1、材料力学课程设计题目传动轴静强度、变形及疲劳强度 姓名 吴嘉圣 学院 汽车工程学院 班级 421002 学号 42100210 日期 2012 年 9 月 11 日 目 录一、材料力学课程设计的目的 .1二、材料力学课程设计的任务和要求 .1三、设计题目（传 动 轴 静 强 度 、 变 形 及 疲 劳 强 度 计 算 ） 2四、受力简图及轴径选择 .3五、挠度计算 .5六、疲劳校核 .6七、心得体会 .10八、参考文献 .10九、附：计算程序 .10一、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
2、， 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 利 用 材 料力 学 知 识 解 决 工 程 实 际 问 题 的 目 的 。 同 时 ， 可 以 是 同 学 将 材 料 力 学 的 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 应 用 ， 又 为 后 续 课 程
3、（ 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 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 要 结 合起 来 。4. 综 合 运 用 以 前 所
4、 学 的 各 门 课 程 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 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 的 全 部 的 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
5、分 析 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 计 算 结 果 ， 并 完 成 设 计 计 算 说 明 书 。三、设计题目（传 动 轴 静 强 度 、 变 形 及 疲 劳 强 度 计 算 ）1) 设计题目（7.6.1）传 动 轴 的 材 料 均 为 优 质 碳 素 结 构 钢 （ 牌 号 45） ， 许 用 应 力 ， 经 高 频 淬80MP火 处 理 ， ， ， 。 磨 削 轴 的 表 面 ， 键 槽 断650bMPa130Pa1a面 均 为 端 铣 加 工 ， 阶 梯 轴 过 渡 圆
6、弧 均 为 ， 疲 劳 安 全 系 数 。r2m2n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 。4. 计 算 齿 轮 处 轴 的 挠 度 （ 均 按 直 径 的 等 直 杆 计 算 ） 。15. 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 作 必 要 的 说 明 。说 明 ：（ 1） 齿 轮 上 的 力 均 与 节 圆 相 切 。F（ 2
7、） 为 直 径 为 的 带 轮 传 递 的 功 率 ， 为 直 径 的 带 轮 传 递 的 功 率 。 为 小 带PD1P1D1G轮 的 重 量 ， 为 大 带 轮 的 重 量 。2G D1D2PF11aa图 1- 1 传动轴力学简图 4234aa 图 1- 2 传动轴零件图为 静 强 度 条 件 所 确 定 的 轴 径 ， 以 为 单 位 ， 并 取 偶 数 。 设1m312241.2) 设计计算数据 29.4PkW1870/minrD132605GN1370am四、受力简图及轴径选择118.9549700.6ePMnNm22 .441.58e而 ，2ee所 以 ， 1290.56MNm故
8、可 得 弯 矩 图 1-4因 此 ， 2.35.09eFD1.46276.eN20.587145.8eMFD对 于 平 面xy单 独 作 用 时 如 图 1-5cosF单 独 作 用 时 如 图 1-613G单 独 作 用 时 如 图 1-72图 1- 3 受力简图图 1- 4图 1- 5图 1- 6图 1- 73a 5aMx290.562 401.058x4a 5aMFcosx1354.953a3a 5aMG1+3F1x1756.944a 4a4a 5aMG2x420.00ayxzFyFzMeMe1 Me2G1+3F13F2G2D对 于 平 面xz单 独 作 用 时 如 图 1-8sinF单
9、 独 作 用 时 如 图 1-923合 力 矩 和 方 向 分 别 如 图 1-10、xyz图 1-11故 危 险 点 为 点 ,（ 4a 点 处 ）D24.76yzMNm0158Dx对 于 等 直 轴 ， 由 第 三 强 度 理 论 知23rDxWd故 有23DxM所 以2336475.1.806Dxdm故 等 直 轴 直 径 取 。图 1- 8图 1- 9图 1- 10图 1- 113a 5aMzx1756.944a 4a1354.9534205aMyx2406.348a 4a782.282MFsinx782.282a 4a5aM3F2x2406.348a 4a五、挠度计算(图层法)1Mz
10、 xa4挠 度 计 算在 面 内xy212(354.92.11406.382)140769icAMfEIaaaaEIm在 平 面 内xz212(78.23.11406.8)37.51.9icAMfIaaEaEIm所 以 合 挠 度 22.647.180AyAzff1Mya4a图 1- 12图 1- 13图 1- 14图 1- 15六、疲劳校核1) 校核的相关数据， ， ， 过 渡 圆 弧 ， 安 全 系 数650bMPa130Pa15MPa2rm。2n2) 校核类型的确定校 核 的 轴 有 键 槽 、 轴 肩 ， 这 些 部 位 易 引 起 应 力 集 中 ， 故 易 形 成 疲 劳 裂 纹
