材力 五种传动轴静强度、变形及疲劳强度计算.doc

材料力学课程设计说明书 设计题目：五种传动轴静强度、变形及疲劳强度计算 （E题10号数据） 指导教师： 李锋 设计者： 王鹤鸣 学院： 交通学院 班级： 441101班 学号： 序号： 109 目录设计目的 3设计任务及要求 3设计题目 4传动轴受力简图 6扭矩图 7弯矩图 7设计等直轴的直径 8求齿轮轴的挠度 9各处疲劳强度的计算 12数据说明 18设计感想 18程序流程图 19C语言程序程序及计算结果截图 20VB执行窗口截图及程序 28一、设计目的 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计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合利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，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有一下六项：(1).使所学的材料力学知识系统化、完整化。(2).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。(3).由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可把材料力学与专业需要结合起来。(4).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。(5).初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。(6).为后续课程的教学打下基础。二、设计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，列出理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。2.1 设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思路、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：1) 设计题目的已知条件、所求及零件图。2) 画出结构的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。3) 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和过程。4) 画出全部内力图，并标明可能的各危险截面。5) 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。6) 选择强度理论并建立强度条件。7) 列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程以及必要的说明。8) 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。9) 疲劳强度计算部分要说明循环特性， ， ，r ， ， 的计算，所查，各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果。2.2、分析讨论及说明部分的要求1) 分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。2) 提出改进设计的初步方案及设想。3) 提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。2.3、程序计算部分的要求1) 计算机程序。2) 打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。设计题目传动轴的材料均为优质碳素结构钢（牌号45），需用应力，经高频淬火处理，。磨削轴的表面，键槽均为端铣加工，阶梯过度圆弧r均为2mm，疲劳安全系数。要求：1、 绘出传动轴的受力简图。2、 做出扭矩图及弯矩图。3、 根据强度条件设计等直轴的直径。4、 计算齿轮轴的挠度（均按直径的等直杆计算）。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的带轮传递的功率。G1为小带轮的重量，G2为大带轮的重量。设计计算数据：P/kWP1/kWn/(r/min)D/mmD1/mmD2/mmG2/NG1/Na/mma()19.111.070060030015060020060080传动轴受力简图：解得： 由此可得方程： y方向：z方向：可解得支座反力为： 扭矩图：弯矩图：z方向： y方向：设计等直轴轴的直径：根据第三强度理论：分别代入：且其中，则可求得：则可取，由 可算得：取：满足安全条件且能使阶梯轴过度圆弧。求齿轮轴的挠度：xoy平面：在y方向应用图乘法：可知：xoz平面：在z方向应用图乘法：可求得：各处疲劳强度的计算：由题，该传动轴的材料为碳素结构钢，经高频淬火处理且：，疲劳安全系数，则零件各部位的有效应力集中系数、尺寸系数、表面质量系数、敏感系数皆可查表得到，其中表面质量系数，敏感系数。校核B截面：由材料力学表13-10a可查得；由材料力学表13-2可查得。计算得可求： 则B截面安全。校核D截面：同上，查表可得：，计算得：可求：则D截面安全。校核F截面：查表得：，计算得：可求：则F截面安全。校核G截面：由于，查表材料力学表13-9及13-2可得计算得：可求得：则G截面安全。校核H截面：由于：查表得：计算得：可求得：则H截面安全。校核I截面：由于：查表得：计算得：可求得：则I截面安全。校核J截面：由于：查表得：计算得：可求得：则J截面安全。