单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 杨韬

1、材料力学课程设计设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核班级： 铁车三班 学号： 2014120950 姓名： 杨韬 指导老师： 任小平 一、 设计目的系统学完材料力学之后，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，可以使学生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运用，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二、设计题目某柴油机

2、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、径向力的作用，且=。曲柄臂简化为矩形截面，1.41.6，2.54, =1.2r,有关数据如下表：要求： 1. 画出曲轴的内力图。2. 设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。3. 校核曲柄臂的强度。4. 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。5. 用能量法计算A-A截面的转角,。数据0.110.181500.27120180 0.050.7816.43000.05零件图：单缸柴油机曲轴零件简化图：三、设计内容3.1 柴油

3、机曲轴的内力图 （1）受力分析计算简图：（2）外力分析：计算外力偶矩：Me=9549·=9549×16.4/300=572.94计算切向力Ft，径向力Fr=9549N =4774.5N由平衡条件计算反力：在xOy平面: =2963.5N =1811N在xOz平面: =5927N =3622N(3)内力分析：画出内力图。不计弯曲切应力（故未画剪力图），弯矩图画在纤维受压侧。根据内力图确定危险截面。（单位：力-N，力矩-N·m）主轴颈以EF段的左端（1-1）截面最危险，受扭转和两向弯曲 =572.94N·m=·（-）=521.6N·m =

4、·（-）=300.8N·m曲柄臂以DE段的下端（2-2）截面最危险，受扭转两向弯曲及压缩=572.94N·m=·（-）=521.6N·m =·（-）=300.8N·m=1811N曲轴颈以CD段中间（3-3）截面K最危险，受扭转和两向弯曲=×r=355.62N·m=×=651.97N·m=×=325.99N·m3.2 设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D (1)曲轴颈CD处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面（3-3）应用第三强度理论计算=其中带入数据得到d40.98mm

5、实际取d=41mm.(2)主轴颈EF处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面（1-1）应用第三强度理论计算=其中代入数据得到D41.09mm实际取D=42mm.综上，曲轴颈直径d=41mm 主轴颈直径D=42mm3.3 校核曲柄臂的强度 （1）设计h，b 当h和b在题设范围内变化，求解曲柄臂危险截面满足强度条件且截面面积h×b最小时的h和b，即为h，b的最佳值。具体求解可通过C程序得到，计算机程序见5.2通过程序可得最佳h=60.01mm b=23.99mm查P70表得=0.258 =0.767 =0.249（2）求解危险点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（这

6、里不计剪力的作用）。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上的危险截面（2-2）应力分布图根据应力分布图，可以判定处可能的危险点有，三点。对点进行力分析。由于点处于单向压缩，所以为正压力的代数叠加，即= = =86.35Mpa所以点安全。对点进行应力分析。点有扭转切应力，=58.53Mpa 点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的，即=46.56MPa=125.61MPa又=4.6735 所以点安全。点处于二向应力状态=41.05MPa=98.72MPa 所以点安全。综上，三点都安全，即危险截面强度足够。曲柄臂满足强度条件。3.4 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度曲轴材料为球墨铸铁（QT450-5）

7、， 即 =450MPa 端铣加工键槽车削加工表面，查P369可得 =1.29，=0.9438已知 =180MPa =0.78 =0.05 n=2FH处只受扭转作用（忽略键槽对抗扭系数的影响的影响=-39.39MPa =0r=-即扭转切应力为脉动循环。n=5.37n=2所以H-H截面处的疲劳强度足够。 /MPa由 解得FH的持久极限=342.86MPa102.7/MPa构件的持久极限曲线：3.5 运用能量法计算A-A截面处的转角和运用图乘法求解和。（1）求：在截面A-A处施加单位力偶=1.弯矩图和单位力矩作用下的弯矩图如下 =+ +=（1.13+1.21+2.89）/1000=5.23×

8、;rad（2）求：在截面A-A处施加单位力偶=1.作弯矩图和单位力矩图以及轴力图和如下 =+ =(0.565+1.697-0.00032+0.601)×=2.86×rad四、分析计算和设计4.1 对计算过要说明(1)所有图线都是由AutoCAD2004软件绘制，部分数学公式经Mathtype6.5编辑而成。(2) 在画内力图时，由于不计弯曲切应力，故未画剪力图。(3) 在设计D,d和校核强度时，由于材料是球墨铸铁（QT450-5），其金属性与钢接近，塑性好，强度较高，且处于复杂应力状态，故采用第三强度理论校核。(4) 在设计h、b的实际尺寸时，是通过程序在题设范围1.4 1

9、.6，2.5 4之间变化取值进行校核强度，直到得出使截面积最小的最佳结果。 (5) 在校核H-H处的疲劳强度时，忽略了键槽对扭转切应力 的影响。因此值不变，=。(6) 发动机曲轴应力属于脉动循环振动应力，柴油机工作良好的情况下，可认为曲轴受到不变的转动力矩，校核强度时，设曲轴工作在脉动循环下。4.2 改进设计的初步方案及设想（1）提高曲轴的弯曲强度在机械结构允许的情况下，可改变，将集中力尽量靠近支座或将集中载荷适当分散。另外，选择合理的截面及合理的材料，可以选择弹性模量较大的材料。（2）提高曲轴的弯曲刚度改变截面的形状，铸造曲轴可以采用空心工艺，不仅可以减小质量消除一部分惯性，另外空心结构也有

10、助于提高刚度改善结构形式。其次，主轴颈应尽量避免出现方形直角或带有尖角的孔和槽，即在主轴颈和曲柄臂相连处应采用半径较大的过度圆角，这样可以消除应力集中，相对于带尖叫孔槽的主轴强度刚度是较高的。（3）提高曲轴的疲劳强度设置平衡重，平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩，可以减小曲轴工作时不平衡的振动，将脉动循环转换为对称循环，从而提高曲轴的疲劳强度。提高曲轴表面的强度，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、滚压、喷丸等。五、计算程序 5.1 计算机程序C程序核心为求解满足题设及强度条件下截面积最小时的b和hinclude<math.h&

11、gt;#include<stdio.h>#define G 100 /为消除单位所设常数#define D 42/D为主轴颈直径#define Y 120/=120kPamain()float Mz,My,Mx,F; /分別为曲柄臂所受扭矩弯矩和轴力float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3; /分别为float h,b,h1,b1;float a,r; /即和float s,m=1.6*D*0.4*1.6*D; /s为截面面积，m为题设允许最大截面printf("input Mx,My,Mz,F:n");scanf("%f%f%f%f&qu

12、ot;,&Mx,&My,&Mz,&F);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01) /h和b的循环范围for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01)if(h/b>=2.5&&h/b<=3)a=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b; 和的函数关系if(h/b>=3&&h/b<=4)a=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b ;Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*Mx/(b*h*h)

13、;Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h);Z3=F/(b*h)+6*G*Mx/(b*h*h) ;Q2=G*My/(b*b*h*a) ;Q3=r*Q2;Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(Z1<=Y&&(Y2-Y)/Y<0.05&&(Y3-Y)/Y<0.05)/循环条件为强度校核安全s=h*b;if(s<m)m=s;h1=h;b1=b;/令截面积最小printf("get the result:n" );printf("h=%5.2fmmnb=%5.2fmmnm=%7.2