吉林大学材料力学课程设计车床主轴.docx
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吉林大学材料力学课程设计车床主轴
吉林大学材料力学课程设计车床主轴
材料力学课程设计设计计算说明书 设计题目：
车床主轴设计学号:
41110724姓名：
杜丹丹指导教师：
麻凯老师 １ 目录 一、课程设计目的 二、课程设计任务和要求 三、课程设计题目 四、课程设计计算过程 1.对主轴静定情况校核 A.根据第三强度理论校核 B.根据刚度进行校核 C.疲劳强度校核 2.对主轴超静定情况校核 A.根据第三强度理论校核 B.根据刚度进行校核 C.疲劳强度校核 五、循环计算程序 六、课程设计总结 ---------------03 ---------------03 ---------------03 ---------------05 ---------------07 ---------------07 ---------------16 ---------------17 ---------------19 ---------------20 ---------------28 ---------------29 ---------------35 ２ 一、课程设计目的 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，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题的目的。
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。
既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；既是对以前学到的知识的综合运用，又为以后学习的课程打下了基础，并初步掌握了工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。
具体有以下六项：
1.使我们的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.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设计方法。
6.为以后课程的学习打下基础。
二、课程设计任务和要求 参加设计者要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、判断设计题目的已知条件和所求问题，画出受力分析计算简图和内力图，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、课程设计题目 设计题目：
车床主轴设计 ３ 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。
轴的材料为优质碳素结构钢，表面磨削加工，氮化处理。
其他已知数据见表1。
1.试按静定梁的强度、刚度条件设计等截面空心圆轴外径 D（dD值可见数据表2），并计算这时轴上B截面处的实际位移。
2.在安装齿轮的E截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。
3.对静不定情况，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。
设计数据：
表1：
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（?
）20?
（?
）10?
m?
10?
4[?
]/MPa[fD]/m?
10?
4[fE]/m?
10?
4[?
c]/rad150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：
99图一：
４ l1ml2ml3mambmFHyNRm?
?
?
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45n?
rmin?
400PkwdDFHzN24004500 四、课程设计计算过程 1.对主轴静定情况校核 公式可知Me?
9549?
{p}kw{n}=9549?
=?
mr/min400?
FMe124t?
R=.=斜齿轮受力分析得：
Fr?
Fttan?
cos?
=?
=则有：
FEy?
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Frsin?
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mMDz?
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m ５
图1受力分析求支座反力FAy、FAz、FCy、FCz:
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MCz（F）?
FAy?
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FHz?
l1?
l2?
l3?
?
0解上面的方程，则有:
FAy=，FAz=-，FCy=-，FCz= 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：
６ 剪力图及弯矩图可知C点为危险点且：
Mc?
15752?
8402=1785N?
m Me?
?
m A.根据第三强度理论校核：
MeMc?
?
?
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2WW ?
r3?
（W?
Mc2?
Me2?
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W ?
32D3（1?
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4）） ?
2代入数据解得：
D1?
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10m B.刚度对轴进行校核：
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iMci利用图乘法?
?
?
对各点进行刚度校核：
EIi?
1n1）根据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:
７ 1?
1?
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2Mc1?
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2m 2）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:
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1?
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2１０
Mc1?
2?
=3?
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2m下:
3）根据C点刚度计算轴径，在C点处加一单位力偶,有弯矩图如 ?
1 1?
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１２ ?
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109Pa １３ I?
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D4?
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10?
2m综上所述：
D?
maxD1，D2，D3，D4?
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10?
2m ?
2当D?
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10m时，计算B点的实际位移：
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EI210?
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4m C.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：
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D332（1?
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4）?
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10?
5m?
3 弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有：
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max?
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W ?
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10Wp?
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2W?
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5 １６ ?
max?
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Pa?
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10 查表确定铣加工的键槽危险截面处疲劳强度的影响系数：
K?
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则：
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3 故E处满足疲劳强度要求。
2.对超静定情况进行校核 ?
