吉林大学材料力学课程设计车床主轴.docx

1、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 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

2、 -29 -35 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

3、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 某车床主轴尺寸及受力情况如图1所示。在A、

4、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、

5、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： ?(?) 20 ?(?) 10 ?m ?10?4 ?/MPa fD/m ?10?4 fE/m ?10?4 ?c/rad 150 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： 9 9 图一： l1m l2m l3m am bm FHyN Rm ? 45 n?rmin? 400 Pkw dD FHzN 2400 4500 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?pkwn=9549?=?m r/min400?FMe124

6、t?R=.= 斜齿轮受力分析得： Fr?Fttan?cos?=?= 则有：FEy?Ftsin?Frcos?= FEz?Ftcos?Frsin?= MDy?Fzb?FHzb=2400?=432N?m MDz?Fyb?FHyb=4500?=810N?m 图1受力分析求支座反力FAy、FAz、FCy、FCz: ?MCz(F)?FAy?l1?l2?FEya?MDz?FHyl3?0 ?M?M?MAz(F)?FCy?l1?l2?FEy?l1?l2?a?MDz?FHy?l1?l2?l3?0(F)?FAz?l1?l2?FEza?MDy?FHzl3?0Cy Ay(F)?FCz?l1?l2?FEz?l1?l2?a

7、?MDy?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： 剪力图及弯矩图可知C点为危险点且： Mc?15752?8402=1785 N?m Me?m A. 根据第三强度理论校核： MeMc?2WW?r3?(W?Mc2?Me2?W ?32D3(1?4) ?2代入数据解得：D1?10m B. 刚度对轴进行校核： ?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: 1?1? 2Mc1?2? 21? 2 ?3?Mc32?

8、=?4?810? Mc4?1?= 21?5? 22Mc5?= 3 fDy ?1Mc1?2Mc2?3Mc3?4Mc4?5Mc5?EIEIi?1EI5? 1?1? 22Mc1?= 3?2? Mc2?31?= 21?= 3Mc3?4? Mc4?12?= ?5?1? 2Mc52?= 3?1Mc1?2Mc2?3Mc3?4Mc4?5Mc5?EIEIEIi?15fDz?fD?f2Dy?fD?10?4m EIE?210?109Pa ?4I?D(1?4)? ?D?210?109?10?44 ?D2?10?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: ?1?1? 2 Mc1?2

9、?= 3?2? Mc2?3?1?= 21? 2Mc3?313?= fEy?M?M?M?1c12c23c3EIEIEI i?1? 1?1? 2Mc1?2?= ?2? Mc2?1?= 2 ?3? 1? 2Mc31?= 3fDz?2Ey?1Mc1?2Mc2?3Mc3?EIEIEIi?13?fE?f?fE?10-4mEI E?210?109Pa I?644D4(1?4)? ?210?109?10?4 ?D3?10?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? ?2? ?31? Mc1?Mc2?Mc3?1 ?cy?M?M?M?1c12c23c3EIEIEI i?13?

10、 1?1? 2?2? 1?3? 2Mc1?Mc2?Mc3?1 ?cz?1Mc1?2Mc2?3Mc3?EIEIEI i?13?c?cy?cz?c? E?210?109Pa I?644D4(1?4)? ?210?109? ?D4?10?2m综上所述：D?maxD1，D2，D3，D4? ?10?2m ?2当D?10m时，计算B点的实际位移： ?1? 2?= 3?2? ?31?= 21?2?Mc3?1?= 3 ?4? Mc41?= 21?1575? 21?= 35?5?Mc5?fBy?1Mc1?2Mc2?3Mc3?4Mc4?5Mc5?EIEIEIi?1? ?1? Mc1?2?= 3?2? ?= 21?

11、3?2 ? Mc3?1?= 3?4? Mc41?= 21?840? ?5?Mc51?= 3fBz?1Mc1?2Mc2?3Mc3?4Mc4?5Mc5?EIEIEIi?15?E?210?109Pa I?64D4(1?4)? 22?fB?fBy?fBz?EI210?109?10?2?4?10?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： ?D332(1?4)?10?5m?3 弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有： ?max?minM?W ?10Wp?2Wz?2W?10?5 ?max?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? 则：n

12、?1K?max? n?1K?max?240MPa? ?n?n?2n?n?2?3 故E处满足疲劳强度要求。 2. 对超静定情况进行校核 ?4?4?10m?f?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： ?fFBy?fBy?1212?1EI232? 并且已知： By? EI 代入上式有：FBy? 同理可得： ? EI ?EIBz? 从而求A、C点的支反力有： ?MCy?F?FAy?l1?l2?FByl2?FEya?MDz?FHyl3?0?MAy?F?FCy?l1?l2?FByl1?FEy?l1?l2?

