材料力学课程设计传动轴c-10

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，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（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[]80MP，经高频淬火处理，650bMPa，1300MPa，1155MPa。磨削轴的表面，键槽断面均为端铣加工，阶梯轴过渡圆弧r均为2mm，疲劳安全系数2n。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作必要的说明。说明：（1）齿轮上的力F均与节圆相切。（2）P为直径为D的带轮传递的功率，1P为直径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。D1D2P1PF22F22F1F1αFa2aaaD图1.1传动轴力学简图41234aa2aaφφφφφ图1.2传动轴零件图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2)设计计算数据80600200600150300600min/7000.111.1912211mmaNGNGmmDmmDmmDrnkwPkwP四、受力简图及轴径选择4.1传动轴的受力简图4.2扭矩图、弯矩图的求解4.2.1扭矩求解由题中所给条件可得：mNMMMmNnPMmNnPM5.1101.15095496.26095491211由计算结果可得弯矩图1.4：4.2.2弯矩求解1)利用上面求得的扭矩值可得传动轴所受的外力大小：NFDFMNFDFMNFDFM3.147324.100026.8682221111222）通过列方程组可分别求解出各个外力单独的作用在传动轴上时，传动轴在面xoy及面xoz在两固定铰链处的受力大小，然后根据具体的受力可得到各外力作用的弯矩图以及合弯矩图：①对于xoy面的弯矩图如下：图1.3传动轴受力简图图1.1弯矩图图1.2Fcosα单独作用的弯矩图yxzFcosɑFsinɑMe2Me1MeG1+3F13F2G2D3a5a110.5260.6xMx4a5aMFcosαx153.5a②对于xoz面的弯矩图如下：图1.3G1+3F1单独作用的弯矩图图1.4G2单独作用的弯矩图图1.9Fsinα单独作用的弯矩图图2.03F2单独作用的弯矩图图2.1各力共同作用的弯矩图3a5aMG1+3F1x1280.48a4a4a5aMG2x360aMFsinɑx870.6a4a5aM3F2x1563.3a4a3a5aMyx571.38a4a153.481349.34图1.8各力共同作用的弯矩图5axa3a870.541332.42Mz4.3等直轴轴径的设计由图1.8、图2.1以及图图1.4可知，点D（图1.3所示）即为轴的危险点，且mNMMMzDyDD8.150421.66634.1349222,2,max,，由第三强度理论得，mmMMdMMdMMWMMWxxxxr9.57][32][132][1][132222322223根据圆整取偶准则，取轴径mm581；五、齿轮处轴的挠度计算该问题的解题思路是采用图乘法进行计算并得出具体的计算结果：5.1xoy面：首先在齿轮处沿y轴作用一个竖直向下的作用力（如图2.2所示）：分析计算可得单位力的弯矩图（如图2.3）：已知E=200GPa，I=644d，联立图1.5、图1.6、图1.7、图1.8、2.3，根据图乘法计算齿轮处轴的挠度：mmaaaGaaFGaaFGaFaaaFEIEIMfciiy52.1]3132192)3(3221952)3(322132cos2332cos21[121111221图2.2齿轮处单位力的作用简图Myxa4aa图2.3单位力弯矩图5.2xoz面首先在齿轮处沿z轴负方向作用一个单位作用力（如图2.4所示）：分析计算可得单位力的弯矩图（如图2.5）：联立图1.9、图2.0以及图2.5根据图乘法计算齿轮处轴的挠度：mmaaFaaFaaaFEIEIMfciiz06.3]31332132sin2332sin21[122则合挠度为：mmfffyy42.322合六、传动轴的疲劳强度校核疲劳强度校核的相关数据如下：650bMPa，1300MPa，1155MPa，过渡圆弧2rmm，安全系数2n。6.1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，故需要校核的部位共七处（如图2.6）。图2.5单位力弯矩图1图2.4齿轮处单位力的作用简图4a5aMFcosαxaa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。（1）对于弯曲正应力：2,2,1,minmaxminmaxminmax22maxminmaxamzyrWMMWM（2）交变扭转切应力及其循环特征2,2,0,0,minmaxminmaxminmax,maxamPxrWM6.2影响构件持久极限的因素参数值下表是各疲劳校核点（图2.6中点1～7处）所对应的有效应力集中系数、尺寸系数以及表面质量系数。aa2aa1234567φ347.9φ252.7φ158φ443.6φ443.6图2.6疲劳点标注示意图1234567k1.811.651.701.811.732.051.81k1.611.351.381.621.421.411.610.840.840.840.810.810.840.840.780.780.780.760.760.780.782.52.52.52.52.52.52.56.3相关计算公式（1）弯曲对称循环：1maxnk（2）扭转脉动循环：1amnk（3）弯扭组合交变应力下的安全系数：22nnnnn6.4各点的校核（1）对于1点，333327.1616,14.832cmdWcmdWPz（查表所得）该点不受弯曲正应力，只受扭转切应力，因此为扭转脉动循环。点值系数225.4940.3240.320,079.61027.165.1101minmaxminmaxmin6max,maxmaamPxknMPaMParMPaWM故1点满足疲劳条件。（2）对于2点，333327.1616,14.832cmdWcmdWPz，该点受弯曲正应力和扭转切应力。2点在12a处298.6254.5740.3240.320,079.603.730.541014.827.43574.76221minmaxminmaxminmax,maxmax1622222maxminmaxnnnnnknMPaMParMPaWMknMPaWMMWMmaamPxzzyz故2点满足疲劳条件。（3）对于3点，333358.2116,79.1032cmdWcmdWPz，该点受弯曲正应力和扭转切应力。205.4296.7456.2256.220,012.505.442.911079.1001.98674.27221minmaxminmaxminmax,maxmax1622323maxminmaxnnnnnknMPaMParMPaWMknMPaWMMWMmaamPxzzyz故点3处满足疲劳条件。（4）对于4点，333374.2816,37.1432cmdWcmdWPz，该点受弯曲正应力和扭转切应力。233.3274.8492.1292.120,084.333.389.1001037.1442.133238.571221minmaxminmaxminmax,maxmax1622424maxminmaxnnnnnknMPaMParMPaWMknMPaWMMWMmaamPxzzyz故点4满足疲劳条件。（5）对于5点，333374.2816,37.1432cmdWcmdWPz，该点受弯曲正应力和扭转切应力。293.4238.4053.4253.420,007.997.465.701037.1432.99916.179221minmaxminmaxminmax,maxmax1622525