单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核杨韬

-.z.材料力学课程设计设计题目：单缸柴油机曲轴的强度设计及刚度计算、疲劳强度校核 班级：铁车三班**：2014120950：韬指导教师：任小平设计目的系统学完材料力学之后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的根本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以到达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。既从整体上掌握了根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运用，又为后继课程打下根底，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二、设计题目*柴油机曲轴可以简化为下列图所示的构造，材料为球墨铸铁(QT450-5)，弹性常数为E、μ，许用应力为[σ]，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，1.4≤≤1.6，2.5≤≤4,=1.2r,有关数据如下表：要求：1.画出曲轴的力图。2.设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D。3.校核曲柄臂的强度。4.校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度，取疲劳平安系数n=2。键槽为端铣加工，主轴颈外表为车削加工。5.用能量法计算A-A截面的转角,。数据0.110.181500.271201800.050.7816.43000.05零件图：单缸柴油机曲轴零件简化图：三、设计容3.1柴油机曲轴的力图〔1〕受力分析计算简图：〔2〕外力分析：计算外力偶矩：Me=9549·=9549×16.4/300=572.94计算切向力Ft，径向力Fr==9549N==4774.5N由平衡条件计算反力：在*Oy平面:==2963.5N==1811N在*Oz平面:==5927N==3622N(3)力分析：画出力图。不计弯曲切应力〔故未画剪力图〕，弯矩图画在纤维受压侧。根据力图确定危险截面。〔单位：力-N，力矩-N·m〕①主轴颈以EF段的左端〔1-1〕截面最危险，受扭转和两向弯曲==572.94N·m=·〔-〕=521.6N·m=·〔-〕=300.8N·m②曲柄臂以DE段的下端〔2-2〕截面最危险，受扭转两向弯曲及压缩==572.94N·m=·〔-〕=521.6N·m=·〔-〕=300.8N·m==1811N③曲轴颈以CD段中间〔3-3〕截面K最危险，受扭转和两向弯曲=×r=355.62N·m=×=651.97N·m=×=325.99N·m3.2设计曲轴颈直径d，主轴颈直径D(1)曲轴颈CD处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面〔3-3〕应用第三强度理论计算=≤[]其中带入数据得到d≥40.98mm实际取d=41mm.(2)主轴颈EF处于扭转和两向弯曲的组合变形，对危险截面〔1-1〕应用第三强度理论计算=≤[]其中代入数据得到D≥41.09mm实际取D=42mm.综上，曲轴颈直径d=41mm主轴颈直径D=42mm3.3校核曲柄臂的强度〔1〕设计h，b当h和b在题设围变化，求解曲柄臂危险截面满足强度条件且截面面积h×b最小时的h和b，即为h，b的最正确值。具体求解可通过C程序得到，计算机程序见5.2通过程序可得最正确h=60.01mmb=23.99mm查P70表得α=0.258ν=0.767β=0.249〔2〕求解危险点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〔这里不计剪力的作用〕。为确定危险点的位置，画出曲柄臂上的危险截面〔2-2〕应力分布图σσσσ根据应力分布图，可以判定处可能的危险点有，，三点。σσσσ①对点进展力分析。由于点处于单向压缩，所以为正压力的代数叠加，即===86.35Mpa＜[]所以点平安。②对点进展应力分析。点有扭转切应力，==58.53Mpa点的正应力为轴向力和绕z轴的弯矩共同引起的，即===46.56MPa=125.61MPa又=4.673％＜5％所以点平安。③点处于二向应力状态===41.05MPa=98.72MPa＜[]所以点平安。综上，，三点都平安，即危险截面强度足够。曲柄臂满足强度条件。