吉林大學(xué)材料力學(xué)課程設(shè)計-傳動軸計

1、材 料 力 學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書設(shè)計題目 五種傳動軸的靜強(qiáng)度、變形及疲勞強(qiáng)度的計算汽車工程 學(xué)院 汽車發(fā)動機(jī) 專業(yè) 420911 班設(shè)計者 李根平學(xué)號 42091117 卡號 20090107200 2011 年 10 月 18 日目錄設(shè)計目的2設(shè)計任務(wù)及要求.2設(shè)計題目3傳動軸受力簡圖5彎矩扭矩圖.6設(shè)計等軸的直徑.9計算齒輪處軸的撓度.10階梯傳動軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算12數(shù)據(jù)說明19設(shè)計感想.19附：程序計算結(jié)果截圖，計算機(jī)程序設(shè)計材料力學(xué)課程設(shè)計的目的本課程設(shè)計是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實際中的問題，運用材料力學(xué)的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達(dá)到

2、綜合運用材料力學(xué)知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計算方法及手段溶為一體，即從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；即是對以前所學(xué)知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運用，又為后續(xù)課程（機(jī)械設(shè)計、專業(yè)課等）的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計思想和設(shè)計方法，使實際工作能力有所提高。具體有以下六項：1. 使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完整化。2. 在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力學(xué)知識解決工程實際中的問題。3. 由于選題力求結(jié)合專業(yè)實際，因而課程設(shè)計可以把材料力學(xué)知識與專業(yè)需求結(jié)合起來。4. 綜合

3、運用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機(jī)地聯(lián)系起來。5. 初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法。6. 為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。材料力學(xué)課程設(shè)計的任務(wù)和要求參加設(shè)計者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設(shè)計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，理出理論依據(jù)并導(dǎo)出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機(jī)給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。一、設(shè)計計算說明書的要求 設(shè)計計算說明書是該題目設(shè)計思想、設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：1.

4、設(shè)計題目的已知條件、所求及零件圖。2.畫出構(gòu)件的受力分析計算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。3.靜不定結(jié)果要畫出所選擇的基本靜不定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求解過程。4.畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險截面。5.危險截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處的應(yīng)力狀態(tài)圖。6.各危險點的主應(yīng)力大小及主平面位置。7.選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。8.列出全部計算過程的理論根據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明。9.對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。10.疲勞強(qiáng)度計算部分要說明循環(huán)特征，r，的計算，所查k，各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強(qiáng)度校核過程及結(jié)果，并繪出構(gòu)件的持久極限曲線。

5、二、分析討論及說明部分的要求1.分析計算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。2.提出改進(jìn)設(shè)計的初步方案及設(shè)想。3.提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。三、程序計算部分的要求2.計算機(jī)程序（含必要的語言說明及標(biāo)識符說明）。3.打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計說明書上）。四、材料力學(xué)課程設(shè)計的一般過程材料力學(xué)課程設(shè)計與工程中的一般設(shè)計過程相似，從分析設(shè)計方案開始到進(jìn)行必要的計算，并對結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論。應(yīng)合理安排時間，避免前松后緊，甚至不能按時完成設(shè)計任務(wù)。材料力學(xué)課程設(shè)計可大致分為以下幾個階段：1. 設(shè)計準(zhǔn)備階段。認(rèn)真閱讀材料力學(xué)課程設(shè)計指導(dǎo)書，明確設(shè)計要求，結(jié)合設(shè)計題目復(fù)習(xí)材料

