1、吉林大学材料力学课程设计吉林大学材料力学课程设计设计题目： 车床主轴设计 数据序号: I5 班 级: 13 级汽车 9班 学 号: 42130910 姓 名: 余维刚 吉林大学材料力学课程设计目 录一 、 材 料 力 学 课 程 设 计 的 目 的 二 、 材 料 力 学 课 程 设 计 的 任 务 和 要 求三 、 设 计 题 目四 、 对 主 轴 静 定 情 况 校 核1. 根 据 第 三 强 度 理 论 校 核 2. 根 据 刚 度 进 行 校 核3. 疲 劳 强 度 校 核五 、 对 主 轴 超 静 定 情 况 校 核1. 根 据 第 三 强 度 理 论 校 核2. 根 据 刚 度 进
2、 行 校 核3. 疲 劳 强 度 校 核六 、 循 环 计 算 程 序七 、 课 程 设 计 总 结一、设计目的材料力学课程设计的目的是在于系统的学习材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学设计的基本原理和计算方法，独立计算工程中的典型零部件，已达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题的能力。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代的计算方法及手段融为一体。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；即把以前学到的知识综合的运用，又为以后的学习打下了基础，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。吉林大学材料力学课程设计1.使我们的
3、材料力学知识系统化，完整化。2.在系统的全面的复习的基础上，运用材料力学的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的知识和专业需要结合起来。4.综合运用以前所学的各门课程知识，是相关学科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方法，为以后打下基础。二、设计的任务和要求1.画出受力分析计算简图和内力图2.列出理论依据和导出的计算公式3.独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果4.完成设计说明书。三、设计题目车床主轴设计-某车床主轴尺寸及受力情况如图 1 所示。在 A、B、C 三个支座的中间支座 B 处，轴承与轴承座之间有间隙 ，正常
4、工作时，B 处轴承不起支撑作用，此时轴处于 A、C 两支座下的静定状态。当 B 截面处弯曲变形大于间隙 时，轴处于 A、B、C 三支座下的静不定状态。轴截面 E 处装有斜齿轮，其法向压力角为 ，螺旋角为 ，工作处的切削力有 Fx、Fy、Fz（在进行强度、刚度计算时，可以不计轴向力 Fx 的影响，而以弯曲、扭转变形为主）。轴的材料为优质碳素结构钢（45 钢） ，表面磨削加工，氮化处理。其他已知数据见表 1。1、 试按静定梁（A、C 支撑）的强度、刚度条件设计等截面空心圆轴外径 D(d/D 值可见数据表 2)，并计算这时轴上 B 截面处的实吉林大学材料力学课程设计际位移。2、 在安装齿轮的 E 截
5、面处有一铣刀加工的键槽，试校核此截面处的疲劳强度。规定的安全系数 n=3（ =420 ， =240 ） 。1aMP1a3、 对静不定情况（A、B、C 支撑） ，同时根据强度、刚度条件设计外径 D，并用疲劳强度理论校核。表 1：)()(m/MPa/mfD/fE/radc/20 10 0.5 410150 3.3 4103.5 4100.0028注意：设计中不考虑轴的旋转静定要求和热变形的影响，并且将各轴承视为刚体，且不产生刚体位移，不考虑制造工艺和尺寸链等因素。表 2：（设计计算数据表 I5）数据1l/m2l/m3/mA/mB/mR/m( )n/(r/min)P/kwDdyHF/NZ/N5 0.
