單缸柴油機曲軸的強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核

1、 吉林大學(xué)材料力學(xué)課程設(shè)計 設(shè)計計算說明書 設(shè)計題目：單缸柴油機曲軸的強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核 圖號：7-2 數(shù)據(jù)號：ii-5 班級：工科試驗班（車輛工程） 學(xué)號：42120724 姓名：沈靜祺 目錄一、設(shè)計目的3二、設(shè)計任務(wù)和要求42.1 設(shè)計計算說明書的要求42.2 分析討論及說明書部分的要求52.3 程序計算部分的要求5三、設(shè)計題目5四、設(shè)計內(nèi)容74.1 畫出曲軸的內(nèi)力圖74.2 設(shè)計曲軸頸直徑d和主軸頸d94.3 校核曲柄臂的強度104.4 校核主軸頸h-h截面處的疲勞強度134.5 用能量法計算a-a截面的轉(zhuǎn)角qy,qz14五、分析討論及必要說明19六、設(shè)計的改進(jìn)措施及方法1

2、9七、設(shè)計體會20八、參考文獻(xiàn)21九、附錄22一、設(shè)計目的本課程設(shè)計是在系統(tǒng)學(xué)完材料力學(xué)課程之后，結(jié)合工程實際中的問題，運用材料力學(xué)的基本理論和計算方法，獨立地計算工程中的典型零部件，以達(dá)到綜合利用材料力學(xué)知識解決工程實際問題的目的。同時，可以使學(xué)生將材料力學(xué)的理論和現(xiàn)代計算方法及手段融為一體，既從整體上掌握了基本理論和現(xiàn)代計算方法，又提高了分析問題、解決問題的能力；既是對以前所學(xué)知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機和材料力學(xué)等）的綜合運用，又為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，并初步掌握工程設(shè)計思路和設(shè)計方法，使實際工作能力有所提高。具體有以下六項：1. 使所學(xué)的材料力學(xué)知識系統(tǒng)化、完

3、整化。2. 在系統(tǒng)全面復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，運用材料力學(xué)知識解決工程實際中的問題。3. 由于選題力求結(jié)合專業(yè)實際，課程設(shè)計可把材料力學(xué)與專業(yè)需要結(jié)合起來。4. 綜合運用以前所學(xué)的各門課程的知識（高等數(shù)學(xué)、工程圖學(xué)、理論力學(xué)、算法語言、計算機等），使相關(guān)學(xué)科的知識有機地聯(lián)系起來。5. 初步了解和掌握工程實際中的設(shè)計思路和設(shè)計方法。6. 為后續(xù)課程的教學(xué)打下基礎(chǔ)。二、設(shè)計任務(wù)和要求參加設(shè)計者要系統(tǒng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)課程的全部基本理論和方法，獨立分析、判斷設(shè)計題目的已知條件和所求問題，畫出受力分析計算簡圖和內(nèi)力圖，列出理論依據(jù)并到處計算公式，獨立編制計算機程序，通過計算機給出計算結(jié)果，并完成設(shè)計計算說明書。2.1

4、 設(shè)計計算說明書的要求設(shè)計計算說明書是該題目設(shè)計思想、設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果的說明。要求書寫工整，語言簡練，條理清晰、明確，表達(dá)完整。具體內(nèi)容應(yīng)包括：（1） 設(shè)計題目的已知條件、所求及零件圖；（2） 畫出構(gòu)件的受力分析計算簡圖，按比例標(biāo)明尺寸，載荷及支座等；（3） 靜不定結(jié)構(gòu)要畫出所選擇的基本靜定系統(tǒng)及與之相應(yīng)的全部求解過程；（4） 畫出全部內(nèi)力圖，并標(biāo)明可能的各危險截面；（5） 危險截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險點處應(yīng)力狀態(tài)圖；（6） 各危險點的主應(yīng)力大小及主平面位置；（7） 選擇強度理論并建立強度條件；（8） 列出全部計算過程的理論根據(jù)、公式推導(dǎo)過程以及必要的說明；（9） 對變形及

5、剛度分析要寫明所用的能量法計算過程及必要的內(nèi)力圖和單位力圖；（10）疲勞強度計算部分要說明循環(huán)特征，max,min,m,a的計算，所查k,各系數(shù)的依據(jù)，并繪出構(gòu)件的持久極限曲線，疲勞強度校核過程及結(jié)果。2.2 分析討論及說明部分的要求1. 分析計算結(jié)果是否合理，并討論其原因、改進(jìn)措施。2. 提出改進(jìn)設(shè)計的初步方案及設(shè)想。3. 提高強度、剛度及穩(wěn)定性的措施及建議。2.3 程序計算部分的要求1. 程序框圖2. 計算機程序（含必要的語言說明及標(biāo)識符說明）。3. 打印結(jié)果（數(shù)據(jù)結(jié)果要填寫到設(shè)計計算說明書上）。三、設(shè)計題目7.2 單缸柴油機曲軸的強度設(shè)計及剛度計算、疲勞強度校核某柴油機曲軸可以簡化為下圖

