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1、材料力学课程设计 材料力学课程设计五种传动轴静强度、变形及疲劳强度计算(b)班级：11级机械城轨二班姓名：林 胜 军 学号：20116552 指导老师：任小平 2013年6月目录一.设计目的：3二.材料力学课程设计的任务和要求3三设计题目：3四设计内容5五程序设计20六、课程设计总结23一.设计目的：本课程设计的目的是在于系统学习完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，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
2、问题、解决问题的能力，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
3、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：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，b =650MPa,-1 =300MPa，-1 =155MPa。磨削面的表面，键槽均为端铣加工，阶梯轴过度圆弧r均为2mm，疲劳安全系数n =2。要求：1. 绘出传动轴的受力简图；2. 作出扭矩图和弯矩图； 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
4、使其满足疲劳强度要求）； 6. 对所采取数据的理论根据作必要的说明。说明：1.坐标的选取按图1所示。2.齿轮上的力F与节圆相切。3.表中P为直径为D的带轮的传递的功率，P1为直径为D1的带轮传递的功率。G1为小带轮的重量，G2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1/2=3/4=2/3=1.1图一：转动轴力学图表一：设计计算数据表组数据P/KWP1/KWn/(r/min)D/D1/D2/G2/NG1/Na/2229.619.1900770022802250665033004400330图二：传动轴零件图四设计内容（1）绘出传动轴的受力简图：此传动轴为弯扭
5、组合变形，将各力分解得到上图。由力矩与功率关系式：Me=9549得，Mx=F2=9549=101.85(Nm) F2=291.07NMx1= F1=9549=202.65 F1=1447.51NMx2=F= Mx- Mx1=-100.80 F=-806.36NX-Y平面受力分析：在x=a处列弯矩方程，得3F1a -G1a-Fy23a+Fcosa+G24a=0解得：Fy2=1981.40N由Y方向受力平衡得，3F1 +Fy2-Fy1-G1 G2 -Fcos2=0解得，Fy1=6072.26NX-Z平面受力分析：在x=a处列弯矩方程得，Fsina+3F24a-Fz23a=0 解得：Fz2=1029
6、.89N由沿z方向受力平衡得，Fz1+Fsin+3F2- Fz2 =0 解得：Fz1=559.86N（2）作扭矩图和弯矩图：扭矩图： 绕x 轴的扭矩图剪力图在xoy 平面内： y 轴方向的剪力在yoz 平面内: z 轴方向的剪力弯矩图：在xoy 平面内的弯矩，由Fy 在xoz 平面内的弯矩，由Fz 产生:（3）根据强度条件设计等直轴的直径 ：求解1判断1直径轴危险截面(1) 当x=a时，Mx=202.65 Nm,My=0,Mz=1617.0 Nm =1629.66 Nm(2) 当x=4a时,Mx=101.85 Nm,My=349.28 Nm,Mz=260 Nm=47.18 Nm所以1直径轴的危
7、险截面在x=a处由第三强度理论，= 即 得159.21mm 取1=60mm求解2已知12=1.1，得2=54.55 mm,所以可能2取54 mm或56 mm判断2直径轴危险截面当x=0.5a时,Mx=202.65 Nm,My=0,Mz=808.50 Nm, =833.51 Nm当x=4.5a时, Mx=101.85 Nm,My=147.64 Nm,Mz=130 Nm=240.36 Nm所以2直径轴的危险截面在x=0.5a处由第三强度理论，= 即 得247.35mm,所以2=54mm符合强度条件求解1.0511.051=63 mm，所以可取62 mm或64 mm1.051直径轴危险截面在x=2.
8、5a处,Mx=101.85 Nm,My=255.28 Nm,Mz=538.84 Nm由第三强度理论，= 即 得1.05142.55mm,所以1.051=62mm符合强度条件求解1.111.11=66 mm,1.11直径轴危险截面在x=1.5a处,Mx=202.65 Nm,My=111.97 Nm,Mz=1211.07 Nm由第三强度理论，= 即 得1.1153.95mm,所以1.11=66mm符合强度条件（4）计算D2轮处轴的挠度：X-Y平面内： 在x=2a处加向下的单位载荷，其单独作用下弯矩图为：3F1-G1单独作用下弯矩图：Fcos单独作用下弯矩图：G2单独作用下弯矩图：在X-Y平面内x=
9、2a处的挠度为f1=（1617.011617.01+1617.012a-0.5279.33aa-0.5279.332aa-260aa-2602a-260）=106.58=106.58=0.8mm在X-Z平面内：沿z轴在x=2a处加一单位载荷（沿z轴负方向），其单独作用下弯矩图为：Fsin单独作用下弯矩图：3F2单独作用下弯矩图：在X-Z平面内x=2a处的挠度为：f2=（-0.5107.51aa-0.5107.512aa-349.28aa-349.282aa-2a349.28a）=(-36.31)=(-36.31)=0.27mm综上，f=0.84mm(5)对传动轴进行强度计算：在本题中，考虑到材
10、料通过了高频淬火处理，所以通过强化方法心部强度/MPa 表面质量系数b光 轴 低应力集中系数 s K1.5高应力集中系数 K1.820 高频淬火600800 1.51.7 1.61.7 2.42.8 801000 1.31.5 可知，b 与应力集中的系数有关，所以通过插值法求得b ：本题中材料的b =650MPa当K1.5时，由线性插值得：=1.625当K1.820时，由线性插值得：=2.5对轴肩处进行校核：当x=0.5a时: =1.1，=0.04，d=54mm查表知：K=1.65，=0.81，=2.5， K=1.4，=0.76，=0.08max=52.3MPa，得n=7.04max=6.56
11、MPa，min=0，a=m=max/2得n=57.87n=6.98n=2,所以，在x=0.5a处的截面满足疲劳强度要求。当x=1.5a时: =1.1，=0.03，d=60mm查表知：K=1.85，=0.81，=2.5， K=1.45，=0.76，=0.08max=57.14MPa，得n=5.75max=4.78MPa，min=0，a=m=max/2得n=76.91n=5.73n=2,所以，在x=1.5a处的截面满足疲劳强度要求。当x=2.5a时: =1.05，=0.03，d=62mm查表知：K=1.85，=0.78，=2.5， K=1.45，=0.74，=0.08max=25.50MPa，得n
12、=12.40max=2.18MPa，min=0，a=m=max/2得n=164.81n=12.37n=2,所以，在x=2.5a处的截面满足疲劳强度要求。当x=3.5a时: =1.05，=0.03，d=60mm查表知：K=1.85，=0.81，=2.5， K=1.45，=0.76，=0.08max=13.60MPa，得n=24.15max=2.18MPa，min=0，a=m=max/2得n=168.84n=23.91n=2,所以，在x=3.5a处的截面满足要求当x=4.5a时: =1.1，=0.03，d=54mm查表知：K=1.65，=0.81，=2.5， K=1.4，=0.76，=0.08max=14.09MPa，得n=26.13max=3.30MPa，min=0，a=m=max/2得n=115.15n=25.48n=2,所以，在x=4.5a处的截面满足疲劳强度要求。对轴肩处进行校核所需的数据：xd/mmMxMyMzKK0.5a54202.650808.501.651.40.810.762.50.081.5a60202.65111.971211.11.851.450.810.762.50.082.5a62101.85255.28538.
