材料力学课程设计车床主轴.doc
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:姓名：指导教师： 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基本原理和计算方法，独立计算工程中的典型零部件，已达到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；即把以前学到的知识综合的运用，又为以后的学习打下了基础，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。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. 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。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方法，为以后打下基础。二、设计的任务和要求1. 画出受力分析计算简图和内力图2. 列出理论依据和导出的计算公式3. 独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果4. 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），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（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。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（=420，=240）。3、 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12）/m/m/ma/mb/mR/m(n/(r/min)P/kw/N/N110.160.470.150.120.160.12454005.20.6540002400图一：一、 对主轴静定情况校核由公式可知Me=9549= =124.14N F= =1034.48N 由斜齿轮受力分析得： F=382.28N则有：F=Fsin-Fcos=461.18N F=Fcos+Fsin=1001.83N =Fb= Fb=40000.16=640Nm =Fb= Fb=24000.16=384Nm 由图1受力分析求支座反力F、F、F、F：= F(L+L)+Fa- FL=0 F=1880.41N= F(L+L)+ F(L+L-a)+ F( L+L+L)=0 F=-6341.4N= F(L+L)+ Fa+ F L=0 F=-1371.81N= F(L+L)+ F(L+L-a)- F( L+L+L)=0 F=2030.2N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： 由剪力图及弯矩图可知c点为危险点且： Mc=1445.6Nm Me=124.14Nm1. 根据第三强度理论校核（忽略剪力）： 且 代入数据解得： D4.93m2.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 E=210 I= m2) 根据E点刚度计算轴径，在E点分别沿y、Z轴加一单位力有扭矩图如下图 即： 解得：D3m 综上所述：D=maxD、D、D=6.9m当D= 6.9m时，计算B点的实际位移：（应用图乘法） =-3.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E处满足疲劳强度要求。二、 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： 又; 代入上式有： 又;代入上式有：从而求A、C点的支反力有： 做剪力图、 如下所示：做弯矩图、如下图所示：由上图有： C点为危险点1）.第三强度理论校核有： 且 代入数据解得：2）.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：则： 解得：根据E点的刚度对轴校核：有静定情况可知综上所述：3）疲劳强度校核：查机械手册得到： 则：； ；故满足强度条件。三、 循环计算程序#include<stdio.h>#include<math.h>#define pi 3.141592654#define ip 0.017453292floatL1,L2,L3,a,b,A0,n,P,i,Fy,Fz,Fby=0,Fbz=0,Fcy,Fcz,Fey,Fez,Mby,Mbz,Mcy,Mcz,Mey,Mez,Md,Mc,www,xxx=150,eee=0.21,ddd,fby0,fbz0,fby1,fbz1,Fffe=0.00035,fffd=0.00033,aaac=0.0028,aMb,aMc,aMe,aaaac,fffb=0.00005,Fffbb,big,SM,SN,B1,SD,FFF;void zaihe() long double Ft,Fy,An=20.0,Bn=10.0; Ft=30*P*1000/(n*pi*R); Fy=Ft*tan(An*ip)/(cos(Bn*ip); Fey=Ft*sin(A0*ip)-Fy*cos(A0*ip; Fez=Ft*cos(A0*ip)+Fy*sin(A0*ip); Me=Ft*R;Md=-Me;Fdy=Fy;Fdz=-Fz; 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)+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/www;Mmax=Me/(2*www); Xmax3=-Xmax/2-sqrt(Xmax/2)*(Xmax/2)+Mmax*Mmax); Xmax1=-Xmax/2+sqrt(Xmax/2)*(Xmax/2)+Mmax*Mmax);ddd=sqrt(Xmax1-Xmax2)*(Xmax1-Xmax2)+(Xmax2-Xmax3)*(Xmax2-Xmax3)+(Xmax3-Xmax1)*(Xmax3-Xmax1)/2)/xxx;ddd=pow(ddd,0.333333333333333333333);ddd=ddd/100;ddd=(float)ddd;voidnaodu()longdoublefffd1,fffdy,fffdz;fffdy=L1*Mby*L1*aMc/(L1+L2)/0.147/eee;fffdy+=(L2-a)*(Mby*(2*aMc*L1/(L1+L2)+aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mey*(2*aMc*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aMc*L1/(L1+L2)/(0.294*eee);fffdy+=a*(Mey*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)+aMc)+Mcy*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/( L1+L2)/(0.294*eee);fffdy+=L3*Mac*(Mdy-2*Mcy)/(0.294*eee);fffdz=L1*Mbz*L1*aMc/(L1+L2)/0.147/eee;fffdz+=(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*eee); fffdz+=a*(Mez*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)+aMc)+Mez*(2*aMc+(L1+L2-a)*aMc/(L1+L2)/(0.294*eee); fffdz+=L3*Mac*(Mdz+2*Mcz)/(0.294*eee); fffd1=pi*sqrt(fffdy*fffdy+fffdz*fffdz)/www/32/fffd; ddd=pow(fffd1,0.25);ddd=ddd/1000;ddd=(float)ddd; void