五種傳動軸強度、變形及疲勞強度計算

1、 PAGE - 24 -材料力學(xué) 課程設(shè)計PAGE PAGE - 24 - 課 程 設(shè) 計 說 明 書 材料力學(xué)課程設(shè)計設(shè)計題目： 五種傳動軸強度、變形及疲勞強度計算指導(dǎo)教師：設(shè)計者：學(xué)號：院系：機械科學(xué)與工學(xué)院專業(yè)：機械工程及自動化序號：69題號：7.6 （圖7-10 e）數(shù)據(jù)號：6 2012.10.13目錄設(shè)計目的2設(shè)計任務(wù)及要求.3設(shè)計題目 5傳動軸受力簡圖7彎矩扭矩圖.9設(shè)計等軸的直徑.13計算齒輪處軸的撓度.14階梯傳動軸進行疲勞強度計算16數(shù)據(jù)說明20設(shè)計感想.21上機程序及計算結(jié)果截圖22一、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

2、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、計算機和材料力學(xué)等）的綜合運用，又為后續(xù)課程（機械設(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：使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完整化。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。由于選題力求結(jié)合專業(yè)實際，因而課程設(shè)計

3、可以把材料力學(xué)知識與專業(yè)需求結(jié)合起來。綜合運用以前所學(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、計算機等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機地聯(lián)系起來。初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法。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，通過計算機給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。1、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

4、確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：（1）.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）.選擇強度理論并建立強度條件。（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）.疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特征，r，的計算

5、，所查k，各系數(shù)的依據(jù)，疲勞強度校核過程及結(jié)果，并繪出構(gòu)件的持久極限曲線。2、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、改進措施。（2）.提出改進設(shè)計的初步方案及設(shè)想。（3）.提高強度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。3、程序計算部分的要求（1）.程序框圖（2）.計算機程序（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）。4、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)計方案開始到進行必要的計算，并對結(jié)構(gòu)的合理性進行分析，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

6、可大致分為以下幾個階段：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。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。建立強度、剛度條件，并進行相應(yīng)的設(shè)計計算以及必要的公式推導(dǎo)。編制計算機程序并調(diào)通程序。上機計算，并打印出結(jié)果。整理數(shù)據(jù)結(jié)果并書寫設(shè)計計算說明書。分析討論設(shè)計和計算的合理性、優(yōu)缺點，以及相應(yīng)的改進意見和措施。三、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

7、為2mm，疲勞安全系數(shù)n=2。要求：繪出傳動軸的受力簡圖。做扭矩圖及彎矩圖。根據(jù)強度條件設(shè)計等直軸的直徑。計算齒輪處軸的撓度（均按直徑的等直桿計算）。對階梯傳動軸進行疲勞強度計算。（若不滿足，采取改進措施使其滿足疲勞強度要求）。對所取數(shù)據(jù)的理論根據(jù)做必要的說明。說明：坐標(biāo)的選取均按圖所示。齒輪上的力F與節(jié)圓相切。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。為靜強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()14.05.1450750350220750400300

8、25設(shè)計過程1.傳動軸受力 求支座反力方程： , ，求解得： F=1717.3 N F1=618.3 N F2=792.3 N Fy1=385.2 N Fz1=-1602.3 N Fy2=4165.3 N Fz2=-53.3 N Me1=297.1 N*m Me2=188.9 N*m Me3=108.2 N*m 2.彎矩圖及扭矩圖XOY面：G2單獨作用：F.cos a單獨作用G1+3F1單獨作用：合彎矩圖：XOZ面：3F2單獨作用：F.sin a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)第三強度理論：分析最大截面B：Mz.b=1634.2 N*m My.b=480.7 N*m Mx

9、.b=297 N*m 解得：60.4mm 由于取偶數(shù)，故取1=62mm ，則2=56mm 3=52mm 4=46mm 經(jīng)校核各軸均滿足靜強度的要求。4.求齒輪軸的撓度根據(jù)圖乘法：XOY平面：XOZ平面： 取 E=200 GPa 可得撓度：fy=0.41mm fz=0.20mm則 f=(fy+fz)=0.5mm5.對階梯傳動軸進行疲勞強度計算（若不滿足，采取改進措施使其滿足疲勞強度）I首先對傳動軸鍵槽進行疲勞強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)13-10b可查得的值。因為該軸經(jīng)高頻淬火處理，b=650MPa，=1.81，所

10、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，因此在進行疲勞強度計算時疲勞強度條件可寫成 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT ， = 5 * GB3 * MERGEFORMAT ，。，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?=51mm，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，。根據(jù)公式 得：n=5.924 n=18.700 n=5.6472 ，故安全。同理對D、F截面進行校核均安全，數(shù)據(jù)見下表。II對傳動

