1、材 料 力 學課 程 設 計 說 明 書設計題目7.4車床主軸設計設計者 ： 學號： 班級 ： 451201班 指導老師 麻凱 吉林大學生物與農業工程學院 農業機械化及其自動化2014年10月4日目錄一課程設計目的 -03二課程設計任務和要求-04三課程設計題目-06四課程設計計算過程-081.對主軸靜定情況校核-08A. 根據第三強度理論校核-11B. 根據剛度進行校核-11C. 疲勞強度校核-192.對主軸超靜定情況校核-20A. 根據第三強度理論校核-22B. 根據剛度進行校核-23C. 疲勞強度校核-29五.循環計算程序-30六課程設計總結-36七參考文獻-37一材料力學課程設計的目的

2、 本課程設計是在系統學完材料力學課程之后，結合工程實際中的問題，運用材料力學的基本理論和設計方法，獨立的計算工程中的典型零部件，以達到綜合利用材料力學知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現代計算方法及手段融為一體，即從整體上掌握了基本理論和現代計算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學知識的綜合運用，又為后續課程的學習打下基礎，并初步掌握工程設計的思想和設計方法，使實際工作能力有所提高。具體有以下六項：1) 使所學的材料力學知識系統化、完整化。2) 在系統、全面復習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際中的問題。3) 由于選題力求結合專業實際，因而課程

3、設計可以把材料力學知識與專業需要結合起來。4) 綜合運用以前所學的各門知識，是相關學科的知識猶記得聯系起來。5) 初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法。6) 為后續課程的學習打下基礎。二材料力學課程設計的任務和要求參加設計者系統復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析和判斷設計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內力圖，列出理論依據并導出計算式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結果，并完成設計計算說明書。2.1 設計計算說明書的要求 設計計算說明書是該題目設計思想、設計方法和設計結果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達完整。具體內容應包括：1) 設

4、計題目的已知條件、所求及零件圖。2) 畫出構件的受力分析計算簡圖，按比例表明尺寸，載荷及支座等。3) 靜不定結構要畫出所選擇的基本靜定系統及相應的全部求解過程。4) 畫出全部內力圖，并標明可能的各危險截面。5) 各危險截面上應力的分布規律圖及由此判定各危險點處的應力狀態圖。6) 各危險的主應力大小及主平面的位置。7) 選擇強度理論并建立強度條件。8) 列出全部計算過程的理論依據、公式推導過程及必要的說明。9) 對變形計剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內力圖和單位力圖。10) 疲勞強度計算部分要說明循環特征， 、 、r、的計算，所查各系數K、等的依據，疲勞強度校核過程及結果，并繪出構件

5、的持久曲線。2.2分析討論及說明部分的要求分析計算結果是否合理，并討論其原因、改進措施。提出改進設計的初步方案及設想。提高強度、剛度及穩定性的措施及建議。2.3程序計算部分的要求程序框圖。計算機程序（含必要的說明語言及標示符說明）。打印結果（數據結果要填寫到設計計算說明書上）。三課程設計題目某車床主軸尺寸及受力情況如圖1所示。在A、B、C三個支座的中間B處，軸承與軸承座之間有間隙，正常工作時，B處軸承不起支撐作用，此時軸處于A、C兩支座下的靜定狀態。當B截面處彎曲變形大于間隙時，軸處于A、B、C三支座下的靜不定狀態。軸截面處裝有斜齒輪，其法向壓力角為 ,螺旋角為，工作處的切削力有、（在進行強度

6、、剛度計算時，可以不計軸向力的影響，而已彎曲、扭轉變形為主）。軸的材料為優質碳素結構鋼（45鋼），表面磨削加工，氮化處理。其他數據見下表。20101500.00281. 試按靜定梁(A、C支撐）的強度、剛度條件設計等截面空心圓軸外徑D（d/D值可見數據表），并計算這時軸上B截面處的實際位移。2. 在安裝齒輪的E截面處有一銑刀加工的鍵槽，試校核此截面處的疲勞強度。規定的安全系數n=3(=420MPa,=240MPa)。3. 對靜不定的情況（A、B、C支撐），同時根據強度、剛度條件設計外徑D，并用疲勞強度理論校核。注意：設計中不考慮軸的旋轉靜定要求和熱變形的影響，并且將各軸承視為剛體，且不產生剛體

