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1、材材料料力力学学课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书设计题目设计题目五种传动轴的静强度五种传动轴的静强度、变形及疲劳强度的计算变形及疲劳强度的计算汽车工程汽车工程 学院学院汽车发动机汽车发动机 专业专业420911 班班设计者设计者李根平李根平学号学号42091117卡号卡号200901072002011 年年 10 月月 18 日日材料力学材料力学 课程设计课程设计- 1 -目录目录设计目的2设计任务及要求.2设计题目3传动轴受力简图5弯矩扭矩图.6设计等轴的直径.9计算齿轮处轴的挠度.10阶梯传动轴进行疲劳强度计算12数据说明19设计感想19附：程序计算结果截图，计算机程序设计材料力学
2、材料力学 课程设计课程设计- 2 -材料力学课程设计的目的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
3、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。材料力学课程设计的任务和要求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
4、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。一、设计计算说明书的要求一、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
5、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，max，min，r，m，a的计算，所查 k，材料力学材料力学 课程设计课程设计- 3 -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。二、分析讨论及说明部分的要求二、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。三、程序计算部分的要求三、
6、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） 。四、材料力学课程设计的一般过程四、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分为以下几个阶段： 1.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。 2.从外力及变形分析入手，分析
7、计算内力、应力及变形，绘制各种内力图及位移、转 角曲线。 3.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。 4.编制计算机程序并调通程序。 5.上机计算，并打印出结果。 6.整理数据结果并书写设计计算说明书。 7.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。设计题目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，650bMPa，1300MPa，1155MPa。磨削轴的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴过渡圆弧 r 均为 2mm，疲劳安全系数 n=2。 要求：要求： 1.绘出传动轴的受力简图。 2.做扭矩图及弯矩图。 3
8、.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1的等直杆计算） 。5.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） 。 6.对所取数据的理论根据做必要的说明。材料力学材料力学 课程设计课程设计- 4 -说明：说明： （1）坐标的选取均按图所示。 （2）齿轮上的力 F 与节圆相切。（3）表中 P 为直径为 D 的带轮传递的功率，1P为直径为1D的带轮传递的功率。1G为小带轮的重量，2G为大带轮的重量。（4）1为静强度条件所确定的轴径，以 mm 为单位，并取偶数。设3122431.1 设计计算数据设计计算数据P/kW1P/kWn/(r/min)
9、D/mm1D/mm2D/mm2G/N1G/Na/mma()16.911.070060030075060020060080材料力学材料力学 课程设计课程设计- 5 -设计过程设计过程1.传动轴受力简图传动轴受力简图21/29550/230.6MeFDP nN m22*/2MeFD31*1/129550*/150MeFDPnN m123MeMeMe求支座反力：0yF ,12211cos30yyFGFFGF0Fz ，1223sin0zzFFFF 0zM，22113 cos4530yG aaFaFa GF 0yM，2233 sin40zF aaFaF材料力学材料力学 课程设计课程设计- 6 -求解得：
10、214.6FN11000.5FN2768.5FN280.5eMN m1341yFN 11676.2zFN 24179.3yFN2417.8zFN 2.弯矩图及扭矩图弯矩图及扭矩图XOY 面面各分力单独作用：材料力学材料力学 课程设计课程设计- 7 -合弯矩图：XOZ 面面材料力学材料力学 课程设计课程设计- 8 -各分力单独作用：合弯矩图：材料力学材料力学 课程设计课程设计- 9 -扭矩图：扭矩图：3.设计等直轴轴的直径设计等直轴轴的直径根据第三强度理论： 22222 314rxyzMMMW分析最大截面： 222 333201920.9150.180rMPad 解得：162.6mm分析 B 截
11、面： 222 333247.9319.785.980rMPad解得：351.2mm材料力学材料力学 课程设计课程设计- 10 -分析 D 截面： 222 3332250.71333.880.580rMPad解得：255.7mm综上所述，取1=64mm，由1 . 1433221 取260mm；mm563；452mm经校核各轴均满足静强度的要求。4.求齿轮轴的挠度求齿轮轴的挠度已知：4164 200 64ddmmEGPaI根据图乘法：XOY 平面：平面：材料力学材料力学 课程设计课程设计- 11 -Y 方向：333333222233311111133321131(/165/12 1/4/169co
12、s/163cos/169(3)/163(3)/8(3)/32)1(19/243cos/431(3)/32)3.407 103.407c yMfEIG aG aG aG aaFaFEI a GFa GFa GFG aaFa GFEI mmm XOZ 平面：平面： 各力弯矩图：材料力学材料力学 课程设计课程设计- 12 -Z 方向：333322223333231(3/16 15/123/43/169sin/163sin/16)1(19/83sin/4)2.186 102.186c zMfEIa Fa Fa Fa FEI a Fa Fa Fa FEI mmm综上：22223.4072.1864.05
13、yzfffmm与 XOY 面得夹角为3.407arctanarctan57.32.186yzff 5.5.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）度）I I首先对传动轴键槽进行疲劳强度计算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K=1.81，根据材料力学13-10b 可查得K=1.62。因为该轴经高频淬火处理，b=650MPa，K=1.81，所以根据材料力学表 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
14、态下， 因此在进行疲劳强度计算时疲劳强度条材料力学材料力学 课程设计课程设计- 13 -件可写成2 22 n nnnnn 。WMMWMzy22max max，Px WMmax，323W，163PW。maxmin，故弯矩循环系数 r=-1,循环特征为对称循环；0min，故扭矩循环系数 r=0,循环特征为脉动循环。所以max1Kn，maKn 1。其中max21a，max21m，2200 1 。参照材料力学表 13-5 可选取10. 0。在在 B B 截面侧处：截面侧处：356mm，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81. 0，76. 0。1005.8yBMN m ，204.6zBMN m ，250.5xBMN m 2222 ,max3 33132( 1005.8)( 204.6)59.532ByBzBMMMPaW max3 3116( 230.5)6.681xBPMMPaW 则1max3005.4121.8159.5320.81 2.4MPanKMPa 115546.9231.626.6816.6810.100.76 2.422amMPanKMPaMP