11、， 故 需 要校 核 。 共 七 处 。图 1- 16由 传 动 轴 的 工 作 特 点 知 ， 其 处 于 弯 扭 组 合 的 交 变 应 力 状 态 ， 其 中 弯 曲 正 应 力 按对 称 循 环 变 化 ， 切 应 力 按 脉 动 循 环 变 化 。对 于 弯 曲 正 应 力 maxmaxinzMWin1rmaxin2ia交 变 扭 转 切 应 力 及 其 循 环 特 征,maxaxpMWin0rmaxin2iaaa2aa1 2 3 4 5 6 756.261.86851.151.1有效应力集中系数（ 材 料 力 学 第 二 版 ）1 2 3 4 5 6 7k1.76 1.80 1.6
12、0 1.76 1.65 1.92 1.761.54 1.35 1.21 1.54 1.24 1.47 1.540.88 0.84 0.84 0.84 0.84 0.84 0.880.81 0.81 0.78 0.78 0.78 0.78 0.812.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.53) 相关计算公式弯 曲 对 称 循 环 ： 1maxnk扭 转 脉 动 循 环 ： 1a弯 扭 组 合 交 变 应 力 下 的 安 全 系 数 ： 2n4) 各点校核对 于 点 ， ， （ 查 表 所 得 ） 该 点 不 受 弯 曲 正 应 力 ， 只 受 扭135.9Wcm31.5pc转切应力
13、。 因 此 为 扭 转 脉 动 循 环 。,axmax6202pMMPain0r点值系 数maxin25.6012.3MPaia1 514.259.412.630.6308amnk 故 满 足 疲 劳 条 件 。对 于 点 ， ， 该 点 受 弯 曲 正 应 力2333.5.2zdWc3.74pWcm和 扭 转 切 应 力 。 （ 2 点在 a 处1222maxmaxin 6391.47.145.580yzzMMPa 1ax30814.25k,ma 69.5.9830p PaWin0rmaxin2.974Mai6a P1 157.8.32.9740.2694508amnk 22.41故 满 足
14、 疲 劳 条 件 。对 于 点 ， ， 该 点 受 弯 曲 正 应 力3333.7.zdWcm314.56pWc和 扭 转 切 应 力 。 2223maxmaxin 65.90.15.08673yzzMMPa 1max302.385.61.2584nk,ax 69970pMMPaWmin0raxin9.8752a1 1521.539.29.870.9870amnk222.53381 故 满 足 疲 劳 条 件 。对 于 点 ， ， （ 查 表 所 得 ） 该 点 受 弯 曲 正 应 力 和 扭 转 切43.zWc37.pc应 力 。 2224maxmaxin 615.948.931.0yzzM
15、MPa 1ax3076.2584k,max6590p PaW0r1115.37.4.30.02578amnk故 满 足 疲 劳 条 件 。对 于 点 ， ， 该 点 受 弯 曲 正 应5333.1.zdcm 324.5pWc力 和 扭 转 切 应 力 。 2225maxmaxin 668.713.08.36yzzMMPaW 1ax30.094.61.2584k,max 60p Pain00rmaxin8.172MPaia1525.78.48.170.120amnk2 25.79 故 满 足 疲 劳 条 件 。对 于 点 ， ， 该 点 受 弯 曲 正 应6333.140.71zdWcm 324
16、.5pWc力 和 扭 转 切 应 力 。 2226maxmaxin 60.179yzzMMPa 1ax303.97.9.5284nk,max 6.1.20pMPaWin0rmaxin8.172aiaMP152.18.478.10.720amnk 2 2.39.6.故 满 足 疲 劳 条 件 。对 于 点 ， ， （ 查 表 所 得 ） 该 点 不 受 弯 曲 正 应 力 ， 只 受735.Wc31.5pcm扭 转 切 应 力 。 因 此 为 扭 转 脉 动 循 环 。,maxax640.8.7pMMPain0rmaxin17.432MPamaxin17.432MPa11502970.08amn
17、k 故 满 足 疲 劳 条 件 。 综 上 所 述 ， 该 轴 满 足 疲 劳 强 度 要 求 。七、心得体会通 过 本 次 的 材 料 力 学 设 计 ， 我 充 分 的 认 识 到 了 自 己 知 识 点 的 不 足 ， 以 及 对 于 实际 应 用 的 缺 陷 。 这 次 课 程 设 计 很 好 的 锻 炼 了 我 的 实 践 能 力 ， 并 且 将 C 语 言 和 传 统 的 解 题方 法 相 结 合 ， 可 以 大 大 的 提 高 解 题 效 率 和 避 免 无 意 义 的 重 复 运 算 。 通 过 这 次 的 设 计 ，更 加 认 识 到 对 于 知 识 点 融 会 贯 通 的
18、重 要 性 以 及 对 于 新 技 术 新 方 法 善 于 接 纳 。八、参考文献 材 料 力 学 聂 毓 琴 孟 广 伟 机 械 工 业 出 版 社 2004.2 材 料 力 学 实 验 与 课 程 设 计 聂 毓 琴 吴 宏 机 械 工 业 出 版 社 2006.6 C 程 序 设 计 （ 第 四 版 ） 谭 浩 强 清 华 大 学 出 版 社 2010.10九、附：计算程序#include#includemain()float P,P1,n,D,D1,D2,G2,G1,a,ang,xu;float Me2,Me1,Me;float F2,F1,F;float Mfcos,Mg13f1,M
19、g2,Mfsin,M3F2,Md,Mdx,d;long double E,I,fay,faz,fa;int d0,d1,d2,d3,d4,number;float t1,k2,e2,b,ta,u,wp1;float q1,tm,n2,e1,k1,n1,n12,w,q;printf(“input P=“);scanf(“%f“,printf(“input P1=“);scanf(“%f“,printf(“input n=“);scanf(“%f“,printf(“input D=“);scanf(“%f“,printf(“input D1=“);scanf(“%f“,printf(“input
