《车床主轴设计》word版

1、材 料 力 学课 程 设 计 说 明 书设计题目 7.4车床主轴设计设计者 ： 学号： 班级 ： 451201班 指导老师 麻凯 吉林大学生物与农业工程学院 农业机械化及其自动化 2014 年10月 4 日目录一课程设计目的 -03二课程设计任务和要求-04三课程设计题目-06四课程设计计算过程-081.对主轴静定情况校核-08根据第三强度理论校核-11根据刚度进行校核-11C. 疲劳强度校核-192.对主轴超静定情况校核-20根据第三强度理论校核-22根据刚度进行校核-23疲劳强度校核-29五.循环计算程序-30六课程设计总结-36七参考文献-37一材料力学课程设计的目的 本课程设计是在系统

2、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设计方法，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，可以使学生将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体，即从整体上掌握了基本理论和现代计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识的综合运用，又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计的思想和设计方法，使实际工作能力有所提高。具体有以下六项：使所学的材料力学知识系统化、完整化。在系统、全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题。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

3、来。综合运用以前所学的各门知识，是相关学科的知识犹记得联系起来。初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法。为后续课程的学习打下基础。二材料力学课程设计的任务和要求 参加设计者系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析和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。2.1 设计计算说明书的要求 设计计算说明书是该题目设计思想、设计方法和设计结果的说明，要求书写工整，语言简练，条理清晰、明确，表达完整。具体内容应包括：设计题目的已知条件、所求及零件图。画出构件的受力分析计算简图，

4、按比例表明尺寸，载荷及支座等。静不定结构要画出所选择的基本静定系统及相应的全部求解过程。画出全部内力图，并标明可能的各危险截面。各危险截面上应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图。各危险的主应力大小及主平面的位置。选择强度理论并建立强度条件。列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程及必要的说明。对变形计刚度分析要写明所用的能量法计算过程及必要的内力图和单位力图。疲劳强度计算部分要说明循环特征， 、 、r、的计算，所查各系数K、等的依据，疲劳强度校核过程及结果，并绘出构件的持久曲线。2.2分析讨论及说明部分的要求分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。提出改进设计的初步方案及设想

5、。提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。2.3程序计算部分的要求程序框图。计算机程序（含必要的说明语言及标示符说明）。打印结果（数据结果要填写到设计计算说明书上）。三课程设计题目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、（在进行强度、刚度计算时，可以不计轴向力的影响，而已弯曲、扭转变形为主）。轴的材料为优质碳素结构钢（45钢），表面磨削加工，氮化

6、处理。其他数据见下表。20101500.0028试按静定梁(A、C支撑）的强度、刚度条件设计等截面空心圆轴外径D（d/D值可见数据表），并计算这时轴上B截面处的实际位移。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(=420MPa,=240MPa)。对静不定的情况（A、B、C支撑），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。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，不考虑制作工艺和尺寸链等因素。图一：表2：（设计计算数据表-29）70.200.540.180.160.180.14745600

7、5.10.705002000四课程设计计算过程对主轴静定情况校核由公式可知=81.17Nm=579.76N由斜齿轮受力分析得： =214.25N则有：=258.45N=561.45N=20000.18=360=5000.18=90由图1受力分析求支座反力、: 解上面的方程，则有:=187.36N，=-1094.36N，=-945.81N，=2532.92N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： Fy 445.81 187.36 x -500 Mz 180 90 108.67 x Fz 2000 x -532.91-1094.36Myx360 -634.73-720.00 由剪

8、力图及弯矩图可知C点为危险点且：=742.1681.17A.根据第三强度理论校核（忽略剪力）：代入数据解得：B.由刚度对轴进行校核：利用图乘法对各点进行刚度校核：(1)根据D点刚度计算轴径，在D点分别沿y、z轴加一单位力有扭矩图如下图 Mz 180 90 108.67 x 0.58 0.74 0.92 Mz 0.18 0.14X =0.16=5.71=0.167=16.2 =0.09=8.1 =0.12My 0.58 0.74 0.92 x-360 -634.73-720.00 My 0.180.14 x =184.07 =0.093=101.56 =0.16=6.82 =0.167=64.8

9、 =0.09=32.4 =0.12 （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: Mz 180 108.67 90 x Mz 0.125 X =31.51 =0.08=17.39 =0.06=5.71=0.04 My 0.58 0.74 0.92-360 -634.73 -720 Mz 0.125 X =184.07 =0.08=101.56 =0.06=6.82 =0.04 （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: Mz 180 108.67 90 x=31.51 =17.39 =5.71 My 0.58 0.74 0.92-360 -6

