1、材 料 力 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書設(shè)計(jì)題目： 五種傳動(dòng)軸的靜強(qiáng)度、變形及疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 序號(hào)： 題號(hào)： 7-6-d-15 學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)教師： 目錄一， 材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的 3二，材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 4 1，設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求 4 2，分析討論及說明部分的要求 5 3，程序計(jì)算部分的要求 5三，設(shè)計(jì)題目 6四，設(shè)計(jì)過程 8 1，繪制傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖 8 2，傳動(dòng)軸內(nèi)力圖 9 3，根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸直徑 11五，計(jì)算齒輪處軸的撓度 13 1，y方向撓度 13 2，z方向撓度 14六，階梯傳動(dòng)軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 15七，個(gè)人感想 22八，參考文獻(xiàn) 22九，附錄（程序）

2、23一，材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的目的 本課程設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實(shí)際中的問題，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和設(shè)計(jì)方法，獨(dú)立地計(jì)算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的目的。同時(shí)，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計(jì)算方法及手段融為一體，既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代計(jì)算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對(duì)以前所學(xué)知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）的綜合運(yùn)用，又為后續(xù)課程（機(jī)械設(shè)計(jì)、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(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，使實(shí)際工作能力有所提高。具體有以下六項(xiàng)：使所學(xué)的材料力學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化、完整化。在系

3、統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際中的問題。由于選題力求結(jié)合專業(yè)實(shí)際，因而課程設(shè)計(jì)可以把材料力學(xué)知識(shí)與專業(yè)需要結(jié)合起來。綜合運(yùn)用以前所學(xué)的各門課程的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)等），使相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有機(jī)地聯(lián)系起來。初步了解和掌握工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。二，材料力學(xué)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求參加設(shè)計(jì)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(dú)立分析、判斷設(shè)計(jì)題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導(dǎo)出計(jì)算公式，獨(dú)立編制計(jì)算程序，通過計(jì)算機(jī)給出計(jì)算結(jié)果，并完成設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。1，設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的要求

4、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書是該題目設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果的說明，要求書寫工整，語言簡(jiǎn)練，條理清晰-、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：設(shè)計(jì)題目的已知條件、所求及零件圖。畫出構(gòu)件的受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖，按比例標(biāo)明尺寸、載荷及支座等。靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求解過程。畫出全部?jī)?nèi)力圖，并表面可能的各危險(xiǎn)截面。各危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖。各危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面的位置。選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。列出全部計(jì)算過程的理論依據(jù)、公式推導(dǎo)過程及必要的說明。對(duì)變形及剛度分析要寫明所用的能量法計(jì)算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖。疲勞強(qiáng)度計(jì)算部分要說明循環(huán)特

5、征，max，min，r，m，a的計(jì)算，所查,，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。2，分析討論及說明部分的要求分析計(jì)算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。提出改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步方案及設(shè)想。提高強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。3，程序計(jì)算部分的要求程序框圖。計(jì)算機(jī)程序（含必要的說明語言及標(biāo)識(shí)符說明）。打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計(jì)計(jì)算說明書上）。三，設(shè)計(jì)題目傳動(dòng)軸的材料均為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），許用應(yīng)力=80MPa，經(jīng)高頻淬火處理，b=650MPa，-1=300MPa，-1=155MPa。磨削軸的表面，鍵槽均為端銑加工，階梯軸過度圓弧r均為2mm，疲勞安全系數(shù)n=

6、2。要求：1. 繪出傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖。2. 做扭矩圖及彎矩圖。3. 根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)等直軸的直徑。4. 計(jì)算齒輪處軸的撓度（均按直徑的等直桿計(jì)算）。5. 對(duì)階梯傳動(dòng)軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)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(duì)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，P1為直徑為D1帶輪傳遞的功率。G1為小帶輪的重量，G2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)1. 傳動(dòng)軸力學(xué)簡(jiǎn)圖2. 傳動(dòng)軸零件圖3.設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)P/kWP1/kWn/（r/min）D/

7、mmD1/mmD2/mmG2/NG1/N/mm()18.47.45001000450200100030030030四， 設(shè)計(jì)過程1，繪制傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖根據(jù)已知條件，將軸受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，如下圖所示： 傳動(dòng)軸受力簡(jiǎn)圖其中：F2=9549P/nF1=9549P1/nF cos=9549(P-P1)/n由上式可解得：F =2425.8NF1=628.1NF2=702.8NF cos=2100.8NF sin=1212.9N2，傳動(dòng)軸內(nèi)力圖（1） 求A、E處支座反力i. Y軸方向：以A為矩心：F cos+3(3F1+G1)+4G2-5FEY=0以E為矩心: G2+2(3F1+G1)+ 4F cos-

