曲柄销圆角强度的理论计算【优秀课程毕业设计设计文档】
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曲柄销圆角强度的理论计算
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曲柄销圆角强度的理论计算【优秀课程毕业设计设计文档】,曲柄,销圆角,强度,理论,计算,课程毕业设计,曲柄销圆角强度的理论计算
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readme1.设计说明书 （使用word 2010 打开）2.2100柴油机各种力的计算【包含曲线图】（使用Excel 2010打开）3.答辩PPT(使用Office 2010 打开)nts曲柄销圆角强度的理论计算吴江平 3009201302 热能与动力工程 2班 nts主要内容 【 1】质量 估算 【 2】根据曲轴的 ProE三维模型计算曲柄臂和平衡重质量 ， 并 获得质心位置 【 3】离心惯性力的计算： 【 4】 利用 GT-power模拟气缸压力的结果： 【 5】 结合图纸标注尺寸 ， 获得与 计算 相关 曲轴的尺寸 【 6】受力 分析 【 7】 利用 Excel表格，结合模拟的气缸压力结果计算 气体力 、惯性力、竖直合力、侧向力、连杆力、切向力 、 径向力等 【 8】绘制 折线图 【 9】曲柄销圆角强度计算 nts【 1】质量估算 估算方法：仔细阅读图纸，假设工件为薄壁件，利用图纸中的尺寸计算出体积，与密度相乘后得出质量数值，并与其他组所绘制的三维图形进行比较 。 估算结果： M活塞销 =7.9*103*5.9442*10-5=0.4696 kg M活塞 =2.7*103*4.7866*10-4=1.2923 kg M连杆 =1.7736 kg 误差比较： ProE绘制三维模型中连杆的质量为 1.8974 kg 误差为 6.626% 从而 得出结论：估算较为准确。 nts【 2】根据 曲轴 ProE三维模型计算曲柄臂和平衡重质量，并获得质心位置 曲柄臂的质量为 m1=1.3689 kg r1= 39.649 mm 平衡重的质量 m2= 2.6156 kg r2=48.4075 mm 连杆的质心位置位于连杆大头上方 59.1mm处 【 3】离心惯性力的计算： 转速 2000r/min, w=209.44 rad/s 连杆旋转质量离心惯性力：（近似计算时质量取连杆大头的质量） 2/3M连杆 *w2*R=1.1824*209.442*（ 59.1+60） *10-3 = 6177.2537N= 629.88 kgf （ 1kgf=9.807N） 曲柄臂的离心惯性力： m1* w2*r1=1.3689*209.442*39.649*10-3 =2380.80N=242.77kgf 平衡重离心惯性力： m2* w2*r2= 2.6156*209.442*48.4075*10-3 = 5553.96N=566.327 kgf nts【 4】 利用 GT-power模拟气缸压力的结果 0123456789101 18 35 52 69 86103120137154171188205222239256273290307324341358375392409426443460477494511528545562579596613630647664681698715气缸压力 缸内压力最大值： 8.9644 Mpa，对应的曲轴转角为 336 nts【 5】 结合图纸标注尺寸， 获得与 计算 相关 曲轴的尺寸 【 6】受力分析 nts【 7】 利用 Excel表格计算 各个力的大小 【 8】绘制折线图 010000200003000040000500006000070000800001 14 27 40 53 66 79 92105118131144157170183196209222235248261274287300313326339352365378391404417430443456469482495508521534547560573586599612625638651664677690703716气体力 nts-10000-8000-6000-4000-200002000400060001 17 33 49 65 81 97113129145161177193209225241257273289305321337353369385401417433449465481497513529545561577593609625641657673689705721惯性力 