单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核要点

1、材料力学课程设计设计计算说明书设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核图号：7-2数据号：II-11学号： 卡号：姓名：井子源指导教师：魏媛26目录1、设计目的22、设计任务和要求22.1、 设计计算说明书的要求22.2、 分析讨论及说明书部分的要求32.3、 程序计算部分的要求33、设计题目43.1、 画出曲轴的内力图63.2、 设计曲轴颈直径d和主轴颈D93.3、 校核曲柄臂的强度103.4、 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度 123.5、 用能量法计算A-A截面的转角10y ,d 134、分析讨论及必要说明175、设计的改进措施及方法186、设计体会187、参考文献19

2、一、设计目的本课程设计是在系统学完材料力学课程之后，结合工程实际中的问题，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 综合利用材料力学知识解决工程实际问题的目的。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 计算方法，又提高了分析问题、解决问题的能力；既是对以前所学知识(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)的综合运用， 又为后续课程的学习打下基础，并初步掌握工程设计思路和设计方法，使实际 工作能力有所提高。具体有一下六项：(1) .使所学的材料力学知识系统化、完整化。(2) .在系统全面复

3、习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际中的问题(3) .由于选题力求结合专业实际，因而课程设计可把材料力学与专业需要 结合起来。(4) .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。(5) .初步了解和掌握工程实际中的设计思路和设计方法。(6) .为后续课程的教学打下基础。二、设计任务和要求参加设计者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 理论依据并到处计算公式，独立编制计算机程序，通过计算机给出计算结果， 并完成设计计算说明书。(

4、1) .设计计算说明书的要求设计计算说明书是该题目设计思路、设计方法和设计结果的说明，要求书 写工整，语言简练，条理清晰、明确，表达完整。具体内容应包括：设计题目的已知条件、所求及零件图。画出结构的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。静不定结构要画出所选择的基本静定系统和及与之相应的全部求和过程。画出全部内力图，并标明可能的各危险截面。危险截面上各种应力的分布规律图及由此判定各危险点处的应力状态图。选择强度理论并建立强度条件。列出全部计算过程的理论依据、公式推导过程以及必要的说明。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。疲劳强度计算部分要说明循环特性，

5、仃max , min , r ,仃a的计算，所查K , & , B各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果。(2) .分析讨论及说明部分的要求分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。提出改进设计的初步方案及设想。提高强度、刚度及稳定性的措施及建议。(3) .程序计算部分的要求计算机程序。打印结果(数据结果要填写到设计计算说明书上)。三、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（QT450n5）弹性常数为E、k,许用应力仃,G处输入传矩为Me ,曲轴颈中点受切向力Ft、径向力Fr的作用，且Fr=上。曲柄臂简化为矩形截面

6、，1.4工h <1.6 ,一 2D2.5 - <4 , 13 =1.2r, b已知数据如下表：l1/m12/mE/GPaI J/MPan/MPa0.110.181500.27120180以卫TP/kwn/(r/min)r/m0.050.7816.83400.05（一）画出曲轴的内力图。（二）设计曲轴颈直径d ,主轴颈直径D。（三）校核曲柄臂的强度。（四）校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳强度系数 n=20键槽为 端铳加工，主轴颈表面为车削加工。（五）用能量法计算A-A截面的转角0 y , 0z图T 2单缸柴油机简化图力学模型颈2毋柄臂3-主版页4.1 画由曲轴的内力图4.1.

7、1 画出分析图4.1.2外力分析画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。一 八八P 八八16.8/，Me = 95499549-471.83N mn340Me 472Ft =9436.6 N r 0.05FtFr 4718.3N 2计算反力, fFrl2 在 XOYTW内：FAy = = 2928.6Nll 12Frl1FFy1789.7Nl1 l2Ftl2在 XOZ¥面内：Faz = =5857.2Nl1 l24.1.3内力分析 主轴颈的EF左端（1-1）截面为危险截面，受扭转和两向弯曲 Mix= Me= 471.83N mMiy = FFz“12-l3） =536.91N m2

8、M1z= FFym（12_1!） =268.46N m 2 曲柄臂DE段下端（2-2）为危险截面，受扭转、两向弯曲和压缩 M 2x = Me = 471 .83 N mM2y = FFz（ （12_） = 536.91N m23.M 2z= FFy M （l2）=268.46N m 2Fn2 = FFy = 1789.7N 曲柄劲CD段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲M 3x = Faz r = 292.86N mM3y = Faz l1 = 644.30N mM 3z = FAy Ii = 322.15N m4.1.4曲轴内力图，如下图所示。（不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压