6、15 0.51 0.14 0.12 0.16 0.12 45 400 5.2 0.65 4000 2400图一：吉林大学材料力学课程设计1.对主轴静定情况校核由公式可知 Me=9549 = =124.14N*min/rkwp954.20mF = = =1034.50NtMeR12.由斜齿轮受力分析得： F = =382.33Nrtancos则有：F =F sin -F cos =461.14NyEtrF =F cos +F sin =1001.82NZtr由图 1 受力分析求支座反力 F 、F 、F 、F ：AyzCyz123()()()0CzAyEHMlalb吉林大学材料力学课程设计F =1
7、734.33NAy1112223() )()( 0)zCyEyHyMlFlaFlbF =-6195.51Ny231() (0)CAzEzHzllbF =908.76Nz212231 1() ()(0) )AyCzEzHzMlFlallbF =-4310.58NCz根据已知分别作出 Y、Z 方向的剪力图与弯矩图，如下图所示：吉林大学材料力学课程设计由剪力图及弯矩图可知 c 点为危险点且：N*2107139.4McmMe=124.14 N*ma.根据第三强度理论设计：且 Wer23c)1(324DW代入数据解得： 214.80Dmb.由刚度对轴进行设计：利用图乘法 :1niciMEIA1)根据 D
8、 点刚度计算轴径，在 D 点分别沿 y、z 轴加一单位力有弯矩图如下图吉林大学材料力学课程设计1210.54936.0.8.263.401292DyfEI(.8.).1.54.5.20.146.EI120.18.40.549.730.18.249732 2DzfEI 4.(.) 吉林大学材料力学课程设计123.950.4360.142EIE=2102 47.10DyDzDfffmPa910I= 44(1)0.69452.310226.52) 根据 E 点刚度计算轴径，在 E 点分别沿 y、Z 轴加一单位力有弯矩图如下图 1210.549836.540.98.120936.542EyfI1.79
9、36EI吉林大学材料力学课程设计1210.549840.73.9840.73122EzfI .62.(7.).EI2 448903.510EyEzfffm即： 49410D解得： 235.8103）根据 C 点刚度计算直径，在 C 点处加一单位力偶得如下图所示弯矩图：吉林大学材料力学课程设计1 137.694936.5401(936.54120).2cyEI EI 1 120.30.549.731(490.732).2CzEI EI 6.8cyzCI即： 94.10.220D解得： 426.5m综上所述：D=maxD 、D 、D 、D =6.51123421m当 D= 6.51 m 时，用合成
10、法计算 B 点的实际位移：20E 点单独作用时 B 点的挠度 ：BEfa): ;461.8yFN带入数据得： 22.01.60.10.54xv xI所以： ；3ByfEH 点单独作用时 B 点的挠度 ：BHf;40yFN吉林大学材料力学课程设计带入数据得: ;240.360.66xvxEI所以： ；187Byf= ;1f.92vI同理：b): ;0.8EzFN带入数据得: ；221.20.60.10.546xv xEI所以： ； Bzf；240HzFN带入数据得: ；20.360.66xvxEI所以： ；12Bzf= ；2f9.45vI故： 2 41 9240.720.71.3014(65)B
11、EBff mEI 因为 ，所以此轴为超静定轴。44.3.5fm2.疲劳强度校核:若不计键槽对抗弯截面系数的影响，则危险截面处抗弯截面系数：3453(1)2.610DWm由弯矩 M 不变可知该循环为对称循环，则有：22maxin 5490.73.47.5061PaMaax34589(1)26xPDW吉林大学材料力学课程设计查表确定铣加工的键槽危险截面处疲劳强度的影响系数：60.1K8.1 75.073.08则： 1max420.49.67.58MPan1max 60.1.2.9073KPa2.4nn 故 E 处满足疲劳强度要求。二、对超静定情况进行设计由 ，故此轴为超静定，且为一次静不定。由变4
12、40.511.30Bmfm形协调条件可知： 。分别沿 y、z 轴加一单位力并作 、 、及Ff ByFz单位力的弯矩图有： 12120.5160.6.506.1233FBy By Byf FFEI ，又 ；代入上式有： 3496.5N 0.293ByI794yFI7942.3ByEI吉林大学材料力学课程设计12120.5160.6.506.1233FBz Bz Bzf FFEI ，又 ；代入上式有： 623.76N0.293BzI94zFI94.23BzEI从而求得 A、C 点的支反力有：；1223()()()0yyByEyHMllaFlb得： =-967.473NAF；12112123()()
13、()()0yCyByEHylllllb 得： =-6990.1N;1223()()()0CzAzBzEzHzMFlFlalb得： =426.761Nz；12112123()()()()0AzCzBzEzHzlllFllb 得： =-4452.4NzF由前面的计算可以发现，设计直径只需考虑 D 点的强度即可。使用单位载荷法，在 D 点加一单位载荷，做弯矩图 、 如下图所示：yMz吉林大学材料力学课程设计10.15210.54.2841.05.70.542623DyfEI.46. 37.60.18. . 210.1.5402.54132081. 018.2.66；.4.37EI吉林大学材料力学课程
