单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算

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：.使所学的材料力学知识系统化，完整化。.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。.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。.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。.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。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，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）弹性常数为瓦日，许用应力为9],G处输入转矩为现，曲轴颈中点受切向力工、径向力工的作用，且b=且。曲柄臂简化为矩形截面，1.4<-<1.6,2.5<h<4,D bl=1.2r。3单缸桌油机曲轴简化图单缸桌油机曲轴简化图已知数据如下表:l/mil/m2E/GPaA[a]/MPat/MPa-10.110.181500.27120180①T£T*P/kW*n/(r/min)*r/m*l/m30.050.7814.04500.050.06注：带*标记的为独立的一组设计计算数据，与他人不相同。.画出曲轴的内力图。.设计曲轴颈直径d,主轴颈直径D。.设计曲柄臂尺寸h和b。.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。.用能量法计算A-A截面的转角6,6。yz作答如下:.画出曲轴的内力图（（1）外力分析画出曲轴的计算简图。外力偶矩M外力偶矩M=9549—549,提=297N•mmMeFmMeFt=1=5940NrFFF='=2970Nr2下面计算反力Fl—在面xOy内：F=—r2=1843N

.11+12FFyFFy=FlFr-1-=1127NFl Fl 在面xOy内：F=—d=3687NAz11+12FFzFFzFl-△=2253N（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:M=M=297N•mx eM=F1L—4)=338N•m1y FF 22M=F（l厂l3）=169N•m1z为22B.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。M=M=297N・m2x eM=FF（l—l3）=338N-m2y Fz22M=F（l一l3）=169N・m2zFy2 2F=F=1127NN2 FyC.曲柄颈CD段中间截面（3-3）受扭转和两向弯曲，为最危险。M=Fj=184N・m3x AzM=F1、=406N•m3y Az1M=FI=203N•m3z Ay1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N,m）297406295My33840614716914716918431127FN2.设计曲轴颈直径d和主轴颈直径D⑴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1 ——-——--一_o= M2+M2+M2<Telr3W1x 1y 1z32兀32兀D3其中-=W1得D>34.4mm取D=36mm⑵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:1 ——-———一_o=——JM2+M2+M2<[o]r3 JW \' 3x3y3z32兀32兀d3其中—=W3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a=0.258，Y=0.7674.校核主轴颈HQ瞰面处的疲劳强度由题意o=45QMPa 查表得K=1.3p=0.9438b t已知t=1SQMPa£=0.78(p=0.05〃=2-1 T TFH处只受扭转作用。—M—MTmin-297T=()maxtT-milTma《=—00 hr兀。316FH处只受扭转作用。—M—MTmin-297T=()maxtT-milTma《=—00 hr兀。3161—xTix(36x10-3)3=-32A2MPa所以，扭转切应力为脉动循环。t=-162\MPam安全系数〃TT+(pTa工m180 ,「〔a =6.471>n13x16.21 -0.05x16.210.78x0.9438所以，截面的疲劳强度足够。5.用能量法计算A・A截面的转角0,eyza.求。：y在截面A加一单位力偶矩］iF。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图M~与外载y y荷作用下的弯矩图M如下页图5-1所示（画在受压一侧）:

y406338由平衡方程得FAz295图5-111=3.448NFzl+1 0.11+0.1812——一—、， 406338由平衡方程得FAz295图5-111=3.448NFzl+1 0.11+0.1812——一—、， ——(B点的弯矩为M=1-Fl-Azl-32(=1-3,448*0.11-V0.06、=0.724N-mE点的弯矩为M=FEFz( 006、=3.448*0.18-——=0.517N-m由图乘法:h=52mm,b=21mm查表得0=0.249EI=E1兀D4 兀义364义10-12——=150*109义 =12367.19Pa-m46464兀d4 兀义364X10-12EI=E——=150X109x =12367.19Pa-m43 64 64e E0hb3 150x109x0.249x52x213x10-12GI=-f \= f \ =6996.06Pa-m4p2(1+口 2x(1+0.27)nT3M T3'M'U="———a_+—1 ci_yEIGII=1 i i=1 p

1x(0.11—0.03)x295xf1-0,724+0.7241+1x(0.18-0.03)x338x2x0.5172 I3 )2 31+ EI1+ EI32x0.03x(406-295)x[”二理、+0.621+0.03x295x)0.724+0.62121 …f-10.621-0.5171 …0.621+0.517+—x(406—338)x0.03x0.621— +338x0.03x 2 I 3 ) 2+—(295x0.05x0.724+406x0.05x0.517)GIp=5.172x10-3radb.求0：z在截面A加一单位力偶矩M。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图M与外载荷z z作用下的弯矩图M如下图5-2,5-3所示（画在受压一侧）：z作用下的弯矩图M如下图5-2,5-3所示（画在受压一侧）：z169M图5-23.4483.4483.4483.448图5-3使用同样方法可得到：广=-F~=3.448NFyAyM=0.745N・mM=0.517N・mB E由图乘法：EA=Ehb=150x109x52x21x10-6=1.64x108Pa-m2hb3 52x213x10-12EI=E——=150x109x =6019.65Pa-m42 12 12i=1EIii=1EIii=1EAi1x(0.11-0.03)x147xf1-0,24+0.7241+1x(0.18-0.03)x169x2x0.5172 I3 )2 3+—(147x0.05x0.724+169x0.05x0.517)EI2

1+ EI311+ EI31X0.03x(406-147)x2(0.724-0.621\+0.621+384x0.03x)0.724+0.62121/ 、 (2x(0.621-0.517) 1 0.621+0.724-x(406-169)x0.03x—： -+0.517+147x0.036x 2 I3 ) 21+ (1849x0.05x3.448-1127x0.05x3.448)EA=3.640x10-3rad分析讨论及必要说明在本次设计中，以下几点需要说明。.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F和F；AxAy.在画内力图时，不计弯曲切应力故未画剪力图；.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；.在校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度时，忽略了键槽对Tmax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