6、所示的結(jié)構(gòu)，材料為球墨鑄鐵（qt4505）彈性常數(shù)為e、，許用應(yīng)力，g處輸入轉(zhuǎn)矩為me ，曲軸頸中點受切向力ft、徑向力fr 的作用，且fr=ft/2。曲柄臂簡化為矩形截面，1.4h/d1.6 ,2.5h/b4 ,l31.2r。已知固定數(shù)據(jù)和設(shè)計計算數(shù)據(jù)如下表：題目要求：（1）畫出曲軸的內(nèi)力圖。（2）設(shè)計曲軸頸直徑d ，主軸頸直徑d 。（3）設(shè)計h,b。（4）校核主軸頸 h-h 截面處的疲勞強度，取疲勞強度系數(shù)n=2。鍵槽為端銑加工，主軸頸表面為車削加工。（5）用能量法計算a-a截面的轉(zhuǎn)角y,z。 四、設(shè)計內(nèi)容4.1 畫出曲軸的內(nèi)力圖4.1.1 畫出分析圖4.1.2 外力分析畫出曲軸的計算簡圖

7、（上圖），計算外力偶矩。 計算反力： 在xoy平面內(nèi): 在xoz平面內(nèi)： 4.1.3 內(nèi)力分析（1） 主軸頸的ef左端（1-1）截面為最危險截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲。 （2） 曲柄臂de段下端（2-2)為危險截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲和壓縮。 （3） 曲柄勁cd段中間截面（3-3）為危險截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲。 4.1.4 作曲軸內(nèi)力圖單位：力f/（n） 力矩m/（nm）注：不計內(nèi)力彎曲切應(yīng)力，彎矩圖畫在受壓側(cè)。 4.2設(shè)計曲軸頸直徑d和主軸頸d（1） 主軸頸的危險截面為ef段的最左端1-1截面，受扭轉(zhuǎn)和兩向彎曲，根據(jù)主軸頸的受力狀態(tài)，可用第三強度理論計算： 其中： 得： ?。海?） 曲柄頸cd屬于

8、圓軸彎扭組合變形，由第三強度理論，在危險截面3-3中 其中： 得： 實際?。?.3 校核曲柄臂的強度：曲柄臂的危險截面為矩形截面，受扭轉(zhuǎn)、兩向彎曲及軸力的作用。為確定危險點的位置，畫出曲柄臂上（2-2）截面應(yīng)力分布圖。曲柄臂的強度計算:圖4 應(yīng)力分布圖根據(jù)應(yīng)力分布圖可判定出可能的危險點為，。圖5危險點分布圖插入法確定，：由已知，得查材料力學(xué)p70中表3-1知：表3 矩形截面桿扭轉(zhuǎn)系數(shù)、v表（部分）2.53.04.00.2580.2670.282v0.7670.7530.745當(dāng)時，利用插入法： 解得：當(dāng)時，利用插入法，同理可得：校核：出于經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)該盡量使截面積s=hb最小。根據(jù)以上分析可

9、以編寫計算機程序，取遍h、b所有值，計算出h、b的最優(yōu)值。由附錄中c程序可以求出最優(yōu)值如下:具體求解過程通過c語言程序運行可得；由程序得h，b的最佳值為 查材料力學(xué)(機械工業(yè)出版社)p70頁表3-1得： 此時d1點處于單向應(yīng)力狀態(tài)： 所以：點滿足強度要求。此時d2點處于二向應(yīng)力狀態(tài)，受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力作用： d2點的正應(yīng)力為軸向力和繞z軸的彎矩共同引起的： 由第三強度理論： 因為 所以點不滿足強度條件。 d3點處于二向應(yīng)力狀態(tài) 根據(jù)第三強度理論： 所以點滿足強度理論條件。綜上所述：曲柄臂不滿足強度條件。4.4校核主軸頸h-h截面處的疲勞強度查詢qt450-5材料的強度極限為:查詢材料力學(xué)（機械工業(yè)出

10、版社）課本p369圖13-10及表13-3得：端銑加工得鍵槽有效應(yīng)力集中系數(shù) 當(dāng)表面為車削時表面質(zhì)量系數(shù)已知 fh 處只受扭轉(zhuǎn)作用：所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)。安全系數(shù)：所以，h-h截面的疲勞強度符合強度要求。4.5 用能量法計算a-a截面的轉(zhuǎn)角y，z。采用圖乘法分別求解截面的轉(zhuǎn)角y，z。（1）求y：在截面a加一單位力偶矩my。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖與外載荷作用下的彎矩圖my如下（畫在受彎的一側(cè)，計算過程如下）：由平衡方程得：b點的彎矩為： e點的彎矩為: 由圖乘法： 查表得：桿件的抗扭剛度： 由公式： 得：(2) 求z：在截面a加一單位力偶矩mz。并作出單位力偶矩作用下的彎矩圖mz與外