6、力學(xué)課程的有關(guān)理論知識，制定設(shè)計的步驟、方法以及時間分配方案等。2. 從外力及變形分析入手，分析計算內(nèi)力、應(yīng)力及變形，繪制各種內(nèi)力圖及位移、轉(zhuǎn)角曲線。3. 建立強(qiáng)度、剛度條件，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計計算以及必要的公式推導(dǎo)。4. 編制計算機(jī)程序并調(diào)通程序。5. 上機(jī)計算，并打印出結(jié)果。6. 整理數(shù)據(jù)結(jié)果并書寫設(shè)計計算說明書。7. 分析討論設(shè)計和計算的合理性、優(yōu)缺點，以及相應(yīng)的改進(jìn)意見和措施。設(shè)計題目傳動軸的材料均為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），許用應(yīng)力=80MPa，經(jīng)高頻淬火處理，。磨削軸的表面，鍵槽均為端銑加工，階梯軸過渡圓弧r均為2mm，疲勞安全系數(shù)n=2。要求：1. 繪出傳動軸的受力簡圖。2. 做

7、扭矩圖及彎矩圖。3. 根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計等直軸的直徑。4. 計算齒輪處軸的撓度（均按直徑的等直桿計算）。5. 對階梯傳動軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算。（若不滿足，采取改進(jìn)措施使其滿足疲勞強(qiáng)度要求）。6. 對所取數(shù)據(jù)的理論根據(jù)做必要的說明。說明：（1） 坐標(biāo)的選取均按圖所示。（2） 齒輪上的力F與節(jié)圓相切。（3） 表中P為直徑為D的帶輪傳遞的功率，為直徑為的帶輪傳遞的功率。為小帶輪的重量，為大帶輪的重量。（4） 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)設(shè)計計算數(shù)據(jù)P/kW/kWn/(r/min)D/mm/mm/mm/N/Na/mma(º)70060030075060020060080設(shè)

8、計過程1.傳動軸受力簡圖求支座反力： , ，求解得： 圖及扭矩圖XOY面各分力單獨作用：合彎矩圖：XOZ面各分力單獨作用：合彎矩圖：扭矩圖：3.設(shè)計等直軸軸的直徑根據(jù)第三強(qiáng)度理論：分析最大截面： 解得：分析B截面： 解得：分析D截面： 解得：綜上所述，取，由?。?經(jīng)校核各軸均滿足靜強(qiáng)度的要求。已知： 根據(jù)圖乘法：XOY平面：Y方向：XOZ平面：各力彎矩圖：Z方向：綜上：與XOY面得夾角為5.對階梯傳動軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算（若不滿足，采取改進(jìn)措施使其滿足疲勞強(qiáng)度）I首先對傳動軸鍵槽進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算因為該軸鍵槽為端銑加工，b=650MPa，所以根據(jù)材料力學(xué)表13-10a可查得=1.81，根據(jù)材料力學(xué)

9、13-10b可查得=1.62。因為該軸經(jīng)高頻淬火處理，b=650MPa，=1.81，所以根據(jù)材料力學(xué)表13-4可查得=2.4。由于此傳動軸工作在彎扭組合交變應(yīng)力狀態(tài)下，因此在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算時疲勞強(qiáng)度條件可寫成。，。，故彎矩循環(huán)系數(shù)r=-1,循環(huán)特征為對稱循環(huán)；，故扭矩循環(huán)系數(shù)r=0,循環(huán)特征為脈動循環(huán)。所以，。其中，。參照材料力學(xué)表13-5可選取。在B截面?zhèn)忍帲海瑐鲃虞S的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)材料力學(xué)表13-2可查得，。，則，安全。在D截面處：，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)材料力學(xué)表13-2可查得，。，則，安全。在F截面處：，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌

10、號45），根據(jù)材料力學(xué)表13-2可查得，。，則，安全。II再對傳動軸階梯軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算由于b=650MPa，,，階梯軸過渡圓弧r均為2mm，根據(jù)材料力學(xué)表13-9a，表13-9c，表13-9d，表13-9e可查得：在P截面處，所以=1.73，=1.41；在Q截面處，所以=1.75，=1.44；在V截面處，所以=1.80，=1.46；在W截面處，所以=2.17，=1.59；在P截面處：，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)材料力學(xué)表13-2可查得，。，則，安全。在Q截面處：，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)材料力學(xué)表13-2可查得，。，則，安全。在V截面處：，傳動軸的

