材料力學課程設(shè)計——車床主軸設(shè)計

1、材料力學課程設(shè)計班級： 作者： 題目：車床主軸設(shè)計指導老師：任小平一、 課程設(shè)計的目的材料力學課程設(shè)計的目的是在于系統(tǒng)學習材料力學后，能結(jié)合工程中的實際問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學的知識解決工程實際問題之目的。同時，可以使我們將材料力學的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體。既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；既把以前所學的知識綜合應用，又為后繼課程打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，對實際工作能力有所提高。1）使所學的材料力學知識系統(tǒng)化，完整化。讓我們在系統(tǒng)全面復習的基礎(chǔ)上，運用材

2、料力學知識解決工程實際問題。2）綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數(shù)學、工程圖學、理論力學、算法語言、計算機等），使相關(guān)學科的知識有機地聯(lián)系起來。3）使我們初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法，為后續(xù)課程的學習打下基礎(chǔ)。二、 課程設(shè)計的任務和要求要系統(tǒng)復習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設(shè)計題目的已知所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并導出計算公式，獨立編制計算程序，通過計算機給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。三、 設(shè)計題目某車床主軸尺寸及受力情況如圖1所示。在A、B、C三個支座的中間支座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

3、作用，此時主軸處于A、C兩支座下的靜定狀態(tài)。當B截面處彎曲變形大于間隙時，主軸處于A、B、C三支座下的靜不定狀態(tài)。軸截面E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Fx、Fy、Fz（在進行強度、剛度計算時，可以不計軸向力Fx的影響，而以彎曲、扭轉(zhuǎn)變形為主）。軸的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（45鋼），表面磨削加工，氮化處理。其他已知數(shù)據(jù)見表1。1、 試按靜定梁（A、C支撐）的強度、剛度條件設(shè)計等截面空心圓軸外徑 D(d/D值可見數(shù)據(jù)表2)，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(guī)定的安全系數(shù)n=3（=420，=240）。

4、3、 對靜不定情況（A、B、C支撐），同時根據(jù)強度、剛度條件設(shè)計外徑D，并用疲勞強度理論校核。表1： 20100.51503.33.50.0028注意：設(shè)計中不考慮軸的旋轉(zhuǎn)靜定要求和熱變形的影響，并且將各軸承視為剛體，且不產(chǎn)生剛體位移，不考慮制造工藝和尺寸鏈等因素。表2：（設(shè)計計算數(shù)據(jù)表14）/m/m/mA/mB/mR/m(n/(r/min)P/kw/N/N140.160.500.150.120.160.12455005.00.7042002100圖1:四對主軸靜定情況校核由公式可知Me=9549pkwnrmin=9549×5.0500=95.49Nm 由Me=FtR可得Ft=MeR

5、=95.490.12=795.75N 由斜齒輪受力分析得： Fr=Fttancos=795.75×0.3640.985=294.06N則有：FEy=Ftsin-Frcos=795.75×0.707-294.06×0.707=354.69NFEz=Ftcos+Frsin=795.75×0.707+294.06×0.707=770.50NFy=FHyFz=FHzM1=Fyb=FHyb=4200×0.16=672NmM2=Fzb=FHzb=2100×0.16=336Nm由圖1受力分析求支座反力FAy、FAz、FCy、FCz：MCz

6、=FAyL1+L2+FEya-M1-FyL3=0FAy=1908.24NMAZ=FCyL1+L2+FEyL1+L2-a+M1+Fy（L1+L2+L3）=0FCy=-6462.93NMCy=FAZL1+L2+FEZa+M2+FZL3=0FAZ=-1126.45NMAy=FCZL1+L2+FEZL1+L2-a-M2-FZ（L1+L2+L3）=0FCZ=2455.95N根據(jù)已知分別作Y、Z方向的剪力圖與彎矩圖，如下圖： 由剪力圖及彎矩圖可知C點為危險點且：MC=MCy2+MCZ2=6512+1153.612=1324.62Nm1.根據(jù)第三強度理論校核：r3=MC2+Me2W=150MPa 且 代入數(shù)