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10m?
f?
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10m，故此轴为超静定，B且为一次静不定。
变形协调条件可知：
fFB?
fB?
?
。
分别沿y、z轴加一单位力并作FBy、FBz及单位力的弯矩图有：
１７ ?
fFBy?
fBy?
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1212?
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]?
[1EI232?
并且已知：
By?
EI 代入上式有：
FBy?
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同理可得：
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从而求A、C点的支反力有：
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FCz?
做剪力图FQy、FQz如下所示：
3 １８ 上图有：
Mc?
C点为危险点 22Mcy?
Mcz?
1785N?
m A.第三强度理论校核有：
１９ ?
r3?
1?
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32Mc2?
Me2?
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] D3（1?
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4） ?
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2D?
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10m代入数据解得：
1B.刚度对轴进行校核：
利用图乘法?
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i?
1n?
iMciEI?
?
对各点进行刚度校核：
1）根据D点的刚度对主轴进行校核，分别沿y、z轴加一单位力得到如下图所示弯矩图：
1?
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2Mc1?
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2m 2）根据E点的刚度对主轴进行校核，分别沿y、z轴加一单位力得到如下图所示弯矩图：
２３ ?
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Mc11?
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2m 3）根据C点刚度计算轴径，在C点处加一单位力偶,有弯矩图如下:
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10?
5?
?
?
Pa?
?
?
10 查表确定铣加工的键槽危险截面处疲劳强度的影响系数：
K?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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?
２８ n?
则：
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?
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1K?
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max?
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?
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n?
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?
1K?
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max?
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2?
240MPa?
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?
?
?
n?
n?
n?
?
n?
?
?
3 故满足强度条件。
五.循环计算程序 ２９ #include#include #definepi#defineip floatL1,L2,L3,a,b,A0,n,P,i,R,Fhy,Fhz,Fay,Faz,Fcy,Fdz,Fdy,Fcz,Fey,Fez,Me,Mby,Mbz,Mdy,Mdz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,Md,Mc,D1,D2,D3,D4,D,Xs,w,sjwyb,Fby=0,Fbz=0,E=210000000000,yl=150,fzby,fzbz,nde=,ndd=,zjc=,wyb=;intpd=0;voidzaihe（）{ floatFt,Fr,An=,Bn=; Me=9549*P/n; Ft=Me/R; Fr=Ft*tan（An*ip）/（cos（Bn*ip））; Fey=Ft*sin（A0*ip）-Fr*cos（A0*ip）; Fez=Ft*cos（A0*ip）+Fr*sin（A0*ip）; Mdy=Fhz*b; Mdz=Fhy*b;} voidwaili（） { Fay=（Fhy*L3+Mdz-Fey*a-Fby*L2）/（L1+L2）; Fcy=（-Fhy*（L1+L2+L3）-Mdz-Fey*（L1+L2-a）-Fby*L1）/（L1+L2）; Faz=（-Fhz*L3-Mdy-Fez*a-Fbz*L2）/（L1+L2）; Fcz=（Fhz*（L1+L2+L3）+Mdy-Fez*（L1+L2-a）-Fbz*L1）/（L1+L2）; Mby=Fay*L1;Mbz=Faz*L1; Mey=Fay*（L1+L2-a）+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;/*对于静定情况B点受力为0*/} voidqiangdu（）{ floatwb,wc,we,temp;wb=sqrt（Mby*Mby+Mbz*Mbz）;wc=sqrt（Mcy*Mcy+Mcz*Mcz）;we=sqrt（Mey*Mey+Mez*Mez）;if（wb>wc&&wb>we） ３０
w=wb;elseif（wc>wb&&wc>we） w=wc;else w=we;temp=32*sqrt（w*w+Me*Me）/（pi*（1-i*i*i*i）*yl）;D1=pow（temp,）/100;} voidnaodu（）{ floatsum1,sum2,sum,mid1,mid2,mid3,sb=,dsb=;mid1=L1*L3/（L1+L2）;mid2=（L1+（L2-a）*Mby/（Mby-Mey））*L3/（L1+L2）;mid3=L3*（（L1+L2-a）/（L1+L2））;if（pd==0）{ sum1=*（L1+L2-a）*Mey*sb*mid3; sum2=*（L1+L2-a）*Mez*sb*mid3;}else{ sum1=*L1*Mby*sb*mid1;sum1+=*Mby*Mby/（Fay-Fby）*（dsb*（mid2-mid1）+mid1）;sum1+=*（L2-a-Mby/（Fay-Fby））*Mey*（sb*（mid3-mid2）+mid2）; sum2=*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=Mbz*（L2-a）**（mid1+mid3）;sum2+=*（L2-a）*（Mez-Mbz）*（sb*（mid3-mid1）+mid1）; } sum1+=Mey*a**（mid3+L3）;sum1+=*a*（Mcy-Mey）*（sb*（L3-mid3）+mid3）;sum1+=Mdz*L3**L3;sum1+=*L3*（Mcy-Mdz）*sb*L3; sum2+=Mez*a**（mid3+L3）;sum2+=*a*（Mcz-Mez）*（sb*（L3-mid3）+mid3）;sum2+=-Mdy*L3**L3;sum2+=*L3*（Mcz+Mdy）*sb*L3; sum=sqrt（sum1*sum1+sum2*sum2）;D2=sum/（E*Xs*ndd）;D2=pow（D2,）;} ３１ voidnaodue（）{ floatsum1,sum2,sum,top,mid1,mid2,sb=,dsb=;top=a*（L1+L2-a）/（L1+L2）;mid1=L1*a/（L1+L2）; mid2=（L1+Mby/（Fay-Fby））*a/（L1+L2）;if（pd==0）{sum1=*（L1+L2-a）*Mey*sb*top;sum2=*（L1+L2-a）*Mez*sb*top;}else{sum1=*L1*Mby*sb*mid1;sum1+=*Mby*Mby/（Fay-Fby）*（dsb*（mid2-mid1）+mid1）;sum1+=*（L2-a-Mby/（Fay-Fby））*Mey*（sb*（top-mid2）+mid2）; sum2=*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=Mbz*（L2-a）**（mid1+top）;sum2+=*（L2-a）*（Mez-Mbz）*（sb*（top-mid1）+mid1）;} sum1+=Mey*a**top; sum1+=*a*（Mcy-Mey）*dsb*top; sum2+=Mez*a**top; sum2+=*a*（Mcz-Mez）*dsb*top; sum=sqrt（sum1*sum1+sum2*sum2）;D3=sum/（E*Xs*nde）;D3=pow（D3,）;} void zhuanjiaoc（）{ floatsum1,sum2,sum;if（pd==0）{sum1=*（L1+L2-a）*Mey;sum2=*（L1+L2-a）*Mez;}else{sum1=*L1*Mby;sum1+=*Mby*Mby/（Fay-Fby）;sum1+=*（L2-a-Mby/（Fay-Fby））*Mey; sum2=*L1*Mbz;sum2+=Mbz*（L2-a）;sum2+=*（L2-a）*（Mez-Mbz）;} ３２ sum1+=Mey*a; sum1+=*a*（Mcy-Mey）; sum2+=Mez*a; sum2+=*a*（Mcz-Mez）; sum=sqrt（sum1*sum1+sum2*sum2）;D4=sum/（E*Xs*zjc）;D4=pow（D4,）;} voidweiyi（）{ floatsum1,sum2,sum,rat,sb=,top,mid;rat=L1/（L1+L2-a）;top=L1*L2/（L1+L2）;mid=top*a/L2; sum1=*L1*rat*Mey*sb*top; sum1+=rat*Mey*（L2-a）**（top+mid）; sum1+=*（L2-a）*（1-rat）*Mey*sb*（top-mid）;sum1+=Mey*a*
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