11、載荷作用下的彎矩圖mz如下（畫在受彎的一側(cè)）：同理得：b點的彎矩為：e點的彎矩為：由公式： 得：五、分析討論及必要說明在本次設(shè)計中，做以下幾點說明：（1）在外力分析時，在設(shè)定未知力的時候，由于已知沒有x方向的外力，故未設(shè)fax，ffy。（2）在畫內(nèi)力圖時，不計彎曲切應(yīng)力，故未畫剪力圖。（3）在強度計算方面，由于材料是球墨鑄鐵，其物理性質(zhì)與鋼相近，所以采用第三強度理論而不用第一或第二強度理論。（4）在膠合曲柄臂畫內(nèi)力分布時，把曲柄臂的危險截面簡化成矩形，忽略圓孔對其的影響。（5）在疲勞強度校核h-h截面時，忽略鍵槽對tmax的影響。六、設(shè)計的改進(jìn)措施及方法6.1 提高曲軸的彎曲強度合理安排曲軸的

12、受力情況及設(shè)計合理的截面，但對于該曲軸只能采用合理安排曲軸的受力情況。在機械結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取將集中載荷適當(dāng)分散或?qū)⒓辛ΡM量靠近支座。6.2 提高曲軸的彎曲剛度提高彎曲剛度的主要措施有：改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值，選擇合理的截面及合理選材等。但對于該曲軸只能改善結(jié)構(gòu)形式，減少彎矩的數(shù)值及合理選材。6.3 提高曲軸的疲勞強度提高疲勞強度的主要措施有減緩應(yīng)力集中及提高曲軸的表面強度等。為了消除和緩解應(yīng)力集中，再設(shè)計曲軸時，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形直角或帶有尖角的孔和槽，即在主軸頸和曲柄臂相連處應(yīng)采用半徑較大的過度圓角，提高曲軸表面的強度可通過兩方面實現(xiàn),一是從加工入手，提高表面加工質(zhì)量，可采用

13、精細(xì)加工降低表面粗糙度，如果將材料改為高強度鋼就尤其要注意；二是增加表面強度，對曲軸中應(yīng)力集中的部位如鍵槽處應(yīng)采取某些工藝措施，即表面熱處理或化學(xué)處理，如表面高頻淬火、滲碳、滾壓、噴丸等。七、設(shè)計體會通過這次的課程設(shè)計，我對材料力學(xué)有了更深一層的認(rèn)識：材料力學(xué)是一門被各個工程廣泛應(yīng)用的學(xué)科，是通過理論與實驗來進(jìn)行強度、剛度、穩(wěn)定性以及材料的力學(xué)性能的研究。在保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下，為構(gòu)件選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，確定合理的截面形狀和尺寸提供基本理論和計算方法。初步了解和掌握工程實踐中的設(shè)計思想和設(shè)計方法。這次的課程設(shè)計讓我深知理論與實際相結(jié)合的重要性，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。此外，我深深的體

14、會到了僅僅掌握課本中的理論和方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，工程實際中的一些問題要比想象的復(fù)雜的多，只有不斷進(jìn)行工程問題的分析和研究，從中獲得大量的寶貴經(jīng)驗，才能以最經(jīng)濟(jì)的代價、最合理的方法解決遇到的難題。此次課程設(shè)計讓我受益匪淺，設(shè)計中還有很多不足，希望老師批評指正。八參考文獻(xiàn) 1聶毓琴,孟廣偉等，材料力學(xué)第2版），北京，機械工業(yè)出版社，2009.12聶毓琴等，材料力學(xué)實驗與課程設(shè)計，北京，機械工業(yè)出版社，2006.83譚浩強,c程序設(shè)計（第四版），北京，清華大學(xué)出版社，2010.6九、附錄9.1 求h,b程序#include#include#define pi 3.1415926int main() d

15、ouble mex,mey,mez,fn2;double h,b,s=120e6,s1,s2,s3;int d=39;double z1,z2,z3,q2,q3;double h1,b1;double a,r;double s,max=(1.6*d)*(0.4*1.6*d); /*面積最大值*/mex=477.45;mey=434.64;mez=217.32;fn2=1509.18;printf(*汽車學(xué)院*沈靜祺*42120724*n);printf(* *n);printf(* 所用數(shù)據(jù)：p=15.6kw n=260r/min r=0.06m *n);printf(* *n);for(h=

