曲柄轴的强度设计,疲劳校核及刚度计算课程设计刘晨

材料力学课程设计班级：机械工程系铁道车辆 1 班作者：刘晨（2014120892）题目：曲轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算指导老师：任小平老师2016 年 6 月 9 日材料力学课程设计- 1 -目录一、 课程设计的目的 -2二、 课程设计的任务和要求-3三、 设计计算说明书的要求-3四、 分析讨论及说明部分的要求-4五、 程序计算部分的要求-4六、 设计题目 -4七、设计内容-5（一）画出曲柄轴的内力图-6 （二）设计曲柄颈直径 d，主轴颈直径 D-7 （三）校核曲柄臂的强度-8 （四）校核主轴颈的疲劳强度-11 （五）用能量法计算 A 截面的转角-12 （六） 计算机程序-14八、设计的改进措施及方法-18 九、设计体会-19 十、参考文献-20 材料力学课程设计- 2 -一、课程设计的目的材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既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；既能对以前所学的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合应用，又为后继课程（机械设计、专业课等）得学习打下基础，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、 通过课程设计实践,使学生所学的材料力学知识系统化，完整化；2、 在系统全面复习的基础上，运用材料力学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知识和专业需要结合起来；4、 综合运用了先修各门课的知识（高等数学，工程图学，理论力学，算法语言，计算机等课程）使相关单科的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设计方法；材料力学课程设计- 3 -6、 为后续课程的教学和毕业设计打下坚实的基础。二、课程设计的任务和要求要系统复习材料力学课程的全部基本理论和方法，独立分析、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公式，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。三、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, 条理清楚 , 明确, 表达完整。 具体内容应包括:（1）设计题目的已知条件、 所求及零件图；（2）画出构件的受力分析计算简图, 按比例标明尺寸、 载荷及支座等；（3）静不定结构要画出构件的基本静定系统及与之相应的全部求解过程；（4）画出全部內力图, 并标明可能的各危险截面；（5）危险截面上各种应力的分布规律图及由此而判定各危险点的应力状态图；（6）各危险点的主应力大小及主平面位置；（7）选择强度理论并建立强度条件；材料力学课程设计- 4 -（8）列出全部计算过程的理论根据，公式推导过程以及必要的说明；（9）对变形及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；（10）疲劳强度计算部分要说明循环特征、最大应力、最小应力、平均应力、应力幅的计算，所查 k、 各系数的依据并绘出该构件的持久极限曲线，疲劳强度校核过程及结果。四、分析讨论及说明部分的要求1、分析计算结果是否合理，并分析其原因，改进措施；2、提高改进设计的初步方案及设想；3、提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。五、程序计算部分的要求1、程序框图；2、计算机程序（含必要的语言说明及标识符说明） ；3、打印结果（结果数据要填写到设计计算说明书上） 。六、 设计题目某柴油机柄轴材料为球墨铸铁（QT400-10） ，=120MPa，曲柄臂抽象为矩形（如图） ，h=1.2D，b/h=2/3（左、右臂尺寸相同） ，l=1.5e，l 4=0.5l。一）要求：材料力学课程设计- 5 -1. 画出曲轴的内力图。2. 按照强度条件设计主轴颈 D 和曲轴颈的直径 d。3. 校核曲柄臂的强度。4. 安装飞轮处为键槽，校核主轴颈的疲劳强度，取疲劳安全系数n=2。键槽为端铣加工，轴颈表面为车削加工， -1=160MPa, 。05.76.5. 用能量法计算 A 端截面的转角 , 。yz二）设计数据（表 7-12 中第 7 组数据）F/kN W/kN l1/mm l2/mm l3/mm e/mm ()15 7.1 360 240 130 100 13七、设计内容外力分析材料力学课程设计- 6 -在 XOY 平面内：MB=0 FA y = =2888N（下）213*sin*LWaMA=0 F By = =6614N（上）sin1)( aF在 XOZ 平面内： MB=0 FAz= =5846N（外）21*cosLaMA=0 F Bz = =8770N（外）（一）画出曲柄轴的内力图 画出内力图。不计弯曲切应力（故未画剪力图） ，弯矩图画在受压。根据内力图，确定危险截面。材料力学课程设计- 7 -1.对于主轴颈危险点可能是图中 D 点，则 D 点处受弯曲和扭转，有：MD1x =Ft e = 1462NmMD1y =1447NmMD1z =1003Nm2.曲柄颈中间截面 C 最危险，受扭转和两向弯曲,有：MCx =FAze = 585NmMCy =2105NmMCz =1040Nm3.曲柄臂受到轴力作用，危险点可能也是图中 D 或 E 点，有:MD2x =Ft e = 1462Nm MEx=585Nm MD2y =1447Nm MEy=1666Nm MD2z =1003Nm MEz=823Nm FND =486N FNE=2888N（二）设计主轴颈直径 D 和曲轴颈直径 d1.校核主轴颈 D材料力学课程设计- 8 -主轴颈的危险截面为 D 处，进行校核。根据主轴颈的受力状态用第三强度理论计算= 其中 =3rW1212121zMyxDDW132D 120MPa32212121求得 D57.9 则 D=58mm2.校核曲轴颈直径 d在曲轴颈上，危险截面位于中间截面 C 处，对此处进行分析，受两向弯曲和扭转作用。根据受力情况，同样应用第三强度理论进行校核，有：= = 3rWM1222zMyxCCM= 其中 =222zCW132d求得 d59.0 即 d=60mm则有 D=58mm，d=60mm h=69.6mm,b=46.4mm(三)校核曲柄臂的强度由题可得：h/b=3/2经查表可得，=0.231 =0.196 =0.858曲柄臂的危险截面为矩形截面，且受扭转、两向弯曲及轴力作用（不计剪力 ） ，曲柄臂上的危险截面可能为 D 端或者 E 端，分别对其进QF行检验。材料力学课程设计- 9 -左臂，即检验顶端 E 处。根据应力分布图可判定出可能的危险点为