吉林大学材力课设单缸柴油机曲轴

1、材料力学课程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 数据号：7.2-2 学号：4111xxxx 姓名：xxx指导教师：xxxx目录一、设计目的···································&#

2、183;··············3二、设计任务和要求·································

3、3;·········32.1、设计计算说明书的要求······································&

4、#183;···32.2、分析讨论及说明书部分的要求····································42.3、程序计算部分的要求·····

5、;·······································4三、设计题目·········

6、3;·········································43.1、数据7.2-21）画出曲轴的内力图·····

7、···········································62）设计曲轴颈直径d和主轴颈D····&#

8、183;··································83）校核曲柄臂的强度·············

9、83;·································94）校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度·············&#

10、183;··················· 135）用能量法计算A-A截面的转角 ，···························

11、;···· 13四、分析讨论及必要说明·····································17五、设计的改进措施及方法····&

12、#183;·····························18六、设计体会···················

13、;·······························18七、参考文献·················

14、83;································19附录一、程序框图················

15、;··································20二、C语言程序··············&#

16、183;··································21三、计算输出结果·············

17、3;································25四、标识符················

18、83;···································26一、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

19、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

20、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。2.1 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：1) 设计题目的已知条件、所求及零件图。2) 画出结

21、构的受力分析计算简图，按比例标明尺寸、载荷及支座等。3) 静不定结构要画出所选择的基本静定系统及与之相应的全部求和过程。4) 画出全部内力图，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判定各危险点处的应力状态图。6) 选择强度理论并建立强度条件。7) 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。8) 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。9) 疲劳强度计算部分要说明循环特性， ， ，r ， ， 的计算，所查，各系数的依据，疲劳强度校核过程及结果。2.2、分析讨论及说明部分的要求1) 分析计算结果是否合理，并讨论其原因、改进措施。

22、2) 提出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。2.3、程序计算部分的要求1) 计算机程序。2) 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（QT4505）弹性常数为E、，许用应力，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 ,有关数据如下表：要求：0.110.181500.271201800.050.78（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

23、处的疲劳强度，取疲劳强度系数n=2。键槽为端铣加工，主轴颈表面为车削加工。（五） 用能量法计算A-A截面的转角 y , z 。 3.1数据7.2-2 12.22800.05（一）画出曲轴的内力图（1） . 外力分析画出曲轴的计算简图（上图），计算外力偶矩。由平衡条件计算反力在XOY平面内: 在XOZ平面内：（2） 内力分析1） 主轴颈的EF左端 （1-1）截面为危险截面，受扭转和两向弯曲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 3） 曲轴颈CD段中间截面（3-3）为危险截面，受扭转和两向弯曲内力图如下，不计弯曲切应力，弯矩图画在纤维受压侧，根据内力图确定危截面。(单位：

24、力-N 力矩N·m)（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,可用第三强度理论计算： 故D取。 （2）曲轴颈CD属于弯扭组合变形，由第三强度理论可得： 故d取。（三）校核曲柄臂的强度曲柄臂的危险截面为矩形截面，受扭转、两向弯曲及轴力的作用。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上（2-2）截面应力分布图。曲柄臂的强度计算:根据应力分布图可判定出可能的危险点为，。1） 对点进行应力分析。点处于单向压缩，所以正应力2）对点进行应力分析。点扭转切应力：正应力由轴力、绕Z轴的弯矩共同引起。由于点处于二向应力状态，故选用第三强度理论： 3）

25、对点进行应力分析。同理可得： 应用第三强度理论： 。综上，曲柄臂满足强度要求时必须有：点：点：点：出于经济性考虑，应该尽量使截面积最小。根据以上分析可以编写计算机程序，取遍、所有值，计算出、的最优值。由附录中C程序子函数hb（）可以求出、的最优值如下。h=59.04mmb=23.61 mm现在取h=59.04 mm，b=23.61mm对曲柄臂强度进行校核：当h=59.04 mm，b=23.61mm时，查表3-1，利用插入法得： 1）点： 所以点安全。2) 点： 由第三强度理论所以点也满足强度条件。3)点： 由第三强度理论：也安全。所以说，曲柄臂的强度是足够的。（四） 校核主轴颈H-H截面处的疲

26、劳强度由材料力学课程设计附录得球墨铸铁（QT450-5）强度极限。查材料力学得有效应力集中系数，表面质量系数。已知，。FH 处只受扭转作用。忽略键槽对抗扭截面系数的影响，H-H截面抗扭截面系数：曲轴工作时，在不变扭矩作用下，曲轴不工作时， 故该循环为脉动循环。 安全系数：所以，H-H截面的疲劳强度是足够的。（五）、 用能量法计算A-A截面的转角。采用图乘法分别求解截面的转角。、求：1） 在截面A加一单位力偶矩。由平衡方程得：B点的弯矩为： E点的弯矩为： 2） 单位力偶矩作用下的内力图与外载荷作用下的内力图如下（弯矩画在受压的一侧）： 单位:N·m当h=59.04 mm，b=23.6