11、材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)材料力學(xué)表13-2可查得，。，則，安全。在W截面處：，傳動軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號45），根據(jù)材料力學(xué)表13-2可查得，。，則，安全校 參 核 數(shù)點 初始應(yīng)力集中系數(shù) 尺寸系數(shù)表面質(zhì)量 系數(shù) 敏感系數(shù)直徑（mm） KKP52 Q56 V60 W52B56 D60 F52現(xiàn)將各校核截面參數(shù)整理后列表如下：各校核截面結(jié)算結(jié)果如下：校核點 max(MPa)max（MPa）nnn P0+ Q V W B D F0+本次課程設(shè)所取的數(shù)據(jù)均取于參考文獻(xiàn)。（1）聶玉琴，孟廣偉主編. 材料力學(xué)（第二版）. 北京：機(jī)械公業(yè)出版社，2008.（2）譚浩強(qiáng)主編. C程序設(shè)

12、計（第三版）. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.（3）侯洪生，焦永和主編，計算機(jī)繪圖實用教程. 北京：科學(xué)出版社，2005.7.設(shè)計感想通過此次設(shè)計，使我在知識上得以鞏固，方法上開闊了思路，為以后學(xué)習(xí)工作打下了良好的基礎(chǔ)。材料力學(xué)課程設(shè)計，建立在材料力學(xué)、c語言編程、高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)及CAD制圖等基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用，在設(shè)計中，還涉及到數(shù)據(jù)的查詢、分析、整理以及電子說明書的排版工作，都是只是理論學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的知識能力。整個設(shè)計，首先審題，分析試題類型，此題涉及受力分析、應(yīng)力分析、強(qiáng)度計算、撓度計算、強(qiáng)度校核、疲勞極限校核等等，需要熟悉運用圖乘法等常見方法；之后根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行縝密的計算，涉及參

13、數(shù)的過程采用查找材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計手冊和上網(wǎng)查詢的方法，補(bǔ)充數(shù)據(jù)；并根據(jù)設(shè)計要求，運用C語言編程，編制出計算疲勞強(qiáng)度的相應(yīng)程序，大大減小了計算量；然后，運用工程圖學(xué)和CAD，繪出設(shè)計中涉及到的圖；最后，運用Word2003將所有過程匯總整合，完整的制作出電子版的課程設(shè)計。在這次設(shè)計中，遇到了不少問題，知識的遺忘，數(shù)據(jù)的查詢等等，但通過不懈的努力都一一克服了，總之，這次課程設(shè)計讓我從整體上體會了設(shè)計的縝密性，使我受益匪淺。附：程序計算結(jié)果截圖附：程序設(shè)計：#include<math.h>#include<stdio.h>float Mmax(float My,float

14、Mz,float Mx) return(sqrt(pow(My,2)+pow(Mz,2)+pow(Mx,2);float Mw(float a,float b) return(sqrt(pow(a,2)+pow(b,2);float max2(float a,float b)return(a>b?a:b);float max3(float a,float b,float c)return(max2(max2(a,b),c);float qd(float a) /*求直徑的函數(shù)*/float e,D,ks=0.08;e=32/Pi/ks*a;D=pow(e,1.0/3);return(D)

15、;void main()float d1,d2,d3,d4;float M,M1,F,F1,F2;float Fy1,Fz1,Fy2,Fz2;float P,P1,n,D,D1,D2,G2,G1,a,Alpha;float MxA,MxB,MxC,MxD,MxE,MxF,MxP,MxQ,MxU,MxV,MxW;float MyA,MyB,MyC,MyD,MyE,MyF,MyP,MyQ,MyU,MyV,MyW;float MzA,MzB,MzC,MzD,MzE,MzF,MzP,MzQ,MzU,MzV,MzW;float MwA,MwB,MwC,MwD,MwE,MwF,MwP,MwQ,MwU,Mw