7、位移，不考慮制作工藝和尺寸鏈等因素。圖一：表2：（設計計算數據表-29）70.200.540.180.160.180.147456005.10.705002000四課程設計計算過程1. 對主軸靜定情況校核由公式可知=81.17N·m=579.76N由斜齒輪受力分析得： =214.25N則有：=258.45N=561.45N=20000.18=360=5000.18=90由圖1受力分析求支座反力、:解上面的方程，則有:=187.36N，=-1094.36N，=-945.81N，=2532.92N根據已知分別作出Y、Z方向的剪力圖與彎矩圖，如下圖所示： Fy 445.81 187.36

8、x -500 Mz 180 90 108.67 x Fz 2000 x -532.91-1094.36Myx360 -634.73-720.00 由剪力圖及彎矩圖可知C點為危險點且：=742.1681.17A.根據第三強度理論校核（忽略剪力）：代入數據解得：B.由剛度對軸進行校核：利用圖乘法對各點進行剛度校核：(1)根據D點剛度計算軸徑，在D點分別沿y、z軸加一單位力有扭矩圖如下圖 Mz 180 90 108.67 x 0.58 0.74 0.92 Mz 0.18 0.14X =0.16=5.71=0.167=16.2 =0.09=8.1=0.12My 0.58 0.74 0.92 x-360

9、 -634.73-720.00 My 0.180.14 x=184.07=0.093=101.56=0.16=6.82=0.167=64.8=0.09=32.4=0.12（2）根據E點剛度計算軸徑，在E點分別沿y、z軸加一單位力,有彎矩圖如下: Mz 180 108.67 90 x Mz 0.125 X =31.51=0.08=17.39=0.06=5.71=0.04 My 0.58 0.74 0.92-360 -634.73 -720 Mz 0.125 X =184.07=0.08=101.56=0.06=6.82=0.04（3）根據C點剛度計算軸徑，在C點處加一單位力偶,有彎矩圖如下: M

10、z 180 108.67 90 x=31.51=17.39=5.71 My 0.58 0.74 0.92-360 -634.73 -720=184.07=101.56=6.82綜上所述：當時，計算B點的實際位移：（應用圖乘法） Mz 180 108.67 90 xMz0.15 0.04 X =3.75=0.1=14.24=0.095=13.53=0.077=17.39=0.02=5.71=0.013 My 0.58 0.74 0.92-360 -634.73 -720Mz0.15 0.04 X 0.2 0.58 0.74 =21.89=0.1=83.17 =0.095=79.01=0.077=

11、101.56=0.02=6.82=0.013C.疲勞強度校核：若不計鍵槽對抗彎截面系數的影響，則危險截面處抗彎截面系數： 由彎矩M不變可知該循環為對稱循環，則有： 查表確定銑加工的鍵槽危險截面處疲勞強度的影響系數：則：故E處滿足疲勞強度要求。2. 對超靜定情況進行校核由，故此軸為超靜定，且為一次靜不定。由變形協調條件可知： 。分別沿y、z軸加一單位力并作、及單位力的彎矩圖有： 0.146XMy0.146 X 并且已知： 代入上式有：Mz 0.15X Mz 0.15 X并且已知：代入上式有：從而求A、C點的支反力有：做剪力圖、如下所示： 701.26 255.45 X 3 500200028.9

12、8x532.472611.04做彎矩圖、如下圖所示：180 140.25 139.11 90Xx 360522.21720724.61所以上圖中C點為危險點A.第三強度理論校核有： 且 代入數據解得：B.由剛度對軸進行校核：利用圖乘法對各點進行剛度校核：(1)根據D點的剛度對主軸進行校核，分別沿Y、Z軸加一單位力得到如下圖所示彎矩圖： 0.1410.180.049 0.2 0.58 0.74 0.92X=14.025=0.0324=52.86=0.095=0.22=0.07967=22.26=0.1605=3.27=0.167=16.2=0.09=8.1=0.12 0.1410.180.049

13、 0.2 0.58 0.74 0.92X=52.221=0.03267=198.44 =0.095=38.46=0.11=115.2=0.1605=0.154=64.8=0.09=32.4 =0.12(2）根據E點的剛度對主軸進行校核，分別沿y、z軸加一單位力得到如下圖所示彎矩圖：0.125 0.043 0.2 0.58 0.74X=14.025=52.86=0.22=22.26=3.27=0.029=0.084=0.0703=0.063=0.0420.125 0.043 0.2 0.58 0.74X=52.221=198.44 =38.46=115.2=0.029=0.084=0.098=0

14、.063=0.083(3)根據C點剛度計算軸徑，在C點處加一單位力偶,有彎矩圖如下:=14.025=52.86=0.22=22.26=3.27=52.221=198.44 =38.46=115.2綜上所述：C.疲勞強度校核：若不計鍵槽對抗彎截面系數的影響，則危險截面處抗彎截面系數： 由彎矩M不變可知該循環為對稱循環，則有： 查表確定銑加工的鍵槽危險截面處疲勞強度的影響系數：則：故滿足強度條件。5 循環計算程序#include<stdio.h>#include<math.h>#define pi 3.141592654#define ip 0.017453292float

