单缸柴油机曲轴

材料力学课程设计学号 ：41091307姓名： 吴茂坤题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核指导老师：李锋2011.10.20材料力学课程设计1目录、 课程设计的目的2、 课程设计的任务和要求2、 设计题目3、 设计过程41、 画出曲轴的内力图42、 设计曲轴颈直径 d 和主轴颈直径 D 63、 校核曲柄臂的强度74、 校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度95、 用能量法计算 A-A 截面的转角 , 9yz、 设计的改进措施及方法13、 程序计算部分13、 设计体会15、 参考文献15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；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，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）使所学的材料力学知识系统化，完整化。让我们在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问题。2）综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机等） ，使相关学科的知识有机地联系起来。3）使我们初步了解和掌握工程实践中的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。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。材料力学课程设计3三、设计题目某柴油机曲轴可以简化为下图所示的结构，材料为球墨铸铁(QT450-5)弹性常数为 E、，许用应力为，G 处输入转矩为 ，曲轴颈中点受切向力 、eMtF径向力 的作用，且 = 。曲柄臂简化为矩形截面，rFr2tF1.4 1.6，2.5 4, =1.2r,已知数据如下表：hDhb3l1/lm2/l/EGpa/Mpa1/pa0.11 0.18 150 0.27 120 180/PkW/(min)r/r0.05 0.78 10.5 100 0.06(一) 画出曲轴的内力图。(一) 设计曲轴颈直径 d，主轴颈直径 D。(一) 校核曲柄臂的强度。(一) 校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度，取疲劳安全系数 n=2。键槽为端铣 加工，主轴颈表面为车削加工。(一) 用能量法计算 A-A 截面的转角 , 。yz材料力学课程设计4四、设计过程1、画出曲轴的内力图（1） 外力分析画出曲轴的计算简图，计算外力偶矩Me=9549 =9549* =1003pn10.5Nm= =16717NtFeMr= =8358N2t再由平衡条件计算反力材料力学课程设计5在 XOY 平面内： = =5188NAyF21rl= =3170N2rl在 XOZ 平面内： = =10376NAz1t= =6341NFz2tl（2） 内力分析主轴颈以 EF 的左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲= Me =10031XMNm= *（ ）=913YFz2l3= *（ ）=4561Zy曲柄臂以 DE 段的下端（2-2）截面最危险，受扭转、两向弯曲和压缩= Me =10032XNm= *（ ）=913YMFz2l3= *（ ）=4562Zy= =3170NNF曲轴颈以 CD 段中间截面（3-3）最危险，受扭转和两向弯曲= *r=6233XAzm= * =1141Y1l= * =571ZMy内力图如下图（由 可知， 与梁的长度的关系总是比 和梁的长度QdFxMQF关系高一个数量级。当 （梁的跨度与截面高度之比）较大时，不需要对弯曲lh切应力进行强度校核，因此在内力图里没画出剪力图。弯矩图画在受压侧）：（单位： 力N 力矩 ）m材料力学课程设计6yxM7681493620NF518370z4352、设计曲轴颈直径 d 和主轴颈直径 D（1）主轴颈的危险截面为 EF 的最左端，受扭转和两向弯曲根据主轴颈的受力状态，可用第三强度理论计算= 3r12221()Mxyz材料力学课程设计7其中 =132D得 D49.5mm 取 D=50mm（2）曲轴颈 CD 属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论，在危险截面 1-1 中：223331rXYZMW2233YZd22361457120MPa得 故取 9.dmdm3、校核曲柄臂的强度(1)（具体求解通过 C 语言可得，见六、程序计算部分）由程序得 h,b 的最优值取为 ， 。72.3h28.9b查材料力学 1表 3-1，利用插入法得 ，05.76(2)曲柄臂的强度计算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 2-2 的应力分布图如下图：QF根据应力分布图可判定出可能的危险点为 ， ， 。1D23材料力学课程设计8 点： 点处于单向应力状态1D122NXZFMAW226FyZXhb8.54Pa所以 点满足强度条件。1D 点： 点处于二向应力状态，存在扭转切应力222 2991358.0.5870yMMPahb点的正应力为轴向力和绕 z 轴的弯矩共同引起的2D2NZFAW26FyZMhb6293170456.75.8.9.38.10MPa由第三强度理论22234.r 15.01%965所以 点满足强度条件。2D材料力学课程设计9 点： 点处于二向应力状态3D30.7658.4.7MPa2NXFAW26Fyehb629317010341.03.8.98.97.MPa根据第三强度理论22234.34.8.7 r所以 点满足强度条件。D综上，曲柄臂满足强度条件。4、校核主轴颈 H-H 截面处的疲劳强度确定 H-H 截面上的各影响系数。查材料力学课程设计指导书 2附录得 Q-450-5 强度极限 查材450bMPa料力学 1图 13-10b 得 =1.29, 查材料力学 1表 13-3，车削加工，K0.9438已知 10MPa0.780.52nFH 处只受扭转作用MPaDWxpx 864136193min ax0minaxr所以，扭转切应力为脉动循环。