材料力學
課程設計說明書
設計題目五種傳動軸的靜強度、變形及疲勞強度的計算
汽車工程學院汽車發動機專業 420911 班
設計者李根平
學號 42091117 卡號 20090107200
2011 年 10 月 18 日
目錄設計目的2
設計任務及要求2
設計題目3
傳動軸受力簡圖5
彎矩扭矩圖6
設計等軸的直徑9
計算齒輪處軸的撓度10
階梯傳動軸進行疲勞強度計算12
資料說明19
設計感想19
附：程式計算結果截圖，計算機程式設計
材料力學課程設計的目的
本課程設計是在系統學完材料力學課程之後，結合工程實際中的問題，運用材料力學的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達到綜合運用材料力學知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學生將材料力學的理論和現代計算方法及手段溶為一體，即從整體上掌握了基本理論和現代的計算方法，又提高了分析問題，解決問題的能力；即是對以前所學知識（高等數學、工程圖學、理論力學、演算法語言、計算機和材料力學等）的綜合運用，又為後續課程（機械設計、專業課等）的學習打下基礎，並初步掌握工程設計思想和設計方法，使實際工作能力有所提高。具體有以下六項：
1. 使所學的材料力學知識系統化、完整化。
2. 在系統全面複習的基礎上，運用材料力學知識解決工程實際中的問題。
3. 由於選題力求結合專業實際，因而課程設計可以把材料力學知識與專業需求結合起來。
4. 綜合運用以前所學的各門課程的知識（高等數學、工程圖學、理論力學、演算法語言、計算機等），使相關學科的知識有機地聯絡起來。
5. 初步了解和掌握工程實踐中的設計思想和設計方法。
6. 為後續課程的教學打下基礎。
材料力學課程設計的任務和要求
參加設計者要系統複習材料力學課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內力圖，理出理論依據並匯出計算公式，獨立編制計算程式，通過計算機給出計算結果，並完成設計計算說明書。
一、設計計算說明書的要求
設計計算說明書是該題目設計思想、設計方法和設計結果的說明，要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達完整。具體內容應包括：
1.設計題目的已知條件、所求及零件圖。
2.畫出構件的受力分析計算簡圖，按比例標明尺寸、載荷及支座等。
3.靜不定結果要畫出所選擇的基本靜不定系統及與之相應的全部求解過程。
4.畫出全部內力圖，並標明可能的各危險截面。
5.危險截面上各種應力的分布規律圖及由此判定各危險點處的應力狀態圖。
6.各危險點的主應力大小及主平面位置。
7.選擇強度理論並建立強度條件。
8.列出全部計算過程的理論根據、公式推導過程以及必要的說明。
9.對變形及剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內力圖和單位力圖。
10.疲勞強度計算部分要說明迴圈特徵，，，r，，的計算，所查k，ε，β各係數的依據，疲勞強度校核過程及結果，並繪出構件的持久極限曲線。
二、分析討論及說明部分的要求
1.分析計算結果是否合理，並討論其原因、改進措施。
2.提出改進設計的初步方案及設想。
3.提高強度、剛度及穩定性的措施及建議。
三、程式計算部分的要求
1.程式框圖
2.電腦程式（含必要的語言說明及識別符號說明）。
3.列印結果（資料結果要填寫到設計說明書上）。
四、材料力學課程設計的一般過程
材料力學課程設計與工程中的一般設計過程相似，從分析設計方案開始到進行必要的計算，並對結構的合理性進行分析，最後得出結論。應合理安排時間，避免前松後緊，甚至不能按時完成設計任務。
材料力學課程設計可大致分為以下幾個階段：
1. 設計準備階段。認真閱讀材料力學課程設計指導書，明確設計要求，結合設計題目複習材料力學課程的有關理論知識，制定設計的步驟、方法以及時間分配方案等。
2. 從外力及變形分析入手，分析計算內力、應力及變形，繪製各種內力圖及位移、轉角曲線。
3. 建立強度、剛度條件，並進行相應的設計計算以及必要的公式推導。
4. 編制電腦程式並調通程式。
5. 上機計算，並列印出結果。