7、據(jù)解得： D14.91×10-2m2.由剛度對軸校核：利用圖乘法對各點進行剛度校核：1) 根據(jù)D點剛度計算軸徑，在D點分別沿y、z軸加一單位力,其彎矩圖如下圖所示： 1=278.22 2=7.39 3=123.65 4=36.12 5=100.8=0.082=0.141=0.1365=0.1=0.07551.91EI1=164.242 =2.563=72.994=23.635=50.4=0.082 =0.141 =0.1365 =0.1 =0.075-29.93EI59.92EI E=210 I=D459.92210×109×0.037×3.3×

8、;10-4 即 D26.95×10-2m2) 根據(jù)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圖 1=278.22 2=7.39 3=123.65=0.08=0.04=0.061=164.242 =2.563=72.99=0.08=0.04=0.06 即： 解得:3）根據(jù)C點剛度計算直徑，在C點處加一單位力偶得下圖所示彎矩圖：1=278.22 2=7.39 3=123.651=164.242 =2.563=72.99 即： 解得：m 綜上所述：D=DmaxD1、D2、D3、D4=6.95×10-2m當D=6.95×10-2m時，計算B點的實際位移：

9、（應用圖乘法）1=278.22 2=7.39 3=123.65 4=36.12 5=100.8=0.08=0.084=0.093=0.044=0.0331=164.242 =2.563=72.994=23.635=50.4=0.08 =0.084 =0.093 =0.044 =0.0333.對E截面處疲勞強度校核:計算軸在E截面上的最大工作應力，若不計鍵槽對抗彎截面系數(shù)的影響，則危險截面處抗彎截面系數(shù)：由彎矩M不變可知該循環(huán)為對稱循環(huán)，則有：Wp=2Wz=2W=5.58×10-5m3由教材查得 則： 故E處滿足疲勞強度要求。5 對超靜定情況進行校核由，故軸為超靜定，且為一次靜不定。由

10、變形協(xié)調(diào)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：1=0.01FBy2=0.05FBy; 代入上式有：FBy=6297.92N1=0.01FBy2=0.05FBy; 又;代入上式有：FBz=2872.92N從而求A、C點的支反力有：MCy=FAZL1+L2+FBzL2+FEza+M2+FZL3=0FAz=-3302.91NMCz=FAyL1+L2+FByL2+FEya-M1-FyL3=0FAy=-3053.82NMAy=FCZL1+L2+FBzL1+FEZL1+L2-a-M2-FZ（L1+L2+L3)=0FCz=1759.49NMAZ=FByL1+FCyL1+L2+FEyL

11、1+L2-a+M1+Fy（L1+L2+L3)=0FCy=-7798.79N做剪力圖、如下所示：做彎矩圖、如下圖所示：由上圖知C點為危險點：1）.第三強度理論校核有：且 代入數(shù)據(jù)解得：2）.由剛度對軸校核： 利用圖乘法對各點進行剛度校核：1. 根據(jù)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：1=39.09 2=48.37 3=112.37 4=25.91 5=89.30 6=104.167=156.24=0.024=0.051=0.109=0.141=0.137=0.1=0.0751=42.28 2=31.05 3=200.824=2.45 5=78.12 6=52.

12、087=97.65=0.024=0.094=0.080=0.132=0.137 =0.1 =0.075則： 解得：2. 根據(jù)E點的剛度計算軸經(jīng)，在E點分別沿y、z軸加一單位力，彎矩圖如下：1=39.09 2=48.37 3=112.37 4=25.91 5=89.3=0.024=0.051=0.107=0.04=0.061=42.28 2=31.05 3=200.82 4=2.45 5=78.12=0.024=0.092=0.078=0.08=0.063. 根據(jù)C點的剛度對軸校核：在C點分別加一繞Y、Z方向的單位偶有彎矩圖如下：1=39.09 2=48.37 3=112.37 4=25.91

13、5=89.3=1.001=42.28 2=31.05 3=200.82 4=2.45 5=78.12=1.003）疲勞強度校核：截面處抗彎截面系數(shù)：由彎矩M不變可知該循環(huán)為對稱循環(huán)，則有：Wp=2Wz=2W=5.58×10-5m3由教材查得 則：故滿足強度條件。六.循環(huán)計算程序#include <iostream>#include <cstdio>#include <cmath>#define pi 3.14159#define ip pi/180using namespace std;double L1,L2,L3,a,b,a0,n,P,R,i,

