五种传动轴强度、变形及疲劳强度计算.doc

1、- 23 -材料力学 课程设计 课 程 设 计 说 明 书 材料力学课程设计设计题目： 五种传动轴强度、变形及疲劳强度计算指导教师：设计者：学号：院系：机械科学与工学院专业：机械工程及自动化序号：69题号：7.6 （图7-10 e）数据号：6 2012.10.13目录设计目的2设计任务及要求.3设计题目 5传动轴受力简图7弯矩扭矩图.9设计等轴的直径.13计算齿轮处轴的挠度.14阶梯传动轴进行疲劳强度计算16数据说明20设计感想.21上机程序及计算结果截图.22一、材料力学课程设计的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

2、程中的典型零部件，以达到综合运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溶为一体，即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；即是对以前所学知识（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（机械设计、专业课等）的学习打下基础，并初步掌握工程设计思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下六项：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，因而课程设计可以把材料力学知识与专业

3、需求结合起来。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，理出理论依据并导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出计算结果，并完成设计计算说明书。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想、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

4、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）.画出构件的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。（3）.静不定结果要画出所选择的基本静不定系统及与之相应的全部求解过程。（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）.各危险点的主应力大小及主平面位置。（7）.选择强度理论并建立强度条件。（8）.列出全部计算过程的理论根据、公式推导过程以及必要的说明。（9）.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。（10）.疲劳强度计算部分要说明循环特征，r，的计算，所查

5、k，各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久极限曲线。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。3、程序计算部分的要求（1）.程序框图（2）.计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明）。（3）.打印结果（数据结果要填写到设计说明书上）。4、材料力学课程设计的一般过程材料力学课程设计与工程中的一般设计过程相似，从分析设计方案开始到进行必要的计算，并对结构的合理性进行分析，最后得出结论。应合理安排时间，避免前松后紧，甚至不能按时完成设计任务。材料力学课程设计可大致

6、分为以下几个阶段：设计准备阶段。认真阅读材料力学课程设计指导书，明确设计要求，结合设计题目复习材料力学课程的有关理论知识，制定设计的步骤、方法以及时间分配方案等。从外力及变形分析入手，分析计算内力、应力及变形，绘制各种内力图及位移、转角曲线。建立强度、刚度条件，并进行相应的设计计算以及必要的公式推导。编制计算机程序并调通程序。上机计算，并打印出结果。整理数据结果并书写设计计算说明书。分析讨论设计和计算的合理性、优缺点，以及相应的改进意见和措施。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，。磨削轴的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴过渡圆弧r均为2m

7、m，疲劳安全系数n=2。要求：绘出传动轴的受力简图。做扭矩图及弯矩图。根据强度条件设计等直轴的直径。计算齿轮处轴的挠度（均按直径的等直杆计算）。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）。对所取数据的理论根据做必要的说明。说明：坐标的选取均按图所示。齿轮上的力F与节圆相切。表中P为直径为D的带轮传递的功率，为直径为的带轮传递的功率。为小带轮的重量，为大带轮的重量。为静强度条件所确定的轴径，以mm为单位，并取偶数。设设计计算数据P/kW/kWn/(r/min)D/mm/mm/mm/N/Na/mma()14.05.145075035022075040030025四

8、、 设计过程1.传动轴受力 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.弯矩图及扭矩图XOY面：G2单独作用：F.cos a单独作用G1+3F1单独作用：合弯矩图：XOZ面：3F2单独作用：F.sin a单独作用：合弯矩图：扭矩图：3.设计等直轴轴的直径根据第三强度理论：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 由于取偶数，故取1=62mm ，则2=56mm 3=52mm 4=46mm 经校核各轴均满足静强度的要求。4.求齿轮轴的挠度根据图乘法：XOY平面：XOZ平面： 取 E=200 GPa 可得挠度：fy=0.41mm fz=0.20mm则 f=(fy+fz)=0.5mm5.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）I首先对传动轴键槽进行疲劳强度计算因为该轴键槽为端铣加工，b=650MPa，所以根据材料力学表13-10a可查得=1.81，根据材料力学13-10b可查得的值。因为该轴经高频淬火处理，b=650MPa，=1.81，所

10、以根据材料力学表13-4可查得=2.4。由于此传动轴工作在弯扭组合交变应力状态下，因此在进行疲劳强度计算时疲劳强度条件可写成 .，。，故弯矩循环系数r=-1,循环特征为对称循环；，故扭矩循环系数r=0,循环特征为脉动循环。所以.，.。其中，。参照材料力学表13-5可选取。 在B截面侧处：3=51mm，传动轴的材料为优质碳素结构钢（牌号45），根据材料力学表13-2可查得，。根据公式 得：n=5.924 n=18.700 n=5.6472 ，故安全。同理对D、F截面进行校核均安全，数据见下表。II对传动轴阶梯轴进行疲劳强度计算由于b=650MPa,1=62mm ，2=56mm，3=52mm，4=

