Методические рекомендации по выполнению и оформлению курсовой работы по дисциплине «Сопротивление материалов»

Курсовая работа по дисциплине «Сопротивление материалов» является самостоятельной Учебно – исследовательской работой студента по практическому применению основных теоретических положений курса с целью закрепления и развития полученных знаний и навыков.

Каждый студент получает индивидуальное задание по одной из перечисленных ниже тем:

1. Расчет статически неопределимой рамы по методу сил.

2. Расчет вала на прочность при изгибе с кручением.

Пояснительная записка по курсовой работе оформляется на листах формата А4 и включает 1)титульный лист с обязательным указанием темы расчетно-графической работы, номера варианта задания, фамилии и инициалов студента, номера группы, фамилии и инициалов преподавателя, 2)расчеты, 3) графические построения, 4) список используемой литературы.

В пояснительной записке необходимо привести расчетную схему и исходные данные в соответствии с номером варианта задания.. Все вычисления и окончательные результаты должны быть приведены и записаны в системе единиц СИ. Каждый этап работы снабжается заголовком и необходимыми пояснениями. Номер варианта зависит от индивидуального номера зачетной книжки студента: 1-ая цифра означает – номер схемы, вторая – номер числовых данных в таблице.

Курсовая работа на тему «Проектирование вала на прочность при изгибе с кручением».

Задание. Спроектировать ступенчатый вал с расчетом на изгиб с кручением и определить фактический запас прочности вала при циклических нагрузках.

Схема вала с указанием продольных размеров вала, диаметров шкивов и шестирен, направлениий действия сил приведена на рис. 11, 12.

Численные данные указаны на схеме величин, а так же мощности, передаваемые шкивами или шестернями, окружная скорость вала, марка углеродистой конструкционной стали, из которой должен быть изготовлен вал, и состояние его поверхности приведены в таблице 2.

Механические характеристики углеродистых конструкционных сталей приведены в таблице 3.

Коэффициент запаса стали по текучести n_T = 5, а допускаемый коэффициент запаса прочности [n] =1,8.

Содержание и порядок выполнения работы

1. Определить крутящие моменты, передаваемые на вал шкивом или шестерней, используя зависимость между крутящим моментом (кН∙м), мощностью (кВт) и скоростью вращения вала (с ^-1):

.

2. Построить эпюру крутящих моментов .

3. Определить натяжение ремней в ременной передаче и усилия в зубчатом зацеплении.

При определении давлений на вал принять в ременной передаче полное усилие от натяжения ремней R=3∙t, а в зубчатой передаче – радиальное усилие зубчатого зацепления P_P=0,5∙P₀ , где P₀ – окружное усилие в зубчатом зацеплении. На схеме вала радиальное усилие зубчатого зацепления P_P , всегда направлено к оси вала, не нанесено, чтобы не загромождать схему.

4. Выбрать две взаимно перпендикулярные плоскости и спроектировать на них все найденные выше силы.

5. Составить схему работы вала на изгиб в одной из плоскостей и построить эпюру изгибающих моментов в этой плоскости.

6. Выполнить аналогичный расчет для другой плоскости.

7. Построить эпюру суммарных изгибающих моментов

.

8. Определить величину расчетного момента в характерных сечениях вала, используя теорию максимальных касательных напряжений

.

и построить эпюру этого момента.

9. Определить диаметры вала в указанных сечениях и спроектировать ступенчатый вал, округлив диаметры ступеней до стандартного размера. Стандартные размеры в переделах 20-125 мм следующие: 20; 21; 22; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 46; 48;50; 52; 55; 60; 63; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 95; 100; 105; 110; 120; 125.

Радиус галтели ρ в переходных сечениях от большого диаметра D к малому диаметру d принять равным 0,5(D - d).

10. Рассчитать запас прочности по нормальным напряжениям с учетом усталости в опасных сечениях, считая концентраторами напряжений уступ с галтелью и шпоночный паз, необходимый для закрепления на валу шестерни или шкива с помощью шпонки. Цикл нормальных напряжений симметричный.

При вычислении коэффициента запаса усталостной прочности n_σ коэффициент ε, учитывающий масштабный фактор, определяется по графику рис.13. Этим графиком можно пользоваться как при изгибе, так и при кручении.

Таблица 2.

Исходные данные расчета вала

Цифры шифра	1-я цифра шифра (номер схемы)	2-я цифра шифра			3-я цифра шифра				4-я цифра шифра				5-я цифра шифра (марка стали)	6-я цифра шифра (состояние поверхности)
		мощности, передаваемые шкивами, кВт		число оборотов вала, с^-1	Размеры, мм				Вес, кН		Углы, град.
		N	N1	ω	D	D1	D2	a	Q	Q1	α	β
1	I	5	3	20	800	400	200	400	1,00	0,60	30	45	10	1
2	II	6	3	15	700	350	100	500	0,80	0,40	45	30	20	2
3	III	8	4	30	800	300	150	500	0,90	0,50	60	30	30	3
4	IV	10	4	40	900	500	250	400	0,80	0,50	30	60	35	4
5	V	12	6	35	600	250	200	700	0,70	0,30	45	60	45	5
6	VI	14	5	45	750	350	250	300	0,80	0,40	60	45	50	1
7	VII	7	3	50	850	250	200	500	0,70	0,50	30	4\60	20X	2
8	VIII	16	10	55	650	300	200	400	0,65	0,40	45	30	40X	3
9	IX	18	4	60	900	400	300	300	0,85	0,35	60	45	30XM	4
0	X	20	12	70	600	300	200	600	0,60	0,20	30	60	40XH	5

