材料力学专业课程设计车床主轴.doc

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 目 录一、 材料力学课程设计目 二、 材料力学课程设计任务和规定三、 设计题目四、 对主轴静定状况校核1. 依照第三强度理论校核 2. 依照刚度进行校核3. 疲劳强度校核五、 对主轴超静定状况校核1. 依照第三强度理论校核2. 依照刚度进行校核3. 疲劳强度校核六、 循环计算程序七、 课程设计总结 一、设计目材料力学课程设计目是在于系统学习材料力学之后，能结合工程中实际问题，运用材料力学设计基本原理和计算办法，独立计算工程中典型零部件，已达到综合运用材料力学知识解决工程实际问题能力。同步，可以使咱们将材料力学理论和当代计算办法及手段融为一体。即从整体上掌握了基本理论和当代计算办法，又提高了分析问题，解决问题能力；即把此前学到知识综合运用，又为后来学习打下了基本，并初步掌握工程中设计思想和设计办法，对实际工作能力有所提高。1. 使咱们材料力学知识系统化，完整化。2. 在系统全面复习基本上，运用材料力学知识解决工程中实际问题。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和专业需要结合起来。4. 综合运用此前所学各门课程知识，是有关学科知识有机联系起来。5. 初步理解和掌握工程实践中设计思想和办法，为后来打下基本。二、设计任务和规定1. 画出受力分析计算简图和内力图2. 列出理论根据和导出计算公式3. 独立编制计算机程序，通过计算机给出计算成果4. 完毕设计阐明书。三、设计题目车床主轴设计-某车床主轴尺寸及受力状况如图1所示。在A、B、C三个支座中间支座B处，轴承与轴承座之间有间隙，正常工作时，B处轴承不起支撑作用，此时轴处在A、C两支座下静定状态。当B截面处弯曲变形不不大于间隙时，轴处在A、B、C三支座下静不定状态。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影响，而以弯曲、扭转变形为主）。轴材料为优质碳素构造钢（45钢），表面磨削加工，氮化解决。其她已知数据见表1。1、 试按静定梁（A、C支撑）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截面处实际位移。2、 在安装齿轮E截面处有一铣刀加工键槽，试校核此截面处疲劳强度。规定安全系数n=3（=420，=240）。3、 对静不定状况（A、B、C支撑），同步依照强度、刚度条件设计外径D，并用疲劳强度理论校核。表1： 20100.51503.33.50.0028注意：设计中不考虑轴旋转静定规定和热变形影响，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/m/m/mA/mB/mR/m(n/(r/min)P/kw/N/N50.150.510.140.120.160.12454005.20.6540002400图一：1.对主轴静定状况校核由公式可知Me=9549= =124.14N* F= =1034.50N 由斜齿轮受力分析得： F=382.33N则有：F=Fsin-Fcos=461.14N F=Fcos+Fsin=1001.82N由图1受力分析求支座反力F、F、F、F： F=1734.33N F=-6195.51NF=908.76N F=-4310.58N依照已知分别作出Y、Z方向剪力图与弯矩图，如下图所示： 由剪力图及弯矩图可知c点为危险点且： N* Me=124.14 N*a.依照第三强度理论设计： 且 代入数据解得：b.由刚度对轴进行设计：运用图乘法:1) 依照D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 E=210 I= 2) 依照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 即： 解得： 3）依照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： 即： 解得： 综上所述：D=maxD、D、D、D=6.51当D= 6.51m时，用合成法计算B点实际位移：E点单独作用时B点挠度：a):;带入数据得： 因此： ；H点单独作用时B点挠度： ;带入数据得:;因此：；=;同理：b):;带入数据得:；因此：； ；带入数据得:；因此：；=；故： 由于，因此此轴为超静定轴。2.疲劳强度校核: 若不计键槽对抗弯截面系数影响，则危险截面处抗弯截面系数： 由弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有： 查表拟定铣加工键槽危险截面处疲劳强度影响系数： 则： 故E处满足疲劳强度规定。二、对超静定状况进行设计由，故此轴为超静定，且为一次静不定。由变形协调条件可知： 。分别沿y、z轴加一单位力并作、及单位力弯矩图有：，又；代入上式有：3496.5N ，又；代入上式有： 623.76N从而求得A、C点支反力有：；得：=-967.473N；得：=-6990.1N;得：=426.761N；得：=-4452.4N由前面计算可以发现，设计直径只需考虑D点强度即可。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：； E=210I= D因此该轴半径应为60.8mm3）疲劳强度校核：查机械手册得到： 则：； ；故满足强度条件。MATLAB运营程序如下所示：l1=input(请输入l1值（单位m）:);l2=input(请输入l2值（单位m）:);l3=input(请输入l3值（单位m）:);a=input(请输入a值（单位m）:);b=input(请输入b值（单位m）:);R=input(请输入R值（单位m）:);theta=input(请输入theta值（单位du）:);n=input(请输入n值（单位r/min）:);P=input(请输入P值（单位kw）:);alpha=input(请输入d/D值（单位1）:);FHy=input(请输入FHy值（单位N）:);FHz=input(请输入FHz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+l2-a)/(l1+l2)Mc=sqrt(l1+l2)*FAy+FEy*a)2+(l1+l2)*FAz+FEz*a)2)W=sqrt(Mc2+Me2)/(1.5*108)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)*m5+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*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(静定状态最后半径应设计为：)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)fb=x7/(E*I3)if(fb3) disp(E处满足疲劳强度规定)else disp(E处不满足疲劳强度规定)endh1=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*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+0.5*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+. 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*0.73*1.8/1.88/taun=ntau*nsigma/sqrt(ntau2+nsigma2)if(n3) disp(满足疲劳强度规定)else disp(不满足疲劳强度规定)end输出成果为： cllxkcsj请输入l1值（单位m）:0.15请输入l2值（单位m）:0.51请输入l3值（单位m）:0.14请输入a值（单位m）:0.12请输入b值（单位m）:0.16请输入R值（单位m）:0.12请输入theta值（单位du）:45请输入n值（单位r/min）:400请输入P值（单位KW）:5.2请输入d/D值（单位1）:0.65请输入FHy值（单位N）:4000请输入FHz值（单位N）:2400Me =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 =24.8900D3 =0.0538y6 =371.6937y7 =200.2334y8 =422.1962D4 =0.0650静定状态最后半径应当设计为：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 =60.1486g3 =7.4027E处满足疲劳强度规定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 =61.0342tau =3.8726nsigma =5.8062ntau =43.3153n =5.7547满足疲劳强度规定附MATLAB截图对所取数据理论依照作必要阐明本次课程设所取数据均取于参照文献。（1）聂玉琴，孟广伟主编. 材料力学（第二版）。机械公业出版社，。（2）刘卫国主编. MATLAB程序设计与应用（第二版）。高等教诲出版社，。（3）张云辉主编，AutoCAD实用教程。科学出版社，。（4）李金明，李金荣编著，photoshopCS5完全自学教程。人民邮电出版社，。四、课程设计总结本次课程设计涉及到了诸多此前学习过知识，涉及材料力学、理论力学、AutoCAD、PS、Word、Mathtype、MATLAB编程等，透过本次课程设计，使我能更纯熟运用所学内容解决实际问题。这次课程设计是我此前学习一种阶段性总结，从中我看到了自己知识方面局限性以及学科综合重要性。此后，我会更加夯实学习所学课程并广泛涉猎其她学科，在提高专业知识水平基本上进一步提高自己综合素质。