材料力学课程设计

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1、一、设计目的本课程设计的目的是在系统学习完材料力学课程之后，能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，独立的计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决实际问题的目的。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的计算方法，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，又为后继课程（零件、专业课等）打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。具体的有以下六项： 1. 使学生的材料力学知识系统化、完整化； 2. 在

2、系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程中的实际问题； 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需要结合起来； 4. 综合运用以前所学习的各门课程的知识，使相关学科的只是有机的联系起来；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导出计算公式，独立编制计算程序，通过计算机给出输出结果，并完成设计计算说明书。三、设计题目、所用材料基本性质传动轴的材料均为优

3、质碳素钢（牌号为 45） ，许用应力=80MPa,经高频淬火处理， =650MPa, =300MPa, =155MPa。磨削轴的表面，键槽均为b11端铣加工，阶梯轴过渡圆弧 r 均为 2mm，疲劳安全系数 n=2。、设计要求1、 绘出传动轴的受力简图。2、 作扭矩图及弯矩图。3、 根据强度条件设计等直轴的直径。4、 计算齿轮处轴的挠度（均按直径 的等直杆计算） 。15、 对阶梯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。)、设计说明1、 坐标的选取按图所示。2、 齿轮上的力 F，与节圆相切。3、 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

4、。G1 为小带轮的重量，G2 为大带轮的重量。、设计数据P/kwP1/kwn/(r/min)D/mmD1/mmD2/mmG2/NG1/NA/mm ( )13.2 8.1 1000 800 350 280 800 260 600 45、传动轴零件图、传动轴力学简图 221 211四、传动轴受力简图332F13F1XM 2XM XMY YY23F2G1GZ Z Z12FkWem/minx 2x211 11x2 x1x2 2x954,:3.2=9549*16.0 35.0n8.=7. 4.74. =M3.9NrPMPMFDNNAA根 据 力 与 功 率 的 关 系 ： 可 知 ， 而 ：， 而， 而

5、五、传动轴受力求解13FyAF 2F2F 23F2GyBFy y yz z z1GzAFx1M x2M xMA BzBF1y2y1yy2=0 -3F4a- 152.80372 43-+F3a0.=0 xoyBA AyBA ByABMFNGGM （ ） =（ ）检 验 ：.在 平 面 内 ， 由 力 的 平 衡 公 式 得 ：2.在 xoz平 面 内 ， 由 力 的 平 衡 公 式 得 ：求 支 反 力 ： z 2zz2-F3a 15.03422 4+30.A AzBABz z FNF -a=检 验 ：六、传动轴内力图1.扭矩图a 2a 4a 5axM7.3 126.0mN x3a2剪力图yFN

6、1065.1457. 703.80a 2a 3a 4a 5axa 2a 3a4a 5axzFN15.0 397.0 945.03.弯矩图a 2a 3a 4a 5axzMNm 639.1364.5 480.a2a 3a 4a 5axyMmN 90.6 567.04.确定危险截面位置由扭矩图和弯矩图可知，危险截面在 4xa处。七危险截面处的应力状态 2maxin2 2ax min 21 23,0,14, 4.,0,yxyyxxy易 知 ：由 公 式 ， 可 知 ，即八、设计等直轴直径本设计中，构件的材料是优质碳素结构钢，为塑性材料，所以根据最大切应力理论，即第三强度理论可知: 2r313216ma

7、x4;+;,57.08.4=9.XzyxPMW即即由 圆 整 取 偶 可 知 ， 可 取 或当 时 ， 1121-,%=.625,4m;.,4;.05.50,48.P而 所 以 不 能 取综 上 ， 等 直 轴 的 直 径 为又鉴 于 后 续 求 解 经 常 用 到 ， ， 所 以 此 处 一 起 计 算 得 ：九、计算齿轮处的挠度采用图形互乘法，在计算时，考虑到线性时，乘积的互换性，以简化计算。1.计算在 xoy 平面内的挠度 Xoy 平面内外力作用时的弯矩图a 2a 3a 4a 5axzMNm 639.1364.5 480.在 xoy 平面内齿轮处施加一单位力，方向如图所示。1xy单位 1

8、 的力产生的弯矩图为：a 2a3a4a5axzMmN 0.4 471ci20,2.980,4396061110.645.0.2364.502.05248.0764392.71.7myEGPaI EIMEIm 则由 图 形 互 乘 法 公 式 可 知 ：所 以 ， 该 轴 在 y方 向 上 的 挠 度 为2.计算在 xoz 平面内的挠度Xoy 平面内外力作用时的弯矩图a2a 3a 4a 5axyMmN 90.6 567.0在 xoy 平面内齿轮处施加一单位力，方向如图所示。 1zx单位 1 的力产生的弯矩图为：a 2a3a4a5axmN 0.4yM471ci222y20,2.980,439606