9、侧）（单位：力-n力矩-n m369Mz2693082693083358 20524.2设计曲轴颈直径d和主轴颈D(1)主轴颈的危险截面为EF段的最左端1-1截面，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：Jm 1x2 + M iy2 + M 1Z2 工"W 1苴中.二 32/、 I -3W 1 九 D 3得：D 主 40.17mm 取 D = 42mm(2)曲柄颈CD属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论，在危险截面3-3 中3 = ； JM 3x2 + M 3y2 + M 3z2 M "W 3d > 40.41mm 取 d = 42mm4.3校

10、核曲柄臂的强度（1）（具体求解过程通过C语言可得）由程序得h, b的最佳值为h = 60.57mm , b= 22.12mm。查材料力学（机械工业出版社）P70页表3-1得：二二0.267= 0.753（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Fq的作用），曲柄臂上的危险截面2-2应力分布图与下图所示：者双上与根据应力分布图可林定出可能的危险点为",% 处Di点：Di点处于单向应力状态Fn2 M 2 X M 2Z 二A2 W 2X W 2Z_ 已 6M 2X 6M 2Z hb b h2 h b2=74.41MPa （J所以：Di点满足强

11、度要求。D2点：D2点处于二向应力状态，受扭转切应力作用=58.7MPaM 2y _ 537b20.267 70.00 22.122 10华D2点的正应力为轴向力和绕Z轴的弯矩共同引起的F N 2M 2Z(72 = A2W2Z上 6Mzihb=48.28MPa <由第三强度理论：03 : J/4 / = ¥：48.282,4父58.72 = 127 MPa127 -120因为100% =5.83% 5%120所以：D2点不满足强度条件。D3点：D3点处于二向应力状态2 =1 = 0.753 58.7 = 44.201MPaF N 2 M 2X(T3 : A2 W 2 XFFy

12、6M 2X=.2-hb b h=27.29 MP a根据第三强度理论：0r3 = o32+4 2 = %27.29 2+ 4父44.201 2 = 92 .52 MPa w 所以：D3点满足强度理论条件。综上所述：曲柄臂不满足强度条件。4.4校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度查询QT450-5材料的强度极限为：b = 450MPa查询材料力学（机械工业出版社）课本 P355图13-10及表13-3得：端铳加工得键槽有效应力集中系数 K = 1.29当表面为车削时表面质量系数 =0.9438已知-1 = 180MPa = 0.781 =0.05 n= 2FH处只受扭转作用minM1x472 16D

13、3 16二 423 10口-32.46MPamax = 0minT max所以,扭转切应力为脉动循环max - - min安全系数:- 32.46=16.23MPa-11801 29 _ _16.23-0.05 16.230.78 0.9438=6.52 - n所以，H-H截面的疲劳强度符合强度要求。4.5用能量法计算A-A截面的转角Qy,日z。采用图乘法分别求解截面的转角 , Zo(1)、求3：在截面A加一单位力偶矩My。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图My与外载荷作用下的弯矩图My如下(画在受弯的一侧)：由平衡方程得：11c，,FAz = _FFz = 3.448N11 120.11 0.1

14、8B点的弯矩为：13Mb = 1 - Faz m (11-)=1-3.448 M (0.11- 0.03) = 0.724N m213巳点的弯矩为：Me= Ffzm (12-) = 3.448M (0.18 0.03)= Q517N m2由图乘法：h = 70.00mm b= 22.12mm查表得：P = 0.26344-12二 D4Q 二 424 10 12EI1= ED = 150 M 109M42-= 22900.14 Pa -一6464mEI 3 =4e3649= 150 104-12二 42 1064=22900.14 Pagip 二 M2(1 + N)杆件的抗扭刚度:93-1215

15、0M 10 x 0.263 黑 70.00 黑 22.12 黑 102 父(1 + 0.27)= 11767.025 Pa m由公式:-y = ' iMCii1 Eli1 11-0.72412(0.11-0.03) 537 ( 0.724)(0.18-0.03) 616 0.517EI1 23231 10.724-0.6210,03 (645-469 ( 0.621) 0.03 469EI 3 230.724 0.6212+ 1 父 0,03父(645-537)父(0.621-0.621-0.517) + 0.03父 537M 230.621 0.517121GIp(469 0.05