naodue() long double fffe1,fffey,fffez; fffey=L1*Mby*L1*aMe/(L1+L2-a)/0.147/eee;fffey+=(L2-a)*(Mby*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)+aMe)+Mey*(2*aMe*aMe*L1/(L1+L2-a)/ 0.294/eee; fffey+=a*aMe*(Mcy+2*Mey)/(0.294*eee); fffez=L1*Mbz*L1*aMe/(L1+L2-a)/0.147/eee; fffdz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)+aMe)+Mez*(2*aMe*L1/(L1+L2-a)/(0.294*eee); fffdz+=a*aMe*(Mcz-2*Mez)/(0.294*eee); fffe1=pi*sqrt(fffey*fffey+fffez*fffez)/www/32/eee; ddd=pow(fffe1,0.25);ddd=ddd/1000;ddd=(float)ddd;void zhuanjiaoc() long double aaac1,aaacy,aaacz; aaacy=L1*Mby*L1*aaac/(L1+L2)/0.147/eee; aaacy+=(L2-a)*(Mby*(2*aaaac*L1/(L1+L2)+aaaac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mey*(2*aaaac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aaaac*L1/(L1+L2)/(0.294*eee); aaacy+=a*(Mey*(2*(L1+L2-a)*aaaac/(L1+L2)+aaaac)+Mcy*(2*aaaac+(L1+L2-a)/(L1+L2) )/(0.294*eee); aaacz=L1*Mbz*L1*aaac/(L1+L2)/0.147/eee; aaacz+=(L2-a)*(Mbz*(2*aaaac*L1/(L1+L2)+aaaac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+Mez*(2*aaaac*(L1+L2-a)/(L1+L2)+aaaac*L1/(L1+L2)/(0.294*eee); aaacz+=a*(Mez*(2*(L1+L2-a)*aaaac/(L1+L2)+aaaac)+Mcz*(2*aaaac+(L1+L2-a)/( L1+L2) )/(0.294*eee); aaac1=pi*sqrt(aaacy*aaacy+aaacz*aaacz)/www/32/aaac; ddd=pow(aaac1,0.25);ddd=ddd/1000;ddd=(float)ddd; void fanlib() long double fffb1,fffby,fffbz; fffby=L1*Mby*aMb/0.147/eee; fffby+=(L1+L2-a)*(Mby*(2*aMb+(L2-a)/L2*aMb)+Mey*(2*(L2-a)/L2*aMb+aMb)/0.294/eee; fffby+=a*(L2-a)*aMb*(Mcz+2*Mey)/(0.294*eee); fffbz=L1*Mbz*aMb/0.147/eee; fffbz+=(L1+L2-a)*(Mbz*(2*aMb+(L2-a)/L2*aMb)+Mez*(2*(L2-a)/L2*aMb+aMb)/ (0.294*eee); fffbz+=a*(L2-a)/L2*aMb*(Mcz+2*Mez)/(0.294*eee); fby0=fffby;fbz0=fffbz; fffb1=pi*sqrt(fffby*fffby+fffbz*fffbz)*pi/www/big/big/big/big/640e11; fffbb=(float)fffb1; printf("B点的实际位移：S=%fmn",fffbb)voidwaili()Fby=fffb*SD*SD*SD*SD*(1-i*i*i*i)/FFF*10e12; Fbz=Fby*fbz0/fby0;voidxunhuan()double AAAA;fkoat big1,big2,big3,big4; do waili(); qiangdu(); big1=ddd;big=big1; naodud(); big2=ddd;if(big<big1) big=big2; naodue(); big3=ddd;if(big<big3) big=big3; zhuanjiaoc(); big4=(float)ddd;if(big<big4) big=big4; SM=SN;SN=BIG;SD=(SN+SM)/2;AAAA=fabs(SD-big); fanlib(); while(AAAA>=0.0001); printf("在超静定情况下的直径 :D=%fmn",big);voidmain()float big1,big2,big3,big4; 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,&Fy,&Fz); printf(" 所输入数据为:nL1=%fm,L2=%fm,L3=%fm,a=%fm,b=%fm,R=%fm,A0=%fn",L1,L2,L3,a,b,R,A0); printf("n=%fr/min,P=%fKW,i=%f,Fy=%fN,Fz=%fNn",n,P,i,Fy,Fz); aMc=1*L3; aMe=(L1+L2-a)*a/(L1+L2)*1; aaaac=1; aMb=1*L1*12/(L1+L2); www=pi*(1-i*i*i)/32; zaihe(); waili(); printf("辅助计算外力（静定）:nFay=%fN,Faz=%fN,Fby=%fN,Fbz=%fN,Fcy=%fN,Fcz=%fN,",Fay,Faz,Fby,Fbz,Fcy,Fcz);printf("Fdy=%fN,Fdz=%fN,Fey=%fN,Fez=%fN,Mby=%fN.m,Mbz=%fN.m,Mcy=%fN.m,Mcz=%fN.m, ",Fdy,Fdz,Fey,Fez,Mby,Mbz,Mcy,Mcz);printf("Mdy=%fN.m,Mdz=%fN.m,Mey=%fN.m,Mez=%fN.m,Me=%fN.m,Md=%fN.mn",Mdy,Mdz,Mey,Mez,Me,Md); qiangdu(); printf("D1=%fmn",big1);big=big1; naodud(); printf("D2=%fmn",ddd);big2=(float)ddd; if(big<big2) big=big2; naodue(); printf("D3=%fmn",ddd);big3=(float)ddd; if(big<big3) big=big3; zhuanjiaoc(); printf("D4=%fmn",ddd);big4=(float)ddd; if(big<big4) big=big4; printf("D=%fmn",big); fanlib(); if(fffbb<=fffb) 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"); SM=0;SN=big;SD=(SN+SM)/2; B1=1+fbz0*fbz0/(fby0*fby0); B1=sqrt(B1); FFF=(L1+L2)*aMb*aMb/(eee*0.147); fanlib(); xunhuan(); printf(" n"); 四、课程设计总结本次课程设计巩固很多以前学习过的知识，透过本次课程设计，锻炼了运用所学内知识解决实际问题的能力。这次课程设计是我以前学习的一个阶段性总结，从中我看到了自己知识方面的不足和学科综合的重要性。此后，我会更加扎实的学习所学课程并广泛涉猎其他学科，在提高专业知识水平的基础上进一步提高自己的综合素质。