nts-10000-500005000100001500020000250001 16 31 46 61 76 91106121136151166181196211226241256271286301316331346361376391406421436451466481496511526541556571586601616631646661676691706721切向力 nts-20000-100000100002000030000400005000060000700001 17 33 49 65 81 97113129145161177193209225241257273289305321337353369385401417433449465481497513529545561577593609625641657673689705721径向力 nts【 9】曲柄销圆角强度计算 按照内燃机设计（吉林大学版）中提供的方法 ： 1. 支反力 Rrmax=2606.40 kgf Rrmin=-1302.83 kgf Rtmax=1029.59 kgf Rtmin =-314.59 kgf 2. 曲柄平面内弯矩 Mbmax=5082.48 kgf.cm Mbmin=-2540.52 kgf.cm 3. 曲柄臂抗弯断面系数 Zb=11.6*2.552/6=12.57 cm3 4. 圆角弯曲名义应力 nmax=404 kgf/cm2 nmin=-202 kgf/cm2 5. 圆角弯曲应力幅和平均应力 a= 303 kgf/cm2 m= 101 kgf/cm2 6.圆角承受的扭矩 Mtpmax=198060.46 kgf.cm Mtpmin=-60516.46kgf.cm 7. 曲柄销抗扭断面系数 Zt=47.62cm3 8. 圆角名义切应力 tmax=4159 kg/cm2 tmin=-1270 kg/cm2 9. 圆角切应力幅和平均应力 ta=271.4 kgf/cm2 tm=144.4 kgf/cm2 10. 圆角弯曲形状系数的计算： 方法： =f1*f2*f3*f4*f5*f6*f7 =2.8*0.88*1.03*1.03*0.968*1.01*1*1=2.5557 nts11. 弯曲有效应力集中系数 ： q=(q) b+(q)( s/b)/2=(0.62+0.67)/2=0.645 k=1+q (1-1)=1+0.645*(2.11-1)=1.72 12. 弯曲有效总不均匀度系数： K/1=2.5557/2.11=1.2112 13. 圆角扭转形状系数： t=1.58*1.03*1.01*1.04*0.941=1.609 14. 扭曲有效应力集中系数： kt=1+qt*(t1-1)=1+0.79*(1.59-1)=1.47 15. 扭转有效总不均匀度系数： Kt=t/t1=1.609/1.59=1.0119 16. 尺寸系数 因为 dp=65； =0.68， t=0.74 17. 材料对应力循环不对称性敏感性系数 因为 b=60; =0.10， t=0 18. 强化系数 =1 19. 安全系数 n= nnt /(n2+ nt2)0.5=3.43*2.76/(3.432+2.762)0.5=2.76 nts 课程设计说明书 曲柄销圆角强度的理论计算 吴江平 3009201302 热能与动力工程 2 班 nts1. 2100T 柴油机的基本参数： 冲程数： 4； 缸径 ： 100mm； 气 缸数 ： 2； 冲程 ： 120mm； 压缩比 ： 16； 额定功率 ： 18.4kW； 额定转速 ： 2000r/min； 比油耗 ： 252g/(kWh)； 排量 ： 1.88L； 曲轴旋转方式：逆时针； 活塞平均速度： 8m/s; 冷却方式：水冷； 起动方式：手起动； 润滑方式：压力与飞溅复合式； 整体尺寸： (长宽高 )555 748 486(mm)； 标定工况 (18.4kW， 2000r/min)下的温度： 总管排气温度 520 ， 机油温度100 ， 冷取水出水温度 70 80 ， 进出水温度 15 ； 2. 整体结构特点： (1) 机体组： 是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体； 由机体、气缸盖、主轴承盖以及油底壳等组成。 机体：灰铸铁；机体的前端有正时齿轮，后端为飞轮盖和盖板，左侧中间装有配气凸轮轴。