559.86N（2）作扭矩图和弯矩图：扭矩图：剪力图：弯矩图： （3）根据强度条件设计等直轴的直径 ：求解1判断1直径轴危险截面（1） 当x=a时，Mx=202.65 Nm,My=0,Mz=1617.0 Nm =1629.66 Nm(2) 当x=4a时,Mx=101.85 Nm,My=349.28 Nm,Mz=260 Nm=47.18 Nm所以1直径轴的危险截面在x=a处由第三强度理论，= 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判断2直径轴危险截面当x=0.5a时,Mx=202.65 Nm,My=0,Mz=808.50 Nm, =833.51 Nm当x=4.5a时, ,Mx=101.85 Nm,My=147.64 Nm,Mz=130 Nm=240.36 Nm所以2直径轴的危险截面在x=0.5a处由第三强度理论，= 即 得247.35mm,所以2=54mm符合强度条件求解1.0511.051=63 mm，所以可取62 mm或64 mm1.051直径轴危险截面在x=2.5a处,Mx=101.85 Nm,My=255.28 Nm,Mz=538.84 Nm由第三强度理论，= 即 得1.05142.55mm,所以1.051=62mm符合强度条件求解1.111.11=66 mm,1.11直径轴危险截面在x=1.5a处,Mx=202.65 Nm,My=111.97 Nm,Mz=1211.07 Nm由第三强度理论，= 即 得1.1153.95mm,所以1.11=66mm符合强度条件（4）计算D2轮处轴的挠度：X-Y平面内：（单位载荷法） 在x=2a处加向下的单位载荷，其单独作用下弯矩图为：3F1-G1单独作用下弯矩图：Fcos单独作用下弯矩图：G2单独作用下弯矩图：在X-Y平面内x=2a处的挠度为f1=（4070.66a+4070.66a+539.40a+539.40a+650a+650a） =2909.97a3在X-Z平面内：（单位载荷法）沿z轴在x=2a处加一单位载荷（沿z轴负方向），其单独作用下弯矩图为：Fsin单独作用下弯矩图：3F2单独作用下弯矩图：在X-Z平面内x=2a处的挠度为：f2=（642.83a2a+642.83a2aa+3225.30a2a+3225.302a2a） =1862.02a3综上，f=3454.71a3=3454.710.43 =1.66mm(5)对传动轴进行强度计算：由1/2=3/4=2/3=1.1得：2=56mm，3=50mm，4=46mm对传动轴进行疲劳强度校核，主要考虑轴肩和键槽处。传动轴在转动过程中，正应力为对称交变应力，r=1，切应力为脉动交变应力，r=0。与弯矩图一致，以最左边的轴中间为零点。弯矩图： x=0键槽处：max=min=0 max=6.49MPa min=0a=m=max/2=3.25MPa，查表得，K=1.62，=0.76，=1，=0.08n=21.612该截面满足疲劳要求。 x=0.5a轴肩处： max =47.24MPa，max=6.49MPa，min=0， a=m=max/2=3.25MPa=1.1，=0.036查表得，K=1.72，=0.81，=1， K=1.25， =0.76，=0.08n=2.99n=27.71n=2.972此截面满足强度要求。 x=1.5a轴肩处：max=67.19MPa，max=5.27MPa，min=0， a=m=max/2=2.64MPa，=1.1，=0.033查表得，K=1.80，=0.81，=1， K=1.26， =0.76，=0.08n=2.01，n=33.83，n=2.012此截面满足强度要求。 x=2a键槽处：max=43.05MPa，max=6.19MPa，min=0， a=m=max/2=3.09MPa，查表得，K=1.81，=0.78，=1， K=1.62， =0.74，=0.08n=3.00，n=22.06n=2.982此截面满足强度要求。 x=2.5a轴肩处： max=37.29MPa，max=6.79MPa，min=0， a=m=max/2=3.39MPa，=1.05，=0.031查表得，K=1.81，=0.78，=1， K=1.26， =0.74，=0.08n=3.47，n=25.60n=3.442此截面满足强度要求。 