15、L1,L2,L3,a,b,A0,n,P,i,R,Fhy,Fhz,Fay,Faz,Fcy,Fdz,Fdy,Fcz,Fey,Fez,Me,Mby,Mbz,Mdy,Mdz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,Md,Mc,D1,D2,D3,D4,D,Xs,w,sjwyb,Fby=0,Fbz=0,nde=0.00035,ndd=0.00033,zjc=0.0028,wyb=0.00005;intpd=0;void zaihe()float Ft,Fr,An=20.0,Bn=10.0; Me=9549*P/n; Ft=Me/R; Fr=Ft*tan(An*ip)/(cos(Bn*ip); Fey=Ft*sin

16、(A0*ip)-Fr*cos(A0*ip); Fez=Ft*cos(A0*ip)+Fr*sin(A0*ip); Mdy=Fhz*b; Mdz=Fhy*b;void waili() Fay=(Fhy*L3+Mdz-Fey*a-Fby*L2)/(L1+L2); Fcy=(-Fhy*(L1+L2+L3)-Mdz-Fey*(L1+L2-a)-Fby*L1)/(L1+L2); Faz=(-Fhz*L3-Mdy-Fez*a-Fbz*L2)/(L1+L2); Fcz=(Fhz*(L1+L2+L3)+Mdy-Fez*(L1+L2-a)-Fbz*L1)/(L1+L2); Mby=Fay*L1;Mbz=Faz*L

17、1; Mey=Fay*(L1+L2-a)+Fby*(L2-a);Mez=Faz*(L1+L2-a)+Fbz*(L2-a); Mcy=Fay*(L1+L2)+Fby*L2+Fey*a;Mcz=Faz*(L1+L2)+Fbz*L2+Fez*a;/*對于靜定情況B點受力為0*/void qiangdu()float wb,wc,we,temp;wb=sqrt(Mby*Mby+Mbz*Mbz);wc=sqrt(Mcy*Mcy+Mcz*Mcz);we=sqrt(Mey*Mey+Mez*Mez);if (wb>wc&&wb>we)w=wb;else if (wc>wb&a

18、mp;&wc>we)w=wc;else w=we;temp=32*sqrt(w*w+Me*Me)/(pi*(1-i*i*i*i)*yl);D1=pow(temp,0.3333333333333333333)/100;void naodu()float sum1,sum2,sum,mid1,mid2,mid3,sb=0.6666666667,dsb=0.333333333333;mid1=L1*L3/(L1+L2);mid2=(L1+(L2-a)*Mby/(Mby-Mey)*L3/(L1+L2);mid3=L3*(L1+L2-a)/(L1+L2);if (pd=0)sum1=0.5

19、*(L1+L2-a)*Mey*sb*mid3;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez*sb*mid3;elsesum1=0.5*L1*Mby*sb*mid1;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby)*(dsb*(mid2-mid1)+mid1);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey*(sb*(mid3-mid2)+mid2);sum2=0.5*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=Mbz*(L2-a)*0.5*(mid1+mid3);sum2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz)*(sb*(mid3-mid1)+mid1);sum1+

20、=Mey*a*0.5*(mid3+L3);sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*(sb*(L3-mid3)+mid3);sum1+=Mdz*L3*0.5*L3;sum1+=0.5*L3*(Mcy-Mdz)*sb*L3;sum2+=Mez*a*0.5*(mid3+L3);sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*(sb*(L3-mid3)+mid3);sum2+=-Mdy*L3*0.5*L3;sum2+=0.5*L3*(Mcz+Mdy)*sb*L3;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D2=sum/(E*Xs*ndd);D2=pow(D2,0.25); void

21、naodue()float sum1,sum2,sum,top,mid1,mid2,sb=0.6666666667,dsb=0.333333333333;top=a*(L1+L2-a)/(L1+L2);mid1=L1*a/(L1+L2);mid2=(L1+Mby/(Fay-Fby)*a/(L1+L2);if (pd=0)sum1=0.5*(L1+L2-a)*Mey*sb*top;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez*sb*top;elsesum1=0.5*L1*Mby*sb*mid1;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby)*(dsb*(mid2-mid1)+mid1);