6. 整理資料結果並書寫設計計算說明書。
7. 分析討論設計和計算的合理性、優缺點，以及相應的改進意見和措施。
設計題目
傳動軸的材料均為優質碳素結構鋼（牌號45），許用應力[σ]=80mpa，經高頻淬火處理，，，。磨削軸的表面，鍵槽均為端銑加工，階梯軸過渡圓弧r均為2mm，疲勞安全係數n=2。
要求：1. 繪出傳動軸的受力簡圖。
2. 做扭矩圖及彎矩圖。
3. 根據強度條件設計等直軸的直徑。
4. 計算齒輪處軸的撓度（均按直徑的等直杆計算）。
5. 對階梯傳動軸進行疲勞強度計算。（若不滿足，採取改進措施使其滿足疲勞強度要求）。
6. 對所取資料的理論根據做必要的說明。
說明：（1） 座標的選取均按圖所示。
（2） 齒輪上的力f與節圓相切。
（3） 表中p為直徑為d的帶輪傳遞的功率，為直徑為的帶輪傳遞的功率。為小帶輪的重量，為大帶輪的重量。
（4） 為靜強度條件所確定的軸徑，以mm為單位，並取偶數。
設設計計算資料
設計過程
1.傳動軸受力簡圖
求支座反力：
, ，
， ，求解得：
2.彎矩圖及扭矩圖
xoy面
各分力單獨作用：
合彎矩圖：
xoz面
各分力單獨作用：
合彎矩圖：
扭矩圖：
3.設計等直軸軸的直徑
根據第三強度理論：
分析最大截面：
解得：分析b截面：
解得：分析d截面：
解得：綜上所述，取，由
取；；經校核各軸均滿足靜強度的要求。
4.求齒輪軸的撓度
已知：根據圖乘法：
xoy平面：
y方向：
xoz平面：
各力彎矩圖：
z方向：
綜上：與xoy面得夾角為
5.對階梯傳動軸進行疲勞強度計算（若不滿足，採取改進措施使其滿足疲勞強度）
i．首先對傳動軸鍵槽進行疲勞強度計算
因為該軸鍵槽為端銑加工，σb=650mpa，所以根據《材料力學》表13-10a可查得=1.81，根據《材料力學》13-10b可查得=1.62。
因為該軸經高頻淬火處理，σb=650mpa， =1.81，所以根據《材料力學》表13-4可查得=2.4。
由於此傳動軸工作在彎扭組合交變應力狀態下，因此在進行疲勞強度計算時疲勞強度條件可寫成。
，，，。
，故彎矩迴圈係數r=-1,迴圈特徵為對稱迴圈；
，故扭矩迴圈係數r=0,迴圈特徵為脈動迴圈。
所以，。
其中，，。
參照《材料力學》表13-5可選取。
在b截面側處：
，傳動軸的材料為優質碳素結構鋼（牌號45），根據《材料力學》表13-2可查得，。
，， 則
，安全。
在d截面處：
，傳動軸的材料為優質碳素結構鋼（牌號45），根據《材料力學》表13-2可查得，。
，， 則
，安全。
在f截面處：
，傳動軸的材料為優質碳素結構鋼（牌號45），根據《材料力學》表13-2可查得，。
，， 則
，安全。
ii．再對傳動軸階梯軸進行疲勞強度計算
由於σb=650mpa，，，，,
，階梯軸過渡圓弧r均為2mm，根據《材料力學》表13-9a，表13-9c，表13-9d，表13-9e可查得：
在p截面處，，所以=1.73， =1.41；
在q截面處，，所以=1.75， =1.44；
在v截面處，，所以=1.80， =1.46；
在w截面處，，所以=2.17， =1.59；
在p截面處：
，傳動軸的材料為優質碳素結構鋼（牌號45），根據《材料力學》表13-2可查得，。
，， 則
，安全。
在q截面處：
，傳動軸的材料為優質碳素結構鋼（牌號45），根據《材料力學》表13-2可查得，。
，， 則
，安全。
在v截面處：
，傳動軸的材料為優質碳素結構鋼（牌號45），根據《材料力學》表13-2可查得，。
，， 則
，安全。
在w截面處：
，傳動軸的材料為優質碳素結構鋼（牌號45），根據《材料力學》表13-2可查得，。
，， 則
，安全現將各校核截面引數整理後列表如下：
各校核截面結算結果如下：
6.對所取資料的理論根據作必要的說明
本次課程設所取的資料均取於參考文獻。
（1）聶玉琴，孟廣偉主編. 材料力學（第二版）. 北京：機械公業出版社，2008.
（2）譚浩強主編. c程式設計（第三版）. 北京：清華大學出版社，2006.
（3）侯洪生，焦永和主編，計算機繪圖實用教程. 北京：科學出版社，2005.
7.設計感想
吉林大學材料力學課程設計。傳動軸C 2 x
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