材料力学课程设计单缸柴油机曲轴的强度设计

1、学号：作者：序号: 题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核指导老师：2013.10.05目录1、 课程设计的目的.22、 课程设计的任务和要求.23、 设计题目.34、 画出曲轴的计算简图及内外力分析.45、 设计曲轴颈直径d和主轴颈直径D.76、 设计曲柄臂的尺寸.87、 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度.108、 用能量法计算A-A截面的转角,.119、 设计和计算的合理性，优缺点及改进意见和措施1310、 设计体会1311、 参考文献1412、 附录.15一、 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后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计

2、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之目的。同时，可以使我们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；既把以前所学的知识综合应用，又为后继课程打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。1）使所学的材料力学知识系统化，完整化。让我们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问题。2）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。3）使我们初步了解和掌握工程实践中

3、的设计思想和设计方法，为后续课程的学习打下基础。二、 课程设计的任务和要求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。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(QT450-5)弹性常数为E、，许用应力为，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,=1.2r,已知数据如下表：0.110.181500.271201800.050.7814.44200.06

4、(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，取疲劳安全系数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,。四、 曲轴的计算简图（1） 外力分析计算外力偶矩Me=9549=9549*=327=5457N=2728N利用平衡条件计算支座反力 在XOY平面内：=1693N=1035N在XOZ平面内：=3387N=2070N（2） 内力分析不计弯曲切应力（故未画出剪力图），弯矩图画在纤维受压的一侧，根据内力图确定危险截面。主轴颈EB左端截面最危险，受扭转和两向弯曲=Me=3

5、27=*（）=298=*（）=149曲柄臂DE段下端截面最危险，受扭转、两向弯曲和压缩=Me=327=*（）=298=*（）=149=1035N连杆轴颈颈CD段中间截面最危险，受扭转和两向弯曲=*r=203=*=373=*=186五、 设计曲轴颈直径d和主轴颈直径D（1）主轴颈的危险截面为EB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=其中=(2)曲轴颈CD属于圆轴弯扭组合变形，由第三强度理论，在危险截面中：编辑程序，求解h，b。六、 设计曲柄臂的尺寸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），曲柄臂上的危险截面的应力分布图如下图：根据应力

6、分布图可判定出可能的危险点为，。（1）点： 点处于单向应力状态（2）点： 点处于二向应力状态，存在扭转切应力点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的 由第三强度理论（3）点： 点处于二向应力状态根据第三强度理论（4）1.41.6，2.54通过查表，由插入法可得，最佳曲柄臂的尺寸是在满足上述四个条件的基础上使其面积S=hb达到最小值，编辑程序，由程序得h,b的最佳值为 ，。七、 校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度球墨铸铁（QT450-5）强度极限b=450MP。端铣加工得键槽有效应力集中系数K=1.29当表面为车削加工时，利用插入法求得其表面质量系数=0.94。已知-1=180MPa，=0.05

7、，=0.78。FB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Me作用下，曲轴不工作时，因此 循环特征 r=故该循环为脉动循环。 所以，H-H截面的疲劳强度是足够的。八、 用能量法计算A-A截面的转角,采用图乘法分别求解A-A截面的转角,。(1) 求： 在截面A加一单位力偶矩。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图 与外载荷作用下的弯矩图如下（画在受压一侧）：由平衡方程得B点的弯矩为E点的弯矩为由图乘法：， 查表由插入法可得（2）求：在截面A加一单位力偶矩。并作出单位力偶矩作用下的弯矩图 与外载荷作用下的弯矩图如下（画在受压一侧）：同理得：由图

8、乘法：编写程序,求解,九、 分析讨论设计和计算的合理性、优缺点及改进意见和措施1、设计中，做以下几点说明： （1）在画内力图时，忽略弯曲切应力，故未画剪力图。 （2）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。 （3）在校核曲柄臂画内力分布时忽略了圆孔对其的影响。 （4）在疲劳强度校核H-H截面时，忽略键槽对min的影响。 2 、计的改进意见及措施提高曲轴的弯曲强度设计合理的截面以及合理布置支座的形式合理安排曲轴的受力情况；也可以在结构允许的情况下将集中载荷适

9、当分散让在和尽量靠近支座。提高曲轴的弯曲刚度 改善结构形式，尽量减小跨度，选择合理的截面形状，减少弯矩的数值并且合理选材等形式提高曲轴的弯曲刚度。提高曲轴的疲劳强度 提高疲劳强度主要有减缓应力集中和提高构件表面强度两种方式。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：用精细加工，降低表面粗糙度，尤其对高强度钢更重要；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、渗碳等或表层用滚压等冷加工办法。 十、 设计体会通过这次课程设计，自己学到了许多东

10、西，将自己平常在课堂上学习的东西真正地用到了实际当中去，加强了对各科之间联系的认识和学习的兴趣，加深了对CAD、VC、MATHTYPE等软件的理解和应用能力以及发现问题，解决问题的能力，达到了锻炼的目的。对于本次课程设计中的不足之处，还希望老师批评指正。谢谢老师长期以来的辛勤教导与帮助。 十一、 参考文献 1聂毓琴等，材料力学实验与课程设计，北京，机械工业出版社，2006.8 2聂毓琴，孟广伟，材料力学，机械工业出版社2007.2 3谭浩强，C程序设计（第三版），北京，清华大学出版社，2005.7十二、 附录C语言程序如下：include<stdi