11、46mm，阶梯轴过渡圆弧r均为2mm，根据材料力学表13-9a，表13-9c，表13-9d，表13-9e及r/D的值可查得：在P截面处，所以=1.65，=1.37；，传动轴的材料为优质碳素结构钢（牌号45），根据材料力学表13-2可查得，。根据公式可得：n=11.804 n=11.804 n=2 故安全。同理可得Q、V、W截面处校核均安全，数据见下表。各校核截面参数及计算结果如下两表：校核点 max(MPa)max（MPa）nnn P33.973011.80411.804+ Q44.15117.7627.72510.0596.127 V35.8184.9849.30434.9648.991 W

12、46.5097.4396.04822.1975.836 B59.09517.7625.4528.8314.639 D9.4118.69734.23818.03615.957 F07.43944.64644.646+校 参 核 数点 初始应力集中系数 尺寸系数表面质量 系数 敏感系数直径（mm） KKP1.651.370.840.782.40.1046 Q1.711.400.810.762.40.1051 V1.751.440.810.762.40.1056 W2.151.570.840.782.40.1046B1.811.620.810.762.40.1051 D1.811.620.810.7

13、62.40.1056 F1.811.620.840.782.40.1046提高疲劳强度的主要措施：一、提高构件表面质量 一般情况下，应力集中大多发生在构件的表面层。而构件表面的刀痕或损伤又将引起应力集中，容易形成疲劳失效。所以，提高构件表面加工质量对提高构件的疲劳极限有显著的作用。尤其是高强度钢对表面粗糙度更为敏感，只有采用精加工方法，才能有利于发挥材料的高强度性能。在使用中也要注意，尽量避免构件表面受到机械碰伤（如刀痕、打记号）和化学损伤（如腐蚀、氧化脱碳、生锈等）。二、提高表面层材料的强度 提高表面层材料的强度可采用表面热处理和化学热处理，如表面高频淬火、渗碳、氮化等，都可显著提高构件的疲

14、劳强度。操作时应严格控制工艺规程，勿造成表面微细裂纹；否则，反而会降低疲劳极限。另外还可以采用表面滚压和喷丸处理等方法，使构件表面层出现残余压应力，阻碍微裂缝形成及扩展。五、对所取数据的理论根据作必要的说明本次课程设所取的数据均取于参考文献。（1）聂玉琴，孟广伟主编. 材料力学（第二版）. 北京：机械公业出版社，2008.（2）谭浩强主编. C程序设计（第三版）. 北京：清华大学出版社，2006.（3）侯洪生，焦永和主编，计算机绘图实用教程. 北京：科学出版社，2005.六、 设计感想 通过这次课程设计，我对于材料力学的认识和掌握进一步加深了。首先对轴的受力分析是属于前期的准备工作，根据已知的

15、受力情况我计算出了轴在各个点的受力情况，以及在各个端面的扭矩、弯矩，然后根据强度理论计算出许用直径，再根据疲劳强度的相关知识进行强度校核，这就是课设的整个几本思路。 前期的计算过程很费周折，由于假期的关系我对一些公式、理论有些不熟悉，不得不翻阅材料力学课本以及相关书籍查询，可见我对材料力学的掌握还远不够扎实，这也给我以后的学习提了个醒，一定要学以致用才能学有所获。后面的疲劳强度计算在我们上课的时候不是考察的重点，所以这次又重新把有关的知识巩固了一遍，并自己摸索出相关表格的查询数据的方法。最后在运用c语言进行相关编程的时候又遇到了一些困难，我请教了这方面知识比较好的同学，在他的帮助下我顺利完成了

16、编程。 这次课程设计总的来说让我受益匪浅，不仅掌握了材料力学这门课程的更多知识，还锻炼了动手学习的能力，与同学的合作能力，与老师的沟通能力。七、上机程序及计算结果截图1、程序设计：#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);printf(input E2:); scanf(%f,&E2);printf(input omax:); scanf(%f,&omax);printf(input tmax:); scanf(%f,&tmax);N1=O1*E1*b/K1/omax;N2=T1/(K2*tmax/E2/b+q*tmax);n=sqrt(N1*N1+N2*N2);N12=N1*N2/n;printf(n1值：%0.3f n2值：%0.3f n12值：%0.3f,n:%0.3f n,N1,N2,N12,n);i+;2、结果截图：- 23 -