经整理可得表格：将所得传动轴按实际尺寸画出如下图：数据说明：本次课程设计所取得数据均来自以下文献：（1）材料力学第2版 聂玉琴 孟广伟主编，机械工业出版社 2009.1（2）材料力学实验与课程设计 聂玉琴 吴宏主编，机械工业出版社 2006.6（3）C程序设计第3版 谭浩强主编，清华大学出版社 2006设计感想通过此次的课程设计，让我充分认识到了以往所学在工程实践中的重要性。实际工程问题并不只是我们平时在书本上见到的理想化的模型，它存在很多不可忽略的影响因素，此时便需要我们用到以往所学的知识如科学计数、线性代数等数学问题；而计算过程中对冗长的公式进行多次计算和校核也并不是人力能及，若将时间浪费在重复演算公式和求值上，不仅效率低下还会造成很多人为地误差，这是便需要用计算机编辑程序来保证计算效率。完成课程设计后，我对力学、数学和C语言编程都有了新的认识，对它们的运用也更加熟练了。此次材料力学课程设计只是我们走向实际工程问题的第一步，因为在此传动轴的静强度等数据的计算中并未考虑到实际应用时时间及环境的影响，但其中的受力分析、应力分析、强度计算和挠度计算等已经达到了一定的复杂程度，虽然其工作量不及实际工程问题的计算量，但已经是我学习生涯中做过的最长的最连续的力学问题。这大大加深了我对力学的认识，也锻炼了我的耐性，成就了我的细致。作为一个工科人就一定要耐得住寂寞，这样才能做出好的工程，做出好的机械。材料力学是一门工程类基础学科，这次课程设计给我带来的经验会随着日后我对力学的应用渗透到我所有的机械类选修课及工作中，而我从设计过程中得到的启发和优秀品质则一定会对我的人生起到深远的影响。谨感谢老师的教导。程序流程图C语言程序及程序计算结果截图#include#include#define Pi 3.1415926float qd(float a,float b,float c) /求某截面所需的最小直径float d;d=(float)(pow(32*(sqrt(pow(a,2.0)+pow(b,2.0)+pow(c,2.0)/(80000000*Pi),1.0/3);return(d);float max(float a,float b)return(ab?a:b);void main()float d1,d2,d3,d4; /定义直径float Mx,Mx1,Mx2; /定义x轴扭矩float My,Mz,Mx0; /定义y、z轴弯矩float F,F1,F2;float Fy1,Fy2,Fz1,Fz2; /定义y、z轴上支座对轴的力float P,P1,n,D,D1,D2,G2,G1,a,Alp; /定义数据中已知量，其中Alp为角度float Mxa,Mxb,Mxc,Mxd,Mxe,Mxf,Mxg,Mxh,Mxi,Mxj; /定义传动轴上各点float Mya,Myb,Myc,Myd,Mye,Myf,Myg,Myh,Myi,Myj;float Mza,Mzb,Mzc,Mzd,Mze,Mzf,Mzg,Mzh,Mzi,Mzj;float fcy,fcz,fc; /定义挠度float I,maxd,a3;int v; /控制是否进行校核的系数char b,c,d,e,g,h,i,j; /用于选择校核哪一处强度的变量char u,w;float d0,o,p,q,r,s,t,k,l,m,z,N; /d0是直径，o,p为有效应力集中系数，q为表面质量系数，r,s为尺寸系数，t为敏感系数，k是最大正应力，l是最大切应力，m,z为构件工作安全因数printf(input P(kW):);scanf(%f,&P);printf(input P1(kW):);scanf(%f,&P1);printf(input n(r/min):);scanf(%f,&n);printf(input D(mm):);scanf(%f,&D);printf(input D1(mm):);scanf(%f,&D1);printf(input D2(mm):);scanf(%f,&D2);printf(input G2(N):);scanf(%f,&G2);printf(input G1(N):);scanf(%f,&G1);printf(input a(mm):);scanf(%f,&a);printf(input Alp(degrees):);scanf(%f,&Alp);D=D/1000; /将长度单位转换为mD1=D1/1000;D2=D2/1000;a=a/1000;Alp=(float)(Alp*Pi/180);Mx=9549*P/n; /求x轴扭矩及F、F1、F2F2=Mx*2/D;Mx1=9549*P1/n;F1=Mx1*2/D1;Mx2=Mx-Mx1;F=Mx2*2/D2;printf(nMx=%0.3fNm,F=%0.3fN,F1=%0.3fN,F2=%0.3fNnn,Mx,F,F1,F2);Fy1=(float)(G2*3-(3*F1+G1)+cos(Alp)*F)/4; /求y轴支座反力Fy2=(float)(G2+cos(Alp)*F*3+(3*F1+G1)*5)/4;printf(Fy1=%0.3fN,Fy2=%0.3fNn,Fy1,Fy2);Fz1=(float)(sin(Alp)*F-3*3*F2)/4; /求z轴支座反力Fz2=(float)(sin(Alp)*F*3-3*F2)/4;printf(Fz1=%0.3f,Fz2=%0.3fnn,Fz1,Fz2);Mxb=-Mx; /求x轴上扭矩Mxd=-Mx;Mxe=-Mx1;Mzb=Fy1*a;Mzd=Mzb+(Fy1-G2)*2*a;Mze=Mzd+(float)(Fy1-G2-cos(Alp)*F)*a;Myb=Fz1*a;Myd=Myb+(float)(3*F2+Fz1)*2*a;Mye=Myd+(float)(3*F2+Fz1-sin(Alp)*F)*a;printf(Mxb=%0.3fNm,Mxd=%0.3fNm,Mxe=%0.3fNmnMyb=%0.3fNm,Myd=%0.3fNm,Mye=%0.3fNmnMzb=%0.3fNm,Mzd=%0.3fNm,Mze=%0.3fNmnn,Mxb,Mxd,Mxe,Myb,Myd,Mye,Mzb,Mzd,Mze);Mzf=0;Mzg=Mzb/2; /求其余各点弯矩Mzh=Mzb+(Mzd-Mzb)/4;Mzi=Mzd+(Mze-Mzd)/2;Mzj=Mze/2;printf(Mzf=%0.3fNm,Mzg=%0.3fNm,Mzh=%0.3fNm,Mzi=%0.3fNm,Mzj=%0.3fNmn,Mzf,Mzg,Mzh,Mzi,Mzj);Myf=0;Myg=Myb/2;Myh=(float)(Myb-Myd)*3.0/4+Myd);Myi=Myd/2;Myj=0;printf(Myf=%0.3fNm,Myg=%0.3fNm,Myh=%0.3fNm,Myi=%0.3fNm,Myj=%0.3fNmn,Myf,Myg,Myh,Myi,Myj);Mxf=-Mx1;Mxg=0; /求其余各点扭矩Mxh=Mxb;Mxi=Mxe;Mxj=Mxe;printf(Mxf=%0.3fNm,Mxg=%0.3fNm,Mxh=%0.3fNm,Mxi=%0.3fNm,Mxj=%0.3fNmnn,Mxf,Mxg,Mxh,Mxi,Mxj);d1=qd(Mxe,Mye,Mze); /求各截面最小直径d2=qd(Mxd,Myd,Mzd);d3=qd(Mxb,Myb,Mzb);printf(d1=%0.3fmm,d2=%0.3fmm,d3=%0.3fmmn,d1*1000,d2*1000,d3*1000);printf(d2*1.1=%0.3fmm,d3*1.1*1.1=%0.3fmmn,d2*1.1*1000,d3*1.21*1000); /求出d1的最小值printf(input d1(mm):); /输入d1值scanf(%f,&d1);d1=d1/1000;d2=(float)(d1/1.1);d3=(float)(d2/1.1);d4=(float)(d3/1.1);printf(d1=%0.3fmm,d2=%0.3fmm,d3=%0.3fmm,d4=%0.3fmmn,d1*1000,d2*1000,d3*1000,d4*1000);printf(please define the d1,d2,d3,d4(mm):);scanf(%f%f%f%f,&d1,&d2,&d3,&d4);d1=d1/1000; /确定四个直径d2=d2/1000;d3=d3/1000;d4=d4/1000;I=(float)(Pi*pow(d1,4)/64);a3=a*a*a;fcy=(float)(7.0/12*G2*a3)+(3.0/4*F*cos(Alp)*a3)-(7.0/8*(G1+3*F1)*a3)/I/210/1000/1000/1000);fcz=(float)(-7.0/4*F2*a3+3.0/4*F*sin(Alp)*a3)/I/210/1000/1000/1000);fc=(float)sqrt(pow(fcy,2)+pow(fcz,2);printf(nfcy=%0.3fmm,fcz=%0.3fmm,fc=%0.3fmmn,fcy*1000,fcz*1000,fc*1000);printf(check the safety:n);v=1;q=2.4f;t=0.10f;while(v=1)printf(input the place you want to check:);fflush(stdin);scanf(%c,&u);if(u=B|u=b) /bo=1.81f;p=1.62f;r=0.81f;s=0.76f;Mx0=Mxb;My=Myb;Mz=Mzb;d0=d3;elseif(u=D|u=d) /do=1.81f;p=1.62f;r=0.81f;s=0.76f;Mx0=Mxd;My=Myd;Mz=Mzd;d0=d2;elseif(u=F|u=f) /fo=1.81f;p=1.62f;r=0.84f;s=0.78f;Mx0=Mxf;My=Myf;Mz=Mzf;d0=d4;elseif(u=G|u=g) /go=1.94f;p=1.35f;r=0.84f;s=0.78f;Mx0=Mxg;My=Myg;Mz=Mzg;d0=d4;elseif(u=H|u=h) /ho=1.73f;p=1.38f;r=0.81f;s=0.76f;Mx0=Mxh;My=Myh;Mz=Mzh;d0=d3;elseif(u=I|u=i) /io=2.14f;p=1.43f;r=0.81f;s=0.76f;Mx0=Mxi;My=Myi;Mz=Mzi;d0=d2;elseif(u=J|u=j) /jo=2.12f;p=1.53f;r=0.84f;s=0.78f;Mx0=Mxj;My=Myj;Mz=Mzj;d0=d4;elseprintf(Its wrong.n);k=(float)(32/Pi/pow(d0,3)*sqrt(pow(My,2)+pow(Mz,2);l=(float)fabs(16/Pi/pow(d0,3)*Mx0);m=(float)(300*1000*1000/(o*k/r/q);z=(float)(155*1000*1000/(p*l/2/s/q+t*l/2);N=(float)(m*z)/sqrt(pow(m,2)+pow(z,2);if(k=0)N=z;printf(N=%0.3fn,N);printf(k=%0.3fMPa,l=%0.3fMPa,m=infinity,z=%0.3fn,k/1000/1000,l/1000/1000,z);elseif(l=0)N=m;printf(N=%0.3fn,N);printf(k=%0.3fMPa,l=%0.3fMPa,m=%0.3f,z=infinityn,k/1000/1000,l/1000/1000,m);elseprintf(N=%0.3fn,N);printf(k=%0.3fMPa,l=%0.3fMPa,m=%0.3f,z=%0.3fn,k/1000/1000,l/1000/1000,m,z);if(N2.0)printf(Its safe.);v=1;elseprintf(Its not safe.);v=0;printf(continue to check or