16、1.4*d;h=1.6*d;h+=0.01) for(b=0.25*h;b=2.5&h/b=3) /*利用插入法確定a,r*/a=0.213+0.018*h/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*mex/(b*h*h)+6e9*mez/(b*b*h); /*d1點正應(yīng)力*/ z2=1e6*fn2/(b*h)+6e9*mez/(b*b*h); /*d2點正應(yīng)力*/ z3=1e6*fn2/(b*h)+6e9*mex/(b*h*h); /*d3點正應(yīng)力*/ q2=1e9*mey

17、/(b*b*h*a); /*d2點切應(yīng)力*/q3=r*q2; /*d3點切應(yīng)力*/s1=z1; s2=sqrt(z2*z2+4*q2*q2);s3=sqrt(z3*z3+4*q3*q3);if(s1s&s2s&s3s) s=b*h;if(s=2.5&h/b=3) /*帶回，利用插入法求a,r*/a=0.213+0.018*h/b;r=0.837-0.028*h/b;elsea=0.222+0.015*h/b;r=0.777-0.008*h/b;printf(* 解得h和b值為: h=%.2lfmm b=%.2lfmm *n,h,b);printf(* *n);printf(* 解得a和r值為:

18、 a=%.3lf r=%.3lf *n,a,r);printf(* *n);printf(*汽車學(xué)院*沈靜祺*42120724*n);return 0;9.2 程序框圖9.3 c語言程序#include#include#define pi 3.1415926#define g 1000#define r 120main()double l1,l2,l3,e,u,si,sib,tao,fai,ep; /定義已知量float p,n,r; /定義輸入的可變量double me,ft,fr,fay,faz,ffy,ffz,m1x,m1y,m1z,m2x,m2y,m2z,m3x,m3y,m3z,fn2

19、; /定義設(shè)計過程中各力矩及力的符號double sir1,sir2,b,d,d;double h,b,h1,b1,sigma1,sigma2,sigma3,sigmar2,sigmar3,alfa,gama,tao1,tao2;/定義計算過程中常數(shù)及轉(zhuǎn)換量double w,taomax,ktao,bata,ntao;double z1,z2,z3,q2,q3,y2,y3, a,s,m=1.6*d*0.4*1.6*d;l1=0.11,l2=0.18,e=150e9,u=0.27,si=120e6,sib=450e6,tao=180e6,fai=0.05,ep=0.78;printf(l1=%f

20、,l2=%f,e=%f,u=%f,si=%f,sib=%f,tao=%f,fai=%f,ep=%fn, l1,l2,e,u,si,sib,tao,fai,ep);/定義及輸出已知量printf(please input date:p,n,rn);scanf(%f,%f,%f,&p,&n,&r); /輸入可變量l3=1.2*r;me=9549*p/n;ft=me/r;fr=ft/2; /求解外力偶矩及外力fay=fr*l2/(l1+l2);faz=ft*l2/(l1+l2);ffy=fr*l1/(l1+l2);ffz=ft*l1/(l1+l2);m1x=me;m1y=ffz*(l2-l3/2);

21、m1z=ffy*(l2-l3/2);/求解各方向彎矩m2x=me;m2y=ffz*(l2-l3/2);m2z=ffy*(l2-l3/2);fn2=ffy;m3x=faz*r;m3y=faz*l1;m3z=fay*l1;printf(m1x=%.2f,m1y=%.2f,m1z=%.2f,m2x=%.2f,m2y=%.2f,m2z=%.2f,m3x=%.2f,m3y=%.2f,m3z=%.2f,fn2=%.2fn,m1x,m1y,m1z,m2x,m2y,m2z,m3x,m3y,m3z,fn2);sir1=sqrt(m1x*m1x+m1y*m1y+m1z*m1z);b=32*sir1/pi/si;d

22、=pow(b,1.0/3.0); /利用pow函數(shù)求解主頸軸直徑dsir2=sqrt(m3x*m3x+m3y*m3y+m3z*m3z);b=32*sir2/pi/si;d=pow(b,1.0/3.0); printf(d=%.5f,d=%.5fn,d,d); for(h=1.4*d*g;h=1.6*d*g;h=h+0.01)/利用插入法找出h,bfor(b=0.25*h;b=2.5&h/b=3&h/b=4)a=0.267+0.015*(h/b-3);r=0.753-0.008*(h/b-3);z1=fn2/(b*h)+6*g*m1z/(b*b*h)+6*g*m1x/(b*h*h); /在2-2截面利用第三強度理論求出最優(yōu)h,b解z2=fn2/(b*h)+6*g*m1z/(b*b*h);z3=fn2/(b*h)+6*g*m1x/(b*h*h);q2=g*m1y/(b*b*h*a);q3=r*q2;y2=sqrt(z2*z2+4*q2*q2);y3=sqrt(z3*z3+4*q3*q3);if(z1=r&(y2