材料力学课程设计-车床主轴设计

教学号：辩论成绩：设计成绩：材料力学课程设计设计题目：车床主轴设计题号:7—4—Ⅰ—21教学号:44100813姓名：冯诗洋指导教师：董心完成时间：目录材料力学课程设计的目的--------------------------------------------------3材料力学课程设计的任务和要求--------------------------------------------------3设计题目--------------------------------------------------3对主轴静定情况校核--------------------------------------------------5根据第三强度理论校核--------------------------------------------7根据刚度进行校核---------------------------------------------7疲劳强度校核--------------------------------------------13对主轴超静定情况校核-------------------------------------------------14根据第三强度理论校核---------------------------------------------17根据刚度进行校核---------------------------------------------17疲劳强度校核----------------------------------------------20循环计算程序---------------------------------------------------21课程设计总结----------------------------------------------------25一、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根本原理和计算方法，独立计算工程中的典型零部件，已到达综合运用材料力学的知识解决工程实际问题的能力。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。即从整体上掌握了根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；即把以前学到的知识综合的运用，又为以后的学习打下了根底，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。使我们的材料力学知识系统化，完整化。在系统的全面的复习的根底上，运用材料力学的知识解决工程中的实际问题。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的知识和专业需要结合起来。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。初步了解和掌握工程实践中的设计思想和方法，为以后打下根底。二、设计的任务和要求画出受力分析计算简图和内力图列出理论依据和导出的计算公式独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果完成设计说明书。三、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、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〔在进行强度、刚度计算时，可以不计轴向力Fx的影响，而以弯曲、扭转变形为主〕。轴的材料为优质碳素结构钢〔45钢〕，外表磨削加工，氮化处理。其他数据见表1。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2)，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。规定的平安系数n=3〔=420，=240〕。对静不定情况〔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。表1：20100.51503.33.50.0028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：〔设计计算数据表Ⅰ21〕/m/m/mA/mB/mR/m(n/(r/min)P/kw/N/N120.160.570.150.140.160.1205005.20.7043002200图一：对主轴做静定校核由公式可知:Me=9549==99.31NF===827.58N由斜齿轮受力分析：F===305.83N那么有：F=Fsin-Fcos=-305.83NF=Fcos+Fsin=827.58N=Fb==688N=Fb==352N由图b做受力分析，求支座反力〔忽略轴向力〕F、F、F、F：=F(L+L)+Fa-688-FL=0F=1884.68NF=-5878.85N=F(L+L)+Fa+400+FL=0F=1092.96NF=2465.40N根据做Y、Z方向剪力图和弯矩图如下：1578.851578.8543001884.681111.961111.9613336881092.961092.96265.402200644.85644.85682352由剪力图和弯矩图可知：C点为危险截面：1、根据第三强度理论校核〔忽略剪力〕代入数据得：D15.1210-22、由刚度对轴进行校核〔利用图乘法〕〔1〕点沿Y、Z轴施加单位力弯矩图如下：1111.961111.9613336880.150.15644.85644.856823520.150.15DzDz〔2〕根据E点刚度计算轴径，在E点分别沿Y、Z方向加一单位力，有弯矩图如下：1111.961111.9613336880.1120.112644.85644.856823520.1120.112根据C点刚度计算直径，在C点处加单位力偶有如下弯矩图：133313336881111.9611644.85644.8568235211综上所述：3、计算B点的实际位移〔应用图乘法)在B点分别沿Y、Z轴方向加一单位力有弯矩图如下：133313336881111.960.1250.125644.85644.856823520.1250.125二、疲劳强度校核假设不计键槽对抗弯截面系数的影响，危险截面处抗弯截面系数：由于弯矩不变，该循环为对称循环：查表确定以下疲劳强度影响系数：那么：故E处满足疲劳强度要求。