x=3.5a轴肩处： max=47.97MPa，max=8.24MPa，min=0， a=m=max/2=4.12MPa，=1.05，=0.033查表得，K=1.75，=0.81，=1， K=1.26， =0.76，=0.08n=2.89，n=21.64n=2.872此截面满足强度要求。 x=4.5a轴肩处： max=38.19MPa，max=10.14MPa，min=0， a=m=max/2=5.07MPa，=1.1，=0.036查表得，K=1.72，=0.81，=1， K=1.24， =0.76，=0.08n=3.70，n=17.87n=3.622此截面满足强度要求。 x=5a键槽处：max=min=0，max=10.14MPa，max=min=5.07MPa查表得，=1，K=1.62，=0.76，=0.08n=13.832此截面满足强度要求。以上八个地方不包括x=a处，虽然x=a处有最大正应力，但无应力集中，经计算也符合条件。综合以上八个地方的疲劳强度校核可知，当=1时各点满足条件，由题意知，传动轴又经高频淬火处理，则2.4，所以经高频淬火处理后各点仍然满足强度要求。四程序设计1.挠度计算：2.疲劳强度计算：#include #include #define PI 3.14 #define N 2 /* 定义疲劳安全系数n=2 */ #define a 0.4 /*定义长度a*/ double Mx(double o) /*定义扭矩函数Mx*/if(o=0&o=2*a&o=0&pa&p2*a&p=0&qa&q2*a&q=4*a)return(-1396.5125*q+944.3); else return(3225.3*q-6450.6); double D8=0.056,0.056,0.06,0.066,0.064,0.06,0.056,0.056; /*定义各个位置的直径*/ double W8; /*定义W*/ double Wp8; /*定义Wp*/ void main()int i,j; double x8; double max18,max28; /*定义最大应力*/double K18=0,1.72,1.80,1.81,1.81,1.75,1.72,0; /*定义K*/ double K28=1.62,1.25,1.26,1.62,1.26,1.26,1.24,1.62; /*定义K*/ double E18=0,0.81,0.81,0.78,0.78,0.81,0.81,0; /*定义*/ double E28=0.76,0.76,0.76,0.74,0.74,0.76,0.76,0.76; /*定义*/ double B,Y; /*两个系数*/double n1=0,n2=0,n3=0; /*定义3个安全系数*/ double m=300000000.0,n=155000000.0; /*设为两个对称疲劳极限*/B=1.0;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=2)printf(max1%d=%5.2ftmax2%d=%5.2fnn1=%5.2ftn2=%5.2ftn=%5.2fn在x=%5.1fa处截面满足疲劳要求n,i,max1i,i,max2i,n1,n2,n3,xi/a); else printf(max1%d=%5.2ftmax2%d=%5.2fnn1=%5.2ftn2=%5.2ftn=%5.2fn在x=%5.1fa处截面不满足疲劳要求n,i,max1i,i,max2i,n1,n2,n3,xi/a); 当轴的工作环境改变时，只需要确定轴在新工作环境下的所受到的扭矩、弯矩函数以及其他相应参数，在程序相应位置进行重新输入数据，就可以校核轴在新工作环境下的疲劳强度。五改进措施若有不满足疲劳强度要求，可以采取的措施：通过合理选材，改进结构和工艺，表面强化，表面防护，合理操作来提高构件的疲劳强度。就本次设计可以采取在轴肩处加大圆角r，以此减小应力集中对传动轴的影响；还可以通过增大轴径达到提高疲劳强度的目的，但要注意避免尖角。六设计体会在这次材料力学的课程设计过程中，通过对设计中每个数据的查询、计算、校核、处理，加强了对弯矩、挠度、疲劳校核等知识的练习，对于材料力学的知识在复习整理的基础上有了进一步的掌握，奠定了我的专业知识基础和独立设计的基础，为以后的学习、设计以及工作做了一次很好的预习。另外，这次课程设计中综合应用了Word、AutoCAD、C+、理论力学等一系列的软件知识以及理论知识，在实际应用的过程中提高了自己