材料力学课程设计10=min2aMPa43.20864安全系数 259438.0711 nKnma所以，H-H 截面的疲劳强度足够。5、用能量法计算 A-A 截面的转角 ,yz采用图乘法分别求解 A-A 截面的转角 , 。z（1） 求 ：在截面 A 加一单位力偶矩 。并作出单位力偶矩作用下的弯矩yyM图 与外载荷作用下的弯矩图 如下（画在受压一侧）：M10.7459.1368y由平衡方程得 123.480.1AzFz Nl材料力学课程设计11B 点的弯矩为 31.480.1360.7452BAzlMFNmE 点的弯矩为 32.9EFzl由图乘法：， 查表得 72.3hm8.9b0.24944141 50156.66DEI pam44129 43 059.dI 39 312410.78089.221tEhbGI pa11nnciciiyi pMIGI1 10.745120.368.0.836910.47232EI 3 6.5.6.147.17.2I 20.1.4971 0.1.4979.360.93.623 7680.7459.tGI方向与单位力矩方向相同34.1rad（2）求 ：在截面 A 加一单位力偶矩 。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图zzM与外载荷作用下的弯矩图 如下（画在受压一侧）：zMz材料力学课程设计1257138460.9Mz3.4817NF5同理得： 3.48FyAyN0.745BMm0.497ENm由图乘法： 968215072913.2EAhb pa材料力学课程设计133 3129 4272.8.90150865.70hbEI pam11nnciiNcziMFIEA1 10.745120.368.0.836450.97232EI 284.75.69I310.745.210.745.6210.61380.6384.3EI 2.6.99574. .75.2 130.68510.348EA方向与单位力矩方向相同.8rad五、设计的改进措施及方法针对曲轴设计及方法主要有三方面：1、提高曲轴弯曲强度：提高弯曲强度的主要措施有：合理安排曲轴受力情况及设计合理的界面等。但对于该曲轴只能采用合理安排曲轴的受力情况，在机械结构允许的情况下，可采取集中载荷适当分散或将集中力尽量靠近支座。2、提高曲轴疲劳强度：提高望去刚度的主要措施有：减缓应力集中及提高曲轴表面强度等。为了消除或缓解应力集中，在设计曲轴时，应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔或槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用较大的过渡圆角。提高曲轴表面强度可通过两方面实现。一是从加工入手提高表面加工质量，可采用精细加工，降低表面粗糙度，如果将材料改为高强度钢就尤其要注意；二是增强表面强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取某些工艺措施，即表面热处理或化学处理，如表面高频淬火、渗碳、氮化等或表层用滚压、喷丸等冷加工方法，这种方法的特点是使曲轴表面残余应力，减少表面出现微裂纹的机会，以提高曲轴的疲劳强度。3、提高曲轴的弯曲强度：提高弯曲强度的主要措施有：改善结构形式，减小弯矩数值，选择合理的截面及合理选材等，但对于该曲轴只能采用改善结构形式，减少弯矩的数值及合理选材。在机械结构允许的情况下，可合理设计和布置支座，即带轮可采用卸载装置，也可采用将集中载荷适当分散或尽量减少跨度，也可将材料改为弹性材料力学课程设计14模量 E 较大的钢材，但这势必会增加费用。六、程序计算部分曲柄臂满足强度要求时必须有：点：1D点：23r点：3r或者至少要满足：点：1D5%点：23r点： 3D35r另外处于经济性考虑，应该尽量使截面积 最小。Shb由以上分析可以编写计算机程序，计算出 、 的最优值。计算最优 、 的 C 程序如下：hb#include#include#define G 1000 /*换算常数*/#define D 50 /*主轴颈直径 D*/#define Y 120 /*许用应力 120MPa*/void main()float Mz,My,Mx,F;float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3;float h,b,h1,b1;float a,r;float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D;printf(“input Mx,My,Mz,F:n“);scanf(“%f%f%f%f“,for(h=1.4*D;h=2.5r=0.777-0.008*h/b ;Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*Mx/(b*h*h) ; /*计算 D1 点正应力*/Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h); /*计算 D2 点正应力*/Z3=F/(b*h)+6*G*Mx/(b*h*h) ; /*计算 D3 点正应力*/Q2=G*My/(b*b*h*a) ; /*计算 D2 点切应力*/Q3=r*Q2; /*计算 D3 点切应力*/Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); /*应用第三强度理论*/Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(Z1-Y)/Y0.05if(sm) /*出于经济性考虑，选取使截面积 S 最小的h,b*/m=s;h1=h;b1=b;printf(“get the result:n“ );printf(“h=%5.2fmmnb=%5.2fmmns=%7.2fmm2“,h=h1,b=b1,m);运算结果：材料力学课程设计16七、设计体会通过这次课程设计，自己独立完成了所有题目的解答过程，加深了对材料力学、CAD，C 语言等知识