11、軸階梯軸進行疲勞強度計算由于b=650MPa,1=62mm ，2=56mm，3=52mm，4=46mm，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及r/D的值可查得：在P截面處，所以=1.65，=1.37；，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，。根據(jù)公式可得：n=11.804 n=11.804 n=2 故安全。同理可得Q、V、W截面處校核均安全，數(shù)據(jù)見下表。各校核截面參數(shù)及計算結(jié)果如下兩表：校核點 max(MPa)max（MPa）nnn P33.973011.80411.804+ Q44.15117.762

12、7.72510.0596.127 V35.8184.9849.30434.9648.991 W46.5097.4396.04822.1975.836 B59.09517.7625.4528.8314.639 D9.4118.69734.23818.03615.957 F07.43944.64644.646+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） KKP1.651.370.840.782.40.1046 Q1.711.400.810.762.40.1051 V1.751.440.810.762.40.1056 W2.151.570.840.782.40.

13、1046B1.811.620.810.762.40.1051 D1.811.620.810.762.40.1056 F1.811.620.840.782.40.1046提高疲勞強度的主要措施：一、提高構(gòu)件表面質(zhì)量 一般情況下，應(yīng)力集中大多發(fā)生在構(gòu)件的表面層。而構(gòu)件表面的刀痕或損傷又將引起應(yīng)力集中，容易形成疲勞失效。所以，提高構(gòu)件表面加工質(zhì)量對提高構(gòu)件的疲勞極限有顯著的作用。尤其是高強度鋼對表面粗糙度更為敏感，只有采用精加工方法，才能有利于發(fā)揮材料的高強度性能。在使用中也要注意，盡量避免構(gòu)件表面受到機械碰傷（如刀痕、打記號）和化學(xué)損傷（如腐蝕、氧化脫碳、生銹等）。二、提高表面層材料的強度 提高表

14、面層材料的強度可采用表面熱處理和化學(xué)熱處理，如表面高頻淬火、滲碳、氮化等，都可顯著提高構(gòu)件的疲勞強度。操作時應(yīng)嚴(yán)格控制工藝規(guī)程，勿造成表面微細(xì)裂紋；否則，反而會降低疲勞極限。另外還可以采用表面滾壓和噴丸處理等方法，使構(gòu)件表面層出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，阻礙微裂縫形成及擴展。五、對所取數(shù)據(jù)的理論根據(jù)作必要的說明本次課程設(shè)所取的數(shù)據(jù)均取于參考文獻。（1）聶玉琴，孟廣偉主編. 材料力學(xué)（第二版）. 北京：機械公業(yè)出版社，2008.（2）譚浩強主編. C程序設(shè)計（第三版）. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.（3）侯洪生，焦永和主編，計算機繪圖實用教程. 北京：科學(xué)出版社，2005.設(shè)計感想 通過這次課程設(shè)計，我

15、對于材料力學(xué)的認(rèn)識和掌握進一步加深了。首先對軸的受力分析是屬于前期的準(zhǔn)備工作，根據(jù)已知的受力情況我計算出了軸在各個點的受力情況，以及在各個端面的扭矩、彎矩，然后根據(jù)強度理論計算出許用直徑，再根據(jù)疲勞強度的相關(guān)知識進行強度校核，這就是課設(shè)的整個幾本思路。 前期的計算過程很費周折，由于假期的關(guān)系我對一些公式、理論有些不熟悉，不得不翻閱材料力學(xué)課本以及相關(guān)書籍查詢，可見我對材料力學(xué)的掌握還遠(yuǎn)不夠扎實，這也給我以后的學(xué)習(xí)提了個醒，一定要學(xué)以致用才能學(xué)有所獲。后面的疲勞強度計算在我們上課的時候不是考察的重點，所以這次又重新把有關(guān)的知識鞏固了一遍，并自己摸索出相關(guān)表格的查詢數(shù)據(jù)的方法。最后在運用c語言進行

16、相關(guān)編程的時候又遇到了一些困難，我請教了這方面知識比較好的同學(xué)，在他的幫助下我順利完成了編程。 這次課程設(shè)計總的來說讓我受益匪淺，不僅掌握了材料力學(xué)這門課程的更多知識，還鍛煉了動手學(xué)習(xí)的能力，與同學(xué)的合作能力，與老師的溝通能力。七、上機程序及計算結(jié)果截圖1、程序設(shè)計：#include#includefloat K1,K2,E1,E2,b=2.4,q=0.10,D,N1,N2,n,N12,omax,tmax,O1=300.0,T1=155.0,i=1;voidmain()while (i10)printf(input K1:); scanf(%f,&K1);printf(input K2:); scanf(%f,&K2);printf(input E1:); scanf(%f,&E1);pr