单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算

1、单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核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课程之后， 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 现代的计算方法， 又提高了分析问题、 解决问题的能力； 既是对以前所学的知识 的综合应用， 又为后续课程的学习打下基础， 并初步掌握工程设计思想和设计方 法，对实际工作能力有所提高。具体有以下六项：1. 使所学的材料力学知识系统化，完整化。2.

2、 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中的问题。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. 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。6. 为后续课程的学习打下基础。课程设计的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，

3、 并完成设计计 算说明书。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Me，曲轴颈中点受切向力Ft、径向 力Fr的作用，且Fr E。曲柄臂简化为矩形截面，1.4 - 1.6，2.5 - 4,2DbI31.2r 。1-±勒讀？商郴0-由轴须已知数据如下表:h / ml2 / mE/GPa/MPa1 / MPa0.110.181500.27120180*P/kW*n/ (r / min)* r / m* m0.050.7814.04500.050.06注：带*标记的为独立的一组设计计算数据，与他人不相同1.

4、画出曲轴的内力图。2. 设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。3. 设计曲柄臂尺寸h和b。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y, Z。2作答如下:1. 画出曲轴的内力图画出曲轴的计算简图p14 0外力偶矩 Me =9549 =9549 X-=297 N mn450l MeFt =5940NrFt Fr =2970N2下面计算反力在面 xOy 内：FAy = -F竺= 1843Nl 1 l 2Fr|1FFy= 一 = 1127Nl1 l2Ftl 2在面 xOy 内：Faz = 3687Nl1 l2Ftl1

5、Ffz= 2253Nl 1 l2（2）内力分析A 主轴颈的EF左端（1-1）截面受扭转和两向弯曲，为最危险:Mx = Me = 297N mM1y = FFz （ l2 上）=338N m1 3M1z = FFy （ |2） =169 N m2B.曲柄臂DE段下端（2-2）截面受扭转、两向弯曲和压缩，为最危险M2x = Me = 297N m| 3M2y = Ffz （ |2）=338 N m1 3M 2z = FFy （ l2） =169 N m2FN2 = FFy=1127NC.曲柄颈CD段中间截面（3-3）受扭转和两向弯曲，为最危险M 3x= FAzr =184N mM3y = Faz

6、|i = 406N mM 3z = FAy 11 = 203N m做图如下页所示（不计内力弯曲切应力，弯矩图画在受压侧）（单位：力一N力矩一Nm）15447297Mx447297295338M y295406 338406M z147169147 169Fn184311272. 设计曲轴颈直径d和主轴颈直径 D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r3 丄 JM；M1yM 1ZWi '其中丄旦 w D3得 D 34.4mm取 D 36mm3-3 中:(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r3Mjy2 3z其中

7、丄旦/、 丨QW3d3得d 34.6mm 取 d 36mm3. 校核曲柄臂的强度(具体求解通过C程序可得，见附录)由程序得h,b的最佳值为h 52mm， b 21mm。查表得 0.258，0.7674. 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度由题意b 450MPa查表得 K 1.30.9438已知,180MPa 0.780.05 n 2FH处只受扭转作用M1xDyminM你WT297maxminr 一ma1616(3632.42MPa3、310 )所以，扭转切应力为脉动循环。匝 16.21MPa2m 16.21MPa安全系数n1801.3 16.210 05 16 21&471 n0.05

8、16.210.78 0.9438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a求y:在截面A加一单位力偶矩 兀。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图 兀与外载荷作用下的弯矩图My如下页图5-1所示（画在受压一侧）：4062953382951II3380.7240.5170.517图5-1由平衡方程得Ffzl11l210.11 0.183.448NB点的弯矩为1 Faz111 3.4480.110.724N mE点的弯矩为MeFfz l2l323.4480.180.0620.517N m由图乘法:GIE hb32 19312150 100.249 52 211021 0.274

9、6996.06Pa mi M ciM cii1 EIiGIEl1E-D4109 -36410 1212367.19 Pa m46415064d4936410 124EI3E-6415010 -6412367.19 Pa m21mm查表得h 52mm, b0.249Ei018 003 338 i 0-5170.032950.18 0.03169 - 0.517 0.724 0.724-2EI32 °.03406 2950.724 0.621 0.6210.03295 0724 0.6211 406 3380.0320.621 0.5173338 0.030.621 0.5172GI29

10、5 0.05 0.724406 0.05 0.51735.17210 radb.求在截面A加一单位力偶矩M z。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图 M z与外载荷作用下的弯矩图Mz如下图5-2,5-3所示（画在受压一侧）：406图5-2Fn184311273.4483.448图5-3使用同样方法可得到：FFyFAy 3.448NMB 0.745N m ME 0.517N m由图乘法：9682EA Ehb 1501052 21 101.64 10 Pa mEI2 Ehb! 150 109 52 213 10 12 6019.65Pa m412 12i M ciiFNci111 0.7240.11 0

11、.031470.724EI123i 1i 1 EAEI2147 0.05 0.724169 0.05 0.517EI? 20.03406 1470.724 0.6210.621384 0.030.724 0.621-406 1690.03220.621 0.5170.5173147 0.0360.6210.72421EA1849 0.05 3.448 1127 0.05 3.4483.640 10 3rad分析讨论及必要说明在本次设计中，以下几点需要说明。1. 在外力分析中，设定未知力的时候由于已知无 X方向的外力，故未设Fax和FAy ；2. 在画内力图时，不计弯曲切应力故未画剪力图；3.

12、在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁，物理性质与钢相近。所以采用了第三 强度理论而不是第一或第二强度理论；4. 在校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度时，忽略了键槽对max的影响。设计的改进措施及方法提高曲轴的弯曲强度合理安排曲轴的受力情况及合理设计截面。 但对于该曲轴，则只能采用合理安排 曲轴的受力情况。在机械结构允许的情况下可以采取将集中载荷适当分散或集中 力尽量靠近支座的方法。提高曲轴的弯曲刚度提高弯曲刚度的主要措施有：改善结构形式，减少弯矩的数值，选择合理的截面， 合理选材等。但对于该曲轴，则只能改善结构形式，减少弯矩的数值以及合理选 材的方法。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