27、1mm时，查表可得：杆件的抗扭刚度： 方向与单位力偶相同。、求：1） 在截面A加一单位力偶矩。2）单位力偶矩作用下的内力图与外载荷作用下内力图如下（弯矩画在受压侧）： 方向与单位力偶相同。4、 分析讨论及必要说明在本次设计中，做以下几点说明：1) 在外力分析时，在设定未知力的时候，由于已知没有x方向的外力，故未设。2) 在画内力图时，不计弯曲切应力，故未画剪力图。3) 在强度计算方面，由于材料是球墨铸铁（QT450-5），其性质与塑性材料相近，故用第三强度理论而不用第一或第二强度理论。4) 在校核曲柄臂时，画内力分布时，把曲柄臂的危险截面看成矩形，忽略了圆孔对其的影响。5) 在疲劳强度校核H-

28、H截面时，忽略键槽对的影响。五、设计的改进意见及措施1、提高曲轴的弯曲强度 提高弯曲强度的主要措施有：合理安排构件的受力情况及设计合理的截面，但对于该曲轴只能采用合理安排曲轴的受力情况。在结构允许的情况下，可采取合理设计和布置支座或将集中载荷适当分散。2、 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、选择合理的截面及合理选材等。对于该曲轴可以改善结构形式，减少弯矩的数值并且合理选材，选择合适的材料。3、 提高曲轴的疲劳强度1） 减缓应力集中。为了消除和缓解应力集中，再设计曲轴时，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

29、度圆角2） 提高构件表面强度等。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，尤其对高强度钢更重要；二是增加表层强度，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、喷丸等冷加工办法。六、设计体会 通过这次的课程设计，我对材料力学有了进一步的认识：材料力学的任务就是在满足强度、刚度和稳定性的要求下，以最经济的代价，为构件确定合理的形状和尺寸，选择适宜的材料，为构件设计提供必要的理论基础和计算方法。材料力学课程设计使我将材料力学的理论与工程实际结合起来，让我深知理论与实际相结

30、合的重要性，初步了解和掌握了工程实践中的设计思想和设计方法，同时为后续课程的学习打下基础。 这次课程设计锻炼了自己的实际动手能力，基本学会了运用所学材料力学知识分析和解决实际问题的能力，达到了学以致用的目的。同时加强了对上学期所学材料力学知识的理解以及对AutoCAD、C+等软件的运用能力，使相关学科思想和知识有机的联系起来。 此外，我深深的体会到了仅仅掌握课本中的理论和方法是远远不够的，工程实际中的一些问题要比想象的复杂的多，有很多的知识等待着我去学习。只有将理论与实际结合起来，才能以最经济的代价、最合理的方法解决遇到的难题。 本次设计中还有很多不足，希望老师能够批评指正。七、参考文献1、材

31、料力学/聂毓琴，孟光伟主编，北京：机械工业出版社。2、材料力学实验与课程设计/聂毓琴、吴宏主编，北京：机械工业出版社。3、C程序设计/第四版，谭浩强主编，北京：清华大学出版社。附录一、程序框图：计算外力及支座反力确定危险截面并输出变量M1x, M1y, M1z, M2x, M2yM2z, FN2, M3x, M3y, M3z由第三强度理论计算D，d计算危险点主应力并输出计算n，校核疲劳强度图乘法计算转角调子程序进行强度校核并计算转角定义已知量输入原始数据曲柄臂安全曲柄臂不安全开始n>2调子程序计算h, b疲劳强度安全疲劳强度不安全输出结果结束YNYN二、c语言程序#include<

32、stdio.h>#include<math.h>#define PI 3.1415926double Me,FAy,FAz,FFy,FFz,M1x,M1y,M1z,M2x,M2y,M2z,FN2,M3x,M3y,M3z;double h,b,S=120e6,S1,S2,S3,E=150e9,u=0.27,r;double L1,L2,L3;int D,d;int main() /主函数 double hb();double jhqbb();double jhplqd();double zhuanjiao();double P,n,Ft,Fr;double DD,dd,Sigm

33、a3,BB;printf("enter the data:P,n,rn");scanf("%lf,%lf,%lf",&P,&n,&r);L1=0.11,L2=0.18;L3=1.2*r;printf("L1=%lf,L2=%lf,L3=%lf,P=%lf,n=%lf,r=%lfn",L1,L2,L3,P,n,r);Me=9549*P/n;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FAz=Ft*L2/(L1+L2);FFy=Fr*L1/(L1+L2);FFz=Ft*L1/(L1+L2);