8、5FAY=0解得：FEY=2530.7N FAY=2754.4N利用Y軸的平衡檢驗(yàn)，滿足平衡條件。ii. Z軸方向：以A為矩心：F sin+12F2-5FEZ=0以E為矩心: 4F sin+3F2-5FAZ=0解得：FEZ=1929.3N FAZ=1392N利用Z軸的平衡檢驗(yàn)，滿足平衡條件。（2） 作內(nèi)力圖扭矩圖繞Z軸彎矩圖繞Y軸彎矩圖合成彎矩圖3，根據(jù)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸直徑選用第三強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸的直徑：綜合上面兩式得：作的圖像如下：結(jié)合對(duì)應(yīng)的零件圖及對(duì)應(yīng)的半徑關(guān)系：及對(duì)應(yīng)的半徑關(guān)系將半徑均轉(zhuǎn)化至對(duì)應(yīng)的，作圖像如下：圖形統(tǒng)計(jì)信息如下圖由上圖可知的最小值為64.43，根據(jù)取整取偶的原則，取為

9、66mm，根據(jù)比例關(guān)系可得：=66mm=60mm=55mm=50mm五， 計(jì)算齒輪處軸的撓度1，y方向撓度加單位力后軸的內(nèi)力圖：計(jì)算過程 （圖乘法）E=200GPa此時(shí)可以利用圖形互乘法求齒輪處該軸沿y軸方向的撓度2，z方向撓度加單位力后軸的內(nèi)力圖計(jì)算過程 （圖乘法）E=200GPa此時(shí)可以利用圖形互乘法求齒輪處該軸沿z軸方向的撓度所以：六， 階梯傳動(dòng)軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算首先，對(duì)屈服強(qiáng)度極限進(jìn)行說明：在進(jìn)行半徑設(shè)計(jì)時(shí)已保證查P23表2-1可得=355MPa；即階梯傳動(dòng)軸滿足屈服強(qiáng)度條件要求。1，對(duì)傳動(dòng)軸鍵槽進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算i. 查相關(guān)的系數(shù)：該軸鍵槽為端銑加工，b=650MPa由材料力學(xué)P369圖1

10、3-10a可查得=1.81，由材料力學(xué)P369圖13-10b可查得=1.62。該軸經(jīng)高頻淬火處理，b=650MPa，=1.81由材料力學(xué)P370表13-4可查得=2.4。ii. 疲勞強(qiáng)度計(jì)算由于此傳動(dòng)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(jì)算時(shí)疲勞強(qiáng)度條件可寫成：。 。又有，故彎矩循環(huán)系數(shù)r=-1,循環(huán)特征為對(duì)稱循環(huán)；，故扭矩循環(huán)系數(shù)r=0,循環(huán)特征為脈動(dòng)循環(huán)。所以： 其中參照材料力學(xué)P373表13-5可選取。在B截面處：d=55mm ，（P369表13-2），則，B截面安全。在C截面處：d=66mm ，則，C截面安全。在D截面處：，則，D截面安全。2，再對(duì)傳動(dòng)軸階梯軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度

11、計(jì)算i. 查相關(guān)的系數(shù)：由于b=650MPa，,，階梯軸過渡圓弧r均為2mm根據(jù)材料力學(xué)（機(jī)械工業(yè)出版社）P368頁圖13-9a，13-9b, 13-9d可查得：（設(shè)階梯面由左到右依次為12345）在1截面處，所以=1.7，=1.39；在2截面處，所以=1.76，=1.41；在3截面處，所以=1.80，=1.44；在4截面處，所以=2.27，=1.47；在5截面處，所以=1.7，=1.39；由材料力學(xué)P370表13-4可查得=2.4。ii. 疲勞強(qiáng)度計(jì)算在1截面處：，傳動(dòng)軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），根據(jù)材料力學(xué)（機(jī)械工業(yè)出版社）P369頁表13-2可查得，。，則1截面安全。在2截面處

12、：，傳動(dòng)軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），根據(jù)材料力學(xué)（機(jī)械工業(yè)出版社）P369頁表13-2可查得，。，則2截面安全。在3截面處：，傳動(dòng)軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），根據(jù)材料力學(xué)（機(jī)械工業(yè)出版社）P355頁表13-2可查得，。，則3截面安全。在4截面處：，傳動(dòng)軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），根據(jù)材料力學(xué)（機(jī)械工業(yè)出版社）P369頁表13-2可查得，。，則，4截面安全。在5截面處：，傳動(dòng)軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（牌號(hào)45），根據(jù)材料力學(xué)（機(jī)械工業(yè)出版社）P369頁表13-2可查得，。，則5截面安全。綜上可得，該軸滿足疲勞強(qiáng)度要求。七， 個(gè)人感想總體上說，通過本次課程設(shè)計(jì)，很好地