14、设计0.39.1510.1520.564.46.09.142 6DzfEI 20.2.3.5.391.14.2.14066 1.54. 0.4.317206.027302；9.3EIE=2102 48.573.10DyDzDfffmEIPa910I= 44(1)0.6D2.08m所以该轴半径应为 60.8mm3）疲劳强度校核：查机械手册得到： 则：60.1K8.75.03.8.1；3453(1).2DWm吉林大学材料力学课程设计maxin5978.2061.3413MMPaWax.XPa；1max4205.806.61.3758nK； 1max 4.03；故满足强度条件。25.7nMATLAB
15、 运行程序如下所示：l1=input(请输入 l1的值（单位 m）:);l2=input(请输入 l2的值（单位m）:);l3=input(请输入 l3的值（单位m）:);a=input(请输入a的值（单位 m）:);b=input(请输入b的值（单位 m）:);R=input(请输入R的值（单位 m）:);theta=input(请输入theta的值（单位du）:);n=input(请输入n的值（单位 r/min）:);P=input(请输入P的值（单位 kw）: );alpha=input(请输入d/D的值（单位 1）:);FHy=input(请输入FHy的值（单位N ）:);FHz=in
16、put(请输入FHz的值（单位N ）:);Me=9549*P/nFt=Me/RFr=Ft*tan(20/180*pi)/cos(10/180*pi)FEy=Ft*sin(theta/180*pi)-Fr*cos(theta/180*pi)FEz=Ft*sin(theta/180*pi)+Fr*cos(theta/180*pi)FAy=(FHy*(l3+b)-a*FEy)/(l1+l2)FCy=-(FEy*(l1+l2-a)+FHy*(l1+l2+l3+b)/(l1+l2)FAz=(FHz*(l3+b)-FEz*a)/(l1+l2)FCz=-(FHz*(l1+l2+l3+b)+FEz*(l1+l
17、2-a)/(l1+l2)Mc=sqrt(l1+l2)*FAy+FEy*a)2+(l1+l2)*FAz+FEz*a)2)W=sqrt(Mc2+Me2)/(1.5*108)吉林大学材料力学课程设计D1=(32*W/(pi*(1-alpha4)(1/3)E=2.1*1011;m1=l3*(l1+l2-a)/(l1+l2);m2=FAy*(l1+l2-a);m3=FAy*(l1+l2)+FEy*a;m4=l1+l2-l3;m5=m1+(l3-m1)*2/3;m6=m3*b/(b+l3);m7=a*(l1+l2-a)/(l1+l2);y1=0.5*m4*m2*2/3*m1+0.5*a*(m3-m2)*m
18、5+0.5*(m1+l3)*a*m2+0.5*l3*(m3-m6)*.l3*2/3+l3*(m3-m6)*l3*0.5n1=FAz*(l1+l2)+FEz*a;n2=FAz*(l1+l2-a);n3=n1*b/(b+l3);y2=0.5*m4*n2*2/3*m1+a*n2*(m1+l3)/2+0.5*a*(n1-n2)*(2*l3-m1)/3+.l3*n3*l3*0.5+0.5*l3*(n1-n3)*2/3*l3y3=sqrt(y12+y22)I=y3/(3.3*10(-4)*E);D2=(64*I/pi/(1-alpha4)0.25y3=0.5*m4*m7*m2*2/3+1/3*m7*0.5
19、*a*(m3-m2)+m2*a*m7*0.5y4=0.5*m4*m7*2/3*n2+0.5*m7*n2*a+0.5*a*(n1-n2)*m7*1/3y5=sqrt(y32+y42)I1=y5/(3.5*10(-4)*E);D3=(64*I1/pi/(1-alpha4)0.25y6=0.5*m2*m4+(m2+m3)*a*0.5y7=0.5*m4*n2+(n1+n2)*a*0.5y8=sqrt(y62+y72)I2=y8/(E*2.8*10(-3);D4=(64*I2/pi/(1-alpha4)0.25Z1=max(D1,D2);Z2=max(D3,D4);disp(静定状态最终半径应设计为：)
20、D=max(Z1,Z2)I3=pi*D4*(1-alpha4)/64x1=-FEy*a*l1*(l1+l2)2-l12-a2)/(6*(l1+l2)x2=-FEz*a*l1*(l1+l2)2-l12-a2)/(6*(l1+l2)x3=FHy*(l3+b)*l1*(l1+l2)2-l12)/(6*(l1+l2)x4=FHz*(l3+b)*l1*(l1+l2)2-l12)/(6*(l1+l2)x5=x1+x3x6=x2+x4x7=sqrt(x52+x62)吉林大学材料力学课程设计fb=x7/(E*I3)if(fb3)disp(E处满足疲劳强度要求 )elsedisp(E处不满足疲劳强度要求 )en
21、dh1=l1*l2/(l1+l2)h2=0.5*l1*h1*2/3*h1+0.5*l2*h1*h1*2/3z=5*10(-5);FBy=(x5-z*E*I3)/h2FBz=(x6-z*E*I3)/h2FAy=(FHy*(l3+b)-a*FEy-FBy*l2)/(l1+l2)FCy=-(FHy*(l1+l2+l3+b)+FEy*(l1+l2-a)+FBy*l1)/(l1+l2)FAz=(FHz*(l3+b)-a*FEz-FBz*l2)/(l1+l2)FCz=-(FHz*(l1+l2+l3+b)+FEz*(l1+l2-a)+FBz*l1)/(l1+l2)Q=FBy*l1/(FAy+FBy)P=2*