34、M1x=Me;M1y=FFz*(L2-L3/2);M1z=FFy*(L2-L3/2);M2x=Me;M2y=FFz*(L2-L3/2);M2z=FFy*(L2-L3/2);FN2=FFy;M3x=FAz*r;M3y=FAz*L1;M3z=FAy*L1;printf("Me=%.2lfN·m,Ft=%.2lfN,Fr=%.2lfNn",Me,Ft,Fr);printf("FAy=%.1lfN,FAz=%.1lfN,FFy=%.1lfN,FFz=%.1lfNn",FAy,FAz,FFy,FFz);printf("M1x=%.2lfN

35、83;m,M1y=%.1lfN·m,M1z=%.1lfN·mn",M1x,M1y,M1z);printf("M2x=%.2lfN·m,M2y=%.1lfN·m,M2z=%.1lfN·m,FN2=%.1lfNn",M2x,M2y,M2z,FN2);printf("M3x=%.1lfN·m,M3y=%.1lfN·m,M3z=%.1lfN·mn",M3x,M3y,M3z);Sigma3=sqrt(M3x*M3x+M3y*M3y+M3z*M3z);BB=32*Sigma3/

36、(PI*S);dd=pow(BB,1.0/3.0);Sigma3=sqrt(M1x*M1x+M1y*M1y+M1z*M1z);BB=32*Sigma3/(PI*S);DD=pow(BB,1.0/3.0);printf("D=%.4lfm,d=%.4lfmn",DD,dd);D=(int)(1000*DD);d=(int)(1000*dd);if(d%2=0) d=d+2;else d=d+1;if(D%2=0) D=D+2;else D=D+1;printf("故D取%dmm,d取%dmm n",D,d);hb(); /调用求解h，b子函数jhqbb()

37、; /调用校核曲柄臂子函数jhplqd(); /调用校核疲劳强度子函数zhuanjiao(); /调用求转角子函数 return 0;double hb() /求解h，b子函数double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3;double h1,b1;double a,r;double s,m=(1.6*D)*(0.4*1.6*D);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h+=0.01) for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b+=0.01) if(h/b>=2.5&&h/b<=3) /查表3-1，利用插入法确定a,ra=0.213+0.018*h/

38、b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z2=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2z/(b*b*h); Z3=1e6*FN2/(b*h)+6e9*M2x/(b*h*h); Q2=1e9*M2y/(b*b*h*a); Q3=r*Q2;S1=Z1; S2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); /应用第三强度理论S3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(S1<S&&S2<S&

39、amp;&S3<S) s=b*h;if(s<m) /选取使截面积S最小的h,bm=s;h1=h;b1=b; h=h1,b=b1;printf("故h和b值为:n");printf("h=%.2lfmmnb=%.2lfmmn",h,b);return 0;double jhqbb() /校核曲柄臂子函数double Z1,Z2,Z3,Q2,Q3,S2,S3;double a,r;if(h/b>=2.5&&h/b<=3) a=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.2

40、22+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b; Z1=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z2=FN2/(b*h)+6e3*M2z/(b*b*h); Z3=FN2/(b*h)+6e3*M2x/(b*h*h); Q2=1e3*M2y/(b*b*h*a); Q3=r*Q2; printf("Z1=%.2lfMPa,Z2=%.2lfMPa,Z3=%.2lfMPa,Q2=%.2lfMPa,Q3=%.2lfMPan",Z1,Z2,Z3,Q2,Q3);S1=Z1; S2=(sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2); S3=

41、(sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);printf("S1=%.2lfMPa,",S1);if(S1-S)/S<0.05)printf("所以D1点安全n");printf("S2=%.2lfMPa，",S2);if(S2-S)/S<0.05)printf("所以D2点安全n");printf("S3=%.2lfMPa，",S3);if(S3-S)/S<0.05)printf("所以D3点安全n");if(S1-S)/S<0.05&&

42、;(S2-S)/S<0.05&&(S3-S)/S<0.05)printf("故曲柄臂强度是足够的n");elseprintf("曲柄臂强度不符合要求n");return 0;double jhplqd() /校核疲劳强度子函数double Kt=1.29,B=0.9438,Wp,Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt;double t_1=180e6,Fai=0.05,Et=0.78;Wp=PI*D*D*D/16e9;Qmin=(-1e-6)*Me/Wp;Qmax=0;Qa=(Qmax-Qmin)/2;Qm=(Qmax+Qmin)/2;nt=t_1/(Kt*Qa*1e6/(Et*B)+Fai*Qm*1e6);printf("Qmin=%.1lfMPa,Qmax=%.1lfMPa,Qa=%.1lfMPa,Qm=%.1lfMPa,nt=%.2lfn",Qmin,Qmax,Qa,Qm,nt);if (nt>2)printf("H-H截面疲劳强度是足够的n");elseprintf("H-H截面疲劳强度