14、FHy,FHz,Fby=0,Fbz=0,Fdy,Fcy,Fcz,Fey,Fez,Mby,Mbz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,Mac,Md,Mc,Me,w,x=150,e=0.21,d,fby0,fbz0,fby1,fbz1,fe=0.00035,fd=0.00033,ac=0.0028,aMb,aMc,aMe,aac,fb=0.00005,Ffb,big,SM,SN,B1,SD,FFF,Fdz,Mdz,Mdy,Fay,Faz,ffb,fdz;voidzaihe();voidwaili();voidqiangdu();voidnaodu();voidfanlib();voidzhuanjia

15、o();voidxunhuan();voidnaodue();void main()float big1,big2,big3,big4;cout<<"輸入原始數(shù)據(jù):"<<endl;cin>>L1>>L2>>L3>>a>>b>>R>>a0>>n>>P>>i>>FHy>>FHz;cout<<"所輸入數(shù)據(jù)為:"<<endl; cout<<"L1=&q

16、uot;<<L1<<"L2="<<L2<<"L3="<<L3<<"a="<<a<<"b="<<b<<"R="<<R<<"a0="<<a0<<"n="<<n<<"P="<<P<<"i="<<i&

17、lt;<"FHy="<<FHy<<"FHz="<<FHz<<endl;aMc=1*L3;aMe=(L1+L2-a)*a/(L1+L2)*1;aac=1;aMb=1*L1*12/(L1+L2); w=pi*(1-i*i*i)/32;zaihe();waili();cout<<"輔助計算外力（靜定）:"<<endl;cout<<"Fay="<<Fay<<"N"<<"

18、Faz="<<Faz<<"N"<<"Fby="<<Fby<<"N"<<"Fbz="<<Fbz<<"N"<<"Fcy="<<Fcy<<"N"<<"Fcz="<<Fcz<<"N" cout<<"Mdy="<&

19、lt;Mdy<<"N*m"<<"Mdz="<<Mdz<<"N*m"<<"Mey="<<Mey<<"N*m"<<"Mez="<<Mez<<"N*m"<<"Me="<<Me<<"N*m"<<endl;qiangdu();cout<<"

20、D1="<<big1<<"m"<<endl;big=big1;naodue();cout<<"D2="<<d<<"m"<<endl; big2=(float)d;if(big<big2) big=big2;naodue();cout<<"D3="<<d<<"m"<<endl; big3=(float)d;if(big<big3) big=big

21、3;zhuanjiao();cout<<"D4="<<d<<"m"<<endl; big4=(float)d;if(big<big4) big=big4;cout<<"D="<<big<<"m"<<endl;fanlib();if(ffb<=fb) cout<<"可判定此結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)"<<endl;else cout<<" 可判定此結(jié)構(gòu)為超靜

22、定結(jié)構(gòu)"<<endl; SM=0;SN=big;SD=(SN+SM)/2; B1=1+fbz0*fbz0/(fby0*fby0); B1=sqrt(B1); FFF=(L1+L2)*aMb*aMb/(e*0.147);fanlib();xunhuan();cout<<endl; void zaihe()long double Ft,FHy,An=20.0,Bn=10.0; Ft=30*P*1000/(n*pi*R);FHy=Ft*tan(An*ip)/cos(Bn*ip); Fey=Ft*sin(a0*ip)-FHy*cos(a0*ip); Fez=Ft*co

23、s(a0*ip)+FHy*sin(a0*ip); Me=Ft*R;Md=-Me;Fdy=FHy;Fdz=-FHz;Mdy=Fdy*b;Mdz=Fdz*b;void waili() Fay=(Fdz*L3+Mdz-Fez*a-Fbz*L2)/(L1+L2);Fcy=(-Fdy*(L1+L2+L3)-Mdy-Fey*(L1+L2-a)/(L1+L2);Faz=(Fdy*L3+Mdy-Fey*a-Fby*L2)/(L1+L2);Fcz=(-Fdz*(L1+L2+L3)-Mdz-Fez*(L1+L2-a) /(L1+L2);Mby=Fay*L1;Mbz=Faz*L1;Mey=Fay*(L1+L2-a)