13、復(fù)習(xí)了上學(xué)期的課程，同時(shí)，學(xué)習(xí)了如何把材料力學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于工程實(shí)際，解決實(shí)際問題。在課程設(shè)計(jì)中，遇到了一些困難，但是在克服困難解決問題的過程中，也學(xué)到了很多東西。一方面，提高了分析問題，解決問題的能力，另一方面，初步掌握工程中的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，提高了實(shí)際的工作能力，能夠把以前所學(xué)的知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計(jì)算機(jī)和材料力學(xué)等）綜合運(yùn)用。此外，進(jìn)一步熟練了Word/CAD /Matlab/Microsoft Visual C+ 6.0等軟件,對(duì)自己的排版，繪圖，以及編程的能力都有了很好的鍛煉。最為重要的還是加深了對(duì)材料力學(xué)課程的理解與認(rèn)識(shí)，熟悉了工程設(shè)計(jì)步驟，為以后的進(jìn)一

14、步學(xué)習(xí)和科研工作做準(zhǔn)備。八， 參考文獻(xiàn)1聶毓琴，孟廣偉 .材料力學(xué).（第二版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2.2聶毓琴，吳宏. 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.2. 九， 附錄（程序框圖+程序）疲勞強(qiáng)度校核外程序，（matlab程序）：P=18.4;P1=7.4;n=500;D=1;D1=0.45;D2=0.2;G2=1000;G1=300;a=0.3;pi=3.;af=pi/6;F2=9549*P/n*2/D;F1=9549*P1/n*2/D1;F=9549*(P-P1)/n*2/D2/cos(af);FEY=solve(F*cos(af)+3*(3*F1+G1)

15、+4*G2-5*FEY=0,FEY);FAY=solve(G2+2*(3*F1+G1)+4*F*cos(af)-5*FAY=0,FAY);FEY=eval(FEY);FAY=eval(FAY);FEZ =solve(12*F2 + F*sin(af)-5*FEZ=0,FEZ);FAZ =solve(3*F2 + 4*F*sin(af)-5*FAZ=0,FAZ);FEZ =eval(FEZ);FAZ =eval(FAZ);x=0:0.001:1.5;niuju=0.*(x=a&x=3*a&x=4*a&x=5*a);plot(x,niuju);x=0:0.001:1.5;yjian=FAY.*(x

16、=a&x=3*a&x=4*a&x=5*a);plot(x,yjian);zwan=FAY*x.*(x=a&x=3*a&x=4*a&x=5*a);plot(x,zwan);zjian=-FAZ.*(x=a&x=4*a&x=5*a);plot(x,zjian);ywan=-FAZ*x.*(x=a&x=4*a&x=5*a);plot(x,ywan);hewan=power(power(zwan,2)+power(ywan,2),0.5);plot(x,hewan);rx1=1000*power(power(power(hewan,2)+power(niuju,2),0.5)*32/pi/8*10(-

17、7),(1/3);plot(x,rx1);rx2=rx1*1.13.*(x=0.5*a&x=1.5*a&x=2.5*a&x=3.5*a&x=4.5*a&x=5*a);plot(x,rx2);d1=ceil(max(rx2)/2)*2;ynao=(0.8/3*a3*FAY+1.2*a3*FAY+3.2/3*a3*(FAY-F*cos(af)+0.3*a3*FEY+1/6*a3*(3*FAY-2*F*cos(af)-FEY)+0.8/12*a3*FEY)*/pi/(d14);znao=(0.8/3*a3*FAZ+1.5*a3*FAZ+0.6*a3*(FEZ-FAZ)+0.8/12*a3*FEZ)*

18、/pi/(d14);nao=(ynao2+znao2)0.5;疲勞強(qiáng)度校核程序(C程序)：#include#include /*全局變量*/#define PI 3. /*宏定義*/ void main() /*主函數(shù)*/float d,M,W,zMax,Mx,Wp,qMax,qA,qM,Kz,Kq,Ez,Eq,bmzl=2.4,mgxs=0.1;float z=300,q=155,n1,n2,n12,n=2;char pd;float x; /*定義變量*/printf(是否進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核？輸入Y/Nn); scanf(%c,&pd);while(pd=Y|pd=y) /*循環(huán)，判斷條件*/printf(輸入需校核平面距y軸距離為a的倍數(shù)n);scanf(%f,&x);printf(