13、a?MDz?FHy?l1?l2?l3?0?MCz?F?FAz?l1?l2?FBzl2?FEza?MDy?FHzl3?0 ?MAz?F?FCz?l1?l2?FBzl1?FEz?l1?l2?a?MDy?FHz?l1?l2?l3?0FAy? FAz? FCy? FCz? 做剪力图FQy、FQz如下所示： 3 上图有：Mc?C点为危险点 22Mcy?Mcz?1785N?m A. 第三强度理论校核有： ?r3?1?32Mc2?Me2? D3(1?4) ?2D?10m 代入数据解得：1B. 刚度对轴进行校核： 利用图乘法?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

14、别沿y、z轴加一单位力得到如下图所示弯矩图： 1?1? 2Mc1?2? 3 ?2? ?31? 31? ?2?2? 3Mc3?4? Mc4?1? 21?5? 2Mc5?2? ?6?810?= Mc61?= 1?7? Mc72?= 7fDy ?M?M?M?M?iMci1?EIEI?5Mc5?6Mc6?7Mc7EIi?1? ?11? Mc12? 31? 2?2? Mc2?31? 22? 3Mc3?4? Mc41? 21? 2?5? Mc5?2? 3?6?432? Mc6?7?Mc71? 1? 22?= 7 ?M?M?M?M?iMci1?fDz?-?-?-?EIEI?5Mc5?6Mc6?7Mc7EIi

15、?1?fDy?fDz?fD?10?4mEI E?210?109Pa I?64D4(1?4)? D ?210?109?10?4 D2?10?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： ?1?Mc11? 2?= ?2? Mc2?31? 1?2? 2? Mc3?4? Mc4?1?= 2?51? 1?= 3Mc5?5fEy ?1Mc1?2Mc2?3Mc3?4Mc4?5Mc5?EIEIEIi?1? 1?12? M2c1?3?= 2? Mc2?12? 3?12?23? 4? Mc?142?= 15?2? M?1c53?= ? ?-?-?1Mc1?2Mc2?3M

16、c3?4Mc4?5Mc5?-EIEIi?1EI5?fE?fEy?fEz?fE?10?4m E?210?109Pa I?644D4(1?4)? ?210?109?10?4 D3?10?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: 1?1? ?2? ?31?2? ?4? ?51? 2Mc1?Mc2?Mc3?Mc4?Mc5?1 ?cy?1Mc1?2Mc2?3Mc3?4Mc4?5Mc5?EIEIEI i?15? ?1?2?31? 1? ?4? 1?5? 2Mc1?Mc2?Mc3?Mc4?Mc5?1 ?cz?1Mc1?2Mc2?3Mc3?4Mc4?5Mc5?EIEIEIi?15

17、?c?c? E?210?109Pa I?64D4(1?4)? ?D4?109? ?D4?10?2m12综上所述：D?max?D，D，D，D?1034 ?2m 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： ?D332(1?4)?10?5m?3 弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有： ?max?minM?10 Wp?2Wz?2W?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? n?则：?1K?max? n?1K?max?2?240MPa? ?n?n?n?n?3 故满足强度条件。 五.循环计算程序 #include #include

18、 #define pi #define ip float L1,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=; int pd=0; void zaihe() float Ft,Fr,An=,Bn=;Me=9549*P/n;Ft=Me/R; Fr=Ft

19、*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; void waili() 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*L

20、1)/(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*/ void qiangdu() float wb,wc,we,temp; wb=sqrt(Mby*Mby+Mbz*Mbz); wc=sqrt(Mcy*Mcy+Mcz*Mcz); we=sqrt(Mey*Mey+Mez*Mez); if (wbwc&wbwe

21、) w=wb; else if (wcwb&wcwe)w=wc; elsew=we; temp=32*sqrt(w*w+Me*Me)/(pi*(1-i*i*i*i)*yl); D1=pow(temp,)/100; void naodu() float sum1,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=*(L

22、1+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-m

23、id3)+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,); void naodue() float sum1,sum2,sum,top,mid1,mid2,sb=,dsb=; top=a*(L1+L2-a)/(

24、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+

25、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,); voidzhuanjiaoc() float sum1,sum2,sum; if (pd=0) sum1=*(L1+L2-a)*Mey; sum2=*(L1+L2-a)*Mez; else

26、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); 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,); void weiyi() float sum1,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*