9、1210.690.4.2049.43923.51.526m=+1.70.56.84.zzEGPaI EIMEImm 则由 图 形 互 乘 法 公 式 可 知 ：所 以 ， 该 轴 在 z方 向 上 的 挠 度 为故 该 轴 在 齿 轮 处 的 挠 度 为 ：十、疲劳强度的计算由该零件图可知，需要对其轴肩处和键槽处进行疲劳强度校核。该传动轴受到弯扭组合交变应力作用，由于转动，故弯曲正应力按对称循环变化；当轴正常工作时扭转切应力基本不变，但是由于机器时开时停，所以扭转切应力时有时无，故扭转切应力可视为脉动循环变化。 minmaxinmaxax2y3maxminminax3in,1,0,20,21,

10、6 zaxPprWdrMWd对 弯 曲 正 应 力 而 言 ， 其 为 对 称 循 环 ， 故 有 ：对 扭 转 切 应 力 而 言 ， 其 为 脉 动 循 环 ， 故 有 ：由 于 该 传 动 轴 受 弯 扭 组 合 交 变 应 力 作 用 ， 故 采 用 弯 扭 组 合 构 件 疲 劳 强 度 计 算 公 式 ：2-1-1max n=,kkamn 其 中 ，对轴肩处进行校核： 2y -1max maxx0.5d4,1.,0.5k=984=1 .,.7,.3.MPa, 3.6;kzDradWn当 时 ， 查 表 知 ： ， ， ；而 -1ax2=5.14, 5.9 n3.92.x0.5p a

11、n 而所 以 ， 在 =a处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。2y -1max maxx1.5d46,1.,0.4k=78=1 .5,.,.7.MPa, 2.8;kzDradWn当 时 ， 查 表 知 ： ， ， ；而 -1ax2=4.0, 4. n.82.x1.5p an 而所 以 ， 在 =a处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。2y -1max maxx2.5d48,1.0,.4k=78=1 .5,.,0.74.MPa, 6.7kzDradWn当 时 ， 查 表 知 ： ， ， ；而 -1ax2=5.80, 3.9 n6.2.x.5p an 而所 以 ， 在 =

12、a处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。2y -1max maxx3.5d46,1.0,.4k=78=1 .5,.,0.74.6MPa, 2.7kzDradWn当 时 ， 查 表 知 ： ， ， ；而 -1ax2=.59, . n.702.x3.5p an 而所 以 ， 在 =a处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。2y -1max maxx4.5d,1.,0.5k=984=1 .,.7,.5.0MPa, 3.0kzDradWn当 时 ， 查 表 知 ： ， ， ；而 -1ax2=8.67, 2.7 n3.02.x45p an 而所 以 ， 在 =a处 的 截 面 满

13、足 疲 劳 强 度 要 求 。X d/mm My Mz K Mx K 0.5a 42 0 319.55 1.59 0.84 1 77.3 1.22 0.78 0.071.5a 46 45.3 501.8 1.70 0.84 1 77.3 1.25 0.78 0.072.5a 48 209.7 154.2 1.70 0.84 1 126.0 1.25 0.78 0.073.5a 46 447.9 268.2 1.70 0.84 1 126.0 1.25 0.78 0.074.5a 42 283.5 240 1.59 0.84 1 126.0 1.22 0.78 0.07对键槽处进行校核： -1m

14、axx0d42, 0k=1.2,.78,.534a26.k 0p amMPnnW当 时 ， 由 于 此 处 的 弯 曲 正 应 力 为 ， 所 以 只 需 校 核 扭 转 切 应 力 。 查 表 知 ：而所 以 ， 在 处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。2y -1max maxx2d50k=1.80.4=1 63,7,.MPa, 4.52kzaWn当 时 ， ， 查 表 知 ： ， ， ；而 在 =2左 侧 ： -1max2-1max3.15a, 4.k n4.2.=5.14a, 27.k p amp amnMPnW 所 以 ， 在 左 侧 处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。 在 右 侧 ： 2 n.2.xaxa所 以 ， 在 =左 侧 处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。综 上 ， 在 =处 的 截 面 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。-1max5d42, 0k=1.63,0.78,.a6.572.k 5p amMPnnW当 时 ， 由 于 此 处 的 弯 曲 正 应 力 为 ， 所 以 只 需 校 核 扭 转 切 应 力 。