16、V,MwW;float Pa=80*pow(10,6),E=200*pow(10,9);float MmaxA,MmaxB,MmaxC,MmaxD,MmaxE,MmaxF,mmaxP,MmaxQ,MmaxU,MmaxV,MmaxW;float E1,I,t,fDy,fDz,f;long int s;int i,j,i1,j1,i2;printf("input P:_kWn"); scanf("%f",&P);printf("input P1:_kWn");scanf("%f",&P1);printf

17、("input n:_r/minn");scanf("%f",&n);printf("input D:_mmn");scanf("%f",&D);printf("input D1:_mmn");scanf("%f",&D1);printf("input D2:_mmn");scanf("%f",&D2);printf("input G2:_Nn");scanf("%f&quo

18、t;,&G2);printf("input G1:_Nn");scanf("%f",&G1);printf("input a:_mmn");scanf("%f",&a);printf("input Alpha:_degreesn");scanf("%f",&Alpha);Alpha*=Pi/180; /*單位轉(zhuǎn)換*/D/=1000;D1/=1000;D2/=1000;a/=1000;M=9549*P/n; /*求扭矩和力*/M1=9549*P1

19、/n;F=2*(M-M1)/D2;F1=2*M1/D1;F2=2*M/D;printf("M=%0.3fNm,M1=%0.3fNm,F=%0.3fN,F1=%0.3fN,F2=%0.3fNn",M,M1,F,F1,F2);Fy2=(5*(G1+3*F1)+G2+3*F*cos(Alpha)/4; /*求支座反力*/Fy1=G2+cos(Alpha)*F-Fy2+G1+3*F1;Fz2=(3*sin(Alpha)*F-3*F2)/4;Fz1=-Fz2-3*F2+sin(Alpha)*F;printf("Fy1=%0.3fN, Fz1=%0.3fN, Fy2=%0.3

20、fN, Fz2=%0.3fNnn",Fy1,Fz1,Fy2,Fz2);MxB=-M; /*各軸的扭矩*/MxD=M-M1;MxE=M1;printf("MxB=%0.3fNm,MxD=%0.3fNm,MxE=%0.3fNmn",MxB,MxD,MxE);MzB=Fy1*a; MzD=G2*a/4+cos(Alpha)*F*3*a/4-3.0/4*(G1+3*F1)*a;MzE=-(G1+3*F1)*a;MyB=Fz1*a;MyD=3.0/4*a*F*sin(Alpha)-3.0/4*F2*3*a/3;MyE=0;printf("MzB=%0.3fNm,M

21、zD=%0.3fNm,MzE=%0.3fNmn",MzB,MzD,MzE);printf("MyB=%0.3fNm,MyD=%0.3fNm,MyE=%0.3fNmnn",MyB,MyD,MyE);MzP=1.0/2*MzB;MzQ=3.0/4*MzB+1.0/4*MzD;MzC=1.0/2*MzB+1.0/2*MzD;MzU=1.0/4*MzB+3.0/4*MzD;MzV=1.0/2*MzD+1.0/2*MzE;MzW=1.0/2*MzE;MzF=0;MyP=1.0/2*MyB;MyQ=-1.0/4*MyD-3.0/4*MyB;MyC=-1.0/2*MyD-1.0

22、/2*MyB;MyU=-3.0/4*MyD-1.0/4*MyB;MyV=1.0/2*MyD;MyW=0;MyF=0;MxP=0;MxF=MxE;MxQ=MxC=MxU=MxB;MxV=MxW=MxE;printf("MzP=%0.3fNm,MzQ=%0.3fNm,MzC=%0.3fNm,MzU=%0.3fNm,nMzV=%0.3fNm,MzW=%0.3fNm,MzF=%0.3fNmnn",MzP,MzQ,MzC,MzU,MzV,MzW,MzF);printf("MyP=%0.3fNm,MyQ=%0.3fNm,MyC=%0.3fNm,MyU=%0.3fNm,nMyV