16、0.724 537 0.05 0.517)=5.295 10 3 rad(2)、求：在截面A加一单位力偶矩Mz0并作出单位力偶矩作用下的弯矩图Mz与外载荷作用下的弯矩图 Mz如下(画在受弯的一侧)Mz3693082690.7240.5170.5170.724269335820523.4483.448同理得：11FFy - - FAy = = = 3.448 N11 120.11 0.18B点的弯矩为：l3 、/、Mb =1 _ Fazx（ 11 _ 2） = 1 3.448 m（0.11 0.03） = 0.724N m 巳点的弯矩为：I 3、Me =FfzM（12，）=3448”0.18-0

17、.03） =0 517N m 29-682EA= Ehb=150M10 *0.00父22.12父10 = 2.3226iq Pa m332hb9 70.00 22 1 2 1 02El2 = Eb-=1501Q 2212-10=9470.29Pa - m由公式：% = £ 上 得.II Eh，凸 EA234 (1- 0；240.724)11(0.11 -0.03)1-(0.18 -0.03)2692 0.5173EI i 21 八八 (234 0.05 0.724 269 0.05 0.517) EI 21 10,03 (322-269)(EI3 20.724-0.62130.621

18、) 0.03 2340.724 0.62121 0.621- 0.5170.621 0.5171+ x 0.03父(322- 269)父(0.621) + 0.03父 2692 321(2930 0.05 3.448- 1790 0.05 3.448) EA= 2.734 10 3rad四、分析讨论及计算说明在我的设计中，特做以下几点说明：(1)在外力分析时，在设定未知力的时候，由于已知条件中没有X方向的外力, 故不考虑FAx, FFyo(2)在画内力图时，不考虑弯曲切应力对设计的影响，故未画剪力图。(3)在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁，其物理性质与钢相近，所以采用 第三强度理论而不用第一

19、或第二强度理论。(4)在校核曲柄臂画内力分布时，把曲柄臂的危险截面简化成矩形，忽略圆孔 对其的影响。(5)在校核H-H截面疲劳强度时，忽略键槽对 ax的影响。五、本次设计的不足及改进措施5.1 提高曲轴的弯曲强度及刚度通过合理安排曲轴的受力情况及设计合理的截面，可以有效的提升曲轴的强 度。本设计中的曲轴可以采用合理安排受力情况。在机械结构允许的情况下， 可采取将集中载荷适当分散或将集中力尽量靠近支座的受力情况。对于曲轴弯 曲刚度，可以通过改善机构结构形式，减少弯矩的大小，选择合理的截面及合 理选材等方法提高其刚度。对于本例中可改善曲轴结构形式，减少弯矩的大小 及合理选材来达到曲轴刚度的要求。5

20、.2 提高曲轴的疲劳强度提高疲劳强度的主要措施有减缓应力集中及提高曲轴的表面强度等。为了 消除和缓解应力集中，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；提高曲轴表 面的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，这在将材料改为高强度钢时尤其重要；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表面热处理或化学处理等工艺措 施，如表面高频淬火、渗碳、滚压、喷丸等冷加工的方法。六、设计体会通过这次的课程设计，我对材料力学的相关知识应用有了更深一层的认 识：材料力学是一门被各个工程广

21、泛应用的学科，是通过理论与实验来进行强 度、刚度、稳定性以及材料的力学性能的研究。在保证安全、可靠、经济节省 的前提下，为构件选择适当的材料，确定合理的截面形状和尺寸提供基本理论 和计算方法。这些在此次设计过程中我有了切身的体会。此外，我深深的感到仅仅掌握课本中的理论和方法是远远不够的，工程实际设计中的问题要比想象的复杂的多。短暂的一个零件设计过程，就运用到了 众多的以前学过的理论知识，由此我更加增强了对专业知识学习的热情，并由 衷的感到要把材料力学知识学懂悟透必须要有扎实的基本功以及严谨务实的科 学研究精神。当然，实践是检验真理的唯一标准，在理论学习工程中不断进行 工程问题的实践设计和论证，

22、从而获得大量的宝贵经验，才能以最经济的过程、 最合理的方法解决遇到的设计难题。此次课程设计让我受益匪浅，当然设计中也还有很多不足，恳请老师批评指 正。七、参考文献1聂毓琴，孟广伟，材料力学，机械工业出版社2007.22聂毓琴等，材料力学实验与课程设计，北京，机械工业出版社，2006.83谭浩强，C程序设计（第三版），北京，清华大学出版社，2005.7八、附录8.1 求解h,b的C语言程序如下8.2 求解h, b的C语言程序如下：#include<math.h>#include<stdio.h>#defineG1000#defineD50#defineY120int main()float Mz,My,Mx,F;float Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3