24、+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; void qiangdu()long double Xmax,Mmax,Xmax1,Xmax3,Xmax2=0.0;Mc=sqrt(Mcy*Mcy+Mcz*Mcz);Xmax=Mc/w;Mmax=Me/(2*w); Xmax3=-Xmax/2-sqrt(Xmax/2)*(Xmax/2)+Mmax*Mmax); Xmax1=-Xmax/2+sqrt(Xmax/2)*(Xmax/2)+Mmax*Mma

25、x); d=sqrt(Xmax1-Xmax2)*(Xmax1-Xmax2)+(Xmax2-Xmax3)*(Xmax2-Xmax3)+(Xmax3-Xmax1)*(Xmax3-Xmax1)/2)/x; d=pow(d,0.333333); d=d/100; d=(float)d; voidnaodu()long double fffd1,fffdy,fdz;fffdy=L1*Mby*L1*aMc/(L1+L2)/0.147/e; fffdy+=(L2-a)*(Mby*(2*aMc*L1/(L1+L2)+aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mey*(2*aMc*(L1+L2-a)/(L1+

26、L2)+aMc*L1/(L1+L2)/(0.294*e); fffdy+=a*(Mey*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)+aMc)+Mcy*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/( L1+L2)/(0.294*e);fffdy+=L3*Mac*(Mdy-2*Mcy)/(0.294*e);fdz=L1*Mbz*L1*aMc/(L1+L2)/0.147/e; fdz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aMc*L1/(L1+L2)+aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mez*(2*aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aMc*L1/(L1+L2)/(0.294

27、*e); fdz+=a*(Mez*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)+aMc)+Mez*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)/(0.294*e);fdz+=L3*Mac*(Mdz+2*Mcz)/(0.294*e); fffd1=pi*sqrt(fffdy*fffdy+fdz*fdz)/w/32/fd; d=pow(fffd1,0.25); d=d/1000; d=(float)d; voidnaodue()long double e1,ey,ez;ey=L1*Mby*L1*aMe/(L1+L2-a)/0.147/e; ey+=(L2-a)*(Mby*(

28、2*aMe*L1/(L1+L2-a)+aMe)+Mey*(2*aMe*aMe*L1/(L1+L2-a)/0.294/e; ey+=a*aMe*(Mcy+2*Mey)/(0.294*e);ez=L1*Mbz*L1*aMe/(L1+L2-a)/0.147/e; fdz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)+aMe)+Mez*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)/(0.294*e);fdz+=a*aMe*(Mcz-2*Mez)/(0.294*e); e1=pi*sqrt(ey*ey+ez*ez)/w/32/e; d=pow(e1,0.25); d=d/1000; d=(

29、float)d; voidzhuanjiao()long double c1,cy,cz; cy=L1*Mby*L1*ac/(L1+L2)/0.147/e; cy+=(L2-a)*(Mby*(2*aac*L1/(L1+L2)+aac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mey*(2*aac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aac*L1/(L1+L2)/(0.294*e); cy+=a*(Mey*(2*(L1+L2-a)*aac/(L1+L2)+aac)+Mcy*(2*aac+(L1+L2-a)/(L1+L2) )/(0.294*e);cz=L1*Mbz*L1*ac/(L1+L2)/0.14

30、7/e; cz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aac*L1/(L1+L2)+aac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mez*(2*aac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aac*L1/(L1+L2)/(0.294*e); cz+=a*(Mez*(2*(L1+L2-a)*aac/(L1+L2)+aac)+Mcz*(2*aac+(L1+L2-a)/( L1+L2) )/(0.294*e); c1=pi*sqrt(cy*cy+cz*cz)/w/32/ac; d=pow(c1,0.25); d=d/1000; d=(float)d; voidfanlib()long double b1,by,bz; by=L1*Mby*aMb/0.147/e; by+=(L1+L2-a)*(Mby*(2*aMb+(L2-a)/L2*aMb)+Mey*(2*(L2-a)/L2*aMb+