Примечание. Принятые обозначения: N – подаваемая мощность; N₁ – мощность, снимаемая с первой шестерни или шкива. Состояние поверхности: 1 – полирование, 2 – шлифование, 3 – тонкое точение, 4 – грубое точение, 5 – наличие окалины.

Таблица 3.

Механические характеристики

углеродистых конструкционных сталей

Механич. характеристики, МПа	Марка стали
	10	20	30	35	45	50	20M	40M	30XM	40XM
σ b	340	420	500	540	610	640	800	1000	950	1000
σ T	210	250	300	320	360	380	650	800	750	800
τT	140	160	170	190	220	230	320	350	340	390
σ -1	190	200	230	260	290	310	380	380	360	400
τ-1	100	110	120	150	170	180	200	200	230	240

Кривая 1, представленная на рис. 13, относится к углеродистой стали при отсутствии концентраторов напряжений, а кривая 2 – к легированной стали при отсутствии концентраторов напряжений и легированной стали при умеренной концентрации.

Коэффициент поверхностной чувствительности β, учитывающий состояние поверхности в месте концентратора напряжений, определяется по рис. 14. Кривые на этом рисунке относятся к следующим состояниям поверхности: 1 – полированные, 2 – шлифованные, 3 – тонкое точение, 4 – грубое точение, 5 – наличие окалины.

Эффективный коэффициент концентраций напряжений K_σ находится по приближенному соотношению между эффективным и теоретическим коэффициентами концентрации:

K_σ=1+q*(α_σ - 1),

где q – коэффициент чувствительности материалов к местным напряжениям.

На рис. 15 приведен график значения теоретического коэффициента концентрации напряжений α_σ для случая изгиба ступенчатого вала с галтелью.

Зависимость приближенных значений коэффициента чувствительности материала к местным напряжениям q для стали различных марок от коэффициента концентрации напряженности α_σ и предела прочности σ_в показан на рис. 16.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений K_σ для валов со шпоночным пазом определяется по рис.17.

При наличии двух концентраторов напряжений в одном сечении в расчетной формуле для n_σ учитывается только один (наибольший) коэффициент концентрации напряжений.

11. Проделать такой же расчет для определения запасов прочности по касательным напряжениям. Цикл касательных напряжений считать пульсирующим.

При вычислении коэффициента запаса усталостной прочности n_τ величина теоретического коэффициента концентрации напряжений для случая кручения ступенчатого вала с галтелью находится по рис.15, а коэффициент чувствительности стали к местным напряжениям – по рис.16. Эффективный коэффициент концентрации напряженияK_τ для валов со шпоночным пазом определяется по рис.17. Значения масштабного коэффициента ε берутся из графика рис.13, а коэффициент качества поверхности β определяется по графикам рис.14. Коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла Ψ_τ зависит от величины механических характеристик и выбирается по таблице 4.

Таблица 4.

Значения коэффициентов Ψ_σ и Ψ_τ для стали

  

Предел прочности σb, МПа	Ψσ		Ψτ при кручении
	при изгибе	при растяжении
350	0,05	0,07	0,03
450	0,07	0,08	0,03
550	0,08	0,09	0,04
650	0,10	0,11	0,04
750	0,12	0,14	0,05
850	0,15	0,16	0,06
1000	0,17	0,19	0,07

12. Рассчитать полный запас прочности с учетом усталости материала.

13. При получении коэффициента запаса усталостной прочности меньше допустимой величины [n]=1,8 предложить конкретные меры повышения усталости прочности: A) – конструктивные приемы, связанные с изменением формы опасных участков вала, Б) – меры технологического упрочнения.

Средние значения коэффициента упрочнения при различных методах поверхностного упрочнения стальных деталей:

Поверхностнаязакалкатокамивысокойчастоты………………………………….2,0

Обкаткароликами………………………………………………………………………….1,6

Обдувкадробью………………………………………………………..…………………...1,3

Азотирование при глубине слоя 0,1-0,4 мм………………………………………....1,7

Цементация при толщине слоя 0,2-0,6 мм…………………………..……………….1,6

Цианирование при толщине слоя 0,2 мм…………………………………………….1,4

Следует отметить, что приведенные значения соответствуют оптимальной технологии упрочнению и отсутствию технологических дефектов.

I

II

III

IV

V

Рис. 11. Расчетные схемы нагруженного вала (варианты I – V).

VI

VII VIII

IX

X

Рис. 12. Расчетные схемы нагруженного вала (варианты VI – X).