超静定情况校核由，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：0.1250.125得：同理可得：求支座反力：做剪力与弯矩图如下：1149.141149.1443002736.272430.44183.86183.86992.7368813332112.142112.14220020.70806.88352352682684.90337.94由上图得：C点为危险点〔1〕根据第三强度理论校核代入数据得：由刚度对轴进行校核〔图乘法〕A.根据D点刚度对主轴进行校核，分别沿Y、Z轴加一单位力，得弯矩图如下：183.86183.86992.7368813330.150.15352352682684.90337.940.150.15那么：B.根据E点刚度对主轴进行校核，由静定情况可知C.根据C点刚度对主轴进行校核，分别沿Y、Z轴加一单位力，得弯矩图如下：183.86183.86992.73688133311352352682684.90337.9411那么:综上所述：〔2〕疲劳强度校核查机械手册得到：那么：故满足疲劳强度条件。循环程序设计#include<stdio.h>#include<math.h>#definePi3.1415926floatL1,L2,L3,a,b,n,i,Fhy,Fhz,Fay,Faz,Fby=0.0,Fbz=0.0,Fcy,Fcz,Fdy,Fdz,Fey,Fez,Mby,Mbz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,P,R,Mdy,Mdz,Te,Td,Mc,w,xxx=150.0f,eee=0.21f,fby,fbz;floatfffee=0.00035f,fffdd=0.00033f,aaacc=0.0028f,aMb,aMc,aMe,fffb,aaac,fffbb=0.000005f;floatbig,SM,SN,SD,Bl,dwfb,ddd;voidzaihe(){ floatFt,Fr,An=20.0f,Bn=10.0,Cn=0; Ft=9549.0f*P/R/n; Fr=(float)(Ft*tan(An*Pi/180.0)/cos(Bn*Pi/180.0)); Fey=-Fr*cos(Cn*Pi/180.0)+Ft*sin(Cn*Pi/180.0); Fez=Fr*sin(Cn*Pi/180.0)+Ft*cos(Cn*Pi/180.0); Te=Ft*R;Td=-Td; Fdy=Fhy;Fdz=Fhz; Mdy=Fdy*b;Mdz=Fdz*b;}voidwaili(){ Fay=(-Fey*a+Mdy+Fdy*L3-Fby*L2)/(L1+L2); Fcy=(Mdy+Fdy*(L1+L2+L3)+Fby*L1+Fey*(L1+L2-a))/(L1+L2); Fcz=(Fdz*(L1+L2+L3)+Mdz+Fbz*L1-Fez*(L1+L2-a))/(L1+L2); Faz=(Fez*a+Mdz+Fdz*L3-Fbz*L2)/(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;}voidqiangdu(){ longdoubleXmax,Tmax,Mc1,ddd1; Mc1=sqrt(Mcy*Mcy+Mcz*Mcz); ; Mc=(float)Mc1; Xmax=Mc/w;Tmax=Te/(2*w); ddd1=sqrt(Mc*Mc+Te*Te)/(w*xxx); ddd1=pow(ddd1,0.3333333); ddd1=ddd1/100.0; ddd=(float)ddd1;}voidnaodud(){ longdoublefffd1,fffdy,fffdz,ddd1; fffdy=L1*Mby*L1*aMc/(L1+L2)/3.0/eee; fffdy+=(3*Mby*(2*L1+L2-a)+(Mey-Mby)*(3*L1+2*L2-2*a))*aMc*(L2-a)/(L1+L2)/6.0/eee; fffdy+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mey+(Mcy-Mey)*(3*L1+3*L2-a))*aMc*a/(L1+L2)/6.0/eee; fffdy+=(2*Mcy+Mdy)*L3*aMc/6.0/eee; fffdz=L1*Mbz*L1*aMc/(L1+L2)/3.0/eee; fffdz+=(3*Mbz*(2*L1+L2-a)+(Mez-Mbz)*(3*L1+2*L2-2*a))*aMc*(L2-a)/(L1+L2)/6.0/eee; fffdz+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mez+(Mcz-Mez)*(3*L1+3*L2-a))*aMc*a/(L1+L2)/6.0/eee; fffdz+=(2*Mcz+Mdz)*L3*aMc/6.0/eee; fffd1=2*sqrt(fffdy*fffdy+fffdz*fffdz)/w/fffdd; ddd1=pow(fffd1,0.25); ddd1/=1000.0; ddd=(float)ddd1;}voidnaodue(){ longdoublefffe1,fffey,fffez,ddd1; fffey=L1*Mby*L1*aMe/(L1+L2-a)/3.0/eee; fffey+=aMe*(L2-a)*(3*Mby*(2*L1+L2-a)+(Mey-Mby)*(3*L1+2*L2-2*a))/(L1+L2-a)/6.0/eee; fffey+=aMe*a*(2*Mey+Mcy)/6.0/eee; fffez=L1*Mbz*L1*aMe/(L1+L2-a)/3.0/eee; fffez+=aMe*(L2-a)*(3*Mbz*(2*L1+L2-a)+(Mez-Mbz)*(3*L1+2*L2-2*a))/(L1+L2-a)/6.0/eee; fffez+=aMe*a*(2*Mez+Mcz)/6.0/eee; fffe1=2*sqrt(fffey*fffey+fffez*fffez)/w/fffee; ddd1=pow(fffe1,0.25); ddd1/=1000.0; ddd=(float)ddd1;}voidzhuanjiaoc(){ longdoubleaaac1,aaacy,aaacz,ddd1; aaacy=L1*Mby*L1*aaac/(L1+L2)/3.0/eee; aaacy+=(3*Mby*(2*L1+L2-a)+(Mey-Mby)*(3*L1+2*L2-2*a))*aaac*(L2-a)/(L1+L2)/6.0/eee; aaacy+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mey+(Mcy-Mey)*(3*L1+3*L2-a))*aaac*a/(L1+L2)/6.0/eee; aaacz=L1*Mbz*L1*aaac/(L1+L2)/3.0/eee; aaacz+=(3*Mbz*(2*L1+L2-a)+(Mez-Mbz)*(3*L1+2*L2-2*a))*aaac*(L2-a)/(L1+L2)/6.0/eee; aaacz+=(3*(2*L1+2*L2-a)*Mez+(Mcz-Mez)*(3*L1+3*L2-a))*aaac*a/(L1+L2)/6.0/eee; aaac1=2*sqrt(aaacy*aaacy+aaacz*aaacz)/w/aaacc; ddd1=pow(aaac1,0.25); ddd1/=1000.0; ddd=(float)ddd1;}voidweiyib(){ longdoublefffb1,fffby,fffbz; floatfffb; fffby=Mby*aMb*L1/3.0/eee; fffby+=aMb*(L2-a)*(3*Mby*(L2+a)+(Mey-Mby)*(L2+2*a))/L2/6.0/eee; fffby+=aMb*a*a*(2*Mey+Mcy)*L2/6.0/eee; fffbz=Mbz*aMb*L1/3.0/eee; fffbz+=aMb*(L2-a)*(3*Mbz*(L2+a)+(Mez-Mbz)*(L2+2*a))/L2/6.0/eee; fffbz+=aMb*a*a*(2*Mez+Mcz)*L2/6.0/eee; fffb1=2*sqrt(fffby*fffby+fffbz*fffbz)/w/big/big/big/big; fby=(float)fffby;fbz=(float)fffbz; fffb=(float)fffb1; printf("B点的实际位移为：s=%.6fm\n",fffb);}voidfanli(){ longdoubleFby0,Fbz0; Fby0=(fby-SD*SD*SD*SD*w*fffbb*1.0e12/2.0)/dwfb; Fbz0=(fbz-SD*SD*SD*SD*w*fffbb*1.0e12/2.0)/dwfb; Fby=(float)Fby0;Fbz=(float)Fbz0; printf("%.2f,%.2f\n",Fby,Fbz);}voidxunhuan(){ doublecha; floatbig1,big2,big3,big4; do { waili(); qiangdu(); big1=ddd;big=big1; naodud(); big2=ddd;if(big<big2)big=big2; naodue(); big3=ddd;if(big<big3)big=big3; zhuanjiaoc(); big4=ddd;if(big<big4)big=big4; SM=SN;SN=big;SD=(SM+SN)/2.0f; cha=fabs(SD-big); fanli(); } while(cha>=0.0001); printf("超静定情况下的直径：D=%.6fm\n",big);}intmain(){ floatbig1,big2,big3,big4,Fby=0.0,Fbz=0.0; printf("请输入数据：L1,L2,L3,a,b,c,R,n,P,i,Fhy,Fhz=\n"); scanf("%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f,%f",&L1,&L2,&L3,&a,&b,&R,&n,&P,&i,&Fhy,&Fhz); printf("所输入数据：\n"); printf("L1=%.2fm,L2=%.2fm,L3=%.2fm,a=%.2fm,b=%.2fm,R=%.2fm,n=%.2fr/min,P=%.2fkw,i=%.2f,Fy=%.2fN,Fz=%.2fN\n",L1,L2,L3,a,b,R,n,P,i,Fhy,Fhz); aMb=1*a*L1*L2/(L1+L2); aMc=1*L3; aMe=1*(L1+L2-a)*a/(L1+L2); aaac=1.0; w=(float)(Pi*(1-i*i*i*i)/32.0); zaihe(); waili(); printf("Te=%.2f,Td=%.2f\n",Te,Td); printf("Fdy=%.2f,Fdz=%.2f,Fey=%.2f,Fez=%.2f,Mdy=%.2f,Mdz=%.2f\n",Fdy,Fdz,Fey,Fez,Mdy,Mdz); printf("Fay=%.2f,Faz=%.2f,Fby=%.2f,Fbz=%.2f,Fcy=%.2f,Fcz=%.2f\n",Fay,Faz,Fby,Fbz,Fcy,Fcz); printf("Mby=%.2f,Mbz=%.2f,Mey=%.2f,Mez=%.2f,Mcy=%.2f,Mcz=%.2f\n",Mby,Mbz,Mey,Mez,Mcy,Mcz); qiangdu(); printf("由强度条件计算出直径：D1=