20、D2=“);scanf(“%f“,printf(“input G2=“);scanf(“%f“,printf(“input G1=“);scanf(“%f“,printf(“input a=“);scanf(“%f“,printf(“input ang=“);scanf(“%f“,printf(“input xu=“);scanf(“%f“,printf(“%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%fn“,P,P1,n,D,D1,D2,G2,G1,a,ang);Me1=9549*P1/n;Me2=9549*P/n;Me=Me2-Me1;F=Me/D2*2*1000;F1=Me1/
21、D1*2*1000;F2=Me2/D*2*1000;printf(“%f,%f,%f,%f,%f,%fn“,Me2,Me1,Me,F2,F1,F);Mfcos=a/1000*F*cos(ang/180*3.1415926);Mg13f1=0.666666667*(G1+3*F1)*a/1000;Mg2=G2*a/1000;Mfsin=(F*a/1000)*sin(15.0/180.0*3.1415926);M3F2=3*F2*a/1000;Md=sqrt(Mg2*Mg2+M3F2*M3F2);Mdx=Me1+Me;d=pow(32/3.1415926/xu/1000/1000*sqrt(Md*
22、Md+Mdx*Mdx),0.33333333333);d0=d;d2=d0/1.21;d3=d0/1.1;d4=d0/1.21/1.1;printf(“the available d is d0=%dn“,d0);printf(“d=%fn“,d);E=200.00*1000*1000*1000;I=3.1415926*d*d*d*d/64.000;fay=(0.5*(a/1000)*(a/1000)*Mfcos*0.66666667+Mfcos*(a/1000)*(a/1000)-0.75*(a/1000)*( a/1000)*Mg13f1+0.5*(a/1000)*(a/1000)*Mg2
23、)/(E*I);printf(“fay=%fn“,fay);faz=(a/1000.0)*(a/1000.0)*0.33333333*Mfsin+(a/1000.0)*(a/1000.0)*Mfsin+(a/1000.0)*(a /1000)*0.5*M3F2)/(E*I);printf(“faz=%fn“,faz);fa=sqrt(fay*fay+faz*faz);printf(“fa=%fn“,fa);printf(“please put in the points number “);scanf(“%f“,if(number=1|number=7) printf(“input t1=“)
24、;scanf(“%f“,printf(“input k2=“);scanf(“%f“,printf(“input e2=“);scanf(“%f“,printf(“input b=“);scanf(“%f“,printf(“input ta=“);scanf(“%f“,printf(“input u=“);scanf(“%f“,printf(“input wp1=“);scanf(“%f“,tm=0.5*(Me/wp1);n2=t1/(k2/e2/b*ta+u*tm);if(n2=2.000) printf(“it is safe“);else printf(“it is not safe“)
25、;elseswitch(number)case2: wp1=3.1415926*(d2)*(d2)*(d2)/16.0;w=wp1/2.0;q=0.5*sqrt(Mfcos*Mfcos/4.0+Mfsin*Mfsin/4.0)/w;tm=0.5*(Me/wp1);break;case3: wp1=3.1415926*(d3)*(d3)*(d3)/16.0; w=wp1/2.0;q=sqrt(370.821*370.821+275.525*275.525)/w;tm=0.5*(Me/wp1);break;case4: wp1=17.7;w=8.18;q=sqrt(330.693*330.693+
26、616.046*616.046)/w;tm=0.5*(Me+Me1)/wp1);break;case5: wp1=3.1415926*d0*d0*d0/16.0;w=wp1/2.0;q=sqrt(79.635*79.635+729.535*729.535)/w;tm=0.5*(Me+Me1)/wp1);break;case6: wp1=3.1415926*d0*d0*d0/16.0;w=wp1/2.0;q=sqrt(245*245+421.53*421.53)/w;tm=0.5*(Me+Me1)/wp1);break;printf(“input q1=“);scanf(“%f“,printf(
27、“input e1=“);scanf(“%f“,printf(“input k1=“);scanf(“%f“,printf(“input t1=“);scanf(“%f“,printf(“input k2=“);scanf(“%f“,printf(“input e2=“);scanf(“%f“,printf(“input b=“);scanf(“%f“,printf(“input ta=“);scanf(“%f“,printf(“input u=“);scanf(“%f“,n1=q1*b*e1/k1/q;n2=t1/(k2/e2/b*ta+u*tm);n12=n1*n2/sqrt(n1*n1+n2*n2);if(n12=2.000) printf(“it is safe“);