11、o.h>#include<math.h>#define PI 3.1415926double main()double p,n,Fr,Ft,FAy,FBy,FAz,FBz,L1=0.11,L2=0.18,r,L3,Me;double M1x,M1y,M1z,D,W1,S=120e6;int M2x,M2y,M2z,d,W2;double M3x,M3y,M3z,b,h,A3,Alpha,Gama,Sigma,T,t,h1,b1;double m=1.6*D*0.4*1.6*D*(1e-6),Sigma1,Sigma2,Sigma3,T1,T2,T3,A,B,C;double

12、_FAz,_FBz,_FAy,_FBy,_Mb,_Me,EI1,EI2,EI3,EA,GIt,B1,Zy,Zz,X,E=150e9,u=0.27;printf(" 设计题目：单缸柴油机曲轴n请输入P/kw,n/(r/min),r/mn");scanf("%lf,%lf,%lf",&p,&n,&r);Me=(9549*p)/n;L3=1.2*r;Ft=Me/r;Fr=Ft/2;FAy=Fr*L2/(L1+L2);FBy=Fr*L1/(L1+L2);FAz=2*FAy;FBz=2*FBy;printf("Ft=%5.2f,F

13、r=%5.2fnFAy=%5.2f,FBy=%5.2fnFAz=%5.2f,FBz=%5.2fn",Ft,Fr,FAy,FBy,FAz,FBz);printf("设计主轴颈直径n"); /设计主轴颈和曲轴颈直径 M1x=Me;M1y=FBz*(L2-L3/2);M1z=FBy*(L2-L3/2);printf("M1x=%5.2f,M1y=%5.2f,M1z=%5.2fn",M1x,M1y,M1z);D=pow (32*sqrt(M1y*M1y+M1z*M1z+M1x*M1x)/(PI*S),1.0/3.0)*1000;printf("

14、;D=%5.2fmm",D);if(int)D%2=0) D=(int)D+2;else D=(int)D+1;putchar(32);putchar(32);printf("故取D=%5.2fmmn",D);printf("设计曲轴颈直径n"); M2x=FAz*r;M2y=FAz*L1;M2z=FAy*L1;printf("M2x=%5.2f,M2y=%5.2f,M2z=%5.2fn",M2x,M2y,M2z);d=pow (32*sqrt(M2y*M2y+M2z*M2z+M2x*M2x)/(PI*S),1.0/3.0)

15、*1000;printf("d=%5.2fmm",D);if(int)d%2=0) d=(int)d+2;else d=(int)d+1;putchar(32);putchar(32);printf("故取d=%5.2fmmn",d);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01) /设计曲柄臂的尺寸h,b for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01)A3=b*h*(1e-6);M3x=Me;M3y=FBz*(L2-L3/2);M3z=FBy*(L2-L3/2);Alpha=(1/62.5)*(h/b)+0.2

16、18;Gama=(-1/68.2)*(h/b)+0.804; A=FBy/A3+Me/(b*h*h*(1e-9)/6)+FBy*6*(L2-L3/2)/(h*b*b*(1e-9);T2=M3y/(Alpha*h*b*b*(1e-9);Sigma2=FBy/A3+6*M3z/(b*h*h*(1e-9);B=sqrt(Sigma2*Sigma2+4*T2*T2);T3=Gama*T2;Sigma3=FBy/A3+6*M3x/(b*h*h*(1e-9);C=sqrt(Sigma3*Sigma3+4*T3*T3); if(A<=S&&B<=S&&C<=

17、S )A3=b*h;if(A3<m) m=A3;h1=h;b1=b; Alpha=(1/62.5)*(h1/b1)+0.218;Gama=(-1/68.2)*(h1/b1)+0.804;printf("Alpha=%5.2f,Gama=%5.2fn",Alpha,Gama);printf("曲柄臂最理想的尺寸为h=%5.2fmm,b=%5.2fmmn",h1,b1);if(h/b>=2.5&&h/b<=3) B1=0.179+0.028*h/b;elseB1=0.209+0.018*h/b;_FAz=1/(L1+L2);

18、_FBz=_FAz;_FAy=_FAz;_FBy=_FAz;_Mb=1-_FAz*(L1-L3/2);_Me=_FBz*(L2-L3/2);X=(_Mb+_Me)/2;EI1=E*PI*D*D*D*D*(1e-12)/64;EI2=E*PI*d*d*d*d*(1e-12)/64;GIt=E*B1*h*b*b*b*(1e-12)/(2*(1+u);EI3=E*h*b*b*b*(1e-12)/12;EA=E*h*b*(1e-6);printf("EI1=%.2lf,EI2=%.2lf,EI3=%.2lf,GIt=%.2lf，EA=%.2lfn",EI1,EI2,EI3,GIt,EA);Zy=1/EI1*(0.5*(L1-L3/2)*FAz*(L1-L3/2)*(1-_Mb)/3+_Mb)+0.5*(L2-L3/2)*FBz*(L2-L3/2)*2/3*_Me)+1/EI2*(FAz