22、Q-l1R=FAy*m4+FBy*(l2-a)j1=FAy*l1*0.5*l1/m4*m1*2/3+(R+FAy*l1)*0.5*(m4-P)*.(m4-P)*2/3+P)*m1/m4-FAy*l1*(m4-P)*(m4-P)*0.5+P)*m1/m4+.0.5*(m3-R)*a*(2*a/3+m4)*l3/(l1+l2)+R*a*(0.5*a+m4)*l3/(l1+l2)+.(l3+b)*m3*0.5*(l3-(l3+b)/3)R1=FAz*m4+FBz*(l2-a)w1=l1+l2;w2=FAz*l1;w3=l2-a;j2=0.5*l1*w2*l1/w1*l3+w2*w3*l3*(l1+0
23、.5*w3)/w1+0.5*w3*(R1-w2)*l3*.(l1+2*w3/3)/w1+R1*a*(m4+0.5*a)*l3/w1+0.5*a*(n1-R1)*l3*(m4+2*a/3)/w1+.吉林大学材料力学课程设计n1*0.5*l3*(l3-(l3+b)/3)j3=sqrt(j12+j22)I4=j3/(3.3*10(-4)*E);D5=(64*I4/pi/(1-alpha4)0.25W=pi*D53*(1-alpha3)/32M=sqrt(R2+R12)sigma=M/W/106tau=0.5*Me/W/106nsigma=420*0.75*1.8/1.6/sigmantau=240*
24、0.73*1.8/1.88/taun=ntau*nsigma/sqrt(ntau2+nsigma2)if(n3)disp(满足疲劳强度要求)elsedisp(不满足疲劳强度要求)end输出结果为： cllxkcsj请输入 l1 的值（单位 m）:0.15请输入 l2 的值（单位 m）:0.51请输入 l3 的值（单位 m）:0.14请输入 a 的值（单位 m）:0.12请输入 b 的值（单位 m）:0.16请输入 R 的值（单位 m）:0.12请输入 theta 的值（单位 du）:45请输入 n 的值（单位 r/min）:400请输入 P 的值（单位 KW）:5.2请输入 d/D 的值（单位
25、 1）:0.65请输入 FHy 的值（单位 N）:4000请输入 FHz 的值（单位 N）:2400吉林大学材料力学课程设计Me =124.1370Ft =1.0345e+03Fr =382.3265FEy =461.1386FEz =1.0018e+03FAy =1.7343e+03FCy =-6.1955e+03FAz =908.7582FCz =-4.3106e+03Mc =1.3994e+03W =9.3662e-06D1 =0.0488y1 =44.1238y2 =23.9551y3 =50.2071D2 =0.0651y3 =21.9727y4 =11.6924y5 =24.890
26、0D3 =0.0538y6 =371.6937吉林大学材料力学课程设计y7 =200.2334y8 =422.1962D4 =0.0650静定状态最终半径应该设计为：D =0.0651I3 =7.2449e-07x1 =-0.8357x2 =-1.8156x3 =18.7773x4 =11.2664x5 =17.9416x6 =9.4508x7 =20.2785fb =1.3329e-04此轴为超静定轴接下来进行疲劳强度校核W =2.2256e-05sigma =47.5072tau =2.7888g1 =7.4594g2 =60.1486吉林大学材料力学课程设计g3 =7.4027E 处满足
27、疲劳强度要求h1 =0.1159h2 =0.0030FBy =3.4965e+03FBz =623.7608FAy =-967.4727FCy =-6.9901e+03FAz =426.7612FCz =-4.4524e+03Q =0.2074P =0.2648R =860.5342j1 =32.8469R1 =465.1825j2 =19.6129j3 =38.2568D5 =0.0608W =1.6027e-05M =978.2197sigma =61.0342吉林大学材料力学课程设计tau =3.8726nsigma =5.8062ntau =43.3153n =5.7547满足疲劳强度
28、要求附 MATLAB 截图对所取数据的理论根据作必要的说明本次课程设所取的数据均取于参考文献。（1）聂玉琴，孟广伟主编. 材料力学（第二版） 。机械公业出版社，2008。（2）刘卫国主编. MATLAB 程序设计与应用（第二版） 。高等教育出版社，2006。（3）张云辉主编，AutoCAD 实用教程。科学出版社，2005。（4）李金明，李金荣编著，photoshopCS5 完全自学教程。人民邮电出版社，吉林大学材料力学课程设计2010。四、课程设计总结本次课程设计涉及到了很多以前学习过的知识，包括材料力学、理论力学、AutoCAD、PS、Word、Mathtype、MATLAB 编程等，透过本次课程设计，使我能更熟练的运用所学内容解决实际问题。这次课程设计是我以前学习的一个阶段性总结，从中我看到了自己知识方面的不足以及学科综合的重要性。此后，我会更加扎实的学习所学课程并广泛涉猎其他学科，在提高专业知识水平的基础上进一步提高自己的综合素质。