机体的拱门上有主轴承座，轴承盖同螺栓紧固在轴承座上，曲轴后部装有甩油盘、飞轮壳； 燃烧室：直喷式燃烧室； 气缸盖 ：灰铸铁； 气缸排列形式：直列式； 气缸套：湿式，高磷铸铁； 主轴承盖：灰铸铁； 主轴承螺栓：钢 40Cr； 油底壳：湿式，铸铁； 曲轴箱结构形式：龙门式； (2) 曲柄连杆机构 ： 是发动机的主要运动机构，其公用是 将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动， 同时将作用与活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动车轮转动； 由活塞组、连杆组和曲轴飞轮组组成，活塞组包括活塞、活塞环和活塞销等，连杆组包括连杆体、连杆螺栓、连杆小头衬套、连杆大头盖和连杆大头，曲轴飞轮组包括曲轴和飞轮等。 活塞 ： 铝合金，顶部 浴盆形深坑； 活塞环：合金铸铁； 油环衬簧：钢 65Mn； nts活塞销： 中空 ，钢 20Cr； 连杆体： 工字形断面 ； 连杆小头：全浮式； 连杆小头衬套：中间设有集油孔 ； 连杆大头：斜切口，锯齿定位； 连杆大头轴瓦：分开式，高锡铝合金； 曲轴：合金球墨铸铁，前后油封； 曲柄销：枣核型空腔； 曲轴正时齿轮：钢 45； 主轴瓦：分开式，钢背高锡 铝合金 ，下瓦不开油槽 ； 飞轮：直径 140mm， (3) 配气机构 ： 是根据发动机每一气缸内进行的工作循环和发火次序的要求，定时的开启和关闭各气缸的进、排气门，以保证新鲜可燃混合气 (汽油机 )或空气 (柴油机 )得以及时进入气缸并把燃烧生成的废弃及时排出； 由气门和气门传动组组成，气门组包括气门、气门导管、气门座和气门弹簧等，气门传动组包括凸轮轴、凸轮轴正时齿轮、挺住、推杆、摇臂和摇臂轴等。 气门：平顶 ； 气门导管：铁基粉末冶金； 气门座：锥角 45， 4Cr9Si2； 气门内弹簧：钢系 3.50CrvA，弹簧展开长度 616mm，左旋，有效卷数 6.5，总卷数 8.5 0.25 气门外弹簧：钢系 4.50CrvA，弹簧展开长度 734mm，右旋，有效卷数 5.25，总卷数 7.5 0.25； 凸轮轴：前端装有定距环 (钢 45)、 止推 垫 片 (钢 45)， 其轴向间隙为 0.100.24mm； 凸轮轴正时齿轮：钢 45； 挺柱：钢 45，； 推杆：钢 45； 摇臂：球墨铸铁； (4) 进排气系统 ： 在发动机工作过程中，一方面要吸入可燃混合气或空气，另一方面必须把燃烧做功后的废气排出； 进气系统包括空气滤清器和进气歧管，排气系统包括排气歧管和排气总管。 进气总管：直径 64mm，灰铸铁； 进气歧管：直径 40mm； 排气总管：直径 54mm，灰铸铁； 无排气歧管； (5) 喷油系统 ： 根据柴油机的要求，定时、定量的产生高压油，并按要求喷入燃烧室特定位置； 由低压油路和高压油路组成。低压油路包括油箱、油水分离器、柴油滤清器和输油泵等，高压油路包括喷油泵、高压油路、调速器和喷油器等； nts喷油泵：柱塞式； 喷油器：轴针式； (6) 润滑系统 减少摩擦副的 摩擦和磨损；带走摩擦生成的热量，起冷却作用；冲走铁屑等杂物；密封和防漏； 由机油泵、油道、油管、集滤器、滤清器、散热器等组成。 (7) 冷却系统 使发动机在所有的工况都保持在适当的温度范围内； 由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、机体和缸盖中的水套等组成。 (8) 起 动系统 利用发动机 以外的能源使发动机运转； 起动方式：手起动。 曲柄销圆角强度的理论计算 具体计算过程 【 1】 质量估算 估算方法：仔细阅读图纸，假 设工件为薄壁件，利用图纸中的尺寸计算出体积，与密度相乘后得出质量数值，并与其他组所绘制的三维图形进行比较。 活塞和活塞销： 活塞销： V 活塞销 =（ r 外径 2-r 内径 2） h 活塞销 = （ 35*10-3/2） 2 （ 18*10-3/2） 2* 84*10-3=5.9442*10-5m 质量 =密度 *体积 M 活塞销 =7.9*103*5.9442*10-5=0.4696 kg 活塞： V 活塞 = *（ 99.4*10-3/2） 2-（ 75*10-3/2） 2*120*10-3+ *（ 99.4*10-3/2）nts2*（ 99.4-89.4） *10-3 =4.0106*10-4+7.7600*10-5 = 4.7866*10-4 m 质量 =密度 *体积 