3.4校核主轴颈H-H截面处的疲劳强度曲轴材料为球墨铸铁〔QT450-5〕，即=450MPa端铣加工键槽车削加工外表，查P369可得=1.29，β=0.9438=180MPa=0.78=0.05n=2FH处只受扭转作用〔忽略键槽对抗扭系数的影响的影响===-39.39MPa=0r==-即扭转切应力为脉动循环。n===5.37＞n=2所以H-H截面处的疲劳强度足够。/MPa由解得FH的持久极限=342.86MPa/MPa102.7/MPa构件的持久极限曲线：102.7/MPa3.5运用能量法计算A-A截面处的转角和运用图乘法求解和。〔1〕求：在截面A-A处施加单位力偶=1.弯矩图和单位力矩作用下的弯矩图如下=++=〔1.13+1.21+2.89〕/1000=5.23×rad〔2〕求：在截面A-A处施加单位力偶=1.作弯矩图和单位力矩图以及轴力图和如下=+++=(0.565+1.697-0.00032+0.601)×=2.86×rad四、分析计算和设计4.1对计算过要说明(1)所有图线都是由AutoCAD2004软件绘制，局部数学公式经Mathtype6.5编辑而成。(2)在画力图时，由于不计弯曲切应力，故未画剪力图。(3)在设计D,d和校核强度时，由于材料是球墨铸铁〔QT450-5〕，其金属性与钢接近，塑性好，强度较高，且处于复杂应力状态，故采用第三强度理论校核。(4)在设计h、b的实际尺寸时，是通过程序在题设围1.4≤≤1.6，2.5≤≤4之间变化取值进展校核强度，直到得出使截面积最小的最正确结果。(5)在校核H-H处的疲劳强度时，忽略了键槽对扭转切应力的影响。因此值不变，=。(6)发动机曲轴应力属于脉动循环振动应力，柴油机工作良好的情况下，可认为曲轴受到不变的转动力矩，校核强度时，设曲轴工作在脉动循环下。4.2改良设计的初步方案及设想〔1〕提高曲轴的弯曲强度在机械构造允许的情况下，可改变，将集中力尽量靠近支座或将集中载荷适当分散。另外，选择合理的截面及合理的材料，可以选择弹性模量较大的材料。〔2〕提高曲轴的弯曲刚度改变截面的形状，铸造曲轴可以采用空心工艺，不仅可以减小质量消除一局部惯性，另外空心构造也有助于提高刚度改善构造形式。其次，主轴颈应尽量防止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，这样可以消除应力集中，相对于带尖叫孔槽的主轴强度刚度是较高的。〔3〕提高曲轴的疲劳强度设置平衡重，平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩，可以减小曲轴工作时不平衡的振动，将脉动循环转换为对称循环，从而提高曲轴的疲劳强度。提高曲轴外表的强度，对曲轴中应力集中的部位如键槽处应采取*些工艺措施，即外表热处理或化学处理，如外表高频淬火、渗碳、滚压、喷丸等。五、计算程序5.1计算机程序C程序核心为求解满足题设及强度条件下截面积最小时的b和hinclude<math.h> *include<stdio.h> *defineG100//为消除单位所设常数*defineD42//D为主轴颈直径*defineY120 //σ=120kPamain(){floatMz,My,M*,F;//分別为曲柄臂所受扭矩弯矩和轴力floatZ1,Z2,Z3,Q2,Q3,Y2,Y3; //分别为floath,b,h1,b1; floata,r;//即α和νfloats,m=1.6*D*0.4*1.6*D;//s为截面面积，m为题设允许最大截面printf("inputM*,My,Mz,F:\n");scanf("%f%f%f%f",&M*,&My,&Mz,&F);for(h=1.4*D;h<=1.6*D;h=h+0.01)//h和b的循环围for(b=0.25*h;b<=0.4*h;b=b+0.01){if(h/b>=2.5&&h/b<=3) }{a=0.213+0.018*h/b; }r=0.837-0.028*h/b;} }α和ν的函数关系if(h/b>=3&&h/b<=4) }{a=0.222+0.015*h/b; }r=0.777-0.008*h/b;} }Z1=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h)+6*G*M*/(b*h*h);Z2=F/(b*h)+6*G*Mz/(b*b*h);Z3=F/(b*h)+6*G*M*/(b*h*h);Q2=G*My/(b*b*h*a);Q3=r*Q2;Y2=sqrt(Z2*Z2+4*Q2*Q2);Y3=sqrt(Z3*Z3+4*Q3*Q3);if(Z1<=Y&&(Y2-Y)/Y<0.05&&(Y3-Y)/Y<0.05) //循环条件为强度校核平安{s=h*b;if(s<m){m=s;h1=h;b1=b;}}} //令截面积最小printf("gettheresult:\n");printf("h=%5.2fmm\nb=%5.2fmm