notY/N);fflush(stdin);scanf(%c,&w);if(w=Y|w=y)v=1;elsev=0;printf(nEnd.);VB执行窗口截图及程序Module1：Public P As SinglePublic Alp As SinglePublic P1 As SinglePublic n As SinglePublic D As SinglePublic d01 As SinglePublic d02 As SinglePublic G2 As SinglePublic G1 As SinglePublic a As SinglePublic d1 As Single, d2 As Single, d3 As Single, d4 As SinglePublic Mx As Single, Mx1 As Single, Mx2 As SinglePublic My As Single, Mz As Single, Mx0 As SinglePublic F As Single, F1 As Single, F2 As SinglePublic Fy1 As Single, Fy2 As Single, Fz1 As Single, Fz2 As SinglePublic Mxa As Single, Mxb As Single, Mxc As Single, Mxd As Single, Mxe As Single, Mxf As Single, Mxg As Single, Mxh As Single, Mxi As Single, Mxj As SinglePublic Mya As Single, Myb As Single, Myc As Single, Myd As Single, Mye As Single, Myf As Single, Myg As Single, Myh As Single, Myi As Single, Myj As SinglePublic Mza As Single, Mzb As Single, Mzc As Single, Mzd As Single, Mze As Single, Mzf As Single, Mzg As Single, Mzh As Single, Mzi As Single, Mzj As SinglePublic fcy As Single, fcz As Single, fc As SinglePublic I As SingleForm1:Private Sub Command1_Click()Const Pi = 3.141593P = Val(Text1.Text)Alp = Val(Text10.Text)P1 = Val(Text2.Text)n = Val(Text3.Text)D = Val(Text4.Text)d01 = Val(Text5.Text)d02 = Val(Text6.Text)G2 = Val(Text7.Text)G1 = Val(Text8.Text)a = Val(Text9.Text)D = D / 1000d01 = d01 / 1000d02 = d02 / 1000a = a / 1000Alp = Alp * Pi / 180Mx = 9549 * P / nF2 = Mx * 2 / DMx1 = 9549 * P1 / nF1 = Mx1 * 2 / d01Mx2 = Mx - Mx1F = Mx2 * 2 / d02Text11.Text = Mx1Text12.Text = FText13.Text = F1Text14.Text = F2Fy1 = (G2 * 3 - (3 * F1 + G1) + Cos(Alp) * F) / 4Fy2 = (G2 + Cos(Alp) * F * 3 + (3 * F1 + G1) * 5) / 4Fz1 = (Sin(Alp) * F - 3 * 3 * F2) / 4Fz2 = (Sin(Alp) * F * 3 - 3 * F2) / 4Text15.Text = Fy1Text16.Text = Fy2Text17.Text = Fz1Text18.Text = Fz2End SubPrivate Sub Command2_Click()Const Pi = 3.141593Mxb = -MxMyb = Fz1 * aMzb = Fy1 * aText19.Text = MxbText20.Text = MybText21.Text = MzbMxd = -MxMyd = Myb + (3 * F2 + Fz1) * 2 * aMzd = Mzb + (Fy1 - G2) * 2 * aText22.Text = MxdText23.Text = MydText24.Text = MzdMxe = -Mx1Mye = Myd + (3 * F2 + Fz1 - Sin(Alp) * F) * aMze = Mzd + (Fy1 - G2 - Cos(Alp) * F) * aText25.Text = MxeText26.Text = MyeText27.Text = MzeMxf = -Mx1Myf = 0Mzf = 0Text28.Text = MxfText29.Text = MyfText30.Text = MzfMxg = 0Myg = Myb / 2Mzg = Mzb / 2Text31.Text = MxgText32.Text = MygText33.Text = MzgMxh = MxbMyh = (Myb - Myd) * 3# / 4 + Myd)Mzh = Mzb + (Mzd - Mzb) / 4Text34.Text = MxhText35.Text = MyhText36.Text = MzhMxi = MxeMyi = Myd / 2Mzi = Mzd + (Mze - Mzd) / 2Text37.Text = MxiText38.Tex