M 活塞 =2.7*103*4.7866*10-4=1.2923 kg M= M 活塞 +M 活塞销 = 1.2923+0.4696= 1.7620 kg 连杆 V 小环 = *（ 49*10-3/2） 2） （ 39*10-3/2） 2*38*10-3 =2.6264 *10-5 m V 大 环 = *（ 49*10-3） 2） （ 69*10-3/2） 2*38*10-3 =1.4454 *10-5 m 工字钢高 h1=200 49/2 49=126.5 mm V 工 -中间 =（ 12+15） /2*10-3*126.5*10-3*7*10-3=1.1954*10-5 m V 工 -两边 =22*10-3*126.5*10-3*（ 27 12） *10-3=4.1745*10-5 m V 连杆 = V 小环 + V 大 环 + V 工字钢 =1.6592*10-4 m M 连杆 =1.7736 kg ProE 绘制三维模型中连杆的质量为 1.8974 kg 误差为 6.626%，从而得出结论 ： 估算较为准确。 【 2】 根据曲轴的 ProE 三维模型计算曲柄臂和平衡重质量，并获得质心位置 曲柄臂的质量为 m1=1.3689 kg r1= 39.649 mm nts平衡重的质量 m2= 2.6156 kg r2=48.4075 mm 连杆的质心位置位于连杆大头上方 59.1mm 处 【 3】 离心惯性力的计算： 转速 2000r/min, w=209.44 rad/s 连杆旋转质量离心惯性力：（近似计算时质量取连杆大头的质量） 2/3M 连杆 *w2*R=1.1824*209.442*（ 59.1+60） *10-3 = 6177.2537N= 629.88 kgf （ 1kgf=9.807N） 曲柄臂的离心惯性力： m1* w2*r1=1.3689*209.442*39.649*10-3 =2380.80N=242.77kgf 平衡重离心惯性力： m2* w2*r2= 2.6156*209.442*48.4075*10-3 = 5553.96N=566.327 kgf 【 4】 利用 GT-power 模拟气缸压力的 结果： 缸内压力最大值： 8.9644 Mpa，对应的曲轴转角为 336。 【 5】 结合图纸标注尺寸，计算出与 曲轴相关的尺寸如下： 0123456789101 29 57 85113 141 169 197 225 253 281 309 337 365 393 421 449 477 505 533 561 589 617 645 673 701气缸压力 nts 参数 数值（ mm） 曲柄销 直径 dp 长度 lp 减重孔直径 d1p 减重孔偏心距 e 圆角半径 rp 65 39 38 3 4 主轴颈 直径 dj 长度 lj3 减重孔直径 d1j 圆角半径 rj 75 39 43 4 曲柄臂 厚度 h 宽度 b 25.5 116 曲柄半径 R 轴颈重合度 a1 a2 l1 l2 60 10 19.5 21.5 62.5 66.5 【 6】 受力分析： 取其中一个曲柄销，利用分段法分析受力情况并计算 ，受力情况如图所示 nts 【 7】 利用 Excel 表格，结合模拟的气缸压力结果计算气体力、惯性力、竖直合力、侧向力、连杆力、切向力、径向力等 （完整的表格附于附录中，此处仅展示部分结果） nts【 8】 绘制折线图： 010000200003000040000500006000070000800001 30 59 88117 146 175 204 233 262 291 320 349 378 407 436 465 494 523 552 581 610 639 668 697气体力 -10000-8000-6000-4000-200002000400060001 32 63 94125 156 187 218 249 280 311 342 373 404 435 466 497 528 559 590 621 652 683 714惯性力 -10000-500005000100001500020000250001 32 63 94125 156 187 218 249 280 311 342 373 404 435 466 497 528 559 590 621 652 683 714切向力 nts 【 9】曲柄销圆角强度计算 按照内燃机设计（吉林大学版）中提供的方法： 1. 