10、34.73 -720 =184.07 =101.56 =6.82 综上所述：当时，计算B点的实际位移：（应用图乘法） Mz 180 108.67 90 xMz0.15 0.04 X =3.75 =0.1=14.24 =0.095=13.53=0.077=17.39 =0.02=5.71=0.013 My 0.58 0.74 0.92-360 -634.73 -720Mz0.15 0.04 X 0.2 0.58 0.74 =21.89 =0.1=83.17 =0.095=79.01=0.077=101.56 =0.02=6.82=0.013C.疲劳强度校核：若不计键槽对抗弯截面系数的影响，则危险

11、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： 查表确定铣加工的键槽危险截面处疲劳强度的影响系数：则：故E处满足疲劳强度要求。对超静定情况进行校核由，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、及单位力的弯矩图有： 0.146XMy0.146 X 并且已知： 代入上式有：Mz 0.15X Mz 0.15 X并且已知：代入上式有：从而求A、C点的支反力有： 做剪力图、 如下所示： 701.26 255.45 X 3 500 200028.98x532.472611.04做弯矩图、如下图所示：180 140.25 139.11 90X x

12、360522.21720724.61所以上图中C点为危险点A.第三强度理论校核有： 且 代入数据解得：B.由刚度对轴进行校核：利用图乘法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： 0.1410.18 0.049 0.2 0.58 0.74 0.92X=14.025 =0.0324=52.86 =0.095=0.22=0.07967=22.26 =0.1605=3.27=0.167=16.2 =0.09=8.1 =0.12 0.1410.18 0.049 0.2 0.58 0.74 0.92X=52.221 =0.03267=198.4

13、4 =0.095=38.46=0.11=115.2 =0.1605=0.154=64.8 =0.09=32.4 =0.12 (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： 0.125 0.043 0.2 0.58 0.74X=14.025 =52.86 =0.22=22.26 =3.27 =0.029=0.084=0.0703 =0.063=0.042 0.125 0.043 0.2 0.58 0.74X=52.221 =198.44 =38.46=115.2 =0.029=0.084=0.098 =0.063=0.083 (3)根据C点刚度计算轴径，在C点

14、处加一单位力偶,有弯矩图如下: =14.025 =52.86 =0.22=22.26 =3.27 =52.221 =198.44 =38.46=115.2 综上所述：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： 由弯矩M不变可知该循环为对称循环，则有： 查表确定铣加工的键槽危险截面处疲劳强度的影响系数：则：故满足强度条件。循环计算程序#include#include#define pi 3.141592654#define ip 0.017453292floatL1,L2,L3,a,b,A0,n,P,i,R,Fhy,Fhz,Fay,Faz,Fcy,Fdz,Fdy

15、,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,nde=0.00035,ndd=0.00033,zjc=0.0028,wyb=0.00005;intpd=0;void zaihe()float Ft,Fr,An=20.0,Bn=10.0; 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*

16、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*L1)/(L1+L2); Mby=Fay*L1;Mbz=Faz*L1; Mey=Fay*(L1+L2-a)+Fby*(L2-a);Mez=Faz*(L1+L2-a)+F

17、bz*(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)w=wb;else if (wcwb&wcwe)w=wc;else w=we;temp=32*sqrt(w*w+Me*Me)/(pi*(1-i*i*i*i)*yl);D1=pow(te

18、mp,0.3333333333333333333)/100;void naodu()float sum1,sum2,sum,mid1,mid2,mid3,sb=0.6666666667,dsb=0.333333333333;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=0.5*(L1+L2-a)*Mey*sb*mid3;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez*sb*mid3;elsesum1=0.5*L1*Mby*sb*mid1;sum

19、1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby)*(dsb*(mid2-mid1)+mid1);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey*(sb*(mid3-mid2)+mid2);sum2=0.5*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=Mbz*(L2-a)*0.5*(mid1+mid3);sum2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz)*(sb*(mid3-mid1)+mid1);sum1+=Mey*a*0.5*(mid3+L3);sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*(sb*(L3-mid3)+mid3);sum1+=Mdz*L3*0.5*L3;su

20、m1+=0.5*L3*(Mcy-Mdz)*sb*L3;sum2+=Mez*a*0.5*(mid3+L3);sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*(sb*(L3-mid3)+mid3);sum2+=-Mdy*L3*0.5*L3;sum2+=0.5*L3*(Mcz+Mdy)*sb*L3;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D2=sum/(E*Xs*ndd);D2=pow(D2,0.25); void naodue()float sum1,sum2,sum,top,mid1,mid2,sb=0.6666666667,dsb=0.333333333333;top=a*(L

21、1+L2-a)/(L1+L2);mid1=L1*a/(L1+L2);mid2=(L1+Mby/(Fay-Fby)*a/(L1+L2);if (pd=0)sum1=0.5*(L1+L2-a)*Mey*sb*top;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez*sb*top;elsesum1=0.5*L1*Mby*sb*mid1;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby)*(dsb*(mid2-mid1)+mid1);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey*(sb*(top-mid2)+mid2);sum2=0.5*L1*Mbz*sb*mid1;sum2+=