22、sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey*(sb*(top-mid2)+mid2);sum2=0.5*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=Mbz*(L2-a)*0.5*(mid1+top);sum2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz)*(sb*(top-mid1)+mid1);sum1+=Mey*a*0.5*top;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*dsb*top;sum2+=Mez*a*0.5*top;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*dsb*top;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D3=sum/(E*X

23、s*nde);D3=pow(D3,0.25);void zhuanjiaoc()float sum1,sum2,sum;if (pd=0)sum1=0.5*(L1+L2-a)*Mey;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez;elsesum1=0.5*L1*Mby;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey;sum2=0.5*L1*Mbz;sum2+=Mbz*(L2-a);sum2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz);sum1+=Mey*a;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey);sum2+=Mez

24、*a;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez);sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D4=sum/(E*Xs*zjc);D4=pow(D4,0.25); void weiyi()float sum1,sum2,sum,rat,sb=0.666666667,top,mid;rat=L1/(L1+L2-a);top=L1*L2/(L1+L2);mid=top*a/L2;sum1=0.5*L1*rat*Mey*sb*top;sum1+=rat*Mey*(L2-a)*0.5*(top+mid);sum1+=0.5*(L2-a)*(1-rat)*Mey*sb*(top-mid)

25、;sum1+=Mey*a*0.5*mid;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*sb*mid;fzby=sum1;sum2=0.5*L1*rat*Mez*sb*top;sum2+=rat*Mez*(L2-a)*0.5*(top+mid);sum2+=0.5*(L2-a)*(1-rat)*Mez*sb*(top-mid);sum2+=Mez*a*0.5*mid;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*sb*mid;fzbz=sum2;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);sjwyb=sum/(E*D*D*D*D*Xs); printf("B點的實際位移：

26、S=%fmn",sjwyb);voidfuzhi() /*此時應該判定為超靜定，求出B點受力帶入上面的函數進行判斷，得出超靜定的直徑D*/float gg,mid,sb=0.666666667;mid=L1*L2/(L1+L2);gg=0.5*sb*mid*mid*(L1+L2);Fby=(fzby-wyb*E*D*D*D*D*Xs)/gg;Fbz=(-fzbz-wyb*E*D*D*D*D*Xs)/gg;pd=1;voidmain()int pd=0; printf(" 輸入原始數據:n"); scanf("%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f

27、,%f,%f,%f,%f",&L1,&L2,&L3,&a,&b,&R,&A0,&n,&P,&i,&Fhy,&Fhz); printf(" 所輸入數據為:nL1=%fm,L2=%fm,L3=%fm,a=%fm,b=%fm,R=%fm,A0=%fn",L1,L2,L3,a,b,R,A0); printf("n=%fr/min,P=%fKW,d/D=%f,Fhy=%fN,Fhz=%fNn",n,P,i,Fhy,Fhz); Xs=pi*(1-i*i*i*i)

28、/64; zaihe(); waili(); printf("各點受力及力矩（靜定）：n"); printf("各點外力（靜定）：nA點：Fay=%fN Faz=%fNtB點：Fby=%fN Fbz=%fNtE點：Fey=%fN Fez=%fNnC點：Fcy=%fN Fcz=%fNn",Fay,Faz,Fby,Fbz,Fey,Fez,Fcy,Fcz); printf("各點力矩（靜定）：nB點：Mby=%fN.m Mbz=%fN.mtE點：Mey=%fN.m Mez=%fN.mnC點：Mcy=%fN.m Mcz=%fN.mtD點：Mdy=%fN

29、.m Mdz=%fN.mn",Mby,Mbz,Mey,Mez,Mcy,Mcz,Mdy,Mdz); qiangdu(); printf("第三強度理論校核：D1=%fmn",D1);D=D1; naodu(); printf("根據D點剛度校核：D2=%fmn",D2); if(D<D2) D=D2; naodue(); printf("根據E點剛度校核：D3=%fmn",D3); if(D<D3) D=D3; zhuanjiaoc(); printf("根據C點剛度校核：D4=%fmn",D4

30、); if(D<D4) D=D4; printf("確定空心圓軸外徑：D=%fmn",D); weiyi(); if(sjwyb<=wyb) printf("可判定此結構為靜定結構n"); else printf("可判定此結構為超靜定結構n"); fuzhi(); waili(); printf("各點受力及力矩（超靜定）：n"); printf("各點外力（超靜定）：nA點：Fay=%fN Faz=%fNnB點：Fby=%fN Fbz=%fNnE點：Fey=%fN Fez=%fNnC點：Fcy=%fN Fcz=%fNn",Fay,Faz,Fby,Fbz,Fey,Fez,Fcy,Fcz,Fdy,Fdz); printf("各點力矩（超靜定）：nB點：Mby=%