支反力 Rr(j-1)=1/L(pr-pp-pc)l2+pb1(L-a1-b1)+pb2(a2+b2)-Pa1(L-a1)-pa2a2 Rrmax=1/12.9(6311.15-896.44-629.88)*6.65+566.33*(12.9-1.95)+566.33*2.15-242.77*(12.9-1.95)-242.77*2.15=2606.40 kgf Rrmin=1/12.9(705.83-896.44-629.88)*6.65+566.33*2.15-242.77*(12.9-1.95)242.77*2.15=-1302.83 kgf Rtj=l1*pt/L Rtmax=62.5/()66.5+62.5)*2125.05=1029.59 kgf Rtmin=62.5/()66.5+62.5)*-649.31=-314.59 kgf 2. 曲柄平面内弯矩 对曲柄臂计算截面重心的弯矩 Mb1=Rr(j-1)a1 Mbmax=2606.40*1.95=5082.48 kgf.cm -20000-100000100002000030000400005000060000700001 32 63 94125 156 187 218 249 280 311 342 373 404 435 466 497 528 559 590 621 652 683 714径向力 ntsMbmin=-1302.83*1.95=-2540.52 kgf.cm 3. 曲柄臂抗弯断面系数 Zb=bh2/6 Zb=11.6*2.552/6=12.57 cm3 4. 圆角弯曲名义应力 n=Mb/Zb nmax=5083.48/12.57=404 kgf/cm2 nmin=-2540.52/12.57=-202 kgf/cm2 5. 圆角弯曲应力幅和平均应力 a=( max- min)/2=404-(-202)/2= 303 kgf/cm2 m=( max+min)/2=404+-202)/2= 101 kgf/cm2 6.圆角承受的扭矩 Mtpj= Mtj-RtjR Mtpmax=204238-1029.59*6=198060.46 kgf.cm Mtpmin=-60516.46-(-314.59)*6=-60516.46kgf.cm 7. 曲柄销抗扭断面系数 Zt= dp31-(d1/d)4/16= 6.531-(38/65)4/16=47.62 cm3 8. 圆角名义切应力 t=Mt/Zt tmax=198060/47.62=4159 kg/cm2 tmin=-60516.46/47.62=-1270 kg/cm2 9. 圆角切应力幅和平均应力 ntsta=(tmax-tmin)/2=4189-(-1270)/2=271.4 kgf/cm2 tm=(tmax+tmin)/2=4189+(-1270)/2=144.4 kgf/cm2 10. 圆角弯曲形状系数的计算： 方法： = f1*f2*f3*f4*f5*f6*f7 r/h=4/25.5=0.1569 查柴油机设计手册 P594 图 9-53 =2.8 /d=10/65=0.1538 h/d=25.5/65=0.3923 查柴油机设计手册 P594 图 9-54 f1=0.88 b/d=116/65=1.7846 /d=10/65=0.1538 查柴油机设计手册 P594 图 9-55 f2=1.08 d1/d=28/65=0.5846 查柴油机设计手册 P594 图 9-56 f3=1.03 e/d=3/65=0.0462 查柴油机设计手册 P594 图 9-57 f4=0.968 由于 /d=10/65=0.1538 l*/r=1.5 r=4 所以 l*=6 l/ l*=5.5/6=0.91671 所以查图 9-58b 得到 f5=1.01 ntsf6=1 f7=1 =2.8*0.88*1.03*1.03*0.968*1.01*1*1=2.5557 11. 弯曲有效应力集中系数： r/d=4/65=0.0615; d1/d=38/65=0.5846; 查柴油机设计手册 P604 图 9-70: 1=2.11 b=60; 查柴油机设计手册 P604 图 9-72: (q) b=0.62 s=40; s/ b=40/60=0.67; q =(q) b+(q)( s/ b)/2=(0.62+0.67)/2=0.645 k=1+q ( 1-1)=1+0.645*(2.11-
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