22、Mbz*(L2-a)*0.5*(mid1+top);sum2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz)*(sb*(top-mid1)+mid1);sum1+=Mey*a*0.5*top;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*dsb*top;sum2+=Mez*a*0.5*top;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*dsb*top;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D3=sum/(E*Xs*nde);D3=pow(D3,0.25);void zhuanjiaoc()float sum1,sum2,sum;if (pd=0)sum1=0.5*(L1+L2-

23、a)*Mey;sum2=0.5*(L1+L2-a)*Mez;elsesum1=0.5*L1*Mby;sum1+=0.5*Mby*Mby/(Fay-Fby);sum1+=0.5*(L2-a-Mby/(Fay-Fby)*Mey;sum2=0.5*L1*Mbz;sum2+=Mbz*(L2-a);sum2+=0.5*(L2-a)*(Mez-Mbz);sum1+=Mey*a;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey);sum2+=Mez*a;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez);sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);D4=sum/(E*Xs*zjc);D4=pow(D4,0.

24、25); void weiyi()float sum1,sum2,sum,rat,sb=0.666666667,top,mid;rat=L1/(L1+L2-a);top=L1*L2/(L1+L2);mid=top*a/L2;sum1=0.5*L1*rat*Mey*sb*top;sum1+=rat*Mey*(L2-a)*0.5*(top+mid);sum1+=0.5*(L2-a)*(1-rat)*Mey*sb*(top-mid);sum1+=Mey*a*0.5*mid;sum1+=0.5*a*(Mcy-Mey)*sb*mid;fzby=sum1;sum2=0.5*L1*rat*Mez*sb*to

25、p;sum2+=rat*Mez*(L2-a)*0.5*(top+mid);sum2+=0.5*(L2-a)*(1-rat)*Mez*sb*(top-mid);sum2+=Mez*a*0.5*mid;sum2+=0.5*a*(Mcz-Mez)*sb*mid;fzbz=sum2;sum=sqrt(sum1*sum1+sum2*sum2);sjwyb=sum/(E*D*D*D*D*Xs); printf(B点的实际位移：S=%fmn,sjwyb);voidfuzhi() /*此时应该判定为超静定，求出B点受力带入上面的函数进行判断，得出超静定的直径D*/float gg,mid,sb=0.66666

26、6667;mid=L1*L2/(L1+L2);gg=0.5*sb*mid*mid*(L1+L2);Fby=(fzby-wyb*E*D*D*D*D*Xs)/gg;Fbz=(-fzbz-wyb*E*D*D*D*D*Xs)/gg;pd=1;voidmain()int pd=0; printf( 输入原始数据:n); scanf(%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,&L1,&L2,&L3,&a,&b,&R,&A0,&n,&P,&i,&Fhy,&Fhz); printf( 所输入数据为:nL1=%fm,L2=%fm,L3=%fm,a=%fm,b=%fm,R=%fm,A

27、0=%fn,L1,L2,L3,a,b,R,A0); printf(n=%fr/min,P=%fKW,d/D=%f,Fhy=%fN,Fhz=%fNn,n,P,i,Fhy,Fhz); Xs=pi*(1-i*i*i*i)/64; zaihe(); waili(); printf(各点受力及力矩（静定）：n); printf(各点外力（静定）：nA点：Fay=%fN Faz=%fNtB点：Fby=%fN Fbz=%fNtE点：Fey=%fN Fez=%fNnC点：Fcy=%fN Fcz=%fNn,Fay,Faz,Fby,Fbz,Fey,Fez,Fcy,Fcz); printf(各点力矩（静定）：nB点

28、：Mby=%fN.m Mbz=%fN.mtE点：Mey=%fN.m Mez=%fN.mnC点：Mcy=%fN.m Mcz=%fN.mtD点：Mdy=%fN.m Mdz=%fN.mn,Mby,Mbz,Mey,Mez,Mcy,Mcz,Mdy,Mdz); qiangdu(); printf(第三强度理论校核：D1=%fmn,D1);D=D1; naodu(); printf(根据D点刚度校核：D2=%fmn,D2); if(DD2) D=D2; naodue(); printf(根据E点刚度校核：D3=%fmn,D3); if(DD3) D=D3; zhuanjiaoc(); printf(根据C点

29、刚度校核：D4=%fmn,D4); if(DD4) D=D4; printf(确定空心圆轴外径：D=%fmn,D); weiyi(); if(sjwyb=wyb) printf(可判定此结构为静定结构n); else printf(可判定此结构为超静定结构n); fuzhi(); waili(); printf(各点受力及力矩（超静定）：n); printf(各点外力（超静定）：nA点：Fay=%fN Faz=%fNnB点：Fby=%fN Fbz=%fNnE点：Fey=%fN Fez=%fNnC点：Fcy=%fN Fcz=%fNn,Fay,Faz,Fby,Fbz,Fey,Fez,Fcy,Fcz,Fd