23、=%0.3fNm,MyW=%0.3fNm,MyF=%0.3fNmnn",MyP,MyQ,MyC,MyU,MyV,MyW,MyF);printf("MxP=%0.3fNm,MxQ=%0.3fNm,MxC=%0.3fNm,MxU=%0.3fNm,nMxV=%0.3fNm,MxW=%0.3fNm,MxF=%0.3fNmnn",MxP,MxQ,MxC,MxU,MxV,MxW,MxF);MmaxB=Mmax(MxB,MyB,MzB); /*求危險截面上的力矩*/MmaxD=Mmax(MxD,MyD,MzD);MmaxE=Mmax(MxE,MyE,MzE);printf(&q

24、uot;MmaxB=%0.3fNm,MmaxD=%0.3fNm,MmaxE=%0.3fNmn",MmaxB,MmaxD,MmaxE);d1=qd(MmaxE); /*設(shè)計直徑*/d2=qd(MmaxD);d3=qd(MmaxB);printf("d1=%0.3fmm,d2=%0.3fmm,d3=%0.3fmmn",d1,d2,d3);d1=max3(d1,1.1*d2,1.21*d3);printf("可以取的安全直徑為%dmmn",int(d1/2)*2+2);i=int(d1/2)*2+2;j=int(i/1.1/2)*2+2;i1=int

25、(j/1.1/2)*2+2;j1=int(i1/1.1/2)*2+2;printf("D1=%d,D2=%d,D3=%d,D4=%dnn",i,j,i1,j1);s=int(d1/2)*2+2; /*求撓度*/t=a*a*a;E1=200;I=Pi*s*s*s*s/64;fDy=(19*G2*t/24);fDy=fDy+3*t*cos(Alpha)*F/4;fDy=fDy-31*t*(G1+3*F1)/32;fDy=fDy/E1/I*1000000;printf("fDy=%0.3fmmn",fDy);fDz=(19*t*F2/8.0-3*t*F*sin

26、(Alpha)/4)*1000/E1/I*1000;printf("fDz=%0.3fmmn",fDz);f=Mmax(fDy,fDz,0);printf("f=%0.2fmmn",f); float a110,b10,c10;int num;char h;float ko,kt,bat,d,Eyz,Ex,NO;float omax,tmax,no,nt,w,n1;float o1=300,t1=155,T=0.10;char j2;NO=0;a10=MyP; /*賦值語句*/b0=MzP;c0=MxP;a11=MyB;b1=MzB;c1=MxB;a12

27、=MyQ;b2=MzQ;c2=MxQ;a13=MyD;b3=MzD;c3=MxD;a14=MyV;b4=MzV;c4=MxV;a15=MyE;b5=MzE;c5=MxE;a16=MyW;b6=MzW;c6=MxW;a17=MyF;b7=MzF;c7=MxF;for(i2=0;i2<28;i2+)scanf("%c",&h);printf("截面n");if(h='P'|h='p') num=0;ko=1.58,kt=1.33,bat=2.4,Eyz=0.88,Ex=0.81; /*賦值*/d=j1/10.0;

28、else if(h='B'|h='b') num=1;ko=1.81,kt=1.62,bat=2.4,Eyz=0.88,Ex=0.81;d=i1/10.0;else if(h='Q'|h='q') num=2;ko=1.62,kt=1.33,bat=2.4,Eyz=0.88,Ex=0.81;d=i1/10.0;else if(h='D'|h='d') num=3;ko=1.81,kt=1.62,bat=2.4,Eyz=0.84,Ex=0.78;d=j/10.0;else if(h='V'|h='v') num=4;ko=1.68,kt=1.35,bat=2.4,Eyz=0.84,Ex=0.78;d=j/10.0;else if(h=&#